تتيح الهاضمات اللاهوائية على المقياس المختبري للعلماء بحث طرق جديدة لتحسين التطبيقات الحالية للتكنولوجيا الحيوية اللاهوائية، وتقييم إمكانية إنتاج الميثان من مختلف النفايات العضوية. يقدم هذا المقال نموذجاً عاماً لإنشاء وتلقيح وتشغيل ومراقبة هاضم لاهوائي مخلط باستمرار على المقياس المختبري.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
باستمرار، أثار الهاضم اللاهوائي لتحويل النفايات العضوية إلى الغاز الحيوي: إعداد النظام الأساسي وعملية
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
الهضم اللاهوائي (AD) هو عملية حيوية تُستخدم بشكل شائع لتحويل النفايات العضوية المعقدة إلى غاز حيوي مفيد، حيث يكون الميثان هو حامل الطاقة 1-3. ويزداد استخدام الهضم اللاهوائي في تطبيقات معالجة النفايات (والمياه العادمة) الصناعية والزراعية والبلدية 4,5. ويتيح استخدام تقنية الهضم اللاهوائي لمشغلي المحطات تقليل تكاليف التخلص من النفايات وتعويض نفقات الطاقة. وبالإضافة إلى معالجة النفايات العضوية، يتم تحويل المحاصيل الطاقية إلى الميثان كحامل للطاقة 6,7. ومع توسع تطبيقات تقنية الهضم اللاهوائي لمعالجة ركائز جديدة وخليط من الركائز المشتركة 8، يزداد الطلب على منهجية اختبار موثوقة على النطاق التجريبي والمختبري.
تتنوع تكوينات أنظمة الهضم اللاهوائي، بما في ذلك مفاعل الخزان المقلب باستمرار (CSTR)، والتدفق السدادي (PF)، ومفاعل الدفعات المتسلسلة اللاهوائي (ASBR) 9. وغالباً ما يُستخدم مفاعل CSTR في الأبحاث نظراً لبساطة تصميمه وتشغيله، وأيضاً لميزاته في التجريب. وبالمقارنة مع التكوينات الأخرى، يوفر مفاعل CSTR تجانساً أكبر في بارامترات النظام، مثل درجة الحرارة، والخلط، والتركيز الكيميائي، وتركيز الركيزة. وفي نهاية المطاف، عند تصميم مفاعل بنطاق كامل، سيعتمد تكوين المفاعل الأمثل على خصائص الركيزة المستخدمة من بين العديد من الاعتبارات غير التقنية الأخرى. ومع ذلك، تشترك جميع التكوينات في سمات تصميمية أساسية وبارامترات تشغيل تجعل مفاعل CSTR مناسباً لمعظم التقييمات الأولية. وإذا استخدم الباحثون والمهندسون تياراً داخلاً بتركيزات عالية نسبياً من المواد الصلبة، فلا يمكن تغذية تكوينات المفاعلات الحيوية المختبرية بشكل مستمر بسبب مشكلات انسداد المضخات المختبرية بالمواد الصلبة أو ترسيب المواد الصلبة في الأنابيب. وفي هذا السيناريو الذي يتطلب خلطاً مستمراً، يتم تغذية المفاعلات الحيوية المختبرية بشكل دوري، ونشير إلى هذه التكوينات باسم الهاضمات اللاهوائية المقلبة باستمرار (CSADs).
تستعرض هذه المقالة منهجية عامة لبناء نظام CSAD وتلقيحه وتشغيله ومراقبته، وذلك بغرض اختبار مدى ملاءمة مادة عضوية معينة للهضم اللاهوائي طويل الأمد. سيتناول قسم البناء في هذه المقالة كيفية بناء نظام مفاعل على النطاق المختبري. وسيوضح قسم التلقيح كيفية تهيئة بيئة لاهوائية مناسبة للتلقيح بلقاح ميثانوجيني نشط. أما قسم التشغيل فسوف يغطي عمليات التشغيل والصيانة واستكشاف الأخطاء وإصلاحها. وسيقدم قسم المراقبة بروتوكولات الاختبار باستخدام التحاليل القياسية. إن استخدام هذه التدابير ضروري لإجراء تقييمات تجريبية موثوقة لمدى ملاءمة المادة للهضم اللاهوائي (AD). ومن شأن هذا البروتوكول أن يوفر حماية أكبر ضد خطأ شائع يرتكب في دراسات الهضم اللاهوائي، وهو الاستنتاج بأن فشل المفاعل كان ناتجاً عن المادة المستخدمة، بينما كان السبب في الواقع هو التشغيل غير الصحيح من قبل المستخدم 10.
المقدمة
يُعد الهضم اللاهوائي (AD) تقنية ناضجة تتضمن التحويل بوساطة بيولوجية لمواد النفايات العضوية المعقدة إلى غاز حيوي مفيد، حيث يكون الميثان هو حامل الطاقة. هناك فوائد عديدة للمعالجة اللاهوائية، بما في ذلك الحد الأدنى من مدخلات الطاقة والمغذيات وتقليل إنتاج المواد الصلبة الحيوية مقارنة بالمعالجة الهوائية 10. بالإضافة إلى ذلك، فإن تنوع المجتمع الميكروبي المختلط المتأصل في هذه الأنظمة يجعل مجموعة واسعة من الركائز العضوية مناسبة كلقيم 11,12. وبالفعل، وبسبب هذه الفوائد، يتم اعتماد عدد متزايد من تطبيقات الهضم اللاهوائي خارج نطاق معالجة مياه الصرف الصحي البلدية التقليدية، لا سيما في القطاعات الصناعية والبلدية (مثل نفايات الطعام) والزراعية 4,7,13. ....
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
1. بناء الهاضم
- اختر وعاء هضم يحتوي على جميع الميزات الموضحة في Fig. 1 (ليس من الضروري وجود مخروط)، وبحجم عمل مطلوب (عادةً ما يتراوح بين 1-10 L). إذا لم يكن وعاء الهضم مجهزاً بغلاف مائي مسخن، فضع الهاضم في بيئة أخرى يتم التحكم في درجة حرارتها، مثل حمام مائي مسخن أو غرفة تحضين.
- ثبت الوعاء في وضع عمودي في منطقة تتوفر فيها مساحة أفقية كافية على المنضدة لوضع المكونات المتبقية (Table 2).
- قم بتجهيز غطاء الوعاء وفقاً لـ Fig. 2. يجب أن تكون فتحات أنابيب التدفق الداخل والخارج واسعة بما يكفي لمنع الانسداد. يجب أن تكون الأنابيب داخل المفاعل الحيوي بطول كافٍ لتبقى مغمورة في وسط الهضم أثناء عملية الت....
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
يوفر نظام الهضم اللاهوائي المعروض في هذا المقال مقدمة عامة وبعض الإرشادات الأساسية لمعالجة معظم الركائز في سياق تجريبي. إن التنوع الواسع في أنواع الركائز، وتكوينات الهاضم، ومعايير التشغيل، بالإضافة إلى البيئة الفريدة للمجتمع الميكروبي المختلط الذي تقوم عليه هذه الأنظمة، يمنع تحديد مقاييس كمية ثابتة يمكن تطبيقها بشكل عالمي. وبالرغم من كل هذا التباين، تتبع جميع أنظمة الهضم اللاهوائي سلسلة محددة جيداً من مسارات التحلل البيولوجي، والتي تتوسطها عمليات فيزيائية وكيميائية مفهومة المبادئ ويمكن تطبيقها على جميع الأنظمة. وبناءً عل.......
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
لم يتم الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
شكر وتقدير
يتم دعم هذا البحث من قبل وزارة الزراعة الأمريكية (USDA) من خلال المعاهد الوطنية للأغذية والزراعة (NIFA)، منحة رقم 2007-35504-05381؛ وبواسطة المنحة رقم 58872 من هيئة تطوير الطاقة في ولاية نيويورك (NYSERDA) والمنحة NYC-123444 من خلال أموال الصيغة الفيدرالية لمحطة التجارب الزراعية بجامعة كورنيل المقدمة من USDA NIFA.
....الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| جهاز تدوير مسخن | VWR Scientific | 13271-063 VWR | للاستخدام مع نظام مفاعل ذو سترة تسخين |
| مقلب مختبري كهربائي متغير السرعة | Cleveland Mixer Co. | (Model 5VB) | يسهل هذا الطراز من الخلاط عملية التثبيت باستخدام حامل حلقي |
| مقياس غاز دقيق من النوع الرطب | Ritter Gasmeters | (Model TG-01) | يتطلب هذا الطراز تدفقاً أدنى قدره (0.1 L/h) ويمكنه التعامل مع تدفق أقصى يصل إلى 30 L/h |
| فقّاعة غاز | Chemglass | (Model AF-0513-20) | |
| أنبوب أخذ عينات غاز | Chemglass | (Model CG-1808) | |
| دافع محوري | Lightnin’ | R04560-25 Cole-Parmer | شفرات دافع بقطر ثقب يبلغ 7.9375 mm |
| عمود الدفع | Grainger | 2EXC9 Grainger | قضيب من الفولاذ المقاوم للصدأ بطول 1.83 m وقطر خارجي 7.9375 mm (يجب قصه إلى الحجم المناسب) |
| حوامل دعم من الحديد الزهر | American Educational Products | (Model 7-G16) | لتثبيت الخلاط |
| مشبك تمديد ثلاثي الأظافر | Talon | 21572-803 VWR | لتثبيت الخلاط |
| حامل مشبك عادي | Talon | 21572-501 VWR | لتثبيت الخلاط |
| مضخة تمعجية | Masterflex | WU-07523-80 Cole-Parmer | لتفريغ السوائل الخارجة |
| رأس مضخة قياسي L/S | Masterflex | EW-07018-21 Cole-Parmer | لتفريغ السوائل الخارجة - ملحق بالمضخة التمعجية |
| أنابيب مضخة دقيقة L/S | Masterflex | EW-06508-18 Cole-Parmer | لتفريغ السوائل الخارجة - ملحق بالمضخة التمعجية |
| تحليل pH | |||
| مقياس pH | Thermo Fisher Scientific - Orion | 1212000 | |
| تحليل المواد الصلبة الكلية والمتطايرة (الطرق القياسية: 2540-B,E) | |||
| مجفف تفريغ زجاجي | Kimax | WU-06536-30 Cole-Parmer | |
| أطباق تبخير خزفية | VWR | 89038-082 VWR | |
| فرن مختبري | Thermo Fisher Scientific | (Model 13-246-516GAQ) | |
| فرن مفرغ ذو غرفة متوسطة | Barnstead/ Thermolyne | F6010 Thermo Scientific | |
| تحليل الأحماض الدهنية المتطايرة الكلية (الطرق القياسية: 5560-C) | |||
| جهاز طرد مركزي متغير السرعة بسعة كبيرة | Sigma | WU-17451-00 Cole-Parmer | |
| لوح تسخين مختبري | Thermo Scientific | (Model HP53013A) | |
| مكثف كبير | Kemtech America | (Model C150190) | |
| كاشف حمض الأسيتيك [CAS: 64-19-7] | Alfa Aesar | AA33252-AK | |
| طلب الأكسجين الكيميائي (الطرق القياسية: 5520-C) | |||
| سخان كتلة COD | HACH | (Model DRB-200) | |
| أنابيب زراعة من البوروسيليكات | Pyrex | (Model 9825-13) | |
| كاشف ثنائي كرومات البوتاسيوم [CAS: 7778-50-9] | Avantor Performance Materials | 3090-01 | |
| كاشف كبريتات الزئبق II [CAS: 7783-35-9] | Avantor Performance Materials | 2640-04 | |
| محلول مؤشر الفيروين [CAS: 14634-91-4] | Ricca Chemical | R3140000-120C | |
| سداسي هيدرات كبريتات الحديد(II) الأمونيوم [CAS: 7783-85-9] | Alfa Aesar | 13448-36 | |
| تحليل تركيب الغاز بواسطة تحليل الكروماتوغرافيا الغازية | |||
| جهاز كروماتوغرافيا الغاز | SRI Instruments | Model 8610C | يجب أن يكون مجهزاً بكاشف التوصيل الحراري (TCD)، باستخدام العمود وغاز الحمل المذكورين أدناه، ويعمل عند درجة حرارة متساوية تبلغ 105 °C |
| غاز الهيليوم | Airgas | He HP300 | ليستخدم كغاز حامل |
| عمود محشو | Restek | 80484-800 | ليستخدم لفصل N2، وCH4، وCO2 |
المراجع
- Dague, R. R., McKinney, R. E., Pfeffer, J. T. Solids retention in anaerobic waste treatment systems. J. Water Pollut. Control Fed. 42, R29-R46 (1970).
- McCarty, P. L., Smith, D. P. Anaerobic wastewater treatment. Environ. Sci. Technol. 20, 1200-1206 (1986).
- Lettinga, G. ....
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
