Orientadora : Maria Cristina Borba Braga, PhD / Coorientador : Dr. Sérgio Michelotto Braga / Dissertação (mestrado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa: Curitiba, 30/09/2016 / Inclui referências : f.92-96 / Resumo: Nesta pesquisa foi realizada a avaliação das características ideais de partida de um reator anaeróbio de leito fluidizado, com ênfase na adaptação do inóculo para o tratamento de lixiviado de aterro sanitário em reatores estáticos de bancada. Primeiramente, foi realizada a inoculação de 3 reatores estáticos de bancada, com aplicação de diferentes condições, como carga orgânica volumétrica (COV), fonte de lixiviado e fonte do inóculo, durante um período de aproximadamente 500 dias. Dois lodos ananeróbios diferentes foram utilizados como inóculo dos reatores estáticos, um deles coletado na entrada e outro na saída da lagoa facultativa de tratamento do aterro sanitário de Curitiba. A estabilidade dos reatores foi avaliada pelas relações de alcalinidade total/acidez volátil total (AT/AVT), alcalinidade intermediária/alcalinidade parcial (AI/AP) e redução da concentração de matéria orgânica afluente, na forma de DQO. Os valores médios para essas relações, durante a inoculação do reator estático 1 (RE1), foram 7,0, 0,22 e 64%, respectivamente, o que indica estabilidade do meio no reator. A avaliação da biomassa foi realizada pela análise da concentração de sólidos voláteis totais e pela determinação da atividade metanogênica específica (AME), com valores finais nessa etapa, para o RE1, de 10.080 mg/L e 1,09 g DQO/g SVT.d, respectivamente. Uma fase de bioestimulação foi realizada como etapa final do processo de inoculação, com adição de micronutrientes ao lixiviado no RE1, e com a adição de micronutrientes e vitaminas ao RE3. Para o RE1, foi observado aumento do valor do da AME para 1,20 g DQO/SVT.d, no 14° dia de operação, e a redução para 0,98 g DQO/gSVT.d no 43°dia. Para o mesmo período, foi observado no RE3 uma redução do valor da AME, de 0,21 para 0,04 g DQO/SVT.d. Por fim, foram realizados testes hidráulicos no reator de leito fluidizado, com volume útil de 6 L e diâmetro interno de 12,5 cm, para a determinação das condições ideais de fluidização. Foram avaliadas 3 granulometrias diferentes de material suporte (areia), com diâmetros médios geométricos de 357 ?m, 505 ?m e 714 ?m, e diferentes porcentagens de expansão do leito, em função da velocidade mínima de fluidização. A melhor condição de fluidização, com a menor formação de caminhos preferências, foi observada para a granulometria de 357 ?m, com o preenchimento do reator com 20% do seu volume útil, aproximadamente. Palavras-chave: Bioestimulação. Inoculação. Start-up. Lixiviado. Leito fluidiziado. / Abstract: This study evaluated the start-up characteristics of a fluidized bed reactor to be utilized in the treatment of landfill leachate, as well as the adaptation of inoculum in bench scale anaerobic reactors. Firstly, for a period up to 500 days, three bench scale reactors were inoculated with anaerobic sludge, under different conditions of organic load, leachate and inoculum sources. Anaerobic sludge from two different sources, the inlet and the outlet of an anaerobic pond, located at Curitba's Sanitary Landfill, were collected to inoculate the static reactors. Parameters such as the ratios total alkalinity/total volatile acidity (AT/AVT) and intermediate alkalinity/partial alkalinity (AI/AP), as well as organic matter influent and effluent concentrations (DQO) were used to evaluate the performance of the reactors and the adaption of inocula. The mean values for these parameters were 7,0, 0,22 e 64%, respectively, for static reactor 1 (RE1). These values allow to assume that the medium is stable. Biomass evaluation was carried out by the analysis of total volatile solid concentration e also by the determination of specific methanogen activity (AME). Values for this stage for RE1 were 10.080 mg/L e 1,09 g DQO/g SVT.d, respectively. A phase of biostimulation was carried out as a final stage of the inoculation process. RE1 received a solution of micronutrients whereas RE3 received a solution of micronutrients and vitamins added to the influent leachate. It was observed that RE1 presented a slight increase in the AME value, to 1,20 g DQO/SVT.d, observed in the 14th day of operation, and a reduction to 0,98 g DQO/g SVT.d, in the 43rd day. For the same period it was observed a reduction of the AME value, from 0,21 g DQO/SVT.d to 0,04 g DQO/SVT.d. Finally, in order to determine the best operational condition of the fluidized bed reactor, with a volume of 6L and an internal diameter of 12.5 cm, hydraulic tests were carried out. In order to ensure correct operational conditions for the fluidization of the solid medium (sand) to be used as particles, which will provide means for the biofilm to grow and form the bioparticle, three mean geometric diameters were tested, 357 ?m; 505 ?m ; 714 ?m, as well as different expansion percentages. For these tests minimum fluidized velocity was applied. The best condition was observed for the mean geometric diameter of 357 ?m , with sand filled in a percentage of 20% of the usable volume. Key-words: Fluidized bed; Biostimulation; Inoculation ; start-up: landfill leachate.

Orientador: Roberto Alves de Oliveira / Coorientador: Rose Maria Duda / Banca: Valéria Del Nery / Banca: Leonardo Lucas Madaleno / Resumo: Neste trabalho avaliou-se o desempenho de um reator UASB na faixa de temperatura mesofílica utilizando o melaço de cana-de-açúcar diluído como substrato. O reator UASB foi operado TDH de 24 h com COV médias de até 15 g DQOtotal (L d)-1 e foi utilizada a recirculação total do efluente do reator UASB, para diluir o melaço. O inoculo utilizado era proveniente de um reator UASB termofílico tratando vinhaça. Foram observadas produção volumétrica e produção específica de metano de até 0,97 N LCH4 (L d)-1 e de 0,194 L CH4 (g DQOtotal removida)-1, respectivamente, o que indicou a adaptação da microbiota utilizando melaço de cana-de-açúcar, desde que seja realizada a suplementação de alcalinidade, nitrogênio e fósforo. Foram observados valores médios de remoção de demanda química de oxigênio, de 64 a 72%, com base na DQOtotal do melaço adicionado.Também avaliou-se o desempenho de dois reatores UASB em série na faixa de temperatura termofílica utilizando a vinhaça diluída como substrato. Os reatores foram operados com TDH de 16 e 7,5 h, respectivamente e COV média de 20 e 35 g DQOtotal (L d)-1 , respectivamente. O inoculo utilizado era proveniente do reator UASB mesofilico tratando melaço. Foram observadas produção volumétrica e produção específica de metano de até 0,46 N LCH4 (L d)-1 e de 0,16 L CH4 (g DQOtotal removida)-1, respectivamente ... / Abstract: This study evaluate the performance of an upflow anaerobic sludge blanket (UASB) in the mesophilic temperature range using molasses sugar cane diluted as substrate. The UASB reactor operated at a hydraulic retention time (HRT) of 24 hours and organic load rate (OLR) averages of up to 15 g total COD (L d)-1 and total recirculation of the effluent of the UASB reactor was used to dilute the molasses. The inoculum used was from a thermophilic UASB reactor treating vinasse. Volumetric and specific yields of methane from methane production to 0.97 N LCH4 (L d) -1 and 0.194 L CH4 (g total COD removed) -1, respectively, which indicated the adaptation of microorganisms using molasses were observed sugar-provided supplemental alkalinity, nitrogen and phosphorus is performed. Remove values of chemical oxygen demand of 64 at 72%, with base addition molasses. Also evaluated the performance of two UASB reactors in series in the thermophilic temperature range using the diluted vinasse as substrate. The reactors were operated at HRT of 16 and 7.5 h, respectively, and average OLR of 20 and 35 g total COD (L d) -1, respectively. The inoculum used was derived from mesophilic UASB reactor treating molasses. Specific and volumetric yield of methane production LCH4 to 0.46 N (L d) -1 and 0.16 L CH4 (g totalCOD removed) -1, respectively, which indicated the adaptation of the microorganisms were observed / Mestre

Correntes de petróleo têm impurezas que, quando presentes nos combustíveis, causam poluição, corrosão, odor e instabilidade do produto. Deste modo, o hidrotratamento catalítico (HDT) pode ser visto como um dos importantes processos da indústria de refino de petróleo. O HDT consiste no tratamento de uma corrente de hidrocarbonetos na presença de hidrogênio e de um catalisador com a finalidade de modificar o sua massa molar ou de remover as impurezas presentes, com o intuito de especificar os produtos ou preparar essas correntes para outros processos de refino. Uma vez que a tendência das especificações do óleo diesel aponta para a diminuição da concentração de enxofre, redução da densidade e da volatilidade do combustível, juntamente com o aumento do número de cetano e do ponto de fulgor, existe uma necessidade de se projetar e operar unidades de hidrotratamento altamente eficientes. Este trabalho tem como objetivo modelar e simular uma unidade industrial contendo reatores trickle-bed de HDT com a finalidade de permitir a inferência, durante a operação, da concentração final de enxofre na corrente de saída do processo, bem como estimar o tempo de campanha restante. O modelo desenvolvido é pseudo-estacionário, unidimensional e heterogêneo. Além disso, considera somente a reação de hidrodessulfurização, uma vez que a predição da concentração final de enxofre é um dos parâmetros mais importantes da qualidade do produto. A modelagem completa do sistema envolve os leitos catalíticos dos reatores (zona reacional) e da zona de quench, onde ocorre o arrefecimento das correntes de hidrocarbonetos provenientes dos leitos catalíticos. Para a modelagem da velocidade de desativação do catalisador utilizado no processo foram testados dois modelos empíricos. O primeiro deles considera a conversão acumulada ao longo do tempo em um dado leito para que se possa predizer a diminuição da atividade, a partir da hipótese de que desativação está relacionada à extensão de ocorrência das reações no catalisador. O segundo modelo implementado segue o trabalho de Froment e Bischoff (1991). Para o estudo de caso foram empregados os dados do processo de dois reatores industriais de HDT de uma unidade de diesel de uma refinaria brasileira. Após a estimação de parâmetros, os modelos foram validados com dados industriais. Os resultados evidenciam a boa concordância dos mesmos ao processo real. / Petroleum streams have impurities that, when delivered to fuels, cause pollution, corrosion, odor, and instability to the product. In this regard, the catalytic hydrotreatment (HDT) can be viewed as one of the important processes in the petroleum refining industry. The HDT is destined to the treatment of a hydrocarbon stream in the presence of hydrogen and a catalyst in order to remove impurities or to modify its molar mass with the aim of specifying products or preparing these streams to other refining processes (Gruia, 2006). Trends in diesel specification point toward the decrease in the sulfur concentration, reduction in density and ASTM D-86 T 90% value, along with increased cetane number and flash point. All these trends contribute to raise the demand for highly efficient hydrotreatment units. This work aims to model and simulate an industrial unit consisting in trickle-bed reactors in order to infer in real time the final sulfur concentration at the output stream, and also to estimate during operation the remaining campaign time. The considered model is pseudo-stationary, one-dimensional and heterogeneous. It considers solely the hydrodesulfurization reaction, because the final sulfur prediction is one of the most important parameter of the product quality. The complete model of the unit involves the catalytic beds (reaction zones) and the quenching zone, where the cooling of hydrocarbon streams takes place. To model the catalyst deactivation rate, two empirical models were tested. The first one takes into account the cumulative conversion over time, so that one can predict the decrease in activity on the basis of the hypothesis that deactivation is related to the extent of the reactions on the catalyst. The second model implemented was based in the work of Froment and Bischoff (1991). As a case study, process data was employed from two industrial reactors of the HDT in a Diesel Unit from a Brazilian refinery. After parameter estimation, the presented models have been validated with industrial data. Their results show good agreement with the real process.

A produção de hidrogênio pelo processo fermentativo sofre influência da concentração e das características do substrato orgânico, do valor do pH do efluente e da concentração de lodo no reator. A determinação da atividade hidrogênica específica de substratos orgânicos e de lodos pode auxiliar na análise do volume de hidrogênio produzido durante a fermentação, na produção de ácidos graxos voláteis, no grau de acidificação e avaliar a toxicidade de compostos aos microrganismos produtores de hidrogênio. Para determinação das condições ideais para a medida da atividade hidrogênica específica foram realizados testes em batelada utilizando glicose como fonte de matéria orgânica nas concentrações de 1.000, 2.000, 4.000, 8.000, 12.000, 16.000 e 20.000 mg.DQO.L-1. Foram testados os valores de pH de 5,0; 5,5; 6,0 e 6,5 e as concentrações de lodo de 1.250; 2.500; 5.000 e 7.500mgSVT.L-1. A maior atividade hidrogênica obtida foi de 483 mLH2.gSVT-1.h-1, para o valor de DQO de 12.000mgO2.L-1, no valor de pH igual a 6,0 e concentração de lodo de 2.500mgSVT.L-1. O maior volume de hidrogênio produzido foi de 38mL.gDQO-1 no valor de DQO de 16.000mgO2.L-1, no pH de 5,5 e concentração de lodo de 5.000mgSVT.L-1. A análise dos ácidos graxos voláteis indicou que os maiores percentuais de ácido acético e ácido propiônico foram obtidos quando o valor do pH testado foi de 6,5, na concentração SVT de 7.500mg.L-1. Nas demais condições estudadas, o ácido butírico foi o ácido graxo volátil predominante no efluente. O valor do grau de acidificação foi influenciado provavelmente pela matéria orgânica proveniente do lodo, resultando em valores acima de 1,0. Testes de medida da atividade hidrogênica específica realizados com diferentes substratos orgânicos (ácido propiônico, ácido butírico, efluente protéico, glicerol e efluente do processo de produção de fungicida) permitiram avaliar a aplicabilidade do teste de atividade e o potencial que os substratos orgânicos possuem para gerar hidrogênio. Foram utilizadas as concentrações de matéria orgânica apresentadas acima, valor do pH inicial igual a 6,0 e concentração de lodo de 2.500mgSVT.L-1 . A maior atividade hidrogênica e volume de hidrogênio produzido foram obtidas para o efluente protéico, 6,8mLH2.gSVT-1.h-1 e 1,74mL.gDQO-1, respectivamente. O ácido graxo volátil encontrado em maior porcentagem após a fermentação dos substratos orgânicos foi o ácido acético. Foi observado alto grau de acidificação nos testes com o ácido butírico devido as altas concentrações residuais no efluente. A influência do controle no valor do pH sobre os microrganismos produtores de hidrogênio foi avaliada em testes com e sem controle de pH, utilizando glicose como fonte de matéria orgânica na concentração de 12.000mg.DQOL-1, nos valores de pH de 5,0; 5,5 e 6,0 e na concentração de lodo de 2.500mgSVT.L-1. Os resultados indicaram que as maiores porcentagens de hidrogênio, produção de ácidos graxos voláteis, grau de acidificação e remoção de matéria orgânica ocorreram quando não houve o controle do pH, indicando que há a necessidade de um ajuste inicial no valor do pH, porém o controle pode prejudicar o desempenho do processo. Além disso, foi estudada a otimização do processo de produção de hidrogênio a partir de efluente da suinocultura, utilizando reatores anaeróbios seqüenciais em batelada, um reator acidogênico e outro metanogênico. Foram analisados o controle do tempo de detenção celular e os efeitos do pH e da temperatura da fase acidogênica sobre a produção de hidrogênio. No reator acidogênico foram testados os tempos de detenção celular de 1,4; 1,7 e 2,5 dias, os valores de pH de 5,0 e 6,0 e as temperaturas ambiente (de 15 a 25°C), 35ºC e 55ºC. A maior concentração de hidrogênio obtida no biogás foi de 21,3 %, para o tempo de detenção celular de 1,4 dia, o valor do pH inicial ajustado para 5,0 e na temperatura de 35ºC. Nesta condição foi verificado o aumento na concentração de ácidos graxos voláteis no efluente do reator acidogênico, indicando a ocorrência da hidrólise das substâncias complexas e conseqüente aumento na concentração de hidrogênio. / Hydrogen production by fermentation process is influenced by the concentration and characteristics of organic substrate, the effluent pH value and biomass concentration. The determination of specific hydrogenic activity of organic substrates and biomass can be a tool to analyze the hydrogen volume produced during the fermentation, the volatile fatty acids production, the degree of acidification and evaluated compounds toxicity to the hydrogen producing microorganisms. To determine the ideal conditions for the measurement of specific hydrogen activity were realized batch tests using glucose as source of organic matter at concentrations of 1,000, 2,000, 4,000, 8,000, 12,000, 16,000 and 20,000mg.COD.L-1. The pH values tested were 5.0, 5.5, 6.0 and 6.5 and the biomass concentration of 1,250, 2,500, 5,000 and 7,500mgTVS.L-1. The higher hydrogen activity was 483mLH2.gTVS-1.h-1 for the organic matter concentration of 12,000mg.L-1, pH value of 6.0 and biomass concentration of 2,500mgTVS.L-1. The higher hydrogen volume produced was 38mL.gCOD-1 in the initial organic matter concentration of 16,000mg.L-1, at pH value 5.5 and sludge concentration of 5,000mgTVS.L-1. Volatile fatty acids analysis indicated that the highest percentage of acetic acid and propionic acid were obtained when the pH tested was 6.5, at biomass concentration of 7,500mgTVS.L-1. In other studied conditions, the butyric acid was the predominant volatile fatty acids in the effluent. The degree of acidification value was probably affected by organic matter from sludge, resulting in values above 1.0. Tests measuring the specific hydrogen activity were performed with different organic substrates (propionic acid, butyric acid, proteic effluent, glycerol and fungicide production effluent) permitted to evaluate the applicability of the activity test and the potential that organic substrates have to produce hydrogen. Using the organic matter concentrations presented above, initial pH value equal to 6.0 and biomass concentration of 2,500mgTVS.L-1. The higher hydrogen activity and hydrogen volume produced were obtained for the proteic effluent, 6.8mLH2.gTVS-1.h-1 and 1,74mL.gCOD-1, respectively. The volatile fatty acid found in highest percentage after fermentation of organic substrates was acetic acid. A high degree of acidification was observed on tests with butyric acid due the high residual concentration in the effluent. The influence of pH control on hydrogen producing microorganisms was evaluated in tests with and without pH control, using glucose as organic matter source at concentration of 12,000mg.COD.L-1, the pH values tested was 5.0, 5.5 and 6.0 and the biomass concentration was 2,500mgTVS.L-1. The results indicated that the higher hydrogen percentages, volatile fatty acid production, degree of acidification and organic matter removal occurred when the pH was not controlled; indicating that an initial adjustment in the pH was needed, but the control may affect the process performance. Additional studies about the optimization of hydrogen production from raw swine waste using two batch anaerobic reactors, one acidogenic reactor and other methanogenic reactor were performed. The influence of sludge age and the pH and temperature effects on acidogenic phase were analyzed. In acidogenic reactor were tested the sludge ages of 1.4, 1.7 and 2.5 days, pH values of 5.0 and 6.0 and temperatures: ambient (15 to 25°C), 35°C and 55°C .The higher hydrogen concentration in the biogas was 21.3% for the sludge age of 1.4 days, initial pH equal to 5.0 and temperature 35 °C. In this condition there was an increase in volatile fatty acids concentration in the acidogenic reactor effluent, indicating the occurrence of complex substances hydrolysis and consequently the increase in hydrogen concentration.

As estações de tratamento de esgotos por lodos ativados são caracterizadas por modelos cinéticos de comportamento não linear de difícil parametrização. A utilização de técnicas de identificação paramétricas para a modelagem de tais estações produz modelos com parâmetros sem significado operacional e variantes no tempo. Por outro lado, a lógica nebulosa permite ao usuário de modelos baseados em tal técnica uma parametrização mais próxima do raciocínio humano. A facilidade da parametrização nebulosa reside na atribuição de valores lingüísticos às variáveis de entrada do modelo. Esta dissertação utiliza técnicas de modelagem nebulosa, como ANFIS e regras limitadas, para identificar o comportamento da concentração de oxigênio dissolvido do tanque de aeração do benchmark de uma planta de tratamento de esgotos por lodos ativados com remoção de nitrogênio. / Activated sludge wastewater treatment plants are characterized by kinetic models of highly nonlinear behavior, whose time varying parameters are very difficult to calibrate. The use of parametric identification techniques to build models of such plants results in models with parameters without operational meaning. Alternatively, the fuzzy logic enables users of models, which are based on this technique, a parametrization similar to human reasoning. The simplicity of the fuzzy logic consists of the attribution of linguistic labels to the model input variables. This dissertation uses fuzzy logic techniques, such as ANFIS and limited rules, to identify the behavior of the dissolved oxigen in the aeration tank of a benchmark activated sludge wastewater treatment plant, with nitrogen removal.

Os Processos Oxidativos Avançados (POAs) têm sido largamente empregados para o tratamento de efluentes contendo compostos orgânicos altamente tóxicos, que por sua vez, são dificilmente degradados pelos sistemas de tratamento biológico convencional. Além disso, os tratamentos físico-químicos, como filtração, adsorção e floculação, não destroem o composto tóxico, e sim, apenas transferem-no para outra fase, causando um subseqüente problema de descarte. A principal barreira para a aplicação do POA em escala industrial é o alto custo relacionado à utilização da radiação ultravioleta (UV). Desta maneira, torna-se interessante desenvolver um reator com uma fonte artificial de radiação UV de custo reduzido. Neste trabalho, foi projetado um reator tubular fotoquímico de aço inox 304 que apresenta um conjunto de 12 lâmpadas fluorescentes como fonte de radiação UV (40W/lâmpada), posicionadas verticalmente na superfície interna do mesmo. O processo estudado foi o processo foto-Fenton, que consiste em uma combinação de íons ferrosos, peróxido de hidrogênio e radiação UV, aplicado na degradação de um efluente aquoso contendo fenol como poluente modelo (100–500 mgC.L-1). Os resultados experimentais indicaram que a taxa de degradação aumenta com a radiação UV, até atingir a saturação de fótons da luz UV . Com o objetivo de verificar a influência das variáveis de processo, foi realizado um planejamento experimental, no qual possibilitou-se obter um modelo para o processo e a respectiva superfície de resposta. Neste processo foi utilizada uma combinação de Fe2+ (0,27–30 mM), H2O2 (0,2–6 moles) e radiação UV, chegando-se a uma mineralização de 82% para 100 mgC.L-1 de fenol e 81% para 500 mgC.L-1 de fenol. Devido à complexidade apresentada pelo processo foto-Fenton, foi aplicado outro tipo de modelagem matemática, baseado na técnica de redes neurais artificiais (RNA), chegando-se a um coeficiente de determinação de 99% entre os valores experimentais e os valores calculados pelo modelo. / Advanced Oxidation Processes (AOPs) have been largely used for the treatment of wastewaters containing highly toxic organic compounds, which are hardly degraded by the conventional biological systems. Besides, the physicalchemical treatments, such as filtration, adsorption and flocculation, do not destroy the target compounds, which are simply transferred to another phase, causing a subsequent problem of disposal. The main barrier for the application of the POA in industrial scale is the high cost related to the use of ultraviolet radiation (UV) sources. Therefore, it has been proposed a development of a reduced cost reactor with an artificial source of UV radiation. In the present work, a tubular photochemical reactor was developed, which is made in stainless steel and presents a row of 12 fluorescent lamps as the UV radiation source (40W/lamp), attached vertically onto the inner surface of the reactor. It has been studied the photo-Fenton process, that consists in a combination of ferrous ions, hydrogen peroxide and UV radiation, applied in the degradation of an aqueous solution containing phenol as pollutant model (100–500 mgC.L-1). The experimental results indicated that the degradation rate increases as the UV irradiance increases. In order to verify the influence of the process variables in phenol degradation, an experimental design was carried out by the response surface method and the corresponding polynomial model was determined. In this process, it was used a combination of Fe2+ (0,27–30 mM), H2O2 (0,2–6 moles) and UV radiation. The mineralisation efficiency was 82% for phenol 100 mgC.L-1 and 81% for phenol 500 mgC.L-1. Due to the complexity presented by the photo-Fenton process, another type of mathematical modelling was applied, based on the artificial neural network (ANN), obtaining 99% of coefficient of determination between the experimental values and the values calculated by the model.

A produção de hidrogênio pelo processo fermentativo sofre influência da concentração e das características do substrato orgânico, do valor do pH do efluente e da concentração de lodo no reator. A determinação da atividade hidrogênica específica de substratos orgânicos e de lodos pode auxiliar na análise do volume de hidrogênio produzido durante a fermentação, na produção de ácidos graxos voláteis, no grau de acidificação e avaliar a toxicidade de compostos aos microrganismos produtores de hidrogênio. Para determinação das condições ideais para a medida da atividade hidrogênica específica foram realizados testes em batelada utilizando glicose como fonte de matéria orgânica nas concentrações de 1.000, 2.000, 4.000, 8.000, 12.000, 16.000 e 20.000 mg.DQO.L-1. Foram testados os valores de pH de 5,0; 5,5; 6,0 e 6,5 e as concentrações de lodo de 1.250; 2.500; 5.000 e 7.500mgSVT.L-1. A maior atividade hidrogênica obtida foi de 483 mLH2.gSVT-1.h-1, para o valor de DQO de 12.000mgO2.L-1, no valor de pH igual a 6,0 e concentração de lodo de 2.500mgSVT.L-1. O maior volume de hidrogênio produzido foi de 38mL.gDQO-1 no valor de DQO de 16.000mgO2.L-1, no pH de 5,5 e concentração de lodo de 5.000mgSVT.L-1. A análise dos ácidos graxos voláteis indicou que os maiores percentuais de ácido acético e ácido propiônico foram obtidos quando o valor do pH testado foi de 6,5, na concentração SVT de 7.500mg.L-1. Nas demais condições estudadas, o ácido butírico foi o ácido graxo volátil predominante no efluente. O valor do grau de acidificação foi influenciado provavelmente pela matéria orgânica proveniente do lodo, resultando em valores acima de 1,0. Testes de medida da atividade hidrogênica específica realizados com diferentes substratos orgânicos (ácido propiônico, ácido butírico, efluente protéico, glicerol e efluente do processo de produção de fungicida) permitiram avaliar a aplicabilidade do teste de atividade e o potencial que os substratos orgânicos possuem para gerar hidrogênio. Foram utilizadas as concentrações de matéria orgânica apresentadas acima, valor do pH inicial igual a 6,0 e concentração de lodo de 2.500mgSVT.L-1 . A maior atividade hidrogênica e volume de hidrogênio produzido foram obtidas para o efluente protéico, 6,8mLH2.gSVT-1.h-1 e 1,74mL.gDQO-1, respectivamente. O ácido graxo volátil encontrado em maior porcentagem após a fermentação dos substratos orgânicos foi o ácido acético. Foi observado alto grau de acidificação nos testes com o ácido butírico devido as altas concentrações residuais no efluente. A influência do controle no valor do pH sobre os microrganismos produtores de hidrogênio foi avaliada em testes com e sem controle de pH, utilizando glicose como fonte de matéria orgânica na concentração de 12.000mg.DQOL-1, nos valores de pH de 5,0; 5,5 e 6,0 e na concentração de lodo de 2.500mgSVT.L-1. Os resultados indicaram que as maiores porcentagens de hidrogênio, produção de ácidos graxos voláteis, grau de acidificação e remoção de matéria orgânica ocorreram quando não houve o controle do pH, indicando que há a necessidade de um ajuste inicial no valor do pH, porém o controle pode prejudicar o desempenho do processo. Além disso, foi estudada a otimização do processo de produção de hidrogênio a partir de efluente da suinocultura, utilizando reatores anaeróbios seqüenciais em batelada, um reator acidogênico e outro metanogênico. Foram analisados o controle do tempo de detenção celular e os efeitos do pH e da temperatura da fase acidogênica sobre a produção de hidrogênio. No reator acidogênico foram testados os tempos de detenção celular de 1,4; 1,7 e 2,5 dias, os valores de pH de 5,0 e 6,0 e as temperaturas ambiente (de 15 a 25°C), 35ºC e 55ºC. A maior concentração de hidrogênio obtida no biogás foi de 21,3 %, para o tempo de detenção celular de 1,4 dia, o valor do pH inicial ajustado para 5,0 e na temperatura de 35ºC. Nesta condição foi verificado o aumento na concentração de ácidos graxos voláteis no efluente do reator acidogênico, indicando a ocorrência da hidrólise das substâncias complexas e conseqüente aumento na concentração de hidrogênio. / Hydrogen production by fermentation process is influenced by the concentration and characteristics of organic substrate, the effluent pH value and biomass concentration. The determination of specific hydrogenic activity of organic substrates and biomass can be a tool to analyze the hydrogen volume produced during the fermentation, the volatile fatty acids production, the degree of acidification and evaluated compounds toxicity to the hydrogen producing microorganisms. To determine the ideal conditions for the measurement of specific hydrogen activity were realized batch tests using glucose as source of organic matter at concentrations of 1,000, 2,000, 4,000, 8,000, 12,000, 16,000 and 20,000mg.COD.L-1. The pH values tested were 5.0, 5.5, 6.0 and 6.5 and the biomass concentration of 1,250, 2,500, 5,000 and 7,500mgTVS.L-1. The higher hydrogen activity was 483mLH2.gTVS-1.h-1 for the organic matter concentration of 12,000mg.L-1, pH value of 6.0 and biomass concentration of 2,500mgTVS.L-1. The higher hydrogen volume produced was 38mL.gCOD-1 in the initial organic matter concentration of 16,000mg.L-1, at pH value 5.5 and sludge concentration of 5,000mgTVS.L-1. Volatile fatty acids analysis indicated that the highest percentage of acetic acid and propionic acid were obtained when the pH tested was 6.5, at biomass concentration of 7,500mgTVS.L-1. In other studied conditions, the butyric acid was the predominant volatile fatty acids in the effluent. The degree of acidification value was probably affected by organic matter from sludge, resulting in values above 1.0. Tests measuring the specific hydrogen activity were performed with different organic substrates (propionic acid, butyric acid, proteic effluent, glycerol and fungicide production effluent) permitted to evaluate the applicability of the activity test and the potential that organic substrates have to produce hydrogen. Using the organic matter concentrations presented above, initial pH value equal to 6.0 and biomass concentration of 2,500mgTVS.L-1. The higher hydrogen activity and hydrogen volume produced were obtained for the proteic effluent, 6.8mLH2.gTVS-1.h-1 and 1,74mL.gCOD-1, respectively. The volatile fatty acid found in highest percentage after fermentation of organic substrates was acetic acid. A high degree of acidification was observed on tests with butyric acid due the high residual concentration in the effluent. The influence of pH control on hydrogen producing microorganisms was evaluated in tests with and without pH control, using glucose as organic matter source at concentration of 12,000mg.COD.L-1, the pH values tested was 5.0, 5.5 and 6.0 and the biomass concentration was 2,500mgTVS.L-1. The results indicated that the higher hydrogen percentages, volatile fatty acid production, degree of acidification and organic matter removal occurred when the pH was not controlled; indicating that an initial adjustment in the pH was needed, but the control may affect the process performance. Additional studies about the optimization of hydrogen production from raw swine waste using two batch anaerobic reactors, one acidogenic reactor and other methanogenic reactor were performed. The influence of sludge age and the pH and temperature effects on acidogenic phase were analyzed. In acidogenic reactor were tested the sludge ages of 1.4, 1.7 and 2.5 days, pH values of 5.0 and 6.0 and temperatures: ambient (15 to 25°C), 35°C and 55°C .The higher hydrogen concentration in the biogas was 21.3% for the sludge age of 1.4 days, initial pH equal to 5.0 and temperature 35 °C. In this condition there was an increase in volatile fatty acids concentration in the acidogenic reactor effluent, indicating the occurrence of complex substances hydrolysis and consequently the increase in hydrogen concentration.

Esta pesquisa teve por objetivo avaliar aspectos fundamentais para o emprego de processo anaeróbio associado a membranas de micro e ultrafiltração no tratamento de efluentes de curtume oriundos do processo de acabamento. Para tanto, foi utilizada uma unidade piloto composta de um reator anaeróbio de mistura completa com um volume útil de 40 L, uma unidade de microfiltração para separação de biomassa e uma unidade de ultrafiltração para reter no sistema compostos macromoleculares (taninos). O material constituinte das membranas era cerâmica e o diâmetro médio de poro, especificado pelo fabricante, da microfiltração foi 0,2 mm e da ultrafiltração 0,005 mm. A biomassa no reator anaeróbio foi inoculada para que a concentração inicial fosse de 7.000 mg/L de SVT, sendo a origem desta um reator UASB tratando efluente de uma fábrica de gelatina. O trabalho foi desenvolvido em três etapas, sendo utilizadas diferentes pressões nas membranas, a saber: na primeira etapa as membranas foram operadas com um pressão de 800 kPa, na segunda com uma pressão de 600 kPa e na terceira etapa a pressão utilizada foi de 400 kPa. A remoção de cromo foi superior a 95% em todas as etapas, sendo que a maior remoção ocorreu no conjunto reator anaeróbio e microfiltração. Este comportamento deveu-se à fixação deste metal na biomassa e à conseqüente retenção desta na operação de microfiltração. A remoção média de matéria orgânica, avaliada através do parâmetro DQO, para as três etapas estudadas foi 68,13%, 58,32% e 60,17% e, em todo o sistema, de 81,93%, 76,20% e 69,15%. Ocorreu remoção total dos sólidos suspensos já que o diâmetro de poro da membrana de microfiltração era 55,55% inferior ao diâmetro de poro utilizado nas membranas para determinação de sólidos suspensos. Já para sólidos totais, onde inclui-se os dissolvidos, esta eficiência variou de 42% a 63%.

Este estudo avaliou a eficiência de reatores biológicos aeróbios de leito fluidizado inverso na remoção de matéria orgânica quando submetidos a diferentes condições operacionais (vazão de recirculação e carga orgânica aplicada). O experimento, em escala de laboratório, foi realizado em três reatores cilíndricos (R1, R2 e R3) com altura total de 2,00 m, diâmetro interno de 0,10 m e volume útil de 15,70 L. Como meio suporte para o desenvolvimento do biofilme foram utilizadas partículas de polipropileno (PP) em volume equivalente a 40% do volume útil do reator. O afluente entrava nos reatores pelo topo e saía pelo fundo e o oxigênio era fornecido através de um aerador poroso. Os reatores R1, R2 e R3 foram operados com vazão de recirculação de 2,50 L/min, 4,00 L/min e 5,50 L/min, respectivamente, durante todo período experimental. Os reatores foram alimentados com esgoto sintético caracteristicamente doméstico e o experimento consistiu de três etapas, conforme a carga orgânica aplicada: Etapa de Menor Carga – 0,70 Kg DQO/m3.dia; Etapa de Carga Intermediária – 1,70 Kg DQO/m3.dia e Etapa de Maior Carga – 3,90 Kg DQO/m3.dia. A vazão de alimentação foi mantida constante durante todo período experimental correspondendo ao TDH de 12 horas.O acompanhamento dos reatores foi realizado com medidas de DQO, sólidos livres (suspensão) e aderidos (biofilme). Foi determinada também a velocidade ascensional das biopartículas no meio líquido, tendo como motivo a identificação das possíveis causas da expansão excessiva ocorrida durante a realização do experimento. Os resultados obtidos demonstraram elevada eficiência de remoção carbonácea em termos de DQO, com médias superior a 93% na etapa de Carga Intermediária e em torno de 90% para a etapa de Maior Carga. Conforme avaliação estatística, não houve evidências de que a vazão de recirculação tenha efeito sobre a eficiência de remoção carbonácea. O aumento da carga orgânica afluente reduziu de forma significativa a eficiência de remoção carbonácea apenas no reator de menor vazão de recirculação. Em relação à quantidade de sólidos voláteis, o aumento da vazão de recirculação resultou em aumento dos sólidos voláteis aderidos, porém não foi identificado efeito sobre a quantidade de sólidos voláteis livres.O aumento de carga aplicada resultou em aumento significativo na quantidade média de sólidos voláteis livres nos reatores. Quanto aos sólidos voláteis aderidos, o acréscimo de carga afluente repercutiu de forma diferente nos três reatores: para a menor vazão de recirculação houve redução na massa de sólidos voláteis aderidos, para a vazão de recirculação intermediária ocorreu aumento da massa de sólidos voláteis aderidos e para a maior vazão de recirculação o aumento da carga aplicada não influenciou a quantidade de sólidos aderidos voláteis presentes no reator. A velocidade ascensional média das biopartículas diminuiu com o aumento da vazão de recirculação, significando que quanto maior a vazão de recirculação maior a densidade das biopartículas. / This study evaluated the efficiency of down flow aerobic fluidized bed reactors for the removal of organic mater submitted to different operational conditions (recirculation flow and applied organic load). The experiment was run on 3 cylindrical lab scale reactors (R1, R2 and R3) with 2 m total height, 0.10 m internal diameter and working volume of 15.70 L. Polypropylene particles were used as the support material for the development of the biofilm occupying 40% of the working volume of the reactors. The influent were applied at the top of the columns and withdraw from the bottom and the oxygen was supplied throughout a porous stone. The reactors R1, R2 and R3 were operated with recirculation flow of 2,50, 4.00 and 5.50 L. min-1, respectively, throughout the experimental work.The reactors were fed with synthetic wastewater similar to sanitary wastewater and the experiment was performed in 3 steps, according to the applied organic loading rate, namely: Lower Load - 0,70 Kg COD/m3.dia; Intermediate Load - 1,70 Kg COD/m3.dia; Higher Load - 3,90 Kg COD/m3.dia. The feeding flow was maintained constant throughout the experiment to obtain HDT equal to 12 hours. The reactors were monitored with conventional parameters such as COD, free suspended solids and attached suspended solids (biofilm). The upflow velocity of the bioparticles in the liquid phase was also determined with the purpose to identify the potential causes of the excessive expansion of the bed observed during the experimental work. The experimental results demonstrated high efficiency of carbonaceous COD removal, with average values above 93 % during the Intermediate Load step and around 90 % for the Higher Load. According to statistical evaluation, the recirculation flow did not provided significant effect upon the carbonaceous organic matter removal. The increase in applied organic load caused a significant decrease only to the reactor operated with the lower recirculation flow. Regarding the amount of volatile solids, the increase of the recirculation flow resulted in the increase of the attached volatile solids, however it was not identified any effect upon the amount of free volatile solids. The increase of applied organic load resulted in significant increase of the amount of the free volatile solids in the reactors. Regarding the attached volatile solids, the increase of applied organic load resulted in misleading behavior of the reactors, as follows: the lower recirculation flow resulted in a reduction of the amount of attached volatile solids; the intermediate recirculation flow resulted in an increase of the attached volatile solids, while it was not observed any significant variation in the amount of attached volatile solids inside the reactor operated with the higher recirculation flow. The average accession velocity of the bioparticles decreased with the increase of the recirculation flow, implying that the recirculation flow resulted in higher values of the bioparticles density.

A pesquisa teve por objetivo avaliar o desempenho de reatores anaeróbios de manto de lodo (UASB) operando sob condições de temperaturas típicas de regiões de clima temperado. Para tanto, foi utilizada uma unidade piloto constituída por três reatores anaeróbios de manto de lodo (UASB), cada um com um volume de 19,2 L. Uma quantidade equivalente de lodo foi disposta nos três reatores para obter uma carga biológica de 0,11 kgDQOkgSVT-1d-1, sendo a origem da biomassa o lodo de um reator UASB tratando efluente de uma indústria de gelatina. Os reatores trataram um esgoto sintético constituído por glicose, acetato, micro e macronutrientes, com concentração de DQO compatível com a de esgotos domésticos. A operação dos reatores foi dividida em duas etapas. Na primeira, aclimatação, os três reatores operaram a temperatura de 35ºC. Na segunda etapa, os reatores operaram com temperaturas de 15, 20, 25, 30 e 35°C Na etapa de aclimatação, os reatores funcionaram muito bem, com remoções de DQO em torno de 90%. Na segunda etapa, observou-se um pequeno decréscimo da remoção de DQO total com a redução da temperatura (95,7, 91,0, 94,2, 90,6 e 87,2% de remoção para 35, 30, 25, 20 e 15ºC, respectivamente). Entretanto, a temperatura não influenciou a remoção de DQO solúvel, o que foi confirmado pela análise estatística aplicada. O volume diário de metano, calculado pelos métodos de balanço de DQO e bioenergética foram semelhantes. Durante os experimentos, devido a interrupções no sistema de energia elétrica, os reatores sofreram choques não intencionais de temperatura, de 5 e 10ºC. Os reatores que apresentaram choques de 5ºC conseguiram se recuperar tão logo houve o restabelecimento das condições iniciais, voltando a apresentar os mesmos graus de remoção de matéria orgânica medidos antes dos choques. Porém, o reator que sofreu um choque da ordem de 10ºC não se recuperou em relação às condições iniciais. Os índices de remoção de matéria orgânica e produção de biogás foram reduzidos, com o concomitante acréscimo na concentração efluente de ácidos graxos voláteis. Em paralelo ao experimento de laboratório, foi monitorado um reator UASB em escala real, construído em Caxias do Sul, cidade que apresenta invernos rigorosos. Neste caso, a influência de outras variáveis na composição dos esgotos domésticos mascararam o possível efeito da temperatura na eficiência do reator. Os reatores protótipos operando com condições controladas de temperatura e concentrações de substrato e vazão estáveis apresentam eficiências de remoção de matéria orgânica significativamente superiores aquelas atingidas no reator UASB de escala real. Os resultados dos experimentos de laboratório conduzidos nesta pesquisa indicaram que houve influência da temperatura na remoção de matéria orgânica de reatores UASB. Contudo, esta influência não causou perda significativa na qualidade do efluente, o que sugere que reatores UASB, operados de maneira cuidadosa, podem ser utilizados como parte de processos de tratamento de esgotos em cidades de clima temperado. / This research assessed the efficiency of Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor operating under typical temperatures found in regions with temperate climate. A pilot plant constituted by three 19.2 L anaerobic reactors was operated. Sludge from an UASB reactor treating residuals from a gelatin industrial plant was introduced in each prototype. The initial biological load in each reactor was 0.11 kg CODkg TVS-1.d-1. The reactors treated a synthetic wastewater formed by glucose, acetate, micro and macronutrients, with COD concentration compatible with urban sewage. Reactor’s operation was divided in two phases. In the first, start-up, reactors operated at 35°C. In the second phase, temperatures within reactors were 15, 20, 25, 30, and 35°C. During the start-up and acclimatizing period, COD removal efficiencies were high, around 90%. In the second phase, it was observed that organic matter removal was slightly affected by temperature. Generally, there was a decrease in COD efficiency with temperature reduction (95,7, 91,0, 94,2, 90,6 and 87,2% removal for 35, 30, 25, 20, and 15°C, respectively). However, soluble COD removal was unaffected by temperature, an observation confirmed by statistical analysis. Methane gas volume, calculated by COD mass balances and bioenergetics, was similar. Electric power shortages occurred in some small periods during the experiments. As a consequence, the reactors endured unintentional 5°C and 10°C temperature shocks. Reactors that suffered 5°C shocks recovered very well as soon as they returned to their initial operational temperature. However, the reactor that had a 10°C temperature reduction didn’t recover to its initial efficiency upon return to the original operating temperature. Organic matter removal and biogas production dropped significantly, with a corresponding increase in the volatile organic acids concentration in the reactor effluent. In parallel with the laboratory experiments, it was monitored a full scale UASB reactor operating in Caxias do Sul, a city characterized by cold winters. For the full scale reactor, it was not possible to verify the effect of temperature on efficiency. This was due to the interference of variables other than temperature on the quality of the effluent. The COD removals obtained in the prototype reactors were significantly higher than those measured at the full scale reactor. It has to be considered that the prototypes operated under controlled temperature and constants concentrations and flowrates. On the contrary, the full scale reactor received complex substrates (domestic wastewater), with variations in concentrations, flowrates and temperatures. The results of the research suggest that is feasible to operate UASB reactors in regions where temperature varies significantly around the year, with cold winters and warm summers. Although the experiment showed a small decrease in organic matter removal with temperature, the efficiencies were still high to warrant the application of UASB at lower temperatures. In full scale reactors, a careful operation of the reactor will probably compensate for a small decrease in organic matter removal due to lower temperatures.