Mathematical modelling and molecular analysis of a nitrifying packed bed biofilm reactor

Abstract

MELiSSA (Micro Ecological Life Support System Alternative) és el sistema desenvolupat per l'Agència Espacial Europea (ESA) i el consorci MELiSSA en el camp del suport de vida durant missions de llarga durada a l'espai. Basat en un ecosistema aquàtic, MELiSSA va ser concebut com una eina per desenvolupar la tecnologia necessària per a un sistema de suport de vida biològic que en un futur ha de permetre la producció d'aliment, aigua i oxigen a partir dels residus orgànics generats per una tripulació. <br/>Per assolir aquest objectiu, el concepte MELiSSA compta amb l'activitat combinada de cinc compartiments colonitzats per diferents microorganismes i plantes superiors, interconnectats entre ells. Aquesta tesi es centra en el tercer compartiment del bucle MELiSSA, en el qual l'amoni és convertit a nitrat, que és la font de nitrogen més adequada per al creixement dels cianobacteris i plantes superiors que colonitzen els compartiments fotosintètics. <br/>L'oxidació biològica d'amoni a nitrat té lloc en dues etapes successives que porten a terme dos tipus de soques bacterianes. En el projecte MELiSSA aquest procés es porta a terme en una columna de llit fix mitjançant Nitrosomonas europaea i Nitrobacter winogradkyi immobilitzats sobre un suport polimèric, i amb aportació d'aire en el mateix sentit de circulació que el medi líquid. El reactor pilot del tercer compartiment ha estat operant a la planta pilot del projecte MELiSSA durant períodes prolongats de temps abans de l'inici del treball realitzat en aquesta tesi. <br/>La principal aportació d'aquesta tesi es troba en l'obtenció de nova informació sobre el funcionament del reactor a través d'un estudi detallat de la biopel·lícula i també mitjançant el desenvolupament d'un model matemàtic que ens permetrà estudiar els efectes de diferents paràmetres d'operació sobre el procés i l'estructura de la biopel·lícula. S'implementaran també els aparells de mesura necessaris per millorar la qualitat de la monitorització de les diferents espècies de nitrogen a la fase líquida. Els coneixements adquirits en la realització d'aquest treball seran utilitzats per portar a terme el re-disseny del reactor per tal de millorar-ne el funcionament dins de la planta pilot del projecte MELiSSA.

MELiSSA (Micro Ecological Life Support System Alternative) is the system developed by the European Space Agency (ESA) and the MELiSSA consortium in the field of life support for long term manned missions in Space. Based on the principle of an aquatic ecosystem, MELiSSA was conceived as a tool to develop the required technology for a future biological life support system. Its final aim is the production of food, fresh water and oxygen from the organic wastes of a crew. <br/>To achieve this goal, the MELiSSA concept is based on the use of five interconnected compartments colonised by several microorganisms and higher plants. This thesis is focused on the third compartment of the MELiSSA loop, in which ammonium is converted to nitrate, the most suitable nitrogen source for the growth of the bacteria and higher plants colonising the photosynthetic compartment. The biological oxidation of ammonium to nitrate, which consists of two successive reactions carried out by two different bacterial strains, takes place in a packed bed biofilm reactor. Nitrosomonas europaea and Nitrobacter winogradskyi are immobilised on a polymeric support, with air flowing cocurrently with the feed medium. The pilot-scale reactor of compartment III (CIII) had been in operation in the MELiSSA pilot plant for several years before the start of the present work. <br/>The main contributions of this thesis are in increasing the understanding of the reactor performance by studying the nitrifying biofilm in depth, and by developing a mathematical model that allows the effects of different operational parameters on the process and on the biofilm structure, to be studied. Moreover, continuous monitoring of the nitrifying efficiency will be improved by installing the necessary on-line equipment to experimentally measure the concentrations of all the nitrogen species in the liquid phase. The additional knowledge achieved on the reactor performance via this work will finally lead to re-design the reactor hardware for optimal performance in the MELiSSA pilot plant. <br/>The knowledge acquired in this thesis was finally used to define the main features of the re-design of the pilot reactor of the MELiSSA compartment III.