Monitoring and modelling of membrane bioreactors for wastewater treatment incorporating 2D fluorescence spectroscopy

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química e Bioquímica, Especialidade em Engenharia Bioquímica

Os biorreactores de membranas (MBRs, ‘membrane bioreactors’) para o tratamento de águas residuais combinam o processo de lamas activadas com um passo de filtração para obtenção de um efluente limpo, livre de sólidos. Os MBRs representam uma tecnologia em expansão no tratamento de águas residuais sobretudo devido ao reduzido espaço que requerem e à elevada qualidade do efluente obtido. No entanto, a colmatação das membranas pode reduzir o desempenho do MBR. Por este motivo, no presente trabalho, pretendeu-se estudar a monitorização dos MBRs, com o objectivo de minimizar o número de parâmetros de monitorização necessários para descrever o desempenho do processo e obter uma monitorização em tempo real com recurso mínimo a técnicas laboratoriais demoradas. Para este fim, estudou-se a aplicabilidade da fluorescência bidimensional em meios biológicos complexos, tais como as lamas activadas utilizadas para o tratamento de águas residuais. A fluorescência bidimensional mostrou ser uma técnica abrangente, capaz de recolher informação relevante sobre o estado do sistema em tempo real. Devido à complexidade da informação contida nos espectros de fluorescência, usaram-se técnicas de estatística multivariada, tais como análise de componentes principais e projecção de estruturas latentes (PLS, ‘projection to latent structures’), para extrair a informação dos espectros e correlacioná-la com parâmetros de operação e de desempenho do MBR. O uso de modelos estatísticos permitiu a previsão de parâmetros chave para o desempenho do MBR usando somente dados de processo impostos ou facilmente adquiríveis em tempo real. Adicionalmente, a modelação estatística foi combinada com um modelo mecanístico, numa estrutura híbrida, de forma a melhorar a previsão mecanística. Este estudo demonstrou ser possível usar modelos PLS para incorporar dados de fluorescência obtidos em tempo real, de modo a melhorar a previsão mecanística sem requerer análises laboratoriais adicionais.