Heavy metals removal in dual media filters

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia do Ambiente – Perfil de Engenharia Sanitária

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.

Projeto de uma ETAR de 3200 habitantes equivalentes

A atividade humana e industrial usa a água para as suas atividades do quotidiano. A água é um recurso natural escasso cuja qualidade deve ser protegida, defendida, gerida e tratada em conformidade com o seu uso. Nesse âmbito, a gestão das águas prossegue objetivos de proteção da saúde humana e de preservação, proteção e melhoria da qualidade do ambiente[1]. Desde o final do seculo XIX até aos dias de hoje, verificou-se uma forte evolução nos sistemas de tratamento de águas residuais. Esta evolução foi fundamental para dar resposta às maiores exigências de qualidade do efluente tratado. O sistema de lamas ativadas é um dos processos de tratamento biológico das águas residuais mais usados em todo o mundo. Este trabalho consiste no desenvolvimento do projeto de conceção e dimensionamento de uma Estação de Tratamento de Águas Residuais (ETAR) para servir um pequeno aglomerado de cerca de 3200 habitantes equivalentes (hab.eq.), tendo como objetivo o dimensionamento de todas as etapas de tratamento necessárias ao cumprimento da legislação em vigor para a descarga das águas residuais urbanas no meio recetor. O Decreto-lei nº 152/97[2], relativo ao tratamento de águas residuais urbanas, juntamente com o Decreto-lei nº 149/2004[3] que identifica as zonas sensíveis e de zonas menos sensíveis, permitem que as entidades licenciadoras definam o grau de tratamento que a instalação deve possuir tendo em consideração a classificação do meio onde o efluente tratado é descarregado. O Decreto-Lei n.º 135/2009[1] estabelece o regime de identificação, gestão, monitorização e classificação da qualidade das águas balneares, impondo a qualidade microbiológica da água residual tratada mediante o meio recetor, e portanto conseguindo-se assim definir o tratamento de desinfeção a adotar. Resumidamente, a conceção do tratamento focou as seguintes etapas: tratamento preliminar formado por uma unidade compacta de tamisação, desarenador e desengordurador, tratamento secundário por lamas ativadas em regime de arejamento prolongado constituído por dois reatores com cerca de 400 m3 de volume seguido de um decantador com um diâmetro de 9.5 m, tratamento terciário de desinfeção composto por uma microtamisação seguido de desinfeção UV, e a utilização das operações comuns de espessamento e desidratação das lamas produzidas em excesso pelo tratamento, constituída por com um espessador gravítico com 4.6 m de diâmetro, e um filtro banda para a desidratação.

Avaliação de funcionamento de duas estações de tratamento de águas residuais do interior de Vila Nova de Gaia

Esta dissertação descreve o trabalho desenvolvido ao longo de um ano e um mês desde a pesquisa teórica até à prática experimental no âmbito da unidade curricular de Dissertação/estágio do Mestrado em Engenharia Química, no ramo Tecnologias em Proteção Ambiental. O tema desta dissertação consiste na avaliação do funcionamento de duas estações de tratamento de águas residuais (ETAR) do interior do município de Vila Nova de Gaia no que diz respeito ao possível aumento da resistência a antibióticos na ETAR de Febros e na ETAR de Lever. Os testes de sensibilidade a antibióticos (TSA) foram executados para ambas as ETAR, sendo as amostras de água recolhidas na entrada e na saída dos reatores biológicos (tratamento secundário). Além disso, foram realizados testes de avaliação da eficiência de desinfeção por radiação ultravioleta (UV) relativamente à Escherichia coli (E. coli) na ETAR de Lever. Os antibióticos selecionados para a realização deste trabalho foram a Eritromicina, a Azitromicina, a Claritromicina, a Ofloxacina, a Ciprofloxacina, o Sulfametoxazol, o Trimetoprim e o Metronidazol. Esta seleção baseou-se no facto de estes serem alguns dos antibióticos mais consumidos e mais persistentes no meio ambiente. A bactéria E. coli (isolada a partir de amostras das águas residuais estudadas) foi escolhida para a realização deste estudo uma vez que está sempre presente nas águas residuais domésticas e está associada a fenómenos de multirresistência a antibióticos. Os testes de TSA foram realizados seguindo a metodologia de difusão por discos. No período do estudo (Março a Junho de 2015) identificaram-se situações quer de aumento de resistência quer de aumento de sensibilidade aos antibióticos testados. As situações mais graves de aumento de resistência, a que corresponderam a halos nulos, verificaram-se para os antibióticos Claritromicina, Trimetoprim e Metronidazol, ocorrendo com maior frequência para os dois últimos, que aliás são fármacos que são administrados em simultâneo. Os períodos mais problemáticos em termos de aumento das resistências foram ligeiramente diferentes nas duas ETAR. No caso da ETAR de Febros correspondeu ao mês Abril e na ETAR de Lever ocorreu entre o final de Abril e o início de Maio. Considera-se que estes períodos poderão coincidir com um aumento do consumo destes fármacos devido à sua utilização no combate a infeções respiratórias muito comuns nesta altura do ano. Não se observou qualquer sensibilidade da E. coli para o Metronidazol porque é um antibiótico com indicação para algumas bactérias anaeróbias, fungos e giardia, e que à partida não tem capacidade para eliminar a E. coli. A eficiência da desinfeção na ETAR de Lever relativamente à remoção de E. coli foi satisfatória. Sendo de salientar a importância da manutenção, no que se refere à identificação de possíveis avarias nas lâmpadas e correspondente limpeza. Os resultados deste trabalho provam a existência de estirpes da bactéria E. coli resistentes a alguns dos antibióticos estudados, o que reforça a importância da desinfeção no tratamento de águas residuais domésticas.

Estações de tratamento de águas residuais: conceitos e dimensionamento

O presente relatório é o corolário do Estágio Curricular que a autora efetuou, durante o segundo semestre do ano letivo de 2014/2015 na SBS – Engenharia Civil, Hidráulica e Ambiente, Lda. Nesta empresa a autora foi integrada na equipa técnica que elaborou um Projeto de Execução para uma Estação de Tratamento de Águas Residuais que irá ser construída em Montemor-o-Novo, tendo-lhe sido atribuídas as seguintes tarefas principais: i) estudo de ferramentas de dimensionamento de ETAR; e ii) estudo dos processos de tratamento de águas residuais a instalar. O tratamento de águas residuais não é matéria que conste do atual Plano de Estudos do Mestrado em Engenharia Civil do ISEP. Este facto, associado à premente necessidade de dar resposta às expectativas da Entidade Acolhedora, obrigou a autora a um esforço de aprendizagem significativo. Nesta fase foi executada uma aprofundada pesquisa bibliográfica que permitiu à autora obter o nível de conhecimentos teóricos necessário para a plena integração na Equipa de Projeto. Já integrada na Equipa de Projeto o primeiro trabalho desenvolvido pela autora foi a análise detalhada do Caderno de Encargos e da respetiva Nota Técnica. Seguidamente a autora participou em todas as fases do Projeto tendo, por isso, colaborado na análise do Estudo Geotécnico, no dimensionamento dos órgãos da ETAR, no cálculo do perfil hidráulico, na definição de formas (plantas e cortes) dos órgãos, na elaboração da Lista de Equipamentos e do Mapa de Quantidades e, por último, na elaboração da Memória Descritiva e Justificativa do Processo de Tratamento e Equipamentos. O Caso Prático incluído no presente documento é, em larga medida, o corolário do processo de aprendizagem de que a autora beneficiou no decorrer do Estágio Curricular. Grande parte das tarefas que a autora executou ao longo da elaboração do projeto relacionaram-se com o dimensionamento dos órgãos da ETAR e com os respetivos cálculos hidráulicos. Os conhecimentos teórico-práticos desta forma adquiridos foram reunidos num conjunto de ferramentas, maioritariamente folhas de cálculo, que se verificou serem úteis nos processos de dimensionamento e de teste de soluções alternativas. É parte integrante deste relatório um capítulo no qual é feita uma detalhada apresentação dos conceitos teóricos subjacentes ao Projeto de ETAR. Este capítulo reflete o estudo que a autora teve necessidade de efetuar antes de se sentir capaz de integrar a Equipa de Projeto.

Micropollutant bioremoval in wastewater treatment systems: from microbial population structure to function

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Biology

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

Modelling of a wastewater treatment plant using GPS-X

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

Evaluation of uv spectrophotometry for estimation of nitrite and nitrate in nitrified urine

Water is a limited resource for which demand is growing. Contaminated water from inadequate wastewater treatment provides one of the greatest health challenges as it restricts development and increases poverty in emerging and developing countries. Therefore, the connection between wastewater and human health is linked to access to sanitation and to human waste disposal. Adequate sanitation is expected to create a barrier between disposed human excreta and sources of drinking water. Different approaches to wastewater management are required for different geographical regions and different stages of economic governance depending on the capacity to manage wastewater. Effective wastewater management can contribute to overcome the challenges of water scarcity. Separate collection of human urine at its source is one promising approach that strongly reduces the economic and load demands on wastewater treatment plants (WWTP). Treatment of source-separated urine appears as a sanitation system that is affordable, produces a valuable fertiliser, reduces pollution of water resources and promotes health. However, the technical realisation of urine separation still faces challenges. Biological hydrolysis of urea causes a strong increase of ammonia and pH. Under these conditions ammonia volatilises which can cause odour problems and significant nitrogen losses. The above problems can be avoided by urine stabilisation. Biological nitrification is a suitable process for stabilisation of urine. Urine is a highly concentrated nutrient solution which can lead to strong inhibition effects during bacterial nitrification. This can further lead to process instabilities. The major cause of instability is accumulation of the inhibitory intermediate compound nitrite, which could lead to process breakdown. Enhanced on-line nitrite monitoring can be applied in biological source-separated urine nitrification reactors as a sustainable and efficient way to improve the reactor performance, avoiding reactor failures and eventual loss of biological activity. Spectrophotometry appears as a promising candidate for the development and application of on-line nitrite monitoring. Spectroscopic methods together with chemometrics are presented in this work as a powerful tool for estimation of nitrite concentrations. Principal component regression (PCR) is applied for the estimation of nitrite concentrations using an immersible UV sensor and off-line spectra acquisition. The effect of particles and the effect of saturation, respectively, on the UV absorbance spectra are investigated. The analysis allows to conclude that (i) saturation has a substantial effect on nitrite estimation; (ii) particles appear to have less impact on nitrite estimation. In addition, improper mixing together with instabilities in the urine nitrification process appears to significantly reduce the performance of the estimation model.

The effect of key process operational conditions on enhanced biological phosphorus removal from wastewater

Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) is the most economic and sustainable option used in wastewater treatment plants (WWTPs) for phosphorus removal. In this process it is important to control the competition between polyphosphate accumulating organisms (PAOs) and glycogen accumulating organisms (GAOs), since EBPR deterioration or failure can be related with the proliferation of GAOs over PAOs. This thesis is focused on the effect of operational conditions (volatile fatty acid (VFA) composition, dissolved oxygen (DO) concentration and organic carbon loading) on PAO and GAO metabolism. The knowledge about the effect of these operational conditions on EBPR metabolism is very important, since they represent key factors that impact WWTPs performance and sustainability. Substrate competition between the anaerobic uptake of acetate and propionate (the main VFAs present in WWTPs) was shown in this work to be a relevant factor affecting PAO metabolism, and a metabolic model was developed that successfully describes this effect. Interestingly, the aerobic metabolism of PAOs was not affected by different VFA compositions, since the aerobic kinetic parameters for phosphorus uptake, polyhydroxyalkanoates (PHAs) degradation and glycogen production were relatively independent of acetate or propionate concentration. This is very relevant for WWTPs, since it will simplify the calibration procedure for metabolic models, facilitating their use for full-scale systems. The DO concentration and aerobic hydraulic retention time (HRT) affected the PAO-GAO competition, where low DO levels or lower aerobic HRT was more favourable for PAOs than GAOs. Indeed, the oxygen affinity coefficient was significantly higher for GAOs than PAOs, showing that PAOs were far superior at scavenging for the often limited oxygen levels in WWTPs. The operation of WWTPs with low aeration is of high importance for full-scale systems, since it decreases the energetic costs and can potentially improve WWTP sustainability. Extended periods of low organic carbon load, which are the most common conditions that exist in full-scale WWTPs, also had an impact on PAO and GAO activity. GAOs exhibited a substantially higher biomass decay rate as compared to PAOs under these conditions, which revealed a higher survival capacity for PAOs, representing an advantage for PAOs in EBPR processes. This superior survival capacity of PAOs under conditions more closely resembling a full-scale environment was linked with their ability to maintain a residual level of PHA reserves for longer than GAOs, providing them with an effective energy source for aerobic maintenance processes. Overall, this work shows that each of these key operational conditions play an important role in the PAO-GAO competition and should be considered in WWTP models in order to improve EBPR processes.

Electrodialytic recovery of phosphorus and organic contaminants removal from sewage sludge

Phosphorus is a macronutrient essential to life which comes from phosphate rock, a non-renewable resource. Sewage sludge from wastewater treatment plants (WWTP) is a secondary resource rich in phosphorus that can be valorized. However, organic compounds are detected in sewage sludge, due to its non-polar and hydrophobic character, being considered an environmental risk. The present dissertation aims to study the efficiency of the electrodialytic process (ED) when applied to sewage sludge aiming phosphorus recovery and organic contaminants removal. Four organic compounds were analyzed: 17α-ethynylestradiol (EE2), bisphenol A (BPA), caffeine (Caf) and oxybenzone (MBPh). The experiments took place in an ED cell with two compartments and an anion exchange membrane, with the sludge in the cathode compartment. The experiments were carried out for three days with spiked sewage sludge (six assays). One control experiment was done without current, three experiments were carried out applying a constant current of 50, 75, and 100 mA and two experiments were carried out applying sequential currents: 50 mA, 75 mA and 100 mA and the opposite (100-75-50 mA). A qualitative and quantitative analysis of microorganisms existing in the samples was also done. At the end, the pH increased in the sewage sludge favoring phosphorus recovery. In terms of phosphorus, the highest recovery was achieved in the experiment run with 100 mA, where 70.3±2.0% of total phosphorus was recovered in the electrolyte. Generally, compounds degradation was favored by the current. Caf and MBPh achieved degradation percentages of 96.2±0.2% and 84.8±1.3%, respectively, in 100 mA assay. EE2 (83.1±1.7%) and BPA (91.8±4.6%) degradations were favored by 50 mA current. A total of 35 taxa from four different groups were identified, totalizing between 81,600-273,000 individuals per gram of initial sludges. After ED, microbial community population decreased between 47-98%. Arcella gibbosa represented 61% of the total observed organisms and revealed to be more tolerant to medium changes.

Removal of organic contaminants from wastewater using the electrodialytic process

Pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) are widely used on a daily basis. After their usage they reach the wastewater treatment plants (WWTPs). These compounds have different physico-chemical characteristics, which makes them difficult to completely remove in the WWTPs, througth conventional treatments. Currently, there is no legislation regarding PPCPs thresholds in effluent discharge. But, even at vestigial concentrations, these compounds enclose environmental risks due to, e.g., endocrine disruption potential. There is a need of alternative techniques for their removal in WWTPs. The main goal of this work was to assess the use of electrodialytic (ED) process to remove PPCPs from the effluent to be discharged. A two-compartment ED cell was used testing (i) the effluent position in the cell (anode and cathode compartment); (ii) the use of anion (AEM) and cation exchange membrane (CEM); (iii) the treatment period (6, 12 and 24 hours); (iv) effluent recirculation and current steps; (v) the feasibility of sequential treatments. Phosphorus (P) removal from effluent and energetic costs associated to the process were also evaluated. Five PPCPs were studied – caffeine (CAF), bisphenol A (BPA), 17 β-estradiol (E2), ethinyl estradiol (EE2) and oxybenzone (MBPh). The ED process showed to be effective in the removal when effluent is in the anode compartment. Oxidation is suggested to be the main removal process, which was between 88 and 96%, for all the compounds, in 6 hours. Nevertheless, the presence of intermediates and/or by-products was also observed in some cases. Effluent recirculation should have a retention time in the ED cell big enough to promote removal whereas the current steps (effluent in anode compartment) slightly increased removal efficiencies (higher than 80% for all PPCPs). The sequential set of ED treatment (effluent in anode compartment) showed to be effective during both periods with a removal percentage between 80 and 95% and 73 to 88% in the case of AEM and CEM, respectively. Again, the main removal process is strongly suggested to be oxidation in the anode compartment. However, there was an increase of BOD5 and COD, which might be explained by effluent spiking, these parameters limiting the effluent discharge. From these treatments, the use of AEM, enhanced the P removal from effluent to minimize risk of eutrophication. Energetic costs of the best set-up (6 hours) are approximately 0,8€/m3 of wastewater, a value considered low, attending to the prices of other treatment processes.

Caracterização do microbioma e dos perfis de resistência nos afluentes e efluentes de ETAR

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Engenharia Clínica)

Classificação e organização de objetos BIM e sua aplicação em modelos 4D&5D

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Civil

Characterization of microbial populations in a wastewater treatment plant focusing on Staphylococcus aureus and Pseudomonas aeruginosa

Dissertação de mestrado em Bioengenharia