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Enregistrement W1595943885

On optimization of substrate removal in a bioreactor with biofilms and suspended biomass

2014· article· en· W1595943885 sur OpenAlexaff
Alma Mašić, Hermann J. Eberl

Notice bibliographique

RevueEuropean Conference on Mathematical and Theoretical Biology · 2014
Typearticle
Langueen
DomaineEnvironmental Science
ThématiqueWastewater Treatment and Nitrogen Removal
Établissements canadiensUniversity of Guelph
Organismes subventionnairesnon disponible
Mots-clésBiofilmWastewaterBioreactorBiomass (ecology)Substrate (aquarium)Sewage treatmentPulp and paper industryOrganic matterEnvironmental engineeringEnvironmental scienceChemical engineeringChemistryBacteriaWaste managementBiologyEcologyEngineering
DOInon disponible

Résumé

récupéré en direct d'OpenAlex

Biofilms are layered bacterial communities, attached to a surface in an aqueous environment, constructing a three-dimensional structure that is significantly different from the surrounding that free floating bacteria are found in. Bacteria within biofilms act together as a macrostructure, exhibiting typical characteristics such as a diffusion-limited substrate consumption and a strong antimicrobial resistance. The latter is often the reason why biofilms are so difficult to eradicate, which is a critical issue in cases when biofilms are harmful to their surroundings, for example in dental plaque. In wastewater treatment, however, biofilms are considered beneficial as they are used in biological treatment processes for degradation and collection of organic matter as well as nitrogen and phosphorus. The bacteria grow by consumption of a substrate, which is thereby removed from the wastewater, and produce a compound that is either harmless to the environment or that proceeds through further treatment, before the treated water is released into a receiving water body. Mathematical models of wastewater treatment systems are useful tools for process understanding, design, control and optimization and can prevent lengthy empirical studies. Contrary to the reality of a biofilm reactor, in which a certain amount of suspended biomass always remains present due to erosion from the biofilm, most biofilm reactor models do not include the suspended biomass, assuming its contribution to the process performance is negligible. In this work, we focus on a biofilm reactor with concurrent suspended growth and investigate mathematically the optimal substrate removal in the reactor with respect to the amount of removed substrate and with respect to treatment process duration. For this purpose we assume a reactor setup where the wastewater is fed from a storage reactor into a biological treatment reactor. The resulting two-objective optimal control problem is constructed with the flow rate between the reactors as the selected control and the treatment reactor is modeled by a system of three ordinary differential equations, which indirectly contain a two-point boundary value problem. Due to the singularity of the optimal control problem, it is impractical to determine its solution in the class of measurable functions and unfeasible to implement in reality. By instead choosing a class of off-on functions, motivated by the underlying biological process, we solve a simpler problem of reactor performance optimization. The off-on control functions initially have a no-flow period before switching to a constant flow rate that empties the storage reactor. For this optimal control problem we approximate the Pareto Front numerically and study the system behavior and its dependence on reactor and initial data. In general, we find that the limited potential to improve reactor performance through different control strategies is mainly due to an initial transient period during which the bacteria adapt to the environmental conditions in the reactor. The determination of the length of the transient period depends strongly on the initial state of the dynamic system, which is, thus, often unknown in real applications, wherefore the efficiency of reactor optimization, compared to the uncontrolled system with constant flow rate, is limited.

Récupéré en direct depuis OpenAlex et désinversé. Les résumés ne sont pas conservés dans cette base de données : les index inversés représentent 8,6 Go des 9,3 Go de texte de la base, et le serveur dispose de 13 Go libres.

Comment cette classification a été obtenuedéplier

Prédiction machine sur la base complète

Imitation des enseignants

Ni prévalence calibrée, ni vérité terrain. Validation humaine à venir. Le volet Gemma est une étiquette directe du modèle pour chaque travail de la base, lue sur la notice réduite au titre. Le volet Codex est un classifieur appris des 10 348 étiquettes directes de Codex et calibré sur les taux pondérés de l'échantillon; les champs sans appui suffisant ne portent aucun appel Codex. Le mode candidate est l'union des deux volets; le consensus est leur intersection. Ces sorties portent le statut machine_predicted_unvalidated et ne sont pas des étiquettes humaines.

score de la tête « metaresearch » (Codex)0,001
score de la tête « metaresearch » (Gemma)0,001
Version: metacan-v3-hybrid-931329e0061cStatut de validation: machine_predicted_unvalidated
Catégories candidatesaucune
Catégories consensuellesaucune
DomaineSignal candidat: aucune · Signal consensuel: aucune
Devis d'étudeSignal candidat: Simulation ou modélisation · Signal consensuel: Simulation ou modélisation
GenreSignal candidat: Empirique · Signal consensuel: Empirique
Score de désaccord entre enseignants0,007
Score d'incertitude au seuil0,013

Scores du classifieur distillé par catégorie (deux têtes)

CatégorieCodexGemma
Métarecherche0,0010,001
Méta-épidémiologie (sens strict)0,0010,000
Méta-épidémiologie (sens large)0,0020,002
Bibliométrie0,0010,001
Études des sciences et des technologies0,0010,001
Communication savante0,0020,001
Science ouverte0,0010,001
Intégrité de la recherche0,0020,001
Charge utile insuffisante (le modèle a refusé de juger)0,0010,000

Scores machine (provisoires)

Les deux têtes enseignantes du modèle étudiant, lues sur ce travail. Un score ordonne la base pour la relecture; il n'affirme jamais une catégorie, et le statut de validation accompagne chaque rangée tel quel.

Scores de référence d'un modèle non mature (critères de maturité non atteints, 7 itérations). Un score ordonne; il n'affirme jamais une catégorie.

Tête enseignante Opus0,012
Tête enseignante GPT0,212
Écart entre enseignants0,200 · la distance entre les deux têtes enseignantes sur ce seul travail
Statut de validationscore_only:v0-immature-baseline · tel quel depuis la passe de notation : score_only signifie que le nombre peut ordonner les travaux, et qu'aucune étiquette de catégorie n'en découle

Classification

machine, non validée

Prédiction automatique; un appel candidat d’une seule source (Gemma direct ou Codex distillé), pas un consensus.

Les modèles n’ont appliqué aucune catégorie : rien dans la taxonomie ne correspondait à ce travail.
Devis d'étudeSimulation ou modélisation
Domainenon disponible
GenreEmpirique

Le détail, modèle par modèle et score par score, se trouve en fin de page sous « Comment cette classification a été obtenue ».

En bref

Citations0
Publié2014
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