Investigation of the regulation mechanisms for bioplastics production from industrial residues

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Microbiology of membrane bioreactors for wastewater treatment: a molecular approach

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Engineering and Technology Sciences, Biotechnology.

Modelling of a wastewater treatment plant using GPS-X

Dissertation to obtain the degree of Master in Chemical and Biochemical Engineering

Polyphosphate Accumulation by Marine Bacteria

Phosphate (Pi) is one among the most important essential residues in maintenance and inheritance of life, with far diverse physiological role as structural, functional and energy transduction. Phosphate accumulation in wastewaters containing run off of fertilizers and industrial discharges is a global problem that results in algal blooms in bays, lakes and waterways. Currently available methods for removing phosphates from wastewater are based primarily on polyP accumulation by the activated sludge bacteria. PolyP plays a critical role in several environmental and biotechnological problems. Possible relation of interaction between polyP accumulation phenomenon, the low biomass, low Pi uptake, and varying results obtained in response to the impact of sodium chloride, pH, temperature, various inorganic salts and additional carbon sources studied, are all intriguing observations in the present investigation. The results of the present study have evidenced very clearly the scope for potential strains of bacteria from both sea water and marine sediments which could be exploited both for Pi removal in wastewater released by industries and intensive aquaculture practices in to the aquatic environment as well as to harness the potential strains for industrial production of polyP which was wide range of applications.

Anàlisi comparativa dels processos emergents sharon i anammox per al tractament d’aigües amb una alta càrrega de nitrogen

Estudi de tractaments innovadors en aigües residuals amb elevada concentració de nitrogen mitjançant la tecnologia ANAMMOX (Anaerobic Ammonium Oxidation) i SHARON i posterior anàlisi teòrica de la gestió dels fangs residuals d’una EDAR

Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

La implementació de la Directiva Europea 91/271/CEE referent a tractament d'aigües residuals urbanes va promoure la construcció de noves instal·lacions al mateix temps que la introducció de noves tecnologies per tractar nutrients en àrees designades com a sensibles. Tant el disseny d'aquestes noves infraestructures com el redisseny de les ja existents es va portar a terme a partir d'aproximacions basades fonamentalment en objectius econòmics degut a la necessitat d'acabar les obres en un període de temps relativament curt. Aquests estudis estaven basats en coneixement heurístic o correlacions numèriques provinents de models determinístics simplificats. Així doncs, moltes de les estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) resultants van estar caracteritzades per una manca de robustesa i flexibilitat, poca controlabilitat, amb freqüents problemes microbiològics de separació de sòlids en el decantador secundari, elevats costos d'operació i eliminació parcial de nutrients allunyant-les de l'òptim de funcionament. Molts d'aquestes problemes van sorgir degut a un disseny inadequat, de manera que la comunitat científica es va adonar de la importància de les etapes inicials de disseny conceptual. Precisament per aquesta raó, els mètodes tradicionals de disseny han d'evolucionar cap a sistemes d'avaluació mes complexos, que tinguin en compte múltiples objectius, assegurant així un millor funcionament de la planta. Tot i la importància del disseny conceptual tenint en compte múltiples objectius, encara hi ha un buit important en la literatura científica tractant aquest camp d'investigació. L'objectiu que persegueix aquesta tesi és el de desenvolupar un mètode de disseny conceptual d'EDARs considerant múltiples objectius, de manera que serveixi d'eina de suport a la presa de decisions al seleccionar la millor alternativa entre diferents opcions de disseny. Aquest treball de recerca contribueix amb un mètode de disseny modular i evolutiu que combina diferent tècniques com: el procés de decisió jeràrquic, anàlisi multicriteri, optimació preliminar multiobjectiu basada en anàlisi de sensibilitat, tècniques d'extracció de coneixement i mineria de dades, anàlisi multivariant i anàlisi d'incertesa a partir de simulacions de Monte Carlo. Això s'ha aconseguit subdividint el mètode de disseny desenvolupat en aquesta tesis en quatre blocs principals: (1) generació jeràrquica i anàlisi multicriteri d'alternatives, (2) anàlisi de decisions crítiques, (3) anàlisi multivariant i (4) anàlisi d'incertesa. El primer dels blocs combina un procés de decisió jeràrquic amb anàlisi multicriteri. El procés de decisió jeràrquic subdivideix el disseny conceptual en una sèrie de qüestions mes fàcilment analitzables i avaluables mentre que l'anàlisi multicriteri permet la consideració de diferent objectius al mateix temps. D'aquesta manera es redueix el nombre d'alternatives a avaluar i fa que el futur disseny i operació de la planta estigui influenciat per aspectes ambientals, econòmics, tècnics i legals. Finalment aquest bloc inclou una anàlisi de sensibilitat dels pesos que proporciona informació de com varien les diferents alternatives al mateix temps que canvia la importància relativa del objectius de disseny. El segon bloc engloba tècniques d'anàlisi de sensibilitat, optimització preliminar multiobjectiu i extracció de coneixement per donar suport al disseny conceptual d'EDAR, seleccionant la millor alternativa un cop s'han identificat decisions crítiques. Les decisions crítiques són aquelles en les que s'ha de seleccionar entre alternatives que compleixen de forma similar els objectius de disseny però amb diferents implicacions pel que respecte a la futura estructura i operació de la planta. Aquest tipus d'anàlisi proporciona una visió més àmplia de l'espai de disseny i permet identificar direccions desitjables (o indesitjables) cap on el procés de disseny pot derivar. El tercer bloc de la tesi proporciona l'anàlisi multivariant de les matrius multicriteri obtingudes durant l'avaluació de les alternatives de disseny. Específicament, les tècniques utilitzades en aquest treball de recerca engloben: 1) anàlisi de conglomerats, 2) anàlisi de components principals/anàlisi factorial i 3) anàlisi discriminant. Com a resultat és possible un millor accés a les dades per realitzar la selecció de les alternatives, proporcionant més informació per a una avaluació mes efectiva, i finalment incrementant el coneixement del procés d'avaluació de les alternatives de disseny generades. En el quart i últim bloc desenvolupat en aquesta tesi, les diferents alternatives de disseny són avaluades amb incertesa. L'objectiu d'aquest bloc és el d'estudiar el canvi en la presa de decisions quan una alternativa és avaluada incloent o no incertesa en els paràmetres dels models que descriuen el seu comportament. La incertesa en el paràmetres del model s'introdueix a partir de funcions de probabilitat. Desprès es porten a terme simulacions Monte Carlo, on d'aquestes distribucions se n'extrauen números aleatoris que es subsisteixen pels paràmetres del model i permeten estudiar com la incertesa es propaga a través del model. Així és possible analitzar la variació en l'acompliment global dels objectius de disseny per a cada una de les alternatives, quines són les contribucions en aquesta variació que hi tenen els aspectes ambientals, legals, econòmics i tècnics, i finalment el canvi en la selecció d'alternatives quan hi ha una variació de la importància relativa dels objectius de disseny. En comparació amb les aproximacions tradicionals de disseny, el mètode desenvolupat en aquesta tesi adreça problemes de disseny/redisseny tenint en compte múltiples objectius i múltiples criteris. Al mateix temps, el procés de presa de decisions mostra de forma objectiva, transparent i sistemàtica el perquè una alternativa és seleccionada en front de les altres, proporcionant l'opció que més bé acompleix els objectius marcats, mostrant els punts forts i febles, les principals correlacions entre objectius i alternatives, i finalment tenint en compte la possible incertesa inherent en els paràmetres del model que es fan servir durant les anàlisis. Les possibilitats del mètode desenvolupat es demostren en aquesta tesi a partir de diferents casos d'estudi: selecció del tipus d'eliminació biològica de nitrogen (cas d'estudi # 1), optimització d'una estratègia de control (cas d'estudi # 2), redisseny d'una planta per aconseguir eliminació simultània de carboni, nitrogen i fòsfor (cas d'estudi # 3) i finalment anàlisi d'estratègies control a nivell de planta (casos d'estudi # 4 i # 5).

Control basat en lògica difusa per sistemes de fangs activats. Disseny, implementació i validació en EDAR reals

En aquesta tesi es presenten dues propostes de Sistemes de Control basats en Lògica Difusa (SCLD), des del seu disseny fins a la seva implementació i validació en dues instal·lacions: l'EDAR Granollers i l'EDAR Taradell. El capítol 1 explica els conceptes bàsics per comprendre el desenvolupament dels dos SCLD i el resum d'una revisió d'articles que relacionen la lògica difusa amb aigües residuals. A continuació, s'estableixen els objectius. En el capítol 3 es presenten els materials i mètodes. Els capítols 4 i 5 exposen el treball realitzat per arribar a la implementació dels dos SCLD. Ambdós capítols presenten la mateixa estructura: presentació, definició dels objectius del SCLD, descripció de l'EDAR on s'implementa el SCLD, desenvolupament d'índexs d'avaluació, explicació del disseny del SCLD i la seva avaluació mitjançant estudis de simulació, implementació i validació del SCLD a l'EDAR i, finalment discussió del treball realitzat. En el capítol 6 s'enumeren les conclusions obtingudes.

Multivariate analysis of phenol mineralisation by combined hydrodynamic cavitation and heterogeneous advanced Fenton processing

Phenolic compounds in wastewaters are difficult to treat using the conventional biological techniques such as activated sludge processes because of their bio-toxic and recalcitrant properties and the high volumes released from various chemical, pharmaceutical and other industries. In the current work, a modified heterogeneous advanced Fenton process (AFP) is presented as a novel methodology for the treatment of phenolic wastewater. The modified AFP, which is a combination of hydrodynamic cavitation generated using a liquid whistle reactor and the AFP is a promising technology for wastewaters containing high organic content. The presence of hydrodynamic cavitation in the treatment scheme intensifies the Fenton process by generation of additional free radicals. Also, the turbulence produced during the hydrodynamic cavitation process increases the mass transfer rates as well as providing better contact between the pseudo-catalyst surfaces and the reactants. A multivariate design of experiments has been used to ascertain the influence of hydrogen peroxide dosage and iron catalyst loadings on the oxidation performance of the modified AFP. High er TOC removal rates were achieved with increased concentrations of hydrogen peroxide. In contrast, the effect of catalyst loadings was less important on the TOC removal rate under conditions used in this work although there is an optimum value of this parameter. The concentration of iron species in the reaction solution was measured at 105 min and its relationship with the catalyst loadings and hydrogen peroxide level is presented.

Chlorination treatment of aqueous samples reduces, but does not eliminate, the mutagenic effect of the azo dyes Disperse Red 1, Disperse Red 13 and Disperse Orange 1

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

A compostagem como processo catalisador para a reutilização dos resídues de fábrica de celulose e papel

Recognizing the great potential of this residue to increase the eucalyptus forests produtivity - when used in its humidified form - the main objective of this project was to decompose the solid residues generated at Luiz Antonio mill, in a fast and artificial way, by means of piles or ridges of composted materials. The materials used in this composting process were: activated sludge, dregs and grits, wood ash and biomass. Applications of both phosphorus and potassium have been used during the planting phase. Nitrogen, in the form of urea, has been applied in two treatments with the main purpose to decrease the C/N ratio and to speed up the decomposition process. The experiment was carried out in 120 days. The best results were obtained in residue piles with a 3:1 ratio, i.e., 75% residues + 25% biomass. This mixture provided an extremely good aeration, thus enabling an appropriate material mixing and homogenization. Under the technological viewpoint, the results obtained from the composting process were quite satisfactory for VCP industrial residues treatment. This composting process enabled a material accelerated stabilization (lower C/N ratio) and homogenization. After this experiment, it became possible to use all residues just as they were generated by Luiz Antônio pulp and paper mill. This project is of the utmost relevance to VCP's forestry department as far as a significant amount of nutrients is getting back to the soil in the form of mineral and organic materials.

Aplicabilidad del proceso de nitritación/desnitritación en el tratamiento de lixiviado de relleno sanitario

The biological nitritation/denitritation process in the removal of organic matter and nitrogen in a landfill leachate was studied, using an activated sludge sequencing batch reactor. Treatment cycles were formed by an anoxic and an aerobic phases, in which the conditions for oxidation of the influent N load and the prevalence of nitrite concentration at the end of aerobic treatment cycles were determined, as well as the use of organic matter present in the leachate as a carbon source for denitrifying organisms in the anoxic stage. The removal efficiencies of N-NO 2-at the end of the anoxic process (48h) ranged between 14 and 30%, indicating low availability of biodegradable organic matter in the leachate. As for the accumulation of N-NO 2-at the end of the aerobic phase (48h) of treatment cycles, imbalances were not observed, while 100% removal efficiencies of N and specific nitritation rates from 0.095 to 0.158kgN-NH 3/kgSSV per day were recorded, demonstrating the applicability of simplified nitrification in the treatment of effluents with low C/N ratios.

Influência da paralisação escalonada da aeração na eficiência do tratamento aeróbio na manipueira em batelada

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Projeto de um controlador Fuzzy Takagi-Sugeno para uma estação de tratamento de esgoto por lodos ativados

Este trabalho propõe o projeto de um controlador Fuzzy do tipo Takagi-Sugeno em uma estação de tratamento de esgoto por lodos ativados. Este tipo de tratamento ocorre na presença de oxigênio, pois microorganismos aeróbios presentes no licor misto irão proporcionar a remoção tanto da matéria carbonácea quanto nutrientes formados por compostos à base de nitrogênio. O controlador atua via mecanismo de aeração e foi projetado para interpolar os ganhos proporcionais e integrativos de três controladores fixos locais que, por sua vez, foram projetados a partir da linearização de um modelo contínuo de balanço de massa de oxigênio. O controlador auxiliará manter a concentração de oxigênio dissolvido desejável na faixa de operação do processo para que ocorra a nitrificação, reação química de oxiredução que transforma amônio em nitrito, que é fundamental para o sucesso do processo, e poderá também economizar energia elétrica utilizada pelo mecanismo de aeração. Os ensaios foram realizados via simulação computacional em quatro cenários idealizados comparando o desempenho do controlador fuzzy e o desempenho de um controlador fixo projetado em um ponto de operação diferente do qual se utilizou como valor de referência na planta. Ao aplicar um degrau no valor de referência estabelecido no cenário de análise, observou-se o tempo de subida, o tempo de acomodação e o erro em regime. Após os ensaios, observou-se que o desempenho do controlador fuzzy nos quesitos tempo de subida e tempo de acomodação em relação ao controlador fixo foi melhor, enquanto nos quesitos sobressinal e erro em regime foi semelhante. Após as análises, concluiu-se que a estratégia de controle escolhida neste trabalho é viável, pois de acordo com o valor auferido de oxigênio dissolvido na entrada da planta, o controlador fuzzy irá interpolar os ganhos proporcionais e integrativos de um controlador fixo projetado na vizinhança deste valor e assim, atuar de forma bastante satisfatória.

Resíduos de indústria de celulose e papel na fertilidade do solo e no desenvolvimento de eucalipto

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)