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 2010 (august – 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, primul obiectiv propus (unic pentru anul de derulare 2010), a vizat caracterizarea distribuției şi dinamicii flocoanelor de nămol activ. În cadrul acestui obiectiv, activitățile realizate au cuprins, dar nu s-au limitat la: a) studiul şi sinteza de literatură a datelor experimentale privind distribuția flocoanelor; b) tehnici de mediere pentru distribuția flocoanelor eterogene; c) studierea limitărilor transferului de masa asociat cu distribuțiile flocoanelor.

Floconul este un agregat de microorganisme şi particule abiotice suspendate şi reprezintă principala unitate de procesare şi de consum de oxigen din reactoarele de tratare cu nămol activ. Cantitatea de microorganisme din afara flocoanelor este sub 20%, ele fiind mult mai probabil spălate din sistem datorită sedimentării slabe. Totuşi, concentraţia de microorganisme libere suspendate în mediul lichid din bioreactor nu ajunge la zero din cauza fenomenelor de scindare a celulelor individuale datorită efectului de abraziune (la ciocnirea flocoanelor între ele, precum şi de părţile metalice interne din bioreactor sau din sistemul de separare - sedimentator). Celulele individuale sau grupurile mici de celule de la suprafaţa  flocoanelor se desprind şi plutesc în masa de lichid prin efectul forţelor de forfecare. Dimensiunea şi morfologia floconului influențează consumul de energie în cazul epurării apelor cu nămol activ, deoarece acesta este un proces aerob şi este necesară asigurarea debitului de aer (i.e. pompare) pentru alimentarea bioreactorul astfel încât transformarea substraturilor să fie în limitele admisibile. Cu toate acestea, distribuţia flocoanelor nu poate fi încă în mod explicit controlată.

Studiul exhaustiv de literatura a relevat în principal două direcţii strategice pentru publicaţii: cele care se axează pe obţinerea de date experimentale privind caracterizarea proprietăţilor fiziologice şi morfologice ale flocoanelor (forma, structura, componenţa comunităţilor bacteriene etc.) şi cele care investighează obţinerea unor modele matematice ale formării şi dezvoltării flocoanelor (şi uneori ale biofilmelor de nămol activ), cu sau fără suport experimental.

Informațiile obținute despre flocoanele de nămol activ din literatura de specialitate au fost suplimentate cu propriile rezultate experimentale. A fost efectuată o analiză completă a imaginilor obținute prin hibridizarea in situ cu fluorescenţa (FISH) urmată de scanarea confocală cu baleiaj laser (CLSM) pentru flocoane dezvoltate în diferite condiții de operare. Imaginile au fost obținute în timpul stagiului postdoctoral la Newcastle University a dr. Ofiţeru, marcându-se specific comunitatea bacteriilor heterotrofe (HET; markeri Eub338i, Eub338ii, Eub338iii – culoarea verde), a bacteriilor ce oxidează amoniacul (AOB - ammonia oxidizing bacteria; markeri Nso1225, Neu, CTE, 6a192, c6a192 – culoarea albastră) respectiv a bacteriile ce oxidează nitritul (NOB - nitrite oxidizing bacteria; markeri Nit3, CNit3, Ntspa662, CNtspa662 – culoarea roșie). S-au efectuat hibridizări atât în suspensie, cât şi direct pe plăcuţe speciale de microscop, pentru a vedea dacă centrifugările repetate implicate de hibridizarea în suspensie nu afectează structurile observate. 

Rezultate tipice din cele doua cazuri sunt prezentate in Figura 1, respectiv Figura 2, unde în patrulaterul din dreapta jos se regăsește o suprapunere a imaginii celor trei comunităţi bacteriene urmărite.

Figura 1. Flocon de nămol activ vizualizat prin hibridizare în suspensie (în paraformaldehidă 4%) utilizând FISH şi CLSM. HET – verde; AOB – albastru; NOB – roșu. (Imaginile au fost procesate pentru a îndepărta elementele de zgomot din panelul roșu)

Figura 2. Flocon de nămol activ vizualizat prin hibridizare pe placuţe (în paraformaldehidă 4%) utilizând FISH şi CLSM. HET – verde; AOB – albastru; NOB – roșu. (Imaginile au fost procesate pentru a îndepărta elementele de zgomot din panelul roșu)

Imaginile obținute au fost procesate cu ajutorul programului daime [5], căutându-se elucidarea existenţei unei legături între distribuția spațială a coloniilor de AOB, așa cum a fost raportat în Daims et al. [4] pentru biofilm. Analizele mai multor imagini de flocoane au arătat că nu există o legătură clară de cauzalitate între poziționarea celor două tipuri de colonii în cazul flocoanelor (Figura 3), care au o structura mai puțin compactă comparativ cu biofilmele şi sunt afectate mai mult de fenomenele detașare/eroziune.

Figura 3. Estimarea corelării dintre așezarea spațială a coloniilor de AOB si NOB. Un grad de corelare ~1 (așa cum este definit în [5)] indică distribuția la întâmplare a grupurilor studiate.

Aceste rezultate, combinate cu informațiile obținute prin alte metode, raportate în literatura de specialitate, au permis abstractizarea proceselor interne şi externe în câteva etape elementare ce guvernează formarea, creșterea şi dezintegrarea flocoanelor de nămol activ. A fost implementat un model matematic 2D, generându-se un produs software ce combină capacităţile Matlab şi COMSOL, cuprinzând pentru moment etapele de bază ale formării floconului: creșterea şi diviziunea biomasei; excretarea compușilor polimerici (EPS); atașarea celulelor şi grupurilor de celule exterioare; consumul substraturilor. Această abordare se bazează pe modelarea folosind celule individuale [1-3]. O colaborare fructuoasă este deja stabilită cu dr. Cristian Picioreanu, un fost membru al Catedrei de Inginerie Chimică, UPB, acum activând la Delft University of Technology, Olanda.

 

În Figura 4 este prezentată o imagine tipică obținută în urma simulării programului de calcul. Celulele constituind populația bacteriană au fost modelate ca „solide” ce se dezvoltă într-un câmp continuu de concentrație a substraturilor. Bilanțul de materiale pentru substraturile considerate (sursa de carbon, amoniac, oxigen şi nitrit) este rezolvat prin metoda elementului finit, pe care este bazat COMSOL, în timp ce creșterea biomasei, care este un proces mai lent, este integrată prin metoda Euler implementată în Matlab. Cele două programe de calcul își transferă informații într-un mod specific, acesta fiind unul dintre avantajele folosirii lor simultan. Un aspect original este modelarea microcoloniilor formate din bacteriile oxidante a amoniacului şi respectiv nitratului (AOB şi NOB) ca elemente compacte în interiorul floconului. Această caracteristică observată experimental pentru AOB si NOB (a se vedea Figurile 1&2) nu a fost implementată până acum în modelele elaborate pentru nămolul activ.

Figura 4. Imagine tipică a unui flocon. Sunt evidențiate cele trei tipuri de celule considerate în model (HET, AOB si NOB), împreună cu matricea produșilor polimerici extracelulari (EPS). În jurul floconului este definit un strat limită, în care are loc transferul de masă (fiecare substrat are un coeficient de difuziune propriu), în afara lui considerându-se amestecare perfectă.

O altă particularitate a modelului este considerarea unor coeficienţi de difuzie diferiţi pentru zona ocupată de flocon, în comparaţie cu câmpul substraturilor. De asemenea, se consideră că în jurul floconului există un stat stagnant echivalent cu 20 de dimensiuni caracteristice ale bacteriei (diametrul cercului echivalent cu o bacterie generică – se neglijează diferenţele de dimensiuni care există între HET, AOB, respectiv NOB). În acest mod, difuziunea devine personalizată, în conformitate cu distribuţia spaţială a microorganismelor, generând câmpuri de concentraţii ale substraturilor şi produşilor, care contribuie la rândul lor la segregarea şi menţinerea compactă a microorganismelor.

Unul dintre fenomenele ce definesc formarea floconului şi nu a fost încă inclus în modelul matematic dezvoltat este detașarea celulelor individuale şi a grupurilor de celule. Această detaşare este datorată în principal acţiunii forțelor mecanice. O formă specială de detaşare poate fi considerată acţiunea prădătorilor asupra bacteriilor aparținând straturilor exterioare de celule din flocon. Chiar dacă nu este o detașare în sensul obişnuit, acțiunea prădătorilor determină dispariția câte unei celule de heterotrofe de la suprafața floconului, dar care nu se va mai regăsi între celulele suspendate. În literatura de specialitate se consideră că protozoarele consumă cu precădere bacteriile HET, care sunt mai mici şi în colonii mai puţin compacte. Pentru a evidenția acțiunea prădătorilor, au fost efectuate o serie de experimente în laboratoarele Universității din Newcastle, ca subiect conex la proiectul de faţă. S-a evidențiat faptul că prezenţa prădătorilor nu afectează eficienţa procesului de nitrificare. În etapa următoare de dezvoltare, detașarea va fi încorporată ca un proces random la suprafața flocoanelor.

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):

Irina D. Ofiţeru, Micol Bellucci, Vasile Lavric, Cristian Picioreanu, Thomas P. Curtis, Multi-scale modeling of activated sludge floc structure formation in wastewater bioreactors, Computer Aided Chemical Engineering, ESCAPE 21, Chalkidiki, Greece, 2011

Mirela Stoenică, Pompilia Buzatu, Mariana Ferdes, Irina D. Ofiţeru, David W. Graham, Vasile Lavric, Comparison of laboratory wastewater treatment systems with settlers: Affect of cycloheximide and recirculation ratio, Revista de Chimie, in press

Mirela Stoenică, Pompilia Buzatu, Irina D. Ofiţeru, David W. Graham, Vasile Lavric, The combined influence of a chemical inhibitor and of the recirculation rate on the performance of two laboratory wastewater treatment systems, CHISA’2010, 28 Aug.-2 Sep., Prague, Czech Republic (poster presentation)

 

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. Daims, H., et al., In situ characterization of Nitrospira-like nitrite oxidizing bacteria active in wastewater treatment plants. Applied and Environmental Microbiology, 2001. 67(11): p. 5273-5284.

5. Daims H, Lücker S,and Wagner M.. daime, a novel image analysis program for microbial ecology and biofilm research. Environ. Microbiol. 2006. 8: p. 200-213.