Investigation of a Biofilm Reactor Model with Suspended Biomass Masic, Alma

114 Pages·2017·4.07 MB·English

Investigation of a Biofilm Reactor Model with Suspended Biomass
Masic, Alma
2013
Link to publication
Citation for published version (APA):
Masic, A. (2013). Investigation of a Biofilm Reactor Model with Suspended Biomass. [Doctoral Thesis
(compilation), Mathematics (Faculty of Engineering)].
Total number of authors:
1
General rights
Unless other specific re-use rights are stated the following general rights apply:
Copyright and moral rights for the publications made accessible in the public portal are retained by the authors
and/or other copyright owners and it is a condition of accessing publications that users recognise and abide by the
legal requirements associated with these rights.
• Users may download and print one copy of any publication from the public portal for the purpose of private study
or research.
• You may not further distribute the material or use it for any profit-making activity or commercial gain
• You may freely distribute the URL identifying the publication in the public portal
Read more about Creative commons licenses: https://creativecommons.org/licenses/
Take down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove
access to the work immediately and investigate your claim.
LUND UNIVERSITY
PO Box 117
221 00 Lund
[phone]
INVESTIGATION OF A BIOFILM REACTOR
MODEL WITH SUSPENDED BIOMASS
ALMA MASˇIC´
FacultyofEngineering
CentreforMathematicalSciences
Mathematics
Mathematics
CentreforMathematicalSciences
LundUniversity
Box118
SE-22100Lund
Sweden
http://www.maths.lth.se/
DoctoralThesesinMathematicalSciences2013:1
ISSN1404-0034
ISBN978-91-7473-465-2
LUTFMA-1047-2013
AlmaMasˇic´,2013
(cid:13)
PrintedinSwedenbyMediaTryck,Lund2013
Abstract
Biofilms are compact, sessile microbial communities that attach to surfaces in aqueous
environments. In wastewater treatment, they are especially important for removal of
phosphorusandnitrogen,which,ifreleasedintoareceivingwaterbody,cancausesevere
eutrophication. Mathematical models of biofilms in wastewater are used to understand
the underlying processes and to describe and analyze biofilm development. Although
biofilmreactorsalwayscontainanamountofsuspendedbiomass,thisbiomassismostly
neglectedinmathematicalmodelsofbiofilmreactors. Thisthesisisbasedonfourpapers
whichinvestigatetheroleofsuspendedbiomassinbiofilmreactors. Aone-dimensional
mathematicalmodelofbiofilmandsuspendedbiomassinacontinuousstirredtankreac-
torispresentedandanalyzedinthefirstpaper. Theunderlyingmodelisahybridmodel
ofchemostat-likemassbalancesforthesubstrateandbiomassinthereactor,coupledwith
afreeboundaryvalueproblemforthesubstrateinthebiofilm. Inasinglespeciessingle
substrate setting, stability conditions for washout and persistence are given. It is found
thatbiofilmandsuspendedbiomassareeitherbothpresentinthereactororcompletely
washedout.Numericalsimulationsshowthatbiofilmdominatesoversuspendedbiomass
inthelongtermreactorperformance,butthatsuspendedbiomassisrelativelymoreeffi-
cientatsubstrateremoval. Themodelisextendedtoamicrobiallyandalgebraicallymore
complexmulti-speciesmulti-substratemodelinthethirdpaper, describingtwo-stepni-
trificationinaMovingBedBiofilmReactor(MBBR).Nitrogenentersthereactorinthe
formofammoniumandleavesasnitrateafteranintermediateconversiontonitrite. Nu-
mericalsimulationsshowthatsuspendedbiomassdoesnotcontributesignificantlytothe
overallreactorperformance,butissubstantialintheintermediateprocesses.Inthesecond
paper,thebiofilmmodelisnumericallyvalidatedagainstmicroelectrodemeasurementsof
oxygengradientsacrossthebiofilmdepthofanitrifyingbiofilmattachedtoasuspended
carrierharvestedfromanMBBR.Finally,asinglespeciessinglesubstratecasewithalim-
itedamountofsubstrateandtreatmenttimeisconsideredasatwo-objectiveoptimization
problem. Withthebulkflowvelocityasthecontrol,differentclassesofadmissiblefunc-
tions 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.
iii
iv
Populärvetenskaplig
sammanfattning
Hanteringavavloppochavfallärendelavallamänniskorsvardag. Vårhälsaochmiljö
påverkasavmetodernavitillämparföratttahandomresterfrånhushållochindustrier.
Genom teknikens utveckling används idag bakterier i vattenreningsverk där avloppsvat-
tenrenasfrånallaskadligaföremålochföreningar.Medhjälpavmatematiskauttryckoch
analyser, i samspel med biologiska, fysikaliska och kemiska experiment, kan dessa ren-
ingsprocesserundersökasochförhoppningsvisförbättras. Idenhäravhandlingenvänds
strålkastarljusetmotsåkalladebiofilmer,somärbetydandeförborttagningavkväveoch
fosforuravloppsvatten.
Bakteriersomhoparsigpåenblötytabildaroftabiofilmermedheltandraegenskaper
ändefriabakterierna. Biofilmerskyddarbakteriernafrånexempelvisantibiotika,mende
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
orsakakaries. Trotsattbiofilmeroftakopplassammanmedsjukdomarochförfallfinns
detfleraanvändningsområdendärdekangöranytta.
Iavloppsvattenreningharmanlängeanväntbakterieriformavaktivtslam,därbak-
teriernaväxerochförökarsiggenomattbrytanerolikanäringsämnensomfinnsiavlopps-
vattnet.Enpågåendeövergödningavvattendragpågrundavförhögahalteravkväveoch
fosforireningsverkensutloppsvattenökarkravenpåförbättradereningsmetoder. Ettsätt
attytterligarerenaavloppsvattnetärattanvändabiofilmersomgerutrymmeförspecialis-
eradebakterierattbrytanerkväveochtauppfosfor. Kvävekommerintillreningsverket
iformavammoniumsomfinnsiurinochlämnardetslutligensomoskadligkvävgas.
Matematiskamodelleriformavdifferentialekvationerharlängeanväntsförattbeskriva
ochförståbakteriernasmekanismerochderasrollireningenavvatten. Modellernavari-
erar i komplexitet och detaljrikedom beroende på hur många element och processer de
beskriver. Mångaärdärförmycketkompliceradeochsvåraattlösaanalytisktochmåste
beräknas numeriskt med hjälp av datorer. Enklare modeller, där många mindre viktiga
processerförsummas,kandäremotoftastuderasmedexaktmatematik.
v
Biofilmssystemivattenreningsverkbrukaralltidhaenlitenandelbakteriersomflyter
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 ren-
ingsverket och ut till ett vattendrag. Trots detta försummas den fria biomassan oftast i
traditionellabiofilmsmodeller.
Idenhäravhandlingenundersökseffekternaavsuspenderadbiomassaimatematiska
biofilmsmodeller av avloppsvattenrening. En relativt enkel endimensionell modell med
en bakteriesort och ett näringsämne presenteras och analyseras både analytiskt och nu-
meriskt. Det visar sig att suspenderad biomassa och biofilm måste samexistera. I ett
längretidsperspektivkommerbiofilmenattdomineradensuspenderadebiomassan. Sus-
penderad biomassa är dock relativt sett bättre på att bryta ner näringsämnet än biofilm
meneffektenäroftastobetydligeftersomdessandeliallmänhetärganskaliten.
Enmervarierandebildgesavennitrifikationsmodelldärtvåolikabakteriesorteroch
tre näringsämnen samt syre finns i reaktorn. Lämpliga parametrar framtogs i en första
studiedärsimuleradesyrekoncentrationerjämfördesmeduppmättatvärsigenombiofil-
men. Ytterligarenumeriskasimuleringarvisarattreaktornstotalaprestandaintepåverkas
nämnvärtavsuspenderadbiomassaiochmedattbiofilmenstårförstörstandelnedbryt-
ning. Däremotspelardensuspenderadebiomassanentydligrolliprocessensmellansteg
och mellanprodukter. Slutsatsen är att suspenderad biomassa inte behöver inkluderas i
biofilmsmodelleromreaktornsprestationsförmågastårifokus.
I en efterföljande studie undersöks vad som händer i en situation där tillgången till
näringsämnetsamtbehandlingstidenärbegränsade.Fråganställsomensådanreaktorkan
förbättrasgenomstyrningavflödetmellanförvaringsreaktornochbehandlingsreaktorn.
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
medanbakteriernaetablerarsig,ärinteavsevärtbättreänettvanligtkonstantflöde. Slut-
satsen blir att ett styrt flöde inte har några nämnvärda fördelar gentemot en konstant
flödeshastighet.
vi
Preface
This thesis considers the problem of mathematical modeling of biofilm reactors which
includesuspendedbiomass. Suchamodelisformulatedandanalyzedbothmathemati-
callyandnumericallyinthefirstpaper. Thenextpaperinvestigatesanitrifyingbiofilm
inaMovingBedBiofilmReactorthroughmicroelectrodemeasurementsandnumerical
simulations. Inthethirdpaperthemainmodelfromthefirstpaperisusedandextended
byintroductionofmicrobialandphysicalcomplexityfromthenitrificationmodelofthe
secondpaper. Theextendedmodelisanalyzedbymeansofextensivenumericalsimula-
tions. Inthelastpaperanoptimizationproblemispresentedandstudied. Theaimofthe
problem is to find a flow regime between a storage reactor and a treatment reactor that
willincreasethesubstrateremovalefficiencyanddecreaseprocessduration.
TheworkofthisthesishasbeenfundedbytheKnowledgeFoundation,MalmöUni-
versityandLundUniversity.
Thethesisconsistsofthefollowingfourpapers:
I A. Mašic´ and H.J. Eberl, (2012), "Persistence in a single species CSTR model
withsuspendedflocsandwallattachedbiofilms",BulletinofMathematicalBiology,
74(4):1001-1026.
II A. Mašic´, J. Bengtsson and M. Christensson, (2010), "Measuring and modeling
theoxygenprofileinanitrifyingMovingBedBiofilmReactor",MathematicalBio-
sciences,227(1):1-11.
III A.Mašic´andH.J.Eberl,(Aug2012),"Amodelingandsimulationstudyoftherole
ofsuspendedmicrobialpopulationsinnitrificationinabiofilmreactor",submitted
toBulletinofMathematicalBiology.
IV A.Mašic´andH.J.Eberl,(Feb2013),"Onoptimizationofsubstrateremovalina
bioreactorwithwallattachedandsuspendedbacteria",submittedtoMathematical
BiosciencesandEngineering.
vii
viii
Acknowledgments
I have had the privilege to meet and interact with various people during my years as a
PhDstudent, manyofwhomhavecontributedtomakethisjourneyworthwhile. First,
I would like to thank my supervisors Per Ståhle and Johan Helsing for all their help
and advice. Their constructive comments during the examination of this thesis have
considerably improved its quality. I would also like to acknowledge the help from my
previoussupervisorsAndersHeydenandNielsChristianOvergaard.
IwillforeverbemostindebtedtoHermannEberlofUniversityofGuelph,Canada.
He has been my main collaborator, providing genuine support and guidance along the
way.Hisenthusiasmforandknowledgeofmathematicshavebeencontainedincountless
e-mailsandlongdiscussions,whichhavebeencrucialformywork. Iwouldparticularly
liketoemphasizetheamountofworkhehasinvestedinthefinalizationofthisthesis,with
anunfailingattentiontodetail. Collaborationwithsuchagenerousandinspiringperson
continuestobeeffortlessandIhopewewillhaveplentyofopportunitiestoworktogether
again.IwouldalsoliketothankhimforinvitingmetovisitGuelphanddevotinghistime
toourdiscussionsduringmyresearchstays. Myvisitsweregreatlyeasedbytheassistance
andkindnessofMalloryFrederickJutzi,HediaFgaier,RangaSudarsan,VardayaniRatti,
BlessingUzor,FazalAbbasandSandySmith,whoallwelcomedmeasoneoftheirown.
Myinterdisciplinaryworkwouldhavebeenamysterywereitnotfortheconsiderable
help and support I have received from Magnus Christensson, Jessica Bengtsson, Maria
Johansson, Eva Tykesson and Jenny Kruuse at AnoxKaldnes in Lund. They have pa-
tiently taught me so much about biofilms and wastewater treatment, always providing
explanations for a curious mathematician. I would also like to express my gratitude to
theircolleagueswhohaveshownafriendlyworkenvironmentandinvitedmetoeatmany
"fredagsbulle"overtheyears.
IamsincerelythankfulforthegenerosityandunderstandingshownbyKalleÅström
at theCentre forMathematical Sciences. AndreyGhulchak contributedwith ideasand
helpful conversations, which I truly appreciate. Furthermore, I want to thank Mikael
Abrahamssonatthemathematicallibrary,whohaseagerlyhelpedmefindmanyimpor-
tant,butobscurebooksandpapers.IhavehadseveralinterestingdiscussionswithRobert
Almstrand,MalteHermanssonandFredSörenssonofGothenburgUniversityandwould
ix