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Dissertações |
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ELINA WANESSA RIBEIRO LOPES
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Utilização de Linguagem Python para Modelagem e Simulação do Modelo de Silva e Cerqueira no Tratamento de Efluentes por Microalgas
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Orientador : CARLOS EDUARDO DE FARIAS SILVA
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MEMBROS DA BANCA :
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CARLOS EDUARDO DE FARIAS SILVA
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DANIELE VITAL VICH
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FLÁVIA BARTIRA PEDRO DA SILVA ALMEIDA
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RENATA MARIA ROSAS GARCIA ALMEIDA
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Data: 16/03/2022
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A presença excessiva de nutrientes como nitrogênio e fósforo em corpos hídricos é alvo atual de preocupação ambiental, utilizar microalgas na remoção desses nutrientes surge como uma alternativa promissora. A aplicação de ferramentas computacionais, permite desenvolver algoritmos que avaliem o comportamento e otimizem a eficácia dessa remoção. O presente estudo realizou a modelagem cinética do crescimento microalgal através do modelo clássico de Monod e do modelo de Silva e Cerqueira, encontrando as constantes cinéticas características e permitindo a modelagem e simulação de bioprocessos de tratamento de efluentes por microalgas. Foram empregados dados de literatura para dois estudos, no primeiro foi avaliada a remoção de nutrientes (contaminantes) por Chlorella sp. para o efluente proveniente de um combinado de digestão anaeróbia e um efluente de digestão anaeróbia de um tanque de decantação primário. No segundo estudo foi avaliada a remoção de nutrientes de um efluente urbano por um mix de microalgas (Chlorella vulgaris, Scenedesmus obliquus e Chlamydomonas reinhardtii). O algoritmo adotado mostrou-se adequado em ambos os estudos. Para solução do problema proposto o algoritmo PSO (Particle Swarm Optimization) foi implementado no software Spyder (ambiente de desenvolvimento integrado de código aberto para programação em Python), e o kit de ferramentas de pesquisa PYSWARMS foi utilizada para a otimização (biblioteca). Os parâmetros do modelo foram estimados minimizando a soma dos erros quadrados calculados e para avaliar o desvio da curva simulada e dos pontos experimentais utilizou-se o conceito de erro preditivo do modelo (MPE – Model Predictive Error) (%). Para a remoção de contaminantes a equação de ordem n mostrou-se mais adequada com ordem intermediária entre 1ª e 2ª sendo utilizada (ou seja, 1 < n < 2) e com constante 0 < k < 0,2 obtendo-se MPE entre 15-28% semelhante a visto em literatura. Utilizando o Modelo de Monod o algoritmo foi capaz de determinar μmax e Ks que se mostraram nos intervalos: 0 < μmax < 4 dia-1 e 0 < Ks < 50 mg/L com MPE entre 15-28%. Essas constantes puderam ser aplicadas no modelo de Silva e Cerqueira e se estudar a delimitação de m e p, que são específicas desse modelo. De fato, o modelo se mostrou muito sensível a essas constantes, conseguindo-se delimitar um intervalo para convergência: 0 < p < 0,5 e 0 < m < 2, obtendo-se para os mesmos dados testados em Monod um MPE entre 4-15% para Silva e Cerqueira (significativamente menor). m e p mostraram influência significativa na magnitude e curvatura da curva de crescimento microalgal. Os resultados mostraram houve bom ajuste do crescimento microalgal e que é possível associar vários contaminantes a o crescimento celular de microalgas.
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The excessive presence of nutrients such as nitrogen and phosphorus in water bodies is a current target of environmental concern, using microalgae to remove these nutrients appears as a promising alternative. The application of computational tools allows the development of algorithms that evaluate the behavior and optimize the effectiveness of this removal. The present study carried out the kinetic modeling of microalgal growth through the classic Monod model and the Silva and Cerqueira model, finding the characteristic kinetic constants and allowing the modeling and simulation of bioprocesses of effluent treatment by microalgae. Literature data were used for two studies, in the first one the removal of nutrients (contaminants) by Chlorella sp. for effluent from a combined anaerobic digestion (CAD) and an anaerobic digestion effluent from a primary settling tank (PS). In the second study, the removal of nutrients from an urban effluent by a mix of microalgae (Chlorella vulgaris, Scenedesmus obliquus and Chlamydomonas reinhardtii) was evaluated. The adopted algorithm proved to be adequate in both studies. To solve the proposed problem, the PSO (Particle Swarm Optimization) algorithm was implemented in Spyder software (an open source integrated development environment for programming in Python), and the PYSWARMS research toolkit was used for optimization (library). The model parameters were estimated by minimizing the sum of the calculated square errors and to evaluate the deviation of the simulated curve and of the experimental points, the concept of model predictive error (MPE – Model Predictive Error) was used (%). For the removal of contaminants, the equation of order n proved to be more suitable with intermediate order between 1st and 2nd being used (ie, 1 < n < 2) and with constant 0 < k < 0.2, obtaining MPE between 15 -28% similar to that seen in literature. Using the Monod Model, the algorithm was able to determine μmax and Ks that were shown in the intervals: 0 < μmax < 4 day-1 and 0 < Ks < 50 mg/L with MPE between 15-28%. These constants could be applied in the Silva and Cerqueira model and the delimitation of m and p, which are specific to this model, could be studied. In fact, the model proved to be very sensitive to these constants, managing to define an interval for convergence: 0 < p < 0.5 and 0 < m < 2, obtaining for the same data tested in Monod an MPE between 4 -15% for Silva and Cerqueira (significantly lower). m and p showed a significant influence on the magnitude and curvature of the microalgal growth curve. The results showed that there was a good adjustment of microalgae growth and that it is possible to associate several contaminants with the cellular growth of microalgae.
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LUIS PAULO LIMA CARDOSO
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Simulação preliminar da geração de subprodutos em reatores biológicos tratando vinhaça.
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Orientador : ANTONIO PEDRO DE OLIVEIRA NETTO
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MEMBROS DA BANCA :
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ANTONIO PEDRO DE OLIVEIRA NETTO
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NELIA HENRIQUES CALLADO
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NORMA CANDIDA DOS SANTOS AMORIM
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TANIA MARIA GOMES VORONKOFF CARNAUBA
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Data: 29/03/2022
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Diversos problemas relacionados ao saneamento básico e ao não atendimento da demanda energética vem sendo enfrentados no Brasil, atualmente. Com isso a digestão anaeróbia se mostra como uma solução, tanto para suprir a demanda por tratamento de resíduos de origem residência e comercial, quanto para gerar energia elétrica de forma indireta, através do gás metano e hidrogênio. Portanto, diversos estudos vêm sendo realizados afim de verificar o potencial que cada resíduo tem na geração desses gases por meio de duas abordagens: uma abordagem experimental e uma abordagem de modelagem matemática, que busca simular o comportamento real da digestão anaeróbia, afim de proporcionar uma economia de tempo e recursos por meio da adequada calibração dos modelos obtidos. Dentre os resíduos mais promissores na geração de hidrogênio e metano, estão os resíduos agroindustriais, principalmente os que possuem quantidades elevadas de carboidratos, como é o caso da vinhaça. Assim sendo, este estudo realizou a análise cinética através do cálculo das constantes cinéticas e posterior simulação de modelos matemáticos, em dois reatores contínuos fluidificados em série (um acidogênico (RALF1) e o outro metanogênico (RALF2), tratando resíduo agroindustrial proveniente da cana-de-açúcar (vinhaça) para a produção de metano e hidrogênio. Para a simulação dos modelos adaptados foi utilizado o software Vensim PLE ®. Para cada reator e variável analisada (DQO, ácido butírico, ácido acético e ácido propiônico) foram considerados comportamento hidráulico de fluxo pistão e mistura completa, e ordens de reação 1 para DQO e 1 e 2 para os demais, também foram analisados nos diferentes TDHs a que foram submetidos no experimento (12 e 16 para RALF1 e 12, 6 e 4 para RALF2). A aderência das curvas geradas através das simulações foi realizada através do coeficiente de correlação de Pearson, que teve uma correlação forte com valores de 0,90 a 1, para a degradação da DQO e alguns situações dos metabólitos em questão.
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Several problems related to basic sanitation and not meeting the energy demand are currently being faced in Brazil. Thus, anaerobic digestion is shown as a solution, both to meet the demand for residential and commercial waste treatment and to generate electricity indirectly, through methane and hydrogen gas. Therefore, several studies have been conducted in order to verify the potential that each waste has in generating these gases through two approaches: an experimental approach and a mathematical modeling approach, which seeks to simulate the actual behavior of anaerobic digestion in order to provide a saving of time and resources through proper calibration of the models obtained. Among the most promising residues for hydrogen and methane generation are agro-industrial waste, especially those with high amounts of carbohydrates, as is the case of vinasse. Therefore, this study performed a kinetic analysis by calculating the kinetic constants and subsequent simulation of mathematical models, in two continuous fluidized reactors in series (one acidogenic (RALF1) and the other methanogenic (RALF2)), treating agroindustrial waste from sugarcane (vinasse) for the production of methane and hydrogen. For the simulation of the adapted models, the Vensim PLE ® software was used. For each reactor and variable analyzed (COD, butyric acid, acetic acid and propionic acid) the hydraulic behavior of piston flow and complete mixing were considered, and reaction orders 1 for COD and 1 and 2 for the others, were also analyzed in the different TDHs to which they were submitted in the experiment (12 and 16 for RALF1 and 12, 6 and 4 for RALF2). The adherence of the curves generated through the simulations was performed through Pearson's correlation coefficient, which had a strong correlation with values of 0.90 to 1, for the degradation of COD and some situations of the metabolites in question.
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LOURENÇO TIBÚRCIO NETO
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Produção de metano a partir da codigestão anaeróbia de vinhaça e melaço
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Orientador : EDUARDO LUCENA CAVALCANTE DE AMORIM
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MEMBROS DA BANCA :
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EDUARDO LUCENA CAVALCANTE DE AMORIM
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DANIELE VITAL VICH
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FERNANDA SANTANA PEITER
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INAÊ ALVES
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Data: 30/03/2022
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Este estudo teve como objetivo determinar a produção de metano a partir da co-digestão da vinhaça e melaço, utilizando biodigestor em batelada e lodo de reator UASB de uma estação de tratamento de esgoto doméstico, como inóculo. No experimento realizado foram variados três fatores, sendo eles a proporção dos substratos vinhaça/melaço, a DQO dos substratos e por fim a quantidade de alcalinizante utilizada em cada reator. A vinhaça e o melaço utilizados nos reatores foram diluídos até alcançarem as DQO de 3000, 6000 e 9000 mg/L. As proporções de vinhaça e melaço empregados foram de 25/75, 50/50 e 75/25. O bicarbonato de sódio foi usado como alcalinizante seguindo as relações de 0,50, 1,00 e 1,50 g/gDQO. Os reatores utilizados possuíam volume útil de 310 ml e volume reacional de 150 ml (headspace de aproximadamente 50%), e foram mantidos em temperatura mesofílica de 35 °C e sob agitação constante de 120 rpm. O rendimento obtido na co-digestão anaeróbia para a produção de metano variou entre 33,75 - 297,85 mLCH4/gSV e a remoção de DQO alcançou até 59%. Notou-se que as maiores produções de biogás ocorreram nos reatores que possuíam menos alcalinizante (0,50 gNaHCO3/gDQO), o que indica que nos reatores que possuíam mais bicarbonato de sódio ocorreu certa inibição da produção de metano. Os valores obtidos indicam que a co-digestão entre os dois substratos é viável contudo, a utilização do alcalizante comprometeu a análise dos outros dois fatores usados na pesquisa.
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This study aimed to determine the methane production from the co-digestion of vinasse and molasses, using batch digester and sludge from UASB reactor of a domestic sewage treatment plant as inoculum. In the experiment, three factors were varied: the proportion of substrates vinasse/molasses, the COD of the substrates and the amount of alkalinizer used in each reactor. The vinasse and molasses used in the reactors were diluted until they reached the COD of 3000, 6000 and 9000 mg/L. The proportions of vinasse and molasses used were 25/75, 50/50 and 75/25. Sodium bicarbonate was used as an alkalinizer following the ratios of 0.50, 1.00 and 1.50 g/g COD. The reactors used had a useful volume of 310 ml and a reaction volume of 150 ml (approximately 50% of headspace), and were kept at a mesophilic temperature of 35 °C and under constant agitation of 120 rpm. The yield obtained in anaerobic co-digestion for methane production ranged from 33.75 - 297.85 mLCH4/gSV and the COD removal reached up to 59%. It was noted that the highest biogas productions occurred in the reactors that had less alkalinizer (0.50 gNaHCO3/g COD), which indicates that in the reactors that had more sodium bicarbonate some inhibition of methane production occurred. The values obtained indicate that the co-digestion between the two substrates is viable, however, the use of alkali compromised the analysis of the other two factors used in the research.
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DIEGO ALMEIDA LEVINO
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Subsídios para gestão de resíduos em Campi universitários: Estudo de caso para o Campus A. C. Simões da Universidade Federal de Alagoas
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Orientador : NELIA HENRIQUES CALLADO
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MEMBROS DA BANCA :
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DANIEL PINTO FERNANDES
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ELIZABETH REGINA HALFELD DA COSTA
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IVETE VASCONCELOS LOPES FERREIRA
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NELIA HENRIQUES CALLADO
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Data: 30/03/2022
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No Brasil a partir de 2011 foi instituído o Plano Nacional de Resíduos Sólidos (PNRS), criado com o intuito de trabalhar a não geração, redução, reutilização, reciclagem, tratamento e disposição final ambientalmente adequada dos resíduos. Esse trabalho visou criar subsídios para a elaboração do Plano de Gestão de Resíduos Sólidos (PGRS) do Campus A. C. Simões (CACS) da UFAL, a partir da análise de experiência de gestão de resíduos em outras instituições federais. A metodologia aplicada envolveu duas fases, a primeira foi um levantamento das ações que já são realizados no CACS, e em outras instituições de ensino, estudo esse realizado por meio de pesquisas em sites e periódicos, e levantamento de dados junto ao Núcleo de Gestão de Resíduos da Superintendência de Infraestrutura (SINFRA) da UFAL. A segunda foi a realização do diagnóstico da gestão dos resíduos do CACS para subsidiar a elaboração do PGRS/CACS, baseado nos modelos de outras IES. A pesquisa literária identificou três IES que possuem plano completo de gestão de resíduos e que podem servir de referência para o CACS, todos elaborados a partir de pesquisas de mestrado e doutorado nas áreas de gestão de resíduos, com destaque para a Universidade Federal de Pernambuco (UFPE). O levantamento no CACS revelou que não há iniciativa institucional de segregação de resíduos na sua origem, sendo os resíduos potencialmente recicláveis descartados juntamente com os demais resíduos. A composição gravimétrica foi determinada por estimativa, resultando em 26,20 % orgânicos, 32,10 % papel/papelão, 19,60 % plástico, 4,30 % metal, 0,8 % vidro e 17%,10 outros, com geração pecapita variando de 0,046 kg/hab.dia a 0,092 kg/hab.dia. Nas lanchonetes e restaurantes, os principais problemas são o desperdício de alimentos e o descarte inadequado de óleos empregados na cozinha. No Restaurante Universitário (RU) o desperdício chega 454,6 kg/dia, com valor percapita de 117 g/pessoa.dia, valor semelhante ao encontrado nos demais restaurantes e lanchonetes do CACS (113 g/pessoa.dia). Estes estabelecimentos geram cerca de 60 L/dia de óleos usados. Os resíduos de laboratórios e os resíduos de construção civil, apresentam um processo de quantificação e caracterização na sua origem. Dos resíduos de laboratório, o Biotério Central e o Laboratório do Instituto de Química são os que geram maior volume, o primeiro produz semanalmente cerca de 27 bombonas de 200L de resíduo biológico e o segundo 24 bombonas de 200 L de resíduos químicos. Os resíduos de construção civil são reutilizados na obra e o que sobra é descartado nos contêineres para coleta. Os resíduos de inservíveis, pilhas, lâmpadas e baterias, não são quantificados, os inservíveis são acumulados no almoxarifado central da UFAL, sendo separados por blocos, como resto de computadores e eletrônicos e metais. As lâmpadas queimadas são também acumuladas no almoxarifado central e em 2019 chegaram à quantidade de 3.881 lâmpadas. Os resíduos de pilhas e baterias a UFAL não tem nenhuma iniciativa institucionalizada para a suas coletas, ficando a cargo de algumas iniciativas pontuais, onde os resíduos são acumulados e recolhidos, tendo como destinação final uma empresa de catadores de lixo. Os resíduos de podas e varrições são gerados independentemente das atividades acadêmicas, nesse sentido chegou-se a quantia média de 424,28 kg/ dia de folhas que são retiradas do campus. Por fim, o trabalho visou também a sugestão de uma nova rota tecnológica, que objetiva a separação dos resíduos recicláveis, num processo de triagem e uma compostagem dos resíduos orgânicos antes do descarte final no Aterro Sanitário de Maceió.
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In Brazil, as of 2011, it was established the National Solid Waste Plan (PNRS), created in order to work the non-generation, reduction, reuse, recycling, treatment and final disposal of waste environmentally appropriate. This work aimed to create subsidies for the preparation of the Solid Waste Management Plan (PGRS) of the Campus A. C. Simões (CACS) of UFAL, from the analysis of waste management experience in other federal institutions. The methodology applied involved two phases, the first was a survey of the actions that are already performed in CACS, and in other educational institutions, this study was conducted through research on websites and journals, and data survey with the Waste Management Center of the Superintendence of Infrastructure (SINFRA) of UFAL. The second was the performance of the CACS waste management diagnosis to support the preparation of the PGRS/CACS, based on models from other HEIs. The literature search identified three HEIs that have complete waste management plans that can serve as a reference for CACS, all of which were developed from master's and doctoral research in the areas of waste management, with emphasis on the Federal University of Pernambuco (UFPE). The survey at CACS revealed that there is no institutional initiative to segregate waste at its origin, with potentially recyclable waste being discarded along with other waste. The gravimetric composition was determined by estimation, resulting in 26.20% organic, 32.10% paper/cardboard, 19.60% plastic, 4.30% metal, 0.8% glass and 17%.10% others, with pecapita generation varying from 0.046 kg/inhabitant per day to 0.092 kg/inhabitant per day. In the cafeterias and restaurants, the main problems are the food waste and the inadequate disposal of cooking oils. In the University Restaurant (RU) the waste reaches 454.6 kg/day, with a percapita value of 117 g/person/day, similar to that found in other restaurants and cafeterias of the CACS (113 g/person/day). These establishments generate around 60 L/day of used oils. The laboratory waste and the civil construction waste, present a process of quantification and characterization in their origin. From the laboratory waste, the Central Animal Facility and the Chemical Institute Laboratory are the ones that generate the biggest volume, the first one produces weekly about 27 drums of 200L of biological waste and the second one produces 24 drums of 200L of chemical waste. Civil construction waste is reused in the building site and what is left over is disposed of in containers for collection. The unserviceable waste, batteries, lamps and batteries, are not quantified, the unserviceable are accumulated in the central warehouse of UFAL, being separated by blocks, as rest of computers and electronics and metals. Burnt lamps are also accumulated in the central warehouse and in 2019 reached the quantity of 3,881 lamps. The waste of batteries, UFAL does not have any institutionalized initiative for its collections, being in charge of some occasional initiatives, where the waste is accumulated and collected, having as final destination a company of rubbish collectors. The pruning and sweeping residues are generated independently of the academic activities, in this sense it was reached the average amount of 424.28 kg/day of leaves that are removed from the campus. Finally, the work also aimed at the suggestion of a new technological route, which aims at the separation of recyclable waste, in a process of sorting and a composting of organic waste before final disposal in the Landfill of Maceió.
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CLEBSON CARVALHO DE FARIAS
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RECONHECENDO EVENTOS HIDROLÓGICOS: INDISSOCIANDO MAGNITUDE EXTREMA, DURAÇÃO E PERÍODO DE OCORRÊNCIA NA ANÁLISE DE FREQUÊNCIA (RARIDADE)
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Orientador : CARLOS RUBERTO FRAGOSO JUNIOR
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MEMBROS DA BANCA :
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CARLOS RUBERTO FRAGOSO JUNIOR
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MARLLUS GUSTAVO FERREIRA PASSOS DAS NEVES
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CHRISTOPHER FREIRE SOUZA
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ANDREA SOUSA FONTES
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Data: 31/03/2022
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Com a necessidade de se analisar os aspectos de eventos com métodos que apresentam menores incertezas. Este trabalho tem como objetivo propor uma nova abordagem com o intuito de diminuir as incertezas nas análises de eventos hidrológicos considerando as diferentes variáveis de um evento como interdependentes, assim, obtendo mais informações sobre os eventos. O estudo foi aplicado na bacia do Rio São Francisco, o rio da integração nacional sofre com diferentes ações antrópicas, a partir da estação de Xingó com os dados de vazões observados fornecido pela Companhia Hidrelétrica do São Francisco (CHESF)/SAR da ANA, e as naturais reconstituída pelo Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), os dados são disponíveis no período de 1976-2018 para os dados observados e 1931-2018 para os dados naturais. As análises de eventos consideram usualmente uma variável, magnitude máximas ou mínimas por ano. Atualmente o uso de funções cópulas vem aumentando em analise multivariada de eventos hidrológicos, pois, é sabido a necessidade de considerar mais informações sobre os eventos. No Indicadores de Alterações Hidrológicas (IHA), método para obter informações sobre alteração de um regime por ações antrópicas, são analisadas as frequências dos aspectos (agregação de variáveis) de um evento considerando as variáveis independentes. Contudo, neste trabalho, foi aplicado funções cópulas para analisar os aspectos (variável agregadora) de um evento considerando as suas variáveis como sendo dependentes. As variáveis vazão, duração e período de ocorrência são as escolhidas para este trabalho, e as distribuições marginais para cada variável, respectivamente, Generalizada de Pareto (GP), Pearson 3, e Von Mises (cheias) e Normal (estiagens). A cópula Gaussiana apresentou os melhores resultados nos testes de bondade de ajustes para modelar os eventos de cheias e estiagens, enquanto as cópulas arquimedianas tiveram resultados satisfatórias para os eventos de cheias e insatisfatórios para os eventos de estiagens. Uma nova abordagem para análise de alteração do regime hidrológica foi introduzida, assim, mostrando as alterações no regime de vazão do rio São Francisco.
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With the need to analyze the aspects of events with methods that present fewer uncertainties. This work aims to propose a new approach in order to reduce the uncertainties in the analysis of hydrological events considering the different variables of an event as interdependent, thus obtaining more information about the events. The study was applied to the São Francisco River basin, the river of national integration that suffers from different anthropic actions, from the Xingó station with observed flow data provided by the Companhia Hidrelétrica do São Francisco (CHESF)/SAR of ANA, and natural data reconstituted by the Operador Nacional do Sistema Elétrico (ONS), the data are available for the period 1976-2018 for observed data and 1931-2018 for natural data. Event analyses usually consider one variable, maximum or minimum magnitude per year. Currently, the use of copula functions is increasing in multivariate analysis of hydrological events, as it is known that it is necessary to consider more information about the events. In Hydrological Alteration Indicators (HAI), a method to obtain information about alteration of a regime by anthropic actions, the frequencies of the aspects (aggregation of variables) of an event are analyzed considering the independent variables. However, in this work, copula functions were applied to analyze the aspects (aggregating variable) of an event considering its variables as being dependent. The variables flow, duration and period of occurrence are the ones chosen for this work, and the marginal distributions for each variable, respectively, Generalized Pareto (GP), Pearson 3, and Von Mises (floods) and Normal (droughts). The Gaussian copula showed the best results in the goodness of fit tests for modeling the flood and drought events, while the Archimedean copulas had satisfactory results for the flood events and unsatisfactory results for the drought events. A new approach for hydrological regime change analysis was introduced, thus showing changes in the flow regime of the São Francisco River.
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RAFAEL DOS SANTOS MATIAS
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Avaliação do impacto de mudanças no uso e cobertura do solo na geração de energia na bacia hidrográfica do rio São Francisco
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Orientador : CARLOS RUBERTO FRAGOSO JUNIOR
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MEMBROS DA BANCA :
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ADRIANO ROLIM DA PAZ
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CARLOS RUBERTO FRAGOSO JUNIOR
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MARLLUS GUSTAVO FERREIRA PASSOS DAS NEVES
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VLADIMIR CARAMORI BORGES DE SOUZA
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Data: 31/03/2022
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A matriz energética brasileira apresenta um montante expressivo de geração de energia hídrica, modalidade que é suscetível às condições hidroclimáticas da região ainda que o sistema de cascata vise mitigar esse risco. A bacia hidrográfica do rio São Francisco (BHRSF), altamente importante para o contexto energético da região nordeste, vem sofrendo os impactos do desmatamento que podem potencializar as condições adversas que fazem com que as usinas hidrelétricas precisem reduzir a vazão mínima efluentes dos reservatórios. Mudanças no uso e cobertura do solo podem aumentar a frequência e intensidade do escoamento superficial e/ou reduzir a recarga dos aquíferos, que sustentam os rios em períodos de estiagem. Entre as técnicas utilizadas para mensurar essa influência, a modelagem hidrológica se apresenta como uma ferramenta eficaz, inclusive pela escala da bacia estudada. Neste contexto, o presente trabalho realizará a análise do impacto de mudanças no uso e cobertura do solo na geração de energia na BHRSF através da simulação hidrológica realizada pelo Modelo de Grandes Bacias do Instituto de Pesquisas Hidráulicas (MGB-IPH). A eficiência da simulação será avaliada pelos Coeficiente de Nash e Sutcliffe (R²) e a raiz do erro médio quadrático (RMSE). Para lidar com a qualidade dos dados de precipitação, serão aplicadas três metodologias de preenchimento de falhas. O estudo será realizado de acordo os cenários denominados caminhos socioeconômicos compartilhados (SSP, do inglês “Shared Socioeconomic Pathways”), que contêm cinco possíveis tendências de desenvolvimento sociais, econômicas, ambientais e tecnológicas. As diferenças entre os resultados de cada cenário serão avaliadas através da análise de variância (ANOVA) e o teste de Tukey. Espera-se contribuir para o entendimento da dinâmica hidrológica na bacia perante as mudanças no uso e cobertura do solo e até que ponto isto afeta o setor energético da região.
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The Brazilian energy matrix has an expressive amount of hydropower generation, a modality that is susceptible to the region's hydroclimatic conditions, although the waterfall system aims to mitigate this risk. The São Francisco river basin (BHRSF), highly important for the energy context of the northeast region, has been suffering the impacts of deforestation that can potentiate the adverse conditions that make hydroelectric plants need to reduce the minimum effluent flow from reservoirs. Changes in land use and cover can increase the frequency and intensity of surface runoff and/or reduce the recharge of aquifers, which sustain rivers in periods of drought. Among the techniques used to measure this influence, hydrological modeling is presented as an effective tool, including the scale of the basin studied. In this context, the present work will analyze the impact of changes in land use and cover on energy generation in the BHRSF through the hydrological simulation carried out by the Large Basin Model of the Instituto de Pesquisas Hidráulicas (MGB-IPH). The simulation efficiency will be evaluated by the Nash and Sutcliffe coefficients (R²) and the root mean squared error (RMSE). To deal with the quality of the precipitation data, three gap filling methodologies will be applied. The study will be carried out according to scenarios called Shared Socioeconomic Pathways (SSP), which contain five possible trends in social, economic, environmental and technological development. Differences between the results of each scenario will be evaluated through analysis of variance (ANOVA) and Tukey's test. It is expected to contribute to the understanding of the hydrological dynamics in the basin in the face of changes in land use and cover and to what extent this affects the region's energy sector.
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ANA KAROLINE DE ALMEIDA SILVA
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Sistemas de tratamento biológico descentralizados, com diferentes configurações, tratando efluentes sanitários: Avaliação do desempenho técnico e operacional
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Orientador : NELIA HENRIQUES CALLADO
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MEMBROS DA BANCA :
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DANIEL PINTO FERNANDES
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EDUARDO LUCENA CAVALCANTE DE AMORIM
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ELIZABETH REGINA HALFELD DA COSTA
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MARIA RAPHAELLA DOS SANTOS VASCONCELOS
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NELIA HENRIQUES CALLADO
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Data: 31/03/2022
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Embora o marco regulatório do saneamento, Lei 11.445/2007 atualizada pela Lei 14.026/2020, que preconiza a universalização dos serviços de saneamento no Brasil, o Sistema Nacional de Informações sobre Saneamento (SNIS) aponta que Alagoas atende com rede coletora de esgotos, apenas 28,1% da população urbana e sua capital, Maceió, apenas 42,2% da população total (urbana e rural) é efetivamente atendida por redes coletoras de esgoto, com estimativa de que 14,7 milhões de m³ de esgoto são descartados sem tratamento. Apesar a privatização dos serviços de abastecimento de água e esgotamento sanitário de Maceió, ocorrido em set/2020, ser a responsável pela ampliação da cobertura da rede coletora de esgoto para 90% até 2033, as ETEs compactas, instaladas em empreendimentos comerciais e residenciais, também contribuem para o alcance dessas metas. No entanto a operação e o monitoramento desses sistemas ainda é um desafio para os que dispõem de infraestrutura e recursos financeiros limitados, tendo como alternativa a terceirização destes serviços, a fim de garantir que o efluente produzido atenda a legislação vigente. Nesse sentido, as ETEs compactas devem ser simples, eficientes, sustentáveis e economicamente viáveis. Assim, o presente trabalho teve por objetivo, avaliar quatro estações compactas de tratamento de esgoto, com tratamento anaeróbio seguido de pós-tratamento aeróbio, com configurações distintas (três aeradas mecanicamente e uma com aeração natural), visando identificar como são operadas e monitoradas, suas principais limitações, e se os efluentes tratados atendem aos padrões de lançamento da CONAMA 430/2011. Os resultados mostraram que todas elas conseguem enquadrar o efluente tratado aos padrões de lançamento, com procedimentos operacionais padronizados e aplicação de hipoclorito de sódio para desinfecção. Em três delas o lodo em excesso é retirado por caminhões limpa fossas com efluente tratado descartado no solo e apenas uma utiliza leito de secagem para desidratação do lodo em excesso com efluente tratado em reuso urbano não potável. O monitoramento da qualidade do efluente tem objetivo apenas de verificar o cumprimento dos padrões de descarte sem preocupação com o monitoramento dos processos anaeróbio e aeróbio. A principal limitação ocorre pela ausência de medição de vazão afluente as ETEs o que impede verificar os parâmetros operacionais e o ajuste da dosagem de hipoclorito de sódio. A eficiência média de remoção de matéria orgânica das quatro ETEs foi de 87,1±2,2%.
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Although the sanitation regulatory mark, Law 11.445/2007 updated by Law 14. 026/2020, which advocates the universalization of sanitation services in Brazil, the National Information System on Sanitation (SNIS) indicates that Alagoas is served by sewage collection networks, only 28.1% of the urban population and its capital, Maceió, only 42.2% of the total population (urban and rural) is effectively served by sewage collection networks, with an estimate that 14.7 million m³ of sewage are disposed of without treatment. Although the privatization of the water supply and sanitary sewage services in Maceió, which occurred in Sep/2020, is responsible for the expansion of the sewage collection network coverage to 90% by 2033, the compact ETEs, installed in commercial and residential developments, also contribute to the achievement of these goals. However, the operation and monitoring of these systems is still a challenge for those who have limited infrastructure and financial resources, having as an alternative the outsourcing of these services, in order to ensure that the effluent produced meets the current legislation. In this sense, compact WWTPs should be simple, efficient, sustainable and economically feasible. Thus, this study aimed to evaluate four compact sewage treatment plants, with anaerobic treatment followed by aerobic post-treatment, with different configurations (three mechanically aerated and one with natural aeration), in order to identify how they are operated and monitored, their main limitations, and whether the treated effluents meet the release standards of CONAMA 430/2011. The results showed that all of them can fit the treated effluent to the release standards, with standard operating procedures and application of sodium hypochlorite for disinfection. In three of them the excess sludge is removed by tank cleaning trucks with treated effluent disposed on the soil and only one of them uses a drying bed for dehydration of the excess sludge with treated effluent in non-potable urban reuse. The monitoring of the effluent quality is aimed only at checking compliance with discharge standards without concern for monitoring the anaerobic and aerobic processes. The main limitation occurs due to the lack of measurement of the affluent flow of the ETEs, which prevents the verification of operational parameters and the adjustment of the dosage of sodium hypochlorite. The average efficiency of organic matter removal of the four ETEs was 87.1±2.2%
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MARCONE CORREIA DE OLIVEIRA LIMA FILHO
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Performance de modelos semiempíricos para estimativa remota da concentração de CDOM em um estuário tropical produtivo
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Orientador : CARLOS RUBERTO FRAGOSO JUNIOR
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MEMBROS DA BANCA :
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JOSICLEDA DOMICIANO GALVINCIO
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CARLOS RUBERTO FRAGOSO JUNIOR
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DANIELE VITAL VICH
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REGINA CAMARA LINS
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Data: 27/04/2022
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A matéria orgânica dissolvida colorida (CDOM) é uma grande responsável pela absorção da luz solar e afeta os processos fotobiológicos e ecológicos de sistemas aquáticos. Os sistemas estuarinos são suscetíveis a altas concentrações devido ao carbono terrestre proveniente da bacia hidrográfica. Assim, há necessidade de um monitoramento regular deste parâmetro nestes sistemas aquáticos visando um adequado funcionamento ecossistêmico. O uso de sensoriamento remoto é uma excelente alternativa devido sua capacidade de monitorar corpos hídricos a um baixo custo, em áreas amplas e intervalos de tempo adequados. No entanto, ainda há necessidade de algoritmos mais robustos para estimativa de CDOM em sistemas opticamente complexos como é o caso de sistemas estuarinos. Nesse trabalho, buscou-se desenvolver modelos semiempíricos para estimativa remota de CDOM em um sistema estuarino-lagunar tropical produtivo. Para isso, foram utilizados dados coletados in situ de reflectância espectral e medições da concentração de CDOM. A partir desse conjunto de dados, foram desenvolvidos modelos semiempíricos baseados na razão de duas, três e quatro bandas. A busca pelas bandas foi realizada de forma automática por algoritmo genético. Foram avaliados a regressão linear simples, Support Vector Machine (SVM) e o método de regressão linear robusta RANSAC. Foram testadas diversas razões de bandas e os melhores ajuste foram obtidos utilizando modelo de duas bandas, R(702)/R(539), e três bandas, [R(539) -1 - R(699)-1]xR(716), com R2 de 0.917 e 0.923, respectivamente. Observou-se que a escolha de bandas tem um papel crítico para o desenvolvimento de bons modelos para estimativa de CDOM, e o uso de algoritmo genético permite automatizar a tarefa. Além do mais, o uso de duas bandas selecionadas adequadamente é suficiente para obtenção de boas estimativas. Por fim, a aplicação de regressão linear robusta demonstrou lidar bem com dados provenientes de sensores reais, por ser mais tolerante a presença de outliers.
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Colored dissolved organic matter (CDOM) is largely responsible for the absorption of sunlight and affects the photobiological and ecological processes of aquatic systems. Estuarine systems are susceptible to high concentrations due to terrestrial carbon coming from the watershed. Thus, there is a need for regular monitoring of this parameter in these aquatic systems aiming at an adequate ecosystem operation. The use of remote sensing is an excellent alternative due to its ability to monitor water bodies at a low cost, in wide areas and adequate time intervals. However, there is still a need for more robust algorithms for estimating CDOM in optically complex systems such as estuarine systems. In this work, we sought to develop semi-empirical models for remote estimation of CDOM in a productive tropical estuarine-lagoon system. For this, data collected in situ of spectral reflectance and measurements of CDOM concentration were used. From this dataset, semi-empirical models based on the ratio of two, three and four bands were developed. The search for bands was performed automatically by a genetic algorithm. Simple linear regression, Support Vector Machine (SVM) and the RANSAC robust linear regression method were evaluated. Several band ratios were tested and the best fit was obtained using a two-band model, R(702)/R(539), and three bands, [R(539)-1-R(699)-1]xR(716 ), with R2 of 0.917 and 0.923, respectively. It was observed that the choice of bands plays a critical role in the development of good models for estimating CDOM, and the use of a genetic algorithm allows automating the task. Furthermore, the use of two properly selected bands is sufficient to obtain good estimates. Finally, the application of robust linear regression proved to deal well with data from real sensors, as it is more tolerant of the presence of outliers.
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THAYSE FARIAS DE BARROS
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Produção de metano a partir da codigestão do caldo do capim elefante e vinhaça
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Orientador : EDUARDO LUCENA CAVALCANTE DE AMORIM
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MEMBROS DA BANCA :
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ANDERSON CARLOS MARAFON
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DAYANA DE GUSMAO COELHO
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EDUARDO LUCENA CAVALCANTE DE AMORIM
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JULIANA SILVA MARTINS
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Data: 30/05/2022
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A produção de energia por fontes fósseis acarreta grandes danos ao meio ambiente, elevando-se drasticamente ao decorrer dos anos. Uma forma de diminuir esses danos é usando a biomassa como fonte de energia como por exemplo o caldo de capim elefante (CCE) e vinhaça, ambos possuindo grande potencial para geração de energia. No entanto, o uso dessas biomassas em conjunto para produção de metano, ainda possuem desafios tecnológicos a serem superados. Um destes obstáculos diz respeito a necessidade de reduzir o efeito negativo da redução abrupta de pH provocada pelo caldo de capim-elefante. Dessa forma, o presente estudo teve como objetivo avaliar a codigestão dos substratos citados, na produção de metano, utilizando reatores em batelada e lodo de reator UASB (Upflow Anaeróbic Sludge Blanket) de ETE, como inóculo. Para isso, a montagem dos reatores foi executada a partir do planejamento experimental do tipo Box-Behnken que foi escolhido a fim de otimizar o experimento. Esse planejamento consiste em três fatores, sendo eles a adição de bicarbonato, proporção de mistura e porcentagem de inóculo. Foram escolhidos três níveis de cada fator: 0,05, 0,15 e 0,25 gHCO3:gCOD, para adição de bicarbonato de sódio; 25:75, 50:50 e 75:25, para a proporção de CCE e Vinhaça (E:V); e 10, 15 e 20% de concentração de inóculo, referente ao volume de reação. Através do planejamento foi possível fornecer uma superfície de respostas a fim de avaliar a interação entre os fatores e a produção de metano (CH4). Os reatores foram operados por 33 dias o que resultou em uma produção acumulada de CH4 variando entre 372 e 1092 mLCH4/gSV. O planejamento experimental forneceu uma equação de regressão quadrática com alta representatividade dos resultados dado pelo R2 de 0,9213. Apesar de todos os fatores serem representativos para o modelo, o bicarbonato se destacou, o que mostra a necessidade do mesmo para garantir o tamponamento do pH. Através do modelo, foi possível obter os pontos ótimos de cada fator para a melhor produção de CH4 acumulado, sendo eles 0,19 gHCO3:gDQO, 50,78/49,22 (C/V) e 15,60% para bicarbonato, proporção mistura e taxa de inóculo respectivamente, esses pontos ótimos se assemelham a um dos reatores que mais produziram CH4 acumulado. Além disso, as maiores produções de CH4 acumulado tiveram a adição de bicarbonato próximo ao ótimo sendo assim, pode-se compreender que o bicarbonato é um fator limitante no aumento da produção de CH4 acumulado.
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The production of energy by environmental sources can lead to great environmental damage over the years. One way to reduce these damages is to use biomass as an energy source, such as elephant grass broth (EGB) and vinasse, both of which have great potential for energy generation. However, the use of these biomasses together for methane still has technological challenges to be overcome. One of these obstacles concerns the need to reduce the negative effect of the abrupt pH reduction caused by elephant grass broth. Thus, the present study aimed to evaluate the anaerobic codigestion of these substrates to produce methane, using batch reactors and the sludge from a UASB reactor (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) as inoculum. The assembly of the reactors was carried out based on the Box-Behnken Design of Experiment, which was chosen to optimize the experiment. This design consists of three factors: addition of sodium bicarbonate; the proportion of substrates mix; and inoculum concentration. Three levels of each factor were chosen: 0.05, 0.15 and 0.25 gHCO3:gCOD, for addition of sodium bicarbonate; 25:75, 50:50 and 75:25, for the proportion of EGB and Vinasse (E:V); and 10, 15 and 20% of inoculum concentration, in reference to the reaction volume. Through Box-Behnken planning, it was possible to provide a response surface to evaluate the interaction between the factors and the production of methane (CH4). The reactors were operated for 33 days, which resulted in an accumulated production of CH4 varying between 372 and 1092 mLCH4/gSV. The experimental design provided a quadratic regression equation with high representation of the results given by the R2 of 0.9213. Although all factors were representative of the model, the factor of sodium bicarbonate addition stands out, which shows its relevance to pH buffering. Through the model, it was possible to obtain the optimal points of each factor for the best production of accumulated CH4, being 0.19 gHCO3:gCOD, 50.78/49.22 (C/V) and 15.60%, respectively for sodium bicarbonate rate, substrates proportion and inoculum concentration; these optimal points resemble one of the reactors that produced the most accumulated CH4. In addition, the largest values of CH4 production were related to the addition of sodium bicarbonate close to optimal
point, thus indicating that this factor could be a limiting factor in the increase of accumulated CH4.
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