Proiect de cercetare postdoctorala - tip PD

 cod PD_45

MODELAREA SISTEMULUI DE TRATARE CU NĂMOL ACTIV CONSIDERÂND INTERACŢIILE DINTRE DISTRIBUŢIA ŞI DINAMICA FLOCOANELOR ŞI CIRCULAŢIA DIN BIOREACTOR

Director Proiect: Dr. ing. Irina Dana OFIŢERU

Sinteza lucrării – anul 2011 (ianuarie – decembrie)

PN II Secţia 2 Ştiinţe Inginereşti; Cod PD_45  nr.29/09.08.2010

Modelarea sistemului de tratare cu nămol activ considerând interacţiile dintre distribuţia şi dinamica flocoanelor şi circulaţia din bioreactor

 

Prezentul proiect are ca scop elaborarea unui model al sistemului de tratare a apei uzate cu nămol activ, considerând interacțiunile dintre ansamblurile de flocoane şi curgerea din bioreactor.

În vederea atingerii acestui ţel, obiectivele propuse pentru anul în derulare (2011) au vizat modelarea circulaţiei fazelor în bioreactoarelor de tratare, ţinând seama de particularităţile curgerii fazelor lichidă şi solidă, și integrarea distribuției și dinamicii flocoanelor în calculul performanţei bioreactoarelor. În cadrul acestor obiective, activitățile realizate au cuprins, dar nu s-au limitat la: a) studiul şi sinteza de literatură a modelelor uzuale de curgere care caracterizează circulația neideală în bioreactoarele de tratare; b) elaborarea unui model generalizat de curgere, care să ţină seama de particularităţile curgerii fazelor lichidă şi solidă; c) analizarea informațiilor privind legătura dintre nivelul de turbulență și modelul generalizat de curgere; d) cuantificarea proceselor ce determină forma floconului (atașare/detașare) luând în considerare intensitatea curgerii (amestecare axială şi/sau intensitatea amestecării, dată de disiparea energiei mecanice introdusă de sistemul de agitare, respectiv, aerare); e) asocierea distribuției și dinamicii floconului cu modelul de curgere asociate bioreactorului şi integrarea acestora în calculul performanţei sistemului de epurare; f) studii de caz – simulări.

Studiul de literatură a relevat că, în principal, modelul uzual de circulaţie adoptat pentru bioreactoarele de tratare a apelor uzate este amestecarea perfectă a fazei fluide. Se admite că în bioreactor există o singură fază, pseudo-omogenă, care are caracteristicile reologice ale suspensiei nămol activ-mediu biologic. Cu excepţia decantorului, se consideră că viteza relativă de curgere dintre fazele lichidă şi solidă, precum şi densitatea relativă dintre acestea sunt suficient de mici, astfel încât să fie îndeplinite condiţiile de antrenare şi suspendare a microorganismelor în faza lichidă. Abaterile de la circulaţia ideală ar putea fi date de existența zonelor stagnante sau scurt-circuitelor [4], ceea ce corespunde unui model de curgere Cholette Cloutier (Figura 1).

Analiza atentă a specificităţilor circulaţiei într-un bioreactor de epurare a apelor reziduale cu nămol activ, date de volumele foarte mari de proces, precum şi de duratele de staţionare ale fazelor lichidă (până la 24 ore), respectiv solidă (până la o săptămână), permite eliminarea ipotezei privind existenţa zonelor de scurt-circuit – distanţa dintre alimentarea cu efluent, respectiv, evacuarea apei tratate din bioreactor, este suficient de mare în raport cu agitarea necesară menţinerii microorganismelor în suspensie şi asigurarea unei aerări eficiente. Pe de altă parte, energia mecanică introdusa în sistem trebuie sa fie la nivele rezonabil de mici, pentru a nu face procesul de tratare excesiv de scump. Din acest motiv, precum şi datorită particularităţilor constructive ale bioreactoarelor de tratare cu nămol activ, existenţa zonelor stagnante nu poate fi neglijată. Acestea determina o micșorare a zonei active din bioreactor, fără, însă, a interveni în disiparea energiei mecanice în zona perfect amestecată (Figura 1).

Figura 1. Modelul de circulaţie Cholette-Cloutier; particularizarea la bioreactorul de epurare a apelor reziduale se face ignorând existenţa zonei de scurt –circuit

La nivelul actual de dezvoltare a modelului floconului de nămol activ, circulația în bioreactor este relevantă doar în măsura în care determină și influențează fenomenele de atașare și detașare a grupurilor de celule. Frecvența atașării și detașării este legată de nivelul de turbulență din reactor (precum și din sistemul de recirculare), însă în literatura de specialitate nu există o legătura care să poată fi transformată în parametrii numerici pentru a fi adăugați în modelarea formării floconului. Din acest motiv, s-a procedat la un experiment numeric prin care s-au ajustat frecvenţele de ataşare/detaşare până când durata de obţinere a unor flocoane de dimensiuni uzuale sa încadrat în limitele publicate în literatură. Complexitatea deosebită a calculelor asociate dezvoltării floconului, în special în ce privește reordonarea geometrică a microorganismelor în flocon, consecutivă creşterii sau ataşării, a condus la timpi de calcul prohibitivi pentru o simulare a dezvoltării floconului. Mai mult, în perspectiva integrării distribuţiei de flocoane în calculul performanţei bioreactorului, timpul de calcul ar fi crescut cu un ordin de mărime. De aceea, au fost depuse eforturi intense pentru modificarea programului de calcul în sensul scăderii timpului necesar unei simulări (timp care devenise prohibitiv cu modul de implementare realizat în 2010), realizarea legăturii dintre flocon și bioreactor și studierea influenței modificării frecvenței atașării și detașării grupurilor de celule.

Astfel, modelul matematic al formării floconului, unitatea fundamentală de epurare biologică, a fost dezvoltat prin adăugarea fenomenelor de atașare și detașare de celule individuale şi grupuri de celule. În literatura de specialitate [2, 3] este folosită doar atașarea celulelor individuale, folosirea grupurilor de celule fiind pentru prima data raportată în cadrul acestui contract. Detaşare este datorată în principal acţiunii forțelor mecanice ce intervin în reactor prin agitarea mecanică și aerare, respectiv în separator/pompe de recirculare. Implementarea modelului în mediile de programare MATLAB şi COMSOL a fost îmbunătățită prin schimbarea modului de ordonare a celulelor în flocon, după procesele de diviziune celulară, ataşare şi/sau detaşare, viteza de calcul fiind semnificativ redusă. De asemenea, a fost implementată legătura dintre flocon și bioreactorul de tratare, realizându-se mai multe studii de caz pentru cuantificarea proceselor ce determină forma floconului (atașare/detașare). O altă modificare important adusă modelului floconului a fost disjungerea EPS (substanțele polimerică extracelulară) în două categorii: EPS strâns legat de celulele HET și EPS slab aderent care a fost modelat ca o particulă (asemenea microorganismelor) și care hidrolizează cu o viteză constant. Cum principalele componente ale EPS sunt carbohidrații si proteinele (Lyko et al. 2008), se justifică a fi considerat că prin descompunere EPS se adaugă sursei de carbon.

Conform imaginilor obținute în etapa anterioară prin hibridizarea in situ cu fluorescenţa (FISH) urmată de scanarea confocală cu baleiaj laser (CLSM) pentru diferite flocoane, comunitatea bacteriilor heterotrofe (HET) înconjoară microcoloniile formate de bacteriile ce oxidează amoniacul (AOB) și cele ale bacteriilor ce oxidează nitritul (NOB).

În Figurile 2 și 3 este prezentată distribuția dimensiunilor microcoloniilor AOB și NOB în flocoane simulate pentru 2.5 zile. Pentru fiecare simulare atașarea se realizează la întâmplare, cu aceeași frecvență, dintr-o bază de micro-flocoane dezvoltate off-line. Abaterea față de valoarea medie a numărului mediu de microcolonii obținute în fiecare dintre cazuri arată că, pentru realizarea legăturii dintre scala floconului și cea a bioreactorului, ipoteza unui flocon mediu este un punct de plecare acceptabil.

Figura 2. Distribuția microcoloniilor de AOB obținută pentru 10 flocoane și un timp de simulare de 2.5 zile. Numărul mediu de microcolonii a fost de 47.7±5.1

Figura 3. Distribuția microcoloniilor de NOB obținută pentru 10 flocoane și un timp de simulare de 2.5 zile. Numărul mediu de microcolonii a fost de 46.1±4 

Legătura dintre performanţa bioreactorului și dinamica floconului s-a realizat prin efectuarea bilanțului numărului de flocoane, considerând efectele induse de purjă și recircularea externă bioreactorului. Atașarea și detașarea micro-flocoanelor afectează semnificativ numărul de flocoane medii (Figura 4) prin scăderea, respectiv creșterea lor. Micro-flocoanele care se ataşează provin din flocoane care sunt dezintegrate datorită nivelului local de turbulenţă, indus prin disiparea mecanică a energiei. Din acest motiv, numărul total al flocoanelor scade brusc, cuantumul fiind dependent de mărimea micro-flocoanelor (Figura 4).  Detaşarea unor micro-flocoane din floconul originar determină, pe de o parte, micşorarea numărului de microorganisme din acesta, iar pe de alta parte, formarea unor alte flocoane din elementele detaşate. De aici şi creşterea bruscă a numărului de flocoane din bioreactor, de data aceasta având dimensiunii reduse (Figura 4). Ambele fenomene se petrec la partea exterioară a floconului și au influentă semnificativă asupra formei acestuia (Figura 6). Trebuie precizat că variaţia dimensională a floconului nu implica o modificare a concentraţiei de biomasă la nivel de bioreactor, ci numai modul în care este consumat substratul la nivelul floconului, prin modificarea geometriei acestuia, care implică modificarea locaţiei punctelor de consum pe gridul ataşat floconului.

Figura 4. Variația numărului de flocoane datorită fenomenelor de atașare/detașare

În reactor are loc și variația concentrației substraturilor, respectiv produșilor. In Figura 5 nu a fost reprezentat și oxigenul deoarece alimentarea lui în bioreactor a fost făcută la valoarea concentrației de saturație, astfel încât practic nu a existat o variație.

Varianta îmbunătățită a programului de calcul a permis simularea pentru o durată mai mare de timp a unor structuri de flocoane. În Figura 6 sunt prezentate spre exemplificare două dintre ele. Fenomenele de atașare și detașare de micro-flocoane, și rearanjarea aferentă urmată după ele, determină fie structuri mai compacte (stânga), fie structuri mai rarefiate. În ambele cazuri însă, comunitățile de AOB și NOB sunt bine evidențiate.

Figura 5. Variația concentrațiilor substraturilor (sursa de carbon, S, și sursa de azot, NH4+ în bioreactor, considerându-se că populația bacteriană este formată dintr-un flocon generic

Figura 6 Simulări ale structurii flocoanelor pentru 7.5 zile (stânga), respectiv 10 zile (dreapta).

În vederea trecerii de la reprezentarea comunității ca o distribuție de flocoane de diferite dimensiuni/durate de dezvoltare, au fost realizate mai multe simulări pentru a vedea în ce măsură variază proporția grupurilor de microorganisme în flocon (Tabel 1). Rezultatele simulării arată, așa cum era de așteptat, că flocoanele cu o durată mai mare de simulare, permit dezvoltarea microorganismelor care cresc încet (NOB), în timp ce pentru HET, fenomenele de descompunere și detașare ajută la păstrarea unei fracții relativ constante.

Tabel 1. Variația proporției grupurilor de microorganisme în flocon (HET, AOB, NOB) pentru diferite durate de dezvoltare ale acestuia (2.5 – 10 zile)

Un subiect conex studiat în perioada raportată a fost stabilitatea comunității bacteriene mono-component în reactoarele continue cu amestecare perfectă. Rezultatele obținute (și acceptate spre publicare într-o revistă prestigioasă Applied Microbiology and Biotechnology, factor de impact 3.28) își vor găsi aplicabilitatea și pentru comunitatea complexă dezvoltată la tratarea apelor cu nămol activ.

Rezultate prezentate mai sus au fost publicate/comunicate sau sunt în curs de publicare, după cum urmează (menționându-se de fiecare dată acknowledgments pentru acest proiect):

Ofiteru, I.D.; Mariana, F.; Knapp, C.W.; Graham,D.W.; Lavric, V.; 2011, Conditional confined oscillatory dynamics of Escherichia coli strain K12-MG1655 in chemostat systems, Appl. Microbiol.and Biotechnol., accepted

Bellucci, M.; Ofiteru, I.D; Graham, D. W.; Head, I.M; Curtis, T.P., 2011, Low-dissolved-oxygen nitrifying systems exploit ammonia-oxidizing bacteria with unusually high yields., Appl. and Environ. Microbiol.,  Volume: 77, Issue: 21  Pages: 7787-96  

Bellucci, M.; Ofiteru, I.D; Graham, D. W.; Head, I.M; Curtis, T.P., Combining theoretical and empirical approaches in lab-scale nitrifying systems, 1st International Symposium on Microbial Resource Management in Biotechnology: Concept & Applications, 28 June – 5 July, 2011, Gent, Belgium (poster presentation)

Ofiţeru, I.D., Bellucci, M., Lavric,V., Picioreanu, C., Curtis, T.P., 2011, Multi-scalemodeling of activated sludge floc structure formation in wastewater bioreactors (21th European Symposium on Computer Aided Process Engineering, May 29 – June 1, 2011, Chalkidiki, Greece), Computer-Aided Chemical Engineering (Eds. E.N. Pistikopoulos, M.C. Georgiadis and A. Kokossis), 29 (A) , 96-100

 

Bibliografie

1. Kreft, J.-U., et al., Individual-based modelling of biofilms. Microbiology, 2001. 147(11): p. 2897-2912.

2. Picioreanu, C., J.U. Kreft, and M.C.M. van Loosdrecht, Particle-based multidimensional multispecies Biofilm model. Applied and Environmental Microbiology, 2004. 70(5): p. 3024-3040.

3. Martins, A.M.P., et al., Three-dimensional dual-morphotype species Modeling of activated sludge flocs. Environmental Science & Technology, 2004. 38(21): p. 5632-5641.

4. Rittmann, B.E., McCarty, P.L., 2001, Environmental Biotechnology: Principles and Applications, McGraw-Hill

5. Lyko, S., Wintgens, T., Al-Halbouni, D., Baumgarten, S., Tacke, D., Drensla, K., Janot, A., Dott, W., Pinnekamp, J. and Melin, T. (2008) Long-term monitoring of a full-scale municipal membrane bioreactor--Characterisation of foulants and operational performance. Journal of Membrane Science 317(1-2), 78-87.

Speciile

Raportul între deviația standard și medie

2.5 zile

5 zile

7.5 zile

10 zile

HET

0.050

0.043

0.040

0.034

AOB

0.116

0.125

0.108

0.081

NOB

0.105

0.103

0.085

0.144

EPS

0.093

0.100

0.083

0.065

Resturi celulare

0.263

0.265

0.222

0.248