Modelos matemáticos oferecem grandes benefícios para a compreensão dos mecanismos envolvidos nos processos de tratamento de águas residuárias uma vez que fornecem interpretações e possibilitam previsões de desempenho, comparações de alternativas de tratamento, otimização de futuras plantas ou o aprimoramento das existentes, podendo subsidiar a elaboração de projetos em escala real. Em virtude disto, nesta pesquisa visou-se o desenvolvimento de um modelo bioquímico-matemático para descrever o processo de degradação da glicose em um reator anaeróbio de leito fixo com fluxo ascendente, com a resultante produção biológica de hidrogênio por meio do processo de fermentação. O desenvolvimento do modelo foi baseado em estudos sobre a cinética bioquímica e as características hidrodinâmicas do sistema. Os parâmetros de ajuste do modelo aos dados experimentais foram as constantes de velocidade das reações bioquímicas envolvidas na produção de hidrogênio. A calibração foi realizada manualmente buscando minimizar o desvio global. Para a determinação dos parâmetros foi utilizada a técnica de geração de números aleatórios com distribuição de freqüência uniforme e em seguida, o método de inversão de matrizes. O modelo matemático se revelou bastante adequado para a previsão do perfil de concentrações ao longo do reator, e possibilitou a representação das rotas de utilização da matéria orgânica. A reação de oxidação do ácido propiônico pelas bactérias acidogênicas produtoras de hidrogênio constitui a principal via de produção de \'H IND.2\' no sistema. / Mathematical models bring benefits to the understanding of mechanisms involved on wastewater treatment processes because they provide interpretations and make possible performance predictions, evaluation of design alternatives, optimization of future plants or the improvement to existing systems. Therefore, in this work a mathematical model to describe the glucose degradation process, with hydrogen production through the fermentation, in an upflow anaerobic packed-bed reactor is developed. The model equations were based on studies of biochemical kinetics and hydrodynamics features of the system. The parameters considered were the rates of the biochemical reactions involved in the hydrogen production. The calibration was made through the minimization of the global deviation. The parameters determination was obtained with the use of a technique of generation of aleatory numbers, and after that, the method of matrices inversion for the solution of the system of linear equations. The mathematical model developed showed to be adequate for the concentrations prediction along the reactor, and it made possible the representation of the routes of organic material utilization. The oxidation reaction of propionic acid is the main hydrogen production route in the reactor.

A presente pesquisa avaliou diferentes razões de recirculação do meio líquido com a finalidade de identificar a melhor condição de mistura para uma produção elevada e contínua de hidrogênio em um reator anaeróbio de leito fixo com fluxo ascendente alimentado com um meio contendo sacarose como fonte de carbono e uréia como fonte de nitrogênio. Foi utilizado polietileno de baixa densidade como meio suporte para imobilização da biomassa. O experimento foi iniciado com ensaios hidrodinâmicos (pulso, utilizando dextran blue como traçador) que determinaram as seguintes razões de recirculação em relação à vazão de alimentação utilizadas: R = 0,25, 0,5, 1,0 e 2,0. O experimento foi realizado em duas etapas, nas quais foram operados dois reatores idênticos simultaneamente, testando-se duas razões de recirculação diferentes. A DQO da água residuária foi de 2000 mg/L. O tempo de detenção hidráulica teórico foi de 2 horas e a temperatura foi mantida em 25 graus Celsius. A remoção de sacarose apresentou valores médios de 67%, 79%, 71% e 70% para R = 0,25, 0,5, 1,0 e 2,0, respectivamente. Os valores médios de rendimento de hidrogênio foram 1,14 mol \'H IND.2\'/mol sac, 1,43 mol \'H IND.2\'/mol sac, 1,34 mol \'H IND.2\'/mol sac e 0,86 mol \'H IND.2\'/.mol sac e de produção volumétrica de hidrogênio foram 74,34 mL \'H IND.2\'/(h.L), 124,78 mL \'H IND.2\'/(h.L), 96,57 mL \'H IND.2\'/(h.L) e 73,49 mL \'H IND.2\'/(h.L) para as vazões de recirculação de 0,25, 0,5, 1,0 e 2,0, respectivamente. O biogás produzido foi composto de \'H IND.2\', e \'CO IND.2\', com valores percentuais médios para \'H IND.2\', de 50%, 56%, 56% e 46% para R = 0,25, 0,5, 1,0 e 2,0, respectivamente. Não houve presença de metano em nenhuma fase de operação. Os principais produtos intermediários produzidos durante a produção de \'H IND.2\', foram ácido acético, ácido butírico e etanol, de forma similar para todas as fases de recirculação. Analisando todos os parâmetros de operação, foi possível notar que a melhor vazão de recirculação obtida foi de R = 0,5. Ajustando os dados obtidos a uma função polinomial, porém, chegou-se a um ponto de ótimo em R = 0,6. Durante os experimentos observou-se uma queda na produção do biogás, provavelmente por atuação de microrganismos consumidores deste. / The present research evaluated different recirculation rates of the liquid medium for the purpose of identify the best mixture condition for a high and continuous hydrogen production in an anaerobic upflow fixed-bed reactor fed with a medium containing sucrose as carbon source and urea as nitrogen source. Low density polyethylene was used as medium for biomass immobilization. The experiment began with hydrodynamic tests (pulse, using dextran blue as tracer) which led to the following recirculation rates related with the feed flow rate used in this work: R = 0,25, 0,5, 1,0 and 2,0. The experiment was conducted in two stages, where two identical reactors were operated simultaneously, by testing two different recirculation rates. COD from wastewater was 2000 mg/L. The theoretical hydraulic retention time was 2 hours and the temperature was maintained at 25 Celsius degrees. The average values of sucrose consumption were 67%, 79%, 71% and 70% for R = 0,25, 0,5, 1,0 and 2,0, respectively. The average values of hydrogen yield were 1,14 mol \'H IND.2\'/mol sac, 1,43 mol \'H IND.2\'/mol sac, 1,34 mol \'H IND.2\'/mol sac and 0,86 mol \'H IND.2\'/mol sac and of hydrogen production rate were 74.34 mL \'H IND.2\'/(h.L), 124.78 mL \'H IND.2\'/(h.L), 96.57 mL \'H IND.2\'/(h.L) and 73.49 mL \'H IND.2\'/(h.L) for recirculation rates of 0.25, 0.5, 1.0 and 2.0, respectively. The biogas produced was composed by \'H IND.2\', and \'CO IND.2\', with average values for \'H IND.2\', of 50%, 56%, 56% and 46% for R = 0,25, 0,5, 1,0 and 2,0, respectively. Methane was not detected. The main intermediate products produced during the hydrogen production were acetic acid, butyric acid and ethanol, similar in all stages of recirculation. Analyzing all operating parameters, it was identified that the better recirculation rate obtained during the experiments was R = 0.5. Adjusting all data obtained with a polynomial function, it was found an optimal recirculation rate of R = 0.6. During the experiments there was a drop in biogas production, probably by the activity of microrganisms consumers of this biogas.

A presente pesquisa avaliou diferentes razões de recirculação do meio líquido com a finalidade de identificar a melhor condição de mistura para uma produção elevada e contínua de hidrogênio em um reator anaeróbio de leito fixo com fluxo ascendente alimentado com um meio contendo sacarose como fonte de carbono e uréia como fonte de nitrogênio. Foi utilizado polietileno de baixa densidade como meio suporte para imobilização da biomassa. O experimento foi iniciado com ensaios hidrodinâmicos (pulso, utilizando dextran blue como traçador) que determinaram as seguintes razões de recirculação em relação à vazão de alimentação utilizadas: R = 0,25, 0,5, 1,0 e 2,0. O experimento foi realizado em duas etapas, nas quais foram operados dois reatores idênticos simultaneamente, testando-se duas razões de recirculação diferentes. A DQO da água residuária foi de 2000 mg/L. O tempo de detenção hidráulica teórico foi de 2 horas e a temperatura foi mantida em 25 graus Celsius. A remoção de sacarose apresentou valores médios de 67%, 79%, 71% e 70% para R = 0,25, 0,5, 1,0 e 2,0, respectivamente. Os valores médios de rendimento de hidrogênio foram 1,14 mol \'H IND.2\'/mol sac, 1,43 mol \'H IND.2\'/mol sac, 1,34 mol \'H IND.2\'/mol sac e 0,86 mol \'H IND.2\'/.mol sac e de produção volumétrica de hidrogênio foram 74,34 mL \'H IND.2\'/(h.L), 124,78 mL \'H IND.2\'/(h.L), 96,57 mL \'H IND.2\'/(h.L) e 73,49 mL \'H IND.2\'/(h.L) para as vazões de recirculação de 0,25, 0,5, 1,0 e 2,0, respectivamente. O biogás produzido foi composto de \'H IND.2\', e \'CO IND.2\', com valores percentuais médios para \'H IND.2\', de 50%, 56%, 56% e 46% para R = 0,25, 0,5, 1,0 e 2,0, respectivamente. Não houve presença de metano em nenhuma fase de operação. Os principais produtos intermediários produzidos durante a produção de \'H IND.2\', foram ácido acético, ácido butírico e etanol, de forma similar para todas as fases de recirculação. Analisando todos os parâmetros de operação, foi possível notar que a melhor vazão de recirculação obtida foi de R = 0,5. Ajustando os dados obtidos a uma função polinomial, porém, chegou-se a um ponto de ótimo em R = 0,6. Durante os experimentos observou-se uma queda na produção do biogás, provavelmente por atuação de microrganismos consumidores deste. / The present research evaluated different recirculation rates of the liquid medium for the purpose of identify the best mixture condition for a high and continuous hydrogen production in an anaerobic upflow fixed-bed reactor fed with a medium containing sucrose as carbon source and urea as nitrogen source. Low density polyethylene was used as medium for biomass immobilization. The experiment began with hydrodynamic tests (pulse, using dextran blue as tracer) which led to the following recirculation rates related with the feed flow rate used in this work: R = 0,25, 0,5, 1,0 and 2,0. The experiment was conducted in two stages, where two identical reactors were operated simultaneously, by testing two different recirculation rates. COD from wastewater was 2000 mg/L. The theoretical hydraulic retention time was 2 hours and the temperature was maintained at 25 Celsius degrees. The average values of sucrose consumption were 67%, 79%, 71% and 70% for R = 0,25, 0,5, 1,0 and 2,0, respectively. The average values of hydrogen yield were 1,14 mol \'H IND.2\'/mol sac, 1,43 mol \'H IND.2\'/mol sac, 1,34 mol \'H IND.2\'/mol sac and 0,86 mol \'H IND.2\'/mol sac and of hydrogen production rate were 74.34 mL \'H IND.2\'/(h.L), 124.78 mL \'H IND.2\'/(h.L), 96.57 mL \'H IND.2\'/(h.L) and 73.49 mL \'H IND.2\'/(h.L) for recirculation rates of 0.25, 0.5, 1.0 and 2.0, respectively. The biogas produced was composed by \'H IND.2\', and \'CO IND.2\', with average values for \'H IND.2\', of 50%, 56%, 56% and 46% for R = 0,25, 0,5, 1,0 and 2,0, respectively. Methane was not detected. The main intermediate products produced during the hydrogen production were acetic acid, butyric acid and ethanol, similar in all stages of recirculation. Analyzing all operating parameters, it was identified that the better recirculation rate obtained during the experiments was R = 0.5. Adjusting all data obtained with a polynomial function, it was found an optimal recirculation rate of R = 0.6. During the experiments there was a drop in biogas production, probably by the activity of microrganisms consumers of this biogas.

Modelos matemáticos oferecem grandes benefícios para a compreensão dos mecanismos envolvidos nos processos de tratamento de águas residuárias uma vez que fornecem interpretações e possibilitam previsões de desempenho, comparações de alternativas de tratamento, otimização de futuras plantas ou o aprimoramento das existentes, podendo subsidiar a elaboração de projetos em escala real. Em virtude disto, nesta pesquisa visou-se o desenvolvimento de um modelo bioquímico-matemático para descrever o processo de degradação da glicose em um reator anaeróbio de leito fixo com fluxo ascendente, com a resultante produção biológica de hidrogênio por meio do processo de fermentação. O desenvolvimento do modelo foi baseado em estudos sobre a cinética bioquímica e as características hidrodinâmicas do sistema. Os parâmetros de ajuste do modelo aos dados experimentais foram as constantes de velocidade das reações bioquímicas envolvidas na produção de hidrogênio. A calibração foi realizada manualmente buscando minimizar o desvio global. Para a determinação dos parâmetros foi utilizada a técnica de geração de números aleatórios com distribuição de freqüência uniforme e em seguida, o método de inversão de matrizes. O modelo matemático se revelou bastante adequado para a previsão do perfil de concentrações ao longo do reator, e possibilitou a representação das rotas de utilização da matéria orgânica. A reação de oxidação do ácido propiônico pelas bactérias acidogênicas produtoras de hidrogênio constitui a principal via de produção de \'H IND.2\' no sistema. / Mathematical models bring benefits to the understanding of mechanisms involved on wastewater treatment processes because they provide interpretations and make possible performance predictions, evaluation of design alternatives, optimization of future plants or the improvement to existing systems. Therefore, in this work a mathematical model to describe the glucose degradation process, with hydrogen production through the fermentation, in an upflow anaerobic packed-bed reactor is developed. The model equations were based on studies of biochemical kinetics and hydrodynamics features of the system. The parameters considered were the rates of the biochemical reactions involved in the hydrogen production. The calibration was made through the minimization of the global deviation. The parameters determination was obtained with the use of a technique of generation of aleatory numbers, and after that, the method of matrices inversion for the solution of the system of linear equations. The mathematical model developed showed to be adequate for the concentrations prediction along the reactor, and it made possible the representation of the routes of organic material utilization. The oxidation reaction of propionic acid is the main hydrogen production route in the reactor.

Este trabalho teve como objetivo a produção de hidrogênio em reator anaeróbio de leito fixo com fluxo ascendente utilizando-se efluente de indústria de refrigerantes. Os resultados obtidos demonstraram que a água residuária semi-sintética simulando efluente de indústria de refrigerantes tem um bom potencial de geração de hidrogênio. Dados da operação dos dois reatores utilizados mostraram que o maior rendimento foi alcançado pelo reator operado sem a adição de meio contendo nutrientes (R2), pois este foi capaz de atingir 4,2 mol \'H IND.2\'/mol de substrato em contraste com 2,5 mol \'H IND.2\'/mol de substrato, obtida pelo reator (R1), cujo afluente continha suplementação nutricional. Constatou-se que o reator operado sem adição de nutrientes (R2) apresentou continuidade na produção de hidrogênio, fato que não ocorreu com o reator R1, que exibiu uma produção efêmera e significativamente inferior. O melhor desempenho na velocidade de produção de hidrogênio e porcentagem do mesmo na composição do biogás também foi observado para o reator R2, que atingiu 0,52 L/h.L e 18,9% de \'H IND.2\' contra 0,28 L/h.L e 2,1% de \'H IND.2\' obtidos pelo reator com suplementação nutricional (R1). Após esta primeira etapa comparativa em que os reatores foram operados simultaneamente com TDH teórico de 0,5 h, prosseguiu-se apenas com a operação do reator R2, porém com tempo de detenção hidráulica teórico de 1 h, o que induziu uma maior conversão do substrato a ácidos e álcoois, mudou as características hidrodinâmicas do leito e afetou negativamente a produção de hidrogênio. / This work was aimed on hydrogen production in an upflow anaerobic packed-bed reactor fed with soft-drink wastewater. The results obtained show that the semisynthetic soft-drink wastewater has a good hydrogen generation potential. Data obtained from the operation of both reactors indicated that the reactor operated without the addition of medium containing macro and micronutrients (R2) provided higher hydrogen yield (4,2 mol \'H IND.2\'/mol of substrate) as compared to the reactor (R1) operated with the addition of nutrient medium, which achieved lower hydrogen production yield (2,5 mol \'H IND.2\'/mol of substrate). It was observed that the reactor operated without the addition of nutrients (R2) showed continuous hydrogen production, while the reactor R1 exhibited a short period of production and lower amounts of hydrogen. Better hydrogen production rate and percentage in the biogas were also observed for the reactor R2, which achieved 0,52 L/h.L and 18,9% of \'H IND.2\' against 0,28 L/h.L and 2,1% of \'H IND.2\' obtained by the reactor with nutrient addition (R1). After operation with HDT of 0,5 h, the reactor R2 was operated with theoretical HDT of 1 h. Under this condition, the substrate was mainly converted to acids and solvents, negatively affecting the hydrogen production and the hydrodynamic pattern of the reactor.

Submeteu-se um Reator Anaeróbio Horizontal de Leito Fixo (RAHLF) de bancada, ao aumento progressivo da concentração de matéria orgânica afluente, e a cargas de choque orgânicas, com o objetivo de verificar-se seu desempenho e estabilidade operacional. O RAHLF foi construído com um tubo de boro-silicato de 100 cm de comprimento, 5,0 cm de diâmetro e 1995 ml de volume total e preenchido com lodo anaeróbio imobilizado em matrizes de espuma de poliuretano. O reator foi alimentado, inicialmente, com substrato composto principalmente de carboidratos em concentrações, expressas como Demanda Química de Oxigênio (DQO) de, aproximadamente, 200, 1000 e 2000 mg/l. Posteriormente, os carboidratos foram substituídos por metanol e ácidos voláteis, em concentrações totais, aproximadas, de 2000, 3000, 4000 e 5000 mg DQO/l. Atingido o estado estacionário para cada condição operacional, foram aplicadas cargas de choque, aumentando-se em três vezes o valor da DQO afluente, durante período equivalente ao tempo de detenção hidráulica (sete horas). O sistema apresentou problemas operacionais durante os experimentos com carboidratos, quando submetido a 2000 mg DQO/l, correspondente à taxa volumétrica de carregamento orgânico de 8,77 KgDQO/m3.d. Não foi verificado qualquer problema operacional durante os experimentos com substrato contendo metanol e ácidos voláteis, e o reator apresentou eficiência de remoção de DQO superior a 90%. Para o experimento com DQO afluente igual a 2000 mg/l, os parâmetros cinéticos foram estimados a partir de modelo cinético de 1ª ordem, obtendo-se valor de k1 igual a 0,049 h-1, nos demais experimentos ajustou-se modelo cinético de 2ª ordem com valor médio de k2 equivalente a 2,0 x 10-4 l/mg.h Foram aplicadas cargas de choque orgânicas equivalentes a, aproximadamente, 17; 27; 40 e 47 kgDQO/m3.d. Os efeitos das sobrecargas orgânicas no reator foram transientes em todos os casos, tendo o reator voltado à condição inicial em, no máximo, 15 horas após o início das sobrecargas. / A Horizontal flow Anaerobic lmmobilized Sludge Reactor (HAIS) was subjected to progressively increasing concentrations of organic effluent material and to organic shock loads with the purpose of investigating its operational performance and stability. The HAIS, consisting of a 100 cm long, 5 cm diameter borosilicate tube with a total volume capacity of 1995 mL, was filled with anaerobic sludge immobilized in foam and polyurethane matrixes. The reactor was initially fed with a substrate composed mainly of carbohydrates in concentrations, expressed as Chemical Oxygen Demand (COD), of approximately 200, 1000 and 2000 mg/L. These carbohydrates were later replaced by methanol and volatile acids in total concentrations of 2000, 3000, 4000 and 5000 mg COD/L. Shock loads were applied after each operational condition became stationary, with the effluent COD tripled for a period equivalent to the hydraulic detention time (seven hours). The system presented operational problems during the experiments with carbohydrates when subjected to 2000 mg DQO/l, which corresponded to a volumetric organic load index of 8,77 Kg COD/m3.d. No operational problems were detected during the experiments with substrates containing methanol and volatile acids, and the reactor presented a COD removal efficiency of over 90%. The kinetic parameters for the COD effluent with 2000 mg/L were estimated based on a first arder kinetic model, which resulted in a k1 value of 0,049 h-1, while a kinetic model of the second order was used for the remaining experiments, with a mean value of k2 equivalent to 2,0 x 10-4 L/mg.h. Organic shock loads of approximately 17; 27; 40 and 47 kg COD/m3.d were applied. The effects of the organic overloads on the reactor were transient in every case, with the reactor returning to its initial condition at the most 15 hours after the beginning of the overloads.

O reator anaeróbio de leito fixo tem demonstrado viabilidade para produzir hidrogênio a partir de águas residuárias. No entanto, a liberação do biogás não tem sido contínua devido à diminuição constante da carga orgânica volumétrica específica (COVe) causada pelo acúmulo de biomassa no leito ao longo do tempo. A redução da COVe junto com o envelhecimento da biomassa tem sugerido o estabelecimento de microorganismos consumidores dos constituintes do biogás (H2/CO2) responsáveis por cessar a produção de hidrogênio. Neste trabalho, cinco estratégias foram propostas visando a produção de hidrogênio por longo prazo operacional e com estabilidade, mediante a fixação da COVe, as quais incluíram a alteração da estruturação do leito, inverter o escoamento, realizar descartes periódicos de biomassa e variar a carga orgânica volumétrica aplicada (COV) por meio da variação do tempo de detenção hidráulica (TDH) e da concentração do substrato. Os resultados demonstraram que a manutenção da COVe em um valor adequado permite a produção contínua de hidrogênio. A ordenação do leito, utilizando polietileno de baixa densidade e espuma, e o escoamento descendente favoreceram a diminuição do acúmulo de biomassa e junto com os descartes de biomassa foi possível manter a COVe em um valor estável próximo de 5 g sacarose g-1 SSV d-1. A produção volumétrica de hidrogênio (PVH) foi contínua com valor médio de 0,6 L H2 L-1 d-1 e rendimento (YH2) próximo a 0,5 mol H2 mol-1 sc. Por outro lado, o escoamento ascendente e os descartes de biomassa em reator de leito empacotado e ordenado atingiram uma PVH média de 2,2 ± 0,2 e 3,13 ± 0,07 L H2 L-1 d-1 quando a COVe foi mantida em 2,6 e 4,4 g sacarose g-1 SSV d-1, respectivamente. Por último a variação da COV permitiu manter a COVe entre 3,8 e 6,2 g sacarose g-1 SSV d-1, atingindo um YH2 médio de 2 mol H2 mol-1 sc e um incremento da PHV de 2,4 a 8,9 L H2 L-1 d-1 durante 60 dias consecutivos. Ainda que com resultados satisfatórios referentes à manutenção por longo período operacional e estabilidade na produção de hidrogênio, a supersaturação deste gás no meio líquido, devido a limitações de transferência de massa, foi a principal causa de perdas de hidrogênio neste tipo de reator. / Fixed-bed, anaerobic reactor has been shown to be feasible for hydrogen production from wastewater. However, biogas release has not been continuous due to the continuous specific organic load (SOL) decrease, which in turn is caused by biomass accumulation in the bed, through the time. SOL reduction and biomass ageing have indicated the establishment of the microorganisms that consumes the biogas constituents (H2/CO2) as the main cause for ceasing hydrogen production. In this work, five strategies were proposed aiming at obtaining longterm, stable hydrogen production by using SOL maintenance, modifications of the bed structure, flow inversion, periodic biomass discards and diverse organic load rates (OLR), as a function of the hydraulic retention time (HRT) and of the substrate concentration. Results demonstrated that by maintaining the SOL at proper values, continuous hydrogen production can be accomplished. On one hand, structuring the bed by using low-density polyethylene and foam, together with a down-flow and biomass discards were shown to diminish biomass accumulation, which led to keep a stable SOL value close to 5 g sucrose g-1 VSS d-1. Volumetric hydrogen production (VHP) was continuous with an average value of 0.6 L H2 L-1 d-1 and a yield (YH2) close to 0.5 mol H2 mol-1 sc. On the other hand, up-flow with biomass discharges, when implemented structured-bed and packed-bed reactors reached average VHP values of 2.2 ± 0.2 and 3.13 ± 0.07 L H2 L-1 d-1 as SOL was maintained between 2.6 and 4.4 g sucrose g-1 VSS d-1, respectively. Eventually, SOL was kept between 3.8 e 6.2 g sucrose g-1 VSS d-1 by varying the OLR, thus reaching an average YH2 value of 2 mol H2 mol-1 sc and a VHP increase from 2.4 to 8.9 L H2 L-1 d-1, along sixty consecutive days. As a consequence of mass-transfer limitations, oversaturation of hydrogen at the liquid medium was found as the main factor that causes hydrogen losses concerning fixed-bed reactors, even though the proposed strategies did indeed demonstrate long-term and stable hydrogen production.

Este trabalho teve como objetivo a produção de hidrogênio em reator anaeróbio de leito fixo com fluxo ascendente utilizando-se efluente de indústria de refrigerantes. Os resultados obtidos demonstraram que a água residuária semi-sintética simulando efluente de indústria de refrigerantes tem um bom potencial de geração de hidrogênio. Dados da operação dos dois reatores utilizados mostraram que o maior rendimento foi alcançado pelo reator operado sem a adição de meio contendo nutrientes (R2), pois este foi capaz de atingir 4,2 mol \'H IND.2\'/mol de substrato em contraste com 2,5 mol \'H IND.2\'/mol de substrato, obtida pelo reator (R1), cujo afluente continha suplementação nutricional. Constatou-se que o reator operado sem adição de nutrientes (R2) apresentou continuidade na produção de hidrogênio, fato que não ocorreu com o reator R1, que exibiu uma produção efêmera e significativamente inferior. O melhor desempenho na velocidade de produção de hidrogênio e porcentagem do mesmo na composição do biogás também foi observado para o reator R2, que atingiu 0,52 L/h.L e 18,9% de \'H IND.2\' contra 0,28 L/h.L e 2,1% de \'H IND.2\' obtidos pelo reator com suplementação nutricional (R1). Após esta primeira etapa comparativa em que os reatores foram operados simultaneamente com TDH teórico de 0,5 h, prosseguiu-se apenas com a operação do reator R2, porém com tempo de detenção hidráulica teórico de 1 h, o que induziu uma maior conversão do substrato a ácidos e álcoois, mudou as características hidrodinâmicas do leito e afetou negativamente a produção de hidrogênio. / This work was aimed on hydrogen production in an upflow anaerobic packed-bed reactor fed with soft-drink wastewater. The results obtained show that the semisynthetic soft-drink wastewater has a good hydrogen generation potential. Data obtained from the operation of both reactors indicated that the reactor operated without the addition of medium containing macro and micronutrients (R2) provided higher hydrogen yield (4,2 mol \'H IND.2\'/mol of substrate) as compared to the reactor (R1) operated with the addition of nutrient medium, which achieved lower hydrogen production yield (2,5 mol \'H IND.2\'/mol of substrate). It was observed that the reactor operated without the addition of nutrients (R2) showed continuous hydrogen production, while the reactor R1 exhibited a short period of production and lower amounts of hydrogen. Better hydrogen production rate and percentage in the biogas were also observed for the reactor R2, which achieved 0,52 L/h.L and 18,9% of \'H IND.2\' against 0,28 L/h.L and 2,1% of \'H IND.2\' obtained by the reactor with nutrient addition (R1). After operation with HDT of 0,5 h, the reactor R2 was operated with theoretical HDT of 1 h. Under this condition, the substrate was mainly converted to acids and solvents, negatively affecting the hydrogen production and the hydrodynamic pattern of the reactor.

O reator anaeróbio de leito fixo tem demonstrado viabilidade para produzir hidrogênio a partir de águas residuárias. No entanto, a liberação do biogás não tem sido contínua devido à diminuição constante da carga orgânica volumétrica específica (COVe) causada pelo acúmulo de biomassa no leito ao longo do tempo. A redução da COVe junto com o envelhecimento da biomassa tem sugerido o estabelecimento de microorganismos consumidores dos constituintes do biogás (H2/CO2) responsáveis por cessar a produção de hidrogênio. Neste trabalho, cinco estratégias foram propostas visando a produção de hidrogênio por longo prazo operacional e com estabilidade, mediante a fixação da COVe, as quais incluíram a alteração da estruturação do leito, inverter o escoamento, realizar descartes periódicos de biomassa e variar a carga orgânica volumétrica aplicada (COV) por meio da variação do tempo de detenção hidráulica (TDH) e da concentração do substrato. Os resultados demonstraram que a manutenção da COVe em um valor adequado permite a produção contínua de hidrogênio. A ordenação do leito, utilizando polietileno de baixa densidade e espuma, e o escoamento descendente favoreceram a diminuição do acúmulo de biomassa e junto com os descartes de biomassa foi possível manter a COVe em um valor estável próximo de 5 g sacarose g-1 SSV d-1. A produção volumétrica de hidrogênio (PVH) foi contínua com valor médio de 0,6 L H2 L-1 d-1 e rendimento (YH2) próximo a 0,5 mol H2 mol-1 sc. Por outro lado, o escoamento ascendente e os descartes de biomassa em reator de leito empacotado e ordenado atingiram uma PVH média de 2,2 ± 0,2 e 3,13 ± 0,07 L H2 L-1 d-1 quando a COVe foi mantida em 2,6 e 4,4 g sacarose g-1 SSV d-1, respectivamente. Por último a variação da COV permitiu manter a COVe entre 3,8 e 6,2 g sacarose g-1 SSV d-1, atingindo um YH2 médio de 2 mol H2 mol-1 sc e um incremento da PHV de 2,4 a 8,9 L H2 L-1 d-1 durante 60 dias consecutivos. Ainda que com resultados satisfatórios referentes à manutenção por longo período operacional e estabilidade na produção de hidrogênio, a supersaturação deste gás no meio líquido, devido a limitações de transferência de massa, foi a principal causa de perdas de hidrogênio neste tipo de reator. / Fixed-bed, anaerobic reactor has been shown to be feasible for hydrogen production from wastewater. However, biogas release has not been continuous due to the continuous specific organic load (SOL) decrease, which in turn is caused by biomass accumulation in the bed, through the time. SOL reduction and biomass ageing have indicated the establishment of the microorganisms that consumes the biogas constituents (H2/CO2) as the main cause for ceasing hydrogen production. In this work, five strategies were proposed aiming at obtaining longterm, stable hydrogen production by using SOL maintenance, modifications of the bed structure, flow inversion, periodic biomass discards and diverse organic load rates (OLR), as a function of the hydraulic retention time (HRT) and of the substrate concentration. Results demonstrated that by maintaining the SOL at proper values, continuous hydrogen production can be accomplished. On one hand, structuring the bed by using low-density polyethylene and foam, together with a down-flow and biomass discards were shown to diminish biomass accumulation, which led to keep a stable SOL value close to 5 g sucrose g-1 VSS d-1. Volumetric hydrogen production (VHP) was continuous with an average value of 0.6 L H2 L-1 d-1 and a yield (YH2) close to 0.5 mol H2 mol-1 sc. On the other hand, up-flow with biomass discharges, when implemented structured-bed and packed-bed reactors reached average VHP values of 2.2 ± 0.2 and 3.13 ± 0.07 L H2 L-1 d-1 as SOL was maintained between 2.6 and 4.4 g sucrose g-1 VSS d-1, respectively. Eventually, SOL was kept between 3.8 e 6.2 g sucrose g-1 VSS d-1 by varying the OLR, thus reaching an average YH2 value of 2 mol H2 mol-1 sc and a VHP increase from 2.4 to 8.9 L H2 L-1 d-1, along sixty consecutive days. As a consequence of mass-transfer limitations, oversaturation of hydrogen at the liquid medium was found as the main factor that causes hydrogen losses concerning fixed-bed reactors, even though the proposed strategies did indeed demonstrate long-term and stable hydrogen production.

Submeteu-se um Reator Anaeróbio Horizontal de Leito Fixo (RAHLF) de bancada, ao aumento progressivo da concentração de matéria orgânica afluente, e a cargas de choque orgânicas, com o objetivo de verificar-se seu desempenho e estabilidade operacional. O RAHLF foi construído com um tubo de boro-silicato de 100 cm de comprimento, 5,0 cm de diâmetro e 1995 ml de volume total e preenchido com lodo anaeróbio imobilizado em matrizes de espuma de poliuretano. O reator foi alimentado, inicialmente, com substrato composto principalmente de carboidratos em concentrações, expressas como Demanda Química de Oxigênio (DQO) de, aproximadamente, 200, 1000 e 2000 mg/l. Posteriormente, os carboidratos foram substituídos por metanol e ácidos voláteis, em concentrações totais, aproximadas, de 2000, 3000, 4000 e 5000 mg DQO/l. Atingido o estado estacionário para cada condição operacional, foram aplicadas cargas de choque, aumentando-se em três vezes o valor da DQO afluente, durante período equivalente ao tempo de detenção hidráulica (sete horas). O sistema apresentou problemas operacionais durante os experimentos com carboidratos, quando submetido a 2000 mg DQO/l, correspondente à taxa volumétrica de carregamento orgânico de 8,77 KgDQO/m3.d. Não foi verificado qualquer problema operacional durante os experimentos com substrato contendo metanol e ácidos voláteis, e o reator apresentou eficiência de remoção de DQO superior a 90%. Para o experimento com DQO afluente igual a 2000 mg/l, os parâmetros cinéticos foram estimados a partir de modelo cinético de 1ª ordem, obtendo-se valor de k1 igual a 0,049 h-1, nos demais experimentos ajustou-se modelo cinético de 2ª ordem com valor médio de k2 equivalente a 2,0 x 10-4 l/mg.h Foram aplicadas cargas de choque orgânicas equivalentes a, aproximadamente, 17; 27; 40 e 47 kgDQO/m3.d. Os efeitos das sobrecargas orgânicas no reator foram transientes em todos os casos, tendo o reator voltado à condição inicial em, no máximo, 15 horas após o início das sobrecargas. / A Horizontal flow Anaerobic lmmobilized Sludge Reactor (HAIS) was subjected to progressively increasing concentrations of organic effluent material and to organic shock loads with the purpose of investigating its operational performance and stability. The HAIS, consisting of a 100 cm long, 5 cm diameter borosilicate tube with a total volume capacity of 1995 mL, was filled with anaerobic sludge immobilized in foam and polyurethane matrixes. The reactor was initially fed with a substrate composed mainly of carbohydrates in concentrations, expressed as Chemical Oxygen Demand (COD), of approximately 200, 1000 and 2000 mg/L. These carbohydrates were later replaced by methanol and volatile acids in total concentrations of 2000, 3000, 4000 and 5000 mg COD/L. Shock loads were applied after each operational condition became stationary, with the effluent COD tripled for a period equivalent to the hydraulic detention time (seven hours). The system presented operational problems during the experiments with carbohydrates when subjected to 2000 mg DQO/l, which corresponded to a volumetric organic load index of 8,77 Kg COD/m3.d. No operational problems were detected during the experiments with substrates containing methanol and volatile acids, and the reactor presented a COD removal efficiency of over 90%. The kinetic parameters for the COD effluent with 2000 mg/L were estimated based on a first arder kinetic model, which resulted in a k1 value of 0,049 h-1, while a kinetic model of the second order was used for the remaining experiments, with a mean value of k2 equivalent to 2,0 x 10-4 L/mg.h. Organic shock loads of approximately 17; 27; 40 and 47 kg COD/m3.d were applied. The effects of the organic overloads on the reactor were transient in every case, with the reactor returning to its initial condition at the most 15 hours after the beginning of the overloads.