Image analysis in biotechnological processes: applications to wastewater treatment
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| Publication Date: | 2003 |
| Language: | eng |
| Source: | Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) |
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Summary: | Dissertação de doutoramento em Química e Engenharia Biológica. |
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Image analysis in biotechnological processes: applications to wastewater treatment57.08Dissertação de doutoramento em Química e Engenharia Biológica.In this work four different studies were proposed with a common interest in image analysis meffiodologies and multivariable statistical techniques yet covering distinct objectives. In an activated sludge study, the aggregates and filamentous bacteria contents and morphology were surveyed by image analysis methodologies. The high Sludge Volume Index values denoted the existence of a severe bulking problem of non-zoogleal nature as pointed out by the predominance of normal flocs. Moreover, the high filamentous bacteria per suspended solids ratio values clearly indicated the existence of a filamentous bulking problem, and were able to follow, at some extent, the Sludge Volume Index behaviour. Furthermore, the Partial Least Squares analysis revealed a strong relationship between the Total Sus pended Solids and the Total Aggregates Arca, although it must be emphasized though that for a wastewater treatment plant working in good operating conditions this relationship may not stand frue. In a protozoa and metazoa identification work the main objective resided on the development of an image anaiysis programme to morphologicaily characterize the protozoa and metazoa and treat the coilected data by multivariable statistical techniques. The studied species attained a satisfactory overali recognition levei in terms of global recognition and misciassification performances, whereas for the main protozoa and metazoa groups as weil as for the ciliated protozoa groups, the results were quite good. Such was also the case for the plant conditions assessment as effluent quaiity, aeration, sludge age, and nitrification presence. However, the assessment of critical conditions such as low effluent quality, low aeration and fresh sludge, proved to be poorer. Comparing the two multivariable statistical techniques, the overall results were iower for the Neural Networks than for the Discriminant Analysis with the exception of the critical conditions assessment. Regarding the anaerobic granuiation process, image analysis methodologies were used to follow morphological changes in the granulation process. This survey allowed for the determination of an overall aggregates size and contents increase throughout the experiment as well as the establishment of the granulation time with the formation of granular structures. It was also possible to identify an initial stage involving the predominant growth of the filamentous bacteria followed by a second stage of aggregates growth using the filamentous bacteria as a backbone and a final stage of balanced filamentous bacteria and aggregates contents growth. Moreover, the strong Up-Flow Velocity and Organic Loading Rate increases led to disturbances within the reactor such as the liberation of filamentous bacteria and aggregates size changes. Concerning the granule deterioration triggered by oleic acid study, the results obtained for the outgoing effluent Volatile Sus pended Solids reflected a biomass wash-out phenomenon throughout the experiment. Furffiermore, the aggregates morphological survey allowed determining a decreasing trend in the aggregates size, as well as an aggregate stratification with the larger aggregates in the top section of the reactor. It could also be estabiished that the granule deterioration process triggered by oleic acid led to more freely dispersed structures in terms of filamentous bacteria and lighter aggregates which ultimately rose to the top of the reactor, where the lighter ones suffered a wash-out phenomenon.Neste trabalho, foram propostos quatro estudos diferentes utilizando técnicas de análise de imagem e de estatística multivariável com objectivos distintos. Num estudo das lamas activadas foram examinados o conteúdo e morfologia de agregados e bactérias filamentosas por metodologias da análise de imagem. Os valores elevados do índice volumétrico de lamas denotaram a existência de um problema de “bulking” severo de natureza não-zoogleal como indicado pelo predomínio de flocos normais. Adicionalmente, os valores elevados da razão entre as bactérias filamentosas e os sólidos suspensos apontam claramente para a existência de um problema de “bulking” filamentoso, e mimetizaram, em certa medida, o comportamento do índice volumétrico de lamas. De referir ainda que uma análise dos mínimos dos quadrados parciais revelou uma correlação entre os sólidos suspensos totais e a área total dos agregados, devendo contudo ser referido que para estações de tratamento de águas residuais funcionando em boas condições a correlação obtida poderá não se manter válida. Num estudo de identificação dos protozoários e metazoários os objectivos do trabalho consistiram no desenvolvimento de um programa da análise de imagem para a sua caracterização morfológica e tratamento dos dados por técnicas de estatística multivariável. A identificação dos protozoários e metazoários revelou-se satisfatória em termos de reconhecimento global e da classificação errónea, enquanto que para os principais grupos de protozoários e metazoários bem como de ciliados foi bastante elevada. O mesmo se passou na aferição das condições de operação tais como a qualidade do efluente, arejamento, idade das lamas e nitrificação. Contudo, na determinação das condições críticas de funcionamento como baixa qualidade do efluente, arejamento insuficiente e lamas jovens os resultados foram apenas razoáveis. Comparando as duas técnicas de estatística multivariável utilizadas, os resultados globais foram inferiores para as redes neuronais do que para a análise discriminante com a excepção da determinação de condições críticas de funcionamento. Na monitorização do processo anaeróbio de granulação, foram usadas metodologias de análise de imagem para seguir as mudanças morfológicas. A aferição da morfologia dos agregados permitiu a determinação do aumento em tamanho e conteúdo dos agregados ao longo da experiência, bem como na determinação do tempo de granulação. Foi também possível identificar uma fase inicial de crescimento preferencial das bactérias filamentosas, seguida por uma segunda fase de crescimento dos agregados utilizando as bactérias filamentosas como espinha dorsal e uma fase final de crescimento balanceado entre as bactérias filamentosas e os agregados. De referir ainda que os fortes aumentos da velocidade ascencional e carga orgânica provocaram alterações no reactor como a libertação de bactérias filamentosas e modificação do tamanho dos agregados. Em relação ao processo de desgranulação devido a alimentação com oleato, os resultados obtidos para os sólidos suspensos voláteis reflectiram a lavagem da biomassa ao longo da experiência. Adicionalmente, a aferição da morfologia dos agregados permitiu distinguir uma tendência decrescente do tamanho dos mesmos ao longo da experiência bem como a sua estratificação com os maiores a situarem-se no topo do reactor. Foi ainda possível estabelecer que o processo de desgranulação resultou numa estrutura mais dispersa em termos das bactérias filamentosas e agregados mais leves que migraram para o topo do reactor onde os mais leves sofreram um fenómeno de lavagem.Fundo Social Europeu (FSE) - III Quadro Comunitáriode Apoio.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT) - PRAXIS XXI/BD/20325/99.Instituto para a Cooperação Científica e Tecnológica Internacional (ICCTI) - 203/B4.Ambassade de France au Portugal - 203/B4.Ferreira, Eugénio C.Mota, M.Universidade do MinhoAmaral, A. L.20032003-01-01T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/4506enginfo: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:RCAAP2024-05-11T04:33:47Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/4506Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T14:52:00.244906Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse |
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