Operation and monitoring of a sequencing batch reactor with aerobic granular biomass in the presence of pharmaceutically active compounds using quantitative image analysis and chemometric techniques

Abstract

Nesta tese foi operado um reator descontínuo sequencial, inoculado com AGS (SBR-AGS) proveniente de um sistema granular à escala real, para o tratamento de água residual sintética, primeiramente sem qualquer adição de fármaco e posteriormente adicionando os estrogénios 17β- estradiol (E2) e 17α-etinilestradiol (EE2) e o antibiótico sulfametoxazol (SMX). Foram ainda desenvolvidas e otimizadas novas metodologias de amostragem e separação das frações baseadas no conteúdo em sólidos suspensos, de aquisição em microscopia de campo claro e em lupa binocular, para a fração de flocos e grânulos, respetivamente, assim como os necessários programas de processamento e análise quantitativa de imagens (QIA). Foram ainda aplicadas diferentes técnicas quimiométricas, incluindo a regressão linear múltipla (MLR), análise de componentes principais (PCA), árvores de decisão (DT) e análise discriminante (DA) aos dados relativos à estrutura e morfologia da biomassa, assim como aos parâmetros operacionais do reator. O sistema de SBR-AGS, após um processo de maturação da biomassa aeróbia, apresentou um claro predomínio da fração granular sobre a fração flocular, caracterizado por uma predominância de grânulos de elevado tamanho (superiores a 2.5 mm em diâmetro), robustos, estruturalmente estáveis e com uma boa sedimentabilidade. Adicionalmente verificou-se o predomínio da fração orgânica nos agregados, face à inorgânica, não tendo sido verificados fenómenos de bulking no sistema. A aplicação de PCA aos dados obtidos permitiu isolar claramente os clusters correspondentes aos períodos operacionais com a biomassa madura e com a adição dos diferentes fármacos e identificar as principais correlações entre os parâmetros estudados. No tocante à previsão por MLR dos sólidos suspensos (totais – TSS e voláteis – VSS) de ambas as frações, da densidade da biomassa e do índice volumétrico de lamas, foram obtidos resultados promissores. A aplicação de DA e DT aos dados obtidos permitiu distinguir, com sucesso, os diferentes períodos operacionais e identificar as amostras contendo PhACs.

In this thesis, a laboratory scale sequencing batch reactor (SBR) inoculated with AGS from a fullscale WWTP was operated for the treatment of a synthetic wastewater, first in the absence of PhACs and later in the presence of the 17β-estradiol (E2) and 17α-ethinylestradiol (EE2) steroid estrogens and the sulfamethoxazole (SMX) sulphonamide antibiotic. New methodologies for sampling and biomass granular and floccular fractions separation, based on the suspended solids content, as well as bright field and stereomicroscopy monitoring and image acquisition, were also developed and optimized, as well as the necessary quantitative image analysis (QIA) routines. In order to best comprehend the collected data, different chemometric tools were also applied, including multilinear regression (MLR), principal component analysis (PCA), discriminant analysis (DA) and decision trees (DT) to the morphological and structural parameters of the biomass and the main operational parameters of the SBR. The SBR-AGS system, after a maturation process of the aerobic biomass, showed a clear predominance of the granular fraction over the floccular one, characterized by a predominance of granules of large size (larger than 2.5 mm in diameter), robust, structurally stable and with good settling properties. Additionally, there was a predominance of the organic fraction in the aggregates, compared to the inorganic one, with no bulking phenomena being observed in the system. The performed PCA allowed to clearly isolate the clusters corresponding to the experimental periods with mature AGS and E2, EE2 and SMX addition, and enlighten the studied parameters interrelationships.Regarding the MLR forecast of both fractions total (TSS) and volatile (VSS) suspended solids, biomass density and sludge volumetric index, promising results were obtained. Besides, the application of DA and DT allowed to identify the different operational periods, and successfully classify the samples in the presence and in absence of the PhAC.