Sequencing batch reactor technology: the key to a BP refinery (Bulwer Island) upgraded environmental protection system - a low cost lagoon based retro-fit

BP Refinery (Bulwer Island) Ltd (BP) located on the eastern Australian coast is currently undergoing a major expansion as a part of the Queensland Clean Fuels Project. The associated wastewater treatment plant upgrade will provide a better quality of treated effluent than is currently possible with the existing infrastructure, and which will be of a sufficiently high standard to meet not only the requirements of imposed environmental legislation but also BP's environmental objectives. A number of challenges were faced when considering the upgrade, particularly; cost constraints and limited plot space, highly variable wastewater, toxicity issues, and limited available hydraulic head. Sequencing Batch Reactor (SBR) Technology was chosen for the lagoon upgrade based on the following; SBR technology allowed a retro-fit of the existing earthen lagoon without the need for any additional substantial concrete structures, a dual lagoon system allowed partial treatment of wastewaters during construction, SBRs give substantial process flexibility, SBRs have the ability to easily modify process parameters without any physical modifications, and significant cost benefits. This paper presents the background to this application, an outline of laboratory studies carried out on the wastewater and details the full scale design issues and methods for providing a cost effective, efficient treatment system using the existing lagoon system.

Exceptionally high-rate nitrification in sequencing batch reactors treating high ammonia landfill leachate

The nitrogen removal capacity of a suspended culture system treating mature landfill leachate was investigated. Leachate containing high ammonium levels of 300-900 mg N/L was nitrified in a bench scale sequencing batch reactor. Leachate from four different landfills was treated over a two year period for the removal of nitrogen. In this time, a highly specific nitrifying culture was attained that delivered exceptionally high rates of ammonia removal. No sludge was wasted from the system to increase the throughput and up to 13 g/L of MLSS was obtained. Settleability of the purely nitrifying biomass was excellent with SVI less than 40 mL/g, even at the high sludge concentrations. Nitrification rates up to 246 mg NI(L h) (5.91 g N/(L d)) and specific nitrification rates of 36 mg N/(gVSS h) (880 mg N/(gVSS d)) were obtained. The loading to the system at this time allowed complete nitrification of the leachate with a hydraulic retention time of only 5 hours. Following these successful treatability studies, a full-scale plant was designed and built at one of the landfills investigated.

Identification and comparison of aerobic and denitrifying polyphosphate-accumulating organisms

Two laboratory-scale sequencing batch reactors (SBRs) were operated for enhanced biological phosphorus removal (EBPR) in alternating anaerobic-aerobic or alternating anaerobic-anoxic modes, respectively. Polyphosphate-accumulating organisms (PAOs) were enriched in the anaerobic-aerobic SBR and denitrifying PAOs (DPAOs) were enriched in the anaerobic-aerobic SBR. Fluorescence in situ hybridization (FISH) demonstrated that the well-known PAO, Candidatus Accumulibacter phosphatis was abundant in both SBRs, and post-FISH chemical staining with 4,6-diamidino-2-phenylindol (DAPI) confirmed that they accumulated polyphosphate. When the anaerobic-anoxic SBR enriched for DPAOs was converted to anaerobic-aerobic operation, aerobic uptake of phosphorus by the resident microbial community occurred immediately. However, when the anaerobic-aerobic SBR enriched for PAOs was exposed to one cycle with anoxic rather than aerobic conditions, a 5-h lag period elapsed before phosphorus uptake proceeded. This anoxic phosphorus-uptake lag phase was not observed in the subsequent anaerobic-aerobic cycle. These results demonstrate that the PAOs that dominated the anaerobic-aerobic SBR biomass were the same organisms as the DPAOs enriched under anaerobic-anoxic conditions. (C) 2003 Wiley Periodicals, Inc.

Model-based analysis of anaerobic acetate uptake by a mixed culture of polyphosphate-accumulating and glycogen-accumulating organisms

An increasing number of studies shows that the glycogen-accumulating organisms (GAOs) can survive and may indeed proliferate under the alternating anaerobic/aerobic conditions found in EBPR systems, thus forming a strong competitor of the polyphosphate-accumulating organisms (PAOs). Understanding their behaviors in a mixed PAO and GAO culture under various operational conditions is essential for developing operating strategies that disadvantage the growth of this group of unwanted organisms. A model-based data analysis method is developed in this paper for the study of the anaerobic PAO and GAO activities in a mixed PAO and GAO culture. The method primarily makes use of the hydrogen ion production rate and the carbon dioxide transfer rate resulting from the acetate uptake processes by PAOs and GAOs, measured with a recently developed titration and off-gas analysis (TOGA) sensor. The method is demonstrated using the data from a laboratory-scale sequencing batch reactor (SBR) operated under alternating anaerobic and aerobic conditions. The data analysis using the proposed method strongly indicates a coexistence of PAOs and GAOs in the system, which was independently confirmed by fluorescent in situ hybridization (FISH) measurement. The model-based analysis also allowed the identification of the respective acetate uptake rates by PAOs and GAOs, along with a number of kinetic and stoichiometric parameters involved in the PAO and GAO models. The excellent fit between the model predictions and the experimental data not involved in parameter identification shows that the parameter values found are reliable and accurate. It also demonstrates that the current anaerobic PAO and GAO models are able to accurately characterize the PAO/GAO mixed culture obtained in this study. This is of major importance as no pure culture of either PAOs or GAOs has been reported to date, and hence the current PAO and GAO models were developed for the interpretation of experimental results of mixed cultures. The proposed method is readily applicable for detailed investigations of the competition between PAOs and GAOs in enriched cultures. However, the fermentation of organic substrates carried out by ordinary heterotrophs needs to be accounted for when the method is applied to the study of PAO and GAO competition in full-scale sludges. (C) 2003 Wiley Periodicals, Inc.

Simultaneous nitrification, denitrification, and phosphorus removal in a lab-scale sequencing batch reactor

Simultaneous nitrification and denitrification (SND) via the nitrite pathway and anaerobic-anoxic-enhanced biological phosphorus removal (EBPR) are two processes that can significantly reduce the energy and COD demand for nitrogen and phosphorus removal. The combination of these two processes has the potential of achieving simultaneous nitrogen and phosphorus removal with a minimal requirement for COD. A lab-scale sequencing batch reactor (SBR) was operated in alternating anaerobic-aerobic mode with a low dissolved oxygen (DO) concentration (0.5 mg/L) during the aerobic period, and was demonstrated to accomplish nitrification, denitrification, and phosphorus removal. Under anaerobic conditions, COD was taken up and converted to poly-hydroxyalkanoates (PHAs), accompanied by phosphorus release. In the subsequent aerobic stage, PHA was oxidized and phosphorus was taken up to

Online titrimetric and off-gas analysis for examining nitrification processes in wastewater treatment

The two steps of nitrification, namely the oxidation of ammonia to nitrite and nitrite to nitrate, often need to be considered separately in process studies. For a detailed examination, it is desirable to monitor the two-step sequence using online measurements. In this paper, the use of online titrimetric and off-gas analysis (TOGA) methods for the examination of the process is presented. Using the known reaction stoichiometry, combination of the measured signals (rates of hydrogen ion production, oxygen uptake and carbon dioxide transfer) allows the determination of the three key process rates, namely the ammonia consumption rate, the nitrite accumulation rate and the nitrate production rate. Individual reaction rates determined with the TOGA sensor under a number of operation conditions are presented. The rates calculated directly from the measured signals are compared with those obtained from offline liquid sample analysis. Statistical analysis confirms that the results from the two approaches match well. This result could not have been guaranteed using alternative online methods. As a case study, the influences of pH and dissolved oxygen (DO) on nitrite accumulation are tested using the proposed method. It is shown that nitrite accumulation decreased with increasing DO and pH. Possible reasons for these observations are discussed. (C) 2003 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Integrated control of nitrate recirculation and external carbon addition in a predenitrification system

The integrated control of nitrate recirculation and external carbon addition in a predenitrification biological wastewater treatment system is studied. The proposed control structure consists of four feedback control loops, which manipulate the nitrate recirculation and the carbon dosage flows in a highly coordinated manner such that the consumption of external carbon is minimised while the nitrate discharge limits (based on both grab and composite samples) are met. The control system requires the measurement of the nitrate concentrations at the end of both the anoxic and the aerobic zones. Distinct from ordinary control systems, which typically minimise the variation in the controlled variables, the proposed control system essentially maximises the diurnal variation of the effluent nitrate concentration and through this maximises the use of influent COD for denitrification, thus minimising the requirement for external carbon source. Simulation studies using a commonly accepted simulation benchmark show that the controlled system consistently achieves the designated effluent quality with minimum costs.

Efeitos dos ácidos húmicos provenientes de aterro sanitário em plantas

O processo de tratamento biológico dos lixiviados de aterros sanitários resulta na geração de grandes quantidades de lodo, caracterizados por conterem altas taxas de matéria orgânica. Por meio do fracionamento químico da matéria orgânica são obtidos os ácidos húmicos (AH), fração de comprovada eficiência sobre o crescimento vegetal, promovendo melhorias no desenvolvimento das plantas. Este trabalho teve como objetivo caracterizar quimicamente os AH extraídos do lodo de lixiviado de aterro sanitário e avaliar os efeitos da aplicação de diferentes doses dos AH por meio de análises biológicas em plantas, visando minimizar os potenciais riscos da utilização do lodo in natura. Por meio de caracterizações químicas, o ácido húmico apresentou elevados teores de carbono e nitrogênio, podendo constituir uma importante fonte de nutrientes para as plantas. Além disso, foram observadas alterações nas taxas de absorção, na bioconcentração e na translocação de alguns nutrientes. Com relação à análise das enzimas antioxidantes, foi possível observar aumento na atividade de algumas enzimas com a aplicação de diferentes doses de AH. Além disto, foram constatadas alterações citogenéticas por meio da análise de células meristemáticas e F1 de Allium cepa. Influências sobre o crescimento da planta também são reportadas, por meio de aumentos expressivos na área radicular e na altura de Zea mays. Em geral, os dados de crescimento revelaram um maior investimento da planta na parte aérea, provavelmente associado com a melhor eficiência do sistema radicular. Além disso, também foram reportadas alterações na espessura da epiderme. Neste contexto, apesar dos benefícios nutricionais e da comprovada atuação dos AH sobre o metabolismo vegetal, os seus efeitos biológicos sobre enzimas do estresse oxidativo e a sua capacidade citotóxica precisam ser melhor investigados. Devido à complexidade do resíduo, a utilização de análises químicas, genéticas, enzimáticas, fisiológicas e anatômicas foi uma importante ferramenta para a avaliação da possível aplicação dos ácidos húmicos em plantas.

Ácidos húmicos extraídos do lodo de esgoto sanitário e seus efeitos em plantas

O lodo de esgoto possui alto teor de matéria orgânica porém, também estão presentes diferentes poluentes e patógenos. Desta forma, neste trabalho foi extraído ácido húmico (AH) o qual é um composto resultante do fracionamento de substâncias húmicas que compreendem um grupo de compostos de carbono gerados na decomposição de resíduos orgânicos que sofrem ressíntese formando o húmus. O ácido húmico promove diversos benefícios nos vegetais, como crescimento, elongação celular, tolerância a estresses e aumento da permeabilidade da membrana plasmática. Com base nestas características, o presente trabalho teve como objetivo avaliar os efeitos citogenéticos (ensaio Allium cepa), fisiológicos, anatômicos e bioquímicos do ácido húmico do lodo de esgoto sanitário. Foi realizada caracterização elementar do material para a definição das doses. Após 20 dias de tratamento, foram realizadas coletas do material e, posteriormente, analisadas. A caracterização química do AH indicou-o como bom condicionador para culturas apresentando elevadas taxas de C, H e N. Não foi observado efeito de toxicidade, citotoxicidade, genotoxicidade e mutagenicidade do AH. Foi verificado aumento expressivo de todos os pigmentos fotossintéticos vegetais nas concentrações mais altas (2 mM C L-1 e 4 mM C L-1). Houve aumento da expressão da ATPAse em todos os tratamentos e das enzimas do estresse oxidativo (CAT, SOD, APX, GST) em diferentes concentrações. A integração destas análises permitiu concluir que o ácido húmico do lodo de esgoto pode ser utilizado como adubo orgânico, pois foi observado benefícios no vegetal tais como maior crescimento vegetal e aumento da atividade nas enzimas do estresse oxidativo.

Eliminação do Cr(VI) na fase de neutralização de um efluente industrial proveniente de processos de galvanoplastia

A presente tese teve por base a identificação e resolução de um problema existente no tratamento de efluentes provenientes dos processos de tratamento de superfícies por galvanoplastia, na OGMA – Indústria Aeronáutica de Portugal S.A.. Observou-se a ocorrência, esporádica, de crómio hexavalente, (Cr (VI)), em valor superior ao valor limite de emissão (VLE). Os resultados foram monitorizados e os dados recolhidos no decorrer da actividade de tratamento de efluentes, durante o período de, aproximadamente, 5 anos (2006 a 2011). A recolha de resultados decorreu no âmbito da actividade profissional da mestranda, que, para além da responsabilidade técnica dos processos de galvanoplastia na empresa, é também responsável pelo suporte técnico ao processo de tratamento de efluentes resultantes da actividade de tratamento de superficies por processos de galvanoplastia. A empresa OGMA – Indústria Aeronáutica de Portugal S.A., é uma empresa de actividade aeronáutica dedicada à Fabricação e Manutenção de aeronaves, nomeadamente a prestação de serviços de Manutenção, Revisão e Modernização de, Aeronaves, Motores e Componentes, bem como Fabricação e Montagem de Aeroestruturas. Integrada na OGMA, S.A. encontra-se a área de tratamentos electroquímicos, onde são realizados processos de tratamento de materiais metálicos por electrodeposição, deposição química e conversão química. Desta actividade resulta uma quantidade considerável de efluentes líquidos que necessitam de tratamento adequado previamente à sua descarga em cursos de água. Devido ao tipo de contaminantes que estes efluentes possuem, o tratamento dos mesmos é realizado em várias etapas, passando pela oxidação de cianetos, a redução de cromatos e a neutralização. Posteriormente segue-se uma sedimentação e a remoção de lamas. De modo a garantir um controlo dos parâmetros de descarga dos efluentes tratados, de acordo com a legislação ambiental em vigor, o efluente obtido é analisado periodicamente em laboratório acreditado. Na perspectiva de solucionar o problema em questão, procedeu-se à realização de ensaios experimentais utilizando os efluentes provenientes dos tanques de reacção da redução de cromatos e da oxidação de cianetos da linha com cádmio, com especial incidência na variação dos intervalos de pH recomendados para cada uma das fases do tratamento de efluentes, e observação do comportamento das misturas em termos de presença de Cr (VI), quando sujeitos a variações de pH. Após análise dos dados disponíveis e realização de todos os ensaios, conclui-se que, o processo de oxidação de cianeto da linha com cádmio e o processo de redução de cromatos na mesma linha estão a funcionar adequadamente. Concluiu-se que o reaparecimento de Cr (VI) ocorre devido à existência de hipoclorito de sódio, em excesso, no tanque de oxidação de cianeto que, quando passa para o tanque de neutralização e entra em contacto com o efluente proveniente do tanque de redução de cromatos, oxida parte do crómio trivalente, (Cr (III)), existente, a Cr (VI). Para impedir a ocorrência deste fenómeno separou-se todo o efluente contendo crómio que passou a ser tratado na linha de tratamento de efluentes isenta de cádmio, não entrando assim em contacto com o efluente que contém hipoclorito não reagido, evitando a oxidação do Cr (III) a Cr (VI).

Simulação numérica aplicada ao tratamento de efluentes

A existência de estações de tratamentos de águas residuais (ETAR) é, nos dias de hoje, fundamental na medida em que permite, reduzir a poluição ambiental associada às águas e, também, a reutilização da água tratada para diversos fins. A constante necessidade de cumprir os limites de descargas nos meios recetores conduziu a um melhoramento nas técnicas e processos de tratamento de efluentes, nomeadamente, nos processos biológicos. O processo por lamas ativadas é um processo amplamente utilizado para a remoção de poluentes orgânicos presentes nas águas residuais, pelo que um estudo mais intensivo sobre estes tratamentos resultou na publicação de uma série de conceitos e pressupostos, através de modelos numéricos. A modelação numérica de processos de tratamento de águas residuais e a utilização de ferramentas de simulação numérica têm sido largamente utilizadas, a nível mundial, por exemplo em investigação, desenvolvimento de processos, atividade de consultoria e igualmente por entidades reguladoras, na medida em que os auxiliam no planeamento, dimensionamento e análise do comportamento de infraestruturas de tratamento. No presente trabalho, recorreu-se ao software de simulação GPS-X (versão 6.0) para implementar o esquema de tratamento da ETAR de Beirolas. O objetivo deste trabalho é verificar a aplicabilidade de modelos numéricos na simulação de unidades de tratamento de efluentes e avaliar a resposta dos diferentes modelos, assim como a influência na alteração de características das águas afluentes no comportamento dos modelos. Os resultados obtidos permitiram concluir que os modelos numéricos podem ser utilizados para prever a resposta dos sistemas biológicos e as suas perturbações. Conclui-se ainda que o comportamento, dos modelos estudados (ASM1, ASM2d, ASM3 e mantis), é semelhante, contudo deve-se referir que devido à complexidade do modelo e a falta de informação experimental sobre as características do efluente, não permitiram efetuar uma completa caracterização e calibração do caso de estudo, e toda a informação disponível sobre as características físico-químicas da água foram baseadas em estimativas de concentrações de carências de oxigénio e sólidos suspensos.

Estudo do desempenho de betões com incorporação de agregados finos provenientes de resíduos industriais

A crescente preocupação relacionada com a sustentabilidade ambiental e o risco de esgotamento de recursos naturais, tem levado à necessidade de encontrar novos materiais e novas técnicas construtivas. Nesse pressuposto, o presente trabalho tem como principal objetivo avaliar a viabilidade de utilização de resíduos provenientes de indústrias da região (lamas de cal e cinzas de biomassa) em produção de betões que possam vir a ser utilizados na construção civil. Neste sentido, desenvolveu-se uma campanha experimental com o intuito de comparar desempenho de sete tipos diferentes de betões: um de referência e seis com taxas de substituição de 20, 50 e 100% de agregados finos naturais por cinzas de biomassa e lamas de cal. A composição dos diferentes betões foi determinada pelo método de Faury, cumprindo-se as exigências na norma NP EN 206-1. O desempenho dos betões foi avaliado através da análise dos resultados de ensaios sobre o betão fresco (consistência, massa volúmica e teor de ar) e sobre o betão endurecido (massa volúmica, resistência à compressão, resistência à tração por compressão diametral, absorção de água por capilaridade e absorção de água por imersão). No presente trabalho, procedeu-se, também, à realização de ensaios químicos aos betões produzidos (lixiviação). No final do trabalho é feita uma discussão dos resultados experimentais e são evidenciadas as principais conclusões deste estudo.

Selecção do melhor descolorante para a eliminação da cor residual num efluente têxtil

Mestrado em Engenharia Química

Evaluating the efficiency of a vegetal coagulant in the treatment of industrial effluents

The present work aims at evaluating the efficiency of an organic polymer from vegetal source used as coagulant for treating different types of industrial effluents. This coagulant (Flox-QT) is obtained from the Black Acacia (Acacia mearnsii). The effluents studied were produced in petrochemical, leather, cork stoppers, metalworking, olive oil, glue, paint (printing), textile and paper industries. The parameters analyzed in the effluents before and after treatment were selected according to the type of wastewater and included pH, conductivity, apparent colour, turbidity, total suspended solids (TSS), chemical oxygen demand (COD) and some metals. The coagulant proved to be efficient for almost all effluents tested. The best results were obtained for the paper industry wastewater, with 91% removal of chemical oxygen demand and 95% of total suspended solids removal. The estimated cost of this treatment would be only 0.24 Euro per cubic meter of treated effluent, only regarding the price of the coagulant and the required dosage. The use of this coagulant is also adequate for the valorisation of the sludge obtained, which in this case could be recycled for paper production.

Optimização do tratamento de um efluente aquoso resultante da utilização de cola nas máquinas de produção de placas de madeira

O presente trabalho teve como principais objectivos, estudar e optimizar o processo de tratamento do efluente proveniente das máquinas da unidade Cold-press da linha de produção da Empresa Swedwood, caracterizar a solução límpida obtida no tratamento e estudar a sua integração no processo, e por fim caracterizar o resíduo de pasta de cola obtido no tratamento e estudar a possível valorização energética deste resíduo. Após caracterização inicial do efluente e de acordo com os resultados de um estudo prévio solicitado pela Empresa Swedwood a uma empresa externa, decidiu-se iniciar o estudo de tratabilidade do efluente pelo processo físico-químico a coagulação/floculação. No processo de coagulação/floculação estudou-se a aplicabilidade, através de ensaios Jar-test, dos diferentes agentes de coagulação/floculação: a soda cáustica, a cal, o cloreto férrico e o sulfato de alumínio. Os melhores resultados neste processo foram obtidos com a adição de uma dose de cal de 500 mg/Lefluente, seguida da adição de 400 mg/Lefluente de sulfato de alumínio. Contudo, após este tratamento o clarificado obtido não possuía as características necessárias para a sua reintrodução no processo fabril nem para a sua descarga em meio hídrico. Deste modo procedeu-se ao estudo de tratamentos complementares. Nesta segunda fases de estudo testaram-se os seguintes os tratamentos: a oxidação química por Reagente de Fenton, o tratamento biológico por SBR (sequencing batch reactor) e o leito percolador. Da análise dos resultados obtidos nos diferentes tratamentos conclui-se que o tratamento mais eficaz foi o tratamento biológico por SBR com adição de carvão activado. Prevê-se que no final do processo de tratamento o clarificado obtido possa ser descarregado em meio hídrico ou reintroduzido no processo. Como o estudo apenas foi desenvolvido à escala laboratorial, seria útil poder validar os resultados numa escala piloto antes da sua implementação industrial. A partir dos resultados do estudo experimental, procedeu-se ao dimensionamento de uma unidade de tratamento físico-químico e biológico à escala industrial para o tratamento de 20 m3 de efluente produzido na fábrica, numa semana. Dimensionou-se ainda a unidade (leito de secagem) para tratamento das lamas produzidas. Na unidade de tratamento físico-químico (coagulação/floculação) os decantadores estáticos devem possuir o volume útil de 4,8 m3. Sendo necessários semanalmente 36 L da suspensão de cal (Neutrolac 300) e 12,3 L da solução de sulfato de alumínio a 8,3%. Os tanques de armazenamento destes compostos devem possuir 43,2 litros e 96 litros, respectivamente. Nesta unidade estimou-se que são produzidos diariamente 1,4 m3 de lamas. Na unidade de tratamento biológico o reactor biológico deve possuir um volume útil de 6 m3. Para que este processo seja eficaz é necessário fornecer diariamente 2,1 kg de oxigénio. Estima-se que neste processo será necessário efectuar a purga de 325 litros de lamas semanalmente. No final da purga repõe-se o carvão activado, que poderá ser arrastado juntamente com as lamas, adicionando-se 100 mg de carvão por litro de licor misto. De acordo com o volume de lamas produzidos em ambos os tratamentos a área mínima necessária para o leito de secagem é de cerca de 27 m2. A análise económica efectuada mostra que a aquisição do equipamento tem o custo de 22.079,50 euros, o custo dos reagentes necessários neste processo para um ano de funcionamento tem um custo total de 508,50 euros e as necessidades energéticas de 2.008,45 euros.