Investigation of a Biofilm Reactor Model with Suspended Biomass

Abstract

Biofilms are compact, sessile microbial communities that attach to surfaces in aqueous environments. In wastewater treatment, they are especially important for removal of phosphorus and nitrogen, which, if released into a receiving water body, can cause severe eutrophication. Mathematical models of biofilms in wastewater are used to understand the underlying processes and to describe and analyze biofilm development. Although biofilm reactors always contain an amount of suspended biomass, this biomass is mostly neglected in mathematical models of biofilm reactors. This thesis is based on four papers which investigate the role of suspended biomass in biofilm reactors. A one-dimensional mathematical model of biofilm and suspended biomass in a continuous stirred tank reactor is presented and analyzed in the first paper. The underlying model is a hybrid model of chemostat-like mass balances for the substrate and biomass in the reactor, coupled with a free boundary value problem for the substrate in the biofilm. In a single species single substrate setting, stability conditions for washout and persistence are given. It is found that biofilm and suspended biomass are either both present in the reactor or completely washed out. Numerical simulations show that biofilm dominates over suspended biomass in the longterm reactor performance, but that suspended biomass is relatively more efficient at substrate removal. The model is extended to a microbially and algebraically more complex multi-species multi-substrate model in the third paper, describing two-step nitrification in a Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR). Nitrogen enters the reactor in the form of ammonium and leaves as nitrate after an intermediate conversion to nitrite. Numerical simulations show that suspended biomass does not contribute significantly to the overall reactor performance, but is substantial in the intermediate processes. In the second paper, the biofilm model is numerically validated against microelectrode measurements of oxygen gradients across the biofilm depth of a nitrifying biofilm attached to a suspended carrier harvested from an MBBR. Finally, a single species single substrate case with a limited amount of substrate and treatment time is considered as a two-objective optimization problem. With the bulk flow velocity as the control, different classes of admissible functions are investigated. It is found that, given the uncertainties in the initial data, none

of the other functions perform better than the constant flow rate, i.e. the uncontrolled reactor.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Hantering av avlopp och avfall är en del av alla människors vardag. Vår hälsa och miljö påverkas av metoderna vi tillämpar för att ta hand om rester från hushåll och industrier. Genom teknikens utveckling används idag bakterier i vattenreningsverk där avloppsvatten renas från alla skadliga föremål och föreningar. Med hjälp av matematiska uttryck och analyser, i samspel med biologiska, fysikaliska och kemiska experiment, kan dessa reningsprocesser undersökas och förhoppningsvis förbättras. I den här avhandlingen vänds strålkastarljuset mot så kallade biofilmer, som är betydande för borttagning av kväve och fosfor ur avloppsvatten.



Bakterier som hopar sig på en blöt yta bildar ofta biofilmer med helt andra egenskaper än de fria bakterierna. Biofilmer skyddar bakterierna från exempelvis antibiotika, men de bromsar samtidigt tillflödet av näringsämnen. Ett typexempel på biofilmer är vanligt plack som bildas på tänderna. Om placken inte tas bort kan den bilda tandsten och orsaka karies. Trots att biofilmer ofta kopplas samman med sjukdomar och förfall finns det flera användningsområden där de kan göra nytta.



I avloppsvattenrening har man länge använt bakterier i form av aktivt slam, där bakterierna växer och förökar sig genom att bryta ner olika näringsämnen som finns i avloppsvattnet. En pågående övergödning av vattendrag på grund av för höga halter av kväve och fosfor i reningsverkens utloppsvatten ökar kraven på förbättrade reningsmetoder. Ett sätt att ytterligare rena avloppsvattnet är att använda biofilmer som ger utrymme för specialiserade bakterier att bryta ner kväve och ta upp fosfor. Kväve kommer in till reningsverket i form av ammonium som finns i urin och lämnar det slutligen som oskadlig kvävgas.



Matematiska modeller i form av differentialekvationer har länge använts för att beskriva och förstå bakteriernas mekanismer och deras roll i reningen av vatten. Modellerna varierar i komplexitet och detaljrikedom beroende på hur många element och processer de beskriver. Många är därför mycket komplicerade och svåra att lösa analytiskt och måste beräknas numeriskt med hjälp av datorer. Enklare modeller, där många mindre viktiga processer försummas, kan däremot ofta studeras med exakt matematik.



Biofilmssystem i vattenreningsverk brukar alltid ha en liten andel bakterier som flyter omkring i vattnet. Dessa bakterier, så kallad suspenderad biomassa, kommer antingen in till reaktorn med det orenade vattnet eller lossnar från biofilmen. Den suspenderade biomassan måste tas bort från det renade vattnet innan det kan fortsätta vidare i reningsverket och ut till ett vattendrag. Trots detta försummas den fria biomassan oftast i traditionella biofilmsmodeller.



I den här avhandlingen undersöks effekterna av suspenderad biomassa i matematiska biofilmsmodeller av avloppsvattenrening. En relativt enkel endimensionell modell med en bakteriesort och ett näringsämne presenteras och analyseras både analytiskt och numeriskt. Det visar sig att suspenderad biomassa och biofilm måste samexistera. I ett längre tidsperspektiv kommer biofilmen att dominera den suspenderade biomassan. Suspenderad biomassa är dock relativt sett bättre på att bryta ner näringsämnet än biofilm men effekten är oftast obetydlig eftersom dess andel i allmänhet är ganska liten.



En mer varierande bild ges av en nitrifikationsmodell där två olika bakteriesorter och tre näringsämnen samt syre finns i reaktorn. Lämpliga parametrar framtogs i en första studie där simulerade syrekoncentrationer jämfördes med uppmätta tvärs igenom biofilmen. Ytterligare numeriska simuleringar visar att reaktorns totala prestanda inte påverkas nämnvärt av suspenderad biomassa i och med att biofilmen står för störst andel nedbrytning. Däremot spelar den suspenderade biomassan en tydlig roll i processens mellansteg och mellanprodukter. Slutsatsen är att suspenderad biomassa inte behöver inkluderas i biofilmsmodeller om reaktorns prestationsförmåga står i fokus.



I en efterföljande studie undersöks vad som händer i en situation där tillgången till näringsämnet samt behandlingstiden är begränsade. Frågan ställs om en sådan reaktor kan förbättras genom styrning av flödet mellan förvaringsreaktorn och behandlingsreaktorn. Ett optimerat styrningsproblem formuleras och löses för olika typer av flödesreglering. Den bästa kandidaten, en så kallad off-on-funktion där flödet är avstängt till en början medan bakterierna etablerar sig, är inte avsevärt bättre än ett vanligt konstant flöde. Slutsatsen blir att ett styrt flöde inte har några nämnvärda fördelar gentemot en konstant flödeshastighet.

• author: Masic, Alma
• supervisor: Per Ståhle; Johan Helsing
• opponent: Chopp, David, Northwestern University, USA
• organization: Mathematics (Faculty of Engineering); eSSENCE: The e-Science Collaboration
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Mathematics
• keywords: wall attachment, suspended growth, substrate removal, reactor, biofilm, CSTR, mathematical model, MBBR, nitrification, optimization
• pages: 180 pages
• defense location: Lecture hall MH:C, Centre for Mathematical Sciences, Sölvegatan 18, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2013-03-22 13:00:00
• ISBN: 978-91-7473-465-2
• language: English
• LU publication?: yes
• id: e2d73a45-e4a8-41af-ad87-0f62da0365ba (old id 3516782)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:25:32
• date last changed: 2018-11-21 20:53:00