https://hdl.handle.net/1884/39825 Wed, 22 Apr 2026 22:23:23 GMT 2026-04-22T22:23:23Z 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 https://hdl.handle.net/1884/98843 Aplicação da matriz de emissão e excitação de fluorescência como ferramenta de monitoramento de matério orgânica recalcitrante em efluente de celulose kraft durante tratamento biológico Resumo: Este estudo avaliou o uso de Matriz de Emissão e Excitação de Fluorescência (MEEF) como ferramenta na otimização de processos aeróbios tratando efluente de celulose e papel kraft por meio do monitoramento da eficiência de um sistema de tratamento biológico em escala de bancada simulando uma Lagoa Aerada Facultativa (LAF). A caracterização do efluente industrial mostrou um efluente com Demanda Química de Oxigênio (DQO) variando de 454 a 704 mgO2/L, Demanda Bioquímica de Oxigênio (DBO5) variando de 116 a 334 mgO2/L, Compostos Fenólicos Totais (CFT) variando de 91 a 350 mg/L, Cor variando de 0,06 a 0,37 UA, Compostos Lignínicos (CL) variando de 0,93 a 6,02 UA, Área Espectral (AE) variando de 64 a 1040 cm2, Turbidez variando de 18 a 99 UNT e pH variando de 6,4 a 8,4. O protótipo de LAF, com volume de 1 L, foi operado por 510 dias em fluxo contínuo com Carga Orgânica Volumétrica (COV) média de 0,2 kgDQO/m3d e Tempo de Detenção Hidráulico (TDH) médio de 3 dias. Foram testadas diferentes condições de Oxigênio Dissolvido (OD) na LAF (Fase I com aeração média de aproximadamente 6 mgO2/L, Fase II com aeração média de aproximadamente 4 mgO2/L e Fase III com aeração média de aproximadamente 3 mgO2/L), utilizando a Matriz de Emissão e Excitação de Fluorescência como ferramenta de monitoramento associada à análise de parâmetros convencionais (DQO, DBO5,20, CL, CFT, AE e turbidez) e à análise cromatográfica para detecção de ácidos resínicos e eugenol. Durante o experimento a técnica de MEEF revelou-se eficaz para identificar a melhor condição de aeração, além de mostrar as alterações qualitativas na matéria orgânica dissolvida, identificando a ocorrência de biotransformações durante o processo biológico de tratamento. Os melhores resultados de eficiência foram obtidos durante a Fase III com aproximadamente 3 mgO2/L, onde se obteve remoções de 46 % da DQO, 85 % da DBO5, 12 % dos Compostos Fenólicos Totais, 19% da Cor, 36% dos Compostos Lignínicos, 12% da Área Espectral, 6% do Ácido Dehidroabiético, 4% do Ácido Isopimárico e 45% do Eugenol. Mostrando que além de não comprometer a eficiência do tratamento na remoção da matéria orgânica lábil, a redução do OD ainda propiciou maior remoção dos compostos fenólicos e ácidos resínicos no efluente do tratamento. Observou-se também que compostos como os ácidos resínicos apresentaram tendência a adsorção e posterior dessorção do lodo, afetando a eficiência nas Fases I e II. Por fim, foi possível concluir que o sistema LAF é promissor para o tratamento de efluente kraft, e que a utilização da MEEF como ferramenta de monitoramento complementa análises tradicionais de medição da matéria orgânica dissolvida e pode ser integrada ao monitoramento para melhor controle operacional do sistema.; Abstract: This study evaluated the application of Excitation-Emission Matrix Fluorescence (MEEF) as a monitoring tool for optimizing aerobic processes in the treatment of kraft pulp and paper mill effluent, using a bench-scale biological system simulating an Aerated Stabilization Basin (ASB). The initial characterization of the effluent revealed high organic and phenolic loads, with COD values ranging from 454 to 704 mg O2/L, BOD5 from 116 to 334 mg O2/L, Total Phenolic Compounds from 91 to 350 mg/L, Color from 0,06 a 0,37 AU, lignin-derived compounds from 0,93 a 6,02 UA, Spectral Area from 64 a 1040 UA/nm, Turbidity from 18 a 99 UNT and pH from 6,4 a 8,4. The ASB prototype, with a working volume of 1 L, was continuously operated for 510 days under different aeration conditions (6 , 4, and 3 mg O2/L in Phases I, II, and III, respectively), with an volumetric organic loading rate (OLR) of 0.2 kgCOD/m3d and a mean hydraulic retention time (HRT) of 3 days. MEEF, combined with conventional analyses (COD, BOD, lignin-derived compounds, phenolic compounds, color e turbidity) and chromatographic detection of resin acids and eugenol, proved sensitive in detecting qualitative changes in dissolved organic matter, allowing the identification of the most efficient operational condition. The best results were obtained during Phase III (~ 3 mg O2/L), with removals of 46% COD, 85% BOD5, 12% total phenolic compounds, 19% color, 36% lignin-derived compounds, 12% spectral area, 6 % dehydroabietic acid, 4% isopimaric acid, and 45% eugenol. These findings indicate that reducing oxygen supply did not compromise the removal of labile organic matter and further favored the elimination of phenolic compounds and resin acids. Resin acids also showed a tendency to adsorb and subsequently desorb from sludge, which affected treatment efficiency in Phases I and II. In conclusion, the ASB system demonstrated potential for kraft effluent treatment, and the integration of MEEF into conventional monitoring represents a promising strategy for operational control, providing complementary information on the qualitative transformations of dissolved organic matter throughout the process. Orientador: Prof. Dr. Júlio César Rodrigues de Azevedo; Coorientadora: Profa. Dra. Claudia Regina Xavier; Banca: Júlio César Rodrigues de Azevedo (Presidente da Banca), Claudia Regina Xavier , Miguel Mansur Aisse, Daniel Costa dos Santos, Soledad Chamorro Rodríguez e Flavio Bentes Freire; Tese (doutorado) - Universidade Federal do Paraná, Setor de Tecnologia, Programa de Pós-Graduação em Engenharia de Recursos Hídricos e Ambiental. Defesa : Curitiba, 15/07/2025; Inclui referências; Área de concentração: Engenharia Ambiental Wed, 01 Jan 2025 00:00:00 GMT https://hdl.handle.net/1884/98843 2025-01-01T00:00:00Z