Sistem Kurulumu ve Temel İşlemler: Organik Atıklardan Biyogaz haline dönüştürme Anaerobik Digester sürekli karıştırılan
Summary
Laboratuar ölçekli anaerobik çürütücü bilim adamları anaerobik biyoteknolojinin mevcut uygulamaları optimize yeni yollarını araştırmak ve çeşitli organik atıkların metan üretim potansiyelini değerlendirmek için izin verir. Bu makale, sürekli anaerobik çürütücü karıştırılmış bir laboratuvar ölçekli inşaat, aşılama, işletme ve izleme için genel bir modeli tanıttı.
Abstract
Anaerobik sindirim (AD), yaygın olarak enerji taşıyıcısı olarak 1-3 metan ile yararlı bir biyogaz içine kompleks organik atıkları dönüştürmek için kullanılan bir Biyoproses olduğunu. Giderek, AD 4,5 endüstriyel, tarımsal ve evsel atık (su) tedavisi uygulamalarında kullanılmaktadır. AD teknoloji kullanımı tesisi operatörleri atık bertaraf maliyetlerini azaltmak ve enerji programı giderleri mahsup sağlar. Organik atıkların arındırılması ek olarak, enerji bitkileri, enerji taşıyıcı metan 6,7 dönüştürülür ediliyor. MS teknolojinin uygulama, yeni bir substrat ve co-substrat karışımları 8 tedavisi için şekilde genişletmektedir pilot ve laboratuar-ölçekte güvenilir bir test yöntemi için talep yapar.
Anaerobik sindirim sistemi sürekli karıştırmalı tank reaktör (SKTR), tapa akışlı (PF) ve anaerobik ardışık kesikli reaktör (ASBR) yapılandırmaları 9 dahil olmak üzere çeşitli yapılandırmalar var </sup>. CSTR sık tasarımı ve işletimi de sadeliği nedeniyle araştırmalarda kullanılan, aynı zamanda deney kendi avantajları için edilir. Diğer yapılandırmalar ile karşılaştırıldığında, CSTR sıcaklık, karıştırma, kimyasal konsantrasyonu ve substrat konsantrasyonu gibi sistem parametreleri, daha fazla bütünlüğü sağlar. Sonuçta, tam ölçekli bir reaktör tasarımında, Optimum reaktör yapılandırma birçok diğer teknik olmayan konular arasında belirli bir yüzey karakteri bağlıdır. Ancak, tüm yapılandırmalar temel tasarım özellikleri ve en ön değerlendirmeler için uygun CSTR hale çalışma parametreleri paylaşabilirsiniz. Araştırmacılar ve mühendisler katıların nispeten yüksek konsantrasyonlarda bir akış akışı kullanırsanız, daha sonra laboratuvar ölçekli biyoreaktör yapılandırmaları nedeniyle katı ile laboratuvar ölçekli pompaları sorunları takmadan veya tüp katıların çökelme ile sürekli beslenen edilemez. Sürekli karıştırma gereksinimleri ile bu senaryo için, laboratuvar ölçekli biyoreaktörler aralıklarla beslenirve biz sürekli karıştırılır anaerobik çürütücü (CSADs) gibi yapılandırmaları bakın.
Bu makale, inşa inokulastonu, işletim, ve uzun vadeli anaerobik için belirli bir organik substratın uygunluğu test edilmesi için bir sistem CSAD izlenmesi için genel bir yöntem sunmaktadır. Bu makalenin inşaat bölümü laboratuar ölçekli reaktör inşa kapsayacaktır. Aşılama bölümü aktif bir metan inokülum ile tohum için uygun bir anaerobik ortam yaratmak için nasıl açıklayacağız. Işletme bölümü işletme, bakım ve sorun giderme kapsayacaktır. Izleme bölümü standart analizleri kullanarak protokolleri test tanıtacak. Bu önlemlerin kullanımı AD için substrat uygunluk güvenilir deneysel değerlendirmeler için gereklidir. Bu protokol reaktör yetmezliği substrat neden olduğu sonucuna olan AD çalışmaları yapılan bir yaygın hata, karşı daha fazla koruma sağlamalıdır igerçekten yanlış kullanımın 10 yaşındayken n kullanımı.
Introduction
Anaerobik sindirim (AD) enerji taşıyıcı olarak metan faydalı biyogaz içine kompleks organik atık substratlarının biyolojik aracılı dönüşüm içeren olgun bir teknolojidir. Aerobik arıtma 10 oranla az enerji ve besin giriş ve azaltılmış biyosolidlerin üretim dahil anaerobik arıtma birçok faydaları vardır. Buna ek olarak, bu sistemler için doğal karışık mikrobik topluluğunun yönlülüğü feedstocks 11,12 gibi uygun bir organik alt-tabakalar arasında, bir çok çeşitli vermektedir. Gerçekten de, AD uygulamaları giderek artan sayıda, özellikle sanayi, (örneğin, gıda atığı) belediye ve tarım sektörlerinde 4,7,13 konvansiyonel belediye atık su arıtma, dışında kabul edilmektedir ki bu faydaları nedeniyle. AD önceki on ulusal enerji krizine yanıt olarak 1980'lerde ilk büyük çoğalmasını başında yaşadı. Dünyada giderek büyüyen bir global enerji krizi ile karşı karşıya kalmışken,çevresel bozulma ile birleşince, büyük bir odaklanma şimdi biyoyakıt teknolojileri ve özellikle atık-enerji kavramı üzerine konuyor. Örneğin, ABD'de, anaerobik sindirim toplam elektrik enerjisi 8 ihtiyacı% 5.5 'üretebilir.
Bu yeni organik atıkları ve anaerobik 14 atık karışımlarının uygunluğunu değerlendirmek için pilot ve laboratuvar ölçekli de iyi kontrollü deneysel araştırma için talep artmıştır. Biz inşaat, aşılama, işletme ve sağlam değerlendirmeler için uygun olacak bir laboratuvar ölçekli anaerobik çürütücü izlenmesi için genel bir model sağlamak niyetinde. Anaerobik çürütücü birçok farklı konfigürasyonları var. Sürekli periyodik akın beslenme ile anaerobik çürütücü (CSAD) karıştırıldı;; akışlı (PF), Yukarı akışlı anaerobik çamur yatağı (U, sürekli ve etkili olan beslenme ile tank reaktör (SKTR) sürekli karıştırılan: Birkaç ortak yapılandırmalar içerirASB); anaerobik hareketli yatak reaktör (AHYR); anaerobik şaşkın reaktör (ABR) ve anaerobik ardışık kesikli reaktör (ASBR) yapılandırmaları 9,15. CSTR ve CSAD yapılandırma yaygın kurulum ve elverişli çalışma koşulları kolaylığı nedeniyle laboratuar ölçekli deneyler için kabul edilmiştir. Çünkü sürekli karıştırma, hidrolik bekleme süresi (HRT) çamur tutma süresi (SRT) eşittir. SRT ADs için önemli tasarım parametresidir. Yapılandırma, çünkü bu tür kimyasal türlerin konsantrasyonu, sıcaklık ve difüzyon oranları gibi parametreler, daha büyük bir mekansal bütünlük kontrollü deneyler vesile olur. Bu Anaerobik sindirici için optimal tam ölçekli bir konfigürasyon örneğin hedefin atık su kalitesine gibi diğer teknik olmayan yönleri arasında organik katmana özel fiziksel ve kimyasal özellikleri, bağlı olduğu, ancak, not edilmelidir. Örneğin, nispeten yüksek çözünür organik içerik ve Lome, ile atık akımları sulandırmakgibi bira atıksu e parçacık, tipik bir yüksek oranda yukarı akışlı biyoreaktör yapılandırma (örneğin, UASB) yerine CSAD yapılandırma daha fazla enerji dönüşüm yaşar. Ne olursa olsun, başarılı bir sindirim ve bu yapılandırmayı kullanarak genel bir yorumlama haklı tüm yapılandırmalar, ilgili için gerekli olan temel işletim parametreleri vardır.
Gerçekten de, anaerobik mikroplar çeşitli bir açık toplum içeren her AD sistemi metan (elektron başına mümkün olan en düşük serbest enerji ile son ürünün nihai) için substrat seri metabolize olur. ; Acidogenesis; acetogenesis ve metan hidroliz: bu süreçte metabolik yollar karmaşık bir gıda gevşek dört trofik aşamaya kategorize web oluşturmaktadır. Hidroliz, kompleks organik polimerler (örneğin, karbonhidratlar, yağlar ve proteinler) hyd tarafından kendi monomer (örneğin, şekerler, uzun zincirli yağ asitleri ve amino asitler) kadar parçalanır, bakterilerin rolyzing. Acidogenesis, bu monomerlerin acetogenesis içinde, daha da saygıyla 5, homoacetogenic ve zorunlu olarak hidrojen üreten bakteri asetat ve hidrojen ile oksitlenir uçucu yağ asitleri (VFAs) ve alkoller, acidogenic üzere bakteriler tarafından fermente edilir. Metan üretiminin son aşamasında, asetat ve hidrojen asetoklastik ve hydrogenotrophic metanojenler tarafından metan metabolize edilir. Bir bütün olarak sistemin en iyi şekilde gerçekleştirmek için önce genel AD süreci, mikropların farklı gruplar tarafından metabolizmaları bir dizi birbirine güvenerek, her üyenin başarılı işlevi bağlı olacağını tanımak önemlidir. AD biyoreaktör sistemi tasarım ve inşaat her zaman tamamen biyoreaktör mühür dikkate gereksinimi almalıdır. Biyoreaktör üst (tepe boşluğu ayırma) veya gaz işleme sistemi küçük sızıntı tespit etmek zor olabilir ve bu nedenle sistemi pres olmalıdıremin kullanmadan önce test. Bir kaçak-ücretsiz kurulum olduktan sonra, anaerobik çürütücü çalışmalarla hataları genellikle aşılama, kültür ve gün-gün çalışma sırasında hataları kaynaklanıyor. Sonuç olarak, çürütücüler özünde istikrarsız ve beklenmedik hata eğilimli olmak gibi bir üne sahiptir. Neden tam ölçekli çürütücüler yıl 13 stabil şartlarda opere edilen o zaman nedir? Başarısızlık özellikle mikrobiyal topluluğun yavaş yavaş organik atık kompozisyon ve gücü gelmesini gereken sırasında başlangıç döneminde, operatör tarafından hatalı kullanımdan kaynaklandığı muhtemeldir. Bu nedenle hedefimiz AD sistemi oluşturmak için bir metodoloji sağlamak için sadece değil, aynı zamanda aşılama, operasyon ve bu sistemlerin izlenmesi süreçleri aydınlatmak için.
İkinci bölümde aktif methanog ile çürütücü aşılama için bir prosedür sağlayacak süre makalenin birinci bölümünde, CSTR veya CSAD sistemi inşa nasıl açıklayacağızENIC biyokütle. Bu aktif metan biyokütle ile çürütücüler aşılamak için zaman alıcı daha pratik ve daha az karışık içki veya yeni başlayan bir kültürden yeterli bir biyokütle geliştirme girişimi için daha benzer bir substrat tedavisinde bir işletim çürütücüsünün atık. Makalenin üçüncü bölümü atık su boşaltma ve çeşitli reaktör sorunlarını giderme, beslenme gibi substrat olarak faaliyet konuları kapsayacak. Substrat Besleme ve bu sistem için atık boşaltma (yani, periyodik besleme ve biyokütle ve karışık içki en biyoreaktör içinde kalırken boşaltma) yarı-sürekli olarak yapılacaktır. Digester beslenir / dekante olduğu frekans operatörün elindedir. Genel olarak, beslenme / daha sık ve düzenli aralıklarla boşaltılması besleme döngüleri arasındaki performans daha çürütücü kararlılığı ve tutarlılığı teşvik edecektir. Dördüncü bölümde Expe sırasında kullanılacak temel bir izleme protokolü tanıtacakrimental dönemi. Su ve Atıksu 16 (Tablo 1, 2) Sınav için Standart Yöntemler özetlenen bazı standart analizleri, zemin ve uygun sistem izleme ve karakterizasyonu için gerekli olacaktır. Ölçülen değişkenlerin yanı sıra, izleme önemli bir yönü digester sistem bileşenlerini düzgün çalışıp çalışmadığını kontrol etmektir. Digester sistemine düzenli bakım aksi digester uzun vadeli performans ve istikrarı tehlikeye sokan önemli sistem problemleri preempt olacaktır. Örneğin, sıcaklıkta bir düşmeye yol ısıtma elemanının bir yetmezliği, metanojenler metabolik oranını azaltmak suretiyle uçucu yağ asitlerinin birikmesine neden olabilir. Sistem metanojenler için inhibitör seviyesinin üstünde pH muhafaza edilmesi için yeterli alkalilik yoksun Bu sorun, bileşik olacaktır. Bu biyogaz üretimi sıçan beklenmedik kesintilere sonra olası sızıntıları tespit etmek ve kapatmak için de önemlidires. Bu nedenle, tarafından deney tasarımı içerisinde kopyalanması, örneğin, tam çalışma şartlarında iki biyoreaktörler yan-yana çalışan gibi küçük bir sızıntı gibi sistem arızaları, kaynaklanan beklenmeyen performansı kayıplar algılamak için önemlidir.
Protocol
Discussion
Bu makalede sunulan anaerobik sindirim sistemi deneysel bağlamında genel bir giriş ve en yüzeylerin tedavisi için bazı temel kurallar sağlar. Substrat tipleri, çürütücü konfigürasyonları, çalışma parametreleri ve ayrıca bu sistemlerin temelini karışık mikrobiyal topluluğun eşsiz ekolojinin çeşitli evrensel olarak uygulanabilecek sabit miktar ölçümleri, ana hatlarını engeller. Tüm bu değişkenliği rağmen tüm anaerobik sindirim sistemi olan ilkeleri gayet iyi anlaşıyoruz ve tüm sistem…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Hibe ile hayır;. Bu araştırma, Gıda ve Tarım National Institutes of (NIFA), hibe sayısı 2007-35504-05381 aracılığıyla USDA tarafından desteklenen desteklenen USDA NIFA gelen Cornell Üniversitesi Ziraat Deneme İstasyonu federal formülü fonları aracılığıyla NYSERDA ve NYC-123.444 den 58.872.
Materials
| Reactor Equipment | Company | Catalogue number | Comments |
| Heated Recirculator | VWR Scientific | 13271-063 VWR | For use with a heating jacket reactor system |
| Variable Speed Electric Lab Stirrer | Cleveland Mixer Co. | (Model 5VB) | This mixer model facilitates mounting with a ring stand |
| Wet-Type Precision Gas Meter | Ritter Gasmeters | (Model TG-01) | This model needs a minimum flow of (0.1 L/h) and can handle a maximum flow of 30 L/h |
| Gas Bubbler | Chemglass | (Model AF-0513-20) | |
| Gas Sampling Tube | Chemglass | (Model CG-1808) | |
| Axial Impeller | Lightnin’ | R04560-25 Cole-Parmer | Impeller blades with 7.9375 mm bore diameter |
| Impeller Shaft | Grainger | 2EXC9 Grainger | 1.83 m stainless steel rod with 7.9375 mm O.D. (needs to be cut to appropriate size) |
| Cast Iron Support Stands | American Educational Products | (Model 7-G16) | For mixer mounting |
| Three-Prong Extension Clamp | Talon | 21572-803 VWR | For mixer mounting |
| Regular Clamp Holder | Talon | 21572-501 VWR | For mixer mounting |
| Peristaltic Pump | Masterflex | WU-07523-80 Cole-Parmer | For effluent decanting |
| L/S Standard Pump Head | Masterflex | EW-07018-21 Cole-Parmer | For effluent decanting -accessory to peristaltic pump |
| L/S Precision Pump Tubing | Masterflex | EW-06508-18 Cole-Parmer | For effluent decanting – accessory to peristaltic pump |
| Analysis Equipment/Reagents | Company | Catalogue number | Comments |
| pH Analysis | |||
| pH Meter | Thermo Fisher Scientific – Orion | 1212000 | |
| Total and Volatile Solids Analysis (Standard Methods: 2540-B,E) | |||
| Glass Vacuum Dessicator | Kimax | WU-06536-30 Cole-Parmer | |
| Porcelain Evaporating Dishes | VWR | 89038-082 VWR | |
| Lab Oven | Thermo Fisher Scientific | (Model 13-246-516GAQ) | |
| Medium Chamber Muffle Furnace | Barnstead/ Thermolyne | F6010 Thermo Scientific | |
| Total Volatile Fatty Acid Analysis (Standard Methods: 5560-C) | |||
| Large Capacity Variable Speed Centrifuge | Sigma | WU-17451-00 Cole-Parmer | |
| Laboratory Hot Plate | Thermo Scientific | (Model HP53013A) | |
| Large Condenser | Kemtech America | (Model C150190) | |
| Acetic Acid Reagent [CAS: 64-19-7] | Alfa Aesar | AA33252-AK | |
| Chemical Oxygen Demand (Standard Methods: 5520-C) | |||
| COD Block Heater | HACH | (Model DRB-200) | |
| Borosilicate Culture Tubes | Pyrex | (Model 9825-13) | |
| Potassium Dichromate Reagent [CAS: 7778-50-9] | Avantor Performance Materials | 3090-01 | |
| Mercury II Sulfate Reagent [CAS: 7783-35-9] | Avantor Performance Materials | 2640-04 | |
| Ferroin Indicator Solution [CAS: 14634-91-4] | Ricca Chemical | R3140000-120C | |
| Ammonium iron(II) sulfate hexahydrate [CAS: 7783-85-9] | Alfa Aesar | 13448-36 | |
| Gas Composition by Gas Chromatography Analysis | |||
| Gas Chromatograph | SRI Instruments | Model 8610C | Must be equipped with a thermal conductibility detector (TCD), using below mentioned column and carrier gas operated at an isothermal temperature of 105°C |
| Helium Gas | Airgas | He HP300 | To be used as the carrier gas |
| Packed-Column | Restek | 80484-800 | To be used for N2, CH4, and CO2 separation |
References
- Dague, R. R., McKinney, R. E., Pfeffer, J. T. Solids retention in anaerobic waste treatment systems. J. Water Pollut. Control Fed. 42, R29-R46 (1970).
- McCarty, P. L., Smith, D. P. Anaerobic wastewater treatment. Environ. Sci. Technol. 20, 1200-1206 (1986).
- Lettinga, G. Anaerobic digestion and wastewater treatment systems. Antonie Van Leeuwenhoek. 67, 3-28 (1995).
- De Baere, L. Anaerobic digestion of solid waste: state-of-the-art. Water Sci. Technol. 41, 283-290 (2000).
- Angenent, L. T., Karim, K., Al-Dahhan, M. H., Wrenn, B. A., Domínguez-Espinosa, R. Production of bioenergy and biochemicals from industrial and agricultural wastewater. Trends Biotechnol. 22, 477-485 (2004).
- Jewell, W. J., Cummings, R. J., Richards, B. K. Methane fermentation of energy crops – maximum conversion kinetics and in-situ biogas purification. Biomass & Bioenergy. 5, 261-278 (1993).
- Weiland, P. Biomass digestion in agriculture: A successful pathway for the energy production and waste treatment in Germany. Eng. Life Sci. 6, 302-309 (2006).
- Zaks, D. P. M. Contribution of anaerobic digesters to emissions mitigation and electricity generation under U.S. climate policy. Environ. Sci. Technol. 45, 6735-6742 (2011).
- Tchobanoglous, G., Burton, F. L., Stensel, H. D. . Wastewater Engineering, Treatment and Reuse: Metcalf & Eddy. , (2003).
- Speece, R. E. . Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters. , (1996).
- Kleerebezem, R., van Loosdrecht, M. C. M. Mixed culture biotechnology for bioenergy production. Curr. Opin. Biotechnol. 18, 207-212 (2007).
- Angenent, L. T., Wrenn, B. A., Wall, J., Harwood, C. S., Demain, A. L. Chp. 15. Bioenergy. , (2008).
- Werner, J. J. Bacterial community structures are unique and resilient in full-scale bioenergy systems. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 4158-4163 (2011).
- Holm-Nielsen, J. B., Al Seadi, T., Oleskowicz-Popiel, P. The future of anaerobic digestion and biogas utilization. Bioresour. Technol. 100, 5478-5484 (2009).
- Hoffmann, R. Effect of shear on performance and microbial ecology of completely-stirred anaerobic digesters treating animal manure. Biotechnol. Bioeng. 100, 38-48 (2008).
- Clesceri, L. S., Greenberg, A. E., Eaton, A. D. . Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , (1998).
- Amani, T., Nosrati, M., Sreekrishnan, T. R. Anaerobic digestion from the viewpoint of microbiological, chemical, and operational aspects: a review. Environmental Reviews. 18, 255-278 (2010).
