Development of a computational application for simulation and optimization of biological nutrient removal (nitrogen and phosphorus) in wastewater.

O acúmulo de fósforo e nitrogênio em corpos hídricos pode levar ao seu comprometimento, decorrente da proliferação excessiva de algas, que além de competirem com outros seres aquáticos pelo oxigênio dissolvido disponível, podem liberar substâncias tóxicas ocasionando a mortalidade de muitos seres, além de sabor e odor desagradáveis, tendo então grande importância em questões de saúde pública e para o meio ambiente. O trabalho exposto aqui tem o objetivo de desenvolver um aplicativo computacional para simulação e otimização de tratamento de águas residuárias para remoção biológica de nutrientes (N e P). A remoção de nitrogênio se dá pelos processos seqüenciais de nitrificação e desnitrificação. Para remover fósforo é necessário que se desenvolva uma população específica de bactérias de alta fração mássica de fósforo. Existem várias configurações para efetuar a remoção biológica de nutrientes. A principal diferença entre elas é a maneira como se protege a zona anaeróbia da introdução de nitrato, evitando que o material rapidamente biodegradável seja consumido por microrganismos de baixa fração mássica de fósforo. O programa é dividido em duas partes, otimização e simulação. Na otimização identifica-se qual é o menor tamanho do sistema para efetuar a remoção dos nutrientes para uma determinada configuração e conjunto de condições operacionais. A simulação, como o próprio nome já diz, tem o objetivo de imitar o funcionamento real do sistema biológico de remoção de nutrientes. O programa permite extrair dados como consumo de oxigênio, remoção de material orgânico e de nutrientes, produção e composição de lodo, volume das unidades e custos financeiros, idade de lodo entre outros. A linguagem adotada é baseada em eventos e em objetos, o que permitiu a utilização de uma interface gráfica agradável e de fácil entendimento, como também a utilização de imagem para exibição dos sistemas adotados e armazenamento de dados de entrada e saída em arquivo texto e a apresentação de gráfico para a remoção de fósforo. Em testes preliminares o programa mostrou ser eficaz na simulação da remoção de nutrientes e material orgânico, como também na indicação dos volumes otimizados das unidades utilizadas na configuração, mostrando que pode ser utilizado para escolha das configurações aqui analisadas e seu dimensionamento.The accumulation of phosphorus and nitrogen in reservoirs of public drinking water supplies can lead to its deterioration , caused by extreme algae proliferation, that in addition to competing with other aquatic beings for the available dissolved oxygen, can liberate toxic substances causing disease of many organisms. They also cause unpleasant flavor and odor, having therefore great importance in questions of public health and for the environment. This dissertation has the objective of developing computational applications for simulation and optimization of wastewater treatment plants for biological removal of nutrients (N and P). There are several conFigurations that can be used for biological nutrient removal (BNR). The main difference between these is the way the anaerobic zone is protected from nitrate introduction, avoiding that the quickly biodegradable materials are consumed by microorganisms of low mass fraction of phosphorus. The software is divided in two parts, optimization and simulation. In the optimization the smallest volume of the system to effect the removal of nutrients is identified for any particular configuration and set of operational conditions. The simulation, as the proper name already says, has the objective to imitate the real functioning of the BNR. The software allows to extract data like oxygen consumption, removal of organic material and nutrients, production and composition of sludge, volume of the units and financial costs, sludge age among others. The adopted language is based on events and objects, which it allowed the use of friendly graphical interface and easy understanding, as well as the use of images for exhibition of the adopted systems and stirage of input and output data in text files and graphical presentation for the removal of phosphorus. In preliminary tests the software proved to be efficient in the simulation of nutrients and organic material removal, as well as in the indication of the optimal volumes of the units used in any configuration, showing that it can be used for the selection and sizing of the configurations evaluated in this text