Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/1843/53106
Type: Dissertação
Title: Real time monitoring of solids by a low-cost ultrasonic sensor : signal analysis and application in full-scale activated sludge systems and UASB reactors
Other Titles: Monitoramento de sólidos em tempo real por um sensor ultrassônico de baixo custo : análise do sinal e aplicação em sistemas de lodos ativados e reatores UASB em escala plena
Authors: Rafael Pessoa Santos Brochado
First Advisor: Thiago de Alencar Neves
First Co-advisor: Luewton Lemos Felício Agostinho
First Referee: Marcos Von Sperling
Second Referee: Thiago Bressani Ribeiro
Third Referee: Matheus Pimentel de Matos
Abstract: One of the main aspects for the operational control of Sewage Treatment Plants (STPs) is related to sludge management. STPs with aerobic or anaerobic treatment requires proper control of solids in their reactors or settlers. The lack of a proper control can generate the solids washout, that deteriorates the quality of the treated effluent, thus polluting the water body. Real-time monitoring of solids by ultrasonic sensor (US sensor) is an alternative to manual measurement, which allows a faster response to the operator, less labor and lower energy consumption. US sensor is based on the pulse-echo technique, which estimates total suspended solid (TSS) content through ultrasonic attenuation. Laboratory scale tests showed that the type of solid, temperature and the presence of bubbles can interfere with the sensor reading. For temperature, the sensor itself can autocorrect its measurement, however, a model still needs to be consolidated for that. Full-scale tests were evaluated in a large-scale UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) reactor in Brazil, which failed to show correlation of total solids (TS) with ultrasonic attenuation. However, the sensor was located on the lateral region of the reactor. Its location is an important factor to be evaluated, since it was successfully tested in a demonstration-scale UASB reactor, being positioned at the center of the reactor. The sensor was also applied in two STPs in the Netherlands, in activated sludge systems. The sensor was positioned in a carousel unit and compared with a commercial optical sensor for TSS determination. In the first small-sized STP (STP Grou), the sensor showed measurements compatible with the gravimetric test of TSS for the period of one week. The measurements remained compatible during tests at STP Leeuwarden, a medium-sized STP for a period of 5 weeks. During that period the US sensor had a relative error of 1.14%, while the optical sensor 1.02% compared to the gravimetric test. After the third week, however, the US sensor showed an underestimation of TSS concentration, presenting values ​​of up to 0.08%, while the optical sensors and the gravimetric test maintained measurements close to 0.3%. This result probably indicates the need for monthly sensor calibration. One of the main problems encountered in full-scale application was the US sensor fouling. Mainly hairs were adhered to the reflection surface support causing the complete attenuation of the signal. For further tests, a cleaner design is recommended to avoid the adherence of solids on the support. Furthermore, the US sensor showed to me a promising technology for real time monitoring of solids in STPs. Further tests should be performed to improve the sensor development, so it can be a viable national commercial alternative for the sanitation companies.
Abstract: Um dos ​​​​​principais aspectos para o controle operacional das Estações de Tratamento de Esgoto (ETEs) está relacionado ao gerenciamento do lodo. Os sistemas de tratamento de esgoto, aeróbios ou anaeróbios, necessitam de um controle adequado da concentração de sólidos em seus reatores. A falta desse controle pode gerar uma sobrecarga de sólidos que deteriora a qualidade do efluente tratado e, consequentemente, o corpo hídrico receptor. O monitoramento em tempo real de sólidos pelo sensor ultrassônico (sensor US) diretamente nos reatores biológicos de tratamento de esgoto é uma alternativa à medição manual e possibilita uma resposta mais rápida ao operador, menor mão-de-obra e um menor custo energético. O sensor US se baseia na técnica pulso-eco para determinação da concentração de sólidos através da atenuação do sinal ultrassônico. Para o uso mais adequado do sensor, a determinação dos fatores intervenientes a sua medição foi realizada. Testes em escala de laboratório mostraram que o tipo de sólido, temperatura e a presença de bolhas podem interferir na leitura do sensor. Para temperatura, o próprio sensor pode medi-la e corrigir sua medição, no entanto, um modelo ainda precisa ser consolidado para a compensação considerando uma coleta contínua de dados. Em testes em escala real foram avaliados primeiramente um reator UASB (Upflow Anaerobic SLudge blanket), de grande escala, porém não houve correlação de sólidos totais (ST) com a atenuação do sensor. O sensor esteve localizado na região lateral do reator UASB, possivelmente o posicionamento do sensor seja um fator importante a ser considerado, uma vez que foi testado com sucesso em um reator UASB escala demonstração, sendo posicionado ao centro do reator. O sensor foi também aplicado em duas ETEs na Holanda, em sistemas de lodos ativados. Nesse caso ele foi posicionado em unidades de carrossel e comparado com um sensor de sólidos óptico comercial. Na primeira ETE (ETE Grou), de pequeno porte, o sensor mostrou medições compatíveis com o teste gravimétrico de sólidos suspensos totais (SST) duraten o período de uma semana.  As medições mantiveram compatíveis durante testes da ETE Leeuwarden, uma ETE de médio porte. Considerando um período de 5 semanas, a estimativa de SST pelo sensor ultrassônico obteve um erro relativo de  1,14% , enquanto o sensor óptico 1,02% em relação ao teste gravimétrico. Após a terceira semana, no entanto, o US sensor superestimou a concentração de SST, apresentando valores de até 0.08%, enquanto o sensor óptico e o teste gravimétrico mantiveram medições próximas de 0.3%. Esse resultado é um indicativo da necessidade de calibração mensal do sensor.  Um dos principais problemas encontrados na aplicação em escala real foi o acúmulo de sólidos no tubo de suporte do sensor, notadamente fios de cabelo, que demandam uma limpeza frequente por parte dos operadores. Testes com um suporte para a superfície refletora do sinal mais limpa e com menos possibilidades de aderência dos sólidos devem ser realizados. O sensor US se mostrou uma tecnologia ainda promissora para competir no mercado com sensores de baixo custo, com a manutenção e comunicação facilitada por se tratar de uma tecnologia nacional.
Subject: Engenharia sanitária
Saneamento
Esgotos - Tratamento
Lodo de esgoto
language: eng
metadata.dc.publisher.country: Brasil
Publisher: Universidade Federal de Minas Gerais
Publisher Initials: UFMG
metadata.dc.publisher.department: ENG - DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA SANITÁRIA E AMBIENTAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Saneamento, Meio Ambiente e Recursos Hídricos
Rights: Acesso Aberto
URI: http://hdl.handle.net/1843/53106
Issue Date: 14-Jul-2022
Appears in Collections:Dissertações de Mestrado

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