ويقدم منهجية تجريبية لمقارنة أداء صغير (100 لتر) وكبيرة (1000 لتر) حجم المفاعلات مصممة لمعالجة الطحالب من مياه الصرف الصحي المكب. خصائص النظام، بما في ذلك منطقة السطح إلى نسبة الحجم، الوقت الاحتفاظ، كثافة الكتلة الحيوية، وتركيزات تغذية مياه الصرف الصحي، ويمكن تعديلها بناء على الطلب.
يتطلب اشتراك JoVE لعرض هذا المحتوى. تسجيل الدخول أو ابدأ نسخة تجريبية مجانية
مقالة منهجية
مقارنة مقياس في نظام مفاعل الضوئي لعلاج الطحالب من مياه الصرف الصحي
في هذه المقالة
ملخص
الملخص
ويقدم منهجية تجريبية لمقارنة أداء مفاعلين مختلفة الحجم والمصممة لمعالجة مياه الصرف الصحي. في هذه الدراسة، وتتم مقارنة إزالة الأمونيا، وإزالة النيتروجين ونمو الطحالب على مدى فترة 8 أسابيع في مجموعات يقترن المفاعلات الصغيرة (100 لتر) وكبيرة (1000 لتر) مصممة لمعالجة الطحالب من مياه الصرف الصحي المكب. وتباينت محتويات المفاعلات الصغيرة والكبيرة قبل بداية كل اختبار الفاصل الأسبوعي للحفاظ على الظروف الأولية تعادل في المقياسين. خصائص النظام، بما في ذلك منطقة السطح إلى نسبة الحجم، الوقت الاحتفاظ، كثافة الكتلة الحيوية، وتركيزات تغذية مياه الصرف الصحي، ويمكن تعديلها لتحقيق التعادل أفضل الظروف التي تحدث في كل المقاييس. خلال قصيرة لمدة 8 أسابيع فترة زمنية تمثيلية، تراوحت بدءا الأمونيا ومجموع تركيزات النيتروجين 3،1 حتي 14 ملغ NH 3 -N / L، و8،1-20،1 ملغم N / لتر على التوالي. أداء نظام المعالجة تم تقييم على أساسقدرته على إزالة الأمونيا والنيتروجين الكلي، وإنتاج الكتلة الحيوية الطحالب. يعني ± الانحراف المعياري لإزالة الأمونيا، ومجموع إزالة النيتروجين ومعدلات نمو الكتلة الحيوية كانت 0.95 ± 0.3 ملغ NH 3 -N / L / اليوم، 0.89 ± 0.3 ملغ N / L / يوم، و 0.02 ± 0.03 جم الكتلة الحيوية / L / يوم، على التوالي. وأظهرت جميع السفن وجود علاقة إيجابية بين تركيز الأمونيا والأمونيا معدل إزالة الأولي (R 2 = 0.76). المقارنة بين الكفاءة العملية وإنتاج القيم المقاسة في المفاعلات الحجم مختلفة قد تكون مفيدة في تحديد ما إذا كانت البيانات التجريبية مختبر مقياس مناسب للتنبؤ قيم الإنتاج على نطاق تجاري.
المقدمة
ترجمة البيانات مقاعد البدلاء النطاق لتطبيقات على نطاق أوسع هو خطوة رئيسية في تسويق العمليات الحيوية. كفاءة الإنتاج في أنظمة المفاعل على نطاق صغير، لا سيما تلك التي تركز على استخدام الكائنات الحية الدقيقة، وقد ثبت أن توقع على الدوام الكفاءات التي تحدث في النظم على نطاق تجاري 1، 2، 3، 4. وجود تحديات أيضا في زيادة زراعة الضوئي من الطحالب والبكتيريا الزرقاء من نطاق المختبر على النظم الكبيرة لغرض تصنيع منتجات عالية القيمة، مثل مستحضرات التجميل والمستحضرات الصيدلانية، لإنتاج الوقود الحيوي، ولمعالجة مياه الصرف الصحي. الطلب على إنتاج الطحالب الكتلة الحيوية على نطاق واسع ينمو مع الصناعة الناشئة للطحالب في الوقود الحيوي، والمستحضرات الصيدلانية / المغذيات، وعلف الماشية 5. المنهجية الواردة فيوتهدف هذه المخطوطة لتقييم تأثير زيادة حجم نظام مفاعل الضوئي على معدل نمو الكتلة الحيوية وإزالة المغذيات. نظام المقدمة هنا يستخدم الطحالب لإصلاح مياه الصرف الصحي المكب العصارة ولكن يمكن تكييفها لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
وغالبا ما توقع الكفاءة الإنتاجية للنظم على نطاق واسع باستخدام التجارب على نطاق أصغر. ومع ذلك، يجب النظر في عدة عوامل لتحديد دقة هذه التنبؤات، كما ثبت على نطاق وتؤثر على أداء العمليات الحيوية. على سبيل المثال، قدم يونكر (2004) نتائج المقارنة بين ثمانية مفاعلات التخمير مختلفة الحجم، تتراوح من 30 لتر إلى 19000 لتر، والتي أظهرت أن الإنتاجية الفعلية في pilot- أو تجارية موازين كانت دائما تقريبا أقل من القيم وتوقعت باستخدام الصغيرة دراسات -scale 4. وتوقع التفاوت في البعد السفينة، قوة مختلطة، نوع الإثارة، وجودة المواد الغذائية، ونقل الغاز لتكونالأسباب الرئيسية لانخفاض الإنتاجية 4. وبالمثل، فقد تبين في المفاعلات نمو الطحالب التي نمو الكتلة الحيوية والمنتجات ذات الصلة الكتلة الحيوية ونحو تخفيض دائما عند زيادة نطاق 6.
العوامل البيولوجية والفيزيائية، والكيميائية تتغير مع حجم المفاعل، مع العديد من هذه العوامل التي تؤثر على النشاط الميكروبي في جداول صغيرة بشكل مختلف عما في نطاقات أوسع 2 و 7. وبما أن معظم أنظمة واسعة النطاق للطحالب، مثل البرك القناة، موجودة في الهواء الطلق، عامل بيولوجي واحد للنظر هو أن الأنواع الميكروبية والبكتيريا يمكن إدخال من البيئة المحيطة بها، الأمر الذي قد يغير الأنواع الميكروبية الحاضر، وبالتالي وظيفة الميكروبية لل النظام. ونشاط المجتمع الميكروبي يكون أيضا حساسية للعوامل البيئية مثل الضوء ودرجة الحرارة. نقل جماعي للغازات والسوائل والحركةأمثلة من العوامل المادية التي تتأثر في نطاق يصل عمليات الميكروبية. تحقيق خلط مثالي في مفاعلات صغيرة من السهل. ولكن، مع زيادة الحجم، ويصبح تحديا لهندسة الظروف خلط مثالية. في نطاقات أوسع، هي أكثر عرضة للمناطق ميتة، خلط غير مثالية، وانخفاض الكفاءة في نقل الجماعي 2 المفاعلات. منذ الطحالب هي كائنات التمثيل الضوئي، يجب النمو التجاري لحساب التغيرات في التعرض للضوء نتيجة للتغيرات في عمق المياه ومساحة السطح عند زيادة حجم. كثافة الكتلة الحيوية العالية و / أو انخفاض معدلات نقل الجماعي يمكن أن يسبب انخفاض CO 2 تركيزات وزيادة تركيز O 2، وكلاهما قد يؤدي إلى تثبيط نمو الكتلة الحيوية 8. هي التي تحرك العوامل الكيميائية في نظام نمو الطحالب التي كتبها ديناميات الرقم الهيدروجيني للبيئة المائية 2، والذي يتأثر بالتالي تغيرات في مجمعات التخزين المؤقت الأس الهيدروجيني مثل ثاني أكسيد الكربون المذاب 2 وكربونات الأنواع. وتتضاعف هذه العوامل التي التفاعلات المعقدة بين العوامل البيولوجية والفيزيائية، والكيميائية، وغالبا بطرق غير متوقعة 9.
تقدم هذه الدراسة نظام مفاعل يقترن تهدف إلى تنظيم ومقارنة ظروف النمو في الأوعية اثنين من مستويات مختلفة. ويركز البروتوكول التجريبي على قياس معالجة الراشح ونمو الطحالب. ومع ذلك، يمكن تكييفه لمراقبة مقاييس أخرى مثل التغييرات في المجتمع الميكروبي مع مرور الوقت أو عزل إمكانية CO 2 من الطحالب. تم تصميم بروتوكول المعروضة هنا لتقييم تأثير الحجم على نمو الطحالب وإزالة النيتروجين في نظام معالجة العصارة.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
البروتوكول
إعداد 1. نظام
ملاحظة: A 'نظام يقترن' يشير إلى خزان ماء واحد وبركة القناة واحدة، بالتوازي.
- لنظام الاقتران واحد، استخدم إحدى الدبابات 100 L أحواض (AT)، مع خلاط علوي للسفينة صغيرة الحجم، واحد القناة بركة 1000 L (RWP)، مع خلاط نواعير للسفينة على نطاق واسع. والمصورة السفن المستخدمة في هذا النظام في الشكل 1.
- تطعيم جميع السفن مع الثقافة الطحالب نفسها. استخدام كثافة عالية من التلقيح، مما أدى إلى الكثافة النهائية لا تقل عن 0.1 غرام / لتر مرة واحدة مخففة لحجم الكامل في خزان أو بركة 10. قد يستغرق وقتا طويلا (أسابيع إلى أشهر) لزراعة ما يكفي من الطحالب لهذه الخطوة.
- استخدام غير المعالجة العصارة مكب النفايات كمصدر المغذيات. استخدام العصارة مأخوذة من موقع لطمر النفايات التي تقبل النفايات معظمها المحلية ولديها مستويات منخفضة من السموم. وينبغي أن يكون تحليل لبنية للالعصارة المتاحة من المكب. تي انه كمية العصارة المستخدمة في كل خزان أو بركة يمكن أن تختلف تبعا لقوة مياه الصرف الصحي، ولكن ينبغي أن تركيزات الأمونيا النهائية قياس 5-75 ملغ NH 3 -N / L.
- بدء تشغيل خزان أحواض 100 L مع حجم العمل 60 L، والبركة القناة مع حجم العمل 600 لتر. بدأت هذه الدراسة مع ما يقرب من 1 L الراشح في 59 لتر من الماء في الخزان الأحواض المائية، و 10 العصارة لتر في 590 لتر من الماء في البركة القناة. زيادة تركيز العصارة استخدامها على مدار هذه الدراسة.
الشكل 1. أمثلة من خزان ماء وبركة القناة. وتظهر مثال على خزان ماء (A) وبركة القناة (B). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
= "jove_title"> 2. عملية الأسبوعية وأخذ العينات
- تشغيل خزان الأحواض المائية وبركة القناة كما المفاعلات شبه دفعة مع الاحتفاظ مرات الهيدروليكية من ثلاثة أسابيع. كل فترة أخذ العينات تمتد مدة أسبوع واحد.
- خذ 125 مل عينة من كل سفينة. وهذا هو بداية نموذج الأسبوع. عينات الاختبار وفقا لبروتوكول تحليل عينة في أقسام 3،1-3،3.
- في نهاية الأسبوع، واتخاذ 125 عينات مل من كل سفينة لتحليلها. بعد أن تم أخذ العينات نهاية الأسبوع، تفريغ كامل حجم خزان ماء في بركة القناة.
- مرة واحدة في الأسبوع، ضخ كامل حجم خزان ماء في بركة القناة.
- إزالة ثلث حجم (لمتوسط الوقت الاحتفاظ الهيدروليكي من 3 أسابيع) من البركة القناة. استبدال حجم إزالتها بالماء والعصارة غير المعالجة.
- نقل ما يقرب من 60 لتر من البركة القناة مرة أخرى إلى خزان ماء. هذا يضمن أن الحوض تانك وبركة القناة بدأت مع نفس الظروف الغذائية والبيولوجية كل أسبوع.
- أخذ عينات 125 مل من جميع السفن لتحليل الأوضاع انطلاق للأسبوع القادم.
تحليل 3. عينة
- اختبار جميع بداية من بين الأسبوع ونهاية أيام الأسبوع عينات للأمونيا-N، نترات-N، النتريت-N، وكثافة الكتلة الحيوية.
- قياس الكتلة الحيوية من مجموع المواد الصلبة العالقة القياسية بروتوكول (TSS)، ASTM-D5907، وذلك باستخدام 0.45 ميكرون مرشحات.
- أولا وزن ورقة الترشيح وثم تصفية 20-40 مل من العينة باستخدام نظام فراغ الترشيح. تجفيف الورق الكتلة الحيوية / تصفية في الفرن على 105 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة، أو حتى وزن الورق الكتلة الحيوية / فلتر التغييرات لم تعد.
- وزن الورق الكتلة الحيوية / فلتر، وطرح الكتلة الأولية من ورقة الترشيح. تقسيم هذه الكتلة من حجم تصفيتها لحساب كثافة الكتلة الحيوية. تشغيل في مكررة 11.
- قياس الأمونيا،النترات، والنتريت طيفيا باستخدام معمل.
- استخدام 100 ميكرولتر من العينة في هذه المجموعة طريقة التجارية لتحديد تركيز الأمونيا. الرجوع إلى بروتوكول الشركة المصنعة.
- استخدام 1 مل من العينة في هذه المجموعة طريقة التجارية لتحديد تركيز النترات. الرجوع إلى بروتوكول الشركة المصنعة.
- استخدام 10 مل من العينة في هذه المجموعة طريقة التجارية لتحديد تركيز النتريت. الرجوع إلى بروتوكول الشركة المصنعة.
- رصد الأحوال البيئية (درجة حرارة الهواء وأشعة الشمس وسرعة الرياح) باستخدام محطة الأرصاد الجوية التجارية وكذلك خزان / ظروف الحوض (درجة حرارة الماء، ودرجة الحموضة، الأوكسجين المذاب) باستخدام مجسات التجارية ومسجل بيانات. الرجوع إلى بروتوكول الشركة المصنعة.
4. التحليل الإحصائي للنتائج
- تحديد ما إذا كانت البيانات التي تم جمعها أمر طبيعي إحصائيا. تحديد طبيعتها من مجموعة البيانات باستخدام QQ مؤامرة 12 .
- تحديد العلاقات المتبادلة بين المعلمات باستخدام ص بيرسون أو ص سبيرمان للبيانات العادية وغير العادية، على التوالي 13. وينبغي أن تتضمن المعلمات ارتباط على الأقل المعلمات التالية: التركيز الأولي الأمونيا، والتركيز الكلي النيتروجين الأولي، كثافة الكتلة الحيوية الأولية، ومعدل إزالة الأمونيا، ومعدل إزالة النيتروجين، ومعدل نمو الكتلة الحيوية، وجميع الظروف البيئية.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
النتائج
والهدف من هذه الدراسة هو مقارنة نمو الكتلة الحيوية وقدرات إزالة المغذيات من الثقافات الطحالب التي تزرع في المفاعلات الصغيرة وعلى نطاق واسع. تستخدم هذه الدراسة نظامين تقرن، ويشار إلى نظام 1 و 2 نظام، لتكرار النتائج التي توصلت إليها. هذه النتائج هي تمثيلية من فترة 8 أسابيع، فبراير وحتى شهر نيسان، تم تلقيح 2016. أول بركة القناة مع الطحالب مصدرها أصلا من بركة في الهواء الطلق في فيلادلفيا، PA 14. وقد نمت هذه الثقافة إلى كثافة عال...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المناقشة
أداء النظام:
على مدار دراسة لمدة 8 أسابيع، وتمت مقارنة إنتاجية السفن الصغيرة والكبيرة في النظام. في هذا النيتروجين الدراسة ومعدلات إزالة الأمونيا ومعدلات نمو الكتلة الحيوية كانت تستخدم لتدابير الإنتاجية للنظام العلاج. تم تشغيل النظام كما مفاعل شبه دفعة، حيث تم تشغيل كل أسبوع في ظل ظروف منفصلة. وتمثل نتائج ممثلة لمدة 8 أسابيع الأولى من نظام التشغيل، ولكن دراسة كاملة ستمتد لفترات أطول بكثير لحساب التباين الموسمي في ال...
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
الإفصاحات
الكتاب ليس لديهم ما يكشف.
شكر وتقدير
فإن الكتاب أود أن أشكر مكب Sandtown في فيلتون، DE لتبادل المعرفة والعصارة.
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
المواد
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| حوض السمك | يمكن استخدام أي خزان حوض مائي سعة 100+ لتر مع زجاج شفاف بصريا | ||
| RW 3.5 | MicroBio Engineering | Raceway Pond | |
| Eurostar 100 Digital | IKA | 4238101 | خلاطات علوية |
| العلوية العصارة زجاجات | مكب | ||
| Nalgene | بلاستيك أو زجاج ، درجة المختبر ، 125-200 | ||
| مضخات نقل مل مضخة | من نوع الحديقة مع خراطيم جودة مياه الشرب ستكون مناسبة | ||
| AmVer Sallicylate Test 'N Tube | Hach | 2606945 | اختبارات الأمونيا عالية المدى |
| NitraVer X النيتروجين - مجموعة كاشف النترات ؛ | Hach | 2605345 | اختبارات نترات عالية المدى |
| NitriVer 2 وسائد مسحوق كاشف النتريت | Hach | 2107569 | اختبارات النتريت عالية المدى Hach |
| DR2400 Spectrophotmeter | Hach | تم إيقاف DR2400 ، ولكن يمكن استخدام أي مقياس الطيف الضوئي من سلسلة DR Hach في هذا التطبيق. | |
| مرشحات غشاء التحليل الميكروبيولوجي EMD | Millipore | HAWG047S6 | 0.45 & مرشحات م |
المراجع
- Janssen, M., Tramper, J., Mur, L. R., Wijffels, R. H. Enclosed outdoor photobioreactors: light regime, photosynthetic efficiency, scale-up, and future prospects. Biotechnol. Bioeng. 81 (2), 193-210 (2003).
- Takors, R. Scale-up of microbial processes: impacts, tools and open questions. J. Biotechnol. 160 (1), 3-9 (2012).
- Sauer, M., Porro, D., Mattanovich, D., Branduardi, P. Microbial production of organic acids: expanding the markets. Trends in Biotechnol. 26 (2), 100-108 (2008).
- Junker, B. H. Scale-up methodologies for Escherichia coli and yeast fermentation processes. J. Biosci. Bioeng. 97 (6), 347-364 (2004).
- Brennan, L., Owende, P. Biofuels from microalgae-a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable Sustainable Energy Rev. 14 (2), 557-577 (2010).
- Van Den Hende, S., Beelen, V., Bore, G., Boon, N., Vervaeren, H. Up-scaling aquaculture wastewater treatment by microalgal bacterial flocs: from lab reactors to an outdoor raceway pond. Bioresour. Technol. 159, 342-354 (2014).
- Hewitt, C. J., Nienow, A. W. The Scale-Up of Microbial Batch and Fed-Batch Fermentation Processes. Adv Appl Microbiol. 62, 105-135 (2007).
- Downton, W., Bishop, D., Larkum, A., Osmond, C. Oxygen Inhibition of Photosynthetic Oxygen Evolution in Marine Plants. Funct Plant Biol. 3 (1), 73-79 (1976).
- Pholchan, M. K., Baptista, J. dC., Davenport, R. J., Curtis, T. P. Systematic study of the effect of operating variables on reactor performance and microbial diversity in laboratory-scale activated sludge reactors. Water Res. 44 (5), 1341-1352 (2010).
- Richmond, A. Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology. , John Wiley & Sons. (2008).
- Clesceri, L. S., et al. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , American Public Health Association. (1998).
- Statistics for Macintosh v.23.0. , IBM Corp. Armonk, NY. (2015).
- Devore, J. L. Probability and Statistics for Engineering and the Sciences. , Cengage Learning. (2015).
- Sniffen, K. D., Sales, C. M., Olson, M. S. Nitrogen removal from raw landfill leachate by an algae-bacteria consortium. Water Sci. Technol. 73 (3), 479-485 (2015).
- Paerl, H. W., Fulton, R., Moisander, P. H., Dyble, J. Harmful freshwater algal blooms, with an emphasis on cyanobacteria. Scientific World J. 1, 76-113 (2001).
- Abeliovich, A., Azov, Y. Toxicity of Ammonia to Algae in Sewage Oxidation Ponds. Appl. Environ. Microbiol. 31 (6), 801-806 (1976).
- Azov, Y., Goldman, J. C. Free ammonia inhibition of algal photosynthesis in intensive cultures. Appl. Environ. Microbiol. 43 (4), 735-739 (1982).
- Adamsson, M., Dave, G., Forsberg, L., Guterstam, B. Toxicity identification evaluation of ammonia, nitrite and heavy metals at the Stensund Wastewater Aquaculture Plant, Sweden. Water Sci. Technol. 38 (3), 151-157 (1998).
- Quinn, J. C., Davis, R. The potentials and challenges of algae based biofuels: a review of the techno-economic, life cycle, and resource assessment modeling. Bioresour. Technol. 184, 444-452 (2015).
- Liu, X., et al. Pilot-scale data provide enhanced estimates of the life cycle energy and emissions profile of algae biofuels produced via hydrothermal liquefaction. Bioresour. Technol. 148, 163-171 (2013).
- Van Den Hende, S., et al. Treatment of industrial wastewaters by microalgal bacterial flocs in sequencing batch reactors. Bioresour. Technol. 161, 245-254 (2014).
- Rawat, I., Kumar, R. R., Mutanda, T., Bux, F. Biodiesel from microalgae: A critical evaluation from laboratory to large scale production. Appl. Energy. 103, 444-467 (2013).
- Cloern, J. E. The relative importance of light and nutrient limitation of phytoplankton growth: a simple index of coastal ecosystem sensitivity to nutrient enrichment. Aquat Ecol. 33 (1), 3-15 (1999).
الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.
إعادة الطباعة والأذونات
