00 CAMPUS ARISTÓTELES CALAZANS SIMÕES (CAMPUS A. C. SIMÕES) CTEC - CENTRO DE TECNOLOGIA Dissertações e Teses defendidas na UFAL - CTEC
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Tipo: Dissertação
Título: Utilização de linguagem Python para modelagem e simulação do Modelo de Silva e Cerqueira no tratamento de efluentes por microalgas
Título(s) alternativo(s): Use of Python language for modeling and simulation of the Silva and Cerqueira Model in microalgae effluent treatment
Autor(es): Lopes, Elina Wanessa Ribeiro
Primeiro Orientador: Silva, Carlos Eduardo de Farias
metadata.dc.contributor.referee1: Vich, Daniele Vital
metadata.dc.contributor.referee2: Almeida, Renata Maria Rosas Garcia
metadata.dc.contributor.referee3: Almeida, Flávia Bartira Pedro da Silva
Resumo: A presença excessiva de nutrientes como nitrogênio e fósforo em corpos hídricos é alvo de preocupação ambiental, e utilizar microalgas na remoção desses nutrientes surge como uma alternativa promissora em processos de tratamento de efluentes. A aplicação de ferramentas computacionais, permite o desenvolvimento de algoritmos que avaliam o comportamento e otimizam a eficácia dessa remoção através da modelagem e simulação do processo. 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 do bioprocesso por microalgas. Foram empregados dados de literatura para dois estudos, no primeiro foi avaliada a remoção de nutrientes (contaminantes) por Chlorella sp. de uma mistura de efluentes provenientes de tratamentos 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 de origem urbana, 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 código aberto para programação em Python), e o kit de ferramentas de pesquisa PYSWARMS foi utilizado 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 (EPM) (%). 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 EPM entre 15-28% semelhante ao 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 EPM 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 EPM 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 que houve bom ajuste do crescimento microalgal e que é possível associar vários contaminantes a ele em um único modelo.
Abstract: 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 to wastewater treatment. The application of computational tools allows the development of algorithms that evaluate the behaviour and optimize the effectiveness of this removal through process modelling and simulation. The present study sought to determine the kinetic modelling of microalgal growth through the classic Monod model and the Silva and Cerqueira model, solving the characteristic kinetic constants and allowing the bioprocesses modelling and simulation 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 was evaluated by a mix of microalgae (Chlorella vulgaris, Scenedesmus obliquus and Chlamydomonas reinhardtii). 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 n-order 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 were used to evaluate the delimitation of m and p, which are specific constants of this model. In fact, this 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.
Palavras-chave: Tratamento biológico
Poluentes ambientais
Modelagem
Microalgas
Biological treatment
Contaminants
Modelling
Microalgal growth
CNPq: CNPQ::ENGENHARIAS
Idioma: por
País: Brasil
Editor: Universidade Federal de Alagoas
Sigla da Instituição: UFAL
metadata.dc.publisher.program: Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento
Citação: LOPES, Elina Wanessa Ribeiro. Utilização de linguagem Python para modelagem e simulação do Modelo de Silva e Cerqueira no tratamento de efluentes por microalgas. 2023. 86 f. Dissertação (Mestrado em Recursos Hídricos e Saneamento) – Programa de Pós-Graduação em Recursos Hídricos e Saneamento, Centro de Tecnologia, Universidade Federal de Alagoas, Maceió, 2022.
Tipo de Acesso: Acesso Aberto
URI: http://www.repositorio.ufal.br/jspui/handle/123456789/11796
Data do documento: 16-mar-2022
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