https://hdl.handle.net/1884/39825 Sat, 13 Jun 2026 01:32:48 GMT 2026-06-13T01:32:48Z https://hdl.handle.net/1884/105278 Avaliação de sistemas térmicos de secagem e higienização como uma alternativa sustentável para a gestão do lodo de esgoto e biogás Resumo: A gestão do lodo de esgoto representa um dos principais desafios técnicos, ambientais e energéticos do setor de saneamento, especialmente diante da necessidade de reduzir volumes, assegurar higienização, recuperar energia e ampliar as possibilidades de valorização do resíduo. Nesta tese, avaliou-se a sustentabilidade de sistemas térmicos de secagem e higienização do lodo de esgoto, articulando abordagens experimentais, operacionais e ambientais. O estudo foi estruturado em quatro etapas inter-relacionadas: investigação, em escala de bancada e piloto, da influência do pré-tratamento térmico brando sobre a desaguabilidade do lodo anaeróbio, com vistas à proposição do Sistema Térmico de Higienização do Lodo (STHIL) para ETEs de pequeno porte; elaboração do inventário de produção de lodo e biogás em uma ETE de grande porte dotada de reatores UASB; monitoramento operacional de um secador rotativo em escala plena; e avaliação ambiental de diferentes rotas de gestão do lodo e do biogás por meio da Avaliação do Ciclo de Vida (ACV). Os resultados mostraram que o pré-tratamento térmico alterou o comportamento físico do lodo, reduzindo sua viscosidade aparente e tixotropia. Em bancada, a condição de 70 °C apresentou o melhor desempenho por centrifugação, com incremento de 15,21% no teor de sólidos da torta, enquanto, em escala piloto, o aquecimento favoreceu a liberação inicial de água, sem promover ganhos consistentes na eficiência global de desaguamento em leitos, embora sem prejuízo técnico-operacional relevante. Na ETE estudada, a baixa eficiência dos reatores UASB limitou a produção de biogás e o potencial de recuperação energética. Ainda assim, em condições reais de operação, a integração entre biogás e lodo seco permitiu suprir aproximadamente 97% da demanda térmica do secador. O lodo seco produzido apresentou cerca de 88,8% de sólidos totais, estabilidade, conformidade microbiológica compatível com biossólido Classe A segundo a regulamentação brasileira e atributos agronômicos relevantes, embora sua valorização agrícola em maior escala esteja condicionada ao controle do zinco associado aos insumos empregados no tratamento físico químico do esgoto. O secador operou com consumo específico real de calor de 3,89 MJ/kg de água removida, compatível com sistemas em escala plena, e as emissões atmosféricas mantiveram-se em conformidade com a legislação aplicável, inclusive nas condições de co combustão com lodo seco. A ACV indicou que os sistemas térmicos avaliados constituem alternativa ambientalmente promissora em relação à rota convencional, com destaque para as configurações que combinam recuperação energética do lodo seco e aproveitamento agrícola das cinzas. Em conjunto, os achados demonstram que a secagem térmica, analisada de forma integrada sob os enfoques operacional, energético e ambiental, configura uma rota tecnicamente consistente e ambientalmente favorável para a gestão sustentável do lodo de esgoto; Abstract: Sewage sludge management is one of the main technical, environmental, and energy-related challenges in the sanitation sector, particularly in view of the need to reduce volumes, ensure hygienization, recover energy, and expand opportunities for sludge valorization. This thesis evaluated the sustainability of thermal drying and hygienization systems for sewage sludge by integrating experimental, operational, and environmental approaches. The study was structured into four interrelated stages: investigation, at bench and pilot scales, of the influence of mild thermal pretreatment on the dewaterability of anaerobic sludge, aiming at the proposition of the Thermal Sludge Hygienization System (STHIL) for small wastewater treatment plants; development of an inventory of sludge and biogas production in a large-scale wastewater treatment plant equipped with UASB reactors; operational monitoring of a full-scale rotary dryer; and environmental assessment of different sludge and biogas management routes through Life Cycle Assessment (LCA). The results showed that thermal pretreatment altered the physical behavior of the sludge, reducing its apparent viscosity and thixotropy. At bench scale, the condition of 70 °C provided the best centrifugation performance, with a 15.21% increase in cake solids content, whereas at pilot scale the heating favored the initial release of water, without promoting consistent gains in overall dewatering efficiency in drying beds, although without relevant technical-operational impairment. In the studied wastewater treatment plant, the low efficiency of the UASB reactors limited biogas production and energy recovery potential. Even so, under real operating conditions, the integration of biogas and dried sludge supplied approximately 97% of the dryer thermal demand. The dried sludge produced showed about 88.8% total solids, stability, microbiological compliance compatible with Class A biosolids according to Brazilian regulations, and relevant agronomic attributes, although its broader agricultural valorization depends on controlling zinc associated with the inputs used in physicochemical wastewater treatment. The dryer operated with an actual specific heat consumption of 3.89 MJ/kg of water removed, compatible with full-scale systems, and atmospheric emissions remained compliant with the applicable legislation, including under sludge co-combustion conditions, although this led to increased emission rates of total particulate matter and NO2. The LCA indicated that the evaluated thermal systems constitute an environmentally promising alternative to the conventional route, especially the configurations combining energy recovery from dried sludge with the agricultural use of ashes. Overall, the findings demonstrate that thermal drying, when assessed from integrated operational, energy, and environmental perspectives, represents a technically consistent and environmentally favorable route for sustainable sewage sludge management Orientador: Prof. Dr. Miguel Mansur Aisse; Coorientador: Dr. Gustavo Rafael Collere Possetti; Banca: Miguel Mansur Aisse (Presidente da Banca), Gustavo Rafael Collere Possetti, Sandro José Froehner, Marcelo Risso Errera, Karina Guedes Cubas do Amaral e Adalberto Noyola Robles; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 28/04/2026; Inclui referências Thu, 01 Jan 2026 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/105278 2026-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/101651 Modelagem computacional utilizando autômatos celulares para o cálculo do total de gás dissolvido Resumo: A Saturação Gasosa, também conhecida como Total de Gás Dissolvido (TDG -Total Dissolved Gas), pode ocorrer em barragens, cachoeiras e corredeiras. Em usinas hidroelétricas, eventos de vertimento elevam significativamente os níveis de TDG, podendo provocar a doença da bolha (GBD – Gas Bubble Disease) na ictiofauna. Uma forma de reduzir a supersaturação de TDG em vertedouros é a instalação de defletores, que modificam a hidrodinâmica do escoamento, evitando que a alta velocidade do fluxo "empurre" "bolhas" de gás para regiões profundas da bacia de dissipação, onde a alta pressão favorece sua dissolução e, consequentemente, o aumento do TDG. Idealmente, o projeto desses defletores deve ser fundamentado em ensaios em modelo físico, complementados por estudos em modelos matemáticos ou computacionais. Entretanto, simulações numéricas demandam um grande esforço computacional. O objetivo desta tese foi desenvolver um modelo computacional baseado em autômatos celulares para o cálculo do TDG, capaz de estimar o valor máximo e o comportamento do TDG ao longo do vertedouro e da bacia de dissipação. O modelo de autômatos celulares, apresentado e implementado nesta tese, apresentou valores máximos de TDG ao longo do vertedouro e da bacia de dissipação, aderentes a outros estudos, sendo um modelo promissor para estimar esse parâmetro de qualidade da água. Devido ao menor esforço computacional, o modelo proposto baseado em autômato celular, pode ser aplicado nas etapas de Estudo de Viabilidade ou Projeto Básico de aproveitamentos hidroelétricos. Nesses estágios iniciais, a ferramenta permite estudar os valores máximos de TDG e propor, de forma simplificada, a geometria preliminar de um defletor em vertedouros, contribuindo para reduzir, desde o início do projeto, os riscos à ictiofauna; Abstract: Gas supersaturation, also known as Total Dissolved Gas (TDG), may occur in dams, waterfalls, and rapids. In hydroelectric plants, spill events can significantly increase TDG levels, potentially causing gas bubble disease (GBD) in fish. One approach to reducing TDG supersaturation in spillways is the installation of deflectors, which modify the flow hydrodynamics and prevent the high-velocity jet from driving gas bubbles into deeper regions of the stilling basin. At greater depths, the elevated hydrostatic pressure promotes bubble dissolution, thereby increasing TDG. Ideally, the design of these deflectors should be supported by physical model tests, complemented by mathematical or computational modeling. However, numerical simulations require substantial computational resources. The objective of this thesis was to develop a cellular automata model for calculating TDG, capable of estimating both the maximum TDG value and its spatial distribution along the spillway and stilling basin. The cellular automata model presented and implemented in this thesis showed maximum TDG values along the spillway and stilling basin, with good agreement with other studies, demonstrating its potential as a reliable tool for estimating this water quality parameter. Due to its lower computational cost, the proposed cellular automata model can be applied during the Initial Studies or Basic Design phases of hydropower projects. At these early stages, the tool enables the assessment of maximum TDG levels and the simplified proposal of preliminary deflector geometries, thereby helping to mitigate risks to fish fauna during preliminary projects phases Orientador: Prof. Dr. Eloy Kaviski; Banca: Eloy Kaviski (Presidente da Banca), Vanderlei Galina, Jorge Antonio Silva Centeno, Wellington Mazer e José Junju Ota; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 15/12/2025; Inclui referências Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/101651 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98432 Dinâmica da interação entre o ferro e o carbono orgânico dissolvido em sistema aquático considerando o aporte difuso Resumo: O carbono orgânico dissolvido exerce papel fundamental na dinâmica do transporte e transferência de poluentes em ambientes aquáticos, influenciando na mobilidade, na biodisponibilidade e na persistência tanto de substâncias orgânicas como inorgânicas. Esta pesquisa investigou a atuação do carbono orgânico dissolvido como coadjuvante no transporte de ferro, com base no desenvolvimento de um modelo matemático sítio específico, fundamentado na abordagem pelo balanço de massa. O rio Passaúna, localizado na Região Metropolitana de Curitiba, Paraná, foi adotado como estudo de caso devido a sua importância para o abastecimento público e carência de estudos voltados à dinâmica fluvial a montante do reservatório. O modelo desenvolvido é integrado por três módulos calibrados e confirmados, o que permitiu simular a dinâmica do transporte fluvial de sólidos suspensos, do ferro e do carbono orgânico dissolvido. Os resultados mostraram bom ajuste entre os dados observados in situ e os simulados, com os valores para o coeficiente de Nash-Sutcliffe superiores a 0,9, o que indica ajuste quase perfeito entre os dados simulados e observados, e baixos valores para a média dos desvios absolutos para todas as variáveis calibradas. Ao longo de 50 dias, as simulações permitiram estimar o transporte de, aproximadamente, 320 t de sólidos suspensos, 31 t de carbono orgânico dissolvido e 5 t de ferro através da seção de controle, o que mostra a importância da modelagem integrada no contexto do escoamento superficial com aporte difuso de poluentes. A aplicação do teste de correlação de Pearson entre o transporte de carbono orgânico dissolvido e de Fe resultou no valor para o coeficiente e correlação (r) igual a 0,886. Este valor evidencia a forte correlação entre ambos os parâmetros. Valores de pH próximos da neutralidade podem favorecer a formação de hidróxidos de ferro. Entretanto, a presença do carbono orgânico dissolvido contribuiu para a manutenção de parte do metal na fase dissolvida, mesmo considerando o valor do pH de 7,3, em média, intensificando o transporte do Fe na fração dissolvida. As simulações também indicaram que a associação entre o carbono orgânico dissolvido e o ferro reduz a taxa de sedimentação do metal, aumentando sua mobilidade. A abordagem adotada nesta pesquisa mostrou que modelos matemáticos integrados são ferramentas efetivas para simular a dinâmica de transporte de poluentes em corpos aquáticos, particularmente rios. Modelos concebidos para um sistema aquático específico podem ser de grande valia para o entendimento das peculiaridades do sistema e, consequentemente, produzir melhores condições para o planejamento de ações de monitoramento e gestão de recursos hídricos. Os resultados obtidos nesta pesquisa reforçam a importância de incluir o carbono orgânico dissolvido como variável estratégica em modelos de qualidade da água voltados ao controle de sistemas fluviais; Abstract: Dissolved organic carbon plays a key part in the transport and transfer of pollutants in aquatic environments, influencing the mobility, bioavailability, and persistence of both organic and inorganic substances. This research investigated the role of dissolved organic carbon as a coadjutant in iron transport by developing a site-specific mathematical model based on a mass balance approach. The Passaúna River, located in the Metropolitan Region of Curitiba, Paraná, was chosen as a case study due to its importance for public water supply and the lack of research on fluvial dynamics upstream of the reservoir. The model combines three calibrated and confirmed modules to simulate the transport dynamics of suspended solids, iron, and dissolved organic carbon in rivers. The results showed a good fit between the simulated and in situ data, with Nash-Sutcliffe coefficient values greater than 0.9, which suggests an almost perfect alignment between the simulated and observed data. Additionally, all calibrated variables displayed low mean absolute deviations. Over 50 days, the calculations predicted that about 320 tons of suspended particles, 31 tons of dissolved organic carbon, and 5 tons of iron passed through the control area. These findings emphasize the relevance of integrated modeling in understanding surface runoff and diffuse pollution. Pearson's correlation test on the transport of dissolved organic carbon and iron produced a correlation coefficient (r) of 0.886. This value indicates a high correlation between these two factors, which supports the thesis' hypothesis. Near neutral pH values can favor the formation of iron hydroxides. Nevertheless, even with an average pH of 7.3, dissolved organic carbon helped keep some iron in the solution. The simulations indicated that the interaction between dissolved organic carbon and iron decreases the metal's sedimentation rate. Therefore, integrated mathematical models are effective tools for simulating pollutant transport dynamics in aquatic environments, particularly rivers. This study highlights the pivotal role of integrated mathematical models for simulating contaminant transport in aquatic environments, especially rivers. Models conceptualized for specific aquatic systems enhance understanding of their unique characteristics, paving the way for more effective monitoring and water resources management strategies. The findings underscore the importance of including dissolved organic carbon as a strategic variable in water quality models Orientadora: Prof.ª Maria Cristina Borba Braga; Coorientador: Prof. Dr. Sérgio Michelotto Braga; Banca: Maria Cristina Borba Braga (Presidente da Banca), Adilson Pinheiro, Patricio Guillermo Peralta Zamora, Júlio César Rodrigues de Azevedo, Cristovão Vicente Scapulatempo Fernandes Sérgio Michelotto Braga, e José Junji Ota; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 02/07/2025; Inclui referências; Área de concentração: Engenharia de Recursos Hídricos Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/98432 2025-01-01T00:00:00Z https://hdl.handle.net/1884/98404 Natural river biofilms in the bioremediation of steroid hormones Resumo: Hormônios esteroides são compostos orgânicos, que podem ser naturais ou sintéticos, utilizados na medicina humana e veterinária. No entanto, eles também são considerados desreguladores endócrinos devido à sua atividade hormonal, o que é uma preocupação quando esses compostos aparecem nos ambientes naturais. Uma técnica para eliminar esses contaminantes em ambientes aquáticos é a biorremediação, que utiliza microrganismos para remover substâncias indesejadas. Em águas naturais, por exemplo, comunidades microbianas complexas formam biofilmes, os quais podem adsorver, bioacumular, biodegradar e transformar esses contaminantes presentes no ambiente. Esta pesquisa teve como objetivo avaliar se biofilmes naturais de rios tem capacidade de remoção dos hormônios esteroides Estrona (E1), 17ß-estradiol (E2), 17a-ethinylestradiol (EE2) e Progesterona (PRO) de ambientes aquáticos. A pesquisa envolveu amostras de biofilme obtidas do Rio Alb em Karlsruhe, Alemanha, e do Rio Barigui em Curitiba, Brasil. Os biofilmes foram mantidos, tanto em ambientes fluviais naturais quanto em microcosmos controlados de laboratório, para conduzir testes de remoção dos compostos alvo. Os resultados experimentais demonstraram a remoção completa de E1, E2 e EE2 sob condições específicas, apresentando como principais mecanismos envolvidos na remoção a biodegradação e/ou biotransformação. A análise microbiológica mostrou que Proteobacteria, Bacteroidota, Actinobacteria, Firmicutes e Deinococcota, representaram os principais filos responsáveis pelo processo, mas as duas regiões de estudo apresentaram gêneros dominantes diferentes. Os micropoluentes presentes no ambiente afetam a comunidade de biofilmes, o que leva à sensibilidade entre certas espécies, enquanto promove resiliência e possível adaptação entre outras. Portanto, esta tese revelou o potencial dos biofilmes fluviais para a remoção simultânea de hormônios esteroides, fornecendo assim um método capaz de ser usado em aplicações de tratamento de águas residuais. Além disso, o estudo fornece insights valiosos sobre os mecanismos de remoção de hormônios esteroides em água superficial de rios urbanos; Abstract: Steroid hormones are organic compounds that can be either natural or synthetic, and are used in both human and veterinary medicine. However, they are also considered endocrine disruptors due to their hormonal activity, which is a concern when these compounds are released into the environment. One technique for eliminating these contaminants in aquatic environments is bioremediation, which uses microorganisms to remove unwanted substances. In natural waters, for example, complex microbial communities form biofilms, which can adsorb, bioaccumulate, biodegrade, and transform these contaminants present in the environment. This study aimed to evaluate the ability of natural river biofilms to remove the steroid hormones Estrone (E1), 17ß-estradiol (E2), 17a-ethinylestradiol (EE2), and Progesterone (PRO) from aquatic environments. The research involved biofilm samples obtained from the Alb River in Karlsruhe, Germany, and the Barigui River in Curitiba, Brazil. The biofilms were maintained both in natural river environments and controlled laboratory microcosms to conduct removal tests of target compounds. The experimental results demonstrated the complete removal of E1, E2, and EE2 under specific conditions, with biodegradation and/or biotransformation being the main mechanisms involved in the removal. The microbiological analysis showed that Proteobacteria, Bacteroidota, Actinobacteria, Firmicutes, and Deinococcota, represented the main phyla responsible for the process, but the two study regions showed different dominant genera. Micropollutants present in the environment affect the biofilm community, leading to sensitivity among certain species while promoting resilience and possible adaptation among others. Therefore, this thesis revealed the potential of river biofilms for the simultaneous removal of steroid hormones, thus providing a method capable of being used in wastewater treatment applications. Furthermore, the study provides valuable insights into the mechanisms of steroid hormone removal in the surface water of urban rivers Orientador: Prof. Dr. Júlio César Rodrigues de Azevedo; Coorientador: Prof. Dr. Charles Windson Isidoro Haminiuk; Banca: Júlio César Rodrigues de Azevedo (Presidente da Banca), Renata Ruaro, Miguel Mansur Aisse, Heloise Garcia Knapik, Gabriela Reichert, Patricio Guillermo Peralta Zamora e Charles Windson Isidoro Haminiuk; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental . Defesa : Curitiba, 23/06/2025; Inclui referências; Área de concentração: Engenharia Ambiental Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/98404 2025-01-01T00:00:00Z