Application of Particle Swarm Optimisation to achieve simultaneous nitrification and denitrification removal in the aerobic biological treatment process

Immaginate un impianto di trattamento delle acque reflue di una città come una cucina gigante e frenetica dove l'acqua sporca è l'ingrediente principale. L'obiettivo è cucinare questa "zuppa" finché non è abbastanza pulita da poter essere versata nuovamente nel fiume senza ferire nessuno. Uno dei cuochi più importanti in questa cucina è una squadra di batteri minuscoli e invisibili. Hanno un lavoro specifico: mangiare l'ammoniaca (un prodotto chimico sgradevole derivante dai rifiuti umani) e trasformarla in qualcos'altro. Ma ecco il colpo di scena: quando i batteri finiscono il loro lavoro, lasciano dietro di sé un nuovo ingrediente chiamato nitrato. Sebbene l'ammoniaca sia cattiva, anche troppo nitrato nel fiume è pericoloso per le persone e gli animali. Tradizionalmente, se un impianto produceva troppo nitrato, doveva costruire un'intera seconda cucina solo per pulirlo, il che è costoso e complicato. Gli scienziati hanno cercato di capire se possono far sì che i batteri facciano entrambi i lavori — mangiare l'ammoniaca e pulire il nitrato — esattamente nello stesso momento nello stesso serbatoio, come un maestro chef che può tagliare le verdure e mescolare la zuppa simultaneamente senza far cadere un cucchiaio.

Questo è esattamente l'enigma che i ricercatori M. Muloiwa e CM Zvinowanda hanno affrontato nel loro studio. Volevano vedere se potevano usare un trucco informatico intelligente chiamato "Ottimizzazione a Sciame di Particelle" (PSO) per trovare la ricetta perfetta per i batteri. Pensate al PSO come a uno stormo di uccelli che cerca il miglior cespuglio di bacche. Ogni uccello (o "particella") vola intorno, provando diverse combinazioni di temperatura, flusso d'aria e tempo. Se un uccello trova un posto gustoso, gli altri volano verso di esso, ma mantengono anche le proprie idee. Alla fine, l'intero stormo converge sul punto assolutamente migliore. I ricercatori hanno usato questo stormo digitale per testare migliaia di diverse impostazioni in un laboratorio per vedere se potevano far sì che i batteri rimuovessero il nitrato mentre erano ancora impegnati a rimuovere l'ammoniaca.

Il team ha allestito un esperimento di laboratorio utilizzando acque reflue reali del impianto di trattamento di Daspoort in Sudafrica. Hanno creato una piccola "camera di aerazione" controllata (un serbatoio dove viene pompata aria per aiutare i batteri a respirare) e l'hanno gestita per 54 giorni. Hanno raccolto dati su sette diversi ingredienti: quanto tempo l'acqua è rimasta nel serbatoio, quanta aria veniva soffiata dentro, la temperatura, la quantità di cibo (COD), la quantità di ammoniaca, la quantità di batteri (biomassa) e il livello di ossigeno. Per dare un senso a tutti questi dati disordinati, hanno costruito un cervello digitale usando un "Perceptron Multistrato" (MLP), che è un tipo di Rete Neurale Artificiale. Potete pensare a questo come a uno studente super intelligente che ha guardato 324 diversi punti dati e ha imparato i modelli segreti di come si comportano i batteri.

Una volta che il cervello digitale ha compreso le regole, hanno lasciato che il "branco di uccelli" (l'algoritmo PSO) andasse al lavoro. L'obiettivo era semplice: trovare le impostazioni specifiche che avrebbero portato alla più bassa quantità possibile di nitrato residuo. La simulazione al computer è stata incredibilmente efficace. Ha trovato un "ottimo globale", o la ricetta perfetta, che ha prodotto una concentrazione di nitrato di soli 0,5744 mg/L. Questo è un numero molto basso, ben entro i limiti di sicurezza stabiliti dalle autorità idriche.

Per raggiungere questo numero magico, il computer ha suggerito un insieme molto specifico di condizioni:

• Periodo di Aerazione: L'acqua dovrebbe rimanere nel serbatoio per circa 1,514 ore (circa 1 ora e 31 minuti).
• Velocità del Flusso d'Aria: La pompa dell'aria dovrebbe spingere 2,6911 L/min di aria nell'acqua.
• Temperatura: L'acqua deve essere mantenuta calda, a 30,5270 °C.
• Ossigeno Disciolto (DO): Dovrebbero esserci 5,5768 mg/L di ossigeno nell'acqua.

Sotto queste condizioni perfette, il sistema è riuscito anche a pulire efficacementamente gli altri inquinanti, lasciando dietro di sé solo 35,8187 mg/L di COD (scarto organico) e 2,9126 mg/L di ammoniaca.

I ricercatori hanno anche eseguito un' "analisi di sensibilità", che è come chiedere: "Cosa succede se cambio solo una cosa?". Hanno scoperto che due fattori erano i veri capi. La Temperatura era il driver principale, responsabile del 54,2% dei cambiamenti, seguita dal Periodo di Aerazione al 22,5%. Ciò significa che, se volete controllare quanta quantità di nitrato rimane, dovete principalmente controllare il termometro e l'orologio. Interessante è che lo studio ha scoperto che altri metodi usati dalle persone, come l'uso dell'elettricità o nuovi design speciali dei reattori, sono spesso troppo costosi o richiedono la costruzione di interi nuovi impianti. Questo studio suggerisce che, invece di abbattere i vecchi impianti e costruirne di nuovi, possiamo semplicemente regolare le impostazioni di quelli che già abbiamo.

In conclusione, il documento suggerisce che, utilizzando l'ottimizzazione informatica intelligente, è effettivamente possibile far sì che i batteri eseguano la nitrificazione e la denitrificazione simultanea. I risultati mostrano che con la giusta temperatura e tempistica, i batteri possono pulire l'ammoniaca e il nitrato contemporaneamente, potenzialmente risparmiando ai impianti di trattamento delle acque la necessità di attrezzature extra costose. Gli autori sono fiduciosi in queste scoperte perché il loro modello informatico ha corrisposto molto da vicino ai dati del mondo reale, con un alto punteggio di precisione, ma presentano questo come un successo dell'ottimizzazione dei processi esistenti piuttosto che come una cura magica per ogni situazione.