A proposta deste trabalho foi a concepção de um modelo para o dimensionamento otimizado de sistemas para tratamento de água baseados na tecnologia de Ultrafiltração com membranas de fibra-oca pressurizadas. O modelo relaciona o comportamento das membranas com a qualidade da água bruta através de resultados de ensaios em unidade piloto ou de bancada e equações de bloqueio de poros. A validação desta relação foi realizada através da análise dos dados de uma planta piloto operada em dois períodos distintos em regimes de fluxo variando de 60 a 70L/m².h e alimentada com água bruta proveniente de um manancial de superfície. Os resultados apontaram para a predominância do mecanismo de obstrução através da formação de torta e indicaram uma boa aderência das equações do modelo físico à realidade observada. Variáveis econômicas foram incorporadas ao modelo de forma a permitir a otimização através da busca do mínimo custo total de propriedade. Uma análise de sensibilidade demonstrou que os parâmetros de projeto mais impactantes no custo total, quantidade de membranas, duração do ciclo de filtração e duração do ciclo de contralavagem, podem variar seu peso em diferentes regiões do mundo influenciando o dimensionamento. Outras variáveis de projeto como a vazão de ar de limpeza demonstraram ser pouco significantes para a redução do custo total. A otimização do modelo foi realizada através de um algoritmo de busca numérica para as variáveis de duração do ciclo de filtração e quantidade de membranas, os resultados a partir das informações colhidas na planta piloto levaram a um projeto arrojado, porém dentro das recomendações gerais dos fabricantes de membranas. Como conclusão é possível afirmar que o modelo de dimensionamento do projeto é capaz de reduzir os custos totais de uma estação de tratamento de água baseada na tecnologia de ultrafiltração além de demonstrar potencial para a otimização dinâmica de plantas já instaladas. / The goal of this work was the development of an optimal design model for water treatment plants based in the pressurized hollow-fiber ultrafiltration membrane technology. The model uses operational data from pilot plants or bench scale units as input and pore blocking equations to predict the behavior of the membranes. The correlation between the fouling model adopted and the pilot plant results was evaluated using a pilot plant operated in two different time frames with flux rates from 60L/m²h to 70L/m²h and fed with raw water from a lake. The results from this validation have shown that the major fouling mechanism is the cake filtration and the theoretical curves had a good fitting with the operational data. To allow the cost optimization, economic variables were added to the model. A sensitivity analysis demonstrated that the most significant design parameters on the overall cost were the membrane area, the duration of the filtration cycle and the duration of the backwash cycle. According to the analysis, since the costs of the commodities and membranes are different from a region to the other, the optimal system design will also be different. Other design parameters like the membrane aeration rate have shown almost no impact on the total operating cost. The model optimization for the membrane quantity and the filtration cycle duration was based on bi-dimensional discrete numeric algorithm. The results from the optimization using the pilot plant data were compatible with the typical ranges and limits proposed by the membrane manufacturers. The design model proposed was able to reduce the total costs of new plants and demonstrated a good potential for the dynamic optimization of existing plants.

A contaminação de aqüíferos rasos e livres por fossas sépticas e negras é um problema bastante sério, principalmente em países em desenvolvimento. Nesta dissertação pretendeu-se estudar processos de remediação de aqüíferos rasos e livres utilizando-se da técnica de wetlands, que são definidos como habitats onde o nível d\'água pode estar na superfície, sobre, ou bem próximo a ela. Como exemplo destas áreas pode-se citar os pântanos, brejos e manguezais, mas há também os criados artificialmente, geralmente com fins ambientais. Através de modelagem matemática foram criados possíveis cenários da aplicação de wetlands artificiais para a atenuação de plumas contaminantes em aqüíferos rasos. A remediação dos aqüíferos apresenta, por meios desses processos estudados, baixo custo operacional. Os resultados obtidos indicam a necessidade de uma área superior 2.000 m² para a implantação de um sistema capaz de tratar 10 m³ de água por dia, considerando um tempo de residência de 10 a 15 dias. Este volume corresponde ao efluente produzido por 70 pessoas (150 L/hab/dia). O volume drenado e o tempo de permanência da água dentro do canal são inversamente proporcionais e fortemente controlados pela condutividade hidráulica do terreno, que é um fator limitante para a construção de uma wetland para tratar água subterrânea. O tempo de trânsito sofre, ainda, forte influência de recarga. Em simulações com recarga de 250 mm/ano os tempos foram menores que os obtidos nas simulações sem recarga. As dimensões da pluma a ser capturada podem ser controlada com a construção de barreiras impermeáveis, tanto horizontais quanto verticais, como por exemplo, um cone para aumentar a abertura permeável para a captura da água subterrânea e a inserção de barreiras verticais logo abaixo dessa abertura. Porém as barreiras verticais deverão ser bastante profundas, pois barreiras de até 4 m além do fundo do canal, aumentariam, no máximo, em até 1 m a profundidade de captura dos tubos de fluxo da água subterrânea. Além dos modelos matemáticos, foram estudados dois sistemas integrados de \'wetlands\' - de fluxo superficial com plantas flutuantes (aguapés) seguidos de solos filtrantes com arroz irrigado - construídos para o tratamento de água superficial. No primeiro sistema, localizados em São Paulo (PET-EG), a eficiência para demanda bioquímica e química de oxigênio (DBO e DQO) foi de 55% e 72%, respectivamente. Já os compostos nitrogenados, com exceção do nitrato, apresentaram valores erráticos, sem nenhum valor conclusivo de eficiência. O nitrato apresentou concentrações sempre inferiores ao limite de detecção. No segundo sistema, localizado na SABESP de Carapicuíba, a eficiência para DBO e DQO foi de 83% a 86%. Para os compostos nitrogenados a eficiência foi de 83 a 93,6% para N-total, 80 a 87% para amônio e amônia, e de até 89% para nitrato, para as concentrações de entrada comuns para o Rio Cotia, em torno de 5 m/L \'\'NO IND. 3\' POT. -\'. Um experimento de injeção de uma solução de nitrato a 20 mg/L \'\'NO IND. 3\' POT. -\' retornou valores de eficiência para este nutriente em torno de 77%. A eficiência desse sistema foi boa também para cor (83 a 94%), turbidez (80 a 95,6%), fósforo total (92 a 97%) e agentes tensoativos (83%). Os alcances sociais deste trabalho são diretos, principalmente no atendimento de áreas de alta densidade de ocupação, como favelas, onde é comum a geração de plumas contaminantes que deságuam em córregos e pequenas drenagens, contaminando-os; e como alternativa no tratamento prévio da água para pequenos municípios. / The main goal of this research was to study the remediation of unconfined and shallow aquifers through the wetland technique. The wetlands are defined as the habitats where the water level can be either above, beneath or at the surface ground. As example of these areas, one can mention swamp and marsh, which are natural. However there are also the manmade ones, which are generally constructed for environmental purposes. Possible scenarios of artificial wetland application for the attenuation of contaminant plumes in shallow aquifers were created by means of numerical modeling, using the code Visual Modflow. The results indicated the need of an area larger than 2000 m² for the implementation of a system capable of treating 10 m³/day of water, considering the residence time of 10 to 15 days. This volume corresponds to the effluent produced by 70 people/day. lt was also demonstrated that the drained volume is in the inverse ratio to the residence time of the water within the channel and both are strongly controlled by the hydraulic conductivity of the aquifer. This is a limiting factor for the construction of a wetland to groundwater treatment purposes. The transit time is also influenced by the recharge. ln simulations of 250 mm/y of recharge the times were smaller than that obtained in simulations with no recharge. The dimension of the captured plume can be enhanced by the construction of impermeable barriers, either horizontal or vertical, such as a funnel to increase the aperture for the capture of the groundwater plume and the insertion of vertical barriers immediately bellow the aperture. However the vertical barriers must be quite deep, since barriers of at least 4 m further from the channel bottom would increase the depth of the groundwater flux tube capture only up to 1 m. Besides the mathematical modeling, two integrated systems of wetlands were studied. These facilities consist of superficial flux with floating plants (Eichhornia crassipes) channel followed by filtering soils with irrigated rice units, which were constructed for surface water treatment. ln the first system, located in São Paulo (Parque Ecológico do Tietê), the efficiency for the oxygen biochemical and chemical demands was of 55% and 72%, respectively. The nitrogen compounds, in turn, except for the nitrate, presented random values and non-conclusive efficiency results. The nitrate always presented concentrations smaller than the equipment detection limit. ln the second system, located at SABESP in Carapicuiba, the efficiency for oxygen biochemical and chemical demands was 83% and 86%. For the nitrogen compounds the efficiency was of 83% and 94% for total-N, 80% and 87% for ammonium and ammonia, and up to 89% for nitrate; for the common input concentrations of Cotia river, around 5 m/L \'\'NO IND. 3\' POT.-\'. An experiment of nitrate solution injection at 20 mg/L \'\'NO IND.3\' POT. - \' produced efficiency values around 77% for this nutrient. The efficiency for this system was also satisfactory for color (83 to 94%), turbidity (80 to 96%), total phosphorous (92 to 97%) and tensoactive agents (83%). The social outcomes of this research are direct, mainly for: (1) the assistance of densely occupied areas, such as slams, where the generation of contaminant plumes, which are drained to small drainages, is common; and (2) as an alternative for the water treatment for small communities.

A proposta deste trabalho foi a concepção de um modelo para o dimensionamento otimizado de sistemas para tratamento de água baseados na tecnologia de Ultrafiltração com membranas de fibra-oca pressurizadas. O modelo relaciona o comportamento das membranas com a qualidade da água bruta através de resultados de ensaios em unidade piloto ou de bancada e equações de bloqueio de poros. A validação desta relação foi realizada através da análise dos dados de uma planta piloto operada em dois períodos distintos em regimes de fluxo variando de 60 a 70L/m².h e alimentada com água bruta proveniente de um manancial de superfície. Os resultados apontaram para a predominância do mecanismo de obstrução através da formação de torta e indicaram uma boa aderência das equações do modelo físico à realidade observada. Variáveis econômicas foram incorporadas ao modelo de forma a permitir a otimização através da busca do mínimo custo total de propriedade. Uma análise de sensibilidade demonstrou que os parâmetros de projeto mais impactantes no custo total, quantidade de membranas, duração do ciclo de filtração e duração do ciclo de contralavagem, podem variar seu peso em diferentes regiões do mundo influenciando o dimensionamento. Outras variáveis de projeto como a vazão de ar de limpeza demonstraram ser pouco significantes para a redução do custo total. A otimização do modelo foi realizada através de um algoritmo de busca numérica para as variáveis de duração do ciclo de filtração e quantidade de membranas, os resultados a partir das informações colhidas na planta piloto levaram a um projeto arrojado, porém dentro das recomendações gerais dos fabricantes de membranas. Como conclusão é possível afirmar que o modelo de dimensionamento do projeto é capaz de reduzir os custos totais de uma estação de tratamento de água baseada na tecnologia de ultrafiltração além de demonstrar potencial para a otimização dinâmica de plantas já instaladas. / The goal of this work was the development of an optimal design model for water treatment plants based in the pressurized hollow-fiber ultrafiltration membrane technology. The model uses operational data from pilot plants or bench scale units as input and pore blocking equations to predict the behavior of the membranes. The correlation between the fouling model adopted and the pilot plant results was evaluated using a pilot plant operated in two different time frames with flux rates from 60L/m²h to 70L/m²h and fed with raw water from a lake. The results from this validation have shown that the major fouling mechanism is the cake filtration and the theoretical curves had a good fitting with the operational data. To allow the cost optimization, economic variables were added to the model. A sensitivity analysis demonstrated that the most significant design parameters on the overall cost were the membrane area, the duration of the filtration cycle and the duration of the backwash cycle. According to the analysis, since the costs of the commodities and membranes are different from a region to the other, the optimal system design will also be different. Other design parameters like the membrane aeration rate have shown almost no impact on the total operating cost. The model optimization for the membrane quantity and the filtration cycle duration was based on bi-dimensional discrete numeric algorithm. The results from the optimization using the pilot plant data were compatible with the typical ranges and limits proposed by the membrane manufacturers. The design model proposed was able to reduce the total costs of new plants and demonstrated a good potential for the dynamic optimization of existing plants.

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Hidráulica, Recursos Hídricos e Ambiente). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Estágio realizado na Águas do Ave, S.A. e orientado pelo Eng.ª Rita Emília Silva Oliveira / Tese de mestrado integrado. Engenharia do Ambiente. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Tese de mestrado integrado. Engenharia do Ambiente. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto, Centro de Investigação Marinha e Ambiental. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestr.. Engenharia Ambiente. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 1998

Tese de mestrado integrado. Engenharia Química. Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2010

Tese de mestrado integrado. Engenharia Civil (Especialização em Hidráulica). Faculdade de Engenharia. Universidade do Porto. 2009

Orientador: Rodrigo Braga Moruzzi / Resumo: Esta dissertação teve como objetivos a investigação da resistência e do recrescimento de flocos, produzidos durante a floculação de água destinada ao abastecimento, e foi dividida em duas etapas. Em primeiro lugar a resistência de agregados à quebra induzida por distúrbio hidrodinâmico foi investigada por meio de três técnicas macroscópicas de medição, a saber: fator de resistência (FR), a tensão local () e o coeficiente de resistência do floco (. Num segundo momento a capacidade de recuperação do tamanho dos agregados foi investigada. O diâmetro estável (d) e o parâmetro característico da função de distribuição de tamanho de agregados (β) foram utilizados para analisar o processo refloculação após a quebra induzida dos agregados. Para obtenção das variáveis de interesse, foi utilizado método não intrusivo de análise de imagem e equipamento baseado em dispersão de luz. As águas de estudo foram preparadas em laboratório a partir de solução de ácido húmico (água tipo 1) e suspensão de caulinita (tipo 2), e coaguladas por dosagem de sal de alumínio em região do mecanismo de varredura. A floculação ocorreu em gradientes de velocidade médios (G) entre 20 e 120 s-1 , e a ruptura ocorreu sob condições controladas com Gquebra de 800 s-1 por 10 segundos. Após a ruptura, a condição inicial foi reestabelecida para análise da recuperação de tamanho do agregado. Os resultados mostraram, para as duas água de estudo, uma tendência crescente para FR em resposta ao aumento de G. A mesma te... (Resumo completo, clicar acesso eletrônico abaixo) / Abstract: This dissertation has aimed to investigate the strength and re-growth during the flocculation of drinking water, and was divided into two steps. The first one was investigate the rupture of floc caused by shear induced forces through three macroscopic techniques, namely: strength factor (FR), the average strength per unit area at the plane of rupture () and the floc strength coefficient (. The second one was investigate the re-growth ability of flocs. The stable diameter (d) and the characteristic parameter of the aggregate size distribution function (β) were used to analyze the re-growth process after the induced breakage of the aggregates. The method was based on a non-intrusive image analysis monitoring technique and a light scattering equipment. The study waters were prepared in laboratory from humic acid solution (water type 1) and kaolinite suspension (type 2) and coagulated by dosing aluminum salt in the region of the “sweep flocculation” mechanism. The flocculation occurred for average velocity gradients (G) from 20 to 120 s-1 and the breakage occurred under controlled conditions for Gquebra of 800 s-1 for 10 seconds. After breakage, the initial condition was re-established for aggregate size recovery analysis. For the two study waters the results showed an increasing trend for FR in response to the increase of G. The same trend was observed for  which may indicate that high agitation conditions produce more resistant flocs. The reflocculation analysis results sho... (Complete abstract click electronic access below) / Mestre