Experimental tests of autotrophic removal of nitrogen at ambient temperature and development of a process control strategy and system for aerobic granular biomass systems

The thesis is based on the work developed at the Department of Civil and Environmental Engineering - Environmental Section, with the aim of exploring different fields in which it is possible to apply and integrate the background of chemical engineering. The project concerns granular biomass systems for the biological treatment of wastewater for the removal of biodegradable organic substances and nitrogen. After a bibliographic review on the different configurations of the plants and processes already used, attention was paid to the possibility of interpreting the process with a primary model of stationary analysis of the metabolic flux (MFA). The model was applied to a sequencing batch reactor (SBR) inoculated with Anammox granules, in order to check the treatment potential of a PN / Anammox process at temperature values below the ideal ones. The model, even if simple, was useful to provide a first general information on the activity of the different bacterial populations involved and present in the granules and on the removal efficiency of the process. It has been confirmed that the kinetics of the PN / Anammox process slows down dramatically with temperature. However, biological systems, especially granular ones, need a more robust model than a simple primary MFA. A mathematical tool capable of describing the variation of the kinetic parameters due to external factors and over time is the only way to fully describe such a system. In parallel, in fact, for research purposes, a laboratory pilot plant was designed and built and, on the basis of literature indications, a strategy was proposed for rapidly producing granular aerobic biomass suitable for ensuring long-term stability. Once the reactor was set up, an effective process control system was designed and successfully developed using Python and java codes on Raspberry pi. The final goal was to create a control system capable of continuously reading and defining the main operating conditions over time that will be useful for further studies on the dependence of process parameters on variations in operating conditions, primarily the concentration of substrates and temperature.

La tesi si basa sul lavoro sviluppato presso il Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale - Sezione Ambientale, con lo scopo di esplorare diversi campi in cui è possibile applicare e integrare il background dell'ingegneria chimica. Il progetto riguarda i sistemi a biomassa granulare per il trattamento biologico delle acque reflue e la rimozione della sostanza organica biodegradabile e dell’azoto. Dopo una rassegna bibliografica sulle diverse configurazioni degli impianti e dei processi già utilizzati, l'attenzione è stata rivolta alle possibilità di interpretare il processo con un modello primario di analisi stazionaria del flusso metabolico (MFA). Il modello è stato applicato ad un reattore batch a sequenza di fasi (SBR, sequencing batch reactor) inoculato con granuli Anammox, al fine di verificare il potenziale di trattamento di un processo PN/Anammox a temperature inferiori rispetto al valore ideale. Il modello, anche se semplice, è stato utile per fornire una prima informazione generale sull'attività delle diverse popolazioni batteriche coinvolte e presenti nei granuli e sull'efficienza di rimozione del processo. Si è avuta conferma che la cinetica del processo PN/Anammox rallenta drasticamente con la temperatura. Tuttavia, i sistemi biologici, in particolare quelli granulari, necessitano di un modello più robusto rispetta a un semplice MFA primario. Uno strumento matematico in grado di descrivere la variazione dei parametri cinetici dovuta a fattori esterni e nel tempo è l'unico modo per descrivere compiutamente un tale sistema. Parallelamente, infatti, ai fini della ricerca, è stato progettato e costruito un impianto pilota di laboratorio e, in base a indicazioni di letteratura, è stata proposta una strategia per produrre rapidamente biomassa aerobica granulare idonea a garantire stabilità a lungo termine. Una volta impostato il reattore, è stato pensato e sviluppato con successo un efficace sistema di controllo di processo utilizzando codici Python e java su Raspberry pi. L'obiettivo finale è stato quello di creare un sistema di controllo in grado di leggere e definire continuamente nel tempo le principali condizioni operative che saranno utili per ulteriori studi sulla dipendenza dei parametri di processo dalle variazioni delle condizioni operative, in primis concentrazione dei substrati e temperatura.