Microbiology of membrane bioreactors for wastewater treatment: a molecular approach

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Engineering and Technology Sciences, Biotechnology.

Monitoring and modelling of membrane bioreactors for wastewater treatment incorporating 2D fluorescence spectroscopy

Dissertação para obtenção do Grau de Doutor em Engenharia Química e Bioquímica, Especialidade em Engenharia Bioquímica

Modelling of a wastewater treatment plant using GPS-X

Dissertation to obtain the degree of Master in Chemical and Biochemical Engineering

High occurrence of hepatitis E virus in samples from wastewater treatment plants in Switzerland and comparison with other enteric viruses.

Hepatitis E virus (HEV) is responsible for many enterically transmitted viral hepatitides around the world. It is currently one of the waterborne diseases of global concern. In industrialized countries, HEV appears to be more common than previously thought, even if it is rarely virulent. In Switzerland, seroprevalence studies revealed that HEV is endemic, but no information was available on its environmental spread. The aim of this study was to investigate -using qPCR- the occurrence and concentration of HEV and three other viruses (norovirus genogroup II, human adenovirus-40 and porcine adenovirus) in influents and effluents of 31 wastewater treatment plants (WWTPs) in Switzerland. Low concentrations of HEV were detected in 40 out of 124 WWTP influent samples, showing that HEV is commonly present in this region. The frequency of HEV occurrence was higher in summer than in winter. No HEV was detected in WWTP effluent samples, which indicates a low risk of environmental contamination. HEV occurrence and concentrations were lower than those of norovirus and adenovirus. The autochthonous HEV genotype 3 was found in all positive samples, but a strain of the non-endemic and highly pathogenic HEV genotype I was isolated in one sample, highlighting the possibility of environmental circulation of this genotype. A porcine fecal marker (porcine adenovirus) was not detected in HEV positive samples, indicating that swine are not the direct source of HEV present in wastewater. Further investigations will be necessary to determine the reservoirs and the routes of dissemination of HEV.

Exploring the Diversity of Physiology for Applications in Wastewater Treatment and Biofuels Production

A recently established strain collection of freshwater microalgae native to Quebec was examined for physiological diversity. The 100 strains appeared very heterogeneous in terms of growth when they were cultured at 10±2 °C or 22±2 °C on the secondary effluent from a municipal wastewater treatment plant (WW) and defined BBM medium. Scatterplots were used to examine the diversity in physiology that might be present in the collection. These showed a number of interesting results. There was a fair amount of dispersion in growth rates by media type independent of temperature. Surprisingly considering that all the isolates had been initially enriched on BBM, the distribution was quite symmetrical around the iso-growth line, suggesting that enrichment on BBM did not seem to bias the cells for growth on this medium versus WW. As well, considering that all the isolates had been initially enriched at 22 °C, it is quite surprising that the distribution of specific growth rates was quite symmetrical around the iso-growth line with roughly equal numbers of isolates found on either side. Thus enrichment at 22 °C does not seem to bias the cells for growth at this temperature versus 10°C. The scatterplots obtained when the percentage lipid of cultures grown on BBM were compared with cultures grown on WW at either 10 °C or 22 °C made it apparent that lipid production was favored by growth on WW at either temperature and that lipid production does not seem to be particularly favored by one temperature over the other. When the collection was queried for differences with respect to sampling location, statistical analysis showed that roughly the same degree of physiological diversity was found with samples from the two different aggregate locations.

Wastewater Treatment Project for Palma Soriano, Cuba: Assessment of Cultural and Ecological Conditions

The Palma Project is an experiment in the use of cultural identity as a social trigger to address ecological degradation. The research methodology draws from environmental, social and urban analyses to unveil the best strategy to address the ecological, river restoration and water treatment challenges in Berkeley, California’s “Sister City” in southeast Cuba, Palma Soriano. The objective is to provide a better quality of life and to create new opportunities for the local community to reconnect with natural cycles of water and the cultivation of their own land. The project aim is to promote the strength and capacity of local communities to protect their own environment based upon a master plan, which includes natural wastewater treatment, reforestation, urban agriculture and the facilitation and utilization of a public space bordering the major river which flows by Palma Soriano, the Cauto. This project will contribute and produce healthy water recycling for Palma, provide a potable water source for the city, encourage ecological restoration of the riparian zone of the Cauto, and provide new opportunities for food production. It is designed to preserve the cultural identity of the local community, and to restore the essential balance between the community’s need to sustain both itself and the natural environment.

Prediction of the bulking phenomenon in wastewater treatment plants

The control and prediction of wastewater treatment plants poses an important goal: to avoid breaking the environmental balance by always keeping the system in stable operating conditions. It is known that qualitative information — coming from microscopic examinations and subjective remarks — has a deep influence on the activated sludge process. In particular, on the total amount of effluent suspended solids, one of the measures of overall plant performance. The search for an input–output model of this variable and the prediction of sudden increases (bulking episodes) is thus a central concern to ensure the fulfillment of current discharge limitations. Unfortunately, the strong interrelation between variables, their heterogeneity and the very high amount of missing information makes the use of traditional techniques difficult, or even impossible. Through the combined use of several methods — rough set theory and artificial neural networks, mainly — reasonable prediction models are found, which also serve to show the different importance of variables and provide insight into the process dynamics

Application of a support system to the design of wastewater treatment plants

This paper presents a case study that explores the advantages that can be derived from the use of a design support system during the design of wastewater treatment plants (WWTP). With this objective in mind a simplified but plausible WWTP design case study has been generated with KBDS, a computer-based support system that maintains a historical record of the design process. The study shows how, by employing such a historical record, it is possible to: (1) rank different design proposals responding to a design problem; (2) study the influence of changing the weight of the arguments used in the selection of the most adequate proposal; (3) take advantage of keywords to assist the designer in the search of specific items within the historical records; (4) evaluate automatically the compliance of alternative design proposals with respect to the design objectives; (5) verify the validity of previous decisions after the modification of the current constraints or specifications; (6) re-use the design records when upgrading an existing WWTP or when designing similar facilities; (7) generate documentation of the decision making process; and (8) associate a variety of documents as annotations to any component in the design history. The paper also shows one possible future role of design support systems as they outgrow their current reactive role as repositories of historical information and start to proactively support the generation of new knowledge during the design process

DAI-DEPUR: an integrated and distributed architecture for wastewater treatment plants supervision

The activated sludge process - the main biological technology usually applied to wastewater treatment plants (WWTP) - directly depends on live beings (microorganisms), and therefore on unforeseen changes produced by them. It could be possible to get a good plant operation if the supervisory control system is able to react to the changes and deviations in the system and can take the necessary actions to restore the system’s performance. These decisions are often based both on physical, chemical, microbiological principles (suitable to be modelled by conventional control algorithms) and on some knowledge (suitable to be modelled by knowledge-based systems). But one of the key problems in knowledge-based control systems design is the development of an architecture able to manage efficiently the different elements of the process (integrated architecture), to learn from previous cases (spec@c experimental knowledge) and to acquire the domain knowledge (general expert knowledge). These problems increase when the process belongs to an ill-structured domain and is composed of several complex operational units. Therefore, an integrated and distributed AI architecture seems to be a good choice. This paper proposes an integrated and distributed supervisory multi-level architecture for the supervision of WWTP, that overcomes some of the main troubles of classical control techniques and those of knowledge-based systems applied to real world systems

Conceptual design of wastewater treatment plants using multiple objectives

La implementació de la Directiva Europea 91/271/CEE referent a tractament d'aigües residuals urbanes va promoure la construcció de noves instal·lacions al mateix temps que la introducció de noves tecnologies per tractar nutrients en àrees designades com a sensibles. Tant el disseny d'aquestes noves infraestructures com el redisseny de les ja existents es va portar a terme a partir d'aproximacions basades fonamentalment en objectius econòmics degut a la necessitat d'acabar les obres en un període de temps relativament curt. Aquests estudis estaven basats en coneixement heurístic o correlacions numèriques provinents de models determinístics simplificats. Així doncs, moltes de les estacions depuradores d'aigües residuals (EDARs) resultants van estar caracteritzades per una manca de robustesa i flexibilitat, poca controlabilitat, amb freqüents problemes microbiològics de separació de sòlids en el decantador secundari, elevats costos d'operació i eliminació parcial de nutrients allunyant-les de l'òptim de funcionament. Molts d'aquestes problemes van sorgir degut a un disseny inadequat, de manera que la comunitat científica es va adonar de la importància de les etapes inicials de disseny conceptual. Precisament per aquesta raó, els mètodes tradicionals de disseny han d'evolucionar cap a sistemes d'avaluació mes complexos, que tinguin en compte múltiples objectius, assegurant així un millor funcionament de la planta. Tot i la importància del disseny conceptual tenint en compte múltiples objectius, encara hi ha un buit important en la literatura científica tractant aquest camp d'investigació. L'objectiu que persegueix aquesta tesi és el de desenvolupar un mètode de disseny conceptual d'EDARs considerant múltiples objectius, de manera que serveixi d'eina de suport a la presa de decisions al seleccionar la millor alternativa entre diferents opcions de disseny. Aquest treball de recerca contribueix amb un mètode de disseny modular i evolutiu que combina diferent tècniques com: el procés de decisió jeràrquic, anàlisi multicriteri, optimació preliminar multiobjectiu basada en anàlisi de sensibilitat, tècniques d'extracció de coneixement i mineria de dades, anàlisi multivariant i anàlisi d'incertesa a partir de simulacions de Monte Carlo. Això s'ha aconseguit subdividint el mètode de disseny desenvolupat en aquesta tesis en quatre blocs principals: (1) generació jeràrquica i anàlisi multicriteri d'alternatives, (2) anàlisi de decisions crítiques, (3) anàlisi multivariant i (4) anàlisi d'incertesa. El primer dels blocs combina un procés de decisió jeràrquic amb anàlisi multicriteri. El procés de decisió jeràrquic subdivideix el disseny conceptual en una sèrie de qüestions mes fàcilment analitzables i avaluables mentre que l'anàlisi multicriteri permet la consideració de diferent objectius al mateix temps. D'aquesta manera es redueix el nombre d'alternatives a avaluar i fa que el futur disseny i operació de la planta estigui influenciat per aspectes ambientals, econòmics, tècnics i legals. Finalment aquest bloc inclou una anàlisi de sensibilitat dels pesos que proporciona informació de com varien les diferents alternatives al mateix temps que canvia la importància relativa del objectius de disseny. El segon bloc engloba tècniques d'anàlisi de sensibilitat, optimització preliminar multiobjectiu i extracció de coneixement per donar suport al disseny conceptual d'EDAR, seleccionant la millor alternativa un cop s'han identificat decisions crítiques. Les decisions crítiques són aquelles en les que s'ha de seleccionar entre alternatives que compleixen de forma similar els objectius de disseny però amb diferents implicacions pel que respecte a la futura estructura i operació de la planta. Aquest tipus d'anàlisi proporciona una visió més àmplia de l'espai de disseny i permet identificar direccions desitjables (o indesitjables) cap on el procés de disseny pot derivar. El tercer bloc de la tesi proporciona l'anàlisi multivariant de les matrius multicriteri obtingudes durant l'avaluació de les alternatives de disseny. Específicament, les tècniques utilitzades en aquest treball de recerca engloben: 1) anàlisi de conglomerats, 2) anàlisi de components principals/anàlisi factorial i 3) anàlisi discriminant. Com a resultat és possible un millor accés a les dades per realitzar la selecció de les alternatives, proporcionant més informació per a una avaluació mes efectiva, i finalment incrementant el coneixement del procés d'avaluació de les alternatives de disseny generades. En el quart i últim bloc desenvolupat en aquesta tesi, les diferents alternatives de disseny són avaluades amb incertesa. L'objectiu d'aquest bloc és el d'estudiar el canvi en la presa de decisions quan una alternativa és avaluada incloent o no incertesa en els paràmetres dels models que descriuen el seu comportament. La incertesa en el paràmetres del model s'introdueix a partir de funcions de probabilitat. Desprès es porten a terme simulacions Monte Carlo, on d'aquestes distribucions se n'extrauen números aleatoris que es subsisteixen pels paràmetres del model i permeten estudiar com la incertesa es propaga a través del model. Així és possible analitzar la variació en l'acompliment global dels objectius de disseny per a cada una de les alternatives, quines són les contribucions en aquesta variació que hi tenen els aspectes ambientals, legals, econòmics i tècnics, i finalment el canvi en la selecció d'alternatives quan hi ha una variació de la importància relativa dels objectius de disseny. En comparació amb les aproximacions tradicionals de disseny, el mètode desenvolupat en aquesta tesi adreça problemes de disseny/redisseny tenint en compte múltiples objectius i múltiples criteris. Al mateix temps, el procés de presa de decisions mostra de forma objectiva, transparent i sistemàtica el perquè una alternativa és seleccionada en front de les altres, proporcionant l'opció que més bé acompleix els objectius marcats, mostrant els punts forts i febles, les principals correlacions entre objectius i alternatives, i finalment tenint en compte la possible incertesa inherent en els paràmetres del model que es fan servir durant les anàlisis. Les possibilitats del mètode desenvolupat es demostren en aquesta tesi a partir de diferents casos d'estudi: selecció del tipus d'eliminació biològica de nitrogen (cas d'estudi # 1), optimització d'una estratègia de control (cas d'estudi # 2), redisseny d'una planta per aconseguir eliminació simultània de carboni, nitrogen i fòsfor (cas d'estudi # 3) i finalment anàlisi d'estratègies control a nivell de planta (casos d'estudi # 4 i # 5).

Knowledge-based modelling and simulation of operational problems of microbiological origin in wastewater treatment plants

The activated sludge and anaerobic digestion processes have been modelled in widely accepted models. Nevertheless, these models still have limitations when describing operational problems of microbiological origin. The aim of this thesis is to develop a knowledge-based model to simulate risk of plant-wide operational problems of microbiological origin.For the risk model heuristic knowledge from experts and literature was implemented in a rule-based system. Using fuzzy logic, the system can infer a risk index for the main operational problems of microbiological origin (i.e. filamentous bulking, biological foaming, rising sludge and deflocculation). To show the results of the risk model, it was implemented in the Benchmark Simulation Models. This allowed to study the risk model's response in different scenarios and control strategies. The risk model has shown to be really useful providing a third criterion to evaluate control strategies apart from the economical and environmental criteria.

SBR technology for wastewater treatment: suitable operational conditions for a nutrient removal

Actualment, la legislació ambiental ha esdevingut més restrictiva pel que fa a la descàrrega d'aigües residuals amb nutrients, especialment en les anomenades àrees sensibles o zones vulnerables. Arran d'aquest fet, s'ha estimulat el coneixement, desenvolupament i millora dels processos d'eliminació de nutrients. El Reactor Discontinu Seqüencial (RDS) o Sequencing Batch Reactor (SBR) en anglès, és un sistema de tractament de fangs actius que opera mitjançant un procediment d'omplerta-buidat. En aquest tipus de reactors, l'aigua residual és addicionada en un sol reactor que treballa per càrregues repetint un cicle (seqüència) al llarg del temps. Una de les característiques dels SBR és que totes les diferents operacions (omplerta, reacció, sedimentació i buidat) es donen en un mateix reactor. La tecnologia SBR no és nova d'ara. El fet, és que va aparèixer abans que els sistema de tractament continu de fangs actius. El precursor dels SBR va ser un sistema d'omplerta-buidat que operava en discontinu. Entre els anys 1914 i 1920, varen sorgir certes dificultats moltes d'elles a nivell d'operació (vàlvules, canvis el cabal d'un reactor a un altre, elevat temps d'atenció per l'operari...) per aquests reactors. Però no va ser fins a finals de la dècada dels '50 principis del '60, amb el desenvolupament de nous equipaments i noves tecnologies, quan va tornar a ressorgir l'interès pels SBRs. Importants millores en el camp del subministrament d'aire (vàlvules motoritzades o d'acció pneumàtica) i en el de control (sondes de nivell, mesuradors de cabal, temporitzadors automàtics, microprocessadors) han permès que avui en dia els SBRs competeixin amb els sistemes convencional de fangs actius. L'objectiu de la present tesi és la identificació de les condicions d'operació adequades per un cicle segons el tipus d'aigua residual a l'entrada, les necessitats del tractament i la qualitat desitjada de la sortida utilitzant la tecnologia SBR. Aquestes tres característiques, l'aigua a tractar, les necessitats del tractament i la qualitat final desitjada determinen en gran mesura el tractament a realitzar. Així doncs, per tal d'adequar el tractament a cada tipus d'aigua residual i les seves necessitats, han estat estudiats diferents estratègies d'alimentació. El seguiment del procés es realitza mitjançant mesures on-line de pH, OD i RedOx, els canvis de les quals donen informació sobre l'estat del procés. Alhora un altre paràmetre que es pot calcular a partir de l'oxigen dissolt és la OUR que és una dada complementària als paràmetres esmentats. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen d'una aigua residual sintètica utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de l'estudi de l'efecte del nombre d'alimentacions, la definició de la llargada i el número de fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha aplicat l'estratègia d'alimentació esglaonada a dues aigües residuals diferents: una procedent d'una indústria tèxtil i l'altra, dels lixiviats d'un abocador. En ambdues aigües residuals es va estudiar l'eficiència del procés a partir de les condicions d'operació i de la velocitat del consum d'oxigen. Mentre que en l'aigua residual tèxtil el principal objectiu era eliminar matèria orgànica, en l'aigua procedent dels lixiviats d'abocador era eliminar matèria orgànica i nitrogen. S'han avaluat les condicions d'operació per eliminar nitrogen i fòsfor d'una aigua residual urbana utilitzant una estratègia d'alimentació esglaonada, a través de la definició del número i la llargada de les fases per cicle, i la identificació dels punts crítics seguint les sondes de pH, OD i RedOx. S'ha analitzat la influència del pH i la font de carboni per tal d'eliminar fòsfor d'una aigua sintètica a partir de l'estudi de l'increment de pH a dos reactors amb diferents fonts de carboni i l'estudi de l'efecte de canviar la font de carboni. Tal i com es pot veure al llarg de la tesi, on s'han tractat diferents aigües residuals per a diferents necessitats, un dels avantatges més importants d'un SBR és la seva flexibilitat.

Statistical modeling suggests that antiandrogens in effluents from wastewater treatment works contribute to widespread sexual disruption in fish living in English rivers.

BACKGROUND: The widespread occurrence of feminized male fish downstream of some wastewater treatment works has led to substantial interest from ecologists and public health professionals. This concern stems from the view that the effects observed have a parallel in humans, and that both phenomena are caused by exposure to mixtures of contaminants that interfere with reproductive development. The evidence for a "wildlife-human connection" is, however, weak: Testicular dysgenesis syndrome, seen in human males, is most easily reproduced in rodent models by exposure to mixtures of antiandrogenic chemicals. In contrast, the accepted explanation for feminization of wild male fish is that it results mainly from exposure to steroidal estrogens originating primarily from human excretion. OBJECTIVES: We sought to further explore the hypothesis that endocrine disruption in fish is multi-causal, resulting from exposure to mixtures of chemicals with both estrogenic and antiandrogenic properties. METHODS: We used hierarchical generalized linear and generalized additive statistical modeling to explore the associations between modeled concentrations and activities of estrogenic and antiandrogenic chemicals in 30 U.K. rivers and feminized responses seen in wild fish living in these rivers. RESULTS: In addition to the estrogenic substances, antiandrogenic activity was prevalent in almost all treated sewage effluents tested. Further, the results of the modeling demonstrated that feminizing effects in wild fish could be best modeled as a function of their predicted exposure to both anti-androgens and estrogens or to antiandrogens alone. CONCLUSION: The results provide a strong argument for a multicausal etiology of widespread feminization of wild fish in U.K. rivers involving contributions from both steroidal estrogens and xeno-estrogens and from other (as yet unknown) contaminants with antiandrogenic properties. These results may add farther credence to the hypothesis that endocrine-disrupting effects seen in wild fish and in humans are caused by similar combinations of endocrine-disrupting chemical cocktails.

Dynamics of Aeromonas species isolated from wastewater treatment system

Aeromonas are widely distributed in the aquatic environment, and are considered to be emerging organisms that can produce a series of virulence factors. The present study was carried out in a sanitary sewage stabilization pond treatment system, located in Lins, State of Sao Paulo, Brazil. Most probable number was applied for estimation of the genus Aeromonas. Colony isolation was carried out on blood agar ampicillin and confirmed by biochemical characterization. Aeromonas species were isolated in 72.4% of influent samples, and in 55.2 and 48.3% of effluent from anaerobic and facultative lagoons, respectively. Thirteen Aeromonas species were isolated, representing most of the recognized species of these organisms. Even though it was possible to observe a tendency of decrease, total elimination of these organisms from the studied system was not achieved. Understanding of the pathogenic organism`s dynamics in wastewater treatment systems with a reuse potential is especially important because of the risk it represents.