<p dir="ltr">This study investigates the optimization of nitrogen removal in wastewater treatment through a comparative analysis of conventional nitrification-denitrification (N/D) and partial nitritation-anammox (PN/A) processes integrated with anaerobic digestion (AD). Using Bio-Win 6.0 simulations, the research examined system performance across various operational conditions, including temperature ranges (15-35°C), dissolved oxygen levels (0.1-2.0 mg/L), and total Kjeldahl nitrogen concentrations (40-1000 mg/L). Results demonstrated that the PN/A-AD system achieved superior nitrogen removal efficiency (up to 97.5% at 100 mg/L TKN) compared to conventional N/D processes, particularly in treating high-strength nitrogen wastewater. The PN/A system maintained 54.3% removal efficiency even at 1000 mg/L TKN, while requiring less energy (4,614 kW versus 4,682 kW) and producing significantly less sludge (0.57 kg/kg versus 8.07 kg/kg nitrogen removed). Temperature significantly influenced system performance, with optimal conditions observed at 35°C and DO levels between 1-1.5 mg/L. Sensitivity analysis revealed system stability across multiple operational parameters, suggesting robust performance in realworld applications. This research provides valuable insights for designing and optimizing nitrogen removal processes in wastewater treatment plants, particularly for facilities targeting energy efficiency and reduced operational cost.</p>

Neste trabalho, a partir da aplicação da teoria de controle ótimo, são estabelecidos sistemas de controle aplicáveis a três importantes sistemas aeróbios de tratamento de esgotos - filtros biológicos, processos de lodos ativados e os processos combinados formados a partir da combinação dos filtros biológicos e lodos ativados. Para a definição dos sistemas de controle são necessários modelos dinâmicos que descrevam o comportamento dos diferentes sistemas de tratamento. Da literatura são obtidos os modelos dinâmicos destinados à descrição do comportamento do processo de lodos ativados; para o filtro biológico, é proposto um modelo combinando à equação de balanço do reator e o modelo de ordem variável, este último destinado ao cálculo do fluxo de substrato para o interior de biofilmes profundos. Os resultados demonstram que, independentemente do sistema de tratamento considerado, os sistemas de controle reduzem substancialmente os tempos de acomodação e os desvios apresentados pelas variáveis de estado em relação as suas condições de equilíbrio. Por fim, função da inviabilidade de monitoramento de todas as variáveis de estado utilizadas para caracterizar os sistemas de tratamento, são propostos, a partir de modelos simplificados, controladores que incorporam a observação de estados. Também neste caso, os controladores estabelecidos permitem melhorar significativamente o desempenho dos sistemas de tratamento de esgotos analisados. / This paper constructs automatic control systems by means of optimal control theory for three different combinations of wastewater treatment units, namely, trickling filter, activated sludge process and a combined process. The dynamic model for the activated sludge process available in literature and a model proposed for the trickling filter were used in the construction of control systems. It is shown that the controls obtained in this study substantially reduce the durations necessary for the reestablishment of the equilibrium conditions in terms of state variables and the attenuation of oscillations around these conditions. Controls including observers for the state variables were devised on the basis of simplified models for the process in order to deal with the difficulties involved in monitoring all the state variables. These control systems were also found to be quite effective in improving the performance of the wastewater treatment plants considered in this paper.

Neste trabalho, a partir da aplicação da teoria de controle ótimo, são estabelecidos sistemas de controle aplicáveis a três importantes sistemas aeróbios de tratamento de esgotos - filtros biológicos, processos de lodos ativados e os processos combinados formados a partir da combinação dos filtros biológicos e lodos ativados. Para a definição dos sistemas de controle são necessários modelos dinâmicos que descrevam o comportamento dos diferentes sistemas de tratamento. Da literatura são obtidos os modelos dinâmicos destinados à descrição do comportamento do processo de lodos ativados; para o filtro biológico, é proposto um modelo combinando à equação de balanço do reator e o modelo de ordem variável, este último destinado ao cálculo do fluxo de substrato para o interior de biofilmes profundos. Os resultados demonstram que, independentemente do sistema de tratamento considerado, os sistemas de controle reduzem substancialmente os tempos de acomodação e os desvios apresentados pelas variáveis de estado em relação as suas condições de equilíbrio. Por fim, função da inviabilidade de monitoramento de todas as variáveis de estado utilizadas para caracterizar os sistemas de tratamento, são propostos, a partir de modelos simplificados, controladores que incorporam a observação de estados. Também neste caso, os controladores estabelecidos permitem melhorar significativamente o desempenho dos sistemas de tratamento de esgotos analisados. / This paper constructs automatic control systems by means of optimal control theory for three different combinations of wastewater treatment units, namely, trickling filter, activated sludge process and a combined process. The dynamic model for the activated sludge process available in literature and a model proposed for the trickling filter were used in the construction of control systems. It is shown that the controls obtained in this study substantially reduce the durations necessary for the reestablishment of the equilibrium conditions in terms of state variables and the attenuation of oscillations around these conditions. Controls including observers for the state variables were devised on the basis of simplified models for the process in order to deal with the difficulties involved in monitoring all the state variables. These control systems were also found to be quite effective in improving the performance of the wastewater treatment plants considered in this paper.

<p>Emerging substances of concern (EmS) are wide groups of chemicals frequently used, that are not included in legislation nor mandatory monitored like priority and hazardous priority substances. Group of substances overlapping in priority and emerging substances list provided by legislation are Endocrine Disruptive Compounds (EDCs), referred to as emerging xenobiotics (EXs). The modules of emerging xenobiotics detection and identification presents an interactive, complex and dynamic process shown in the research. Analytical method, LLE followed by GC-MS was successfully adapted and applied to screening of emerging and priority substances in wastewater. The screening and target analyses results were evaluated via risk assessment (ERA) and detected substances chemical properties were statistically evaluated (PCA, HCA an PC) for the purpose of correlation of chemical properties and predicted treatment possibilities from wastewater.</p> / <p>Емергентне супстанце (ЕмС) припадају широј групи хемикалија које се фреквентно користе, а нису обухваћене законски прописаном мониторингу, као приоритетне и хазардне приоритетне супстанце. Емергентни ксенобиотици (ЕК), а посебно супстанце које ометају ендокрини систем (ЕД), су група једињења које припадају и приоритетним и емергентним супстанцама. Модули одређивања ксенобиотика су интерактиван, сложен и динамичан процес, подложан променама, детаљно описан у тези. Аналитичка метода, ТТЕ праћене ГЦ-МС, успешно је прилагођена за скрининг идентификацију емергентних и приоритетних супстанци у отпадној води. За евалуацију добијених резултата коришћене су статистичке методе (ПЦА, ХЦА и ПК) у сврху корелације хемијских карактеристика са предвиђеним третманима отпадних вода, као и процена ризика за животну средину.</p> / <p>Emergentne supstance (EmS) pripadaju široj grupi hemikalija koje se frekventno koriste, a nisu obuhvaćene zakonski propisanom monitoringu, kao prioritetne i hazardne prioritetne supstance. Emergentni ksenobiotici (EK), a posebno supstance koje ometaju endokrini sistem (ED), su grupa jedinjenja koje pripadaju i prioritetnim i emergentnim supstancama. Moduli određivanja ksenobiotika su interaktivan, složen i dinamičan proces, podložan promenama, detaljno opisan u tezi. Analitička metoda, TTE praćene GC-MS, uspešno je prilagođena za skrining identifikaciju emergentnih i prioritetnih supstanci u otpadnoj vodi. Za evaluaciju dobijenih rezultata korišćene su statističke metode (PCA, HCA i PK) u svrhu korelacije hemijskih karakteristika sa predviđenim tretmanima otpadnih voda, kao i procena rizika za životnu sredinu.</p>

Submitted by Biblioteca de Pós-Graduação em Geoquímica BGQ (bgq@ndc.uff.br) on 2017-04-27T16:58:25Z No. of bitstreams: 1 Dissertação Brotto, A. C.pdf: 1827218 bytes, checksum: d583ce8460c1efc5934c93cec6ef4c3d (MD5) / Made available in DSpace on 2017-04-27T16:58:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Dissertação Brotto, A. C.pdf: 1827218 bytes, checksum: d583ce8460c1efc5934c93cec6ef4c3d (MD5) / Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico / Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Universidade Federal Fluminense. Instituto de Química. Programa de Pós-Graduação em Geociências- Geoquímica Ambiental. Niterói, RJ / O estudo das emissões de óxido nitroso (N2O) em processos de tratamento de esgoto tem se tornado necessário e urgente nos últimos anos visto à sua contribuição às mudanças climáticas globais, já que este gás é responsável por 6% do efeito estufa e tem se tornado a principal substância destruidora do ozônio estratosférico do século XXI. Poucos são os estudos que quantificaram as emissões de N2O diretamente em estações de tratamento de esgoto (ETEs) e a literatura apresenta uma grande variação nos fatores de emissão (FEs) obtidos por eles. As Diretrizes de 2006 do IPCC para Inventários de Gases do Efeito Estufa sugerem o FE de 3,2 (2-8) g N2O pessoa-1 ano-1 para estimativas das emissões de N2O em ETEs, que corresponde a 0,035% do nitrogênio total (NT) emitido como N2O. As emissões de N2O em processo de tratamento de lodos ativados foram determinadas no período de janeiro a julho de 2010 em uma ETE municipal no Estado do Rio de Janeiro que trata aproximadamente 14,7 mil m3 dia-1 com média remoção de DQO para o período de estudo de 73% e carga de NT afluente de 46 mg N L-1. Os principais parâmetros operacionais relacionados às emissões de N2O em ETE foram estudados, a saber, concentração de oxigênio dissolvido (OD), concentração de nitrito (NO2 -), pH e temperatura. As maiores emissões de N2O foram observadas quando a concentração de OD se encontrava entre 1,3 e 3,4 mg L-1, o pH entre 5,9 e 6,5 e temperatura acima de 30oC. Enquanto as menores emissões ocorreram em concentrações de OD abaixo de 1,0 mg L-1 e acima de 4,0 mg L-1, e em pH acima de 6,5. O fluxo de N2O estimado é de 4,1 x 105 g N2O ano-1 e os FEs de N2O per capita, por vazão de esgoto tratado e pela carga NT afluente são 8,1 g N2O pessoa-1 ano-1, 8,0 x 10-5 g N2O L -1 e 0,12%. O FE per capita estimado exclusivamente para o tanque de aeração é aproximadamente 2,5 vezes superior ao proposto pelo IPCC (2006) para inventários de emissões de N2O para países que possuam sistemas centralizados de tratamento de esgoto com avançado controle dos processos de nitrificação e desnitrificação. / The study of nitrous oxide (N2O) emissions from wastewater treatment processes has become necessary and urgent in the last years due to its contribution to global climate change, since this gas is responsible for 6% of the global greenhouse effect and will become the main ozone-depleting substances (ODS) of the 21st century. Few studies have quantified the direct emissions of N2O from wastewater treatment plants (WWTPs) and literature shows a wide variation in the emission factors (EFs) obtained by them. 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories suggests an EF to estimate N2O emissions from WWTP of 3.2 (2.8) g N2O person-1 yr-1, which corresponds to 0.035% of total nitrogen emitted as N2O. Emissions of N2O from a full-scale activated sludge process was determined from January to July of 2010 during measurement campaign at a municipal WWTP in the State of Rio de Janeiro that treat roughly 14,700 m3 day-1 with an average influent removal COD for the period of study of 73% and total nitrogen load (TN) of 46 mg N L-1. The most important operational parameters leading N2O emissions in WWTP were also studied, namely, dissolved oxygen concentration (DO), nitrite (NO2 -) concentration, pH and temperature. The largest emissions of N2O were observed when DO concentration was between 1.3 and 3.4 mg L-1, pH between 5.9 and 6.5 and temperatures above 30oC. While lower emissions occurred in DO concentrations below 1.0 mg L-1 and above 4.0 mg L-1, and at pH above 6.5. Total estimated annual flux of N2O is 4.1 x 105 g N2O yr-1 and the EF of N2O estimated per capita, wastewater flow and the influent TN load are 8.1 g N2O person-1 yr-1, 8.0 x 10-5 g N2O L(wastewater)-1 and 0.12%. The per capita EF estimated exclusively for the aeration tank is almost 3 times higher than that proposed by the IPCC (2006) for N2O emission inventories for countries that predominantly have advanced centralized WWTPs with nitrification and denitrification steps.