Ścieki komunalne są powszechnie oczyszczane za pomocą osadu czynnego w celu zmniejszenia zawiesiny (SS), biologicznego zapotrzebowania na tlen (BZT), azotu organicznego i nieorganicznego oraz zawartości fosforu5,6. Proces osadu czynnego, będący sposobem wtórnego oczyszczania ścieków, polega na utlenianiu węgla organicznego w zbiorniku napowietrzającym wypełnionym mieszanką płynu napływającego ścieków i recyklingowanego mikroorganizmu heterotroficznego (powszechnie nazywanego osadem czynnym)5-7. Zmieszany płyn trafia następnie do stosunkowo dużego osadnika (osadnika), w którym osad osadza się w celu łatwiejszego zbierania, w celu usunięcia lub zawrócenia z powrotem do zbiornika napowietrzającego, podczas gdy oczyszczone, oczyszczone ścieki mogą być nadal oczyszczane lub dezynfekowane trzeciego stopnia przed uwolnieniem do wód odbiorczych5-7. Skuteczne oddzielenie oczyszczonych ścieków i ciał stałych (osadu) w osadniku wtórnym jest niezbędne do prawidłowego funkcjonowania systemu oczyszczania ścieków, ponieważ każdy osad czynny pozostający poza osadnikami zwiększy BZT i SS w ściekach 5-8.
Istnieje wiele alternatywnych procesów biologicznych do wtórnego oczyszczania ścieków, które zmniejszają lub eliminują potrzebę dużych zbiorników klarujących, w tym reaktory o dołączonym wzroście (biofilm), bioreaktory membranowe (MBR) i reaktory osadu ziarnistego. W reaktorach biofilmowych tworzenie biofilmów, w których mikroorganizmy naturalnie agregują się i przyczepiają jako warstwa na stałej powierzchni, pozwala na zatrzymywanie i akumulację biomasy bez konieczności stosowania zbiornika klarującego. Reaktory biofilmowe można podzielić na trzy typy: reaktory ze złożem upakowanym, reaktory ze złożem fluidalnym i obrotowe kontaktory biologiczne. Reaktory ze złożem upakowanym, takie jak filtry zraszające i wieże biologiczne, wykorzystują stacjonarną stałą powierzchnię wzrostu5,6. Reaktory ze złożem fluidalnym (FBR) polegają na przyłączaniu mikroorganizmów do cząstek, takich jak piasek, granulowany węgiel aktywny (GAC) lub kulki szklane, które są utrzymywane w zawiesinie przez wysokie natężenie przepływu w górę9,10. Wirujące reaktory biologiczne zależą od biofilmów tworzonych na pożywkach przymocowanych do obracającego się wału, co pozwala na naprzemienne wystawienie biofilmu na działanie powietrza i cieczy, która jest poddawana obróbce5,6. MBR wykorzystują jednostki filtracji membranowej, zarówno w bioreaktorze (konfiguracja zanurzona), jak i na zewnątrz poprzez recyrkulację (konfiguracja strumienia bocznego)5,11. Membrany służą do osiągnięcia dobrego oddzielenia biomasy i cząstek stałych od obrabianej cieczy11,12. Reaktory osadu granulowanego są reaktorami z przepływem wznoszącym, w których tworzenie się niezwykle gęstych i dobrze osiadających granulek mikroorganizmów następuje, gdy są one wystawione na działanie dużych powierzchniowych prędkości przepływu powietrza13.
Jako kolejna alternatywa dla procesu osadu czynnego, nowy system reaktora z przepływem w górę, obecnie nazywany bioreaktorem o wysokiej gęstości (HDBR), został zaprojektowany i zbudowany przez Salesa i Shieha (2006) w celu zbadania usuwania ChZT przez osad czynny ze strumieni odpadów syntetycznych w warunkach niskiej temperatury F/M, o których wiadomo, że powodują powstawanie słabo osiadającego osadu (tj. szlam wypełniający)1,7,14. System HDBR wykorzystywał zmodyfikowane reaktory ze złożem fluidalnym, które zwykle składają się z reaktora z przepływem w górę i zewnętrznego zbiornika do recyklingu. Reaktory ze złożem fluidalnym są zwykle eksploatowane przy natężeniu przepływu strumienia recyklingu wystarczająco wysokim, aby utrzymać podłoże wzrostu biofilmu, ale wystarczająco niskim, aby substrat pokryty biofilmem został zatrzymany. W przeciwieństwie do reaktorów ze złożem fluidalnym, HDBR opisany w Sales i Shieh (2006) wykorzystywał stosunkowo niskie natężenia przepływu strumienia recyklu, co wraz z zewnętrznym napowietrzaniem zapobiegało zakłóceniom strefy biomasy utworzonej w reaktorze1. Późniejsze badania wykazały, że konstrukcja tego reaktora jest w stanie skutecznie oczyszczać szereg strumieni azotu przy użyciu bakterii nitryfikujących/denitryfikujących3,4. We wszystkich badaniach utworzenie stabilnej, gęstej strefy biomasy w obrębie HDBR wyeliminowało potrzebę zewnętrznego procesu flokulacji/sedymentacji1-4.
Jak informujemy tutaj, użycie HDBR do hodowli gęstych kultur zostało również przetestowane w konfiguracji fotobioreaktora (PBR) do uprawy glonów. Omówiono zalety i wady tego nowatorskiego systemu reaktorów do hodowli glonów oraz jego potencjał do pokonania dużej przeszkody w komercjalizacji biopaliw z glonów związanych ze zbiorem biomasy (tj. dobra separacja ciał stałych od cieczy15,16). Poniższy protokół przedstawia kroki potrzebne do złożenia, uruchomienia, pobrania próbki i utrzymania HDBR z algami jako społecznością mikrobiologiczną będącą przedmiotem zainteresowania. Omówione zostaną również różnice w protokole uruchamiania i działania kultur heterotroficznych i nitryfikujących/denitryfikacyjnych. Na koniec zostaną podkreślone ogólne zalety, wady i niewiadome tej nowatorskiej konstrukcji reaktora.