连续搅拌厌氧消化有机废物转化为沼气系统的安装和基本操作
Summary
实验室规模的厌氧沼气池让科学家来研究优化现有的厌氧生物技术应用的新途径，并评估各种有机废弃物的沼气生产潜力。本文介绍了实验室规模的建设，接种，操作，监测的广义模型，不断搅拌厌氧消化。
Abstract
厌氧消化（AD）是一个常用的生物过程，到复杂的有机废物转化成有用的沼气1-3甲烷作为能源载体。越来越多的广告被使用在工业，农业和市政废物（水）处理中的应用4,5。 AD技术的使用，使工厂操作人员，以减少废物处置成本和抵消能源公用事业费用。除了 治疗有机废弃物，能源作物正在转化为能源载体甲烷6,7。作为AD技术的应用，拓宽新的基板和共基质混合物8治疗，所以不可靠的测试方法，在试验和实验室规模的需求。
厌氧消化系统有多种配置，包括连续搅拌槽反应器（CSTR），插头流量（PF），厌氧序批式反应器（ASBR）配置9， </suP>。的CSTR中经常使用的研究，由于其在设计和操作简单，同时也为在实验中的优势。其他配置相比，CSTR反应器提供了更大的系统参数，如温度，搅拌，化学物质的浓度，底物浓度，均匀。最终，当设计一个全规模的反应堆，优化反应器的配置将取决于字符之间的许多其他非技术性的考虑基板上。然而，所有的配置共享基本的设计特点和运行参数，呈现最初步的评估适当的CSTR反应。如果研究人员和工程师使用相对高浓度的固体进水流，然后实验室规模的生物反应器配置不能被送入不断，由于实验室规模的泵问题堵塞与固体或固体油管解决。对于连续搅拌要求的情况下，饲喂定期实验室规模的生物反应器我们指连续搅拌厌氧沼气池（CSADs）等配置。
本文介绍了用于建设，接种，操作和监测系统的一个长期的厌氧消化有机基板的适用性测试的目的CSAD的一般方法。本文的建设部分将涵盖建设的实验室规模的反应器系统。接种节将解释如何创建一个厌氧环境适合一个活跃的甲烷接种播种。操作部分将覆盖操作，维护和故障排除。监测部分将介绍使用标准的分析测试协议。使用这些措施是必要的可靠的实验基板的适用性进行评估，为AD。本议定书应提供对在AD研究的一个常见的错误，这是结束，反应堆故障是由基材造成更大的保障，我使用N时，它实际上是用户操作不当10。
Introduction
厌氧消化（AD）是一种成熟的技术，涉及复杂的有机废物基板生物介导转化成有用的沼气作为能源载体的甲烷。厌氧处理有许多好处，包括最小的能量和养分的投入和生产减少污泥好氧处理10相比。此外，多功能的混合微生物群落，这些系统的固有呈现多种适合作为原料11,12有机基质。事实上，这是一个AD的应用越来越多采用传统的市政污水处理，特别是在工业，市政（例如，食物渣滓），部门和农业部门4,7,13，由于这些好处。公元经历在过去十年的国家能源危机的回应，其在20世纪80年代的第一个主要的扩散开始。作为世界面临着日益严重的全球能源危机，加上环境退化，更加注重现正放在生物燃料技术和浪费，特别是对能源的概念。例如，在美国，厌氧消化可产生5.5％的总电力需求8。
这增加了试验和实验室规模的控制实验研究的需求，以评估是否适合新的有机废物材料和废物混合厌氧消化14。我们打算建设，接种，操作和监测的实验室规模的厌氧消化，这将是适用于强大的评估提供了一个通用模型。厌氧消化中存在许多不同的配置。有几个常见的配置包括：连续进水喂养连续搅拌槽反应器（CSTR）;不断搅拌与进水定期喂养厌氧消化（CSAD）;塞流（PF），上流式厌氧污泥床（ü上海贝尔）;式污泥厌氧迁移床反应器（）;厌氧折流板反应器（ABR），厌氧序批式反应器（ASBR）配置9,15。 CSTR反应器和CSAD配置的已被广泛采用实验室规模的实验，由于它易于安装和良好的经营条件。由于连续搅拌，水力停留时间（HRT）是平等的污泥停留时间（SRT）。 SRT是重要的设计参数，为广告。配置也有利于控制实验，因为一个更大的空间均匀性的参数，如化学物质的浓度，温度，扩散率。然而，应当指出，厌氧消化的最优规模配置取决于有机基板之间的其他非技术方面，如出水水质目标，在特定的物理和化学的素质。例如，稀释相对较高的可溶性有机内容和littl的废物流é微粒，如啤酒废水，通常会遇到更大的能量转换，高速率的上流式反应器的配置（例如，UASB反应器），而不是一个CSAD配置。无论如何，有成功消化和相关的所有配置，这证明了使用这种配置的通用解释是必不可少的基本运行参数。
事实上，每一个广告系统，包含一个多元化，开放的社会厌氧微生物会连续代谢甲烷（每个电子的自由能最低可用的最终产品）的基板。在这个过程中所涉及的代谢途径构成一个复杂的食物网松散的分类分为四个营养阶段：水解酸化;氢产酸;和甲烷。在水解，复杂的有机聚合物（例如，碳水化合物，脂类，蛋白质）被打破，他们各自的单体（如糖，长链不饱和脂肪酸，氨基酸）路政署rolyzing，发酵菌。酸化，这些单体是由产酸菌发酵挥发性脂肪酸（VFAs）和醇，氢产酸，进一步氧化成醋酸和氢由homoacetogenic和强制性产氢细菌，恭敬地5。在最后一步的甲烷，醋酸和氢代谢甲烷acetoclastic和hydrogenotrophic甲烷。重要的是要认识到整体广告的过程中，依靠互联系列由不同的微生物群体的代谢，将取决于对每个成员的成功功能之前，作为一个整体的系统将执行最佳。 AD生物反应器系统的设计和建设应始终考虑的要求，完全密封的生物反应器。在生物反应器的顶部（顶空分离）或气体处理系统中的小泄漏可能难以察觉，因此该系统应该是压力确保在使用前测试。确保无泄漏的安装后，与厌氧消化研究的失败往往源于接种，培养，以及日常的日常运作过程中的错误。因此，沼气池有本质上不稳定，容易出现意外故障的声誉。那么为什么几十年的13稳定的条件下运作，全面的沼气池已？故障可能是由运营商，特别是在启动期间它必须慢慢适应新环境的微生物群落有机废物的组成和实力，源于处理不当。因此，我们的目标是不仅提供一种方法，构建广告系统，但也澄清接种，操作和监控这些系统的过程。
文章的第一部分将解释如何构建CStr或CSAD系统，而第二部分将提供一个沼气池接种程序与积极methanogENIC量。这是更为实用和耗时少，接种积极的甲烷量的沼气池，从混合酒或污水经营沼气池，处理类似的基板，而不是试图从初期的文化发展有足够的生物量。文章第三部分将包括经营方面的考虑，如喂养基板，滗出水，解决各种反应堆问题。喂养基板和调迁此系统的污水将进行半连续的基础上（即，定期喂养和调迁，而大多数的生物量和混合酒停留在生物反应器）。在送入蒸煮/倒出频率的运营商的特权。在一般情况下，更加频繁和定期喂养/滗将促进更大的沼气池稳定，饲养周期之间的性能和一致性。第四部分将介绍在艰难的一个基本的监测协议rimental时期。表征基板和适当的监控系统，将需要几个标准的分析，这是在水和废水 16（ 表1，2） 考试的标准方法概述。除了测量变量，监测的一个重要方面是检查沼气池系统组件是否正常。定期保养，以沼气池系统将抢占主要系统的问题，否则可能危及沼气池的长期性能和稳定。例如，一个加热元件故障，导致温度下降，可能会导致挥发性脂肪酸的积累，通过减少甲烷的代谢率。如果系统缺乏足够的碱度维持上述抑制甲烷水平的pH值，这个问题将加剧。同样重要的是检测和关闭后，在生产沼气大鼠意外跌落可能泄漏ES。因此，在实验设计中的重复，例如，确切的操作条件下运行的两个生物反应器由方方，重要的是要检测系统故障，如小的泄漏，造成意想不到的性能损失。
Protocol
Discussion
在这篇文章中提出的厌氧消化体系提供了一个大致的介绍，在实验范围内，大多数基材的治疗的一些基本准则。概述很难量化的指标，可普遍适用的各种基材类型，沼气池配置，运行参数，也是独特的混合微生物，这些基本制度的社会生态排除。尽管这种变化，所有厌氧消化系统遵循的生物降解途径，这是由物理和化学过程，很好地理解和原则可以应用到所有的系统介导的一系列特色。正是从这?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
支持这项研究是由美国农业部的支持，通过国家粮食和农业研究院（粮农），授予数量2007-35504-05381格兰特。从NYSERDA和纽约-123444 58872康乃尔大学农业试验站通过从美国农业部的nifA联邦公式资金。
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
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