Metabolic and mathematical modelling of phosphate and glycogen accumulating organisms behaviour in enhanced biological phosphate removal systems
Biyolojik aşırı fosfor gideren sistemlerde fosfor ve glikojen depolayan organizmaların metabolik ve matematik modellenmesi
- Tez No: 166667
- Danışmanlar: PROF.DR. NAZİK ARTAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2005
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 211
Özet
BİYOLOJİK AŞIRI FOSFOR GİDEREN SİSTEMLERDE FOSFOR VE GLİKOJEN DEPOLAYAN ORGANİZMALARIN METABOLİK VE MATEMATİK VIODELLENMESİ ÖZET 3u çalışmada, asetat ve propiyonat ile beslenen iki ardışık kesikli reaktörden elde edilen /eriler, değişken atıksu fosfor/uçucu yağ asidi oranlarında farklı karbon kaynaklarının biyolojik aşırı fosfor giderimi ve depolama ürünleri üzerine etkisinin araştırılması amacıyla cullanılmıştır. Buna göre, fosfor salım/alım oranının karbon kaynağından bağımsız olarak 1.2- 1.3 arasında olduğu bulunmuştur. Ayrıca, biyokütle içinde depolanan polihidroksialkanoat PHA) kompozisyonunun uçucu yağ asidi tipine bağlı olarak değiştiği belirlenmiştir. Asetat çin PHA'nm polihidroksibütirat (PHB) içeriği yüksek iken propiyonat için bu oranın daha iüşük olduğu bulunmuştur. Farklı propiyonat oranlarmda yürütülen kesikli deney sonuçlan, ısetata alışık biyokütlenin aklimasyon periyoduna ihtiyacı olacağmı göstermiştir. 3u çalışmada, fosfor depolayan organizma (PAO) ve glikojen depolayan organizma (GAO) canşık kültürünün anaerobik koşullarda asetat alımı için bir metabolik model önerilmiştir. Bu nodel, FDO'lann PHA sentezini gerçekleştirmek üzere gerekli indirgeme kuvvetlerim glioksilat metabolik yolunu kullanarak elde edebilecekleri esasma dayanmaktadır. Bu ıedenle, model değişken bir stokiyometriye sahiptir. Önerilen model deneysel sonuçlar ile test îdilmiş ve doğrulanmıştır. Deneysel veriler, biyolojik aşırı fosfor giderimini (BAFG) gerçekleştirmek üzere asetatın karbon kaynağı olarak kullanıldığı farklı giriş asetat/fosfor Dranlannda işletilen bir ardışık kesikli reaktörden elde edilmiştir. Elde edilen deneysel veriler, ita HAc/P oranlarmda, özellikle fosfor kısıtlı koşullarda, GAO'larm varlığım öngören nodelin geçerliliğini desteklemiştir. PHB üretimi, PHA kompozisyonu, glikojen tüketimi ve Tosfor salımı parametreleri açısından deneysel değerler ve model öngörülerinin uyumlu oldukları gözlenmiştir. 3u çalışmada, Aktif Çamur Modeli No.2d'nin öngörü kabiliyeti, değişken giriş fosfor piklerinde işletilen bir ardışık kesikli biyolojik reaktörün (AKR) biyolojik aşırı fosfor giderim /erimi açısından değerlendirilmiştir. Bu amaçla, esas karbon kaynağı olarak asetat içeren sentetik atıksu ile beslenen bir laboratuvar ölçekli AKR' den elde edilen veriler kullanılmıştır, airiş atıksuyunda farklı fosfor/asetat oranlarına sahip dört farklı deney seti olarak gerçekleştirilen deneylerin sonuçlan değerlendirilmiştir. Model, kararlı denge halinde temsil îdici bir çevrim süresince ölçülen konsantrasyon profilleri esas alınarak değerlendirilmiştir. Hassasiyet analizleri esas alınarak bir iteratif kalibrasyon metodolojisi geliştirilmiştir. Bu netodoloji, dört farklı deney setinde, AKR verimini etkileyen model parametrelerine iygulanmıştır. 3u çalışmada, ASM2d'nin, AKR'nin kararlı denge davranışını farklı model katsayı setleri ile talibre edildiğinde belirleyebildiği ortaya konmuştur. Katsayıların düzenli değişken düzeni, AKR sistemde anaerobic koşullarda glikojenin bozunması ile elde ettiği enerjiyi kullanarak mbstrat depolayan, böylece düşük P/Ac oranlannda sistemde hakim olabilen glikojen iepolayan organizmalann (GAO) AKR sisteminde varlığım açıklamak üzere kullanılmıştır. xıvElde edilen sonuçlar, sistemde asetat (S a) ve polihidroksialkanoat (Xpha) profillerinin daha ioğru öngörü ile elde edilebilmesi için glikojen ve GAO'larm model bileşenleri olarak PAO \/e GAO proseslerine ilave edilmesi gerektiğini göstermiştir. \ynca, biyolojik aşın fosfor gideriminin modellenmesi, asetat için rekabet eden glikojen ve rbsfor depolayan organizmaların mekanistik ifadesi ve daha sonra glikojen metabolizmasının nodele ilave edilmesi ile geliştirilmiştir. Önceden geliştirilen metabolik kavram ve modellere iayamlarak karışık kültürler için yeni bir proses stokiyometrisi tanımlanmıştır. Önerilen nodel, asetat beslemesi ve P/Ac oranının 0.05 mgP/mgKOİ olması durumunda elde edilen ieneysel verilerin test edilmesi ve kalibrasyonı için kullanılmıştır. Kalibrasyonun, test edilen üm model katsayıları için kabul edilebilir sayısal sonuçlar verdiği ve proses stokiyometrisi ıçısmdan seçilen metabolik ilişkilerin geçerliliğini desteklediği görülmüştür. Ayrıca, proses lavranışı ve verimi üzerine önemli etkisi olan glikojen depolayabilen organizmaların sistemde sağlanabilmesi için gerekli koşullar belirlenmiştir. \ynca bu çalışmada, glikojen ve fosfor depolayan organizmalar arasındaki rekabet üzerine )H ve substrata etkisi değerlendirilmiştir. Bu amaçla, biyolojik aşın fosfor giderimi yapan, farklı giriş asetat/fosfor oranlarına sahip ve karbon kaynağı olarak sadece asetat ile asetat lave edilmiş evsel atıksu kullanılan bir ardışık kesikli reaktörden elde edilen veriler kullanılmıştır. Farklı giriş asetat/fosfor oranlarına sahip asetat ilaveli evsel atıksu aıllanılarak, asetat ve evsel atıksu kanşımının farklı başlangıç pH değerleri için kesikli leneyler yürütülmüştür. Elde edilen sonuçlar, tüm HAc/P oranlamada, özellikle asetata iarbon kaynağı olarak kullanıldığı fosfor kısıtlı koşullarda, GAO'lann varlığını destekler dteliktedir. Substrat alımı, glikojen depolaması ve fosfor salımı açısından asetat ilaveli atıksu sisteminde PAO oranının esas karbon kaynağım sadece asetat olduğu sisteme göre daha yüksek olduğu gözlenmiştir. XV
Özet (Çeviri)
METABOLIC AND MATHEMATICAL MODELLING OF PHOSPHATE AND GLYCOGEN ACCUMULATING ORGANISMS BEHAVIOUR IN ENHANCED «OLOGICAL PHOSPHATE REMOVAL SYSTEMS SUMMARY n this study, data obtained from two sequencing batch reactors fed with acetate and »ropionate was served to investigate effect of different carbonaceous substrates on biological »hosphorus removal (EBPR) and on storage polymers whereas influent P/volatile fatty acid VFA) ratios were changed. It is found that phosphate release and uptake values were ranged rom 1.2 to 1.3 regardless of carbon source, It is determined that the composition of PHA tored in biomass vary depending on volatile fatty acid type. PHB fraction of PHA was higher or acetate, which was lower for propionate. The results of batch experiments with different ractions of propionate were implied that acetate enriched biomass need acclimation period. a this study, a new metabolic model is proposed for acetate uptake by a mixed culture of ihosphate and glycogen accumulating organisms (PAOs and GAOs) under anaerobic onditions. The model uses variable overall stoichiometry based on the assumption that PAOs lay have the ability of using the glyoxylate pathway to produce the required reducing power or PHA synthesis. Tie proposed model was tested and verified by experimental results. Experimental data were btained from a sequencing batch reactor system operated for enhanced biological phosphorus smoval (EBPR) with acetate as the sole carbon source at different influent acetate/phosphate HAc/P) ratios. The resulting experimental data supported the validity of the proposed model, idicating the presence of GAOs for all tested HAc/P ratios, especially under P limiting onditions. Strong agreement is observed between experimental values and model predictions Dr all model components, namely PHB production, PHA composition, glycogen utilization nd P release. a this study, the prediction capability of Activated Sludge Model No.2d (ASM2d) is valuated for the enhanced biological phosphorus removal (EBPR) performance of a equencing batch reactor (SBR) receiving variable influent phosphate load. For this purpose, xperimental data obtained from a laboratory-scale SBR operated with a synthetic feed ontaining acetate as the sole carbon source, was used. The results of experiments that onducted for four different Runs to ensure a range of different phosphate/acetate ratios in the ifluent were evaluated. Model evaluations were carried out on concentration profiles ıeasured throughout a representative cycle at steady state. An iterative calibration ıethodology was developed based on sensitivity analysis and applied to four different sets of xperimental data on relevant model parameters reflecting SBR performance. tSM2d was not able to predict the steady-state behavior of the SBR system in this study, nless calibrated with a different set of model coefficients for each experimental Run. The îgular changing pattern of the coefficients could be interpreted with the ability of the SBR ystem to sustain glycogen accumulating microorganisms, (GAOs), which can store substrate xviander anaerobic conditions, without the polyphosphate energy but deriving energy from the iegradation of glycogen, thus capable of prevailing at lower P/Ac ratios. The results indicate :he need to include glycogen and GAOs as model components for processes involving both PAOs and GAOs, in order to obtain a better prediction of acetate (SA) and Dolyhydroxyalkanoate (Xpha) profiles in the system. Besides, the modeling of enhanced biological phosphate removal is improved by introducing he mechanistic description of a mixed culture of glycogen and phosphate accumulating Drganisms competing for acetate, and glycogen metabolism of the latter. A new process stoichiometry is defined for the mixed culture based upon previously developed metabolic concepts and models. rhe proposed model is tested with and used for the calibration of experimental data obtained rom the Run having acetate and P/Ac ratio of 0.05 mgP/mgCOD in the influent. The calibration yielded acceptable numerical results for all the model coefficients tested and supported the validity of selected metabolic relationships for process stoichiometry. The iefined conditions allowing the system to sustain glycogen accumulating organisms with significant impact on process behavior and performance are also defined. ii this study, effects of pH and substrate on the competition between glycogen accumulating ^GAOs) and phosphorus accumulating organisms (PAOs) are evaluated. For this purpose, lata obtained from a sequencing batch reactor system operated with acetate as the sole ;arbon source and acetate added domestic wastewater for EBPR at different influent icetate/phosphate ratios, was used. Some batch tests were performed using acetate added domestic wastewater at different nfluent acetate/phosphate ratios, with different initial pH values of acetate and domestic vastewater mixture. The obtained experimental data supported the presence of GAOs for all ested HAc/P ratios, especially under P limiting conditions for acetate as sole carbon source. >trong evidence is observed that acetate added domestic wastewater system had higher PAOs iraction than acetate system as sole source carbon, with using model components, namely iubstrate uptake, glycogen utilization and P release. xvu
Benzer Tezler
- Mathematical modelling of enzymatic reactions, simulation and parameter estimation
Enzimatik reaksiyonların matematiksel modellenmesi, simulasyonu ve parametre kestirimi
SÜREYYA ÖZÖĞÜR
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Bilim ve TeknolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiFinansal Matematik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BÜLENT KARASÖZEN
- Contributions to the kinetic modeling of glycolytic pathway in yeast
Maya glikolitik izyolunun kinetik modellenmesine katkılar
CEYLAN ŞAHİN
Doktora
İngilizce
2009
BiyoteknolojiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. HALUK HAMAMCI
- Sembolik ve nümerik metotlarla enzim kinetiği problemlerinin incelenmesi
İnvestigation of enzyme kinetic problems by combination of symbolic and nümeric methods
NECMETTİN YILDIRIM
- Yapay sinir ağları yaklaşımı ile curuflarda fosfor kapasitelerinin incelenmesi
Estimation of phosphorus capacities of molten slags using artificial neural network approach
EMRE ALAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. CEVAT BORA DERİN
- Aktif çamur sistemlerinde atık çamur azaltımı amacıyla OSA konfigürasyonunun incelenmesi: Tam-ölçekli bir arıtma tesisinin modellemesi
Examination of the OSA process for the purpose of excess sludge minimization at activated sludge process: Modelling of a full-scale plant
ŞADİYE KOŞAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN ERDEM GÖRGÜN