Непрерывно перемешивают Анаэробные Digester Преобразование органических отходов в биогаз: настройки системы и основные операции

Summary

Лабораторный анаэробных реакторов позволит ученым исследовать новые способы оптимизации существующих приложений анаэробной биотехнологии и оценить метана потенциал различных органических отходов. Эта статья представляет обобщенную модель для строительства, прививки, эксплуатации и контроля лабораторных непрерывно перемешивают анаэробных реактора.

Abstract

Anaerobic digestion (AD) is a bioprocess that is commonly used to convert complex organic wastes into a useful biogas with methane as the energy carrier ^1-3. Increasingly, AD is being used in industrial, agricultural, and municipal waste(water) treatment applications ^4,5. The use of AD technology allows plant operators to reduce waste disposal costs and offset energy utility expenses. In addition to treating organic wastes, energy crops are being converted into the energy carrier methane ^6,7. As the application of AD technology broadens for the treatment of new substrates and co-substrate mixtures ⁸, so does the demand for a reliable testing methodology at the pilot- and laboratory-scale.

Anaerobic digestion systems have a variety of configurations, including the continuously stirred tank reactor (CSTR), plug flow (PF), and anaerobic sequencing batch reactor (ASBR) configurations ⁹. The CSTR is frequently used in research due to its simplicity in design and operation, but also for its advantages in experimentation. Compared to other configurations, the CSTR provides greater uniformity of system parameters, such as temperature, mixing, chemical concentration, and substrate concentration. Ultimately, when designing a full-scale reactor, the optimum reactor configuration will depend on the character of a given substrate among many other nontechnical considerations. However, all configurations share fundamental design features and operating parameters that render the CSTR appropriate for most preliminary assessments. If researchers and engineers use an influent stream with relatively high concentrations of solids, then lab-scale bioreactor configurations cannot be fed continuously due to plugging problems of lab-scale pumps with solids or settling of solids in tubing. For that scenario with continuous mixing requirements, lab-scale bioreactors are fed periodically and we refer to such configurations as continuously stirred anaerobic digesters (CSADs).

This article presents a general methodology for constructing, inoculating, operating, and monitoring a CSAD system for the purpose of testing the suitability of a given organic substrate for long-term anaerobic digestion. The construction section of this article will cover building the lab-scale reactor system. The inoculation section will explain how to create an anaerobic environment suitable for seeding with an active methanogenic inoculum. The operating section will cover operation, maintenance, and troubleshooting. The monitoring section will introduce testing protocols using standard analyses. The use of these measures is necessary for reliable experimental assessments of substrate suitability for AD. This protocol should provide greater protection against a common mistake made in AD studies, which is to conclude that reactor failure was caused by the substrate in use, when really it was improper user operation ¹⁰.

Introduction

Анаэробные пищеварения (AD) является зрелой технологией, связанных с биологически опосредованных преобразования сложных органических субстратов отходов в биогаз с полезным метана в качестве энергоносителя. Есть много преимуществ анаэробной очистки, в том числе минимальной энергии и питательных веществ и снижение производства твердых веществ биологического происхождения по сравнению с аэробной очистки ^10. Кроме того, универсальность смешанной микрофлорой, присущие этим системам оказывает широкий спектр органических субстратов подходит в качестве сырья ^11,12. Действительно, именно из-за этих преимуществ, что все большее число приложений для AD, которые принимаются за пределами обычных городских сточных вод, особенно в промышленных, бытовых (например, пищевые отходы) и сельскохозяйственный сектор ^4,7,13. Н.э. испытал свой первый крупный начала распространение в 1980-х годов в ответ на национальный энергетический кризис в предыдущее десятилетие. Так как мир сталкивается с растущим глобальным энергетическим кризисом,в сочетании с деградацией окружающей среды, больше внимания теперь уделяется технологии и биотопливо отходов в энергетической концепции, в частности. Например, в США, анаэробного сбраживания может генерировать 5,5% от общей электрической мощности необходимо ^8.

Это привело к росту спроса на хорошо контролируемых экспериментальных исследований в пилотных и лабораторных для оценки пригодности новых органических материалов, отходов и смесей для анаэробного сбраживания ^14. Мы намерены обеспечить общую модель для строительства, прививки, эксплуатации и контроля лабораторных анаэробного реактора, которые будут пригодны для надежных оценок. Анаэробных реакторов существует в различных конфигурациях. Несколько распространенных конфигураций включают в себя: непрерывно мешалкой реактор (CSTR) с непрерывным влиятельных питания; непрерывно перемешивают анаэробного реактора (ČSAD) с периодическими влиятельных питания; вытеснения (PF), восходящего анаэробного осадка одеяло (UASB), анаэробных реакторов одеяло миграции (AMBR); анаэробные тупик реактора (ABR) и анаэробных реакторов партии последовательности (ASBR) конфигураций ^9,15. CSTR и ČSAD конфигурации были широко приняты для лабораторных экспериментов благодаря своей простоте установки и благоприятные условия работы. Из-за непрерывного смешивания, гидравлические время удержания (HRT) равна времени удержания шлама (СТО). СТО является важным параметром для разработки реклами. Конфигурация также способствует контролируемые эксперименты из-за большей пространственной однородности параметров, таких как химические вещества концентрации, температуры и скорости диффузии. Следует отметить, однако, что оптимальное полномасштабной конфигурации для анаэробного реактора зависит от конкретных физических и химических свойств органического субстрата среди других нетехнических аспектов, таких как цель качества сточной воды. Например, развести потоки отходов с относительно высоким содержанием растворимых органических и Литтлэлектронных частиц, таких, как пивоваренный завод сточных вод, как правило, испытывают больший преобразования энергии в высокой скорости восходящего потока биореактор конфигурации (например, UASB), а не ČSAD конфигурации. Несмотря на это, существуют фундаментальные параметры работы, которые необходимы для успешного пищеварения и актуальны для всех конфигураций, которые оправдывают общее объяснение использования этой конфигурации.

Действительно, в каждом объявлении система, содержащая разнообразные, открытым анаэробных микробов будет серийно метаболизма субстрата метана (последний конечный продукт с низкой доступной свободной энергии на один электрон). Метаболизма вовлечены в этот процесс представляет собой сложную пищевую свободно разделить на четыре стадии трофических: гидролиз, acidogenesis; acetogenesis и метаногенеза. В гидролиза сложных органических полимеров (например, углеводов, липидов и белков) с разбивкой по их мономеров (например, сахара, длинной цепи жирных кислот и аминокислот) на гидравлическиеrolyzing, ферментативных бактерий. В acidogenesis этих мономеров ферментированного кислотопродуцирующий бактерий летучих жирных кислот (VFAs) и спирты, которые в acetogenesis, далее окисляется до уксусной кислоты и водорода homoacetogenic и обязательных водородных бактерий, почтительно ^5. На заключительном этапе метаногенеза, ацетат и водород метаболизируется до метана и ацетокластическим hydrogenotrophic метан. Важно признать, что общий процесс AD, опираясь на серию взаимосвязанных обменом веществ различных групп микробов, будет зависеть от успешного функционирования каждого участника, прежде чем система в целом будет работать оптимально. Проектирование и строительство системы биореактора AD всегда должны принимать во внимание требования, чтобы полностью запечатать в биореактор. Небольшие утечки в верхней части биореактора (разделение свободном пространстве) или в газовой системе обработки может быть трудно обнаружить, и поэтому система должна быть давлениеУбедитесь проверены перед использованием. Убедившись утечек установки, сбоев с анаэробный реактор исследования часто возникают из-за ошибок во время прививки, культивирование, и изо дня в день операции. В результате реакторы имеют репутацию как внутренне нестабильна и склонна к неожиданным недостаточности. Почему же тогда полномасштабную реакторы были работать в стабильных условиях десятилетия ^13? Отказ, скорее всего, происходят от неправильного обращения с оператором, особенно во время запуска, в течение которого микробное сообщество должно постепенно привыкнуть к органическим составом отходов и силы. Таким образом, наша цель не только обеспечить методологию для построения системы ПВО, а также выяснить процессы прививки, эксплуатации и мониторинга этих систем.

В первой части статьи будет рассказано, как построить CSTR или ČSAD системы, а второй раздел содержит процедуры для реактора с активной прививкой methanogENIC биомассы. Это более практичный и менее трудоемким привить реакторы с активной метаногенных биомассы из смешанных напитков или стоков операционной реактора, который лечения подобного субстрата, чем пытаться развивать достаточно биомассы: от начала культуры. В третьей части статьи будут рассмотрены операционные соображения, такие как кормление подложки, переливание сточных вод, и устранение различных проблем реактора. Кормление подложки и переливание стоков для этой системы будет проводиться на полу-постоянной основе (например, периодическая подача и переливание в то время как большая часть биомассы и смешанная жидкость остается в биореакторе). Частот, в котором реактор подается / сливают является прерогативой оператора. В общем, питание / декантации чаще и на регулярной основе будет способствовать большей стабильности реактора и согласованность в работе между кормления циклов. В четвертом разделе представит базовый протокол контроля, которые будут использоваться во время experimental период. Несколько стандартных анализов, которые изложены в Стандартные методы экспертизы воды и сточных вод ¹⁶ (1 стол, 2), будут необходимы для характеристики субстрата и надлежащего мониторинга системы. В дополнение к измеряемых переменных, важным аспектом мониторинга является проверка компонентов реактора система функционирует должным образом. Регулярное техническое обслуживание системы реактора будет вытеснять основные проблемы системы, которые могли бы поставить под угрозу долгосрочную производительность и стабильность реактора. Например, отказ от нагревательного элемента, что приводит к снижению температуры, может привести к накоплению летучих жирных кислот за счет снижения обмена веществ в метан. Эта задача была бы усугубляется, если в системе не хватало для поддержания щелочной рН выше тормозных уровни метан. Важно также, чтобы обнаружить и закрыть возможные утечки после неожиданного падения крыса производства биогазах годов. Таким образом, дублирования усилий в рамках опытно-конструкторских, например, запуск двух биореакторов бок о бок под точные условия работы, важно, чтобы обнаружить неожиданные потери производительности из-за сбоев в работе системы, такие как небольшие утечки.

Protocol

1. Digester строительства Выберите реактор судна, которое содержит все функции, показанной на рис. 1 (конус не нужно), а также желаемый рабочий объем (обычно от 1-10 л). Если реактор судно не оснащено подогревом воды куртки, разместить реактор в некоторых других контролируемой тем…

Discussion

Анаэробные системы пищеварения, представленные в этой статье содержится общее введение и некоторые основные руководящие принципы для лечения большинства субстратов в экспериментальных условиях. Разнообразие типов подложки, реактор конфигурации, рабочие параметры, а также уникальн?…

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