Een experimentele methode wordt voorgesteld om de prestaties van kleine (100 L) en grote (1000 L) vergelijken schaal reactoren ontworpen voor algen sanering van de stortplaats afvalwater. Systeemkenmerken, zoals specifiek oppervlak tot volumeverhouding, retentietijd biomassa dichtheid en afvalwater voer concentraties kan worden aangepast op basis van toepassing.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Vergelijking van de schaal in een Photosynthetic Reactor System for Algen sanering van afvalwater
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
Een experimentele methode wordt aan de prestaties van twee verschillende afmetingen reactoren ontworpen voor afvalwaterzuivering vergelijken. In deze studie ammoniakverwijdering, stikstofverwijdering en algengroei worden vergeleken over een 8 weken in gepaarde sets van kleine (100 L) en grote (L 1000) reactoren ontworpen voor algen sanering stortplaats afvalwater. Inhoud van de kleine en grote reactoren werden gemengd vóór het begin van wekelijkse testinterval gelijkwaardige beginwaarden in de twee schalen te handhaven. Systeemkenmerken, zoals specifiek oppervlak tot volumeverhouding, retentietijd biomassa dichtheid en afvalwater voer concentraties kan worden aangepast aan omstandigheden die zich op beide schalen beter gelijk. Tijdens de korte 8 weken representatieve periode, begint ammoniak en stikstof totaal concentraties varieerden 3,1-14 mg NH3-N / L en 8,1-20,1 mg N / l. De prestaties van het zuiveringssysteem werd geëvalueerd op basis vanhet vermogen om ammoniak en de totale verwijdering van stikstof en algen biomassa. Gemiddelde ± standaardafwijking van ammoniak verwijderen, totale verwijdering van stikstof en biomassa groeicijfers waren 0,95 ± 0,3 mg NH3-N / L / dag, 0,89 ± 0,3 mg N / L / dag, en 0,02 ± 0,03 g biomassa / L / dag, respectievelijk. Alle vaartuigen vertoonden een positieve relatie tussen de aanvankelijke ammoniakconcentratie en ammoniak afname (R 2 = 0,76). Vergelijking van procesefficiëntie en productiewaarden gemeten in reactoren van verschillende omvang kunnen nuttig zijn bij het bepalen of laboratoriumschaal experimentele gegevens geschikt voor het voorspellen van de commerciële productie waarden.
Inleiding
Vertaling van bench-schaal gegevens naar grotere schaal toepassingen is een belangrijke stap in de commercialisering van bioprocessen. Productie-efficiëntie in kleinschalige reactorsystemen, met name gericht op het gebruik van micro-organismen, is gebleken dat consistent efficiëntie optreedt in commerciële schaal systemen 1, 2, 3, 4 voorspellen. Uitdagingen ook voorkomen in opschalen fotosynthetische kweken van algen en cyanobacteriën van laboratoriumschaal tot grotere systemen met het oog op het vervaardigen hoogwaardige producten, zoals cosmetica en farmaceutische producten, voor de productie van biobrandstoffen, en voor de behandeling van afvalwater. De vraag naar grootschalige productie van algen biomassa groeit met de opkomende industrie voor algen in biobrandstof, farmaceutica / nutraceuticals en veevoer 5. De beschreven methodiekdit manuscript wil de invloed van schaalvergroting fotosynthetische reactorsysteem op biomassagroei beoordelen en nutriëntverwijdering evalueren. Het systeem hier gepresenteerde gebruikt algen saneren percolaat afvalwater, maar kan worden aangepast voor verschillende toepassingen.
Productie-efficiëntie van grootschalige systemen worden vaak voorspeld met behulp van kleinere schaal experimenten; echter moeten verscheidene factoren worden beschouwd om de nauwkeurigheid van deze voorspellingen te bepalen, zoals schaal is aangetoond dat het uitvoeren van biologische processen beïnvloeden. Bijvoorbeeld, Junker (2004) gepresenteerde resultaten van een vergelijking van acht verschillende groottes vergistingsreactoren, variërend van 30 tot 19.000 L L, waaruit bleek dat de werkelijke productiviteit piloot- of commerciële schaal is vrijwel altijd lager dan de waarden die voorspeld middels kleine -schaal studies 4. Ongelijkheden in de dimensie vat, het mengen van de macht, het type agitatie, kwaliteit voedingsstoffen en gas overdracht werden voorspeld aan het wordenbelangrijke oorzaken voor de verminderde productiviteit 4. Evenzo is aangetoond in algengroei reactoren biomassagroei en biomassa gerelateerde producten bijna altijd verminderd wanneer weegschaal 6 verhoogd.
Biologische, fysische en chemische factoren veranderen met de grootte van een reactor, met veel van deze factoren microbiële activiteit op kleine schaal anders dan bij grotere schalen 2, 7. Aangezien de meeste grootschalige systemen voor algen, zoals toevoerkanaal vijvers, bestaat openlucht, één biologische factor om te overwegen is dat microbiële species en bacteriofagen kunnen worden ingebracht vanuit de omgeving, die de microbiële species kunnen veranderen aanwezig en dus de microbiële functie van de systeem. De activiteit van de microbiële gemeenschap zal ook gevoelig voor omgevingsfactoren, zoals licht en temperatuur. Massa transfers van gassen en vloeiende bewegingen zijnVoorbeelden van fysische factoren worden beïnvloed in de omvang van microbiële processen. Het bereiken van ideale menging in kleine reactoren is eenvoudig; echter met toenemende schaal, wordt het een uitdaging om ideale mengomstandigheden-ingenieur. Bij grotere schalen, reactoren hebben meer kans om dode zones, niet-ideale menging, en verminderde efficiëntie hebben in massa-overdracht 2. Aangezien algen fotosynthetische organismen, moet commerciële groei moet veranderingen in belichting door veranderingen in de waterdiepte en oppervlakte bij het verhogen volume. Hoge biomassadensiteit en / of lage massa overdrachtsnelheden kunnen leiden tot verminderde CO 2 concentraties en verhoogde O2 concentraties, die beide kunnen resulteren in een inhibitie van biomassagroei 8. Chemische factoren per algengroei systeem gedreven door pH dynamiek van het aquatisch milieu 2, die daardoor wordt beïnvloed door veranderingen in pH bufferende verbindingen, zoals opgeloste CO 2 en carbonaat soorten. Deze factoren worden verergerd door complexe interacties tussen biologische, fysische en chemische factoren, vaak onvoorspelbare wijze 9.
Deze studie geeft een gekoppelde reactor systeem ontworpen om te reguleren en te vergelijken groeiomstandigheden in vaten van twee verschillende schalen. Het experimentele protocol richt zich op het kwantificeren van de behandeling van percolaat en algengroei; Maar deze kan worden aangepast aan andere metrieken te controleren zoals veranderingen in de microbiële gemeenschap in de tijd of de CO 2 opslag potentieel van algen. Het protocol hier gepresenteerde is ontworpen om het effect van de schaal op de algengroei en stikstofverwijdering in een percolaat behandeling te evalueren.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
1. System Setup
Opmerking: Een 'gepaarde systeem' verwijst naar een aquarium tank en één toevoerkanaal vijver, parallel lopen.
- Voor één gekoppeld systeem, gebruik maken van een 100 liter aquaria tanks (AT), met een overhead mixer voor de kleinschalige schip, en één 1000 L toevoerkanaal vijver (RWP), met een schoepenrad mixer voor de grootschalige schip. Schepen die voor dit systeem zijn afgebeeld in figuur 1.
- Inoculeer alle schepen met dezelfde algen cultuur. Gebruik een hoge dichtheid van de inoculatie, wat resulteert in een uiteindelijke dichtheid van ten minste 0,1 g / l Eenmaal opgelost voor het aftappen in de tank 10 of vijver. Het kan een aanzienlijke hoeveelheid tijd (weken tot maanden) voldoende algen kweken voor deze stap.
- Gebruik onbehandelde stortplaats percolaat als voedingsbron. Gebruik percolaat uit een stortplaats die vooral huishoudelijk afval aanvaardt en heeft een lage niveaus van giftige stoffen. Samenstelling-analyse voor het percolaat moet beschikbaar zijn vanaf de stortplaats. THij hoeveelheid percolaat die in elke tank of vijver kan variëren afhankelijk van de sterkte van het afvalwater, maar uiteindelijke ammoniakconcentratie moet meten 5-75 mg NH3-N / L.
- Start de 100 L aquaria tank met een 60 liter werkvolume en het toevoerkanaal vijver met een 600 L werkvolume. Dit onderzoek startte met ongeveer 1 L percolaat in 59 liter water in de aquaria tank, en 10 liter percolaat in 590 liter water in het toevoerkanaal vijver. Verhoging van de concentratie van percolaat gebruikt in de loop van deze studie.
Figuur 1. Voorbeelden van een aquarium tank en toevoerkanaal vijver. Een voorbeeld van een aquarium tank (A) en toevoerkanaal vijver (B) getoond. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
2. Wekelijks Operation en Sampling
- Bedien de tank en aquaria toevoerkanaal vijver semi-ladingsgewijze reactoren met hydraulische retentietijden van drie weken. Elke bemonstering overspant één week.
- Neem een 125 ml monster uit elk vat. Dit is het begin van de week monster. Test monsters volgens de Sample Analysis protocol in secties 3,1-3,3.
- Aan het eind van de week, neem 125 ml monsters van elk vat voor analyse. Na afloop van de week monsters zijn genomen, legen het gehele volume van het reservoir in het aquarium loopvlak vijver.
- Eenmaal per week, pomp het gehele volume van het aquarium tank in het toevoerkanaal vijver.
- Verwijder een derde van het volume (voor een gemiddelde hydraulische verblijftijd van 3 weken) vanaf het toevoerkanaal vijver. Vervang volume verwijderd met water en onbehandelde percolaat.
- Breng circa 60 liter van het Raceway vijver terug in het aquarium tank. Dit zorgt ervoor dat het aquarium tank en de Raceway vijver beginnen met dezelfde voedingsstoffen en biologische omstandigheden per week.
- Neem 125 ml monsters van alle vaartuigen voor de analyse van de startomstandigheden voor de volgende week.
3. Monsteranalyse
- Test alle begin-van-de-week en end-of-the-week monsters voor ammoniak-N, N-nitraat, nitriet-N en dichtheid van de biomassa.
- Meet biomassa door middel van standaard totale hoeveelheid zwevende deeltjes (TSS) protocol, ASTM D5907, met behulp van 0,45 pm filters.
- wegen eerst een papieren filter en het filter 20-40 ml van het monster met behulp van een vacuum filtersysteem daarna. Droog de biomassa / filtreerpapier in een oven bij 105 ° C gedurende één uur, of totdat het gewicht van de biomassa / filtreerpapier niet meer verandert.
- Weeg biomassa / filter papier, en aftrekken van de oorspronkelijke massa van het filter papier. Verdeel deze massa door het volume gefiltreerd om de biomassadensiteit te berekenen. Run in tweevoud 11.
- Meet ammoniak,nitraat en nitriet spectrofotometrisch met een spectrofotometer.
- Gebruik 100 pl monster in de commerciële werkwijze kit ammoniakconcentratie bepalen. Zie protocol van de fabrikant.
- Gebruik 1 ml van het monster in de commerciële methode kit om nitraatconcentratie te bepalen. Zie protocol van de fabrikant.
- Gebruik 10 mL monster in de commerciële werkwijze kit nitrietconcentratie bepalen. Zie protocol van de fabrikant.
- Monitor omgevingsomstandigheden (luchttemperatuur, zonnestraling, windsnelheid) met een commerciële weerstation en tank / vijver condities (watertemperatuur, pH, opgeloste zuurstof) via commerciële probes en datalogger. Zie protocol van de fabrikant.
4. Statistische analyse van de resultaten
- Bepalen of de verzamelde gegevens statistisch normaal. Bepaal normaliteit van de dataset met behulp van een QQ plot 12 .
- Bepaal correlaties tussen de parameters met behulp van Pearson's r of Spearman p voor normaal en niet-normale data respectievelijk 13. parameters correlatie moet ten minste de volgende parameters omvatten: aanvankelijke ammoniakconcentratie, aanvankelijke totale concentratie stikstof, aanvankelijk dichtheid biomassa, ammoniak verwijderen, totaal stikstofverwijdering rate, biomassa groei, en alle omstandigheden.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
Het doel van deze studie is het vergelijken van de groei van biomassa en voedingsstoffen mogelijkheden van algenculturen gegroeid in klein- en grootschalige reactoren te verwijderen. Deze studie maakt gebruik van twee gekoppelde systemen genoemd systeem 1 en systeem 2, haar bevindingen dupliceren. Deze representatieve resultaten zijn van een 8-weekse periode februari tot en met april 2016. De eerste toevoerkanaal vijver werd geënt met algen oorspronkelijk afkomstig van een openlucht vijv...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Systeem prestatie:
In de loop van een 8 weken durende studie, de productiviteit van de kleine en grote schepen in een systeem werden vergeleken. In deze studie stikstof en ammoniak tarieven verwijdering en biomassa groeicijfers werden gebruikt als maatregelen van de productiviteit van het systeem voor de behandeling. Het systeem werd bedreven als een semi-ladingsgewijze reactor, waarbij elke week onder afzonderlijke omstandigheden werd bedreven. Representatieve resultaten vertegenwoordigen de e...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
De auteurs willen graag de Sandtown Landfill in Felton, DE bedanken voor hun kennis en percolaat delen.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Aquarium Tank | Elk aquarium van 100+ L met optisch helder glas kan worden gebruikt | ||
| RW 3.5 | MicroBio Engineering | Raceway Pond | |
| Eurostar 100 digital | IKA | 4238101 | Bovenomlopen mixers |
| Leachate | Sandtown Landfill | ||
| Sampling Bottles | Nalgene | Kunststof of glas, laboratoriumkwaliteit, 125-200 mL | |
| Transfer Pumps | Een tuinpomp met slangen van drinkwaterkwaliteit is geschikt | ||
| AmVer Salicylate Test 'N Tube | Hach | 2606945 | High Range Ammonia Tests |
| NitraVer X Nitrogen - Nitrate Reagent Set | Hach | 2605345 | High Range Nitrate Tests |
| NitriVer 2 Nitrite Reagent Powder Pillows | Hach | 2107569 | High Range Nitrite Tests |
| Hach DR2400 Spectrophotometer | Hach | De DR2400 is niet meer verkrijgbaar, maar elke DR-serie Hach-spectrofotometer kan in deze toepassing worden gebruikt. | |
| EMD Microbiological Analysis Membrane Filters | Millipore | HAWG047S6 | 0.45 µm filters |
Referenties
- 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).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
