The removal of xenobiotic compounds from wastewater through the use of biological processes and advanced oxidation technologies

Dissertação apresentada para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química e Bioquímica pela Universidade Nova de Lisboa, Faculdade de Ciências e Tecnologia

CFD and bubble column reactors:simulation and experiment

The simulation of two-phase flow in bubble columns using commercially available software fromFluent Incorporated is presented here. Data from a bubble column with a ratio of height to thecolumn diameter of 5 : 1 are compared with simulations and experimental results for time-averaged velocity and Reynolds stress proles are used to validate transient, two-dimensional simulations.The models are based on multiphase biological reactors with applications in the food industry. An example case of the mass transfer of oxygen through the liquid phase is also presented.

Avaliação do efeito da microfauna do tanque de arejamento no efluente final

O presente trabalho, efetuado na Estação de Tratamento de Águas Residuais do Freixo (ETAR do Freixo), decorreu durante um período de nove meses, (entre Dezembro de 2012 e Agosto de 2013), e teve como principais objetivos: - a observação microscópica e respetiva identificação dos organismos presentes nas lamas ativadas dos reatores biológicos da ETAR (incidindo nos protozoários, metazoários e bactérias filamentosas); - estabelecer a relação entre os organismos identificados/quantidade respetiva e a sedimentabilidade das lamas ativadas e sua influência no processo de depuração; - avaliar a variação das espécies identificadas com as alterações processuais. Para o efeito, a metodologia utilizada foi: - a colheita diária de amostras em vários pontos da ETAR; - a determinação dos parâmetros operacionais e caracterização das amostras recolhidas, tendo sido efetuadas 6039 análises físico-químicas, incluindo ao afluente à ETAR, ao afluente e ao conteúdo dos dois reatores biológicos, à corrente de recirculação de lamas e ao efluente; - a visualização diária microscópica ótica sem contraste de fase dos microrganismos presentes nos reatores biológicos; - a visualização microscópica ótica com contraste de fase da microfauna presente nos reatores biológicos, sendo efetuadas 16 identificações e quantificações dos protozoários presentes nas lamas ativadas dos dois reatores e 10 identificações e quantificações das bactérias filamentosas presentes nos dois reatores biológicos. O início do estudo ocorreu num período em que se começou a verificar um aumento excessivo de espumas nos decantadores secundários, resultando numa fraca sedimentabilidade das lamas e numa menor qualidade do efluente final. Na tentativa de reduzir a excessiva ascensão do manto de lamas que se verificou, foram efectuadas alterações operacionais, consistindo: - na alteração da razão de recirculação da decantação secundária para os reatores biológicos; - na introdução de um composto altamente concentrado em matéria orgânica na corrente de recirculação de lamas; - na alteração da extração de lamas biológicas. Verificou-se que as alterações processuais efetuadas foram muito eficazes na diminuição do manto de lamas da decantação secundária, bem como muito eficazes na qualidade do efluente final. Durante os meses de Fevereiro a Agosto fez-se o acompanhamento diário de todas as condições de operação de modo a manter e validar o procedimento de operação, o qual se considerou muito eficaz em termos de obtenção de uma água tratada de excelente qualidade. Durante o estudo efetuado, verificou-se que a população microbiológica existente nos dois reatores biológicos se manteve praticamente inalterada durante todo o período, sendo os móveis de fundo e os sésseis os grupos dominantes. Esta dominância traduziu-se na elevada qualidade do efluente final que se observou a partir do mês de Fevereiro, tendo dificultado o estudo de novas condições de operação, mas facilitando a validação do procedimento adotado. No que se refere às bactérias filamentosas, verificou-se que são diversas as espécies presentes nos reatores biológicos e que existem em grande abundância, sendo que o Tipo 0092 é claramente dominante. O excessivo crescimento deste tipo de bactérias mostrou ser o maior problema a nível microbiológico no processo de tratamento da instalação, tornando-se crítico no período de inverno em que a temperatura e os picos de pluviosidade se mostraram condições favoráveis ao seu desenvolvimento. Para além da temperatura outros fatores mostraram-se responsáveis pelo seu crescimento tais como a razão Alimento/Microrganismo (A/M), a idade das lamas, a carga mássica afluente e o teor de oxigénio dissolvido nos reatores biológicos. Pode-se concluir que apesar de não se trabalhar com os valores teóricos dos parâmetros microbiológicos e operacionais considerados ideais, a ETAR do Freixo, possui um tratamento bastante eficaz na remoção da carga orgânica, na remoção de nutrientes e na remoção de sólidos suspensos totais, apesar da não existência de uma etapa de afinação final como a filtração.

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.

The main leachate emissions of uncontrolled landfills

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

Resolução de problema de valor no contorno associado ao projeto de reatores de fluxo disperso empregados no tratamento de efluentes

The objective of this work was to develop a numerical method to solve boundary value problems concerning to the use of dispersion model for describing the hydraulic behavior of chemical or biological reactors employed in the wastewater treatment. The numerical method was implemented in FORTRAN language generating a computational program which was applied to solve cases involving reaction kinetics of both integer and fractional orders. The developed method was able to solve the proposed problems evidencing to be a useful tool that provides more accurate design of wastewater treatment reactors

Remoção de metil paration e atrazina em reatores de bancada com fungos

Neste estudo foi avaliada a remoção de metil paration - inseticida e atrazina - herbicida presentes em água, em reatores de bancada, com fungos. A pesquisa foi dividida em quatro etapas: operação em batelada com metil paration e micélio fúngico, com e sem glicose; teste de toxicidade em placas com Aspergillus niger AN400; operação em batelada com os pesticidas atrazina e metil paration e esporos de Aspergillus niger AN400, com e sem glicose; e operação em reatores de leito fixo e fluxo ascendente. Na primeira etapa, a remoção de metil paration foi de 97% nos reatores sem glicose e 94% nos reatores com glicose com 32 dias de reação. Na operação em batelada, com esporos, um modelo cinético de primeira ordem representou bem a velocidade de decaimento de metil paration nesta fase, principalmente, nos reatores que continham glicose. Para os experimentos sem adição de glicose, a constante cinética foi de 0,063 ± 0,005/h, enquanto que para os experimentos com glicose a constante foi de 0,162 ± 0,014/h. Dessa forma, a adição de glicose resultou efetivamente em aumento na velocidade de conversão do inseticida. Na fase experimental, com atrazina e esporos de Aspergillus niger AN400, a presença do substrato primário (glicose) não teve influência na remoção de atrazina, sendo que os percentuais de remoção foram muito próximos aos percentuais encontrados nos reatores sem glicose. O estudo cinético, nessa fase com atrazina e esporos, revelou que para os experimentos sem a adição de glicose, o valor da velocidade de conversão de atrazina (RATZo) foi de 0,023/d, enquanto que para os experimentos com glicose (RATZo) foi 0,022/d. Portanto, a adição de glicose parece não ter influenciado significativamente a velocidade de remoção do herbicida por Aspergillus niger AN400. O teste de toxicidade demonstrou que metil paration e atrazina não inibiram o crescimento do fungo nas várias concentrações testadas, inclusive nas mais elevadas, que foram 60 mg/L e 25 mg/L para metil paration e atrazina, respectivamente. No reator de leito fixo a remoção de metil paration foi de 40% com 12 h de tempo de detenção hidráulica, e 0,5 g glicose/L. Porém, quando a concentração de glicose foi duplicada a remoção de metil paration diminuiu para 35%. Neste reator o pH se manteve na faixa ácida 3,4 a 5,2, considerada ideal para os fungos. Os resultados encontrados mostram a viabilidade dos fungos para remoção desses pesticidas, considerados persistentes no ambiente.

Ocorrência de compostos de interesse emergente no aquífero Dunas-Barreiras e nos esgotos de Natal/RN

The detection of emerging interest microcontaminants in environmental samples of surface water, groundwater, drinking water, wastewater and effluents from water and sewage treatment plants (WTP and STP), in many countries, suggests these pollutants are widespread in the environment, mainly in urban areas. This is a reason for great concern, since many of these compounds are potentially harmful for humans other living beings, and they are not efficiently removed in the majority of WTP and STP, which is exacerbated by precariousness of water supply and sanitation services. In Natal, like other Brazilian cities, the sewage system serves only part of the urban area (about 30%), so that the rest of the wastewater is infiltrated in the sandy soil of the region in cesspool-dry well systems. This has resulted in contamination of groundwater in the area (sand-dune barrier aquifer, which supplies more than 50% of the city population), which has been observed by the increase in nitrate concentration in supply wells. The vulnerability of the sanddune barrier aquifer, combined with reports of the presence of emerging interest microcontaminants in Brazil and worldwide, led to this research, which investigated the occurrence of fifteen microcontaminants in Natal groundwater and sewage. Samples were collected at five wells used for water supply, the raw sewage and the effluents from biological reactors from STP (UASB and activated sludge reactors). Two samples of each sample were taken, with one week apart between the samples. To determine the contaminants, extraction of aquifer water, and raw and treated sewage samples were performed, through the technique of using SPE Strata X cartridge (Phenomenex®) to the aquifer water, and Strata SAX and Strata X (Phenomenex® ) for samples of raw and treated sewage. Subsequently the extracts were analyzed using GC-MS technique. Much of the analyzed microcontaminants were detected in groundwater and sewage. The concentrations in groundwater are generally lower than those found in the sewers. Some of the compounds (estrone, estradiol, bisphenol A, caffeine, diclofenac, naproxen, paracetamol and ibuprofen) are partially removed at STP.

Applicability of experience from laboratory reactors with biological phosphorus removal in full-scale plants

Enhanced biological phosphorus removal (EBPR) has been used at many wastewater treatment plants all over the world for many years. In this study a full-scale sludge with good EBPR was tested with P-release batch tests and combined FISH/MAR (fluorescence in situ hybridisation and microautoradiography). Proposed models of PAOs and GAOs (polyphosphate- and glycogen-accumulating organisms) and microbial methods suggested from studies of laboratory reactors were found to be applicable also on sludge from full-scale plants. Dependency of pH and the uptake of both acetate and propionate were studied and used for calculations for verifying the models and results from microbial methods. All rates found from the batch tests with acetate were higher than in the batch tests with propionate, which was explained by the finding that only those parts of the bacterial community that were able to take up acetate anaerobically were able to take up propionate anaerobically.

A new method to calculate the periodic steady state of sequencing batch reactors for biological wastewater treatment : model development and applications

Peer reviewed

Post-treatment of effluents from the sulfate reduction process by anaerobic sequencing batch biofilm reactors

The main objective of this research was to evaluate the potential use of a bench-scale anaerobic sequencing batch biofilm reactor (ASBBR) containing mineral coal as inert support for removal Of Sulfide and organic matter effluents from an ASBBR (1.2 m(3)) utilized for treatment of sulfate-rich wastewater. The cycle time was 48 h, including the steps of feeding (2 h), reaction with continuous liquid recirculation (44 h) and discharge (2 h). COD removal efficiency was up to 90% and the effluents total sulfide concentrations (H(2)S, HS(-), S(2-)) remained in the range of 1.5 to 7.5 mg.l(-1) during the 50 days of operation (25 cycles). The un-ionized Sulfide and ionized sulfides were converted by biological process to elemental sulfur (S(0)) under oxygen limited conditions. The results obtained in the bench-scale reactor were used to design an ASBBR in pilot scale for use in post-treatment to achieve the emission standards (sulfide and COD) for sulfate reduction. The pilot-scale reactor, with a total volume of 0.43 m(3), the COD and total sulfide removal achieved 88% and 57%, respectively, for a cycle time of 48 h (70 days of operation or 35 cycles).

Combined hydraulic and biological modelling and full-scale validation of SBR process

The biological reactions during the settling and decant periods of Sequencing Batch Reactors (SBRs) are generally ignored as they are not easily measured or described by modelling approaches. However, important processes are taking place, and in particular when the influent is fed into the bottom of the reactor at the same time (one of the main features of the UniFed process), the inclusion of these stages is crucial for accurate process predictions. Due to the vertical stratification of both liquid and solid components, a one-dimensional hydraulic model is combined with a modified ASM2d biological model to allow the prediction of settling velocity, sludge concentration, soluble components and biological processes during the non-mixed periods of the SBR. The model is calibrated on a full-scale UniFed SBR system with tracer breakthrough tests, depth profiles of particulate and soluble compounds and measurements of the key components during the mixed aerobic period. This model is then validated against results from an independent experimental period with considerably different operating parameters. In both cases, the model is able to accurately predict the stratification and most of the biological reactions occurring in the sludge blanket and the supernatant during the non-mixed periods. Together with a correct description of the mixed aerobic period, a good prediction of the overall SBR performance can be achieved.

Full-scale demonstration of biological nutrient removal in a single tank SBR process

Complete biological nutrient removal (BNR) in a single tank, sequencing batch reactor (SBR) process, is demonstrated here at full-scale on a typical domestic wastewater. The unique feature of the UniFed process is the introduction of the influent into the settled sludge blanket during the settling and decant periods of the SBR operation. This achieves suitable conditions for denitrification and anaerobic phosphate release which is critical to successful biological phosphorus removal, It also achieves a selector effect, which helps in generating a compact, well settling biomass in the reactor. The results of this demonstration show that it is possible to achieve well over 90% removal of GOD, nitrogen and phosphorus in such a process. Effluent quality achieved over a six-month operating period directly after commissioning was: 29 mg/l GOD, 0.5 mg/l NH4-N, 1.5 mg/l NOx-N and 1.5 mg/l PO4-P (50%-iles of daily samples). During an 8-day, intensive sampling period, the effluent BOD5 was

Towards integrated operation of membrane bioreactors : effects of aeration on biological and filtration performance

Two experimental studies evaluated the effect of aerobic and membrane aeration changes on sludge properties, biological nutrient removal and filtration processes in a pilot plant membrane bioreactor. The optimal operating conditions were found at an aerobic dissolved oxygen set-point (DO) of 0.5mgO2L-1 and a membrane specific aeration demand (SADm) of 1mh-1, where membrane aeration can be used for nitrification. Under these conditions, a total flow reduction of 42% was achieved (75% energy reduction) without compromising nutrient removal efficiencies, maintaining sludge characteristics and controlled filtration. Below these optimal operating conditions, the nutrient removal efficiency was reduced, increasing 20% for soluble microbial products, 14% for capillarity suction time and reducing a 15% for filterability. Below this DO set-point, fouling increased with a transmembrane pressure 75% higher. SADm below 1mh-1 doubled the values of transmembrane pressure, without recovery after achieving the initial conditions