Resumo O objetivo do presente estudo é simular transformações dos compostos de nitrogênio em rios com incorporação da análise de incerteza conduzida pelo Método de Monte Carlo. A área de estudo considerada foi o trecho final do Rio Piracicaba, importante afluente do Rio Doce no território mineiro. A análise de incerteza conduzida envolveu gerações aleatórias de variáveis hidrodinâmicas, condições iniciais de qualidade de água e constantes cinéticas. A adoção de diferentes coeficientes de variação nas gerações aleatórias das constantes cinéticas que regulam o decaimento do nitrogênio orgânico não influenciou de maneira significativa os valores extremos das concentrações máximas de nitrogênio orgânico ou nitrogênio amoniacal. Nas simulações conduzidas, concentrações máximas de nitrogênio orgânico que se situaram mais frequentemente entre 0,20 mg.L-1 e 0,22 mg.L-1 (42%), de nitrogênio amoniacal entre 0,28 mg.L-1 e 0,30 mg.L-1 (30%), de nitrito entre 0,05 mg.L-1 e 0,07 mg.L-1 (49%) e de nitrato entre 0,46 mg.L-1 e 0,50 mg.L-1 (37%). As concentrações máximas estimadas para nitrogênio amoniacal, nitrito e nitrato não superaram os padrões de qualidade ambiental estabelecidos pela Resolução CONOMA no 357/2005 para cursos d’água classe 2. Gerações aleatórias das constantes cinéticas que regularam o decaimento do nitrogênio amoniacal e do nitrito, considerando coeficientes de variação iguais ou superiores a 50%, produziram alterações relevantes nos valores e formas dos histogramas de frequência das concentrações máximas de nitrogênio amoniacal, nitrito e nitrato. Em determinadas simulações, foi observada, também, inibição da produção das formas mais oxidadas de nitrogênio.

Abstract This study simulated nitrogen-compound concentration changes in rivers, taking into account uncertainty analysis carried out by the Monte Carlo Method. The study area is the final stretch of the Piracicaba River, located in Minas Gerais, Brazil, which is an important Doce River tributary. The uncertainty analysis took into account random generation of hydrodynamic variables, initial water quality conditions and kinetic constants. Different variation percentages for the organic nitrogen decay kinetic constants random generation did not influence considerably the ammonia or organic nitrogen maximum concentration extreme values. In the simulations, maximum organic nitrogen concentrations were most frequently between 0.20 mg.L-1 and 0.22 mg.L-1 (42%), maximum ammonia nitrogen between 0.28 mg.L-1 and 0.30 mg.L-1 (30%), maximum nitrite between 0.05 mg.L-1 and 0.07 mg.L-1 (49%) and maximum nitrate between 0.46 mg.L-1 and 0.50 mg.L-1 (37%). Estimated maximum concentrations for ammonia nitrogen, nitrite and nitrate did not exceed the environmental quality standards established by Brazilian CONAMA Resolution 357/2005 for Class 2 watercourses. Random generation of kinetic constants that regulate ammonia and nitrite decay produced significant ammonia nitrogen, nitrite, and nitrate peak concentrations value frequencies, histograms and forms changes, when considering variation percentages equal to or greater than 50%. Some simulation results showed more inhibition of oxidized nitrogen forms production.

RESUMO O nitrogênio constitui importante parâmetro para o controle da poluição hídrica, uma vez que a nitrificação produz consumo de oxigênio do ambiente aquático, além da toxicidade associada à algumas formas de nitrogênio. Este estudo estabeleceu e empregou modelo de otimização visando a determinação simultânea de eficiências mínimas de remoção de demanda bioquímica de oxigênio e compostos de nitrogênio. Para resolução do modelo de otimização foram associados modelo de qualidade da água e a Metaheurística Algoritmo Genético. As eficiências mínimas estimadas condicionaram a pré-seleção de sistemas de tratamento de esgotos. A área de estudo foi a bacia hidrográfica do rio Pardo (Espírito Santo, Brasil). Os resultados indicaram que, função do aumento da toxicidade da amônia com a elevação de pH, os sistemas de tratamento precisam ser mais eficientes na remoção de amônia, quando da disposição dos efluentes tratados em cursos d’água com elevados valores de pH. O processo de pré-seleção, consideradas as condições de contorno assumidas neste estudo, indicou para Ibatiba sistemas de lodos ativados, biofiltro aerado submerso com nitrificação ou com remoção biológica de nitrogênio. Para os povoados Santíssima Trindade e Nossa Senhora das Graças foram pré-selecionados sistemas mais simples como tratamento primário com tanques sépticos, lagoas de estabilização, reatores UASB e filtros biológicos.

ABSTRACT Nitrogen is a very important parameter for water pollution control since nitrification implies in aquatic environment oxygen consumption and some nitrogen forms are toxic. In the present study, an optimization model was developed and applied aiming at simultaneous organic matter and nitrogen compounds minimum removal efficiencies determination. A water quality model and the Genetic Algorithm Metaheuristic were associated in order to solve the optimization problem. The estimated minimum efficiencies conditioned the sewage treatment systems pre-selection. The study area was the Pardo River watershed (Espírito Santo State, Brazil). The results indicate that the treatment systems need to be more efficient in ammonia removal when the treated effluents disposed in watercourses that present high pH values because ammonia toxicity increases with pH. Considering the boundary conditions assumed in this study, the pre-selection process indicated activated sludge systems, submerged aerated biofilter with nitrification, or with biological nitrogen removal, for Ibatiba city. Simpler systems such as primary treatment with septic tanks, stabilization ponds, UASB reactors and biological filters were pre-selected for Santíssima Trindade and Nossa Senhora das Graças towns.

RESUMO Este estudo teve como principal perspectiva avaliar as respostas dos métodos do Valores Característicos e da Curva Exponencial, alternativas disponíveis para a regionalização de curvas de permanência de vazões. O trabalho avaliou, adicionalmente, o emprego de indicadores regionais de vazão para a estimativa de vazões de referência associadas às curvas de permanência de vazões. A área de estudo abrangeu as bacias dos rios Itapemirim e Itabapoana, mais importantes cursos d’água da porção sul do estado do Espírito Santo. O Método dos Valores Característicos apresentou-se como o mais adequado para a regionalização da curva de permanência de vazões. Os indicadores regionais apresentaram-se como uma alternativa simples e consistente para obtenção de vazões de referência na área de estudo.

ABSTRACT The main objective of the study was the evaluation of Characteristic Values and Exponential Curve methods as alternatives for flow permanence curves regionalization. Additionally, the use of regional flow indicators for the appropriation of reference flows associated with flow permanence curves was evaluated. The study area covered the Itapemirim and Itabapoana rivers watersheds, the most important located in the southern portion of the Espírito Santo state (Brazil). The Characteristic Values method presented best results in the flow permanence curves regionalization work. It was also concluded that the regional indicators represent a simple and consistent alternative for study area reference flows estimation.

RESUMO Reservatórios têm sido construídos em todo o mundo para regularização de vazões, com vistas à melhoria de condições de uso dos recursos hídricos de bacias hidrográficas para diferentes propósitos, como abastecimento humano e industrial, irrigação e geração de energia elétrica. Águas de rios e córregos, que transportam nutrientes em excesso provenientes de esgotos sanitários e fertilizantes, quando represadas, podem estar sujeitas a grandes alterações qualitativas decorrentes de processos de eutrofização. Diversos índices foram criados por pesquisadores para classificação de estados de trofia de corpos d’água. No presente estudo foram analisados e comparados três índices de estado trófico (IETs) a partir da aplicação aos reservatórios da Pequena Central Hidrelétrica de Rio Bonito e da Usina Hidrelétrica Suíça, localizados na bacia do Rio Santa Maria da Vitória, no estado do Espírito Santo, considerando resultados de monitoramentos de qualidade de água em 20 campanhas realizadas entre outubro de 2008 e julho de 2014. Os reservatórios recebem aporte de nutrientes provenientes de esgotos domésticos, cultivos agrícolas e granjas. Foram considerados, especificamente, índices desenvolvidos por Carlson (1977), Lamparelli (2004) e Cunha, Calijuri e Lamparelli (2013). Concluiu-se que diferentes modelos podem resultar em classificações de estado trófico muito diferentes. O modelo de Carlson (1977), desenvolvido para reservatórios de clima temperado, resultou em classificação mais rigorosa, classificando os reservatórios principalmente como eutróficos e mesotróficos. Os modelos de Lamparelli (2004) e Cunha, Calijuri e Lamparelli (2013), desenvolvidos para reservatórios de clima tropical/subtropical, apresentaram resultados mais próximos, classificando os reservatórios principalmente como oligotróficos. Concluiu-se também que a sazonalidade e as precipitações pluviométricas nas bacias hidrográficas dos reservatórios podem influenciar de forma muito significativa os parâmetros de qualidade de água e a classificação do estado trófico de reservatórios. A grande variedade de classes de estado trófico escolhidas a partir dos diferentes modelos indica a importância da escolha adequada de modelos e índices, de acordo com as condições prevalentes nos corpos hídricos de interesse.

ABSTRACT Reservoirs have been built worldwide to regularize flows for improvement of watersheds water resources use conditions for different purposes, such as human and industrial supply, irrigation and power generation. Waters of rivers and streams that carry excessive nutrients from sewage and fertilizers, when dammed, may be subject to significant qualitative changes resulting from eutrophication processes. Several indexes have been created by researchers for trophic state classification of water bodies. In this study three trophic state indexes (TSIs), developed by Carlson (1977), Lamparelli (2004) and Cunha, Calijuri and Lamparelli (2013), were analyzed and compared, through the application to two power plant reservoirs, denominated Rio Bonito and Suíça, located in the Santa Maria da Vitoria river watershed, Espírito Santo state, Brazil. Results from 20 water quality monitoring campaigns were considered, conducted between October 2008 and July 2014. The reservoirs receive nutrient loads originated from domestic sewage, agricultural crops and chicken farms. It was concluded that application of different models may result in very different trophic state class definition. The application of the Carlson model (1977), developed for temperate climate reservoirs, resulted into higher eutrophic class level, classifying the reservoirs mainly as eutrophic and mesotrophic. Lamparelli (2004) and Cunha, Calijuri and Lamparelli (2013) models, developed for tropical/subtropical climate reservoirs, presented closer results, classifying the reservoirs mostly as oligotrophic. It was also concluded that seasonality and rainfall in reservoirs catchment areas may influence very significantly the reservoirs water quality parameters and trophic state classification. The wide variety of trophic classes chosen for the reservoirs, in this work, indicates the importance of the proper choice of models and indexes, according to the prevailing conditions in the water bodies of interest.

RESUMO Buscando-se determinar níveis de remoção requeridos para estações de tratamento de esgotos (ETEs), diversas metodologias têm sido propostas para auxílio aos processos de seleção de sistemas de tratamento de esgotos, visando, usualmente, atingir objetivos de natureza econômica. No entanto, em sistemas de recursos hídricos, a busca pela solução de problemas envolve objetivos múltiplos e conflitantes. O presente trabalho empregou, para a bacia hidrográfica do rio Pardo (Espírito Santo, Brasil), modelo de simulação da qualidade da água, técnica de otimização e análise multiobjetivo para selecionar sistemas de tratamento de esgotos, considerando-se os padrões para a demanda bioquímica de oxigênio em efluentes, impostos pela Resolução CONAMA n o 430/2011. Após a proposição de um modelo de otimização, que levou à indicação de eficiências mínimas de tratamento necessárias, foi aplicado o método ELECTRE III, que indicou sistemas de tratamento de esgotos para as localidades responsáveis pela disposição de esgotos brutos na bacia hidrográfica do rio Pardo. Os resultados indicaram que a conservação dos padrões estabelecidos para os efluentes pode levar à superestimativa de plantas de tratamento e distribuição inadequada dos recursos financeiros destinados à implantação de ETEs. Sistemas como Biofiltro Aerado Submersos (com Nitrificação), Wetlands e Lagoas Facultativas foram os mais selecionados, considerando os contextos avaliados neste trabalho.

ABSTRACT In order to determine required wastewater treatment plants (WWTP’s) efficiencies, several methodologies have been proposed to assist the sewage treatment systems process selection, usually aiming to achieve economic objectives. However, in water resources problems solving, search involves multiple and conflicting objectives. This work used, for Pardo’s river basin (Espírito Santo State, Brazil), water quality simulation model, optimization technique and multiobjective analysis for selecting sewage treatment systems, taking into account Brazilian environmental effluents Biochemical Oxygen Demand standards, imposed by CONAMA Resolution 430/2011. After proposing an optimization model that allowed the estimation of minimum organic matter removal efficiencies, a multiobjective analysis was applied by using the ELECTRE III method, which selected sewage treatment systems for localities responsible for domestic wastewater disposal in Pardo’s river basin. The results indicated that keeping the effluents standards can produce treatment plants overestimation and inadequate allocated financial resources distribution for sewage treatment plants implementation. Treatment systems such as Submerged Aerated Biofilters (with Nitrification), Wetlands and Facultative Ponds were the most selected, considering different contexts appreciated in this work.

RESUMO O processo de seleção de uma estação de tratamento de esgoto é complexo quando observado do ponto de vista de uma bacia hidrográfica, onde existem múltiplos lançamentos apresentando diferentes cargas e corpos d’água com diferentes capacidades de assimilação. Neste contexto, a presente pesquisa tem como objetivo estabelecer metodologia para a pré-seleção de alternativas de tratamento de esgoto no âmbito de bacias hidrográficas. A proposta metodológica envolve o uso combinado de modelo de qualidade de água, técnica de otimização e um conjunto de critérios de natureza técnica e econômica associados aos diferentes sistemas de tratamento de esgotos. Para avaliação da metodologia proposta foram considerados diferentes cenários de disposição de efluentes na bacia hidrográfica do rio Pardo, importante afluente do rio Itapemirim, curso d’água da porção sul do estado do Espírito Santo. Os resultados indicaram que o modelo de otimização que buscou a minimização das eficiências de tratamento no âmbito da bacia, permitindo uso da capacidade e de autodepuração dos cursos d’água, selecionou sistemas de tratamento que variaram da combinação de reatores UASB e lagoas de polimento a sistemas de infiltração lenta, alternativas de tratamento que apresentaram menores estimativas de custos presentes líquidos. A incorporação da equidade entre os sistemas de tratamento aumentou significativamente os custos presentes líquidos totais associados ao tratamento de esgoto no âmbito da bacia hidrográfica.

ABSTRACT The selection of sewage treatment plants within watersheds is a complex process when there are multiple outflows presenting different loads and watercourses presenting different assimilation capabilities. In this context, the present study aims to establish a methodology for pre-selection of wastewater treatment alternatives within watersheds. The methodology involves the combined use of water quality model, optimization technique and a set of technical and economic criteria associated with different wastewater treatment systems. To evaluate the proposed methodology there were considered different effluent disposal scenarios in the Pardo river watershed. Pardo is a major tributary of the Itapemirim river, watercourse located in the southern portion of Espírito Santo State, Brazil. The results indicated that the optimization model, that aimed to minimize wastewater treatment efficiencies within the watershed, considering watercourses self-purification capacities, selected treatment systems ranging from the combination of UASB and polishing lagoons systems to slow infiltration, treatment alternatives that presented the lowest net cost estimates. The incorporation of equity perspective between treatment systems increased the total present net cost associated with wastewater treatment within the watershed.

RESUMO A escolha de eficiências de estações de tratamento de esgotos é complexa quando avaliada no âmbito de bacias hidrográficas, função dos múltiplos lançamentos, de diferentes cargas, dispostos em corpos d’água com diferentes capacidades de assimilação. Esta pesquisa teve como objetivo avaliar modelos de otimização aplicáveis à determinação de eficiências mínimas de tratamento de esgotos no âmbito de uma bacia hidrográfica. Os modelos de otimização avaliados consideraram a minimização do somatório das eficiências e a minimização da inequidade entre os esforços de tratamento de esgotos. Um modelo matemático de qualidade de água e o Algoritmo Genético foram combinados no ambiente computacional do software MatLab, o que permitiu a obtenção de eficiências mínimas de tratamento de esgotos a partir dos modelos de otimização utilizados. A bacia hidrográfica do rio Pardo, afluente do rio Itapemirim – importante curso d’água da porção sul do estado do Espírito Santo – constituiu a área de estudo. Os resultados indicaram que os modelos de otimização que incorporam medida de equidade como restrição do problema não apresentam respostas consistentes, função da grande variação de carga orgânica bruta existente nos efluentes produzidos na bacia hidrográfica do rio Pardo. Os modelos que incorporaram medidas de equidade na função objetivo apresentaram desempenho satisfatório e permitiram a obtenção de conjuntos de eficiências de tratamento de esgotos próximos entre si.

ABSTRACT Determination of sewage treatment plants pollutant removal efficiencies, considering the protection of water resources, is very difficult because it involves complex analysis that must take into account multiple discharges into watercourses presenting different self depuration capacities. The research aimed to evaluate different optimization models for determination of minimum sewage treatment efficiencies for plants located in a watershed. The analyzed optimization models involves minimization of the sum of treatment efficiencies and minimization of inequity between sewage treatment efforts. Water quality mathematical model and Genetic Algorithm were combined in a MatLab software computing environment. The Pardo river watershed is the study area. Pardo river is a tributary of the Itapemirim river, important watercourse located in the southern part of Espirito Santo State, in Brazil. The results indicate that the optimization models that incorporate measurement of equity as a problem restriction did not generate consistent answers, probably because of the wide range of sewage loads values considered in the Pardo river watershed. The models that incorporate equity measures in the objective function showed satisfactory performance and resulted in very close values for minimum sewage treatment efficiencies.

RESUMO O presente trabalho teve como objetivo propor metodologia para suporte ao processo de enquadramento de cursos d’água superficiais, fundamentada em análise conjunta de curvas de permanência de qualidade e capacidade de autodepuração de rios. Para composição dos diferentes cenários de simulação da qualidade da água foram estabelecidos três panoramas de tratamento de esgotos associados com distintas eficiências de remoção de demanda bioquímica de oxigênio (DBO), duas condições de abatimento de cargas orgânicas e três horizontes de análise (2014, 2020 e 2030). Foi aplicado o modelo QUAL-UFMG para avaliação da capacidade de autodepuração dos cursos d’água da bacia hidrográfica do rio Pardo, localizado no sul do estado do Espírito Santo, tendo sido simulados os parâmetros DBO e oxigênio dissolvido (OD), considerando o setor de esgotamento sanitário como única fonte de cargas poluidoras. Foram produzidas curvas de permanência de qualidade para o parâmetro DBO5,20, associadas aos padrões ambientais estabelecidos pela Resolução CONAMA Nº 357/2005 para rios Classes 1, 2 e 3. Os resultados obtidos mostram a relevância da incorporação da modelagem da autodepuração na avaliação da qualidade dos corpos d’água superficiais para a implementação do enquadramento e, adicionalmente, indicam que a visão não determinística oferecida pelas curvas de permanência facilitaria o processo de tomada de decisão acerca do estabelecimento de metas progressivas para a efetivação do enquadramento.

ABSTRACT This study aimed to propose a methodology to support the establishment of Brazilian CONAMA 357/2005 rivers water quality classes based on quality parameters Flow-Duration Curves and self-purification analysis. To establish the different simulation water quality scenarios three sewage treatment conditions associated with distinct biochemical oxygen demand (BOD) removal efficiencies, two organic loads conditions and three time horizons (2014, 2020 and 2030) were considered. The QUAL-UFMG model for assessment of the self-purification capacity of the Pardo river, located in the south of Espírito Santo state, Brazil, was applied considering the BOD and dissolved oxygen (DO) parameters. In the simulations only river watershed sewage discharges were considered. BOD Flow-Duration Curves associated with environmental standards established by CONAMA Resolution 357/2005 for classes 1, 2 and 3 rivers were drawn. The results indicate the great importance of using river self-purification modeling for assessment of surface water body quality to establish river water classes. The results also indicate that a non-deterministic approach to water quality Flow-Duration Curves facilitates the decision-making process for the establishment of progressive water quality objectives.

Este trabalho teve por objetivo geral propor e avallar técnicas de desenvolvimento de sistemas de controle automático para processos de tratamento de efluentes envolvendo lodos ativados. Os sistemas de controle propostos foram estabelecidos a partir da aplicação da Teoria de Controle Ótimo, considerando o emprego de um modelo dinâmico simplificado do processo de lodos ativados. Simulações computacionais foram utilizadas para a avaliação do desempenho dos sistemas de controle propostos. Os resultados obtidos permitiram concluir que o modelo dinâmico do processo de lodos ativados utilizado neste trabalho, estabelecido a partir de uma simplificação de modelo largamente aceito, segundo literatura técnica corrente, mostrou-se estável e adequado à definição de sistemas de controle.

This study aimed at developing and evaluating techniques for the development of automatic control systems for wastewater treatment systems involving activated sludge process. The proposed control systems were established from the application of Optimal Control Theory, considering the use of a simplified dynamic model of the activated sludge process. Computer simulations were used to assess the performance of the control systems proposed. The results showed that the dynamic model of the activated sludge process utilized in this study, obtained by simplifying a very well accepted model, according to the current technical literature, was stable and suitable for the definition of control systems.