本文介绍了一种实验方法，用于比较专为藻类修复垃圾填埋场废水而设计的小型（100 L）与大型（1,000 L）反应器的性能。系统特性（包括表面积与体积比、停留时间、生物量密度以及废水进料浓度）可根据具体应用进行调整。
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摘要
摘要
本文提出了一种实验方法，用于比较两种不同尺寸的废水处理反应器的性能。在本研究中，对用于垃圾填埋场废水藻类修复的小型（100 L）和大型（1,000 L）反应器配对系统，在8周的时间内对其氨去除、氮去除及藻类生长情况进行比较。在每周测试周期开始前，将小型和大型反应器中的内容物进行混合，以确保两种规模系统具有相同的初始条件。可通过调节系统特性（包括表面积与体积比、停留时间、生物量密度以及废水进料浓度），使两种规模下的运行条件更加一致。在为期8周的代表性实验期间，初始氨浓度和总氮浓度范围分别为3.1–14 mg NH3-N/L和8.1–20.1 mg N/L。处理系统的性能评估依据其去除氨和总氮的能力以及藻类生物量的生成情况。氨去除率、总氮去除率和生物量生长速率的平均值±标准差分别为0.95±0.3 mg NH3-N/L/天、0.89±0.3 mg N/L/天和0.02±0.03 g 生物量/L/天。所有反应器均显示出初始氨浓度与氨去除速率之间存在正相关关系（R2=0.76）。对不同规模反应器中测得的工艺效率和产量进行比较，有助于判断实验室规模的实验数据是否适用于预测商业化规模的生产值。
引言
将小试规模的数据转化为更大规模的应用是生物工艺商业化过程中的关键步骤。在小规模反应器系统中，特别是以微生物利用为重点的系统，其生产效率往往持续高估了在商业化规模系统中实际发生的效率1,2,3,4。将藻类和蓝细菌的光合培养从实验室规模放大到更大规模系统时也面临诸多挑战，这些系统用于生产高价值产品（如化妆品和药品）、生物燃料制造以及废水处理。随着藻类在生物燃料、药品/营养补充剂和牲畜饲料等新兴产业的发展，对大规模藻类生物量生产的需求正在不断增长5。本文所述方法旨在评估光合反应器系统在规模放大过程中对生物量生长速率和营养物去除效果的影响。本文介绍的系统利用藻类修复垃圾填埋场渗滤液废水，但也可根据需要调整用于多种其他应用。
大规模系统的生产效率通常通过小规模实验进行预测；然而，必须考虑多个因素以确定这些预测的准确性，因为已有研究表明，规模变化会影响生物工艺的性能。例如，Junker（2004）报道了对八种不同规模的发酵反应器（体积范围从30 L到19,000 L）的比较结果，显示在中试或商业化规模下的实际生产率几乎总是低于基于小规模研究的预测值4。反应器尺寸差异、混合功率、搅拌方式、营养物质质量以及气体传递效率的不均等被认为是导致生产率下降的主要原因4。类似地，在藻类生长反应器中也已发现，当规模扩大时，生物量增长及相关产物的产量几乎总是降低6。
生物、物理和化学因素随反应器尺寸的变化而变化，其中许多因素在小规模与大规模条件下对微生物活性的影响不同2,7。由于大多数藻类的全规模系统（例如跑道池）位于室外，因此需要考虑的一个生物因素是，周围环境可能引入微生物种类和噬菌体，从而改变系统中存在的微生物种类及其功能。微生物群落的活性还对光照和温度等环境因素敏感。气体传质和流体运动是微生物过程放大过程中受影响的物理因素的示例。在小型反应器中实现理想的混合较为容易；然而，随着规模增大，构建理想混合条件成为一项挑战。在较大规模下，反应器更可能出现死区、非理想混合以及传质效率降低的情况2。由于藻类为光合生物，商业化培养必须考虑体积增加时因水深和表面积变化所导致的光照条件改变。高生物量密度和/或低传质速率可能导致CO2浓度降低和O2浓度升高，这两种情况均可能抑制生物量的生长8。藻类培养系统中的化学因素由水生环境的pH动态驱动2，并进一步受到溶解性CO2和碳酸盐类等pH缓冲化合物变化的影响。这些因素之间还存在复杂的相互作用，常常以不可预测的方式叠加影响9。
本研究介绍了一种成对反应器系统，旨在调控并比较两种不同规模容器中的生长条件。实验方案重点在于量化渗滤液处理和藻类生长；然而，该方案也可进行调整，以监测其他指标，例如微生物群落随时间的变化或藻类的二氧化碳（CO2）封存潜力。本文所述方案旨在评估在渗滤液处理系统中规模对藻类生长和氮去除效果的影响。
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方案
1. 系统设置
注： “配对系统”指一个水族箱和一个跑道式池塘并行运行。
- 对于一个成对系统，使用一个 100 L 的水族箱（AT），配备顶部搅拌器作为小规模反应器，以及一个 1,000 L 的跑道式养殖池（RWP），配备桨轮搅拌器作为大规模反应器。该系统中使用的反应器如图 1所示。
- 用相同的藻类培养物接种所有反应器。接种时使用高密度藻液，稀释至反应器或养殖池的总体积后，最终密度不得低于 0.1 g/L10。此步骤可能需要较长时间（数周至数月）来培养足够的藻类。
- 使用未经处理的垃圾填埋场渗滤液作为营养源。应选用主要接收生活废弃物且毒素含量较低的填埋场产生的渗滤液。渗滤液的成分分析数据应由填埋场提供。每个水族箱或养殖池中使用的渗滤液量可根据废水浓度而调整，但最终氨浓度应控制在 5–75 mg NH3-N/L。
- 水族箱的初始工作体积设为 60 L，养殖池的初始工作体积设为 600 L。本研究在水族箱中初始加入约 1 L 渗滤液与 59 L 水，在养殖池中加入 10 L 渗滤液与 590 L 水。在研究过程中逐步提高渗滤液的使用浓度。
图1. 水族箱和跑道式池的示例。 展示了一个水族箱（A）和跑道式池（B）的示例。请点击此处查看该图的放大版本。
2. 每周操作与取样
- 将水族箱和槽道式池塘作为半连续反应器运行，水力停留时间为三周。每次采样周期持续一周。
- 从每个容器中采集 125 mL 样品，作为该周起始样品。根据第 3.1–3.3 节中的样品分析方案对样品进行检测。
- 在每周结束时，从每个容器中采集 125 mL 样品用于分析。在完成周结束样品采集后，将水族箱中的全部体积排入槽道式池塘。
- 每周一次，将水族箱的全部体积泵入槽道式池塘。
- 从槽道式池塘中移除三分之一的体积（以实现平均水力停留时间为三周）。用清水和未经处理的渗滤液补充所移除的体积。
- 将约 60 L 水从槽道式池塘回输至水族箱中。以确保水族箱和槽道式池塘每周均在相同的营养和生物条件下开始运行。
- 从所有容器中采集 125 mL 样品，用于分析下一周起始条件。
3. 样品分析
- 每周初和周末采集样本，检测氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮及生物量密度。
- 采用标准总悬浮固体（TSS）测定方法（ASTM-D5907），使用 0.45 µm 滤膜测定生物量。
- 先称量滤膜质量，然后使用真空过滤系统过滤 20–40 mL 样品。将滤膜连同生物量在 105 °C 的烘箱中干燥一小时，或直至其质量不再变化。
- 称量滤膜与生物量的总质量，减去滤膜初始质量。将所得质量除以过滤体积，计算生物量密度。每个样品设两个重复 11。
- 使用分光光度计通过比色法测定氨、硝酸盐和亚硝酸盐含量。
- 使用商用试剂盒中的 100 µL 样品测定氨浓度。具体操作参见试剂盒说明书。
- 使用商用试剂盒中的 1 mL 样品测定硝酸盐浓度。具体操作参见试剂盒说明书。
- 使用商用试剂盒中的 10 mL 样品测定亚硝酸盐浓度。具体操作参见试剂盒说明书。
- 使用商用气象站监测环境条件（空气温度、太阳辐射、风速），并使用商用探头和数据记录仪监测水池/水箱条件（水温、pH、溶解氧）。具体操作参见仪器说明书。
4. 结果的统计学分析
- 确定所收集的数据是否符合统计学正态分布。使用Q-Q图检验数据集的正态性12。
- 根据数据是否呈正态分布，分别采用Pearson相关系数r或Spearman相关系数p分析各参数间的相关性13。相关性分析应至少包括以下参数：初始氨浓度、初始总氮浓度、初始生物量密度、氨去除速率、总氮去除速率、生物量增长速率以及所有环境条件。
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结果
本研究旨在比较在小规模和大规模反应器中培养的藻类在生物量增长和营养物去除能力方面的差异。本研究采用两套配对系统（称为系统1和系统2）以重复验证结果。这些代表性结果来自2016年2月至4月为期8周的实验。第一个跑道池（RWP）接种的藻类最初来源于美国宾夕法尼亚州费城的一个室外池塘14。该藻种在水族箱（AT）中培养至高密度后用于接种，使跑道池中的生物量密度达到0.12 g/L。2.5周后，对第二个跑道池和水族箱进行接种，初始生物量密度约为0.18 g/L。数周后，将所有水族箱和跑道池中的培养物混合，以确保各容器间生物量密度和微生物群落的均一性；随后按照上述实验方案开始常规运行与监测。
起始和终止参数的测量频率为每周一次，具体方法见样本分析部分15。所有反应器中初始生物量、氨浓度和总氮浓度的范围分别为0.2–1.0 g/L、3.1–14 mg NH3
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讨论
系统性能：
在为期8周的研究过程中，比较了系统中小规模和大规模反应器的生产效率。本研究采用氮和氨的去除速率以及生物量增长速率作为衡量处理系统生产效率的指标。该系统以半连续批次反应器模式运行，每周在不同的独立条件下操作。代表性结果反映了系统运行前8周的情况，但完整的研究将持续更长时间，以涵盖环境条件的季节性变化。
上述方法要求每隔7天将配对系统（小规模和大规模容器）混合一次。因此，在此时间段内，两种规模之间的生产率差异完全取决于两种不同尺寸容器中的条件差异。例如，如果其中一个反应器的光照强度明显低于另一个，生物量的生长速率将显著不同。由于混合不充分导致的死区、传质效率低下、CO2或pH值波动，以及两种规模之间存在的任何其他不一致条件，均可能导致配对系统中各容器生产率的差异。
另一方面，如果每个系统中较小规模和较大规模反应器的生产率数值相等，则表明小规模反应器所创造的生长条件与大规模反应器相似，或两种不同规模反应器之间的差异对生产率的影响可忽略不计。在此情况下...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
作者谨此感谢特拉华州费尔顿的桑敦镇垃圾填埋场分享其专业知识和渗滤液。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 水族箱 | 任何容量为100升以上的、具有光学透明玻璃的水族箱均可使用 | ||
| RW 3.5 | MicroBio Engineering | 跑道式养殖池 | |
| Eurostar 100 digital | IKA | 4238101 | 顶置式搅拌器 |
| 渗滤液 | Sandtown Landfill | ||
| 采样瓶 | Nalgene | 塑料或玻璃材质，实验室级别，125–200 mL | |
| 转移泵 | 使用符合饮用水标准软管的园艺型泵即可满足要求 | ||
| AmVer Salicylate Test 'N Tube | Hach | 2606945 | 高量程氨检测 |
| NitraVer X Nitrogen - Nitrate Reagent Set | Hach | 2605345 | 高量程硝酸盐检测 |
| NitriVer 2 Nitrite Reagent Powder Pillows | Hach | 2107569 | 高量程亚硝酸盐检测 |
| Hach DR2400 分光光度计 | Hach | DR2400 已停产，但任何 Hach DR 系列分光光度计均可用于本应用。 | |
| EMD 微生物分析用膜滤器 | Millipore | HAWG047S6 | 0.45 µm 滤膜 |
参考文献
- 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).
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