Utilize este identificador para referenciar este registo: https://hdl.handle.net/1822/12470

TítuloImage analysis and chemometric techniques as monitoring tools to characterize aggregated and filamentous organisms in activated sludge processes
Autor(es)Mesquita, D. P.
Orientador(es)Ferreira, Eugénio C.
Amaral, A. L.
Data24-Mar-2011
Resumo(s)Activated sludge systems are commonly used in wastewater treatment plants (WWTPs). However, such systems are quite sensitive to sudden changes in operating conditions and a number of problems ranging from hydraulic and organic loads, nutrients and biomass disturbances is quite common. Furthermore, the solid‐liquid separation is considered one of the critical stages of the process and quite dependent on the biomass structure and on the proliferation of specific microorganisms that can be assessed by microscopy techniques. For this reason, image analysis techniques have been increasingly used in the assessment of the structure and contents of activated sludge aggregated and filamentous biomass. Furthermore the potential of this technique is sought to be proportional to the array of different types of images fed to such system. In this thesis eight full‐scale wastewater treatment plants (WWTPs) were monitored by quantitative image analysis, and a lab‐scale activated sludge system was used to simulate different system disturbances. Existing programs for the characterization of the biomass structure for images originating from both bright field and phase contrast were optimized during the course of this thesis, and new programs were developed for fluorescence microscopy images regarding the assessment of the biomass viability and Gram status. A comprehensive comparison between bright field and phase contrast acquisition methodologies was performed, alongside the use of different sample dilutions and microscopy magnifications, since many WWTPs operate with high biomass concentrations. Finally, chemometric techniques such as principal component analysis (PCA) and partial least squares (PLS) were applied to data from the biomass contents, structure, viability and Gram status, alongside reactor operational parameters. It was set for this thesis the main objective of developing and optimizing image analysis procedures to timely detect disturbances and predict crucial parameters in an activated sludge system. The fact that during phase contrast microscopy aggregates presented a halo surrounding them hindered this technique, with respect to both protruding filamentous biomass identification (when present in low contents) and aggregates size determination. Taking into account the overall assessment of the biomass structure and contents, and according to the advantages and disadvantages of both methods, bright field microscopy was considered as presenting the best overall results, with the exception of very high filamentous bacteria contents. With respect to the dilution study, it was found that due to its different influence on several key biomass structure parameters, the use of a single correction factor for the overall results seems unfeasible. Furthermore, care should be taken in determining the best sample dilution and a methodology based on the aggregates recognition percentage is proposed. Regarding the magnification study, the 100x magnification allowed for the detection of both small aggregates and filamentous biomass contents while still presenting a good representativeness of the total biomass contents. The relationship between the biomass structure and contents and sludge settling ability was extensively studied in eight full‐scale wastewater treatment plants in both normal and filamentous bulking conditions. Upon the determination of the uncertainty range regarding the effectiveness of classifying bulking/non‐bulking situations by sludge volume index (SVI) prediction, a satisfactory classification was obtained inside this range, whereas outside the uncertainty area the classification was quite accurate. A further parameter reduction procedure coupled to a PLS analysis allowed the establishment of a 10 independent variables procedure for SVI estimation, after the identification of the most important variables regarding SVI prediction. The analysis of the variables with the highest importance in the projection demonstrated the importance of the free filamentous bacteria contents descriptor group on the SVI prediction ability. The study conducted in a lab‐scale activated sludge system, allowed the establishment of different disorders that can occur in WWTPs, namely filamentous bulking, zoogleal bulking, and pinpoint flocs formation, alongside normal operating conditions. Data was collected from the biomass contents, structure, viability and Gram status apart from traditional operating parameters. A study was then conducted on the effect of the disturbances regarding the total suspended solids (TSS) and the sludge volume index (SVI), which allowed to correctly classifying the collected samples into the studied conditions. It was also found that the SVI correlated well with the filamentous bacteria contents and the TSS with the total aggregates area. A PCA was performed and permitted the identification of the samples clusters belonging to each of the above conditions. Through the use of a multivariate partial least squares in the collected image analysis data, parameters such as SVI, chemical oxygen demand (COD), nitrate (N‐NO3‾) and TSS were estimated both globally and for each disorder. A previous identification of the different disturbances proved to be crucial for improving the assessment of each parameter, and more than satisfactory correlations were obtained between the measured and the predicted values, with the exception of COD. The further use of the operational parameters presented no significant advantages for the SVI and TSS estimation, but was invaluable for the COD and N‐NO3‾ assessment.
Os sistemas convencionais de lamas activadas são habitualmente utilizados em estações de tratamento de águas residuais (ETARs). No entanto, este sistemas são bastante sensíveis a alterações bruscas nas condições de operação podendo ser afectados por um elevado número de problemas como variações súbitas da carga orgânica, e da concentração de nutrientes e biomassa. Sabe‐se também que a separação sólido‐líquido, uma das etapas críticas do processo se encontra dependente da estrutura da biomassa e da proliferação de microrganismos específicos que podem ser avaliados através de microscopia. Por este motivo, tem existido um aumento considerável no uso de técnicas de análise de imagem na determinação da estrutura e conteúdo da biomassa agregada e filamentosa. O potencial de utilização desta tecnologia pode ser considerado como proporcional ao diferente tipo de imagens que pode ser tratado. Nesta tese foram monitorizadas por análise de imagem oito estações de tratamento de águas residuais (ETARs) reais, tendo sido também utilizado um reactor laboratorial de lamas activadas para simular várias perturbações. Foram ainda optimizados programas prévios de processamento e análise de imagens para a caracterização da estrutura da biomassa para imagens resultantes de campo claro e de contraste de fase e desenvolvidos novos programas para a determinação da viabilidade e carácter Gram da biomassa. Foi efectuada uma comparação exaustiva entre as metodologias de aquisição de campo claro e de contraste de fase assim como do recurso a diferentes diluições e ampliações microscópicas, uma vez que muitas ETARs operam com elevadas concentrações de biomassa. Finalmente, foram aplicadas técnicas quimiométricas como a análise de componentes principais (PCA) e o método dos mínimos quadrados parciais (PLS) aos dados relativos à estrutura, conteúdo, viabilidade e carácter Gram da biomassa, assim como aos parâmetros operacionais do reactor. Assim, o principal objectivo desta tese consistiu no desenvolvimento e optimização de metodologias de análise de imagem para uma atempada detecção de perturbações e na previsão dos vários parâmetros considerados fundamentais num sistema de lamas activadas. O facto de os agregados apresentarem um halo quando observados por microscopia de contraste de fase, prejudicou a detecção quer da biomassa filamentosa protuberante (quando presente em baixo conteúdo), quer a determinação do tamanho dos agregados formados. Tendo em conta a avaliação global da estrutura e conteúdo em biomassa, e de acordo com as vantagens e desvantagens de ambos os métodos, foi considerado que a microscopia de campo claro apresentou melhores resultados globais, com excepção de biomassa com elevado conteúdo em bactérias filamentosas. No estudo das diluições, verificou‐se que devido à sua influência diferenciada em vários parâmetros‐chave da estrutura da biomassa, é inviável a utilização de um único factor de correcção nos resultados globais. Uma vez que a escolha da melhor diluição deve ser cuidadosamente determinada, foi proposta uma metodologia para esse fim baseada na percentagem de reconhecimento dos agregados. Relativamente ao estudo das ampliações que melhor define a biomassa agregada e filamentosa, concluiu‐se que a ampliação de 100x permitiu uma elevada representatividade do conteúdo total da biomassa assim como da detecção dos agregados de menores dimensões e da biomassa filamentosa. A relação entre a estrutura e conteúdo da biomassa e a sedimentabilidade das lamas activadas foi extensamente estudada em oito estações de tratamento de águas residuais, quer em funcionamento normal quer em bulking filamentoso. Foi também determinada a zona de incerteza no tocante à correcta classificação de situações de bulking filamentoso pela previsão do índice volumétrico de lamas (IVL). Verificou‐se que, mesmo dentro desta zona de incerteza se obtiveram resultados aceitáveis, e fora da mesma os resultados puderam ser considerados como bastante exactos. Após um procedimento de redução de parâmetros pela análise dos seus factores de projecção no PLS, este permitiu o estabelecimento de uma metodologia englobando 10 parâmetros estruturais independentes para a previsão do IVL. A análise das variáveis com maior factor de projecção permitiu ainda demonstrar a importância do conteúdo em bactérias filamentosas na previsão do IVL. O estudo realizado na instalação laboratorial de lamas activadas, permitiu o estabelecimento de diferentes perturbações que podem ocorrer em ETARs, nomeadamente bulking filamentoso, bulking zoogleal e formação de flocos pinpoint, para além de condições normais de funcionamento. Para além dos parâmetros tradicionais de operação, foi determinada a estrutura, conteúdo, viabilidade e carácter Gram da biomassa. Foi seguidamente conduzido um estudo para a determinação do efeito de cada uma das perturbações ao nível dos sólidos suspensos totais (SST) e do IVL, que permitiu classificar as amostras recolhidas nas respectivas condições de operação. Foi ainda determinado que o IVL se correlacionou com o conteúdo em bactérias filamentosas e o os SST com a área total de agregados. A aplicação de PCA aos dados obtidos permitiu a identificação de aglomerados correspondentes a cada uma das condições descritas anteriormente. Através da utilização da técnica de mínimos quadrados parciais nos dados obtidos por análise de imagem, parâmetros como IVL, carência química de oxigénio (CQO), nitrato (N‐NO3‾) e SST foram estimados globalmente e para cada perturbação. A prévia identificação das perturbações ocorridas mostrou‐se crucial para a melhoria da avaliação de cada um dos parâmetros, tendo sido obtidas correlações mais do que aceitáveis entre os valores medidos e previstos, com excepção para a CQO. A utilização adicional dos parâmetros operacionais não apresentou vantagens significativas na pervisão dos valores de IVL e SST, mas apresentou grande utilidade para a previsão da CQO e N‐NO3‾
TipoTese de doutoramento
DescriçãoTese de doutoramento em Engenharia Química e Biológica
URIhttps://hdl.handle.net/1822/12470
AcessoAcesso aberto
Aparece nas coleções:BUM - Teses de Doutoramento
CEB - Teses de Doutoramento / PhD Theses

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