Zastosowanie techniki FTIR i metod chemometrycznych do oceny procesu biologicznego oczyszczania ścieków komunalnych osadem czynnym

• Autorzy: Piaskowski Krzysztof , Walendzik Bartosz

Identyfikatory

DOI

10.15199/17.2024.1.5

Warianty tytułu

EN

Application of the FTIR technique and chemometric methods to evaluate the biological process of municipal wastewater treatment with activated sludge

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Biologiczny proces osadu czynnego jest najpopularniejszą metodą stosowaną w licznych oczyszczalniach ścieków, która z reguły pozwala na uzyskanie wymaganego efektu ekologicznego. Jednakże charakteryzuje się ona również pewną niestabilnością uzyskiwanych efektów zależną od warunków i parametrów, na które częściowo eksploatator nie ma wpływu. Dlatego też poszukuje się szybkich technik analitycznych do kontroli i oceny osadu czynnego, które w przypadku pojawienia się nieprawidłowości w komorach biologicznych pozwolą na podjęcie decyzji operacyjnych korygujących proces, jak również jego optymalizację. W niniejszym artykule zaprezentowano możliwości wykorzystania analizy FTIR-DRIFT zawiesiny osadu czynnego połączonej z analizą chemometryczną wybranych parametrów osadu i ścieków do oceny procesu oczyszczania na poszczególnych etapach pracy reaktora biologicznego. Uzyskane wyniki wskazują, że zastosowanie techniki FTIR do szybkiej oceny procesu biologicznego jest możliwe, a w połączeniu z modelowaniem PLS i po odpowiednim skalibrowaniu z wartościami parametrów fizyczno-chemicznych może stanowić element kontrolny w eksploatacji oczyszczalni ścieków.

EN

The activated sludge process is the most popular method used in many sewage treatment plants, which usually allows to achieve the required ecological effect. However, it is also characterized by a certain instability of the obtained effects, depending on conditions and parameters which are partly beyond the operator's influence. Therefore, rapid analytical techniques are being sought for the control and assessment of activated sludge, which, in the event of irregularities occurring in biological tanks, will allow operational decisions to be made to correct the process as well as its optimization. This article presents the possibilities of using FTIR-DRIFT analysis of activated sludge suspension combined with chemometric analysis of selected sludge and sewage parameters to assess the course of the purification process at various stages of operation of the biological reactor. The obtained results indicate that the use of the FTIR technique for rapid assessment of a biological process is possible, and in combination with PLS modeling and after appropriate calibration with physical and chemical parameters, it can constitute a control element in the operation of sewage treatment plants.

Słowa kluczowe

PL

oczyszczanie ścieków; FTIR; osad czynny; PCA; PLS

EN

wastewater treatment; FTIR; activated sludge; PCA; PLS

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Gaz, Woda i Technika Sanitarna
• Rocznik: 2024
• Tom: Nr 1
• Strony: 32--39
• Opis fizyczny: Bibliogr. 35 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Piaskowski Krzysztof

• Politechnika Koszalińska, Wydział Inżynierii Lądowej, Środowiska i Geodezji, Katedra Technologii Wody, Ścieków i Odpadów, 75-453 Koszalin, ul. Śniadeckich 2

• https://orcid.org/0000-0001-8440-1562

autor

Walendzik Bartosz

• Politechnika Koszalińska, Wydział Inżynierii Lądowej, Środowiska i Geodezji, Katedra Technologii Wody, Ścieków i Odpadów, 75-453 Koszalin, ul. Śniadeckich 2

• https://orcid.org/0000-0001-8366-7457

Bibliografia

• [1] Abidi N., Cabrales L., Haigler C. H. 2014. "Changes in the cell wall and cellulose content of developing cotton fibers investigated by FTIR spectroscopy", Carbohydr. Polym., 100: 9-16, doi: 10.1016/j.carbpol.2013.01.074.
• [2] Amaral A. L., Ferreira E. C. 2005. "Activated sludge monitoring of a wastewater treatment plant using image analysis and partial least squares regression", Anal. Chim. Acta, 544: 246-253, doi: 10.1016/j.aca.2004.12.061.
• [3] Barbusiński K., Kościelniak H. 1997. "Preparowanie kłaczków osadu czynnego do badań struktury wewnętrznej", Biotechnologia, 1(36): 37-44.
• [4] Barbusiński K., Kościelniak H. 2009. "Oznaczanie powierzchni właściwej osadu czynnego", Inżynieria i Ochrona Środowiska, 2: 119-132.
• [5] Barbusiński K. 2010. "Pomiar powierzchni właściwej osadu czynnego w oczyszczalni ścieków", Forum Eksploatatora, 4: 40-43.
• [6] Cocchi M., Durante C., Foca G., Marchetti A., Tassi L., Ulrici A. 2006. "Durum wheat adulteration detection by NIR spectroscopy multivariate calibration", Talanta, 68(5): 1505-1511, doi: 10.1016/j.talanta.2005.08.005.
• [7] Fiałkowska E., Fyda J., Pajdak-Stoś A., Wiąckowski K. 2005. "Osad czynny: biologia i analiza mikroskopowa", Impuls, Kraków.
• [8] Głodniok M., Zdebik D., Korczak K. 2010. "Wykorzystanie pomiarów aktywności oddechowej osadu czynnego do kontroli przebiegu procesów biologicznego oczyszczania ścieków", Research Reports Mining And Environment, 2: 35-46.
• [9] Gorry P. A. 1990. "General least-squares smoothing and differentiation by the convolution (Savitzky-Golay) method", Anal. Chem. 62: 570-573, doi: 10.1021/ac00205a007.
• [10] Huang Y., Rogers T. M., Wenz M. A., Cavinato A. G., Mayes D. M., Bledsoe G. E., Rasco B. A., 2001. "Detection of Sodium Chloride in Cured Salmon Roe by SW−NIR Spectroscopy", J. Agric. Food Chem. 49: 4161-4167, doi: 10.1021/jf001177f.
• [11] Huaorng Yu, Yimeng Li, Haiyang Yang, Yong Lv, Jingyin Wang, Hongwei Rong, Fangshu Qu. 2022. "Characterization of activated sludge in wastewater treatment processes using front-face excitation-emission matrix (FF-EEM) fluorescence spectroscopy", Environ. Sci. Water Res. Technol., 8(10): 2265-2276, doi: 10.1039/D2EW00315E.
• [12] Jenne R., Banadda E. N., Smets I. Y., Van Impe J. F. 2004. "Monitoring activated sludge settling properties using image analysis", Water Sci. Technol., 50,7: 281-285, doi: 10.2166/wst.2004.0471.
• [13] Kocwa-Haluch R., Woźniakiewicz T. 2011. "Microscopic analysis of activated sludge and its role in control of technological process of wastewater treatment", Czasopismo Techniczne. Środowisko, 6(108): 141-162.
• [14] Kowalski M., Kowalska K., Wiszniowski J., Turek-Szytow J. 2018. "Qualitative analysis of activated sludge using FT-IR technique", Chem. Pap. 72: 2699-2706, doi: 10.1007/s11696-018-0514-7.
• [15] Kuśnierz M., Domańska M., Szafulska K. 2018. "Badania morfologiczne kłaczków osadu czynnego z wykorzystaniem analizatora wielkości i kształtu cząstek", Ecol. Eng. 19(6): 94-102, doi: 10.12912/23920629/97263.
• [16] Kuśnierz M., Zarzycka A. 2014. "Zakres i częstotliwość prowadzenia badań i pomiarów w racjonalnej eksploatacji oczyszczalni ścieków", Inżynieria i Ochrona Środowiska, 1(17): 63-73.
• [17] Liu Y, He Z, Uchimiya M. 2015. "Comparison of biochar formation from various agricultural by-products using FTIR spectroscopy", Mod. Appl. Sci. 9(4): 246–53, doi:10.5539/mas.v9n4p246.
• [18] Liwarska-Bizukojć E. 2012. "Rola cyfrowej analizy obrazu w monitoringu osadu czynnego w oczyszczalniach ścieków", Inż. Ap. Chem. 51, 4: 151-153.
• [19] Lourenço N. D, Menezes J. C, Pinheiro H. M, Diniz D. 2008. "Development of PLS calibration models from UV-Vis spectra for TOC estimation at the outlet of a fuel park wastewater treatment plant", Environ. Technol. 29(8): 891-898, doi: 10.1080/09593330802015581.
• [20] López-Vázquez C. M., Hooijmans C. M., Brdjanovic D., Gijzen H. J., van Loosdrecht M. C. M. 2008. "Factors affecting the microbial populations at full-scale enhanced biological phosphorus removal (EBPR) wastewater treatment plants in the Netherlands", Wat. Res., 42: 2349-2360, doi: 10.1016/j.watres.2008.01.001.
• [21] Maciołek P. 2019. "Optymalizacja usuwania azotu w wyniku modyfikacji istniejącego układu A20 przy wspomaganiu koagulantem żelazowym PIX 113", Forum Eksploatatora, 6(105): 47-51.
• [22] Mata P., Dominguez-Vidal A., Bosque-Sendra J. M., Ruiz-Medina A., Cuadros-Rodríguez L., Ayora-Cañada M. J. 2012. "Olive oil assessment in edible oil blends by means of ATR-FTIR and chemometrics", Food Control, 23(2): 449-455, doi: 10.1016/j.foodcont.2011.08.013.
• [23] Mesquita D. P., Amaral A.L., Ferreira E. 2011. "Characterization of activated sludge abnormalities by image analysis and chemometric techniques", Anal. Chim. Acta, 705: 235-242, doi: 10.1016/j.aca.2011.05.050.
• [24] Mesquita D. P., Amaral A. L., Ferreira E. 2013. "Activated sludge characterization through microscopy: A review on quantitative image analysis and chemometric techniques", Anal. Chim. Acta, 802: 14-28, doi: 10.1016/j.aca.2013.09.016.
• [25] Mesquita D. P. 2011. "Image analysis and chemometric techniques as monitoring tools to characterize aggregated and filamentous organisms in activated sludge processes", PhD Thesis, University of Minho, Braga, Portugal, http://hdl.handle.net/1822/12470.
• [26] Mujunen S. P., Minkkinen P., Teppola P., Wirkkala R. S. 1998. "Modeling of activated sludge plants treatment efficiency with PLSR: A process analytical case study", Chemometr. Intell. Lab., 41: 83.
• [27] Oh S. Y., Yoo D. I, Shin Y, Seo G. 2005. "FTIR analysis of cellulose treated with sodium hydroxide and carbon dioxide", Carbohydr. Res., 340(3): 417-428, doi: 10.1016/j.carres.2004.11.027.
• [28] Pajdak-Stós A., Fiałkowska E. 2009. "Analiza mikroskopowa osadu czynnego jako cenne narzędzie eksploatatora oczyszczalni ścieków", Forum Eksploatatora, 6: 30-31.
• [29] Ramírez-Estrada A., Mena-Cervantes V. Y., Mederos-Nieto F. S., Pineda-Flores G., Hernández-Altamirano R. 2022. "Assessment and classification of lignocellulosic biomass recalcitrance by principal components analysis based on thermogravimetry and infrared spectroscopy". Int. J. Environ. Sci. Technol., 19(4): 2529-2544, doi: 10.1007/s13762-021-03309-y.
• [30] Sarraguça M. C, Paulo A., Alves M. M, Dias A. M. A., Lopes J. A., Ferreira E. C., 2009. "Quantitative monitoring of an activated sludge reactor using on-line UV-visible and near-infrared spectroscopy", Anal. Bioanal. Chem. 395: 1159-1166, doi: 10.1007/s00216-009-3042-z.
• [31] Schwanninger M., Rodrigues J. C., Pereira H., Hinterstoisser B. 2004. "Effects of short-time vibratory ball milling on the shape of FT-IR spectra of wood and cellulose", Vib. Spectrosc. l. 36 (1): 23-40, doi: 10.1016/j.vibspec.2004.02.003.
• [32] Świderska-Dąbrowska R., Piaskowski K., Baran M. J. 2017. "Application of multivariate classification protocols in research focusing on food, environmental samples, and wastewater technological processes", J. AOAC Int: 100 (2): 365-376, doi: 10.5740/jaoacint.16-0414.
• [33] Tomita R. K., Park S. W., Sotomayor O. A. Z. 2002. "Analysis of activated sludge process using multivariate statistical tools - a PCA approach", J. Chem. Eng., 90(3): 283-290, doi: 10.1016/S1385-8947(02)00133-X.
• [34] Waldrip H. M, He Z, Todd R. W, Hunt J. F., Rhoades M. B., Cole N. A. 2014. "Characterization of organic matter in beef feedyard manure by ultraviolet-visible and Fourier transform infrared spectroscopies", J. Environ. Qual. 43(2): 690-700, doi: 10.2134/jeq2013.09.0358.
• [35] Winder C. L., Carr E., Goodacre R., Seviour R. 2004. "The rapid identification of Acinetobacter species using Fourier transform infrared spectroscopy", J. Appl. Microbiol., 2(96): 328-339, doi: 10.1046/j.1365-2672.2003.02154.x.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).