ABSTRACT Modeling of bark-, sand- and activated carbon filters for treatment of greywater Susanna Ciuk Karlsson   The part of the waste water produced in a household, originating from showers, dish - and wash water, is called greywater. It is possible to treat the greywater separately from the black water (toilet water) as it is less polluted and then use it for purposes such as garden irrigation. There are various methods for purifying greywater. Here, the possibility to purify greywater using three column filters with different materials (activated carbon, pine bark and sand) was examined through modeling in the computer program HYDRUS. A set-up with physical filters was available, where flow measurements were performed. These measurements were used to validate the model that was developed in HYDRUS. When a flow model had been produced that could replicate the measured flow, a module of HYDRUS was used to also model the reactive transport of nutrients and organic matter in the filters. The complete model was used for evaluation of the treatment performance of the filters during a default scenario where they were loaded with 1 liter of water per day containing pollutant concentration corresponding to typical greywater. / REFERAT Modellering av bark-, sand- och kolfilter för rening av BDT-vatten Susanna Ciuk Karlsson I ett hushåll används vatten som då blir till avloppsvatten. Detta avloppsvatten består till stor del av bad, disk och tvättvatten (BDT-vatten). Det är möjligt att behandla BDT-vattnet separat från klosettvattnet då det är mindre förorenat, låta det genomgå rening och sedan använda det för till exempel bevattning av trädgårdar. Det finns olika metoder för att rena BDT-vatten. Här studerades möjligheterna att rena BDT-vatten med hjälp av tre filter av olika material; aktivt kol, tallbark och sand, genom modellering i datorprogrammet HYDRUS. En praktisk experimentuppsättning med filterkolonner fanns att tillgå, där ett experiment med flödesmätningar genomfördes. Mätningarna användes för att validera modellen som utvecklades i HYDRUS. Efter att en flödesmodell som stämde överrens med uppmätta värden utvecklats, modellerades reaktiv transport av näringsämnen och organiskt material i filtren med en modul tillhörandes HYDRUS. Med hjälp av modelleringen kunde filtertypernas reningsförmåga utvärderas för ett iscensatt standardscenario där filtrena belastades med 1 l vatten/dag innehållandes föroreningar motsvarandes ett typiskt gråvatten.

O reúso de efluentes de esgotos domésticos na irrigação de culturas representa uma alternativa adequada na gestão dos recursos hídricos devido ao fornecimento de nutrientes e água em quantidades suficientes para o desenvolvimento das culturas, porém, também pode introduz impactos negativos ao solo, em parte, potencializados pela irrigação contínua ao longo do tempo. O maior efeito está relacionado com o aumento da salinidade e sodicidade. Uma alternativa para mitigar este impacto, é o uso de espécies vegetais extratoras e acumuladoras de sais que estão presentes no solo. Neste trabalho avaliaram-se as alterações nas propriedades químicas de um planossolo (disposto em 36 vasos, 18 isolados da chuva e dos ventos e 18 expostos a eventos climáticos) irrigado durante dois meses (junho-julho) com efluente de esgoto tratado por um reator UASB + lagoa de polimento. Posteriormente, avaliou-se o desempenho da espécie halófita Atriplex nummularia na remoção de sais e cátions acumulados no substrato (agosto 2008 – fevereiro 2009), monitorando o comportamento da condutividade elétrica, sódio, potássio, cálcio, magnésio e pH (no extrato do solo) e pH, condutividade elétrica e sódio trocável no percolado dos vasos. Durante a fitorremediação, foram aplicados além do efluente utilizado na etapa anterior (tratamento 3), efluente de um sistema UASB (tratamento 2) e água potável (tratamento 1). Também foi avaliado o comportamento das características físicas do solo mediante a determinação das curvas de retenção de água no inicio e final do experimento. A irrigação com o efluente do sistema UASB + lagoa de polimento incrementou significativamente o teor de sódio ao mesmo tempo em que diminuiu as concentrações de cálcio e magnésio; incrementando em até 30 % o percentual de sódio trocável (PST), indicando a sodificação da camada superficial (0-20 cm) dos substratos. O pH e a condutividade elétrica (indicadores da salinidade do solo quando atingem valores inferiores a 8,5 e superiores a 4 dS m-1, respectivamente) aumentaram sem atingir valores críticos. As condições de maior acumulação de sais e cátions apresentaram-se nos vasos que não estiveram expostos às variáveis climáticas. Com respeito à etapa de fitorremediação, as eficiências na remoção de sódio estiveram acima de 85% (em ausência de chuva) e fora da estufa valores entre 30 – 45% para os tratamentos 2 e 3 e acima de 80% para o tratamento 1. Resultados que mostram o melhor desenvolvimento da planta na ausência de chuvas e ventos fortes. Já os efeitos sobre as características físicas das amostras não foram estatisticamente significativos (α = 0.01), provavelmente pelo curto tempo de duração do experimento. Os resultados em geral, evidenciaram o potencial da Atriplex nummularia na fitorremediação de solos irrigados com efluentes de esgotos tratados. / Wastewater reuse in crops irrigation represents a good alternative in the water resources management because it supplies nutrients and water in sufficient amount to guarantee the growing of cultures, but also can affects negatively the soil due to the constant irrigation along time. The worst effect is related to the increase of the soil salinity and sodium content. An option to mitigate this effect is to use varieties of vegetable species that can extract or accumulate salt. This study researched the changes in the chemical properties of a Plano soil (distributed in 36 pots, 18 protected of rains and winds and 18 exposed them), irrigated over two months (June – July) with secondary treated wastewater from an anaerobic reactor/maturation pond. Besides that, it was studied the performance of the halophyte Atriplex nummularia in removing salts and cations accumulated in the soil (August 2008 – February 2009), by measuring from the soil extract samples: the behavior of electrical conductivity, sodium, potassium, calcium, magnesium and pH; and from the pots leachate: pH, electrical conductivity and exchangeable sodium. During the phytoremediation process, besides the wastewater effluent used in the first stage (treatment 3), there were also applied wastewater effluent from an UASB reactor (treatment 2) and potable water (treatment 1). Also, it was studied the behavior of soil´s physicals characteristic measuring water retention curves at the beginning and end of the experiment. Irrigation with the secondary treated wastewater from an anaerobic reactor/maturation pond increased significantly soil’s sodium concentration, and simultaneously, it decreased calcium and magnesium concentrations in the soil; augmenting the Exchangeable Sodium Percentages (ESP), thus indicating the sodification of soil superficial layer (0 – 20 cm). The values of pH and electrical conductivity (soil salinity indicators when reaching values below 8,5 and over 4 dS m-1, respectively) increased, but did not reached critical values. The pots not exposed to environmental conditions presented greater salts and cations concentrations accumulated on top soil. Phytoremediation stage efficiencies were higher than 85% (in the absence of rain) and between 30 and 45% (in the presence of rain) for applied treatments 2 and 3, respectively; and more than 80% for the applied treatment 1. These results showed that the plant performance is better in the absence of rain and strong winds. The changes on the physical characteristics were statistically non-significant (α = 0.01), probably because of the short duration of the experiment. The results in general, showed the potential of the Atriplex nummularia in phytoremediation processes of wastewater-irrigated soils.

O reúso de efluentes de esgotos domésticos na irrigação de culturas representa uma alternativa adequada na gestão dos recursos hídricos devido ao fornecimento de nutrientes e água em quantidades suficientes para o desenvolvimento das culturas, porém, também pode introduz impactos negativos ao solo, em parte, potencializados pela irrigação contínua ao longo do tempo. O maior efeito está relacionado com o aumento da salinidade e sodicidade. Uma alternativa para mitigar este impacto, é o uso de espécies vegetais extratoras e acumuladoras de sais que estão presentes no solo. Neste trabalho avaliaram-se as alterações nas propriedades químicas de um planossolo (disposto em 36 vasos, 18 isolados da chuva e dos ventos e 18 expostos a eventos climáticos) irrigado durante dois meses (junho-julho) com efluente de esgoto tratado por um reator UASB + lagoa de polimento. Posteriormente, avaliou-se o desempenho da espécie halófita Atriplex nummularia na remoção de sais e cátions acumulados no substrato (agosto 2008 – fevereiro 2009), monitorando o comportamento da condutividade elétrica, sódio, potássio, cálcio, magnésio e pH (no extrato do solo) e pH, condutividade elétrica e sódio trocável no percolado dos vasos. Durante a fitorremediação, foram aplicados além do efluente utilizado na etapa anterior (tratamento 3), efluente de um sistema UASB (tratamento 2) e água potável (tratamento 1). Também foi avaliado o comportamento das características físicas do solo mediante a determinação das curvas de retenção de água no inicio e final do experimento. A irrigação com o efluente do sistema UASB + lagoa de polimento incrementou significativamente o teor de sódio ao mesmo tempo em que diminuiu as concentrações de cálcio e magnésio; incrementando em até 30 % o percentual de sódio trocável (PST), indicando a sodificação da camada superficial (0-20 cm) dos substratos. O pH e a condutividade elétrica (indicadores da salinidade do solo quando atingem valores inferiores a 8,5 e superiores a 4 dS m-1, respectivamente) aumentaram sem atingir valores críticos. As condições de maior acumulação de sais e cátions apresentaram-se nos vasos que não estiveram expostos às variáveis climáticas. Com respeito à etapa de fitorremediação, as eficiências na remoção de sódio estiveram acima de 85% (em ausência de chuva) e fora da estufa valores entre 30 – 45% para os tratamentos 2 e 3 e acima de 80% para o tratamento 1. Resultados que mostram o melhor desenvolvimento da planta na ausência de chuvas e ventos fortes. Já os efeitos sobre as características físicas das amostras não foram estatisticamente significativos (α = 0.01), provavelmente pelo curto tempo de duração do experimento. Os resultados em geral, evidenciaram o potencial da Atriplex nummularia na fitorremediação de solos irrigados com efluentes de esgotos tratados. / Wastewater reuse in crops irrigation represents a good alternative in the water resources management because it supplies nutrients and water in sufficient amount to guarantee the growing of cultures, but also can affects negatively the soil due to the constant irrigation along time. The worst effect is related to the increase of the soil salinity and sodium content. An option to mitigate this effect is to use varieties of vegetable species that can extract or accumulate salt. This study researched the changes in the chemical properties of a Plano soil (distributed in 36 pots, 18 protected of rains and winds and 18 exposed them), irrigated over two months (June – July) with secondary treated wastewater from an anaerobic reactor/maturation pond. Besides that, it was studied the performance of the halophyte Atriplex nummularia in removing salts and cations accumulated in the soil (August 2008 – February 2009), by measuring from the soil extract samples: the behavior of electrical conductivity, sodium, potassium, calcium, magnesium and pH; and from the pots leachate: pH, electrical conductivity and exchangeable sodium. During the phytoremediation process, besides the wastewater effluent used in the first stage (treatment 3), there were also applied wastewater effluent from an UASB reactor (treatment 2) and potable water (treatment 1). Also, it was studied the behavior of soil´s physicals characteristic measuring water retention curves at the beginning and end of the experiment. Irrigation with the secondary treated wastewater from an anaerobic reactor/maturation pond increased significantly soil’s sodium concentration, and simultaneously, it decreased calcium and magnesium concentrations in the soil; augmenting the Exchangeable Sodium Percentages (ESP), thus indicating the sodification of soil superficial layer (0 – 20 cm). The values of pH and electrical conductivity (soil salinity indicators when reaching values below 8,5 and over 4 dS m-1, respectively) increased, but did not reached critical values. The pots not exposed to environmental conditions presented greater salts and cations concentrations accumulated on top soil. Phytoremediation stage efficiencies were higher than 85% (in the absence of rain) and between 30 and 45% (in the presence of rain) for applied treatments 2 and 3, respectively; and more than 80% for the applied treatment 1. These results showed that the plant performance is better in the absence of rain and strong winds. The changes on the physical characteristics were statistically non-significant (α = 0.01), probably because of the short duration of the experiment. The results in general, showed the potential of the Atriplex nummularia in phytoremediation processes of wastewater-irrigated soils.

A Osmose Inversa (OI) é amplamente utilizada nos processos de desmineralização, onde são utilizados módulos espirais que após 3 a 5 anos de uso são descartados devido à queda de seu desempenho. Estes módulos ainda podem ser reaproveitados em tratamentos que não exijam um efluente final com qualidade tão elevada, como por exemplo, em correntes de reuso. Um efluente com potencial para ser reutilizado é a purga, a qual é drenada da bacia da torre de resfriamento com a finalidade de reduzir a concentração de sais e outras impurezas da água de recirculação. Estes processos industriais utilizam grandes quantidades de água, sendo de grande importância estudos que visem o seu reaproveitamento. Uma alternativa seria o tratamento desta corrente utilizando as membranas de OI descartadas, porém um fator limitante é a qualidade do efluente que irá alimentar os módulos de OI descartados, devido à pequena espessura dos canais de alimentação. A proposta deste trabalho foi ajustar o pré-tratamento para um sistema de filtração com membranas de OI descartadas com o objetivo de tratar e reutilizar a corrente de purga de uma torre de resfriamento, como água de reposição. Foram avaliados como pré-tratamentos processos de coagulação/floculação, filtração com filtro de areia,sorção com carvão ativado comercial e combinações destes. A avaliação da eficiência dos tratamentos foi realizada através de análises de pH, condutividade elétrica, turbidez, dureza total, DQO, sílica e SDI. Após cada pré-tratamento, o efluente tratado foi alimentado no sistema de OI, avaliando-se o fluxo de permeado, permeabilidade hidráulica, retenção salina e a propensão ao fouling, para, então, determinar a eficiência do tratamento proposto. O permeado foi analisado e os parâmetros foram comparados com a água de reposição utilizada na torre de resfriamento. Verificou-se que o melhor tratamento obtido foi utilizando a coagulação/floculação seguida do filtro de areia, apresentando SDI5 5,5 e turbidez de 0,3 NTU; o processo de sorção com carvão ativado não demonstrou bons resultados para as condições testadas. Através das análises das membranas utilizadas para as medidas de SDI e dos valores dos contaminantes presentes após os pré-tratamentos, pôde-se perceber uma diminuição de incrustações referentes aos teores de sílica e dureza, principais causadores de fouling, indicando uma melhora na qualidade da corrente de purga pré-tratada, que apresentou características adequadas para alimentação do sistema de OI. Ainda, as membranas de OI apresentaram uma retenção salina em torno de 97% e as análises dos permeados obtidos indicaram valores de contaminantes inferiores aos da água de reposição da torre, demonstrando a possibilidade de reutilização. / Reverse Osmosis (RO) is widely used in demineralization processes, where spiral wound modules are used, which after 3-5 years are discarded to lose their performance. However, these modules can be reused for treatments that do not require final effluent with so high quality. The blowdown is drained from the basin of the cooling tower in order to reduce the concentration of salts and other impurities from recirculating water. These industrial processes use large quantities of water, so it’s important to study reuse possibilities. An alternative would be treating this stream using RO discarded membranes, but some limiting factors are the quality of the feed water and the thin feed channels. Thus, the aim of the study is to set a pretreatment to a RO system that uses discarded membranes from the demineralization process to treat the blowdown stream of a cooling tower, with will reuse as make-up water. Steps of coagulation and flocculation, sand filter filtration, sorption with activated carbon and combinations of these were proposed as pre-treatments. Analysis of pH, conductivity, turbidity, total hardness, COD, silica and SDI were used to evaluate the efficiency of the pretreatments. After each proposed pre-treatment, the treated effluent was tested in RO system and the permeate flow, salt retention and hydraulic permeability were evaluated to identify the presence of fouling and the membranes performance. Also the permeate analysis were compared with the makeup water used in the cooling tower. The sand filter as only step treatment is not effective for good treatment of the stream, obtaining the best result when coupled with coagulation/flocculation process. The GAC had not shown good results for the tested conditions. RO discarded membranes presented high salt retention, about 97% and analysis of the permeates indicate the reuse possibility. Through MEV and EDS analysis of SDI membranes, we could notice a decrease of scale related to silica and hardness, which are the main cause of fouling, indicating an improvement of the quality of the treated stream, which presents suitable characteristics for feed RO systems with discarded modules.

O recurso água é de primordial importância para a vida, para a sociedade e para os processos industriais. A redução da disponibilidade de água, devido ao aumento de sua demanda, à poluição das bacias hidrográficas e à escassez de fontes limpas, pressionam os órgãos reguladores a elaborar leis que restrinjam seu consumo, a criar normas que controlem o despejo de efluentes e aplicar tarifas que elevem o custo do uso da água. Portanto, técnicas de conservação e reúso são elementos importantes para as empresas reduzirem seus custos e contribuírem positivamente com o desenvolvimento sustentável. O objetivo deste trabalho é apresentar um estudo de caso real que visa à redução no consumo de água em uma unidade industrial do setor Químico. Serão aqui descritos os processos industriais envolvidos, as necessidades e especificações associadas, as metodologias utilizadas para construção do cenário atual de consumo e para o desenvolvimento das propostas de reúso. O trabalho mostra que existem oportunidades de modificações nos processos de digestão, de destilação, de recuperação de produtos e de drenagens que implicariam uma redução no consumo de água, em economia financeira com uma taxa de retorno atrativa e com retorno do investimento em um curto espaço de tempo. / Water is essential for life, for society and for industrial processes. Any decrease in availability, as a consequence of increased demand and/or pollution of its sources, puts pressure on the regulating agencies to create specific legislation in order to restrict water consumption, control effluent discharge and to apply tariffs that raise the cost of water use. Therefore, wastewater reuse techniques are very important for companies to reduce costs and contribute to sustainable development. The objective of this project is to discuss the reduction of water consumption in a chemical industrial unit. The procedure covers the study of the industrial process pertaining to water, its requirements and specifications, the strategies applied to address the water/wastewater allocation issue. Finally, the project presents opportunities for modifications to some specific operation units such as digestion, distillation, product recovery and draining processes, which lead to a decrease in fresh water consumption and wastewater generation. Besides the environmental benefits, the company achieves financial savings as well as good relations with local community.

O reúso de efluentes de esgotos domésticos na irrigação de culturas representa uma alternativa adequada na gestão dos recursos hídricos devido ao fornecimento de nutrientes e água em quantidades suficientes para o desenvolvimento das culturas, porém, também pode introduz impactos negativos ao solo, em parte, potencializados pela irrigação contínua ao longo do tempo. O maior efeito está relacionado com o aumento da salinidade e sodicidade. Uma alternativa para mitigar este impacto, é o uso de espécies vegetais extratoras e acumuladoras de sais que estão presentes no solo. Neste trabalho avaliaram-se as alterações nas propriedades químicas de um planossolo (disposto em 36 vasos, 18 isolados da chuva e dos ventos e 18 expostos a eventos climáticos) irrigado durante dois meses (junho-julho) com efluente de esgoto tratado por um reator UASB + lagoa de polimento. Posteriormente, avaliou-se o desempenho da espécie halófita Atriplex nummularia na remoção de sais e cátions acumulados no substrato (agosto 2008 – fevereiro 2009), monitorando o comportamento da condutividade elétrica, sódio, potássio, cálcio, magnésio e pH (no extrato do solo) e pH, condutividade elétrica e sódio trocável no percolado dos vasos. Durante a fitorremediação, foram aplicados além do efluente utilizado na etapa anterior (tratamento 3), efluente de um sistema UASB (tratamento 2) e água potável (tratamento 1). Também foi avaliado o comportamento das características físicas do solo mediante a determinação das curvas de retenção de água no inicio e final do experimento. A irrigação com o efluente do sistema UASB + lagoa de polimento incrementou significativamente o teor de sódio ao mesmo tempo em que diminuiu as concentrações de cálcio e magnésio; incrementando em até 30 % o percentual de sódio trocável (PST), indicando a sodificação da camada superficial (0-20 cm) dos substratos. O pH e a condutividade elétrica (indicadores da salinidade do solo quando atingem valores inferiores a 8,5 e superiores a 4 dS m-1, respectivamente) aumentaram sem atingir valores críticos. As condições de maior acumulação de sais e cátions apresentaram-se nos vasos que não estiveram expostos às variáveis climáticas. Com respeito à etapa de fitorremediação, as eficiências na remoção de sódio estiveram acima de 85% (em ausência de chuva) e fora da estufa valores entre 30 – 45% para os tratamentos 2 e 3 e acima de 80% para o tratamento 1. Resultados que mostram o melhor desenvolvimento da planta na ausência de chuvas e ventos fortes. Já os efeitos sobre as características físicas das amostras não foram estatisticamente significativos (α = 0.01), provavelmente pelo curto tempo de duração do experimento. Os resultados em geral, evidenciaram o potencial da Atriplex nummularia na fitorremediação de solos irrigados com efluentes de esgotos tratados. / Wastewater reuse in crops irrigation represents a good alternative in the water resources management because it supplies nutrients and water in sufficient amount to guarantee the growing of cultures, but also can affects negatively the soil due to the constant irrigation along time. The worst effect is related to the increase of the soil salinity and sodium content. An option to mitigate this effect is to use varieties of vegetable species that can extract or accumulate salt. This study researched the changes in the chemical properties of a Plano soil (distributed in 36 pots, 18 protected of rains and winds and 18 exposed them), irrigated over two months (June – July) with secondary treated wastewater from an anaerobic reactor/maturation pond. Besides that, it was studied the performance of the halophyte Atriplex nummularia in removing salts and cations accumulated in the soil (August 2008 – February 2009), by measuring from the soil extract samples: the behavior of electrical conductivity, sodium, potassium, calcium, magnesium and pH; and from the pots leachate: pH, electrical conductivity and exchangeable sodium. During the phytoremediation process, besides the wastewater effluent used in the first stage (treatment 3), there were also applied wastewater effluent from an UASB reactor (treatment 2) and potable water (treatment 1). Also, it was studied the behavior of soil´s physicals characteristic measuring water retention curves at the beginning and end of the experiment. Irrigation with the secondary treated wastewater from an anaerobic reactor/maturation pond increased significantly soil’s sodium concentration, and simultaneously, it decreased calcium and magnesium concentrations in the soil; augmenting the Exchangeable Sodium Percentages (ESP), thus indicating the sodification of soil superficial layer (0 – 20 cm). The values of pH and electrical conductivity (soil salinity indicators when reaching values below 8,5 and over 4 dS m-1, respectively) increased, but did not reached critical values. The pots not exposed to environmental conditions presented greater salts and cations concentrations accumulated on top soil. Phytoremediation stage efficiencies were higher than 85% (in the absence of rain) and between 30 and 45% (in the presence of rain) for applied treatments 2 and 3, respectively; and more than 80% for the applied treatment 1. These results showed that the plant performance is better in the absence of rain and strong winds. The changes on the physical characteristics were statistically non-significant (α = 0.01), probably because of the short duration of the experiment. The results in general, showed the potential of the Atriplex nummularia in phytoremediation processes of wastewater-irrigated soils.

A Osmose Inversa (OI) é amplamente utilizada nos processos de desmineralização, onde são utilizados módulos espirais que após 3 a 5 anos de uso são descartados devido à queda de seu desempenho. Estes módulos ainda podem ser reaproveitados em tratamentos que não exijam um efluente final com qualidade tão elevada, como por exemplo, em correntes de reuso. Um efluente com potencial para ser reutilizado é a purga, a qual é drenada da bacia da torre de resfriamento com a finalidade de reduzir a concentração de sais e outras impurezas da água de recirculação. Estes processos industriais utilizam grandes quantidades de água, sendo de grande importância estudos que visem o seu reaproveitamento. Uma alternativa seria o tratamento desta corrente utilizando as membranas de OI descartadas, porém um fator limitante é a qualidade do efluente que irá alimentar os módulos de OI descartados, devido à pequena espessura dos canais de alimentação. A proposta deste trabalho foi ajustar o pré-tratamento para um sistema de filtração com membranas de OI descartadas com o objetivo de tratar e reutilizar a corrente de purga de uma torre de resfriamento, como água de reposição. Foram avaliados como pré-tratamentos processos de coagulação/floculação, filtração com filtro de areia,sorção com carvão ativado comercial e combinações destes. A avaliação da eficiência dos tratamentos foi realizada através de análises de pH, condutividade elétrica, turbidez, dureza total, DQO, sílica e SDI. Após cada pré-tratamento, o efluente tratado foi alimentado no sistema de OI, avaliando-se o fluxo de permeado, permeabilidade hidráulica, retenção salina e a propensão ao fouling, para, então, determinar a eficiência do tratamento proposto. O permeado foi analisado e os parâmetros foram comparados com a água de reposição utilizada na torre de resfriamento. Verificou-se que o melhor tratamento obtido foi utilizando a coagulação/floculação seguida do filtro de areia, apresentando SDI5 5,5 e turbidez de 0,3 NTU; o processo de sorção com carvão ativado não demonstrou bons resultados para as condições testadas. Através das análises das membranas utilizadas para as medidas de SDI e dos valores dos contaminantes presentes após os pré-tratamentos, pôde-se perceber uma diminuição de incrustações referentes aos teores de sílica e dureza, principais causadores de fouling, indicando uma melhora na qualidade da corrente de purga pré-tratada, que apresentou características adequadas para alimentação do sistema de OI. Ainda, as membranas de OI apresentaram uma retenção salina em torno de 97% e as análises dos permeados obtidos indicaram valores de contaminantes inferiores aos da água de reposição da torre, demonstrando a possibilidade de reutilização. / Reverse Osmosis (RO) is widely used in demineralization processes, where spiral wound modules are used, which after 3-5 years are discarded to lose their performance. However, these modules can be reused for treatments that do not require final effluent with so high quality. The blowdown is drained from the basin of the cooling tower in order to reduce the concentration of salts and other impurities from recirculating water. These industrial processes use large quantities of water, so it’s important to study reuse possibilities. An alternative would be treating this stream using RO discarded membranes, but some limiting factors are the quality of the feed water and the thin feed channels. Thus, the aim of the study is to set a pretreatment to a RO system that uses discarded membranes from the demineralization process to treat the blowdown stream of a cooling tower, with will reuse as make-up water. Steps of coagulation and flocculation, sand filter filtration, sorption with activated carbon and combinations of these were proposed as pre-treatments. Analysis of pH, conductivity, turbidity, total hardness, COD, silica and SDI were used to evaluate the efficiency of the pretreatments. After each proposed pre-treatment, the treated effluent was tested in RO system and the permeate flow, salt retention and hydraulic permeability were evaluated to identify the presence of fouling and the membranes performance. Also the permeate analysis were compared with the makeup water used in the cooling tower. The sand filter as only step treatment is not effective for good treatment of the stream, obtaining the best result when coupled with coagulation/flocculation process. The GAC had not shown good results for the tested conditions. RO discarded membranes presented high salt retention, about 97% and analysis of the permeates indicate the reuse possibility. Through MEV and EDS analysis of SDI membranes, we could notice a decrease of scale related to silica and hardness, which are the main cause of fouling, indicating an improvement of the quality of the treated stream, which presents suitable characteristics for feed RO systems with discarded modules.

La croissance démographique mondiale induit une pression accrue sur les ressources en eau potable. Une des solutions pour répondre à cette problématique environnementale est de réutiliser les eaux en sortie de station d’épuration (STEP). Cependant, la présence de microorganismes pathogènes et de micropolluants bio-récalcitrants et potentiellement toxiques ne permet pas une réutilisation directe des effluents urbains. Les procédés membranaires peuvent alors être envisagés afin d’éliminer efficacement ces polluants à l’état de trace. Cependant, la mise en œuvre des procédés membranaires implique la production de retentâts concentrés en micropolluants dont le traitement n’est, à ce jour, pas envisagé. Cette thèse propose alors d’étudier l’ozonation pour le traitement de retentâts de nanofiltration (NF) dans le cadre de la réutilisation des eaux usées, l’ozone étant un puissant oxydant et précurseur de radicaux hydroxyles. Pour cela, quatre micropolluants pharmaceutiques ont été sélectionnés comme molécules cibles. Par la suite, l’étude de la NF a mis en évidence qu’elle peut constituer une alternative viable au standard industriel qu’est l’osmose inverse en assurant des rétentions élevées pour des coûts opératoires moindres. L’ozonation s’avère efficace comme prétraitement des concentrâts en éliminant totalement les polluants les plus réactifs à l’ozone moléculaire. Toutefois, ce procédé reste limité quant à l’abattement des polluants réfractaire à l’ozone du fait de l’inhibition de la voie radicalaire par la forte teneur en matière organique des retentâts. Finalement, bien que cette association de procédés soit prometteuse, un traitement supplémentaire en aval de l’ozonation serait nécessaire afin de permettre la réutilisation des retentâts traités et aboutir à l’avènement d’une filière épuratoire à zéro rejet liquide / Global population growth induces increased threat on drinking water resources. One way to address this environmental issue is to reuse water from wastewater treatment plant (WWTP). However, the presence of pathogenic microorganisms and potentially toxic organic micropollutants does not allow a direct reuse of urban effluents. Membrane processes such RO or NF can be considered to effectively eliminate these pollutants. However, the integration of membrane processes involves the production of concentrated retentates which require to be disposed. To date, no treatment is set up to manage safely this pollution. This thesis project focuses on the application of ozonation for the treatment of NF retentates in the framework of the wastewater reuse. Ozonation is a powerful oxidation process able to react and degrade a wide range of organic pollutants. Four pharmaceutical micropollutants frequently detected in wastewater, were selected as target molecules. This study highlighted that NF can represent a viable alternative to the commonly used reverse osmosis process ensuring high retention at much lower operating costs. Ozonation appear to be effective to degrade the most reactive pollutants toward molecular ozone. However, this method is limited for the reduction of refractory ozone pollutants due to the inhibition of the radical chain by the high content of organic matter in the retentates. Finally, the ozonation processe appear to be a promising NF retentate treatment and further processing downstream of ozonation should allow reuse of treated retentates and lead to the emergence of a zero liquid discharge treatment scheme.

A Osmose Inversa (OI) é amplamente utilizada nos processos de desmineralização, onde são utilizados módulos espirais que após 3 a 5 anos de uso são descartados devido à queda de seu desempenho. Estes módulos ainda podem ser reaproveitados em tratamentos que não exijam um efluente final com qualidade tão elevada, como por exemplo, em correntes de reuso. Um efluente com potencial para ser reutilizado é a purga, a qual é drenada da bacia da torre de resfriamento com a finalidade de reduzir a concentração de sais e outras impurezas da água de recirculação. Estes processos industriais utilizam grandes quantidades de água, sendo de grande importância estudos que visem o seu reaproveitamento. Uma alternativa seria o tratamento desta corrente utilizando as membranas de OI descartadas, porém um fator limitante é a qualidade do efluente que irá alimentar os módulos de OI descartados, devido à pequena espessura dos canais de alimentação. A proposta deste trabalho foi ajustar o pré-tratamento para um sistema de filtração com membranas de OI descartadas com o objetivo de tratar e reutilizar a corrente de purga de uma torre de resfriamento, como água de reposição. Foram avaliados como pré-tratamentos processos de coagulação/floculação, filtração com filtro de areia,sorção com carvão ativado comercial e combinações destes. A avaliação da eficiência dos tratamentos foi realizada através de análises de pH, condutividade elétrica, turbidez, dureza total, DQO, sílica e SDI. Após cada pré-tratamento, o efluente tratado foi alimentado no sistema de OI, avaliando-se o fluxo de permeado, permeabilidade hidráulica, retenção salina e a propensão ao fouling, para, então, determinar a eficiência do tratamento proposto. O permeado foi analisado e os parâmetros foram comparados com a água de reposição utilizada na torre de resfriamento. Verificou-se que o melhor tratamento obtido foi utilizando a coagulação/floculação seguida do filtro de areia, apresentando SDI5 5,5 e turbidez de 0,3 NTU; o processo de sorção com carvão ativado não demonstrou bons resultados para as condições testadas. Através das análises das membranas utilizadas para as medidas de SDI e dos valores dos contaminantes presentes após os pré-tratamentos, pôde-se perceber uma diminuição de incrustações referentes aos teores de sílica e dureza, principais causadores de fouling, indicando uma melhora na qualidade da corrente de purga pré-tratada, que apresentou características adequadas para alimentação do sistema de OI. Ainda, as membranas de OI apresentaram uma retenção salina em torno de 97% e as análises dos permeados obtidos indicaram valores de contaminantes inferiores aos da água de reposição da torre, demonstrando a possibilidade de reutilização. / Reverse Osmosis (RO) is widely used in demineralization processes, where spiral wound modules are used, which after 3-5 years are discarded to lose their performance. However, these modules can be reused for treatments that do not require final effluent with so high quality. The blowdown is drained from the basin of the cooling tower in order to reduce the concentration of salts and other impurities from recirculating water. These industrial processes use large quantities of water, so it’s important to study reuse possibilities. An alternative would be treating this stream using RO discarded membranes, but some limiting factors are the quality of the feed water and the thin feed channels. Thus, the aim of the study is to set a pretreatment to a RO system that uses discarded membranes from the demineralization process to treat the blowdown stream of a cooling tower, with will reuse as make-up water. Steps of coagulation and flocculation, sand filter filtration, sorption with activated carbon and combinations of these were proposed as pre-treatments. Analysis of pH, conductivity, turbidity, total hardness, COD, silica and SDI were used to evaluate the efficiency of the pretreatments. After each proposed pre-treatment, the treated effluent was tested in RO system and the permeate flow, salt retention and hydraulic permeability were evaluated to identify the presence of fouling and the membranes performance. Also the permeate analysis were compared with the makeup water used in the cooling tower. The sand filter as only step treatment is not effective for good treatment of the stream, obtaining the best result when coupled with coagulation/flocculation process. The GAC had not shown good results for the tested conditions. RO discarded membranes presented high salt retention, about 97% and analysis of the permeates indicate the reuse possibility. Through MEV and EDS analysis of SDI membranes, we could notice a decrease of scale related to silica and hardness, which are the main cause of fouling, indicating an improvement of the quality of the treated stream, which presents suitable characteristics for feed RO systems with discarded modules.

Conventional wastewater treatment plants are able to reduce contaminant loads within regulations but do not take into account emerging contaminants. Antibiotic resistance genes and antibiotic resistant bacteria have been shown to survive wastewater treatment and remain detectable in effluents. The safety of treated wastewaters is crucial, otherwise unregulated and unmitigated emerging contaminants pose risks to public health and impede wastewater reuse. This dissertation aimed to further understanding of emerging microbial threats, and tested two natural and low-cost tools for their mitigation: sunlight, and bacteriophages. A wastewater bacterial isolate, named E. coli PI-7, which is highly antibiotic resistant, carries the novel antibiotic resistance gene New Delhi metallo-beta-lactamase NDM-1 gene, and displays pathogenic traits, was chosen to model responses to the treatments. Results found that solar irradiation was able to achieve a 5-log reduction in E. coli PI-7 numbers within 12 hours of exposure. However, the results also emphasized the risks from emerging microbial contaminants since E. coli PI-7, when compared with a non-pathogenic strain E. coli DSM1103 that has less antibiotic resistance, showed longer survival under solar irradiation. In certain instances, E. coli PI-7 persisted for over 6 hours before starting to inactivate, exhibited complex stress resistance gene responses, and activated many of its concerning pathogenicity and antibiotic resistance traits. However, upon solar irradiation, gene expression results obtained from both E. coli strains also showed increased susceptibility to bacteriophages. Hence, bacteriophages were coupled with solar irradiation as an additional mitigation strategy. Results using the coupled treatment found reduced cell-wall and extracellular matrix production in E. coli PI-7. DNA repair and other cellular defense functions like oxidative stress responses were also impeded, rendering E. coli PI-7 more susceptible to both stressors and successfully hastening the onset of its inactivation. Overall, the dissertation is built upon the need to develop strategies to further mitigate risks associated with emerging microbial contaminants. Solar irradiation and bacteriophages demonstrate potential as natural and low-cost mitigation strategies. Sunlight was able to achieve significant log-reductions in tested E. coli numbers within a day’s exposure. Bacteriophages were able to overwhelm E. coli PI-7’s capacity to resist solar inactivation while not affecting the indigenous microbiota.