Effect of coagulation conditions on size and morphology of phytoplanktonic organism aggregates

• Autorzy: Kapuścińska Ewelina

Identyfikatory

DOI

10.15199/17.2023.12.6

Warianty tytułu

PL

Wpływ warunków koagulacji na wielkość i morfologię agregatów organizmów fitoplanktonowych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents results of research on changes in morphological parameters and fractal dimensions of Monoraphidium contortum and Microcystis aeruginosa cell aggregates obtained from coagulation using FeCl₃. The study used Morphologi G3 as microscopic image analyzer. Based on the microscopic image analysis, the aggregates specific morphological parameters were determined: equivalent diameter (d_e), „elongation”, „solidity” and aggregate fractal dimensions - D₁ and D₂. It was found that, size of phytoplankton cell aggregates was subordinated to log-normal distribution. The analysis of changes in aggregate size distribution indicated that along with the increase of coagulant doses (D_c) and flocculation time (t_f), their mean equivalent diameter increased. The average diameter of aggregates, on the other hand, decreased with increasing velocity gradient (G). Along with the increase in the amount of energy introduced into the system during mixing (G), a tendency to elongate cell aggregates and reduce their solidity was observed. The morphological characteristics of phytoplankton aggregates based on morphological parameters and fractal geometry allowed to observe a significant relationship between D₂ and „solidity”. An increase in the morphological parameter in the form of „solidity” was associated with an increase in the value of the second fractal dimension. Aggregate size evolution, at a constant velocity gradient, occurred in three stages: aggregate growth (I), aggregate break-up (II) and steady state (III). The size and spatial structure of aggregates influenced sedimentation properties of flocs. The reduction of the mean equivalent diameter and solidity of aggregates resulted in a slower sedimentation rate of aggregates.

PL

W pracy poddano analizie zmiany parametrów morfologicznych i wymiarów fraktalnych agregatów komórek zielenicy Monoraphidium contortum oraz sinicy Microcystis aeruginosa ,,uzyskanych w wyniku koagulacji prowadzonej z wykorzystaniem chlorku żelaza (III). W badaniach wykorzystano analizator obrazu Morphologi G3. Zastosowana metoda cyfrowej analizy obrazu mikroskopowego pozwoliła na scharakteryzowanie zarejestrowanych cząstek za pomocą szeregu parametrów morfologicznych: średnica równoważna (d_r), „wydłużenie”, „zwartość”. Ponadto, w oparciu o analizę obrazu mikroskopowego, wyznaczono wymiary fraktalne - D₁ i D₂. Stwierdzono, że wielkość agregatów komórek fitoplanktonu była podporządkowana rozkładowi log-normalnemu. Przeprowadzona analiza zmian rozkładów wielkości agregatów wskazała, że wraz ze wzrostem dawek koagulantu (D_k) i czasu flokulacji (t_f) następował wzrost ich średniej średnicy równoważnej. Średnia średnica agregatów uległa natomiast zmniejszeniu wraz ze wzrostem gradientu prędkości (G). Zwiększanie ilości energii wprowadzanej do układu podczas mieszania (G), prowadziło do wydłużania się agregatów komórek oraz zmniejszania ich zwartości. Charakterystyka morfologiczna agregatów fitoplanktonu, oparta na parametrach morfologicznych i geometrii fraktalnej pozwoliła zaobserwować istotną zależność pomiędzy D₂, a „zwartością”. Wzrost parametru morfologicznego w postaci „zwartości” związany był ze zwiększeniem wartości drugiego wymiaru fraktalnego. Zaobserwowano, że zmiana wielkości agregatów w czasie, przy stałym gradiencie prędkości zachodziła w trzech etapach: wzrost agregatów (I), rozpad agregatów (II) i ustalenie stanu równowagi (III). Wielkość i struktura przestrzenna agregatów wpływała na właściwości sedymentacyjne kłaczków. Zmniejszenie średniej średnicy równoważnej i zwartości agregatów decydowało o mniejszej prędkości sedymentacji agregatów.

Słowa kluczowe

EN

coagulation; particle morphology; fractal geometry; image analysis

PL

koagulacja/flokulacja; morfologia cząstek; geometria fraktalna; analiza obrazu

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Gaz, Woda i Technika Sanitarna
• Rocznik: 2023
• Tom: Nr 12
• Strony: 41--48
• Opis fizyczny: Bibliogr. 28 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Kapuścińska Ewelina

• , Lodz University of Technology, Faculty of Civil Engineering, Architecture and Environmental Engineering, Institute of Environmental Engineering and Building Installations, Politechniki 6 Street, 90-924 Lodz, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-1003-8462

Bibliografia

• [1] Aouabed Ali, Djamal Eddine Hadj-Boussaad, Roger Ben-Aim. 2008. "Morphological characteristics and fractal approach of the flocs obtained from natural organic matter extract of water of the Keddara dam (Algeria) ". Desalination 231 (1-3): 314-322.
• [2] Bąk Małgorzata, Andrzej Witkowski, Joanna Żelazna-Wieczorek, Agata Wojtal, Ewelina Szczepocka, Katarzyna Szulc, Bogusław Szulc. 2012. Klucz do oznaczania okrzemek w fitobentosie na potrzeby oceny stanu ekologicznego wód powierzchniowych w Polsce. Warszawa: Biblioteka Monitoringu Środowiska.
• [3] Bubakova Petra, Martin Pivonsky. 2012. "The influence of velocity gradient on properties and filterability of suspension formed during water treatment". Separation and Purification Technology 92: 161-167.
• [4] Bubakova Petra, Martin Pivonsky, Filip Petr. 2013. "Effect of shear rate on aggregate size and structure in the process of aggregation and at steady state". Powder Technology 235 : 540-549.
• [5] Cannell Richard. 1993. "Algae as a source of biologically active products". Pest Management Science 39(2): 147-153.
• [6] Chakraborti Rajat K., Joseph Atkinson, John Van Benschoten. 2000. "Characterization of alum floc by image analysis". Environmental Science and Technology 34(18): 3969-3976.
• [7] Chakraborti Rajat K., Kevin H. Gardner, Joseph F. Atkinson, John E. Van Benschoten. 2003. "Changes in fractal dimension during aggregation". Water Research 37(4): 873-883.
• [8] Chekli Laura, C. Eripret, Sunghyuk Park, S. Tabatabai, O. Vronska, Bojan Tamburic, Jongho Kim, Hokyong Shon. 2017. "Coagulation performance and floc characteristics of polytitanium tetrachloride (PTC) with titanium tetrachloride (TiCl4) and ferric chloride (FeCl3) in algal turbid water". Separation and Purification Technology 175: 99-106.
• [9] Chow Christopher W. K., Mary Drikas, Jenny House, Michael D. Burch, Renate M. A. Velzeboer. 1999. "The impact of conventional water treatment processes on cells of the cyanobacterium Microcystis aeruginosa". Water Research 33 (15): 3253-3262.
• [10] Demir Nilsun, Serap Pulatsu, Mine Kirkagac, Akasya Topcu, Ozge Zencir Tanir, Ozden Fakioglu. 2011. "Phytoplankton composition considering the odor occurrence in Porsuk River (Eskisehir-Turkey)". Asian Journal of Chemistry 23(1): 247-250.
• [11] Falconer Ian R., Andrew R. Humpage. 2005. "Health risk assessment of Cyanobacterial (blue-green algal) toxins in drinking water". International Journal of Environmental Research and Public Health 2(1): 43-50.
• [12] Francois R. J. 1988. "Growth kinetics of hydroxide flocs". Journal American Water Works Association 80(6): 92-96.
• [13] Gonzalez-Torres Andrea, J. Putnam, Bruce Jefferson, Richard M. Stuetz, Rita K. Henderson. 2014. "Examination of the physical properties of Microcystis aeruginosa flocs produced on coagulation with metal salts". Water Research 60: 197-209.
• [14] ISO 9276-6: 2008. "Representation of results of particle size analysis. Part 6: Descriptive and quantitative representation of particle shape and morphology".
• [15] Jarvis Peter, Bruce Jefferson, John Gregory, Simon Parsons. 2005. "A review of floc strength and breakage". Water Research 39(14): 3121-3137.
• [16] Jiang Qing, Bruce E. Logan. 1996. "Fractal dimensions of aggregates from shear devices". Journal American Water Works Association 88(2): 100-113.
• [17] Jodłowski Andrzej, Ewelina Gutkowska. 2015. "Wpływ warunków flokulacji na cechy morfologiczne i wymiary fraktalne agregatów komórek glonów". Instal 12: 79-82.
• [18] Kotai J. 1972. "Instructions for the Preparation of Modified Nutrient Solution Z8 for Algae". Norwegian Institute for Water Research Publication B-11/(69): 5.
• [19] Oliveira Cristiane, Rafael Teixeira Rodrigues, Jorge Rubio. 2010. "A new technique for characterizing aerated flocs in a flocculation-microbubble flotation system". International Journal of Mineral Processing 96(1-4): 36-44.
• [20] Perez Y. G., Selma Leite, Maria Alice Coelho. 2006. "Activated sludge morphology characterization through an image analysis procedure". Brazilian Journal of Chemical Engineering 23(3): 319-330.
• [21] Picińska-Fałtynowicz Joanna, Jan Błachuta. 2012. Klucz do identyfikacji organizmów fitoplanktonowych z rzek i jezior dla celów badań monitoringowych części wód powierzchniowych w Polsce. Warszawa: Biblioteka Monitoringu Środowiska.
• [22] PN-EN ISO 7027-1:2016-09. „Water quality. Determination of turbidity”.
• [23] Rekar S., Frantisek Hindák. 2002. "Aphanizomenon slovenicum sp. nov.: morphological and ecological characters of a new cyanophyte/cyanobacterial species from Lake Bled, Slovenia". Annaless de Limnologie - International Journal of Limnology 38(4): 271-285.
• [24] Runnegar Maria, Norbert Berndt, Neil Kaplowitz. 1995. "Microcystin uptake and inhibition of protein phosphatases: effects of chemoprotectants and self-inhibition in relation to known hepatic transporters". Toxicology and Applied Pharmacology 134(2): 264-272.
• [25] Sillanpaa Mika, Mohamed Chaker Ncibi, Anu Matilainen, Mikko Vepsalainen. 2018. "Removal of natural organic matter in drinking water treatment by coagulation: A comprehensive review". Chemosphere 190: 54-71.
• [26] Uher Bohuslav. 2007. "Morphological characterization of three subaerial Calothrix species (Nostocales, Cyanobacteria)". Fottea 7(1): 33-38.
• [27] Vahedi Arman, Beata Gorczyca. 2014. "Settling velocities of multifractal flocs formed in chemical coagulation process”. Water Research 53: 322-328.
• [28] Yu Wen-zheng, John Gregory, Luiza Campos, Guibai Li. 2011. "The role of mixing conditions on floc growth, breakage and re-growth". Chemical Engineering Journal 171(2): 425-430.

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).