Introduction
Kommunales Abwasser ist häufig mit Belebtschlammverfahren, um die suspendierten Feststoffe (SS), biologischen Sauerstoffbedarf (BSB), organische und anorganische Stickstoff und Phosphorgehalt 5,6 zu verringern behandelt. Das Belebtschlammverfahren, ein Mittel zur Abwasserbehandlung vor, beinhaltet die Oxidation von organischem Kohlenstoff in einem Belüftungstank mit einer Mischflüssigkeit von ankommenden Abwasser- und Recycling heterotrophen Mikroorganismen gefüllt 5-7 (üblicherweise als Belebtschlamm genannt). Der gemischten Flüssigkeit tritt dann in eine relativ große Absetzbecken (Absetzbecken), wo der Schlamm absetzt zur leichteren Erfassung, um entweder entsorgt oder recycelt zurück in den Belüftungstank, während das geklärte, behandeltes Abwasser zu tertiären Behandlung oder Desinfektion weiter, bevor es in freigesetzt werden Vorfluter 5-7. Effiziente Trennung des gereinigten Abwassers und Feststoffe (Schlamm) im Nachklärbecken ist für die ordnungsgemäße Funktion der a wartewater Behandlungssystem, wie jeder Belebungs weiterhin über die Klärbecken wird das BOD und SS im Abwasser 5-8 erhöhen.
Eine Anzahl von alternativen biologischen Verfahren zur Zweitbehandlung von Abwasser, die Verringerung oder Beseitigung der Notwendigkeit für große Klärung Tanks, einschließlich befestigt-Wachstum (Biofilm) Reaktoren, Membranbioreaktoren (MBR) und granulare Schlammreaktoren existieren. Biofilmreaktoren, die Bildung von Biofilmen, in dem Mikroorganismen natürlich aggregierten und befestigen sich als Schicht auf einer festen Oberfläche, ermöglicht eine Biomasserückhaltung und Akkumulation, ohne die Notwendigkeit für ein Klärbecken. Biofilmreaktoren können in drei Typen eingeteilt werden: Festbett-Reaktoren, Fließbettreaktoren und Scheibentauchkörper. Festbett-Reaktoren, wie ein Tropfkörper und biologische Türme, nutzen eine stationäre feste Wachstumsoberfläche 5,6. Wirbelschichtreaktoren (FBRS) hängen von der Befestigung von Mikroorganismen an Teilchen,wie Sand, Aktivkohlegranulat (GAC) oder Glasperlen, die in der Suspension durch einen hohen Aufwärtsströmungsgeschwindigkeit 9,10 gehalten werden. Rotierenden biologischen Reaktoren hängen von Biofilmen auf Medien zu einem rotierenden Welle befestigt ermöglicht den Biofilm gebildet, um abwechselnd Luft ausgesetzt werden, und der zu behandelnden Flüssigkeit 5,6. MBRs verwenden Membranfiltrationseinheiten, entweder innerhalb des Bioreaktors (untergetaucht Konfiguration) oder extern über Rückführung (Nebenstromkonfiguration) 5,11. Die Membranen dienen dazu, eine gute Trennung von Biomasse und Feststoffpartikeln aus der behandelten Flüssigkeit 11,12 zu erzielen. Granuläre Schlammreaktoren mit Aufwärtsströmung Reaktoren, in denen die Bildung von extrem dichte und gut Absetzen Granulat von Mikroorganismen auftritt, wenn sie hohen Oberflächenluftaufwärtsströmungsgeschwindigkeiten ausgesetzt sind 13.
Als weitere Alternative zu dem Belebtschlammverfahren, einem neuartigen Aufstromreaktor System, jetzt eine hohe Dichte Bioreaktor (HDBR) war designed und Vertrieb und Shieh (2006) gebaut, um CSB-Entfernung von Belebtschlamm aus synthetischen Abfallströmen in niedrigen F / M Bedingungen, die bekannt sind, um die Bildung von schlechten Vorklärschlamm verursachen (dh Blähschlamm) 1,7,14 studieren. Das verwendete HDBR System modifizierten Fließbett-Reaktoren, die typischerweise aus einem Aufstromreaktor und einer externen Rückführungstank. Wirbelschichtreaktoren werden typischerweise mit Rückführstrom Fließgeschwindigkeiten hoch genug ist, um die Biofilmwachstum Substrat in Suspension zu halten, jedoch niedrig genug betrieben, daß die Biofilm-bedeckten Substrats beibehalten wird. Anders als Wirbelbettreaktoren, in Verkaufs beschriebene HDBR und Shieh (2006) verwendet, relativ niedrigen Rückführstrom Flussraten, die zusammen mit externe Belüftung verhindert Störungen des Biomasse-Zone innerhalb des Reaktors 1 ausgebildet. Nachfolgende Studien haben dieses Reaktordesign Fähigkeit, erfolgreich zu behandeln eine Reihe von Stickstoffflüssen mit nitrifizierenden / denitrifizierenden Bakterien 3,4 demonstriert. In allen Studies die Bildung einer stabilen, dichten Biomasse Zone innerhalb des HDBR eliminiert die Notwendigkeit für eine externe Flockung / Sedimentationsverfahren 1-4.
Wie wir hier berichten, hat sich der Einsatz der HDBR dichte Kulturen wachsen auch in einem Photobioreaktor (PBR) Konfiguration für die Kultivierung von Algen getestet. Wir diskutieren die Vor-und Nachteile dieser neuen Reaktorsystem zur Algenanbau und sein Potenzial zur Überwindung eine große Hürde bei der Kommerzialisierung von Biokraftstoffen mit Algenbiomasseernte (dh gute Fest-Flüssigtrennung 15,16) verbunden sind. Das folgende Protokoll beschreibt die Schritte notwendig, um zusammenzubauen, Inbetriebnahme, Probe aus, und unterhält ein HDBR mit Algen als der mikrobiellen Gemeinschaft von Interesse. Variationen in der Start und Betrieb Protokoll heterotrophe Nitrifikanten und / denitrifizierenden Kulturen werden ebenfalls erwähnt werden. Schließlich werden allgemeine Vorteile, Nachteile und Unbekannten dieser neuartigen Reaktordesign hervorgehoben.
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Protocol
1. Reaktoranordnung
- Ordnen die Reaktorkomponenten nach dem Schema in Figur 1.
- Setzen Sie den Reaktor (R) auf einer Mischplatte, fügen Sie einen Rührstab in den Reaktor. Platzieren der Rückführungstank (RT) neben der Rührplatte und eines Reaktors, so daß das Abwasser (oben) Anschluss der Flasche in Richtung auf den Rand der Laborbank gerichtet sind.
- Setzen Sie den Abfallbehälter (W) unterhalb des Abwassers (oben) Anschluss des Rückführungstank (RT). Transporteur-Tank (FT) neben dem Rückführungstank (RT).
Hinweis: Der Beschickungsbehälter hat eine Gesamtkapazität von 5 L.
- Sichern Sie den Reaktor (R) gegen Kippen mit einem passenden Stativ und Klemme. Ebenso sichern die Rückführungstank (RT), um eine Bewegung zu verhindern.
- Legen Neopren-Schlauchpumpenschlauch in den Papier (Pumpe A) und Futtermittel (Pumpe B) Pumpenköpfe. Beziehen sich auf die Materialtabelle für zusätzliche Schlauchspezifikationen. Installieren Sie die Pumpenköpfe auf die Pumpenantriebe mit den Schrauben provimit den Pumpenantriebe ded.
- Schließen Pumpe A der Schlauch an den Häfen an der Reaktor und der Rückführungstank. Führen Sie das Ende Pump Bs Schlauch in den Vorlagebehälter und die Rückführungstank. Schließen Sie die obere Reaktor Port in den Papierbehälter mit Schlauch. Bewerben Schellen auf den Schlauch an den Reaktor Ports.
Hinweis: Photosynthetic Gemeinden können von künstlicher Beleuchtung durch Lampen profitieren.
2. Herstellung von Stammlösungen, Zulauf / Beschickungslösungen und Algen Impflegierung
- Bereiten Sie die Mineralgrundlösung. Fügen Sie folgende in einem 1-L-Kolben mit 500 ml VE-Wasser: 200 g Natriumhydrogencarbonat, 40 g Kaliumdihydrogenphosphat, 4 g Magnesiumsulfat, 4 g Eisenchlorid, 4 g Calciumchlorid, 1 g Kupferchlorid, 1 g Kobalt Chlorid-Hexahydrat, 1 g Nickelchlorid-Hexahydrat, 1 g Zinksulfatheptahydrat. Fügen Sie eine zusätzliche 400 ml VE-Wasser. Wirbeln mit Nachdruck um die Auflösung von Salzen zu fördern. Nach dissolution von Salzen, fügen VE-Wasser, um das Gesamtvolumen der Lösung zum 1 L.
- Bereiten Sie die Ammoniak-Stammlösung. In einem 1 l-Messkolben 38,214 g Ammoniumchlorid in etwa 900 ml entionisiertem Wasser. Nach dem Auflösen hinzufügen VE-Wasser, um das Gesamtvolumen auf 1000 ml zu bringen.
Hinweis: 1 ml der Stammlösung auf 1 l verdünnt ergibt eine 10 mg L -1 NH 4 + -N-Lösung. - Bereiten Sie die Nitratstammlösung. In einem 1 l-Messkolben 72,413 g Kaliumnitrat in etwa 900 ml entionisiertem Wasser. Nach dem Auflösen hinzufügen VE-Wasser, um das Gesamtvolumen auf 1000 ml zu bringen.
Hinweis: 1 ml der Stammlösung auf 1 l verdünnt ergibt eine 10 mg L -1 NO 3 - -N-Lösung. - Bereiten feed / Zulauflösung. Einen Rohstofflösung mit 20 mg L -1 NH 4 + -N und 20 mg L -1 NO 3 - -N, 2 ml der einmmonia Stammlösung und 2 ml Nitratstammlösung auf 1 L Gesamtvolumen. Vor der Verdünnung, 0,5 ml Minerallösung / l-Lösung gemacht. Bereiten 5 l Zulauf insgesamt zur Inbetriebnahme des Reaktors.
- Bereiten Sie die Algen Impfmittel.
- Sammeln ein großes Volumen (mindestens 10 l) Wasser aus einer Algenhaltigen Wasserkörpers, wie beispielsweise einem Strom oder einem Teich. Lassen Sie die Algen, indem Sie die 24 Stunden lang ungestört Wasserproben zu begleichen.
- Dekantieren und entsorgen Sie die clear (nicht-Algen enthalten) Wasser an der Spitze der Proben, so dass eine konzentrierte Algensuspension innerhalb der Probenflaschen. Kombinieren Sie die Algensuspension von allen Proben in einem Container, und wiederholen Sie das Absetzen und Dekantierstufen.
- Messen Sie die Biomasse im konzentrierten Probe.
- Trocknen Sie ein Papier Vakuumfilter (0,45 um MCE Vakuumfilter) und Aluminium wiegen Boot O / N in einem Ofen, der auf 103 ° C eingestellt wurde nach dem Abkühlen in einem Exsikkator für 30 Minuten bei RT messen die Zusammenarbeitmbined Masse des Filters und wiegen Boot.
- Vakuumfilter 20 ml konzentrierte Algensuspension und kehren Sie den Filter und wiegen Boot zum Ofen zum Trocknen O / N.
- Messung der Gesamtmasse des Filters und Wägeschiffchen. Berechnen Sie die Biomassendichte innerhalb der konzentrierten Probe.
Hinweis: Das Gesamtvolumen der Wasserprobe, die Ermittler beenden, müssen Sie hängt von der Quellwasserkörper abhängen.
3. Säen und Starten des Reactor
- Add 750 ml Speiselösung in den Reaktor. Füllen Sie den Rückführungstank mit 500 ml Speiselösung.
- Verwenden Sie eine lange Pipette vorsichtig fügen Sie ein inoculate Suspension, die 1,5 g Algen in der Nähe des Bodens des Reaktors. Ermöglichen das Inokulum auf den Boden des Reaktors absetzen, sicherzustellen, dass dies durch visuelle Beobachtung, bevor sie zu dem nächsten Schritt.
- Sobald die Zellen angesiedelt haben, entfernen Sie die Schlauchklemmen und schalten Sie Pumpe A zu einem langsamen Fließgeschwindigkeit (10 revolutions min -1 / 38 ml min -1). Luft in der Röhre eingefangen werden in den Reaktor ausgestoßen wird.
Anmerkung: Die Zugabe von 750 ml in den Reaktor werden beliebige Biomasse von der Pumpe gestört ab dem Verlassen des Reaktors zu verhindern. Drücken Sie den Schlauch, um sicherzustellen, dass alle Luft entwichen ist. - Speiselösung Fügen Sie stufenweise in den Papierbehälter, wenn die Lösung in den Reaktor gepumpt. Die Zugabe, bis sowohl dem Reaktor und dem Rückführungstank ausgelastet sind und Ablauf beginnt, den Rückführungstank über die obere Öffnung zu schließen.
Hinweis: Das Volumen der Zulauflösung in den Papierbehälter zugesetzt werden, dass mit dem Volumen der Impfmittel in den Reaktor gegeben variieren. - Gießen Sie die restliche Speiselösung in den Vorlagebehälter.
- Stellen Sie die Rückführungspumpe (Pumpe A) bis 19 Umdrehungen min -1, zur Schaffung einer Recycling-Fließgeschwindigkeit von 72,5 ml min -1. Beachten Sie die Algen anfangen, aus dem Boden des Reaktors Dachboden. Mit den Abstufungen am Reaktor, bestimmen die Algen biomass Zonenhöhe. Sicherzustellen, dass die Höhe, bevor zum nächsten Schritt konstant ist.
- Schalten Sie die Mischplatte mit sehr geringer Geschwindigkeit; einer Einstellung von 1 oder 2 ist angebracht, um zu starten. Das Mischungs bar wird in lofting Biomasse weiter zu unterstützen, aber aggressive Misch verursacht Algen, um den Reaktor zu verlassen, geben Sie das Rückführungstank, und lassen Sie im Abwasser. Stellen Sie die Mischgeschwindigkeit bei einer Einstellung erforderlich, um eine klare Grenze Algen innerhalb des Reaktors (2A) zu schaffen; die Algenbiomasse Zone sollte ca. 10-15 cm hoch sein.
- Starten Sie die Förderpumpe nach Beobachtung eine klare Grenze zwischen der Algen Stecker und der Reaktorflüssigkeit. Die Pumpe auf 25 Umdrehungen min -1, zur Schaffung einer Strömungsrate von 1,5 ml min -1. Beachten Sie die Reaktorfluidaustritts das Abwasser-Anschluss durch die Schwerkraft und die Verschiebung von der ankommenden Zulaufstrom verursacht.
4. Probengewinnung und Analyse
- Durchführung Probenerhebung prioder eine Wartung des Reaktorsystems. Sammeln Sie 20 ml des Abwassers und Zulauf Proben täglich. Sammeln Abwasserproben aus dem Rückführungstank. Sammeln Zulaufproben direkt aus dem Vorlagebehälter.
- Vakuumfilter Proben Schwebstoffe vor der Speicherung und Analyse entfernen.
- Lagern Sie den Zu- und Ablauf-Proben bei -20 ° C bis zur weiteren Analyse. Beschränken Sie die Anzahl der Frost-Tau-Zyklen Proben werden unterzogen. Bei Bedarf können Proben in Aliquots aufgeteilt, um Probenintegrität aufrechtzuerhalten.
- Führen Sie die Probenanalyse für Nitrat, Nitrit und Ammoniak unter Verwendung von Standardverfahren 17.
Hinweis: Die verwendeten Ionenchromatographie (IC) Autoren, die Ergebnisse hier vorgestellt zu produzieren. Beziehen sich auf den Werkstofftabelle für die Spezifikation.
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Representative Results
Die HDBR wurde verwendet, um Algen über mehrere Verhältnisse von Zulauf Ammoniak und Nitrat-Konzentrationen zu kultivieren, während eine Gesamtstickstoffgehalt in der Beschickung bei 40 mg -NL -1. Zu- und Ablauf-Proben wurden täglich genommen; Biomassedichte Proben wurden zu Beginn und am Ende jeder Bedingung aufgenommen. Der Reaktor hat im Durchschnitt 3-5 Tage, um stationäre Gleichgewicht zu erreichen, nachdem Bedingungen geändert wurden. Über einen weiten Bereich der Zulaufbedingungen eine deutliche Biomasse Zone wurde gegründet, da frühere Studien beobachtet (Abbildung 2). Die Algenkultur in der HDBR wurde festgestellt, im Durchschnitt 18,4% der gesamten Stickstoffspezies im Feed (n = 44) zu entfernen. Innerhalb der Biomasse Zone wurden insgesamt Algenbiomasse und Biomassedichte konsistent im Verlauf dieser Studie.
Die Entfernung von NH 4 + und NO 3 - gegen die NH 4 + und NO 3 aufgetragen - feed Zusammensetzung in Fig. 3 ein einfaches lineares Regressionsmodell wurde verwendet, um die Bedeutung der Beziehung zwischen der Entfernung von N Arten und die Futterzusammensetzung 18-20 zu bewerten. Zusammensetzung (3A und 3B bezeichnet) - Entfernung von Ammoniak wurde bei allen Bereichen der NH 4 + und NO 3 beobachtet. Weder NH 4 + oder NO 3 - Futterzusammensetzung beeinflusst die Entfernung von NH 4 + über die getestet (n = 44, p = 0,993 und n = 44, p = 0,610 bzw.) Bedingungen. Auf der anderen Seite, die Entfernung von NO 3 - wurde festgestellt, negativ mit NH 4 + Futtermittelzusammensetzung bezogen werden (n = 44, p = 0,000) (Figur 3C) und vielfältig positiv mit NO 3 - Futterzusammensetzung (n = 44, p = 0.000) (3D).
NO 3 - wurde beobachtet (negat akkumulierenive Entfernung) in dem Reaktor für die meisten der Zusammensetzungen Zufluß (34 von 44 Proben). NO 3 - Entfernung wurde nur beobachtet, wenn NH4 + Zulaufkonzentrationen lagen unter 10 mg -NL -1 und NO 3 - Zulaufkonzentrationen lagen über 15 mg -NL -1. Sauerstoff, wobei über die Belüftung in der externen Rückführungstank und von den Algen zum Reaktor gegeben wird, kann als ein Elektronenakzeptor für Ammoniak- und Nitrit-oxidierende Bakterien (AOB und NOB bezeichnet) zu dienen. Wenn aerobe Bedingungen im Inneren des Reaktors über Hoch recycle Flussraten zu beherrschen, werden Bakterien, die ausführen können dissimilatorische (heterotrophen) Denitrifikation bevorzugen Sauerstoff als Elektronenakzeptor 4 zu nutzen. Wenn die Rate der NO 3 - Produktion und Eingang von der Förder die Assimilations Umwandlung von NO 3 übersteigt - den organischen Stickstoff oder dissimilatorische Denitrifikation, NO 3 - Akkumulation kannte im Reaktor. Die Entfernung von NH 4 + und die Ansammlung von NO 3 - zeigt, dass AOB und NOB vorhanden und aktiv in der Gemeinschaft Algen nicht bekannt sind, die Umwandlung von NH 4 + NO 3 zu katalysieren -. Diese Ergebnisse zeigen die Fähigkeit, diese Reaktorsystem zu verwenden, um Stickstofffluss Dynamik und Kinetik in einer gemischten Algenbakteriengesellschaft studieren.
Die Autoren haben sich erfolgreich gesunde Algengemeinschaften in diesen HDBRs für über ein Jahr erhalten. Zwei Reaktorunfälle, haben jedoch seit Beginn des Projektes sowohl als Folge der schweren Änderungen an Zulauf Zusammensetzung aufgetreten. Das erste war das Ergebnis einer Änderung der Stickstoffspezies Verhältnisse mit der Gesamtstickstofffluss konstant gehalten wird; NH 4 + wurde von der Förder eliminiert und NO 3 - Konzentrationen wurden erhöht, um auszugleichen. Der zweite Absturz infolge der cutting der Gesamtstickstofffluss um 75 Prozent, von 40 mg -NL -1 bis 10 mg -NL -1 (Abbildung 4). In beiden Fällen wurde die getrennte Biomasse Zonengrenze beobachtet, daß im Laufe von zwei bis drei Tagen übereinstimmend mit einem starken Anstieg der suspendierten Feststoffe in dem Abwasser (4) verschlechtern. Abwasser suspendierten Feststoffen erhöht, um eine maximale 6 Tage nach der Futterwechsel als Reaktor verloren Biomasse (Abbildung 4). Nach dem Crash Schwebstoffen im Abfluß hoch blieb (etwa 0,22 g SS L -1) und kein neuer Biomasse wurde beobachtet, daß innerhalb des Reaktors ansammeln, verhindert die Fortsetzung des Experiments. Das aktuelle Design fehlt ein Sicherheitsmechanismus, um Kulturen zu behalten, wenn sie nicht bleiben gut ausgeflockt.
Abbildung 1. Schematische Darstellung einer High Density Bioreactor (HDBR) (nicht to Skala). Die Reactor (R) ist der 1000 ml zusammengesetzt Messzylinder mit Ports (Schlauchtüllen, Außendurchmesser 3/8 ") an den 100 ml installiert und 1.000 ml Ebenen. Die Reaktorflüssigkeit wird durch den Reaktor mit Schlauchpumpe radelte A (PA), die Eingabe am Boden des Reaktors und nach oben durch die Biomasse Zone (BZ) in Richtung des oberen Anschluss fließt. Fluid verlßt den Reaktor am oberen Anschluss und ist mit dem Rückführungstank (RT) unter der Schwerkraft gerichtet ist. Die RT besteht aus einem 600 ml Becherglas zusammengesetzt ist;. Es verfügt über zwei Anschlüsse installiert ist, wird eine am Boden des Bechers und der andere an der 500-ml-Markierung Reaktorflüssigkeit befindet, in den Reaktor über die Bodenöffnung (und PA) zurückAbwasser Blätter. der Reaktor über Kopf Port des RT und wird in einem Abfallbehälter gesammelt (W). Diffusive Belüftung in der RT mit der Verwendung einer Belüftungseinrichtung (A) vorgesehen ist. antreibt Der Belüftungsprozess auch das Mischen innerhalb des MV. Schlauchpumpe B (PB) liefert Zulauf aus einem Tank haltigen Einsatz / Zulauf (FT) in die RT. 
Abbildung 2. Beispiele für Biomasse / Reaktorflüssigkeitstrennung innerhalb einer hohen Dichte Bioreaktor (HDBR). Abbildung A zeigt eine hohe Dichte Algengemeinschaft (2,83 g SS L -1) innerhalb einer HDBR kultiviert. Eine scharfe Grenze auftritt, wenn die Sinkgeschwindigkeit des photo mikrobiellen Gemeinschaft über das des Reaktorflüssigkeit. Tafel B zeigt die mikrobielle Matrix durch Belebtschlamm in den Papierbedingungen in Vertrieb und Shieh (2006) 1 diskutiert gebildet. Panel C zeigt, Hefe, auf einer Zufluß aus Glucose für die Herstellung von Ethanol durch Fermentation kultiviert werden (Ergebnisse nicht veröffentlicht). In allen drei Reaktorkonfigurationen der Roman Reaktordesign hat Eliminated die Notwendigkeit eines separaten Klärung oder Beilegung Prozess im Reaktorsystem. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 
. Abbildung 3 Abbildung von NH 4 + und NO 3 -. -Abtragsraten Gegen einfließenden Zusammensetzung Gesamtzulauf N-Konzentration wurde auf 40 mg -NL gehalten -1 über die Dauer der Studie. (A) NH 4 + Zufuhrkonzentration gegen die Entfernung von NH 4 +, aufgetragen; es gab keinen signifikanten Effekt (n = 44, p = 0,993). (B) NO 3 - Zulaufkonzentration gegen die Entfernung von NH 4 + aufgetragen; es gab keinen signifikanten Effekt (n = 44, p = 0,610).(C) NO 3 - Entfernung wurde gefunden, daß von den negativen zu NH 4 + bezogenen Zufuhrkonzentrationen (n = 44, p = 0,000). (D) NO 3 -. Entfernen signifikant und positiv auf NO 3 bezogen - Zulaufkonzentrationen (n = 44, p = 0,000). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version davon zu sehen Abbildung. 
Abbildung 4. Die Erhöhung Abwasser suspendierten Feststoffen in Reaktion auf eine signifikant reduzierte Stickstoffstrom durch den Reaktor. Influent Stickstoffgehalt wurde aus 40 mg -NL verringert -1 bis . 10 mg -NL 1 (zum Zeitpunkt 0 in dieser Figur sind auch die durch die vertikale Linie gekennzeichnet) Verschlechterung der unterschiedlichen Biomassezone wurde nach 2 Tagen beobachtet; nach 3 Tagen Biomasse Verlust war leicht beobachtbar. Nach Tagen war eine erhebliche Zunahme im Abwasser SS beobachtet, nachdem die Änderung in Kraft trat und maximale Abwasser SS trat nach 6 Tagen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen. 
Abbildung 5. Mikroskopische Aufnahmen Hervorhebung poröse Flockenstruktur und Verriegelungsfadenbakterien. Zwei Mikroaufnahmen zeigen die poröse Struktur von heterotrophen Bakterien (Belebtschlamm) gebildet. Fadenbakterien überbrücken den Raum zwischen Flocken, Verriegelung Flocken in der stabilisierten Biomasse Zone.href = "https://www.jove.com/files/ftp_upload/53443/53443fig5large.jpg" target = "_ blank"> Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.
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Discussion
Dieser Abschnitt wird mit einer Diskussion der Protokollvariationen benötigt, um mögliche Betriebsprobleme sowie unter Verwendung verschiedener mikrobieller Gemeinschaften Adresse starten. Die Stärken dieser Reaktorkonstruktion diskutiert werden, einschließlich der Fähigkeit zur Steuerung der Sauerstofffluss und die Bildung von Flocken hoher Dichte in dem Reaktor zu regeln. Aktuelle Herausforderungen und mögliche Wege der Untersuchung wird ebenfalls erwähnt werden.
Protokoll Nuancen und Variationen
Der Betrieb HDBRs zur Kultivierung von verschiedenen Arten von Kulturen erfordert leichte Veränderungen der Betriebsprotokoll, abhängig der Art untersucht. Eine ausreichende Durchmischung und Ausweitung der Algenbiomasse Zone benötigt wird, um die Exposition aller Flocken zu erhöhen, um Licht zu ermöglichen und Photosynthese. Suspension von Algenbiomasse in dem Reaktor wird durch eine Kombination der Reaktorrückführungsrate und das Mischen bar Geschwindigkeit angetrieben. Es sollte bei der Auswahl der Betriebseigenschaften genommen werdenvon beiden, so dass es einen angemessenen Abstand zwischen der biologisch aktiven Algenbiomasse Zone und der Öffnung an der Oberseite des Reaktors, wie jede Biomasse, verlässt der Reaktorbehälter in dem Abwasser durch die obere Öffnung des Rückführungstank verloren. Wenn Biomasse wird beobachtet, wobei in dem Abwasser kann ein Filter in die obere Öffnung des Rückführungstank ausgestattet werden. Ein Stopfen aus Glaswolle, kann als Filter verwendet werden. Dabei wird das Filter ansammelt Biomasse es müssen geändert werden. Wenn ein Filter verwendet wird, muss Schwebstoffe Proben von nach dem Filter zusätzlich zu dem Reaktorfluid in dem Rückführtank, um den richtigen Massenbilanz beschaffen kann; sammelt Biomasse im Filter muss ebenfalls berücksichtigt werden. Unter bestimmten Betriebsbedingungen mit Algen und Hefe die Biomasse-Zone nicht immer zu geklärte Flüssigkeit führen, auch wenn die Gemeinde ist gesund. In diesen Fällen gibt es eine verdünnte Suspension von Zellen, fällt vor der Biomasse Zone und innerhalb der Rückführungstank. Wir hypothesize, die in den Algen und Hefen Gemeinden, die in der HDBR kultiviert worden sind, die fadenförmigen Bakterien bisher nicht enthalten, um die stabile Verriegelungs Biomasse Zone in heterotrophen und der Nitrifikation / Denitrifikation Bakterienkulturen (Figur 5) gesehen. Deshalb, wenn das Ziel ist, Zellen entweicht im Abwasser, wie es der Fall mit Algen und Hefen zu verhindern, kann es notwendig sein, eine Membran oder Filtervorrichtung im Ablauf Port verwenden.
Eine unerwartete Quelle für Biomasse Störung, die sich negativ auswirken könnten die Fest-Flüssig-Trennung des HDBR, ist die Ansammlung von Luftblasen innerhalb der Rückführungspumpe Linien. Diese Blasen sind ein Produkt der Belüftung in den Rückführungstank. Vorsicht ist geboten, um jede Ansammlung von Gasen regelmäßig zu spülen innerhalb der Rohrleitung ist. Zusammendrücken des Schlauchs in der Richtung der Flüssigkeitsströmung wird diesen Prozess zu beschleunigen und auch dazu dient, eine beliebige Biomasse, die das Innere des Schlauches auf Fest hat verdrängen. Da die Zellen in diesen Kulturen sind in der Regel zu Flocken aggregieren, sie haben auch eine Tendenz, wenn aus der Biomasse Zone freigesetzt zu haften und besiedeln die Wände des HDBR. Wenn also Ermittler bemerken die Adhäsion von Biomasse an den Innenwänden des Reaktors und Rückführungstank, sollten sie eine Pipette oder desinfiziert Glas Bürste zu stören und zu verhindern, dass übermäßige Biofilmwachstum an den Wänden des Reaktors.
Das oben beschriebene Protokoll muss geändert werden, wenn heterotrophen Mikroorganismen oder nitrifizierenden / denitrifizierenden Bakterien sind die Interessengemeinschaft. Zum Beispiel wurde 4 g heterotropher Mikroorganismen (gemessen als VSS) verwendet, um den Reaktor Saatgut, bezogen auf Umsatz und Shieh 1 beschrieben. Bei der Untersuchung von Ammoniak und Nitrit oxidierende Bakterien, wurden 2 g angereichert AOB / NOB verwendet wie in Nootong und Shieh 2 und Ramanathan et al. 4 im Anhang zu diesem Manuskript 21 beschrieben wurde, und erweitert. Die genaue Menge des Inokulumsum den Reaktor kann variieren beginnen und wirklich abhängig von der Menge an Quell Inokulum vorhanden und das tatsächliche Volumen des Reaktors eingesetzt. Biomasse Störungen zu verhindern, ist die Verwendung von einem Rührstab bei der Verwendung dieser Matte bildenden Kulturen abgeraten.
Manipulation von hydraulischen Eigenschaften
Ein Hauptvorteil der HDBR Entwurf ist die Fähigkeit, die Zuführ- und Rückführströmungsraten unabhängig voneinander zu steuern. Ermittler können bestimmte Beladungsraten Ziel, recyceln Raten oder recyceln Verhältnisse. Zum Beispiel während des Studiums Reaktorleistung Verwendung Belebtschlamm zu COD aus synthetischen Abwasser zu entfernen, das Rücklaufverhältnis von 3,5 bis 21,5 1 variiert. Erste Untersuchungen des Reaktors unter Verwendung von autotrophen Nitrifikanten / denitrifizierenden Bakterien gezeigt, dass stabile Biomasse Zonen könnte unter Kreislaufverhältnissen von 2,5 bis 24,3 3 eingehalten werden. Diese Schätzungen erwiesen, konservativ zu sein, da keine Probleme aufgetreten, wenn zunehmende Recycling-ratios bis zu 43 in ein Follow-up-Studie 21. Die Fähigkeit, bei hohen Rückführungsverhältnissen zu arbeiten, und somit eine hohe Rückführraten ist für die Untersuchung der Wirkungen der Fluidscherungs auf die Stabilität und die Eigenschaften der Biomasse Zone. In einigen Fällen, wie zB Algenzucht, die Einrichtung und Unterhaltung eines Biomasse-Matrix ist nicht Voraussetzung und hohe Rückführungsraten und Verhältnisse sind notwendig, um in der Suspension der Algensäule zu unterstützen. Dieser Reaktor-Design ist in der Lage, die Aussetzung von hohen Rückführraten (49,3 in dieser Studie), unterstützt zu erleichtern, dass die Ermittler in der Lage, eine deutliche Biomasse / Abwasser-Schnittstelle innerhalb des Reaktors aufrechtzuerhalten. In Fällen, wo die Rückführverhältnis hoch ist, wird der Reaktor hydraulischen Eigenschaften des gesamten HDBR System verhalten sich in ähnlicher Weise vollständig durchmischten Reaktoren (CMFR) als ein Pfropfenströmungsreaktor (PFR) und somit kann der Prüfer den Kulturen über ein Spektrum von Hydraulik untersuchen Mischeigenschaften in einem einzigen System Die Rückflussrate einlso spielt eine Rolle in dem Flussmittel, Massentransfer und die Verteilung von gelöstem gasförmigen Spezies durch den Reaktor, wie unten beschrieben.
Kontrolle der O 2 Flusses von und Entgasung im Recyclingtank
Während des Studiums der kombinierten Nitrifikation / Denitrifikation wurden Konzentrationen von gelöstem Sauerstoff beobachtet, schnell in den untersten Abschnitten der aktiven Biomasse Zone abgereichert werden Nitrifikation wurde 2-4 durchgeführt, parallel vorherigen CSB Studien 1; Dies könnte darauf hinweisen, daß die Strömungsregime innerhalb des Biomassefluss ähnelt der eines PFR 1. Wobei die obere Zone zu Biomasse anoxischen wurde Denitrifikation durchgeführt wird, was zur Entfernung des gelösten Stickstoffs aus dem Reaktoraustrag 2,3. Diese Beobachtungen zeigten, dass die Kombination aus externer Belüftung in dem Rückführungstank, verbunden mit der Fähigkeit, den Fluss von Sauerstoff in die Aufwärtsströmungsbehälter zu steuern, über eine Manipulation des KreisRate ermöglicht Gradienten von Sauerstoff innerhalb von Flocken und entlang der Länge der Biomasse Zone zu entwickeln, so dass für aerobe, anaerobe und anoxische Reaktionen in einem einzigen Tank auftreten. Wie viele Reaktionen zur biologischen Behandlung abhängen oder durch Sauerstoff gehemmt wird, dieser Reaktor ermöglicht einen einfacheren Weg, um Sauerstoffmassenraten in Bioreaktoren zu steuern; möglicherweise eine effizientere Belüftung Praktiken. Wie Belüftung ist eine der höchsten Energiekosten in der Abwasserbehandlung, kann dies dazu dienen, die Betriebskosten für die Gemeinden 22,23 senken.
Die Steuerung des Sauerstoffflusses durch einen Reaktor, ist nicht nur ein Problem für heterotrophe und chemoautotrophen Bakterien. Überschüssige Erregerenergie (EEE) die überschüssige Lichtenergie Algenzellen ausgesetzt sind, und die Ergebnisse in Sauerstoff (O 2) zu Superoxid reduziert (O 2 -) mit überschüssigen Elektronen von Photosystem I und II (PSI und PSII) 24 überbrückt. Superoxidanionen können significan verursachent physiologische Schäden in Algensystemen. Zellulares Rahmen vorhanden ist, um zu detektieren und zu neutralisieren O 2 - bevor Schäden an Zellkomponenten auftreten, aber bei hochbelasteten Zellen reaktive Sauerstoffspezies (ROS) noch 24-28 bilden. Durch die Steuerung der Rückführungsrate und die Belüftung in den Papierbehälter können Forscher in der Lage, Fragen im Zusammenhang mit Sauerstoffüberschuss und die Toxizität kann es in Algenkulturen zu induzieren Adresse sein und kann weiter zu verbessern das Wachstum von Algen in sehr dichten Kulturen, insbesondere in Fällen, wo zusätzliche Licht, das durch die Verwendung von Lampen vorgesehen.
Flockenbildung und / oder Biomasse Zone führt zu vielfältigen Makro- und Mikro-Umgebungen
Eines der einzigartigen Merkmale dieser Reaktorkonstruktion ist die Beseitigung eines Klärbecken. Wir vermuten, dass die gute Fest-Flüssig-Trennung, die in HDBRs erreicht wird, kann entweder die Bildung von sehr dichten Flocken (zugeschrieben werden, dh dieFall mit Algen) oder die Ausbildung einer stabilen, porösen Matrix aus ineinandergreif Flocken und Lang fädigen Mikroorganismen (dh mit der heterotrophe Nitrifikanten und / denitrifizierenden Kulturen) 1-4,7,16 (Abbildung 5). Die Bildung und Stabilität der Flocken ist abhängig von einer Reihe von physikalischen, chemischen und biologischen Faktoren 7,13,29-31. In der Tat, ist die Bildung von Flocken das primäre Ziel der Start-up-und hängt davon ab, eine ausreichende Durchmischung (Scherkraft-Gradienten), um Kollisionen zwischen dem suspendierten Impfmittel 13,30, sondern auch von der Anwesenheit von gut flockenbildenden Mikroorganismen, die Verbindungen (Flockungsmittel herzustellen erhöhen ), die Zellen zu aggregieren 31,32 ermöglichen. In diesen Reaktoren im Labormaßstab gefunden, wie zum Beispiel ein Rührstab, einem an der Unterseite des Reaktors angeordnet ist, dass eine ausreichende Durchmischung zur Flockung kann entweder durch den Aufwärtsströmungsgeschwindigkeitsprofil oder eine Mischeinrichtung. Für Kulturen, die Sauerstoff benötigen, kann das externe Rückführtanks BE als externe Gastransferbehälter (entweder für die Belüftung oder Strippen von Gasen, beispielsweise zur Entfernung von Sauerstoff durch Photosynthese Reaktionen erzeugt). Der Vorteil der externen Belüftung ist es verhindert, dass überschüssige Misch sowie Luftblasen in Kontakt mit Flocken kommen und voneinander zu brechen. In einigen Fällen mit den heterotrophen und nitrifizierende / denitrifizierenden Kulturen, die eine stabile, poröse Matrix gebildet wird, wenn die Gasblasen gefunden wurden, um den Reaktor geben sie auseinander brechen Teile der Matrix gefunden oder werden innerhalb von Abschnitten der Matrix eingebunden wodurch sie werden könnten schwimmen zur Oberseite des Reaktors. Daher wird der Betrieb des externen Gastransferbehälter zu verhindern Blasen Eintritt in den Reaktor über die Rückführleitung ist der Schlüssel zur Erhaltung der Fest-Flüssig-Trennung des Systems.
Potenzielle HDBR Richtungen
Benchtop Reaktor Untersuchungen, insbesondere solche auf PBRs fokussiert wird, werden häufig zur Erfassung kinetischer Daten für einen bestimmten Mikro fokussiertBIAL Arten oder Gemeinschaft 1,3,4,33,34. Historisch viele Studien auf axenischen oder antibakteriell behandelten Algenkulturen trotz zunehmend Belege für die Bedeutung der Wechselwirkungen zwischen Inter Algen und Bakteriengemeinschaften 35,36 erfolgen. Untersuchungen von Mischkulturen versprechen, neue und aufschlussreiche Rückschlüsse darüber, wie diese Inter Beziehungen arbeiten 35-38 ergeben. Neuere Studien von Mischkulturen wurde erweitert, um die Probenanalyse mit molekularbiologischen Werkzeugen wie quantitative Polymerase-Kettenreaktion (qPCR) um Algen und bakterielle Wachstumsraten 33,34 quantifizieren umfassen. Metagenom und metatranscriptomic Analyse verwendet wurde, um weitere Informationen darüber, wie Algen und Bakterien interagieren in beiden technischen und natürlichen Ökosystemen 39,40 aufzuklären. Zusätzlich zum molekularen Untersuchungen der mikrobiellen Kulturen in HDBRs, Mikroskopie Studien, die die Größe, die Struktur und Organisation der Flocken und die poröse Matrix des biologischenBiomasse-Zone würde wertvolle Informationen über die HDBRs Fähigkeit, gute Fest-Flüssig-Trennung zu fördern.
Bis jetzt nur ein kleiner Bereich von Reaktorvolumina und Recycling-Kennzahlen wurden unter Verwendung des HDBR Design untersucht. Als solches Reaktorleistung in hochskaliert Anwendungen ist derzeit nicht bekannt. Jede der getesteten Reaktorsysteme sind weniger als 2 L Volumen und aus Glas besteht. Da diese Reaktoren sind nicht aus dem Regal-Komponenten und muss von einem Laborglas-Spezialist aufgebaut sein Erhöhung der Größe der Glasreaktoren schwierig sein kann, als Ausgangsstücke müssen sorgfältig nach geeigneten Wanddicke (Private Korrespondenz: K. Carraro, 2014) gewählt werden. Große Glaswaren betreibt auch ein höheres Risiko, gebrochen oder im Vergleich mit einem Metall, Kunststoff oder Beton Reaktor beschädigt. Konstruieren von größeren Reaktoren mit Metall oder Kunststoff für Benchtop-Experimenten kann eine Option, aber die Überlebensfähigkeit dieser Option muss noch untersucht werden können. Zusätzlich ter opak oder durchscheinende Materialien verwenden, kann die visuelle Beobachtung der Reaktoren in Untersuchung beeinträchtigen und den Betrieb dieser Reaktoren in einem PBR Konfiguration erschweren.
Diese Handschrift ist die Montage, Inbetriebnahme und Betriebsverfahren beschrieben, um eine hohe Dichte Bioreaktor (HDBR) zu betreiben. Frühere Arbeiten haben HDBRs Kapazität gegründet, um sowohl CSB und Stickstoff-Spezies mit heterotrophen Bakterien und chemoautotrophen 1-4 entfernen. Hier zeigen die Autoren die Fähigkeit HDBRs für die Kultur von hoher Dichte Algengemeinschaften und die Entfernung von Stickstoffverbindungen aus einer synthetischen Abfallströmen. Nach bisherigen Beobachtungen wurde eine stabile Biomasse-Zone von den Algen und den erfolgreichen Betrieb des Reaktors ohne Klärung Verfahren gebildet wurde erreicht, während das Entfernen 18,4% der gesamten Stickstoffspezies aus dem Zulauf. Konvertierung zwischen Stickstoffspezies (NH 4 +, um NO 3 -) beobachtet wurde, so dassdie Autoren das Vorhandensein und die Aktivität von AOB und NOB vorzuschlagen. Die Ergebnisse in dieser Handschrift aus der aktuellen Demonstration mit Algen und früheren Studien mit dem HDBR Systemunterstützung weitere Verwendung sowie Forschung und Entwicklung, der diesen Reaktor-Design für hohe Dichte Kultivierung von Mikroorganismen für eine Vielzahl von Umwelt- und Industrieanwendungen vorgestellt.
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Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Aeration stone | Alita | AS-3015C | |
| Aerator | Top Fin | Air-1000 | |
| Ammonium chloride | Sigma Aldrich | A9434 | |
| Anion analysis column | Shodex | IC SI-52 4E | |
| Beaker (600 ml) | Corning Pyrex | 1000-600 | Used as mixing vessel (MV). Addition of hose barbs at the bottom and 500 ml levels. Outside diameter of hose barbs 3/8". |
| Calcium chloride | Sigma Aldrich | C5670 | |
| Cation analysis column | Shodex | IC YS-50 | |
| Cobalt chloride hexahydrate | Sigma Aldrich | C8661 | |
| Copper chloride | Sigma Aldrich | 222011 | |
| Ferric chloride | Sigma Aldrich | 157740 | |
| Filter (vacuum) | Fisherbrand | 09-719-2E | 0.45 μm membrane filter, MCE, 47 mm diameter |
| Graduated cylinder (1,000 ml) | Corning Pyrex | 3025-1L | Used as reactor vessel (R). Addition of hose barbs at bottom, 500 ml, and 1 L levels. Outside diameter of hose barbs 3/8". |
| HPLC/IC | Shimadzu | Prominence | |
| Magnesium sulfate | Sigma Aldrich | M2643 | |
| Masterflex L/S variable speed drive | Masterflex | 07553-50 | Drive for recycle and feed pumps (2 needed) |
| Nickel chloride hexahydrate | Sigma Aldrich | N6136 | |
| Potassium nitrate | Sigma Aldrich | P8291 | |
| (Monobasic) Potassium phosphate | Sigma Aldrich | P5655 | |
| Pump head | Masterflex | 07018-20 | Recycle pump head |
| Pump head | Masterflex | 07013-20 | Feed pump head |
| Pump tubing | Masterflex | 6404-18 | Recycle pump tubing |
| Pump tubing | Masterflex | 6404-13 | Feed pump tubing |
| Sodium bicarbonate | Sigma Aldrich | S5761 | |
| Zinc sulfate heptahydrate | Sigma Aldrich | Z0251 |
References
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