Implementation of enhanced biological phosphorus removal (ebpr) wastewater treatment processes enriched with different microbial communities

The EBPR (Enhanced Biological Phosphorus Removal) is a type of secondary treatment in WWTPs (WasteWater Treatment Plants), quite largely used in full-scale plants worldwide. The phosphorus occurring in aquatic systems in high amounts can cause eutrophication and consequently the death of fauna and flora. A specific biomass is used in order to remove the phosphorus, the so-called PAOs (Polyphosphate Accumulating Organisms) that accumulate the phosphorus in form of polyphosphate in their cells. Some of these organisms, the so-called DPAO (Denitrifying Polyphosphate Accumulating Organisms) use as electron acceptor the nitrate or nitrite, contributing in this way also to the removal of these compounds from the wastewater, but there could be side reactions leading to the formation of nitrous oxides. The aim of this project was to simulate in laboratory scale a EBPR, acclimatizing and enriching the specialized biomass. Two bioreactors were operated as Sequencing Batch Reactors, one enriched in Accumulibacter, the other in Tetrasphaera (both PAOs): Tetrasphaera microorganisms are able to uptake aminoacids as carbon source, Accumulibacter uptake organic carbon (volatile fatty acids, VFA). In order to measure the removal of COD, phosphorus and nitrogen-derivate compounds, different analysis were performed: spectrophotometric measure of phosphorus, nitrate, nitrite and ammonia concentrations, TOC (Total Organic Carbon, measuring the carbon consumption), VFA via HPLC (High Performance Liquid Chromatography), total and volatile suspended solids following standard methods APHA, qualitative microorganism population via FISH (Fluorescence In Situ Hybridization). Batch test were also performed to monitor the NOx production. Both specialized populations accumulated as a result of SBR operations; however, Accumulibacter were found to uptake phosphates at higher extents. Both populations were able to remove efficiently nitrates and organic compounds occurring in the feeding. The experimental work was carried out at FCT of Universidade Nova de Lisboa (FCT-UNL) from February to July 2014.

Impianti di depurazione delle acque: SBR

In questo elaborato è stato discusso il tema della depurazione delle acque reflue, in particolar modo il sistema SBR. L'SBR (Sequencing Batch Reactors) è un sistema di impianti di depurazione composto da una vasca di raccolta del liquame e una o più vasche in parallelo, i reattori, che consistono nel vero e proprio cure dell'impianto. Di fatto le fasi del processo depurativo restano immutate rispetto ad un impianto tradizionale, ma l'SBR introduce come nuovo parametro dimensionale il tempo. infatti, tutti i trattamenti depurativi sono svolti sequenzialmente nel reattore. Un programma gestisce le varie fasi del trattamento esclusivamente sulla base della loro durata (stabilita relativamente alla natura del refluo e quindi ai trattamenti da svolgere in maniera più o meno intensiva). Questa caratteristica rende l'intero impianto molto versatile nel caso di variazioni dei dati in ingresso. Per questo motivo gli impianti SBR sono ottimi per la piccola media impresa, in quanto sono facilmente adattabili alle variazioni stagionali di produzione. Sono inoltre possibili realizzazioni di impianti per il trattamento di ingenti portate, o elevate concentrazioni, ponendo più reattori in parallelo alimentati dalle stessa vasca di accumulo. In questo modo è possibile svolgere un maggiore numero di cicli depurativi al giorno e quindi rispettare i valori normativi in uscita dell'impianto. In conclusione questa tipologia d'impianto presenta notevoli vantaggi fra i quali anche quello di avere bassi costi operativi. La motivazione di ciò sta nel fatto che l'impianto lavora solo se ha effettivamente una portata, per cui se non vi è presenza di refluo il reattore non lavora e quindi non comporta costi.

Processo biotecnologico a cellule immobilizzate per la produzione di acidi grassi volatili da acque di vegetazione

Le acque di vegetazione (AV) costituiscono un serio problema di carattere ambientale, sia a causa della loro elevata produzione sia per l’ elevato contenuto di COD che oscilla fra 50 e 150 g/l. Le AV sono considerate un refluo a tasso inquinante fra i più elevati nell’ambito dell’industria agroalimentare e la loro tossicità è determinata in massima parte dalla componente fenolica. Il presente lavoro si propone di studiare e ottimizzare un processo non solo di smaltimento di tale refluo ma anche di una sua valorizzazione, utlizzandolo come materia prima per la produzione di acidi grassi e quindi di PHA, polimeri biodegradabili utilizzabili in varie applicazioni. A tale scopo sono stati utilizzati due bioreattori anaerobici a biomassa adesa, di identica configurazione, con cui si sono condotti due esperimenti in continuo a diverse temperature e carichi organici al fine di studiare l’influenza di tali parametri sul processo. Il primo esperimento è stato condotto a 35°C e carico organico pari a 12,39 g/Ld, il secondo a 25°C e carico organico pari a 8,40 g/Ld. Si è scelto di allestire e mettere in opera un processo a cellule immobilizzate in quanto questa tecnologia si è rivelata vantaggiosa nel trattamento continuo di reflui ad alto contenuto di COD e carichi variabili. Inoltre si è scelto di lavorare in continuo poiché tale condizione, per debiti tempi di ritenzione idraulica, consente di minimizzare la metanogenesi, mediata da microrganismi con basse velocità specifiche di crescita. Per costituire il letto fisso dei due reattori si sono utilizzati due diversi tipi di supporto, in modo da poter studiare anche l’influenza di tale parametro, in particolare si è fatto uso di carbone attivo granulare (GAC) e filtri ceramici Vukopor S10 (VS). Confrontando i risultati si è visto che la massima quantità di VFA prodotta nell’ambito del presente studio si ha nel VS mantenuto a 25°C: in tale condizione si arriva infatti ad un valore di VFA prodotti pari a 524,668 mgCOD/L. Inoltre l’effluente in uscita risulta più concentrato in termini di VFA rispetto a quello in entrata: nell’alimentazione la percentuale di materiale organico presente sottoforma di acidi grassi volatili era del 54 % e tale percentuale, in uscita dai reattori, ha raggiunto il 59 %. Il VS25 rappresenta anche la condizione in cui il COD degradato si è trasformato in percentuale minore a metano (2,35 %) e questo a prova del fatto che l’acidogenesi ha prevalso sulla metanogenesi. Anche nella condizione più favorevole alla produzione di VFA però, si è riusciti ad ottenere una loro concentrazione in uscita (3,43 g/L) inferiore rispetto a quella di tentativo (8,5 g/L di VFA) per il processo di produzione di PHA, sviluppato da un gruppo di ricerca dell’università “La Sapienza” di Roma, relativa ad un medium sintetico. Si può constatare che la modesta produzione di VFA non è dovuta all’eccessiva degradazione del COD, essendo questa nel VS25 appena pari al 6,23%, ma piuttosto è dovuta a una scarsa concentrazione di VFA in uscita. Questo è di buon auspicio nell’ottica di ottimizzare il processo migliorandone le prestazioni, poiché è possibile aumentare tale concentrazione aumentando la conversione di COD in VFA che nel VS25 è pari a solo 5,87%. Per aumentare tale valore si può agire su vari parametri, quali la temperatura e il carico organico. Si è visto che il processo di acidogenesi è favorito, per il VS, per basse temperature e alti carichi organici. Per quanto riguarda il reattore impaccato con carbone attivo la produzione di VFA è molto ridotta per tutti i valori di temperatura e carichi organici utilizzati. Si può quindi pensare a un’applicazione diversa di tale tipo di reattore, ad esempio per la produzione di metano e quindi di energia.

Biogas and bio-hydrogen: production and uses. A review

The first part of this essay aims at investigating the already available and promising technologies for the biogas and bio-hydrogen production from anaerobic digestion of different organic substrates. One strives to show all the peculiarities of this complicate process, such as continuity, number of stages, moisture, biomass preservation and rate of feeding. The main outcome of this part is the awareness of the huge amount of reactor configurations, each of which suitable for a few types of substrate and circumstance. Among the most remarkable results, one may consider first of all the wet continuous stirred tank reactors (CSTR), right to face the high waste production rate in urbanised and industrialised areas. Then, there is the up-flow anaerobic sludge blanket reactor (UASB), aimed at the biomass preservation in case of highly heterogeneous feedstock, which can also be treated in a wise co-digestion scheme. On the other hand, smaller and scattered rural realities can be served by either wet low-rate digesters for homogeneous agricultural by-products (e.g. fixed-dome) or the cheap dry batch reactors for lignocellulose waste and energy crops (e.g. hybrid batch-UASB). The biological and technical aspects raised during the first chapters are later supported with bibliographic research on the important and multifarious large-scale applications the products of the anaerobic digestion may have. After the upgrading techniques, particular care was devoted to their importance as biofuels, highlighting a further and more flexible solution consisting in the reforming to syngas. Then, one shows the electricity generation and the associated heat conversion, stressing on the high potential of fuel cells (FC) as electricity converters. Last but not least, both the use as vehicle fuel and the injection into the gas pipes are considered as promising applications. The consideration of the still important issues of the bio-hydrogen management (e.g. storage and delivery) may lead to the conclusion that it would be far more challenging to implement than bio-methane, which can potentially “inherit” the assets of the similar fossil natural gas. Thanks to the gathered knowledge, one devotes a chapter to the energetic and financial study of a hybrid power system supplied by biogas and made of different pieces of equipment (natural gas thermocatalitic unit, molten carbonate fuel cell and combined-cycle gas turbine structure). A parallel analysis on a bio-methane-fed CCGT system is carried out in order to compare the two solutions. Both studies show that the apparent inconvenience of the hybrid system actually emphasises the importance of extending the computations to a broader reality, i.e. the upstream processes for the biofuel production and the environmental/social drawbacks due to fossil-derived emissions. Thanks to this “boundary widening”, one can realise the hidden benefits of the hybrid over the CCGT system.

Biometanazione della frazione organica di rifiuti solidi urbani da raccolta indifferenziata mediante codigestione con refluo zootecnico o addizione di solfuro di sodio

Il presente elaborato è stato finalizzato allo sviluppo di un processo di digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU oppure, in lingua inglese OFMSW, Organic Fraction of Municipal Solid Waste) provenienti da raccolta indifferenziata e conseguente produzione di biogas da impiegarsi per il recupero energetico. Questo lavoro rientra nell’ambito di un progetto, cofinanziato dalla Regione Emilia Romagna attraverso il Programma Regionale per la Ricerca Industriale, l’Innovazione e il Trasferimento Tecnologico (PRRIITT), sviluppato dal Dipartimento di Chimica Applicata e Scienza dei Materiali (DICASM) dell’Università di Bologna in collaborazione con la Facoltà di Ingegneria dell’Università di Ferrara e con la società Recupera s.r.l. che applicherà il processo nell’impianto pilota realizzato presso il proprio sito di biostabilizzazione e compostaggio ad Ostellato (FE). L’obiettivo è stato la verifica della possibilità di impiegare la frazione organica dei rifiuti indifferenziati per la produzione di biogas, e in particolare di metano, attraverso un processo di digestione anaerobica previo trattamento chimico oppure in codigestione con altri substrati organici facilmente fermentabili. E’ stata inoltre studiata la possibilità di impiego di reattori con biomassa adesa per migliorare la produzione specifica di metano e diminuire la lag phase. Dalla sperimentazione si può concludere che è possibile giungere allo sviluppo di metano dalla purea codigerendola assieme a refluo zootecnico. Per ottenere però produzioni significative la quantità di solidi volatili apportati dal rifiuto non deve superare il 50% dei solidi volatili complessivi. Viceversa, l’addizione di solfuri alla sola purea si è dimostrata ininfluente nel tentativo di sottrarre gli agenti inibitori della metanogenesi. Inoltre, l’impiego di supporti di riempimento lavorando attraverso processi batch sequenziali permette di eliminare, nei cicli successivi al primo, la lag phase dei batteri metanogeni ed incrementare la produzione specifica di metano.

Metodologie per l'analisi statistica di dati di sequencing relativi a un esperimento di rna interference

La RNA interference è un processo attraverso il quale alcuni piccoli frammenti di RNA (19-25 nucleotidi) sono in grado di silenziare l'espressione genica. La sua scoperta, nel 1998, ha rivoluzionato le concezioni della biologia molecolare, minando le basi del cosiddetto Dogma Centrale. Si è visto che la RNAi riveste ruoli fondamentali in meccanismi di regolazione genica, nello spegnimento dell'espressione e funziona come meccanismo di difesa innata contro varie tipologie di virus. Proprio a causa di queste implicazioni richiama interesse non solo dal punto di vista scientifico, ma anche da quello medico, in quanto potrebbe essere impiegata per lo sviluppo di nuove cure. Nonostante la scoperta di tale azione desti la curiosità e l'interesse di molti, i vari processi coinvolti, soprattutto a livello molecolare, non sono ancora chiari. In questo lavoro si propongono i metodi di analisi di dati di un esperimento prodotto dall'Istituto di Biologia molecolare e cellulare di Strasburgo. Nell'esperimento in questione vengono studiate le funzioni che l'enzima Dicer-2 ha nel pathway - cioè la catena di reazioni biomolecolari - della RNA interference durante un'infezione virale nel moscerino della frutta Drosophila Melanogaster. Per comprendere in che modo Dicer-2 intervenga nel silenziamento bisogna capire in quali casi e quali parti di RNA vengono silenziate, a seconda del diverso tipo di mutazione dell'enzima stesso. Dunque è necessario sequenziare l'RNA nelle diverse condizioni sperimentali, ottenendo così i dati da analizzare. Parte dei metodi statistici che verranno proposti risultano poco convenzionali, come conseguenza della peculiarità e della difficoltà dei quesiti che l'esperimento mette in luce. Siccome le tematiche affrontate richiedono un approccio sempre più interdisciplinare, è aumentata considerevolmente la richiesta di esperti di altri settori scientifici come matematici, informatici, fisici, statistici e ingegneri. Questa collaborazione, grazie a una diversità di approccio ai problemi, può fornire nuovi strumenti di comprensione in ambiti che, fino a poco tempo fa, rientravano unicamente nella sfera di competenza dei biologi.

Ecological modelling for next generation sequencing data

Le tecniche di next generation sequencing costituiscono un potente strumento per diverse applicazioni, soprattutto da quando i loro costi sono iniziati a calare e la qualità dei loro dati a migliorare. Una delle applicazioni del sequencing è certamente la metagenomica, ovvero l'analisi di microorganismi entro un dato ambiente, come per esempio quello dell'intestino. In quest'ambito il sequencing ha permesso di campionare specie batteriche a cui non si riusciva ad accedere con le tradizionali tecniche di coltura. Lo studio delle popolazioni batteriche intestinali è molto importante in quanto queste risultano alterate come effetto ma anche causa di numerose malattie, come quelle metaboliche (obesità, diabete di tipo 2, etc.). In questo lavoro siamo partiti da dati di next generation sequencing del microbiota intestinale di 5 animali (16S rRNA sequencing) [Jeraldo et al.]. Abbiamo applicato algoritmi ottimizzati (UCLUST) per clusterizzare le sequenze generate in OTU (Operational Taxonomic Units), che corrispondono a cluster di specie batteriche ad un determinato livello tassonomico. Abbiamo poi applicato la teoria ecologica a master equation sviluppata da [Volkov et al.] per descrivere la distribuzione dell'abbondanza relativa delle specie (RSA) per i nostri campioni. La RSA è uno strumento ormai validato per lo studio della biodiversità dei sistemi ecologici e mostra una transizione da un andamento a logserie ad uno a lognormale passando da piccole comunità locali isolate a più grandi metacomunità costituite da più comunità locali che possono in qualche modo interagire. Abbiamo mostrato come le OTU di popolazioni batteriche intestinali costituiscono un sistema ecologico che segue queste stesse regole se ottenuto usando diverse soglie di similarità nella procedura di clustering. Ci aspettiamo quindi che questo risultato possa essere sfruttato per la comprensione della dinamica delle popolazioni batteriche e quindi di come queste variano in presenza di particolari malattie.

Test hardware del primo batch di schede rod per l'esperimento atlas ibl.

L’acceleratore di particelle LHC, al CERN di Ginevra, permette studi molto rilevanti nell'ambito della fisica subnucleare. L’importanza che ricopre in questo campo il rivelatore è grandissima ed è per questo che si utilizzano tecnologie d’avanguardia nella sua costruzione. É altresì fondamentale disporre di un sistema di acquisizione dati quanto più moderno ma sopratutto efficiente. Tale sistema infatti è necessario per gestire tutti i segnali elettrici che derivano dalla conversione dell’evento fisico, passaggio necessario per rendere misurabili e quantificabili le grandezze di interesse. In particolare in questa tesi viene seguito il lavoro di test delle schede ROD dell’esperimento ATLAS IBL, che mira a verificare la loro corretta funzionalità, prima che vengano spedite nei laboratori del CERN. Queste nuove schede gestiscono i segnali in arrivo dal Pixel Detector di ATLAS, per poi inviarli ai computer per la successiva elaborazione. Un sistema simile era già implementato e funzionante, ma il degrado dei chip ha causato una perdita di prestazioni, che ha reso necessario l’inserimento di un layer aggiuntivo. Il nuovo strato di rivelatori a pixel, denominato Insertable Barrel Layer (IBL), porta così un aggiornamento tecnologico e prestazionale all'interno del Pixel Detector di ATLAS, andando a ristabilire l’efficacia del sistema.

Test hardware del secondo batch di schede ROD per il layer 2 del pixel detector dell'esperimento ATLAS al CERN

In questa tesi viene seguito il lavoro di test delle schede ROD del layer 2 del Pixel Detector dell’ esperimento ATLAS, che mira a verificare la loro corretta funzionalità, prima che vengano spedite nei laboratori del CERN. Queste nuove schede gestiscono i segnali in arrivo dal Pixel Detector di ATLAS, per poi inviarli ai computer per la successiva elaborazione. Le schede ROD andranno a sostituire le precedenti schede SiROD nella catena di acquisizione dati dell’esperimento, procedendo dal nuovo strato IBL, e proseguendo con i tre layer del Pixel Detector, corroborando l’aggiornamento tecnologico e prestazionale necessario in vista dell’incremento di luminosità dell’esperimento.

Struttura filogenetica della comunità batterica associata ad Ostreopsis cf. Ovata in colture batch e dinamiche di crescita

Negli ultimi 10 anni i blooms attribuibili alla dinoflagellata bentonica Ostreopsis cf. ovata sono aumentati in termini di frequenza ed intensità lungo le coste del Mediterraneo, avendo ripercussioni negative sulla salute umana e forti impatti sulle comunità marine bentoniche, ciò a seguito della produzione di potenti tossine (composti palitossina-simili) da parte della microalga. Tra i fattori ecologici che innescano o regolano le dinamiche dei bloom tossici le interazioni tra microalghe e batteri sono in misura sempre maggiore oggetto di ricerca. In questo studio è stata analizzata la struttura filogenetica della comunità batterica associata ad O. cf. ovata in colture batch e valutate le dinamiche successionali della stessa in relazione alle differenti fasi di crescita della microalga (oltre che in relazione alle dinamiche di abbondanza virale). Lo studio filogenetico è stato effettuato tramite l’ausilio di metodiche molecolari di sequenziamento di next generation (Ion Torrent). Le abbondanze dei batteri e delle particelle virali sono state determinate tramite microscopia ad epifluorescenza; l’abbondanza cellulare algale è stata stimata tramite metodo Uthermohl. Il contributo della frazione batterica ad elevata attività respiratoria è stato determinato tramite doppia colorazione con coloranti DAPI e CTC. Dai dati emersi si evince che la comunità batterica attraversa due fasi di crescita distinte, una più marcata e concomitante con la fase esponenziale di O. cf. ovata, l'altra quando la microalga è in fase media stazionaria. Per quanto concerne la composizione filogenetica della comunità sono stati rilevati 12 phyla, 17 classi e 150 generi, sebbene i dati ottenuti abbiano rilevato una forte dominanza del phylum Proteobacteria con la classe Alphaproteobacteria, seguita dal phylum Bacteroidetes con la classe Sphingobacteria. Variazioni nella struttura filogenetica della comunità batterica, a livello di generi, tra le diverse fasi di crescita della microalga ha permesso di evidenziare ed ipotizzare particolari interazioni di tipo mutualistico e di tipo competitivo.

Dinamiche di produzione di Dimetilsolfoniopropionato (DMSP) nella dinoflagellata tossica Ostreopsis cf. ovata in colture batch

Il Dimetilsolfoniopropionato (DMSP) è un metabolita secondario prodotto da vari organismi marini, tra cui molte microalghe. Ad oggi pochi studi riguardano gli effetti dei fattori ambientali sulla produzione di DMSP nelle microalghe tossiche, tuttavia si ipotizza che la carenza di azoto (N-dep) possa influire sulla produzione di tossine e DMSP. In questo lavoro è stata indagata nella dinoflagellata Ostreopsis cf. ovata: la presenza e l’andamento del DMSP lungo tutte le fasi di crescita; i possibili effetti di differenti condizioni di crescita (i.e. bilanciata e N-dep) sulla produzione del metabolita e delle tossine. La scelta della dinoflagellata è giustificata dalle sue frequenti fioriture dannose nel Mediterraneo e dall’osservazione, in studi pregressi, di una comunità batterica associata ai suoi blooms in grado di utilizzare il DMSP come fonte energetica. Lo studio mostra per la prima volta da parte di O. cf ovata la produzione del DMSP, riportando un trend temporale simile nelle due condizioni. Si evidenzia: un minimo a fine fase esponenziale; un massimo nella prima fase stazionaria; una riduzione al termine della fase stazionaria. Il confronto fra le due condizioni evidenzia un effetto positivo di N-dep nella produzione di DMSP, evidenziato anche dal maggior tasso di produzione, che potrebbe avvenire per: utilizzare il DMSP rispetto ad altri osmoliti azotati; rilasciare nell’ambiente composti carboniosi e sulfurei, prodotti a seguito dello stress cellulare. I risultati indicherebbero come N-dep possa interferire nella sintesi di tossine e DMSP in maniera opposta, non per competizione diretta del nutriente nei processi di sintesi, ma a seguito dei cambiamenti fisiologici della microalga dovuti alla carenza nutrizionale. Infine la produzione di DMSP da parte della microalga conferma l’instaurarsi di una fase d’interazione mutualistica con i batteri ad essa associati facilitata dal DMSP, importante per lo sviluppo della popolazione algale e dei conseguenti rischi sanitari ed ecosistemici.

Big Data: applicazione di una λ-Architecture alla gestione batch di dati climatici

L’avanzamento tecnologico degli ultimi anni ha portato ad un aumento sostanziale dei dati generati giornalmente. L’analisi di queste ingenti quantità di dati si è rivelata essere troppo complessa per i sistemi tradizionali ed è stato pertanto necessario sviluppare nuovi approcci basati sul calcolo distribuito. I nuovi strumenti sviluppati in seguito a queste nuove necessità sono framework di calcolo parallelo basati sul paradigma del MapReduce, un modello di programmazione sviluppato da Google, e sistemi di gestione di basi di dati fluidi, in grado di trattare rapidamente grandi quantità di dati non strutturati. Lo scopo alla base di entrambi è quello di costruire sistemi scalabili orizzontalmente e utilizzabili su hardware di largo consumo. L’utilizzo di questi nuovi strumenti può comunque portare alla creazione di sistemi poco ottimizzati e di difficile gestione. Nathan Marz propone un’architettura a livelli che utilizza i nuovi strumenti in maniera congiunta per creare sistemi semplici e robusti: questa prende il nome di Lambda-Architecture. In questa tesi viene introdotto brevemente il concetto di Big Data e delle nuove problematiche ad esso associate, si procede poi ad illustrare i principi su cui si basano i nuovi strumenti di calcolo distribuito sviluppati per affrontarle. Viene poi definita l’Architettura Lambda di Nathan Marz, ponendo particolare attenzione su uno dei livelli che la compone, chiamato Batch Layer. I principi della Lambda Architecture sono infine applicati nella costruzione di un Batch Layer, utilizzato per l’analisi e la gestione di dati climatici con fini statistici.