Publicação

Sistemas inteligentes para monitorização e controlo de processos integrados de tratamento biológico de efluentes

Detalhes bibliográficos
Resumo:	Os principais objectivos desta tese são: Desenvolver estratégias de engenharia de sistemas para a supervisão e controlo de processos combinados de tratamento biológico de efluentes; projectar e construir uma pequena instalação à escala laboratorial, para tratamento de um efluente sintético representativo de um efluente real processado em ETAR; desenvolver um sistema de tratamento integrado para remoção de matéria orgânica e azoto, utilizando biomassa anaeróbia para o processo de desnitrificação; desenvolver regras empíricas, relacionadas com a operação da instalação e com os processos biológicos integrados de remoção de carbono e azoto, para implementação de um sistema inteligente baseado em lógica difusa para diagnóstico e controlo do tratamento integrado. Foi concebida uma instalação à escala laboratorial para tratamento de um efluente sintético representativo de um efluente real processado em ETAR. O tratamento biológico do efluente é efectuado em três etapas principais: o processo anaeróbio onde a matéria orgânica é degradada e transformada em biogás, o processo de desnitrificação para remoção de azoto, usando o carbono remanescente do processo anaeróbio e o processo de nitrificação. Estes processos ocorrerem respectivamente no reactor anaeróbio, no reactor anóxico e no reactor arejado. Os reactores, anaeróbio e anóxico, são do tipo UASB (Uflow Anaerobic Sludge Blanket), com um volume útil de 8.5 L, e são inoculados com biomassa anaeróbia granular. O tratamento de nitrificação ocorre num reactor de lamas activadas com arejamento e agitação. É apresentado um sistema pericial supervisor baseado em regras de lógica difusa desenvolvido para controlo dos processos biotecnológicos em estudo, para remoção integrada de carbono e azoto. As regras desenvolvidas em lógica difusa foram integradas no sistema supervisor, analisando o estado do processo e tomando decisões sobre melhores comandos. Foi aplicada uma sobrecarga de azoto na instalação para testar o sistema pericial desenvolvido, de 20 a 60 mg N/L durante um período de experiência de 73 horas. As variáveis manipuladas (caudal de desvio e de reciclo) foram automaticamente alteradas, quando as novas condições de operação foram reconhecidas pelo sistema pericial. Foi obtida uma eficiência de desnitrificação superior a 85% 30 horas após a aplicação da perturbação e 15 horas após a resposta do sistema, com um TRH de apenas 1.5 hora. A eficiência de nitrificação aumentou gradualmente de 12 para 50% a um TRH de 3 horas. Foi também aplicada uma diminuição brusca na concentração de azoto à entrada para testar a resposta do sistema pericial de controlo baseado em lógica difusa a esta perturbação. O sistema pericial respondeu à perturbação num período de 5 horas tendo provado reagir correctamente no sentido de estabelecer condições de operação que permitam recuperar atempadamente as eficiências de remoção de azoto e carbono. O sistema de análise sequencial desenvolvido neste trabalho, para análise do azoto amoniacal numa gama de 0.5 ppm a 40 ppm apresentou vantagens importantes para aplicação em processos em contínuo, quando comparado com o método convencional, nomeadamente a menor quantidade de amostra e reagentes necessários, facilidade de adaptação do método a novas gamas de concentrações e facilidade e simplicidade de manuseamento do equipamento. A actividade metanogénica específica da biomassa granular na presença de acetato, H2/CO2, propionato, butirato e etanol como substratos individuais foi estudada na presença de nitrato numa gama de concentrações de 5 a 500 mgN-NO3.L-1. Para todos os substratos, a redução da actividade metanogénica específica foi mais acentuada do que esperado, considerando um modelo simples de competição pelo substrato entre sintróficas/metanogénicas e desnitrificantes, provavelmente devido à inibição pelo nitrato ou por intermediários da desnitrificação, como nitrito e óxidos nitrosos. As incubações sucessivas efectuadas para verificar a adaptabilidade da biomassa granular anaeróbia ao nitrato na presença de acetato (1920 mg CQO/L) e nitrato (300 mgN-NO3.L-1) mostraram que a biomassa granular anaeróbia apresenta capacidade de aumentar a produção de azoto gasoso, sendo portanto possível a aclimatização a condições de desnitrificação. Foi desenvolvido um sistema de controlo baseado em lógica difusa para controlar a desnitrificação no modelo BSM1, implementado no controlo do Simulation Benchmark. Os resultados foram comparados com a estratégia PID implementada. O controlador baseado em lógica difusa, apresentou-se vantajoso relativamente ao controlador PID, nomeadamente no que diz respeito à percentagem de tempo de operação em que os limites estabelecidos para as variáveis no efluente final são excedidos.
Autores principais:	Pires, Olga Cristina Pereira
Assunto:	Desnitrificação Metanogénese Biomassa anaeróbia granular Nitrato Digestão anaeróbia Sistemas baseados em lógica difusa Remoção de nutrientes Supervisão Sistema pericial de controlo Denitrification Methanogenic Anaerobic granular sludge Nitrate Anaerobic digestion Fuzzy logic based system Nutrient removal Distributed supervision Expert system
Ano:	2008
País:	Portugal
Tipo de documento:	tese de doutoramento
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade do Minho
Idioma:	português
Origem:	RepositóriUM - Universidade do Minho

Descrição
Resumo:	Os principais objectivos desta tese são: Desenvolver estratégias de engenharia de sistemas para a supervisão e controlo de processos combinados de tratamento biológico de efluentes; projectar e construir uma pequena instalação à escala laboratorial, para tratamento de um efluente sintético representativo de um efluente real processado em ETAR; desenvolver um sistema de tratamento integrado para remoção de matéria orgânica e azoto, utilizando biomassa anaeróbia para o processo de desnitrificação; desenvolver regras empíricas, relacionadas com a operação da instalação e com os processos biológicos integrados de remoção de carbono e azoto, para implementação de um sistema inteligente baseado em lógica difusa para diagnóstico e controlo do tratamento integrado. Foi concebida uma instalação à escala laboratorial para tratamento de um efluente sintético representativo de um efluente real processado em ETAR. O tratamento biológico do efluente é efectuado em três etapas principais: o processo anaeróbio onde a matéria orgânica é degradada e transformada em biogás, o processo de desnitrificação para remoção de azoto, usando o carbono remanescente do processo anaeróbio e o processo de nitrificação. Estes processos ocorrerem respectivamente no reactor anaeróbio, no reactor anóxico e no reactor arejado. Os reactores, anaeróbio e anóxico, são do tipo UASB (Uflow Anaerobic Sludge Blanket), com um volume útil de 8.5 L, e são inoculados com biomassa anaeróbia granular. O tratamento de nitrificação ocorre num reactor de lamas activadas com arejamento e agitação. É apresentado um sistema pericial supervisor baseado em regras de lógica difusa desenvolvido para controlo dos processos biotecnológicos em estudo, para remoção integrada de carbono e azoto. As regras desenvolvidas em lógica difusa foram integradas no sistema supervisor, analisando o estado do processo e tomando decisões sobre melhores comandos. Foi aplicada uma sobrecarga de azoto na instalação para testar o sistema pericial desenvolvido, de 20 a 60 mg N/L durante um período de experiência de 73 horas. As variáveis manipuladas (caudal de desvio e de reciclo) foram automaticamente alteradas, quando as novas condições de operação foram reconhecidas pelo sistema pericial. Foi obtida uma eficiência de desnitrificação superior a 85% 30 horas após a aplicação da perturbação e 15 horas após a resposta do sistema, com um TRH de apenas 1.5 hora. A eficiência de nitrificação aumentou gradualmente de 12 para 50% a um TRH de 3 horas. Foi também aplicada uma diminuição brusca na concentração de azoto à entrada para testar a resposta do sistema pericial de controlo baseado em lógica difusa a esta perturbação. O sistema pericial respondeu à perturbação num período de 5 horas tendo provado reagir correctamente no sentido de estabelecer condições de operação que permitam recuperar atempadamente as eficiências de remoção de azoto e carbono. O sistema de análise sequencial desenvolvido neste trabalho, para análise do azoto amoniacal numa gama de 0.5 ppm a 40 ppm apresentou vantagens importantes para aplicação em processos em contínuo, quando comparado com o método convencional, nomeadamente a menor quantidade de amostra e reagentes necessários, facilidade de adaptação do método a novas gamas de concentrações e facilidade e simplicidade de manuseamento do equipamento. A actividade metanogénica específica da biomassa granular na presença de acetato, H2/CO2, propionato, butirato e etanol como substratos individuais foi estudada na presença de nitrato numa gama de concentrações de 5 a 500 mgN-NO3.L-1. Para todos os substratos, a redução da actividade metanogénica específica foi mais acentuada do que esperado, considerando um modelo simples de competição pelo substrato entre sintróficas/metanogénicas e desnitrificantes, provavelmente devido à inibição pelo nitrato ou por intermediários da desnitrificação, como nitrito e óxidos nitrosos. As incubações sucessivas efectuadas para verificar a adaptabilidade da biomassa granular anaeróbia ao nitrato na presença de acetato (1920 mg CQO/L) e nitrato (300 mgN-NO3.L-1) mostraram que a biomassa granular anaeróbia apresenta capacidade de aumentar a produção de azoto gasoso, sendo portanto possível a aclimatização a condições de desnitrificação. Foi desenvolvido um sistema de controlo baseado em lógica difusa para controlar a desnitrificação no modelo BSM1, implementado no controlo do Simulation Benchmark. Os resultados foram comparados com a estratégia PID implementada. O controlador baseado em lógica difusa, apresentou-se vantajoso relativamente ao controlador PID, nomeadamente no que diz respeito à percentagem de tempo de operação em que os limites estabelecidos para as variáveis no efluente final são excedidos.