השוואת סולם ב כור מערכת פוטוסינתזה משיקום אצות של שפכים

סיכום

מתודולוגיה ניסיונית מוצגת להשוות את הביצועים של קטן (100 ליטר) וגדול (1,000 ליטר) בהיקף כורה המיועד משיקום אצות בשפכי הטמנה. מאפייני מערכת, כולל שטח פן יחס נפח, זמן שמירה, צפיפות ביומסה, וריכוזים להאכיל שפכים, יכולים להיות מותאמים על פי בקשה.

תקציר

מתודולוגיה ניסיונית מוצגת להשוות את הביצועים של שני כורים בגדלים שונים המיועדים לטיפול בשפכים. במחקר זה, הסרת אמוניה, סילוק חנקן וצמיחת אצות מושוות במשך 8 שבועות בסטים לזווג של קטן (100 ליטר) וגדולים (1,000 ליטר) כורים המיועד משיקום אצות בשפכי הטמנה. תוכן של כורים בקנה מידה קטן וגדול היו מעורבים לפני תחילת כל מרווח בדיקות שבועי כדי לשמור על תנאי התחלה שווה על פני שני סולמות. מאפייני מערכת, כולל שטח פן יחס נפח, זמן שמירה, צפיפות ביומסה, וריכוזים להאכיל שפכים, יכולים להיות מותאמים טוב יותר להשוואת תנאים המתרחשים בשני הסולמות. בתקופת 8 שבועות נציג זמן קצר, אמוניה החל וריכוזי חנקן הכולל נע בין 3.1-14 מ"ג NH ₃ -N / L, ו 8.1-20.1 מ"ג N / L, בהתאמה. הביצועים של מערכת הטיפול העריכו התבססו עליכולתו כדי להסיר אמוניה חנקן כללי לייצר ביומסה של אצות. ממוצע ± סטיית תקן של הסרת אמוניה, סילוק חנקן כולל ושיעורי צמיחה ביומסה היה 0.95 ± 0.3 מ"ג NH ₃ -N / L / יום, 0.89 ± 0.3 מ"ג N / L / יום, ו- 0.02 ± 0.03 גרם ביומסה / L / יום, בהתאמה. כל הכלי הראה כי קיים קשר חיובי בין שיעור הסרת ריכוז אמונית אמוניה הראשוני (R ² = 0.76). השוואת יעילות תהליך ההפקה נמדדה בכורים לגודל שונה עשויה להיות שימושית בקביעה אם נתוני ניסוי בקנה מידת המעבדה מתאימים תחזית של ערכי הפקה בקנה מידה מסחרית.

מבוא

תרגום של נתוני ספסל בקנה מידה ליישומים בקנה מידה גדולים יותר הוא צעד מפתח המסחור של bioprocesses. יעילות הייצור במערכות הכור בקנה מידה קטן, במיוחד אלה התמקדות השימוש של מיקרואורגניזמים, הוכחו מעל בעקביות לנבא יעילות המתרחשים במערכות בקנה מידה מסחרי ^{1, 2, 3, 4.} אתגרים קיימים גם בגמלון פוטוסינתטיים הטיפוח של אצות כחוליות מסולם במעבדה למערכות גדולות לצורך ייצור מוצרים בעלי ערך גבוה, כגון מוצרי קוסמטיקה ותרופות, לייצור דלק ביולוגי, וכן לטיפול בשפכים. הביקוש לייצור ביומסה אצות בקנה מידה גדול גדל עם תעשיית המתעוררים עבור אצות דלק ביולוגי, תרופות / נוטרה, ובעלי חיים להאכיל ^5. המתודולוגיה המתוארתכתב היד הזה נועד להעריך את ההשפעה של הגדלת היקף של כור מערכת פוטוסינתזה על קצב הצמיחה ביומסה והסרה מזינה. המערכת המוצגת כאן משתמשת אץ שמטרתן לתקן התשטיפים שפכים הטמנה אבל יכול להיות מותאם עבור מגוון רחב של יישומים.

יעילות הייצור של מערכות בקנה מידה גדול הם חזו לעתים קרובות באמצעות ניסויים בקנה מידה קטן יותר; עם זאת, מספר גורמים יש לקחת בחשבון כדי לקבוע את רמת הדיוק של תחזיות אלו, כמו סולם הוכח להשפיע על הביצועים של bioprocesses. לדוגמה, יונקר (2004) הציגו תוצאות מהשוואה בין שמונה כורים תסיסה בגדלים שונים, הנעים בין 30 L 19,000 L, אשר הראו כי התפוקה בפועל-מאזני מסחר pilot- או היה כמעט תמיד נמוך יותר הערכים החזויים באמצעות קטנים מחקרים -scale ^4. אי שוויון בממד כלי, ערבוב הספקת כוח, סוג התסיסה, איכות מזין, והעברת גז נחזה להיותגורמים עיקריים הפרודוקטיביות ⁴ הירד. בדומה לכך, הוכח בכורי גידול אצים כי צמיחה ביומסה ומוצרים נלווים ביומסה מופחתים כמעט תמיד כאשר קנו מידה היא גדלה ^6.

גורמים ביולוגיים, פיזיים, כימיים לשנות עם בגודל של הכור, עם רבים של גורמים אלה משפיעים פעילות חיידקית בקני מידה קטנים באופן שונה מאשר בקני מידה גדול ^{2, 7.} מאחר שמערכות בהיקף המלא ביותר עבור אצות, כגון ברכות מסילה, קיימים בחוץ, גורם ביולוגי אחד שיש לקחת בחשבון הוא כי מינים ופאג'ים חיידקים ניתן הציגו מהסביבה, אשר עשויים לשנות את המינים של החיידקים נוכחיים ובכך הפונקציה מיקרוביאלי של מערכת. הפעילות של קהילת החיידקים גם תהיה רגישה לגורמים סביבתיים, כגון אור וטמפרטורה. העברות המוניות של גזים ותנועה זורמת הםדוגמאות של גורמים פיזיים כי מושפעים למעלה בסולם של תהליכים מיקרוביאליים. השיג ערבוב אידיאלי בכורים קטנים הוא קל; עם זאת, עם היקף הולך וגדל, הוא הופך להיות אתגר להנדס תנאים אידיאליים ללישה. בקני מידה גדולים, כורים נוטים יותר יש אזורים מתים, ערבוב הלא אידיאלי, יעילות מופחתת ומסה ^2. מאז אצות הן אורגניזמים פוטוסינתטיים, צמיחה מסחרית חייבת להביא בחשבון את שינויי חשיפה לאור עקב שינויים בעומק מים ושטח פנים כאשר הם מגבירים את עוצמת קול. צפיפות ביומסה גבוהה ו / או העברת שיעורי מסה נמוכה יכול לגרום לירידה CO ₂ ריכוזים וריכוזי O ₂ גדל, אשר שניהם עלולה לגרום לעיכוב הצמיחה ביומסה ^8. גורמים כימיים במערכת גידול אצות מונעים על ידי הדינמיקה pH של הסביבה המימית ^2, המושפע מכך משינויים תרכובות חציצה pH כגון CO מומס _{מינים 2 ו קרבונט. גורמים אלה הולכים ומתרבים בגלל יחסי גומלין מורכבים בין הגורמים ביולוגיים, פיסיים, כימיים, לעתים קרובות בדרכים בלתי צפויות ^9.}

מחקר זה מציג כור מערכת לזווג שנועדה להסדיר ולהשוות תנאי גידול כלי השיט של שני סולמות שונים. פרוטוקול הניסוי מתמקד לכימות טיפול תשטיפים גידול אץ; עם זאת, יכולים להיות מותאם אותו לעקוב אחר מדדים אחרים כגון שינויי קהילת החיידקים לאורך זמן או פוטנציאל קיבוע CO ₂ של אצות. הפרוטוקול המובא כאן נועד להעריך את ההשפעה של סולם על צמיחת אצות סילוק חנקן במערכת טיפול תשטיפים.

פרוטוקול

להגדרת מערכת .1

הערה: א 'מערכת לזווג' מתייחסת טנק אקווריום אחד וברכת מסילה אחד, לרוץ במקביל.

1. עבור מערכת אחת לזווג, להשתמש בטנקים באקווריומים אחד 100 L (AT), עם מערבל תקורה עבור כלי בקנה מידה קטן, בריכה המסילה אחד 1,000 L (RWP), עם מערבל גלגל ההנעה עבור כלי בקנה מידה גדול. כלי בשימוש במערכת זו הם בתמונה באיור 1.
2. לחסן כל כלי עם התרבות אצות אותו. השתמש צפיפות גבוהה של החיסון, וכתוצאה מכך צפיפות סופית של לא פחות מ -0.1 גרם / L פעם בדילול אל פול הווליום במכל או הברכה ^10. זה עלול לקחת כמות ניכרת של זמן (שבועות עד חודשים) לגדל אצות מספיק בשלב זה.
3. השתמש התשטיפים הטמנה מטופל כמקור מזין. השתמש התשטיפים שנלקחו במזבלה שמקבלת פסולת ביתית בעיקר ויש לו רמות נמוכות של רעלים. ניתוח הרכב עבור התשטיפים צריך להיות זמין מהמזבלה. T הוא כמות התשטיפים להשתמש בכל מכל או ברכה יכול להשתנות תלוי בכוחו של השפכים, אבל ריכוזי אמוניה סופיים צריכים למדוד 5-75 מ"ג NH ₃ -N / L.
4. הפעל את הטנק באקווריומים 100 L עם נפח העבודה 60 L, ואת הבריכה המסילה עם נפח עבודה 600 L. מחקר זה התחיל עם התשטיפים 1 ליטר בערך 59 ליטר של מים במיכל אקווריומים, ו -10 התשטיפים L ב 590 ליטר מים בבריכה המסילה. להגדיל את הריכוז של התשטיפים בשימוש במהלך מחקר זה.

באיור 1. דוגמאות של טנק האקווריום ברכת מסילה. דוגמא טנק אקווריום (א) ו ברכת מסילה (B) מוצגת. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

= "Jove_title"> 2. תפעול דגימה שבועי

1. הפעל את הטנק באקווריומים וברכת מסילה כמו כורים תצוו למחצה עם פעמי שמירה הידראוליות של שלושה שבועות. כל תקופת דגימה משתרעת שבוע.
2. קח מדגם 125 מ"ל מכל כלי. זוהי תחילתה של המדגם בשבוע. דגימות מבחן על פי פרוטוקול ניתוח לדוגמא בסעיפים 3.1-3.3.
3. בסוף השבוע, לקחת 125 דגימות מ"ל מכל כלי לניתוח. לאחר דגימות סוף השבוע ננקטו, רוקן את כל הנפח של אקווריום לתוך ברכת המסילה.
   1. פעם בשבוע, לשאוב את כל הנפח של מיכל האקווריום לתוך הבריכה המסילה.
4. סור שליש המנפח (עבור זמן שמירה הידראולי ממוצע של 3 שבועות) מתוך ברכת המסילה. חלף נפח סיר עם מים התשטיפים מטופל.
5. העבר כ 60 L מן הבריכה המסילה בחזרה לתוך הטנק האקווריום. הדבר מבטיח כי האקווריום Tank ואת ברכת המסילה מתחילים עם אותם התנאים מזינים וביולוגיים בכל שבוע.
6. קח 125 דגימות מ"ל מכל כלי לניתוח של תנאי הפתיחה בשבוע הבא.

ניתוח מדגם 3.

1. בחן את כל תחילה-of-the-השבוע וסוף-of-the-השבוע דגימות עבור אמוניה-N, חנק-N, ניטריט-N, וצפיפות ביומסה.
2. מדוד ביומסה ידי מוצקים מרחפים הכוללים תקן פרוטוקול (TSS),-D5907 ASTM, באמצעות 0.45 מיקרומטר מסננים.
   1. ראשית לשקול נייר סינון ולאחר מכן לסנן 20-40 מ"ל של המדגם באמצעות מערכת סינון ואקום. ייבש את הנייר ביומסה / מסנן בתנור על 105 מעלות צלזיוס במשך שעה אחת, או עד המשקל של הנייר ביומסה / מסנן כבר לא שינויים.
   2. לשקול ביומסה / פילטר נייר, ולחסר המסה הראשונית של נייר הסינון. מחלקי מסה זו על ידי הנפח המסונן כדי לחשב את הצפיפות ביומסה. הפעל בשני עותקים ^11.
3. מדוד אמוניה,חנקתי, ו ניטריט spectrophotometrically באמצעות ספקטרופוטומטר.
   1. השתמש 100 μL של מדגם בערכת השיטה המסחרית כדי לקבוע ריכוז אמוניה. עיין הפרוטוקול של היצרן.
   2. השתמש 1 מיליליטר של מדגם בערכת השיטה המסחרית כדי לקבוע ריכוז החנקות. עיין הפרוטוקול של היצרן.
   3. השתמש 10 מיליליטר של מדגם בערכת השיטה המסחרית כדי לקבוע ריכוז ניטריט. עיין הפרוטוקול של היצרן.
4. צג תנאים סביבתיים (טמפרטורת אוויר, קרינת שמש, מהירות רוח) באמצעות תחנת מזג אוויר מסחרית וכן טנק / תנאי ברכה (טמפרטורת מים, pH, חמצן מומס) באמצעות בדיקות מסחריות לוגר נתונים. עיין הפרוטוקול של היצרן.

4. ניתוח סטטיסטי של תוצאות

1. לקבוע אם הנתונים שנאספו נורמלים סטטיסטי. לקבוע נורמליות של סט הנתונים באמצעות עלילת QQ ¹² .
2. לקבוע מתאמים בין הפרמטרים באמצעות r של פירסון או p של ספירמן עבור נתונים רגילים ולא נורמלי, בהתאמה ^13. פרמטרי מתאם צריכים לכלול לפחות את הפרמטרים הבאים: ריכוז אמוניה ראשוני, ריכוז חנקן כללי ראשוני, צפיפות ביומסה ראשונית, שיעור הסרת אמוניה, שיעור סילוק חנקן כולל, שיעור צמיחה ביומסה, וכל תנאים הסביבתיים.

תוצאות

מטרת המחקר היא להשוות את הצמיחה ביומסה ויכולות הסרה תזונתיות של תרבויות אצות גדלו בכורים קטנים בקנה מידה גדולה. מחקר זה עושה שימוש בשני מערכות לזווג, המכונה מערכת 1 ומערכת 2, לשכפל את ממצאיה. תוצאות נציגים אלו הן מתקופת 8 שבועות, פברואר עד אפריל 2016. ברכת המסילה הראשונה הייתה מחוסנת עם אצות שמקורו במקור משמש כברכה חיצונית בפילדלפיה, ¹⁴ רשות. תרבות זו גדלה צפיפות גבוהה במיכל האקווריום. חיסון זה הביא צפיפות ביומסה של L / 0.12...

דיון

ביצועי המערכת:

במהלך מחקר בן 8 שבועות, את הפרודוקטיביות של הכלים קטנה בקנה המידה גדולה במערכת הושוותה. בחנקן במחקר זה ושיעורי הסרת אמוניה ושיעורי הצמיחה ביומסה שימשו כמדדים של הפרודוקטיביות של מערכת הטיפול. המערכת הופעלה כמו כור חצי תצווה, כאשר כל שבוע נותח בתנאים בדידים. נציג תוצאות להסביר את פעולת 8 שבועות של המערכת הראשונה, אולם מחקר מלא יאריך לתקופות ממושכות פי כמה לתת דין וחשבון על השתנות עונתית בתנאים סביבתיים...

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה

שם	חברה	מספר קטלוג	הערות
מיכל			ניתן להשתמש בכל מיכל אקווריום 100+ ליטר עם זכוכית שקופה אופטית
RW 3.5	MicroBio Engineering		Raceway Pond
Eurostar 100 דיגיטלי	IKA	4238101	מערבלים עיליים
Leachate	Sandtown מזבלה
בקבוקי דגימה	Nalgene		פלסטיק או זכוכית, כיתה מעבדה, 125-200
משאבות			"ל משאבה מסוג גן עם צינורות איכות מי שתייה תתאים
AmVer Salicylate Test 'N Tube	Hach	2606945	בדיקות אמוניה בטווח גבוה
NitraVer X חנקן - סט ריאגנטים חנקתיים	Hach	2605345	בדיקות חנקות בטווח גבוה
NitriVer 2 כריות אבקת ריאגנט ניטריט	Hach	2107569	בדיקות ניטריט לטווח גבוה
Hach DR2400 Spectrophotmeter	Hach	ה-DR2400 הופסק, אך ניתן להשתמש בכל ספקטרופוטומטר Hach מסדרת DR ביישום זה.
EMD ניתוח מיקרוביולוגי מסנני ממברנה	Millipore	HAWG047S6	0.45 ומיקרו; מסנני M

אקווריום העברה מ