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.

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.

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.