Utilização de redes neuronais artificiais na gestão de processos de digestão anaeróbia

Numa Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR), a otimização do processo de Digestão Anaeróbia (DA) é fundamental para o aumento da produção de biogás, que por sua vez é convertido em energia, essencial para a rentabilidade de exploração de ETAR. No entanto, a complexidade do processo de Digestão Anaeróbia das lamas constitui um obstáculo à sua otimização. Com este trabalho pretende-se efetuar a análise e tratamento de dados de Digestão Anaeróbia, com recurso a Redes Neuronais Artificiais (RNA), contribuindo, desta forma, para a compreensão do processo e do impacto de algumas variáveis na produção de biogás. As Redes Neuronais Artificiais são modelos matemáticos computacionais inspirados no funcionamento do cérebro humano, com capacidade para entender relações complexas num determinado conjunto de dados, motivo por que se optou pela sua utilização na procura de soluções que permitem predizer o comportamento de uma DA. Para o desenvolvimento das RNA utilizou-se o programa NeuralToolsTM da PalisadeTM. Como caso de estudo, a metodologia foi aplicada ao Digestor A da ETAR Sul da SIMRIA, empresa onde teve lugar o estágio curricular que originou o presente trabalho. Nesse contexto, utilizaram-se dados com informação referente aos últimos dois anos de funcionamento do digestor, disponíveis na empresa. Apesar de se terem verificado certas limitações, na predição em alguns casos particulares, de um modo geral, considera-se que os resultados obtidos permitiram concluir que as redes neuronais modeladas apresentam boa capacidade de generalização na imitação do processo anaeróbio. Conclui-se, portanto, que o estudo realizado pode constituir um contributo com interesse para a otimização da produção do biogás na DA de ETAR Sul da SIMRIA e que a utilização de RNA poderá ser uma ferramenta a explorar, quer nessa área, quer noutras áreas de gestão de sistemas de saneamento básico.

Enantiomeric fraction evaluation of pharmaceuticals in environmentalmatrices by liquid chromatography-tandem mass spectrometry

The interest for environmental fate assessment of chiral pharmaceuticals is increasing and enantioselective analytical methods are mandatory. This study presents an enantioselective analytical method for the quantification of seven pairs of enantiomers of pharmaceuticals and a pair of a metabolite. The selected chiral pharmaceuticals belong to three different therapeutic classes, namely selective serotonin reuptake inhibitors (venlafaxine, fluoxetine and its metabolite norfluoxetine), beta-blockers (alprenolol, bisoprolol, metoprolol, propranolol) and a beta2-adrenergic agonist (salbutamol). The analytical method was based on solid phase extraction followed by liquid chromatography tandem mass spectrometry with a triple quadrupole analyser. Briefly, Oasis® MCX cartridges were used to preconcentrate 250 mL of water samples and the reconstituted extracts were analysed with a Chirobiotic™ V under reversed mode. The effluent of a laboratory-scale aerobic granular sludge sequencing batch reactor (AGS-SBR) was used to validate the method. Linearity (r2 > 0.99), selectivity and sensitivity were achieved in the range of 20–400 ng L−1 for all enantiomers, except for norfluoxetine enantiomers which range covered 30–400 ng L−1. The method detection limits were between 0.65 and 11.5 ng L−1 and the method quantification limits were between 1.98 and 19.7 ng L−1. The identity of all enantiomers was confirmed using two MS/MS transitions and its ion ratios, according to European Commission Decision 2002/657/EC. This method was successfully applied to evaluate effluents of wastewater treatment plants (WWTP) in Portugal. Venlafaxine and fluoxetine were quantified as non-racemic mixtures (enantiomeric fraction ≠ 0.5). The enantioselective validated method was able to monitor chiral pharmaceuticals in WWTP effluents and has potential to assess the enantioselective biodegradation in bioreactors. Further application in environmental matrices as surface and estuarine waters can be exploited.

A Metodologia BIM 4D e BIM 5D aplicada a um caso prático Construção de uma ETAR na Argélia

Mestre em Engenharia Civil – Ramo de Gestão das Construções

Otimização da produção de biogás com recurso a redes neuronais artificiais

Numa Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR), são elevados os custos não só de tratamento das águas residuais como também de manutenção dos equipamentos lá existentes, nesse sentido procura-se utilizar processos capazes de transformar os resíduos em produtos úteis. A Digestão Anaeróbia (DA) é um processo atualmente disponível capaz de contribuir para a redução da poluição ambiental e ao mesmo tempo de valorizar os subprodutos gerados. Durante o processo de DA é produzido um gás, o biogás, que pode ser utilizado como fonte de energia, reduzindo assim a dependência energética da ETAR e a emissão de gases com efeito de estufa para a atmosfera. A otimização do processo de DA das lamas é essencial para o aumento da produção de biogás, mas a complexidade do processo constitui um obstáculo à sua otimização. Neste trabalho, aplicaram-se Redes Neuronais Artificiais (RNA) ao processo de DA de lamas de ETAR. RNA são modelos simplificados inspirados no funcionamento das células neuronais humanas e que adquirem conhecimento através da experiência. Quando a RNA é criada e treinada, produz valores de output aproximadamente corretos para os inputs fornecidos. Foi esse o motivo para recorrer a RNA na otimização da produção de biogás no digestor I da ETAR Norte da SIMRIA, usando o programa NeuralToolsTM da PalisadeTM para desenvolvimento das RNA. Para tal, efetuou-se uma análise e tratamento de dados referentes aos últimos quatro anos de funcionamento do digestor. Os resultados obtidos permitiram concluir que as RNA modeladas apresentam boa capacidade de generalização do processo de DA. Considera-se que este caso de estudo é promissor, fornecendo uma boa base para o desenvolvimento de modelos eventualmente mais gerais de RNA que, aplicado conjuntamente com as características de funcionamento de um digestor e o processo de DA, permitirá otimizar a produção de biogás em ETAR.

Chlorella sp. coagulation‐flocculation by inducing a modification on the pH broth medium

Dissertação apresentada à Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Bioenergia

Otimização do Funcionamento da ETAR das Termas de S. Vicente, Penafiel

A água é um recurso natural único, escasso e essencial a todos os seres vivos, o que a torna um bem de extrema importância. Nos dias de hoje, o desperdício deste bem, aliado ao aumento da sua procura, tornou-se um problema devido à decrescente disponibilidade de água doce no nosso planeta. Todas as águas que rejeitamos depois da sua utilização para diversos fins, designadas de águas residuais, necessitam de tratamento antes de serem devolvidas ao meio ambiente. O seu tratamento é realizado numa Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) e o processo de tratamento depende das suas características. A ETAR das Termas de S. Vicente, em Penafiel, trabalha no seu limite de capacidade, apresenta uma sobrecarga hidráulica gerada por uma afluência de águas pluviais e o processamento das lamas geradas não permite uma secagem tão completa como seria desejável. Assim, este trabalho teve como objetivo o estudo do funcionamento desta ETAR com a finalidade de propor soluções que o possam otimizar. As soluções propostas para otimizar o funcionamento da ETAR em estudo são: i) a substituição de grades de limpeza manual por grades de limpeza automática de forma a reduzir a necessidade da intervenção do operador ao nível da remoção e condicionamento dos gradados; ii) a construção de um desarenador arejado que além de remover areias de diâmetro superior a 0,2 mm promove também a remoção de gorduras, protegendo desta forma os equipamentos a jusante da abrasão/desgaste prematuros e reduzindo a formação de depósitos nas tubagens; iii) a construção de um tanque de equalização de forma a garantir uma distribuição mais uniforme dos caudais e da carga poluente; iv) a substituição do enchimento do leito percolador por um meio de suporte plástico que permite atingir melhores eficiências de remoção neste tratamento biológico; v) a alteração do agente de desinfeção para radiação ultravioleta, evitando a adição de produtos químicos na água residual e possível formação de subprodutos prejudiciais ao ambiente, como ocorreria no caso da cloragem; e vi) a substituição da desidratação de lamas em leitos de secagem por filtros de banda, que é um processo mais rápido, que ocupa menos espaço e permite atingir elevadas eficiências de remoção de humidade. Para cada uma das sugestões são apresentadas as correspondentes especificações técnicas e dimensionamento. As sugestões de melhoria apresentadas neste trabalho constituem uma alternativa mais económica do que a ampliação da ETAR, que genericamente corresponde à duplicação da linha de tratamento atual. Devido à menor complexidade em termos de construção, estas sugestões podem vir a ser implementadas num futuro próximo, prolongando assim um pouco mais a vida útil da ETAR atual.

Impacto Ambiental do Processo de Tingimento de uma Indústria de Curtumes e Avaliação do Desempenho da ETAR

Um dos objetivos desta dissertação de mestrado foi avaliar o impacto ambiental do processo de tingimento usado na indústria de curtumes, em termos de volume de efluente produzido e sua carga poluente. Pretendeu-se também encontrar alternativas ao nível do processo de tingimento que levem a uma melhoria na qualidade do efluente produzido. Outro objetivo deste trabalho foi avaliar o funcionamento da ETAR existente na empresa JR Fontes, no que diz respeito aos parâmetros em estudo (carência química de oxigénio - CQO, pH, crómio e teor de sólidos suspensos totais - SST), propondo alterações que permitam respeitar os valores de emissão exigidos na licença de descarga da empresa. Verificou-se que o processo de tingimento aplicado pela empresa JR Fontes é muito poluente, em termos de carga orgânica e matéria em suspensão. Este facto é comprovado pelos resultados obtidos para os três processos estudados: Montana, Galáctico e Navak. Todos os processos apresentam um efluente com pH ácido (aproximado a 3) e valores de CQO superiores a 3550 mg O2/L, sendo o processo Navak aquele que apresenta o valor mais alto para o banho composto, 8362 mg O2/L. Relativamente ao teor de crómio, o banho de recurtume com concentração mais elevada de crómio total é o banho 1 do processo Navak, com 2297 mg/L, sendo que a concentração destes banhos é sempre elevada, igual ou superior a 746 mg/L. No que diz respeito à matéria em suspensão, o processo Navak é novamente o mais poluente, com um valor de 3842 mg SST/L, não sendo obtidos nos outros processos, valores inferiores a 1205 mg SST/L. Na realização de um processo alternativo de tingimento verificou-se que é possível diminuir a carga orgânica do efluente originado. A aplicação de recurtumes sintéticos deu origem a efluentes menos poluentes. O melhor valor obtido para a CQO foi de 1113 mg O2/L, sendo obtidos valores não superiores a 7185 mg O2/L para processos de características semelhantes aos aplicados nesta indústria. Relativamente à ETAR, apesar das restrições ao funcionamento que esta apresenta, no geral pode ser considerada eficiente, embora não consiga atingir o objetivo pretendido de remoção para a CQO, ou seja o valor de 1100 mg O2/L. Nos restantes parâmetros é cumprido o limite de emissão (350 mg SST/L, pH entre 6 e 9 e 2 mg Cr/L para o crómio total): os SST apresentam o valor de 98 mg SST/L, o crómio total de 1,2 mg Cr/L e o pH encontra-se entre 8 e 9. São aqui feitas duas abordagens para solucionar os problemas existentes na ETAR. A primeira considera um ajuste no tratamento e equipamentos existentes, através da reconstrução do tanque de equalização, da substituição do coagulante por sulfato ferroso e da reconstrução do sedimentador, assim como a substituição das tubagens por umas de maior diâmetro, solucionando assim problemas de manutenção de toda a instalação e do incumprimento da legislação. A outra abordagem implica a substituição do sistema de afinação existente, os filtros de areia e carvão ativados, por um sistema de membranas de ultrafiltração ou por dois filtros de carvão ativado. Para tratar um efluente com um valor de CQO de 3000 mg O2/L com o carvão estudado, seriam necessários 132 kg de carvão por coluna, aproveitando-se os equipamentos existentes. No caso das membranas filtrantes, estas são eficazes, reduzindo a CQO em cerca de 70%. Ao contrário do carvão, a aplicação deste sistema implicaria a aquisição de novos equipamentos. Futuramente propõe-se a avaliação dos vários tipos de reagentes usados no tingimento de couro de forma a aplicar no tratamento aqueles que produzam as características desejadas no produto final e a que apresentem um menor resultado de CQO. Propõe-se também o estudo de viabilidade da remoção de crómio dos banhos de recurtume e consequente avaliação da aplicabilidade de um tratamento biológico em substituição ou como complemento do tratamento existente.

Impacto da infiltração e afluência de águas pluviais na rede de saneamento

A existência de contribuições significativas de águas de infiltração e de águas pluviais nas redes de drenagem de águas residuais urbanas, motivaram a realização deste trabalho. Este estudo foi realizado no sistema de saneamento de Gondomar, utilizando os registos de caudais e qualidade das águas residuais em quatro estações de tratamento de águas residuais, durante quatro anos. O principal objectivo deste trabalho foi estimar as afluências de infiltração e precipitação ao sistema de saneamento e a identificação dos subsistemas críticos. Concluiu-se que a percentagem de volume excedente é cerca de 30% nos anos com maior ocorrência de precipitação. O propósito deste estudo foi também apresentar soluções para este problema, incluindo técnicas de inspecção e reparação dos elementos de drenagem, as quais foram definidas para os subsistemas identificados como críticos, Freixo e Rio Tinto. No Freixo mostrou-se importante a inspecção dos colectores, ramais e câmaras de visita, uma vez que o caudal afluente a este subsistema é muito superior ao esperado e a água residual apresenta-se diluída. Em Rio Tinto evidenciou-se como prioritária a detecção e eliminação de ligações abusivas, dado que são frequentes as ocorrências de exfiltração, com danos significativos. Para além das técnicas de detecção apresentadas considera-se que é necessário manter a monitorização de caudais e recipitação nos subsistemas, e se possível com registo contínuo ao longo do dia. Para a quantificação de precipitação é sugerida a utilização de três udómetros, de forma a permitir estabelecer com maior exactidão, a relação entre as contribuições pluviais e o caudal afluente. São apresentadas propostas, que incluem além de inspecções, ensaios e reparações, como um ponto de partida para a recolha de informação para actualização do adastro, com vista a uma futura aplicação da modelação matemática de previsão do comportamento destes subsistemas.

Full-scale biological phosphorus removal: quantification of storage polymers, microbial performance and metabolic modelling

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

Gestão de Afluências Indevidas em Redes de Águas Residuais Urbanas

As afluências indevidas resultantes direta ou indiretamente da precipitação são um dos principais fatores que provocam graves problemas de carácter ambiental, estrutural e económico, no âmbito de um bom funcionamento dos sistemas separativos de saneamento e tratamento de águas residuais urbanas. Ao longo dos anos, com a expansão do serviço de saneamento à população, tem sido reconhecido que os caudais excedentes às redes de drenagem de águas residuais e estações de tratamento são um problema grave e para isso estão a ser criados critérios cada vez mais exigentes no domínio da gestão e operação destes sistemas de saneamento. Para uma melhor compreensão sobre a incidência das afluências indevidas nos sistemas de saneamento e nas estações de tratamento de águas residuais, é necessário realizar estudos de quantificação e caracterização no sistema de esgotos. Com a necessidade de compreender a plenitude e natureza deste problema, tornou-se necessário desenvolver metodologias com o objetivo de melhorar a eficiência e eficácia hidráulica dos sistemas de drenagem e de tratamento. Este trabalho tem como objetivo a análise quantitativa das afluências indevidas, recorrendo a um caso de estudo de uma bacia de drenagem de águas residuais. Para adquirir mais conhecimento sobre o tema foi necessário recolher várias metodologias existentes de maneira a selecionar, estudar e aplicar o método mais vantajoso. Nesta dissertação, foram utilizados dados disponibilizados pela SIMRIA, no que respeita aos caudais de bombagem da estação elevatória a que afluiu a rede em estudo, e pela INDAQUA Feira, no que respeita aos dados de precipitação.

Redes Neuronais Artificiais na Otimização do Processo de Digestão Anaeróbia - Aplicação a uma ETAR da AdCL

Numa sociedade com elevado consumo energético, a dependência de combustíveis fósseis em evidente diminuição de disponibilidades é um tema cada vez mais preocupante, assim como a poluição atmosférica resultante da sua utilização. Existe, portanto, uma necessidade crescente de recorrer a energias renováveis e promover a otimização e utilização de recursos. A digestão anaeróbia (DA) de lamas é um processo de estabilização de lamas utilizado nas Estações de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) e tem, como produtos finais, a lama digerida e o biogás. Maioritariamente constituído por gás metano, o biogás pode ser utilizado como fonte de energia, reduzindo, deste modo, a dependência energética da ETAR e a emissão de gases com efeito de estufa para a atmosfera. A otimização do processo de DA das lamas é essencial para o aumento da produção de biogás. No presente relatório de estágio, as Redes Neuronais Artificiais (RNA) foram aplicadas ao processo de DA de lamas de ETAR. As RNA são modelos simplificados inspirados no funcionamento das células neuronais humanas e que adquirem conhecimento através da experiência. Quando a RNA é criada e treinada, produz valores de output aproximadamente corretos para os inputs fornecidos. Uma vez que as DA são um processo bastante complexo, a sua otimização apresenta diversas dificuldades. Foi esse o motivo para recorrer a RNA na otimização da produção de biogás nos digestores das ETAR de Espinho e de Ílhavo da AdCL, utilizando o software NeuralToolsTM da PalisadeTM, contribuindo, desta forma, para a compreensão do processo e do impacto de algumas variáveis na produção de biogás.

Investigation of the regulation mechanisms for bioplastics production from industrial residues

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Biotecnologia

Dissolved organic nitrogen behaviour during denitrification with suspended and attached biomass

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente, perfil Engenharia Sanitária

Study on the valorization routes of ashes from thermoelectric power plants working under mono-and co-combustion regimes

Thesis submitted to obtain the Doctoral degree in Energy and Bioenergy

Understanding the microbial ecology and ecophysiology of enhanced biological phosphorus removal processes through metabolic modelling and experimental studies

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