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.

Comportamento do reator seqüencial em batelada (RSB) sob estado estacionário dinâmico utilizando idade do lodo como parâmetro de controle operacional

O reator seqüencial em batelada (RSB) é uma variante de lodos ativados capaz de promover a remoção da matéria orgânica, a remoção dos nutrientes e a separação da fase sólida da líquida em uma unidade. A valorização das áreas urbanas, a carência de tratamento terciário e a crescente necessidade de redução nas dimensões de estações de tratamento de esgoto devem impulsionar o desenvolvimento de pesquisas sobre RSB em curto espaço de tempo. A partir deste cenário, o presente trabalho teve como objetivo modelar o comportamento do reator seqüencial em batelada a partir da teoria desenvolvida por Marais e colaboradores. Dentro deste contexto, a cinética de oxidação dos compostos orgânicos e do nitrogênio na forma amoniacal foi descrita e modelada. O trabalho experimental foi realizado em duas escalas: bancada e piloto. O experimento em escala de bancada foi dividido em duas fases. Foram utilizados dois RSBs e um sistema de fluxo contínuo. Um reator seqüencial em batelada (RSB1) foi operado com idade de lodo. O outro reator em batelada (RSB2) foi operado em função da relação F/M e o sistema de fluxo contínuo (FC1) por idade de lodo. Estes reatores foram utilizados como controle no monitoramento do RSB1 Na primeira fase, os três sistemas removeram apenas matéria orgânica. Na fase seguinte, removeram matéria orgânica e nitrogênio. A partir dos resultados obtidos em escala de bancada, foi possível concluir que o modelo desenvolvido pode ser aplicado ao reator seqüencial em batelada operando com idade de lodo, permitindo determinar a qualidade do efluente, a produção de lodo e o consumo de oxidante. Além disso, foi possível descrever o comportamento da taxa de consumo de oxigênio em função da oxidação da matéria orgânica biodegradável e da oxidação do nitrogênio na forma amoniacal. O reator seqüencial em batelada operado com idade de lodo (RSB1) alcançou remoção média de matéria orgânica de 90 % nas idades de lodo de 30, 20, 10 e 5 dias. A remoção média de nitrogênio mais elevada foi obtida na idade de lodo de 20 dias e atingiu 87 %. Nas demais idades de lodo a remoção média de nitrogênio variou entre 79 e 42 %. A modelagem do comportamento do reator seqüencial em batelada resultou numa proposta de metodologia para o dimensionamento que tem como finalidade abolir critérios obsoletos e inadequados para o dimensionamento de lodos ativados em batelada No experimento em escala piloto, foram utilizados um reator seqüencial em batelada, denominado RSB, e um sistema de fluxo contínuo com a configuração Bardenpho, denominado FC. Os sistemas de lodos ativados sob investigação foram monitorados em duas idades de lodo: 30 e 10 dias. Os dados do experimento em escala piloto mostraram que os processos físico-químicos e biológicos envolvidos na remoção de matéria orgânica e nitrogênio no RSB foram mais eficientes do que no Bardenpho quando trataram o mesmo esgoto doméstico e foram submetidos às mesmas condições operacionais. No RSB, obteve-se 88 e 89 % de remoção de matéria orgânica nas idades de lodo de 10 e 30 dias, respectivamente. Nesta seqüência das idades de lodo, a eficiência do Bardenpho caiu de 87 para 76 %. O sistema de fluxo contínuo removeu 66 e 52 % do nitrogênio total afluente nas idades de lodo de 10 e 30 dias, respectivamente. A eficiência do RSB na remoção de nitrogênio foi determinada apenas na idade de lodo de 10 dias e alcançou 69 %. A partir dos resultados obtidos em escala de bancada e piloto, constata-se que o reator seqüencial em batelada operando com idade de lodo pode ser utilizado no tratamento de esgoto doméstico e obter eficiência na remoção de matéria orgânica e nitrogênio igual ou superior ao sistema de fluxo contínuo.

Eficiência de uma ETE em escala real composta por reator UASB seguido de lodo ativado

In the state of Rio Grande do Norte (RN), Brazil, there are about 80 sewage treatment systems being the predominant technology waste stabilization ponds. The Baldo s WWTP , due to its location and low availability of area, was designed as a hybrid conventional system (UASB reactor followed by activated sludge with biodiscs) at a tertiary level, being the most advanced WWTP in the State and also with the larger treatment capacity (1620 m3/h) .The paper presents the results of its performance based on samples collections from May to December 2012. Composite samples of the effluent of the grit chamber, UASB reactors, anoxic chambers, aeration tanks and treated effluent were collected weekly, every 4 hours for 24 hours. The results showed that the WWTP effluent presented adequate ranges of temperatures, pH and DO, however removal efficiencies of BOD and TSS were below the predicted by design. The UASB reactors also showed removals of BOD and TSS less than expected, due to the accumulation of sludge in the reactors, which eventually, was washed out in the effluent. The nitrification process was not satisfactory mainly due to problems in the oxygen distribution in the aeration tanks. The removal of ammonia and TKN were high, probably by the assimilation process

Avaliação da remoção de matéria orgânica carbonácea e nitrogenada de águas residuárias em biorreator de membranas

O presente trabalho objetivou a avaliação da remoção de matéria orgânica carbonácea e nitrogenada, bem como a determinação do fluxo crítico, em biorreator de membranas, com zona pré-anóxica, tratando águas residuárias industriais da produção de aminoácidos. O reator foi operado sob carga orgânica volumétrica de 1,91 kg.DQO.m-3.d-1 e 0,18 kg.NTK.m-3.d-1; a recirculação do reator aeróbio para o reator anóxico foi de quatro vezes a vazão afluente. O reator apresentou médias de remoção de DQO, NTK e NT de 97, 98 e 92%, respectivamente. O sistema de ultrafiltração foi testado em vários fluxos entre 25 e 37 L.m-2.h-1 e determinou-se o fluxo crítico de 28 L.m-2.h-1 quando operado com 11,4 g.L-1 de SST e 35 dias de tempo de retenção celular. Os resultados mostraram que houve viabilidade técnica no uso de biorreator de membranas para remoção de matéria orgânica de águas residuárias industriais da produção de aminoácidos.

Tratamento de efluente de abatedouro de tilápia com adição de manipueira na fase anóxica

O objetivo deste trabalho foi avaliar a desnitrificação de efluente de abatedouro de tilápia, em reator em batelada. Para isto, foi avaliado o efluente gerado por uma indústria processadora de mandioca (manipueira) como fonte de carbono. Também foram avaliadas as condições de agitação do sistema. Os experimentos foram conduzidos em escala de laboratório, em que foram testados cinco níveis de agitação (20; 32; 60; 88 e 100 rpm) e cinco níveis de relação DQO/N (0,1; 1,0; 3,2; 5,4 e 6,3), configurando-se um planejamento do tipo Delineamento Composto Central Rotacional (DCCR), com quatro ensaios nos níveis +1 e - 1; quatro ensaios nos níveis dos pontos axiais (-1,414 e +1,414) e mais uma triplicata no ponto central (0), totalizando 11 ensaios. Avaliaram-se o desempenho da desnitrificação através da remoção de nitrato (%) e a remoção de nitrito (%). Durante o processo, também foram monitorados temperatura (ºC), pH e alcalinidade (mgCaCO3.L-1). Os resultados mostraram que a relação DQO/N teve influência significativa, com intervalo de confiança de 95%, sobre o processo de remoção de nitrato e nitrito, com faixa ótima de operação entre 3,2 e 5,4, cujas eficiências de remoção de nitrogênio foram de 100%.

Efficiency of aquatic macrophytes to treat Nile tilapia pond effluents

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

Avaliação da remoção de matéria orgânica carbonácea e nitrogenada de águas residuárias utilizando biorreator de membranas

Pós-graduação em Engenharia Civil - FEIS

Remoção de nitrogênio de água residuária de produção intensiva de tilápias com recirculação utilizando reator de leito fluidizado com circulação em tubos concêntricos

Pós-graduação em Engenharia Civil - FEIS

Tratamento de águas residuárias por alagados construídos de fluxo subsuperficial horizontal, utilizando Vetiver (Chrysopogon zizanoides L.): avaliação e desempenho de três leitos distintos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Nutrient and phytoplankton biomass in the Amazon River shelf waters

O estuário do rio Amazonas é notável na Plataforma Continental do Amazonas, onde a presença das águas fluviais foi detectada, mesmo durante o período da diminuição da descarga desse rio, pelos baixos valores de salinidade e altos valores de nutrientes. Contudo, a presença das águas oceânicas também foi marcante. Em relação às fases do ciclo do nitrogênio, o nitrogênio orgânico dissolvido foi a forma predominante, seguido do nitrogênio total particulado, nitrato, amônia e nitrito. Os dados de clorofila a indicaram uma área eutrófica onde há nitrogênio embora os valores da anomalia do nitrogênio inorgânico dissolvido tenham mostrado que ocorre maior remoção do que adição dessa forma nitrogenada na área em estudo. Os resultados das simulações com o modelo bidimensional MAAC-2D confirmaram que as águas ricas em nutrientes são deslocadas para noroeste (dois núcleos em 2,5°N-50°W e 4°N-51°W), pela ação de uma CNB mais forte durante o período de decaimento da vazão dos rios. No período de vazão máxima, estas lentes de águas ricas de nutrientes distribuem-se próximo de 0,5°N-48,5°W, bem como ao longo da plataforma Amazônica rasa (20m-50m profundidade, 1°N-3,5°N), como resultado do espalhamento da água doce de origem continental.

Nova configuração de um reator compartimentado anaeróbio/aeróbio para o tratamento de esgoto sanitário de baixa carga

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Uso de reator aeróbio de leito fluidizado com circulação como dispositivo de pós-tratamento do efluente de um reator uasb compartimentado tratando esgotos sanitários

Pós-graduação em Engenharia Civil - FEIS

Treatment of Domestic Sewage in an Anaerobic-Aerobic Fixed-bed Reactor with Recirculation of the Liquid Phase

This study reports the performance of a combined anaerobic-aerobic packed-bed reactor that can be used to treat domestic sewage. Initially, a bench-scale reactor was operated in three experimental phases. In the first phase, the anaerobic reactor was operated with an average organic matter removal efficiency of 77% for a hydraulic retention time (HRT) of 10 h. In the second phase, the reactor was operated with an anaerobic stage followed by an aerobic zone, resulting in a mean value of 91% efficiency. In the third and final phase, the anaerobic-aerobic reactor was operated with recirculation of the effluent of the reactor through the anaerobic zone. The system yielded mean total nitrogen removal percentages of 65 and 75% for recycle ratios (r) of 0.5 and 1.5, respectively, and the chemical oxygen demand (COD) removal efficiencies were higher than 90%. When the pilot-scale reactor was operated with an HRT of 12 h and r values of 1.5 and 3.0, its performance was similar to that observed in the bench-scale unit (92% COD removal for r = 3.0). However, the nitrogen removal was lower (55% N removal for r = 3.0) due to problems with the hydrodynamics in the aerobic zone. The anaerobic-aerobic fixed-bed reactor with recirculation of the liquid phase allows for concomitant carbon and nitrogen removal without adding an exogenous source of electron donors and without requiring any additional alkalinity supplementation.

Effects of increased CO2 levels on growth, photosynthesis, ammonium uptake and cell composition in the macroalga Hypnea spinella (Gigartinales, Rhodophyta)

[EN] The red seaweed Hypnea spinella (Gigartinales, Rhodophyta), was cultured at laboratory scale under three different CO2 conditions, non-enriched air (360 ppm CO2)and CO2-enriched air at two final concentrations (750 and 1,600 ppm CO2), in order to evaluate the influence of increased CO2 concentrations on growth, photosynthetic capacity, nitrogen removal efficiency, and chemical cellular composition. Average specific growth rates of H. spinella treated with 750 and 1,600 ppm CO2-enriched air increased by 85.6% and 63.2% compared with non-enriched air cultures. CO2 reduction percentages close to 12% were measured at 750 ppm CO2 with respect to 5% and 7% for cultures treated with air and 1,600 ppm CO2, respectively. Maximum photosynthetic rates were enhanced significantly for high CO2 treatments, showing Pmax values 1.5-fold higher than that for air-treated cultures. N–NH4+ consumption rates were also faster for algae growing at 750 and 1,600 ppm CO2 than that for non-enriched air cultures. As a consequence of these experimental conditions, soluble carbohydrates increased and soluble protein contents decreased in algae treated with CO2-enriched air. However, internal C and N contents remained constant at the different CO2 concentrations. No significant differences in data obtained with both elevated CO2 treatments, under the assayed conditions, indicate that H. spinella is saturated at dissolved inorganic carbon concentrations close by twice the actual atmospheric levels. The results show that increased CO2 concentrations might be considered a key factor in order to improve intensively cultured H. spinella production yields and carbon and nitrogen bioremediation efficiencies.

Estudio de la influencia de la relación C/N en la desnitrificación y metanogénesis de aguas residuales en un reactor anaeróbico de lecho fluidizado inverso

La nitrificación-desnitrificación es el proceso biológico tradicional para la remoción de nitrógeno de las aguas residuales (Ruiz G. et al., 2006a), siendo fundamental ya que contribuye a controlar la eutroficación de los cuerpos receptores. Debido al deterioro que sobre la disponibilidad de los recursos han ejercido las actividades antropogénicas, es necesario orientar el tratamiento de las aguas residuales hacia tecnologías que ofrezcan el mayor grado de sustentabilidad, planteando innovaciones en el tratamiento. El presente proyecto de tesis doctoral versa sobre el estudio de la influencia de la relación C/N en la desnitrificación y metanogénesis de aguas residuales urbanas en un reactor anaeróbico de lecho fluidizado inverso (RLFI). Previamente a la realización de las pruebas experimentales de variación de la relación C/N, se llevó a cabo la etapa de arranque del RLFI la cual se inició en modo batch, favoreciendo la formación y adhesión de biopelícula al medio de soporte utilizado (Extendosphere). Después, sobrevino la operación en modo continuo desde una carga volumétrica aplicada (CVA) de 0.5 g DQOs/L⋅d hasta alcanzar 4 g DQOs/L⋅d, carga volumétrica a la cual se logró la plena estabilización del reactor, siendo la alta variabilidad de la concentración de DQOs en el agua residual urbana de alimentación, la principal problemática que ocasionó retrasos en la estabilidad del reactor. A una CVA de 4 g DQOs/L⋅d en estado estacionario, el valor mínimo de eficiencia de remoción de DQOs fue del 32.36% y el máximo de 66.99%. En estas condiciones el porcentaje de metano presente en el biogás producido tuvo un valor medio de 85.57 ± 2.93%, siendo un valor alto comparado con otros porcentajes de metano encontrados en la digestión anaerobia de aguas residuales urbanas. El YCH4 tuvo un valor medio de 0.316 ± 0.110 LCH4/g DQOrem⋅día. Los porcentajes de metanización variaron en el rango de 20.50 a 100%, registrándose un valor medio de 73.42 ± 25.63%. La considerable variabilidad en el porcentaje de metanización se debió principalmente a que se presentaron eventos de lavado de soporte colonizado, lo cual propició que las actividades metabólicas fueran orientadas hacia formación de biopelícula (anabolismo) en vez de estar dirigidas hacia producción de metano (catabolismo). En relación a los ensayos con variación de la relación C/N, se manejaron relaciones DQOs/N-NO3 en el rango de 1.65 a 21.1 g DQOs/g N-NO3. La tasa de remoción anaerobia de DQOs se incrementó con la concentración de sustrato en una relación casi lineal, ajustándose a una cinética de primer orden, lo que regularmente se presenta a concentraciones bajas de sustrato. La eficiencia del proceso de desnitrificación fue por lo regular alta, incrementándose ligeramente con la concentración de DQOs en el influente, con valores en el rango de 73.8 a 99.1%. Por otra parte, la tasa de remoción por metanogénesis se incrementó con la concentración relativa de sustrato (es decir, a mayores relaciones DQOs/N-NO3), siendo más sensitiva la metanogénesis a la concentración relativa de sustrato que la desnitrificación. Conforme aumentó la relación DQOs/N-NO3, la desnitrificación, de ser la ruta metabólica principal de utilización de la materia orgánica (comparada con la metanización), empezó a combinarse con la metanización. De manera evidente, a las relaciones DQOs/N-NO3 probadas, se manifestaron más las actividades desnitrificantes, quedando reflejadas por el alto porcentaje de utilización de la DQOs removida hacia la desnitrificación. La relación experimental DQOs/N-NO3 a la cual se pudiera haber cumplido con el requerimiento de materia orgánica (en términos de DQOs) para la desnitrificación de nitratos en las aguas residuales urbanas tratadas resultó aproximadamente ser igual a 7.1 g DQOs/g N-NO3. A una CVA de 4 g DQOs/L⋅d, se obtuvo un diámetro promedio máximo de soporte colonizado igual a 266.106 ± 69.279 μm aunque, hay que indicarlo, se presentaron fluctuaciones, las cuales se reflejaron también en el espesor de la biopelícula, el cual tuvo un valor máximo de 50.099 μm y un valor promedio de 37.294 ± 11.199 μm. Estas fluctuaciones pudieron deberse a la existencia de corrientes preferenciales dentro del reactor, las cuales no permitieron un acceso equitativo del sustrato a todo el lecho. Nitrification-denitrification is the traditional biological process for nitrogen removal from wastewaters (Ruiz G. et al., 2006a), being fundamental since it contributes to control the eutrophication of the receiving waters. Due to the deterioration that on the availability of the aquatic resources the anthropogenic activities have exerted, it is necessary to orient the treatment of wastewaters towards technologies that offer the greater degree of sustainability, raising innovations in the treatment. This work studied the influence of C/N ratio on denitrification and methanogenesis of urban wastewaters in an inverse fluidized bed reactor (IFBR). Previously to the accomplishment of the experimental tests with variation of C/N ratio, the start up of the IFBR was carried out in batch way, encouraging the formation and adhesion of biofilm to Extendosphere, which it was used as support. The operation in continuous way carried out from an organic loading rate (OLR) of 0.5 g CODs/L ∙ d to 4 g CODs/L ∙ d, when the steady-state was reached. The high variability of the CODs of the urban wastewaters caused delays in the stability of the reactor. Once stationary state was reached, the removal efficiency of CODs ranged from 32.36 to 66.99% to 4 g CODs/L ∙ d. In these conditions the percentage of methane in produced biogas had an average value of 85.57 ± 2.93%, being a high value compared with other studies treating anaerobically urban wastewaters. The YCH4 had an average value of 0.316 ± 0.110 LCH4/g CODrem ∙ d. The percentage of methanisation ranged from 20.50 to 100%, with an average value of 73.42 ± 25.63%. The considerable variability in the methanisation percentage occurred mainly due events of wash-out of colonized support, which caused that the metabolic activities were oriented towards formation of biofilm (anabolism) instead of methane production (catabolism). Concerning the tests with variation of C/N ratio, CODs/NO3-N ratios from 1.65 to 21.1 g CODs/g NO3-N were proved. The CODs anaerobic removal rate increased with the substrate concentration in an almost linear relation, adjusting to a kinetic of first order, which regularly appears to low concentrations of substrate. Efficiency of the denitrification process was regularly high, and it increased slightly with the CODs concentration in the influent, ranging from 73.8 to 99.1%. On the other hand, the CODs removal rate by methanogenesis increased with the substrate relative concentration (e.g., to greater CODs/NO3-N ratios), being more sensitive the methanogenesis to the substrate relative concentration that the denitrification. When the CODs/NO3-N ratio increased, the denitrification, of being the main metabolic route of use of the organic matter (compared with the methanogenesis), began to be combined with the methanogenesis. Definitively, to the proven CODs/NO3-N ratios the denitrification processes were more pronounced, being reflected by the high percentage of use of the removed CODs towards denitrification. The experimental CODs/NO3-N ratio to which it was possible to have been fulfilled the requirement of organic matter (in terms of CODs) for the denitrification of nitrates in urban wastewaters turned out to be approximately 7.1 g CODs/g NO3-N. It was obtained a maximum average diameter of colonized support of 266.106 ± 69.279 μm to 4 g CODs/L ∙ d, although it is necessary to indicate that appeared fluctuations in the thickness of biofilm, which had a maximum value of 50.099 μm and an average value of 37.294 ± 11.199 μm. These fluctuations could be due to the existence of preferential currents within the reactor, which did not allow an equitable access of the substrate to all the bed.