Biological detoxification of different hemicellulosic hydrolysates using Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 yeast

This work had as its main objective to contribute to the development of a biological detoxification of hemicellulose hydrolysates obtained from different biomass plants using Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 yeast. Tests with hemicellulosic hydrolysate of sugarcane bagasse in different concentrations were carried out to evaluate the influence of the hydrolysate concentration on the inhibitory compounds removal from the sugarcane bagasse hydrolysate, without reduction of sugar concentration. The highest reduction values of inhibitors concentration and less sugar losses were observed when the fivefold concentrated hydrolysate was treated by the evaluated yeast. In these experiments it was found that the high sugar concentrations favored lower sugar consumption by the yeast. The highest concentration reduction of syringaldehyde (66.67%), ferulic acid (73.33%), furfural (62%), and 5-HMF (85%) was observed when the concentrated hydrolysate was detoxified by using this yeast strain after 24 h of experimentation. The results obtained in this work showed the potential of the yeast Issatchenkia occidentalis CCTCC M 206097 as detoxification agent of hemicellulosic hydrolysate of different biomass plants.

Toxicity and recalcitrant compound removal from bleaching pulp plant effluents by an integrated system: anaerobic packed-bed bioreactor and ozone

Effluents originated in cellulose pulp manufacturing processes are usually toxic and recalcitrant, specially the bleaching effluents, which exhibit high contents of aromatic compounds (e.g. residual lignin derivates). Although biological processes are normally used, their efficiency for the removal of toxic lignin derivates is low. The toxicity and recalcitrance of a bleached Kraft pulp mill were assessed through bioassays and ultraviolet absorption measurements, i.e. acid soluble lignin (ASL), UV(280), and specific ultraviolet absorption (SUVA), before and after treatment by an integrated system comprised of an anaerobic packed-bed bioreactor and oxidation step with ozone. Furthermore, adsorbable organic halides (AOX) were measured. The results demonstrated not only that the toxic recalcitrant compounds can be removed successfully using integrated system, but also the ultraviolet absorption measurements can be an interesting control-parameter in a wastewater treatment.

Physical-chemical and operational performance of an anaerobic baffled reactor (ABR) treating swine wastewater

Since hog raising concentrates a huge amount of swine manure in small areas, it is considered by the environmental government organizations to be one of the most potentially pollutant activities. Therefore the main objective of this research was to evaluate by operational criteria and removal efficiency, the performance of a Anaerobic Baffled Reactor (ABR), working as a biological pre-treatment of swine culture effluents. The physical-chemical analyses carried out were: total COD, BOD(5), total solids (TS), fix (TFS) and volatiles (TVS), temperature, pH, total Kjeldahl nitrogen, phosphorus, total acidity and alkalinity. The ABR unit worked with an average efficiency of 65.2 and 76.2%, respectively, concerning total COD and BOD(5), with a hydraulic retention time (HRT) about 15 hours. The results for volumetric organic loading rate (VOLR), organic loading rate (OLR) and hydraulic loading rate (HLR) were: 4.46 kg BOD m(-3) day(-1); 1.81 kg BOD(5) kg TVS(-1) day(-1) and 1.57 m(3) m(-3) day(-1), respectively. The average efficiency of the whole treatment system for total COD and BOD(5) removal were 66.5 and 77.8%, showing an adequate performance in removing die organic matter from swine wastewater.

Biogas production and valorization by means of a two-step biological process

The scope of this research work was to investigate biogas production and purification by a two-step bench-scale biological system, consisting of fed-batch pulse-feeding anaerobic digestion of mixed sludge, followed by methane enrichment of biogas by the use of the cyanobacterium Arthrospira platensis. The composition of biogas was nearly constant, and methane and carbon dioxide percentages ranged between 70.5-76.0% and 13.2-19.5%, respectively. Biogas yield reached a maximum value (about 0.4 m(biogas)(3)/kgCOD(i)) at 50 days-retention time and then gradually decreased with a decrease in the retention time. Biogas CO(2) was then used as a carbon source for A. platensis cultivation either under batch or fed-batch conditions. The mean cell productivity of fed-batch cultivation was about 15% higher than that observed during the last batch phase (0.035 +/- 0.006 g(DM)/L/d), likely due to the occurrence of some shading effect under batch growth conditions. The data of carbon dioxide removal from biogas revealed the existence of a linear relationship between the rates of A. platensis growth and carbon dioxide removal from biogas and allowed calculating carbon utilization efficiency for biomass production of almost 95%. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

The efficiency and condition of oysters and macroalgae used as biological filters of shrimp pond effluent

Current shrimp pond management practices generally result in elevated concentrations of nutrients, suspended solids, bacteria and phytoplankton compared with the influent water. Concerns about adverse environmental impacts caused by discharging pond effluent directly into adjacent waterways have prompted the search for cost-effective methods of effluent treatment. One potential method of effluent treatment is the use of ponds or raceways stocked with plants or animals that act as natural biofilters by removing waste nutrients. In addition to improving effluent water quality prior to discharge, the use of natural biofilters provides a method for capturing otherwise wasted nutrients. This study examined the potential of the native oyster, Saccostrea commercialis (Iredale and Roughley) and macroalgae, Gracilaria edulis (Gmelin) Silva to improve effluent water quality from a commercial Penaeus japonicus (Bate) shrimp farm, A system of raceways was constructed to permit recirculation of the effluent through the oysters to maximize the filtration of bacteria, phytoplankton and total suspended solids. A series of experiments was conducted to test the ability of oysters and macroalgae to improve effluent water quality in a flow-through system compared with a recirculating system. In the flow-through system, oysters reduced the concentration of bacteria to 35% of the initial concentration, chlorophyll a to 39%, total particulates (2.28-35.2 mum) to 29%, total nitrogen to 66% and total phosphorus to 56%. Under the recirculating flow regime, the ability of the oysters to improve water quality was significantly enhanced. After four circuits, total bacterial numbers were reduced to 12%, chlorophyll a to 4%, and total suspended solids to 16%. Efforts to increase biofiltration by adding additional layers of oyster trays and macroalgae-filled mesh bags resulted in fouling of the lower layers causing the death of oysters and senescence of macroalgae. Supplementary laboratory experiments were designed to examine the effects of high effluent concentrations of suspended particulates on the growth and condition of oysters and macroalgae. The results demonstrated that high concentrations of particulates inhibited growth and reduced the condition of oysters and macroalgae. Allowing the effluent to settle before biofiltration improved growth and reduced signs of stress in the oysters and macroalgae. A settling time of 6 h reduced particulates to a level that prevented fouling of the oysters and macroalgae.

Combined hydraulic and biological modelling and full-scale validation of SBR process

The biological reactions during the settling and decant periods of Sequencing Batch Reactors (SBRs) are generally ignored as they are not easily measured or described by modelling approaches. However, important processes are taking place, and in particular when the influent is fed into the bottom of the reactor at the same time (one of the main features of the UniFed process), the inclusion of these stages is crucial for accurate process predictions. Due to the vertical stratification of both liquid and solid components, a one-dimensional hydraulic model is combined with a modified ASM2d biological model to allow the prediction of settling velocity, sludge concentration, soluble components and biological processes during the non-mixed periods of the SBR. The model is calibrated on a full-scale UniFed SBR system with tracer breakthrough tests, depth profiles of particulate and soluble compounds and measurements of the key components during the mixed aerobic period. This model is then validated against results from an independent experimental period with considerably different operating parameters. In both cases, the model is able to accurately predict the stratification and most of the biological reactions occurring in the sludge blanket and the supernatant during the non-mixed periods. Together with a correct description of the mixed aerobic period, a good prediction of the overall SBR performance can be achieved.

Improved nitrogen removal by application of new nitrogen-cycle bacteria

In order to meet increasingly stringent European discharge standards, new applications and control strategies for the sustainable removal of ammonia from wastewater have to beimplemented. In this paper we discuss anitrogen removal system based on the processesof partial nitrification and anoxic ammoniaoxidation (anammox). The anammox process offers great opportunities to remove ammonia in fully autotrophic systems with biomass retention. No organic carbon is needed in such nitrogenremoval system, since ammonia is used a selectron donor for nitrite reduction. The nitrite can be produced from ammonia in oxygen-limited biofilm systems or in continuous processes without biomass retention. For successful implementation of the combined processes, accurate biosensors for measuring ammonia and nitrite concentrations, insight inthe complex microbial communities involved, and new control strategies have to be developed and evaluated.

Estudo da tratabilidade laboratorial e optimização experimental do tratamento de águas residuais de indústrias lácteas

O presente trabalho experimental teve como objectivos estudar a tratabilidade dum efluente lácteo utilizando a técnica de coagulação/floculação e avaliar a possibilidade de utilização do carvão activado granulado (CAG) Aquasorb 2000 como adsorvente para a remoção de compostos orgânicos presentes nos efluentes lácteos pré–tratados por coagulação/floculação, funcionando como um tratamento de polimento. No estudo da tratabilidade do efluente por coagulação/floculação investigou-se a influência de determinadas variáveis como o tipo e dose de coagulante e pH, a fim de encontrar as melhores condições operatórias. A utilização da referida técnica visou a redução do valor de concentração de alguns parâmetros: carência química de oxigénio (CQO); fósforo total e turvação, tendo sido utilizados efluentes desta indústria recolhidos em diferentes datas e após tratamento biológico, designados por A, B, C e D apresentando características diferentes. Sendo que o efluente A apresentava valores de CQO, fósforo total e turvação de 500 mg O2/L;32 mg P/L e 40 NTU respectivamente, o efluente B 1400 mg O2/L; 120 mg P/L e 80 NTU respectivamente, o efluente C 12300 mg O2/L; 87 mg P/L e 350 NTU respectivamente e o efluente D 340 mg O2/L; 33 mg P/L e 42 NTU respectivamente. Os coagulantes estudados foram hidróxido de cálcio (HC), sulfato de alumínio (SA) e tricloreto de ferro (TF). Verificou-se que o coagulante com maior eficácia nos efluentes estudados foi o TF. As maiores remoções de CQO, fósforo total e turvação, 89%, 99,9% e 99%, respectivamente, foram obtidas para o efluente C, com uma dosagem de TF de 4 g/L e com um pH entre 6 e 7. Entre os efluentes estudados este era o que apresentava valores iniciais mais elevados para qualquer um destes parâmetros. As melhores percentagens de remoção obtidas com o HC, para a CQO, fósforo total e turvação foram de 59%, 99% e 91%, respectivamente, com uma dosagem de HC de 1 g/L e com um pH entre 10 e 11,5 foram conseguidas no tratamento do efluente D, com o qual se alcançaram também as melhores remoções de CQO, fósforo total e turvação de 65%, 99% e 87%, respectivamente, quando se utilizou o coagulante SA, com uma dosagem de 2 g/L e com um pH entre 7 e 7,5. Relativamente ao volume de lamas produzido neste processo pela utilização dos diferentes coagulantes no tratamento dos efluentes referidos concluiu-se que o coagulante que gera menor volume de lamas é o HC, sendo o SA aquele que origina um maior volume. Submeteu-se posteriormente o efluente D, pré-tratado por coagulação/floculação, a um processo de adsorção em batch utilizando o CAG Aquasorb 2000, onde se conseguiu uma remoção de CQO de 48%, alcançando para este parâmetro o valor de 63 mg O2/L, nas condições operatórias que correspondem a uma massa de CAG de 12,5 g/L e um tempo de contacto de 3 horas. Quanto aos custos associados com os coagulantes, o que menores custos apresenta é o HC (150 €/ton), seguido pelo TF (250 €/ton) e por ultimo o SA (340 €/ton). Sendo que o efluente quando tratado com TF e SA é necessário uma correcção do pH do meio para que estes coagulantes actuem eficazmente, em que essa correcção de pH é realizada com hidróxido de sódio (540 €/ton). Realizaram-se ainda estudos de equilíbrio de adsorção com o carvão activado referido e o azul-de-metileno usando diferentes concentrações deste (50 mg/L; 100 mg/L e 200 mg/L) e diferentes massas de CAG (0,1g; 0,2g; 0,3g; 0,4g e 0,5g). A temperatura a que se realizaram estes ensaios foi de 28,7ºC e o volume de azul-de-metileno foi de 200 mL. Verificou-se que os melhores resultados obtidos foram para uma concentração de adsorvato de 100 mg/L. Ajustaram-se os modelos de Langmuir e Freundlich às isotérmicas obtidas tendo correlações mais elevadas para a concentração de 100 mg/L de corante (azul de metileno), sendo o modelo de Freundlich aquele que melhor se ajustou apresentando uma correlação quadrática de 0,9744 e os seguintes parâmetros Kf = 6,59 e n = 5,33, enquanto que o de Langmuir apresentou uma correlação quadrática de 0,9583 e os seguintes parâmetros qmáx = 83,3 mg/g de adsorvente e K = 20 L/mg de adsorvato.. Verificou-se que a capacidade de adsorção promovida pelo CAG, em relação ao azul-demetileno, obtida experimentalmente, 83,3 mg/g, é muito inferior à capacidade de adsorção teoricamente prevista pela ficha técnica deste carvão, 280 mg/g a uma temperatura de 25ºC, o que pode indiciar que o carvão utilizado não estaria nas melhores condições.

Optimização do tratamento por lamas activadas do efluente líquido da Mundotêxtil

A Mundotêxtil foi fundada em 1975 tendo iniciado a sua actividade na área comercial de produtos têxteis. Actualmente é o maior produtor nacional de atoalhados de felpo e emprega 575 colaboradores. Como resultado do seu crescimento e sobretudo da actividade de tingimento de fio e felpo, as necessidades de água são consideráveis e o volume de efluentes gerados nos processos industriais é cada vez maior a empresa avançou com a construção de uma estação de tratamento por lamas activadas, colocando-a em funcionamento em Setembro de 2004. Inicialmente surgiram dificuldades para a remoção da cor e da concentração da Carência Química de Oxigénio (CQO) de modo a cumprir os limites máximos de emissão permitidos nas normas de descarga no rio Ave e no Decreto-Lei nº 236/98, de 1 de Agosto. Com a descarga de parte dos efluentes no SIDVA e a utilização de um coagulante adicionado ao reactor o tratamento passou a apresentar melhores resultados. O intuito deste trabalho é o de apresentar soluções de modo a optimizar o funcionamento do tratamento biológico da Mundotêxtil. A optimização pode começar na concepção dos produtos, pode incidir no processo de fabrico para além de poder ser efectuada no seio da estação de tratamento biológico. Foi efectuado um estudo do tratamento biológico por lamas activadas no Laboratório de Tecnologia Química Profª Doutora Lída de Vasconcelos, laboratório tecnológico do Instituto Superior de Engenharia do Porto (ISEP) que decorreu nos meses de Maio, Junho e Julho de 2010. O estudo laboratorial foi efectuado para três situações distintas: 1) tratamento do efluente bruto sem qualquer tipo de pré-tratamento (ensaios 1 a 3); 2) tratamento do efluente bruto submetido a pré-tratamento com coagulante Ambifloc BIO MD (ensaios 4 e 5) e 3) tratamento com adição de fungos ao tanque de arejamento (ensaio 6). Foram utilizadas duas instalações de tratamento alimentadas a partir do mesmo tanque de alimentação. Os dois sistemas eram idênticos, diferiram nos caudais de alimentação de efluente que foram alterados ao longo do estudo. O efluente a tratar foi fornecido pela empresa Mundotêxtil, sendo recolhido por diversas vezes ao longo dos ensaios. Este efluente foi retirado após o pré-tratamento da empresa, ou seja este efluente é o mesmo que alimenta o tratamento biológico da Mundotêxtil. Devido a este facto o efluente usado no estudo laboratorial teve uma variabilidade no período em que decorreu o estudo, nomeadamente em termos de concentração de CQO e cor. A relação entre a Carência Bioquímica (CBO5) e a CQO situouse entre 0,47 e 0,63 o que traduz que está dentro dos valores típicos para um efluente têxtil. Os melhores resultados globais de remoção de CQO foram obtidos no ensaio 5 e estiveram compreendidos entre 73,2% e 77,5% para o ensaio 5.1 e entre 62,9 e 73,2% para o ensaio 5.2. Neste ensaio foi utilizado o coagulante. Todos os valores de concentração de CQO obtidos nos efluentes dos decantadores para os ensaios 2, 5 e 6 são inferiores aos valores limite de descarga definidos nas normas de descarga no rio Ave e o Decreto-Lei 236/98. Os valores de concentração de Sólidos Suspensos Totais (SST), pH, fósforo, CBO5 e cor nos decantadores cumpriram os limites de descarga definidos nas normas de descarga no rio Ave e no Decreto-Lei nº 236/98 em todos os ensaios. Os parâmetros cinéticos obtidos para os ensaios com descorante são os que melhor se ajustam ao projecto de uma instalação de tratamento biológico por lamas activadas do efluente da Mundotêxtil. Os valores obtidos, após ajuste, são os seguintes: k=0,015 L/(mgSSV*d); Sn=12 mg/L; a=0,7982 kgO2/kgCBO5; b=0,0233 [kgO2/(kgSSV*d); y=0,2253 kgSSV/kgCBO5; kd=0,0036 kgSSV/(kgSSV*d. Com base nos parâmetros cinéticos obtiveram-se os seguintes resultados para o projecto de uma estação de tratamento biológico por lamas activadas: · Tempo de retenção hidráulica no reactor de 1,79 d, · Volume do reactor igual a 3643 m3 · Consumo de oxigénio no reactor de 604 kg/d · Razão de recirculação igual a 0,8 · Volume total do decantador secundário igual a 540 m3 · Diâmetro do decantador secundário igual a 15 m A quantidade de oxigénio necessário é baixa e o valor mais adequado deverá ser da ordem de 1200 kg/d. Também foi efectuada uma análise aos produtos químicos consumidos pela empresa na área das tinturarias com a finalidade de identificar as substâncias com uma maior influência potencial no funcionamento da Estação de Tratamento Biológico. O encolante CB, Cera Têxtil P Líquida, Perfemina P-12, Meropan DPE-P, Meropan BRE-P, Indimina STS e Benzym TEC são os produtos químicos que têm uma influência potencial mais significativa na qualidade dos efluentes. Devido ao facto das temperaturas do efluente alimentado ao tratamento biológico da Mundotêxtil oscilarem entre 35 ºC e 43ºC efectuou-se um estudo às necessidades de água quente das tinturarias e por outro lado à capacidade de aquecimento dos efluentes disponíveis. Actualmente a racionalização dos consumos de água é cada vez mais premente, por isso também é apresentado neste trabalho um estudo para a substituição das máquinas convencionais das tinturarias com uma relação de banho 1:10 por máquinas de banho curto (1:6,5). Verifica-se a redução de consumos de 40% de água, 52% de energia eléctrica, 35% de produtos químicos, 51% das necessidades de vapor e por consequência um aumento da produtividade. A empresa pode reduzir os consumos de água em cerca de 280.000 m3/ano. A utilização do pré-tratamento com o coagulante permitirá baixar a concentração da CQO e reduzir a cor à entrada do reactor tratamento biológico. Deste modo é possível manter um tratamento eficiente à saída do tratamento biológico nas situações de descarga de cores carregadas e carga orgânica elevada. Com este conjunto de soluções, quer sejam aplicadas na totalidade ou não, a empresa Mundotêxtil pode enfrentar o futuro com mais confiança podendo estar preparada para fazer face à escassez de água e custos cada vez maiores da energia. Por outro lado pode tratar os seus efluentes a custos menores. A substituição das máquinas de tingimento por máquinas com relação de banho mais baixa (banho curto) implica investimentos elevados mas estes investimentos são necessários não só por motivos ambientais mas também devido à grande competitividade dos mercados.

Modelling and optimization of the ion exchange membrane bioreactor for removal of anionic pollutants from drinking water streams

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

Removal of Trypanosoma cruzi by white cell-reduction filters: an electronmicroscopic study

White cell (WBC)-reduction filters have been shown to be effective in removing infectious agents from infected blood products. In this study, the mechanisms of Trypanosoma cruzi (T. cruzi) retention by WBC-reduction filters were assessed. Human packed red blood cell (PRBC) and platelet concentrate (PC) samples were contaminated with T. cruzi organisms (Y strain; 3.4 x 10(6)/ml), and then filtered using WBC-reduction experimental filters that provided about 3 log10 WBC removal. Transmission electron microscopy sections showed that T. cruzi parasites were removed from contaminated PRBC and PC samples primarily by mechanical mechanism without interacting with filter fibbers or blood cells. In addition, we found that T. cruzi parasites were also removed by a direct fibber adhesion. These data indicate that T. cruzi parasites are removed from infected blood not only by mechanical mechanism but also by biological mechanism probably mediated by parasite surface proteins.

Assessment of hydrogen sulfide removal from biogas using a field scale anoxic biotrickling filter.

Hydrogen sulphide is one of the most toxic and corrosive compound present in swine-derived biogas streams.In this study, afield scale biotrickling filter for the removal of hydrogen sulfide was investigated.A Biofilter packed with supporting biofilm materials was fed continuously with a proprietary nutrient solution and operatedfor over 73days. The system has been operating with a H2S inlet concentrations ranging from 1,000to 3,000 ppm.Significant removal efficiencies >95% was demonstrated. pH of the stock feeding solution decreased from 6.2 to as low as 3.5within couple days.The resulting drop in pH provided circumstantial evidence to support biological H2 Soxidation to sulphuric acid by sulfide-oxidizers. Sulfur precipitation was also observed to occur. The results suggested that H2S removal from biogas stream can be efficiently achieved using portable, low cost and maintenance free biotrickling filters.