Supervision of transient anaerobic granular sludge process through quantitative image analysis and multivariate statistical techniques

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Main Author: Costa, J. C.
Publication Date: 2008
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/1822/8504
Summary: Tese de Doutoramento em Engenharia Química e Biológica
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spelling Supervision of transient anaerobic granular sludge process through quantitative image analysis and multivariate statistical techniquesSupervisão de processos anaeróbios com biomassa granular, em condições transientes, através deTese de Doutoramento em Engenharia Química e BiológicaAnaerobic technology is widely applied for wastewater treatment, while production of a renewable source of energy, the biogas, is achieved. In the last decades we assisted the spreading of high-rate anaerobic reactors based on granular sludge due to its high efficiency and stability. However, restocking granules to substitute those lost by excessive granular sludge breakdown and consequent washout is a common problem in these reactors. Since the granular sludge is an expensive product, its stability and maintenance is a sensitive issue that justify an appropriate attention and study. Some of the most common problems found in anaerobic processes are caused by a sudden increase in the feed flow rate and/or in the organic concentration, and the presence of toxic compounds in the feeding. The research presented in this thesis was approached in two stages: first, organic load disturbances and toxic shock loads were applied to lab-scale Expanded Granular Sludge Bed (EGSB) reactors in order to simulate the effects caused by these transient situations; and, secondly, a chemometric technique entitled Principal Components Analysis (PCA) was performed in datasets gathering reactor performance, physiological, and morphological information, to visualize the importance of the proposed parameters to detect, on time, the transient situations simulated. Quantitative image analysis techniques were used to describe the micro and macro structural changes of anaerobic granular sludge during the transient periods tested. Four organic loading disturbances of 18.5 kgCOD·m-3·d-1 (LD1 and LD2) and 50 kgCOD·m-3·d-1 (LD3 and LD4) were performed in lab-scale EGSB reactors fed with ethanol. In the organic shocks imposed by increasing the influent concentration (LD1, LD3 and LD4) it was clearly observed a decrease in aggregates size, since the percentage of aggregates projected area with equivalent diameter (Deq)>1mm had a reduction between 22% and 45%. In general, it was observed the selective washout of filamentous forms associated to granules erosion/fragmentation and to a decrease in the specific acetoclastic activity. These phenomena induced the transitory deterioration of reactor performance in LD2, LD3 and LD4, but not in LD1. Evaluating reactor’s performance, it was concluded that stability in the granules size distribution is of minor importance when compared to the capacity of filaments retention in the granular microbial structures. Extending the exposure time (LD4) promoted acetogenesis inhibition after 144h. The ratio filaments length per total aggregates area (LfA) could not be used as an early-warning indicator of washout because the increase in effluent volatile suspended solids (VSS) occurred immediately when the disturbances were applied. A commercial detergent and a solvent were fed to lab-scale EGSB reactors to detect the effects of toxic compounds from cleaning stages. The inhibitory effects were dependent on surfactant concentration and exposure time. The COD removal efficiency remained unaffected with 150 mgCOD-detergent·L-1, but 80 h after starting exposure to 300 mgCOD-detergent·L- 1 the COD removal efficiency decreased drastically from 75 to 17%. Relatively to the solvent shock load, in preliminary batch assays, 33 mgsolvent·L-1 caused 50% relative biomass activity loss. However, in the EGSB reactor, fed with 40 mgsolvent·L-1, the reactor performance seemed to be unaffected. The % of aggregates projected area with Deq>1mm decreased from 81 to 53 %, coupled with the settling velocity decrease, showing that the granules experienced a fragmentation phenomenon. The LfA parameter was an early-warning indicator of biomass washout, in toxic shock loads, since it increased some days before the effluent VSS rise. In the last decade, reports about monitoring and control of anaerobic wastewater treatment technology do not consider the integration of quantitative morphological indicators. The application of PCA to datasets obtained during transient states of high-rate anaerobic reactors determined a latent variable that encompasses a weighted sum of performance, physiological and morphological information. This new variable was highly sensitive to reactor efficiency deterioration, enclosing remarkable variation in the first hours of the disturbances. The high loadings raised by image analysis parameters revealed that morphological changes of solid phase (biomass) should be considered to monitor and control load disturbances and toxic events in high rate anaerobic (granular) sludge bed digesters.A tecnologia anaeróbia é amplamente aplicada no tratamento de águas residuais, permitindo, simultâneamente, obter uma fonte de energia renovável, o biogás. Nas últimas décadas assistimos ao alastrar de digestores anaeróbios de altas cargas, baseados em biomassa granular, devido à sua alta eficiência e estabilidade. Contudo, substituir os grânulos perdidos devido à sua fragmentação e consequente “washout”, é um problema comum neste tipo de reactores. Devido ao elevado preço da biomassa granular, a sua estabilidade e manutenção é uma assunto sensivel que justifica o devido estudo. Alguns dos problemas mais comuns encontrados em processos anaeróbios de tratamento de águas residuais são causados por repentinos aumentos do caudal de alimentação e/ou da concentração orgânica, e pela presença de compostos tóxicos. A investigação apresentada nesta tese foi abordada em duas etapas. Perturbações na carga orgânica e choques com tóxicos foram aplicados a reactores laboratoriais de biomassa granular de leito expandido (EGSB) de forma a simular os seus efeitos em situações transientes. Posteriormente, uma técnica de quimiometria, denominada Análise de Componentes Principais (PCA), foi aplicada a bases de dados que reunem informação da performance do reactor, e da fisiologa e morfologia da biomassa, de forma a visualizar a importância dos parâmetros propostos para detectar, atempadamente, as diversas situações simuladas. Técnicas de análise de imagem quantitativa foram utilizadas com o objectivo de ilustrar as alterações na micro e macro estrutura da biomassa anaerobia granular durante os periodos transientes testados. Foram realizadas quatro perturbações na carga orgânica de 18.5 kgCQO·m-3·d-1 (LD1 e LD2) e 50 kgCQO·m-3·d-1 (LD3 e LD4) em reactores laboratoriais EGSB, alimentados com etanol. Nos choques orgânicos originados pelo aumento da concentração orgânica no afluente (LD1, LD2 e LD3) foi observado um decréscimo no tamanho dos grânulos, uma vez que a % da área projectada de grânulos com diâmetro equivalente (Deq) > 1 mm sofreu uma redução entre 22 e 45%. No geral, foi observada a saida selectiva de filamentos associada à erosão/fragmentação dos grânulos e ao decréscimo da actividade especifica acetoclástica. Estes fenómenos induziram uma deterioração temporária na eficiência do reactor em LD2, LD3 e LD4, mas não em LD1. Avaliando a performance dos reactores, pode concluir-se que a estabilidade do tamanho dos grânulos é de menor importância quando comparada com a capacidade de retenção dos filamentos na estrutura microbiana dos grânulos. O prolongamento do tempo de exposição (LD4) promoveu a inibição da acetogénese após 144h de choque. A razão entre o comprimento dos filamentos e a área total dos agregados (LfA) nao pôde ser usado como um indicador de alerta rápido de “washout” porque o aumento dos sólidos suspensos voláteis (SSV) no efluente ocurreu imediatamente após aplicação da perturbação. Com o objectivo de detectar os efeitos causados por compostos tóxicos provenientes de etapas de limpeza foram alimentados a reactores EGSB, um detergente e um solvente. Os efeitos inibitórios dependeram da concentração de surfactante e do tempo de exposição. A eficiência de remoção de CQO não foi afectada com 150 mgCQO-detergente·L-1, mas 80 h após o incio da exposição a 300 mgCQO-detergente·L-1 a eficiência decresceu drasticamente de 75 para 17%. Relativamente ao choque com solvente, em testes batch preliminares, foi observado que 33 mgsolvente·L-1 causaram um decréscimo de 50% na actividade da biomassa. Contudo, a performance do reactor, alimentado com 40 mgsolvente·L-1, não foi afectada. A % da área projectada dos agregados com Deq > 1 mm decresceu de 81 para 53 %, simultâneamente com o decréscimo da velocidade de sedimentação, demonstrando que os grânulos sofreram fragmentação. O parâmetro LfA foi um indicador de alerta rápido do “washout” da biomassa, uma vez que aumentou alguns dias antes do aumento dos SSV no efluente. Na última década, os relatórios existentes sobre monitorização e controlo de processos de digestão anaeróbia não têm em consideração indicadores quantitativos da morfologia da biomassa. A aplicação de PCA a bases de dados, obtidas durante estados transientes em reactores anaeróbios de alta carga, determinou uma variável latente que engloba uma soma ponderada da informação relativa à performance do reactor, e da fisiologia e morfologia da biomassa. Esta nova variável foi altamente sensivel à deterioração da eficiência do reactor, demostrando uma assinalável variação nas primeiras horas de perturbação. Os pesos elevados, associados aos parâmetros de análise de imagem, revelam que as alterações morfológicas da fase sólida (biomassa) devem ser consideradas na monitorização e controlo de reactores anaeróbios de alta carga, operando com biomassa granular, durante perturbações na carga orgânica e presença de tóxicos.Ferreira, Eugénio C.Alves, M. M.Universidade do MinhoCosta, J. C.2008-11-072008-11-07T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/8504enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-05-11T06:25:15Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/8504Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T15:52:45.940257Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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