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Comparaison de l'échelle dans un système de réacteur photosynthétique pour algales assainissement des eaux usées

Published: March 6, 2017 doi: 10.3791/55256
Automatic Translation
1, 1, 1
1Civil, Architectural, and Environmental Engineering, Drexel University

Summary

Une méthode expérimentale est présentée pour comparer les performances de la petite (100 L) et de grande taille (1000 L) échelle des réacteurs conçus pour les algues d'assainissement de la décharge des eaux usées. Les caractéristiques du système, y compris la surface au rapport de volume, temps de rétention, la densité de la biomasse, et les concentrations d'alimentation des eaux usées, peuvent être ajustées en fonction de l'application.

Abstract

Une méthode expérimentale est présentée pour comparer les performances des deux réacteurs de tailles différentes conçus pour le traitement des eaux usées. Dans cette étude, l'élimination de l'ammoniac, l'élimination de l'azote et la croissance des algues sont comparés sur une période de 8 semaines dans des ensembles appariés de petits (100 L) et grandes (1000 L) des réacteurs conçus pour l'assainissement des algues de la décharge des eaux usées. Contenu des petits et de grands réacteurs à l'échelle ont été mélangés avant le début de chaque intervalle de test hebdomadaire pour maintenir des conditions initiales équivalents dans les deux échelles. Les caractéristiques du système, y compris la surface au rapport de volume, temps de rétention, la densité de la biomasse, et les concentrations d'alimentation des eaux usées, peuvent être ajustés pour mieux égaliser les conditions se produisant à deux échelles. Au cours de la semaine 8 période de temps représentative court, à partir de l' ammoniac et les concentrations totales en azote ont varié de 3,1 à 14 mg de NH 3 -N / L, et de 8,1 à 20,1 mg N / L, respectivement. La performance du système de traitement a été évaluée sur la basesa capacité à éliminer l'ammoniac et l'azote total et de produire de la biomasse algale. Moyenne ± écart - type de l' élimination de l' ammoniac, l' élimination totale d'azote et les taux de croissance de la biomasse étaient de 0,95 ± 0,3 mg de NH 3 -N / L / jour, 0,89 ± 0,3 mg N / L / jour et 0,02 ± 0,03 g biomasse / L / jour, respectivement. Tous les navires ont montré une relation positive entre le taux initial de suppression de la concentration d'ammoniac et de l' ammoniac (R 2 = 0,76). Comparaison des l'efficacité des processus et des valeurs de production mesurées dans les réacteurs d'échelle différente peut être utile pour déterminer si l'échelle du laboratoire des données expérimentales est approprié pour la prédiction des valeurs de production à l'échelle commerciale.

Introduction

Traduction des données de référence à l'échelle de grandes applications à grande échelle est une étape clé dans la commercialisation de bioprocédés. L' efficacité de la production dans les systèmes de réacteurs à petite échelle, en particulier ceux qui se concentrent sur l'utilisation de micro - organismes, ont été montrés pour prévoir de manière systématique sur l' efficacité qui se produisent dans les systèmes à l' échelle commerciale 1, 2, 3, 4. Les défis existent également dans l'intensification de la culture photosynthétique des algues et des cyanobactéries de l'échelle du laboratoire à des systèmes plus importants dans le but de fabriquer des produits à haute valeur ajoutée, tels que les cosmétiques et les produits pharmaceutiques, pour la production de biocarburants, et pour le traitement des eaux usées. La demande pour la production d' algues biomasse à grande échelle est de plus en plus avec l'industrie émergente pour les algues en biocarburants, les produits pharmaceutiques / nutraceutiques et les aliments du bétail 5. La méthodologie décrite dansce manuscrit vise à évaluer l'influence de l'augmentation échelle d'un système de réacteur photosynthétique sur le taux de croissance de la biomasse et de l'élimination des nutriments. Le système présenté ici utilise des algues pour assainir les lixiviats de décharge des eaux usées, mais peuvent être adaptés pour une variété d'applications.

l'efficacité de la production de systèmes à grande échelle sont souvent prédits en utilisant de plus petites expériences à l'échelle; Cependant, plusieurs facteurs doivent être pris en considération pour déterminer l'exactitude de ces prédictions, comme on l'a montré échelle pour affecter les performances des bioprocédés. Par exemple, Junker (2004) a présenté les résultats d'une comparaison des huit réacteurs de fermentation de différentes tailles, allant de 30 L à 19.000 L, qui a montré que la productivité réelle au-pilotes ou commerciales échelles était presque toujours inférieures aux valeurs prévues à l'aide petite études -Scale 4. Inégalités dans la dimension de la cuve, la puissance de mélange, le type d'agitation, de la qualité des éléments nutritifs, et le transfert de gaz ont été prévus pour être leles principales causes de la diminution de la productivité 4. De même, il a été montré dans les réacteurs de la croissance d'algues que la croissance de la biomasse et de produits apparentés sont presque toujours réduits lorsque l' échelle est augmentée 6.

Les facteurs biologiques, physiques et chimiques changent avec la taille d'un réacteur, avec un grand nombre de ces facteurs qui influent sur l' activité microbienne à petite échelle différente de celle à plus grande échelle 2, 7. Comme la plupart des systèmes à grande échelle pour les algues, tels que les étangs de chemin de roulement, existe à l'extérieur, un facteur biologique à considérer est que les espèces et les bactériophages microbiens peuvent être introduits dans le milieu environnant, ce qui peut modifier les espèces microbiennes présentes et donc la fonction microbienne du système. L'activité de la communauté microbienne sera également sensible à des facteurs environnementaux, tels que la lumière et la température. les transferts de masse des gaz et des mouvements fluides sontdes exemples de facteurs physiques qui sont influencés dans l'échelle jusqu'à des processus microbiens. La réalisation de mélange idéal dans les petits réacteurs est facile; cependant, avec une échelle de plus en plus, il devient un défi de concevoir des conditions idéales de mélange. A plus grande échelle, les réacteurs sont plus susceptibles d'avoir des zones mortes, mélange non-idéal, et une efficacité réduite dans le transfert de masse 2. Depuis les algues sont des organismes photosynthétiques, la croissance commerciale doit tenir compte des changements dans l'exposition la lumière en raison de changements dans la profondeur de l'eau et de la surface lors de l'augmentation du volume. Haute densité de la biomasse et / ou des taux de transfert de masse faible peut entraîner une diminution des concentrations de CO 2 et l' augmentation des concentrations de O 2, les deux qui peuvent résulter de l'inhibition de la croissance de la biomasse 8. Les facteurs chimiques dans un système de croissance des algues sont entraînés par la dynamique du pH du milieu aquatique 2, qui est par conséquent affectée par des changements dans les composés de tamponnement du pH , tels que du CO dissous 9.

Cette étude présente un système de réacteur jumelé conçu pour réguler et comparer les conditions de croissance dans les vaisseaux de deux échelles différentes. Le protocole expérimental se concentre sur la quantification de traitement des lixiviats et la croissance des algues; cependant, il pourrait être adapté pour surveiller d' autres paramètres tels que les changements dans la communauté microbienne dans le temps ou le potentiel de séquestration du CO 2 des algues. Le protocole présenté ici a été conçu pour évaluer l'effet de l'échelle sur la croissance des algues et élimination de l'azote dans un système de traitement des lixiviats.

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Protocol

Configuration 1. Système

Remarque: Un «système jumelé» se réfère à un réservoir d'aquarium et un étang de chemin de roulement, fonctionner en parallèle.

  1. Pour un système jumelé, utilisez un des réservoirs 100 L aquariums (AT), avec un mélangeur de tête pour le navire à petite échelle, et un 1000 L piste étang (RWP), avec un mélangeur à roue à aubes pour le navire à grande échelle. Les navires utilisés dans ce système sont représentés sur la figure 1.
  2. Inoculer tous les navires ayant la même culture d'algues. Utiliser une haute densité de l'ensemencement, ce qui entraîne une densité finale non inférieure à 0,1 g / l , une fois dilué au volume maximal du réservoir 10 ou de l' étang. Il peut prendre une quantité considérable de temps (semaines à quelques mois) de croître assez d'algues pour cette étape.
  3. Utilisez le lixiviat de décharge non traitée comme source d'éléments nutritifs. Utilisez le lixiviat provenant d'une décharge qui accepte les déchets essentiellement domestique et a de faibles niveaux de toxines. Analyse de la composition du lixiviat devrait être disponible à partir du site d'enfouissement. Til quantité de lixiviat utilisé dans chaque réservoir ou bassin peut varier en fonction de la force des eaux usées, mais des concentrations finales d'ammoniac doivent mesurer 5-75 mg de NH 3 -N / L.
  4. Démarrer le réservoir de 100 L avec un aquarium volume de travail de 60 L, et le bassin de chemin de roulement avec un volume de travail de 600 L. Cette étude a commencé avec environ 1 L lixiviat dans 59 L d'eau dans le réservoir d'aquarium, et 10 L lixiviat dans 590 L d'eau dans l'étang de chemin de roulement. Augmenter la concentration de lixiviat utilisé au cours de cette étude.

Figure 1
Figure 1. Exemples d'un aquarium et un étang chemin de roulement. Un exemple d'un réservoir d'aquarium (A) et le chemin de roulement bassin (B) sont représentés. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

  1. Faire fonctionner le réservoir d'aquarium et un étang chemin de roulement que les réacteurs semi-discontinus avec des temps de rétention hydraulique de trois semaines. Chaque période d'échantillonnage couvre une semaine.
  2. Prenez un échantillon de 125 ml de chaque récipient. Ceci est le début de l'échantillon de semaine. Les échantillons d'essai selon le protocole d'analyse des échantillons dans les sections 3.1-3.3.
  3. A la fin de la semaine, prendre 125 échantillons mL de chaque récipient pour analyse. Une fois que les échantillons de fin de semaine ont été prises, vider la totalité du volume du réservoir d'aquarium dans le bassin de chemin de roulement.
    1. Une fois par semaine, pomper le volume entier du réservoir d'aquarium dans le bassin de chemin de roulement.
  4. Retirer un tiers du volume (pour un temps de rétention hydraulique moyenne de 3 semaines) à partir du bassin de chemin de roulement. Remplacer le volume enlevé avec de l'eau et du lixiviat non traité.
  5. Transférer environ 60 L de l'étang de chemin de roulement dans le réservoir d'aquarium. Cela garantit que l'aquarium bronzagek et l'étang de chemin de roulement commencent avec les mêmes conditions nutritives et biologiques chaque semaine.
  6. Prendre 125 échantillons mL de tous les navires pour l'analyse des conditions de départ pour la semaine prochaine.

3. Analyse de l'échantillon

  1. Testez tout de début de la semaine et de fin de la semaine des échantillons pour l'ammoniac-N, N-nitrate, nitrite-N, et la densité de la biomasse.
  2. Mesurer la biomasse par le total des solides en suspension standards (TSS) de protocole, ASTM-D5907, à l'aide de 0,45 um filtres.
    1. Tout d'abord la pesée d'un papier filtre, puis filtrer 20-40 ml d'échantillon à l'aide d'un système de filtration sous vide. Sécher le papier biomasse / filtre dans un four à 105 ° C pendant une heure, ou jusqu'à ce que le poids du papier biomasse / filtre ne change plus.
    2. Peser papier biomasse / filtre, et de soustraire la masse initiale du papier filtre. Diviser cette masse par le volume filtré pour calculer la densité de la biomasse. Exécutez en double 11.
  3. Mesurer l'ammoniac,nitrate et du nitrite par spectrophotométrie en utilisant un spectrophotomètre.
    1. Utilisez 100 pi d'échantillon dans le kit de méthode commerciale pour déterminer la concentration d'ammoniac. Reportez-vous au protocole du fabricant.
    2. Utiliser 1 ml d'échantillon dans le kit de méthode commerciale pour déterminer la concentration de nitrate. Reportez-vous au protocole du fabricant.
    3. Utilisez 10 ml d'échantillon dans le kit de méthode commerciale pour déterminer la concentration de nitrite. Reportez-vous au protocole du fabricant.
  4. Surveiller les conditions environnementales (température de l'air, le rayonnement solaire, la vitesse du vent) en utilisant une station météo commerciale, ainsi que le réservoir / conditions de l'étang (température de l'eau, le pH, l'oxygène dissous) à l'aide de sondes commerciales et enregistreur de données. Reportez-vous au protocole du fabricant.

4. Analyse statistique des résultats

  1. Déterminer si les données recueillies sont statistiquement normal. Déterminer la normalité de l'ensemble de données en utilisant un QQ plot 12
  2. Déterminer les corrélations entre les paramètres à l' aide r de Pearson ou de p de Spearman pour les données, respectivement 13 normales et non normales. paramètres de corrélation devraient comprendre au moins les paramètres suivants: concentration initiale d'ammoniac, la concentration initiale totale d'azote, la densité de la biomasse initiale, le taux d'élimination de l'ammoniac, le taux global d'élimination d'azote, le taux de croissance de la biomasse, et toutes les conditions environnementales.

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Representative Results

Le but de cette étude est de comparer la croissance de la biomasse et des capacités d'élimination des nutriments des cultures d'algues cultivées dans des réacteurs de petite et à grande échelle. Cette étude utilise deux systèmes appariés, dénommé système 1 et système 2, de dupliquer ses conclusions. Ces résultats représentatifs sont d'une période de 8 semaines, Février à Avril 2016. Le premier étang de chemin de roulement a été inoculé avec des algues à l' origine provenant d' un bassin en plein air à Philadelphie, PA 14. Cette culture a été cultivée jusqu'à une densité élevée dans un réservoir d'aquarium. Cette inoculation a donné lieu à une densité de biomasse de 0,12 g / L dans le RWP. Au bout de 2,5 semaines, le deuxième bassin de chemin de roulement et un réservoir d'aquarium ont été inoculées, ce qui entraîne à partir des densités de biomasse d'environ 0,18 g / l. Après quelques semaines, tous les ATs et RWP ont été mélangés ensemble pour une densité de biomasse uniforme et population microbienne entre tous les navires; le fonctionnement et la surveillance régulière a commencé comme décrit dans ce qui précèdeprotocole.

Début et de fin des paramètres ont été mesurés sur une base hebdomadaire , comme décrit dans la section Analyse d'échantillon 15. Les conditions initiales pour la biomasse, l' ammoniac et les concentrations en azote total dans tous les navires ont varié de 0,2 à 1,0 g / l, 3,1 à 14 mg de NH 3 -N / L, et de 8,1 à 20,1 mg N / L, respectivement. La moyenne et l' écart type des taux de retrait et de croissance enregistrés de chaque navire sont présentés dans le tableau 1. Ces conditions ont donné des taux de croissance de la biomasse, et de l'ammoniac et le total des taux d'élimination de l'azote allant de -0,04 à 0,07 g / L / jour, 0,39 à 1,61 mg N / L / jour, et de 0,26 à 1,47 mg N / L / jour, respectivement de tous quatre navires. Taux d'élimination de l' azote hebdomadaires et les taux de système 1 et système 2 croissance de la biomasse peut être vu dans la figure 2.

Figure 2
Figure2. Résumé de la productivité au cours de la période d'étude représentative. Les taux d'élimination de l' ammoniac (A), le total des taux d'élimination de l' azote (B), et les taux de croissance de la biomasse (C) sont présentés dans le haut, au milieu et en bas des panneaux, respectivement. Les résultats du système 1 sont présentés sur la gauche, et le système 2 sur la droite. Les résultats des réservoirs d'aquariums et des étangs de chemin de roulement sont représentés sur tous les graphiques par X et Δ, respectivement. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Les corrélations statistiques ont été utilisés pour comparer les paramètres et identifier les tendances possibles. Les paramètres d'entrée sont les suivants: concentration initiale d'ammoniac, la concentration initiale en nitrate, concentration de nitrite initiale, la concentration initiale totale d'azote, concentration initiale de la biomasse, l'ammoniac remtaux ovale, le taux d'élimination du nitrate, taux d'élimination du nitrite, taux global d'élimination d'azote, le taux de croissance de la biomasse, la température de l'eau, le pH. Les données recueillies n'a pas été statistiquement normale afin de Spearman rho, la corrélation non paramétrique, a été utilisé. La plus forte corrélation significative se situait entre le taux d'élimination initiale de la concentration d'ammoniac et l'ammoniac (ρ = 0,90). La tendance entre la concentration initiale d'ammoniac et le taux d'élimination de l' ammoniac peut être vu sur la figure 3.

figure 3
Figure 3: Ammoniac remova fo: keep-together.within-page = "1" l taux en fonction de la concentration initiale d'ammoniac. Les données de tous les navires au cours des 8 semaines représentatives sont présentées. Ligne de tendance R 2 = 0,76. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Ammoniac Taux d'enlèvement (mgN / L) Azote total Taux d'enlèvement (mgN / L) Taux de croissance de la biomasse (g de biomasse / L)
RWP 1 0,95 ± 0,36 0,79 ± 0,38 0,013 ± 0,029
RWP 2 1,08 ± 0,30 1,01 ± 0,21 0,034 ± 0,036
Aquarium Réservoir 1 0,87 ± 0,23 0,803 ± 0,30 0,005 ± 0,028
Aquarium réservoir 2 0,88 ± 0,33 0,94 ± 0,22 0,015 ± 0,019

Tableau 1. Moyenne ± écart type des taux de productivité dans individuellenavires.

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Discussion

La performance du système:

Au cours d'une étude de 8 semaines, la productivité des navires à petite et grande échelle dans un système ont été comparés. Dans cet azote de l'étude et les taux d'élimination de l'ammoniac et des taux de croissance de la biomasse ont été utilisés comme mesures de la productivité du système de traitement. Le système a été exploité comme un réacteur semi-discontinu, où chaque semaine a été utilisé dans des conditions discrètes. Les résultats représentatifs représentent les 8 premières semaines de fonctionnement du système, mais une étude complète se prolongerait pendant des périodes plus longues pour tenir compte de la variabilité saisonnière dans des conditions environnementales.

La méthodologie décrite ci-dessus appelle à mélanger le système couplé (navires à petite et grande échelle), ainsi que tous les 7 jours. Par conséquent, la différence de productivité entre les deux échelles au cours de cette période dépend uniquement des conditions différentes dans les deux navires de taille. Par exemple, si l'exposition à la lumière dans l'un des réacteurs est signifificativement moins que dans l'autre, les taux de croissance de la biomasse seront très différents. Les zones mortes dues à un mélange incomplet, transfert de masse pauvre, CO 2 variable ou le pH, ainsi que toutes autres conditions discordants entre les deux échelles pourraient entraîner des différences dans la productivité des navires dans les systèmes appariés.

D'autre part, si les valeurs de la productivité des navires de petite et à grande échelle dans chaque système sont égaux, alors il est probable que le navire à petite échelle crée des conditions de croissance similaires à celles du navire à grande échelle ou des différences entre les deux différents réacteurs mis à l'échelle affectent la productivité négligeable. Dans cette situation, les valeurs du système à petite échelle seraient probablement prédicteurs représentatifs de la productivité dans un système à pleine échelle.

La capacité de ce système de traitement a été évaluée en fonction de sa capacité à éliminer l'azote. Les corrélations statistiques entre tous les facteurs ont révélé une forte, co positifrrelation (ρ = 0,90) entre la concentration en ammoniac de départ et du taux d'élimination de l'ammoniac. Cette même corrélation positive a été observée dans une étude antérieure menée dans les réservoirs de 14 aquariums. Cette tendance positive entre le taux d'élimination de l' ammoniac et la concentration d'ammoniac de départ peut être vu dans la figure 3, qui comprend des données recueillies auprès de tous les RWPs et ATs. Les taux des deux types de navires d'élimination de l'azote peuvent être comparés pour identifier les tendances propres à l'échelle une fois les données ont été recueillies.

paramètres du réacteur variables:

les variables clés du réacteur comprennent la surface au rapport de volume et de temps de séjour. Les réacteurs ont été opérés d'une manière semi-discontinu, avec un mélange complet des petits et des gros vaisseaux et 1/3 remplacement du volume total du système de réacteur tous les 7 jours. Alors que la période de mélange dans cette étude était d'une semaine, comme indiqué dans la section 2.3, cette fois pourrait être modifié en fonction de la croissance et nutrtaux ient de consommation des cultures photosynthétiques, ainsi que l'application ultime du système à pleine échelle. La surface au rapport de volume, qui peut être modifié en changeant le volume, aura une influence sur le taux de transfert de masse de gaz ainsi que l'exposition de lumière pour les organismes photosynthétiques.

Le volume de l'étang de chemin de roulement et un réservoir d'aquarium de chaque système ont été mélangés au début de chaque semaine pour faire en sorte que les conditions de démarrage, en particulier la culture de l'inoculum, dans les deux échelles sont égales. La longueur du temps entre le mélange des deux récipients peuvent être modifiés en fonction de l'application. Comme la plupart des algues sont relativement lente croissance des micro-organismes, une semaine est recommandé comme le plus court laps de temps qui doit être utilisé. Une période de temps entre le mélange plus long peut révéler une certaine variation de la productivité due à de petites différences dans les conditions environnementales entre les deux échelles. Trop de temps entre le mélange des échelles permettrait la microbienles communautés à diverger de façon significative, au moment où la comparaison entre les échelles ne serait plus précise des conditions du réacteur. Même lors de l'extension de la durée de temps entre le mélange des deux échelles, il est important d'effectuer plusieurs répétitions afin de vérifier que toute différence (ou l'absence de différences) dans productivités est importante.

La surface spécifique de rapport de volume peut être modifié en ajustant le volume de travail. Ce ratio impacts du transfert de masse de gaz dans et hors du navire, ainsi que la quantité de lumière les algues est exposé à. En fonction du type de navire, l'aire de surface au rapport de volume (SA: V) et la lumière la surface exposée au rapport de volume (LE-SA: V) peut être différente. Dans cette étude, les parois des réservoirs d'aquariums sont transparents, permettant à la lumière de tous les côtés et par le haut, alors que le transfert de gaz ne se produira à travers la surface de l'eau, ce qui signifie la SA: V et le LE-SA: V sont inégales. Cependant, les étangs de chemin de roulement utilisésdans cette étude ont des parois opaques, de sorte que le SA: V et LE-SA: V sont égales.

En se concentrant sur l' échelle jusqu'à, la lumière surface exposée au volume (LE-SA: V) Le ratio est important 1, 7. Une culture d'algues dense se traduira par la pénétration de la lumière minimale au-delà des quelques premiers centimètres d'eau. Le mélange continu d'une culture dense et un haut LE-SA: rapport V va augmenter l'exposition globale de la lumière et devrait se traduire par une hausse des rendements de production. Le mélange continu sera également aide dans le transfert de masse de gaz. Pour vérifier que le navire à petite échelle prédit avec précision la productivité à grande échelle d'une étude comparative complète devrait être fait.

contraintes de réacteurs:

Lors de la mise en place et l'exploitation de ce système pour la première fois il y a quelques choses qui peuvent causer des difficultés. Tout d'abord, il est très important d'avoir au moins 0,1 g / L de biomasse algale dans tout récipient lors de l'intensification. Si lala densité est trop faible, il est très probable que les algues inoculés mourront rapidement 10. D' autre part, ce système peut traiter des concentrations élevées d'ammoniac, mais la concentration en ammoniac d'entrée doit être augmentée lentement au fil des semaines 14, 16, 17. Dans cette étude, la concentration d'ammoniac d'entrée a été soulevée à un taux très conservateur, une augmentation approximative de 10 mgN / L toutes les 3 semaines. Enfin, tout en contrôlant toutes les espèces d'azote dissous, il est important que les concentrations en nitrite sont maintenus bas. Nitrites peut être toxique pour les algues et d' autres organismes à des concentrations élevées 18. Si les concentrations de nitrite augmentent au-dessus de 150 mg N / l, puis un volume supplémentaire doit être éliminé et remplacé par l'eau pour diluer la concentration de nitrite toxiques.

Les applications potentielles:

Cette méthodologie peut être appliquée à Verifier l'exactitude des données d'entrée utilisées pour simuler les processus de production à grande échelle dans les évaluations du cycle de vie (ACV) et les analyses technico-économiques (ATT) des systèmes de production à grande échelle. Souvent, la croissance de la biomasse et des taux d'études à petite échelle la consommation de nutriments surestiment les capacités d'un système à grande échelle. Malgré cela, la grande majorité des ACV et Thés utiliser des valeurs d'entrée des études à petite échelle pour prédire les valeurs de production à grande échelle pour leur estimation des technologies à grande échelle 19, 20, 21, 22, 23. Avant d'utiliser les résultats des études à petite échelle de cette manière, il convient de vérifier que ces résultats sont une bonne représentation de ce que l'on peut attendre d'un système à pleine échelle. À l'heure actuelle, il n'y a pas de méthode normalisée pour la collecte de données pour les études prédictives des systèmes à grande échelle. La méthodologie présentée icipourrait être appliqué comme une étude de vérification.

Dans cette étude, l'élimination de l'azote et la croissance de la biomasse ont été utilisées comme paramètres pour la détermination de l'efficacité du traitement. Ce système pourrait être facilement adapté à d'autres applications, y compris d'autres flux de déchets (eaux usées domestiques ou agricoles), suivis pour d'autres paramètres (DBO, métaux lourds, l'élimination des agents pathogènes), les observations sur les changements dans la communauté microbienne, ou modifiée d'un réacteur semi-discontinu un système de réacteur en continu mixte. Dans l'une de ces applications, le protocole décrit ici peut être utilisé pour évaluer les systèmes de laboratoire à l'échelle et à plus grande échelle.

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Disclosures

Les auteurs n'ont rien à dévoiler.

Acknowledgments

Les auteurs tiennent à remercier le Sandtown Landfill à Felton, DE pour partager leurs connaissances et les lixiviats.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Aquarium Tank Any 100+ L aquarium tank with optically clear glass can be used
RW 3.5 MicroBio Engineering Raceway Pond
Eurostar 100 digital IKA 4238101 Overhead mixers
Leachate Sandtown Landfill
Sampling Bottles Nalgene Plastic or glass, lab grade, 125-200 mL
Transfer Pumps Garden type pump with drinking water quality hoses will be suitable
AmVer Salicylate Test 'N Tube Hach 2606945 High Range Ammonia Tests
NitraVer X Nitrogen - Nitrate Reagent Set  Hach 2605345 High Range Nitrate Tests
NitriVer 2 Nitrite Reagent Powder Pillows Hach 2107569 High Range Nitrite Tests
Hach DR2400 Spectrophotmeter Hach The DR2400 was discontinued, but any DR series Hach spectrophotometer can be used in this application. 
EMD Microbiological Analysis Membrane Filters Millipore HAWG047S6 0.45 µm filters

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References

  1. Janssen, M., Tramper, J., Mur, L. R., Wijffels, R. H. Enclosed outdoor photobioreactors: light regime, photosynthetic efficiency, scale-up, and future prospects. Biotechnol. Bioeng. 81 (2), 193-210 (2003).
  2. Takors, R. Scale-up of microbial processes: impacts, tools and open questions. J. Biotechnol. 160 (1), 3-9 (2012).
  3. Sauer, M., Porro, D., Mattanovich, D., Branduardi, P. Microbial production of organic acids: expanding the markets. Trends in Biotechnol. 26 (2), 100-108 (2008).
  4. Junker, B. H. Scale-up methodologies for Escherichia coli and yeast fermentation processes. J. Biosci. Bioeng. 97 (6), 347-364 (2004).
  5. Brennan, L., Owende, P. Biofuels from microalgae-a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable Sustainable Energy Rev. 14 (2), 557-577 (2010).
  6. Van Den Hende, S., Beelen, V., Bore, G., Boon, N., Vervaeren, H. Up-scaling aquaculture wastewater treatment by microalgal bacterial flocs: from lab reactors to an outdoor raceway pond. Bioresour. Technol. 159, 342-354 (2014).
  7. Hewitt, C. J., Nienow, A. W. The Scale-Up of Microbial Batch and Fed-Batch Fermentation Processes. Adv Appl Microbiol. 62, 105-135 (2007).
  8. Downton, W., Bishop, D., Larkum, A., Osmond, C. Oxygen Inhibition of Photosynthetic Oxygen Evolution in Marine Plants. Funct Plant Biol. 3 (1), 73-79 (1976).
  9. Pholchan, M. K., Baptista, J. dC., Davenport, R. J., Curtis, T. P. Systematic study of the effect of operating variables on reactor performance and microbial diversity in laboratory-scale activated sludge reactors. Water Res. 44 (5), 1341-1352 (2010).
  10. Richmond, A. Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology. , John Wiley & Sons. (2008).
  11. Clesceri, L. S., et al. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , American Public Health Association. (1998).
  12. Statistics for Macintosh v.23.0. , IBM Corp. Armonk, NY. (2015).
  13. Devore, J. L. Probability and Statistics for Engineering and the Sciences. , Cengage Learning. (2015).
  14. Sniffen, K. D., Sales, C. M., Olson, M. S. Nitrogen removal from raw landfill leachate by an algae-bacteria consortium. Water Sci. Technol. 73 (3), 479-485 (2015).
  15. Paerl, H. W., Fulton, R., Moisander, P. H., Dyble, J. Harmful freshwater algal blooms, with an emphasis on cyanobacteria. Scientific World J. 1, 76-113 (2001).
  16. Abeliovich, A., Azov, Y. Toxicity of Ammonia to Algae in Sewage Oxidation Ponds. Appl. Environ. Microbiol. 31 (6), 801-806 (1976).
  17. Azov, Y., Goldman, J. C. Free ammonia inhibition of algal photosynthesis in intensive cultures. Appl. Environ. Microbiol. 43 (4), 735-739 (1982).
  18. Adamsson, M., Dave, G., Forsberg, L., Guterstam, B. Toxicity identification evaluation of ammonia, nitrite and heavy metals at the Stensund Wastewater Aquaculture Plant, Sweden. Water Sci. Technol. 38 (3), 151-157 (1998).
  19. Quinn, J. C., Davis, R. The potentials and challenges of algae based biofuels: a review of the techno-economic, life cycle, and resource assessment modeling. Bioresour. Technol. 184, 444-452 (2015).
  20. Liu, X., et al. Pilot-scale data provide enhanced estimates of the life cycle energy and emissions profile of algae biofuels produced via hydrothermal liquefaction. Bioresour. Technol. 148, 163-171 (2013).
  21. Van Den Hende, S., et al. Treatment of industrial wastewaters by microalgal bacterial flocs in sequencing batch reactors. Bioresour. Technol. 161, 245-254 (2014).
  22. Rawat, I., Kumar, R. R., Mutanda, T., Bux, F. Biodiesel from microalgae: A critical evaluation from laboratory to large scale production. Appl. Energy. 103, 444-467 (2013).
  23. Cloern, J. E. The relative importance of light and nutrient limitation of phytoplankton growth: a simple index of coastal ecosystem sensitivity to nutrient enrichment. Aquat Ecol. 33 (1), 3-15 (1999).

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Sciences de l'environnement numéro 121 élimination des nutriments la croissance des algues de la biomasse l'échelle l'élimination de l'ammoniac de l'azote les eaux usées d'assainissement à grande échelle
Comparaison de l'échelle dans un système de réacteur photosynthétique pour algales assainissement des eaux usées
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Sniffen, K. D., Sales, C. M., Olson, … More

Sniffen, K. D., Sales, C. M., Olson, M. S. Comparison of Scale in a Photosynthetic Reactor System for Algal Remediation of Wastewater. J. Vis. Exp. (121), e55256, doi:10.3791/55256 (2017).

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