Summary
ويقدم منهجية تجريبية لمقارنة أداء صغير (100 لتر) وكبيرة (1000 لتر) حجم المفاعلات مصممة لمعالجة الطحالب من مياه الصرف الصحي المكب. خصائص النظام، بما في ذلك منطقة السطح إلى نسبة الحجم، الوقت الاحتفاظ، كثافة الكتلة الحيوية، وتركيزات تغذية مياه الصرف الصحي، ويمكن تعديلها بناء على الطلب.
Abstract
ويقدم منهجية تجريبية لمقارنة أداء مفاعلين مختلفة الحجم والمصممة لمعالجة مياه الصرف الصحي. في هذه الدراسة، وتتم مقارنة إزالة الأمونيا، وإزالة النيتروجين ونمو الطحالب على مدى فترة 8 أسابيع في مجموعات يقترن المفاعلات الصغيرة (100 لتر) وكبيرة (1000 لتر) مصممة لمعالجة الطحالب من مياه الصرف الصحي المكب. وتباينت محتويات المفاعلات الصغيرة والكبيرة قبل بداية كل اختبار الفاصل الأسبوعي للحفاظ على الظروف الأولية تعادل في المقياسين. خصائص النظام، بما في ذلك منطقة السطح إلى نسبة الحجم، الوقت الاحتفاظ، كثافة الكتلة الحيوية، وتركيزات تغذية مياه الصرف الصحي، ويمكن تعديلها لتحقيق التعادل أفضل الظروف التي تحدث في كل المقاييس. خلال قصيرة لمدة 8 أسابيع فترة زمنية تمثيلية، تراوحت بدءا الأمونيا ومجموع تركيزات النيتروجين 3،1 حتي 14 ملغ NH 3 -N / L، و8،1-20،1 ملغم N / لتر على التوالي. أداء نظام المعالجة تم تقييم على أساسقدرته على إزالة الأمونيا والنيتروجين الكلي، وإنتاج الكتلة الحيوية الطحالب. يعني ± الانحراف المعياري لإزالة الأمونيا، ومجموع إزالة النيتروجين ومعدلات نمو الكتلة الحيوية كانت 0.95 ± 0.3 ملغ NH 3 -N / L / اليوم، 0.89 ± 0.3 ملغ N / L / يوم، و 0.02 ± 0.03 جم الكتلة الحيوية / L / يوم، على التوالي. وأظهرت جميع السفن وجود علاقة إيجابية بين تركيز الأمونيا والأمونيا معدل إزالة الأولي (R 2 = 0.76). المقارنة بين الكفاءة العملية وإنتاج القيم المقاسة في المفاعلات الحجم مختلفة قد تكون مفيدة في تحديد ما إذا كانت البيانات التجريبية مختبر مقياس مناسب للتنبؤ قيم الإنتاج على نطاق تجاري.
Introduction
ترجمة البيانات مقاعد البدلاء النطاق لتطبيقات على نطاق أوسع هو خطوة رئيسية في تسويق العمليات الحيوية. كفاءة الإنتاج في أنظمة المفاعل على نطاق صغير، لا سيما تلك التي تركز على استخدام الكائنات الحية الدقيقة، وقد ثبت أن توقع على الدوام الكفاءات التي تحدث في النظم على نطاق تجاري 1، 2، 3، 4. وجود تحديات أيضا في زيادة زراعة الضوئي من الطحالب والبكتيريا الزرقاء من نطاق المختبر على النظم الكبيرة لغرض تصنيع منتجات عالية القيمة، مثل مستحضرات التجميل والمستحضرات الصيدلانية، لإنتاج الوقود الحيوي، ولمعالجة مياه الصرف الصحي. الطلب على إنتاج الطحالب الكتلة الحيوية على نطاق واسع ينمو مع الصناعة الناشئة للطحالب في الوقود الحيوي، والمستحضرات الصيدلانية / المغذيات، وعلف الماشية 5. المنهجية الواردة فيوتهدف هذه المخطوطة لتقييم تأثير زيادة حجم نظام مفاعل الضوئي على معدل نمو الكتلة الحيوية وإزالة المغذيات. نظام المقدمة هنا يستخدم الطحالب لإصلاح مياه الصرف الصحي المكب العصارة ولكن يمكن تكييفها لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
وغالبا ما توقع الكفاءة الإنتاجية للنظم على نطاق واسع باستخدام التجارب على نطاق أصغر. ومع ذلك، يجب النظر في عدة عوامل لتحديد دقة هذه التنبؤات، كما ثبت على نطاق وتؤثر على أداء العمليات الحيوية. على سبيل المثال، قدم يونكر (2004) نتائج المقارنة بين ثمانية مفاعلات التخمير مختلفة الحجم، تتراوح من 30 لتر إلى 19000 لتر، والتي أظهرت أن الإنتاجية الفعلية في pilot- أو تجارية موازين كانت دائما تقريبا أقل من القيم وتوقعت باستخدام الصغيرة دراسات -scale 4. وتوقع التفاوت في البعد السفينة، قوة مختلطة، نوع الإثارة، وجودة المواد الغذائية، ونقل الغاز لتكونالأسباب الرئيسية لانخفاض الإنتاجية 4. وبالمثل، فقد تبين في المفاعلات نمو الطحالب التي نمو الكتلة الحيوية والمنتجات ذات الصلة الكتلة الحيوية ونحو تخفيض دائما عند زيادة نطاق 6.
العوامل البيولوجية والفيزيائية، والكيميائية تتغير مع حجم المفاعل، مع العديد من هذه العوامل التي تؤثر على النشاط الميكروبي في جداول صغيرة بشكل مختلف عما في نطاقات أوسع 2 و 7. وبما أن معظم أنظمة واسعة النطاق للطحالب، مثل البرك القناة، موجودة في الهواء الطلق، عامل بيولوجي واحد للنظر هو أن الأنواع الميكروبية والبكتيريا يمكن إدخال من البيئة المحيطة بها، الأمر الذي قد يغير الأنواع الميكروبية الحاضر، وبالتالي وظيفة الميكروبية لل النظام. ونشاط المجتمع الميكروبي يكون أيضا حساسية للعوامل البيئية مثل الضوء ودرجة الحرارة. نقل جماعي للغازات والسوائل والحركةأمثلة من العوامل المادية التي تتأثر في نطاق يصل عمليات الميكروبية. تحقيق خلط مثالي في مفاعلات صغيرة من السهل. ولكن، مع زيادة الحجم، ويصبح تحديا لهندسة الظروف خلط مثالية. في نطاقات أوسع، هي أكثر عرضة للمناطق ميتة، خلط غير مثالية، وانخفاض الكفاءة في نقل الجماعي 2 المفاعلات. منذ الطحالب هي كائنات التمثيل الضوئي، يجب النمو التجاري لحساب التغيرات في التعرض للضوء نتيجة للتغيرات في عمق المياه ومساحة السطح عند زيادة حجم. كثافة الكتلة الحيوية العالية و / أو انخفاض معدلات نقل الجماعي يمكن أن يسبب انخفاض CO 2 تركيزات وزيادة تركيز O 2، وكلاهما قد يؤدي إلى تثبيط نمو الكتلة الحيوية 8. هي التي تحرك العوامل الكيميائية في نظام نمو الطحالب التي كتبها ديناميات الرقم الهيدروجيني للبيئة المائية 2، والذي يتأثر بالتالي تغيرات في مجمعات التخزين المؤقت الأس الهيدروجيني مثل ثاني أكسيد الكربون المذاب
تقدم هذه الدراسة نظام مفاعل يقترن تهدف إلى تنظيم ومقارنة ظروف النمو في الأوعية اثنين من مستويات مختلفة. ويركز البروتوكول التجريبي على قياس معالجة الراشح ونمو الطحالب. ومع ذلك، يمكن تكييفه لمراقبة مقاييس أخرى مثل التغييرات في المجتمع الميكروبي مع مرور الوقت أو عزل إمكانية CO 2 من الطحالب. تم تصميم بروتوكول المعروضة هنا لتقييم تأثير الحجم على نمو الطحالب وإزالة النيتروجين في نظام معالجة العصارة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
إعداد 1. نظام
ملاحظة: A 'نظام يقترن' يشير إلى خزان ماء واحد وبركة القناة واحدة، بالتوازي.
- لنظام الاقتران واحد، استخدم إحدى الدبابات 100 L أحواض (AT)، مع خلاط علوي للسفينة صغيرة الحجم، واحد القناة بركة 1000 L (RWP)، مع خلاط نواعير للسفينة على نطاق واسع. والمصورة السفن المستخدمة في هذا النظام في الشكل 1.
- تطعيم جميع السفن مع الثقافة الطحالب نفسها. استخدام كثافة عالية من التلقيح، مما أدى إلى الكثافة النهائية لا تقل عن 0.1 غرام / لتر مرة واحدة مخففة لحجم الكامل في خزان أو بركة 10. قد يستغرق وقتا طويلا (أسابيع إلى أشهر) لزراعة ما يكفي من الطحالب لهذه الخطوة.
- استخدام غير المعالجة العصارة مكب النفايات كمصدر المغذيات. استخدام العصارة مأخوذة من موقع لطمر النفايات التي تقبل النفايات معظمها المحلية ولديها مستويات منخفضة من السموم. وينبغي أن يكون تحليل لبنية للالعصارة المتاحة من المكب. تي انه كمية العصارة المستخدمة في كل خزان أو بركة يمكن أن تختلف تبعا لقوة مياه الصرف الصحي، ولكن ينبغي أن تركيزات الأمونيا النهائية قياس 5-75 ملغ NH 3 -N / L.
- بدء تشغيل خزان أحواض 100 L مع حجم العمل 60 L، والبركة القناة مع حجم العمل 600 لتر. بدأت هذه الدراسة مع ما يقرب من 1 L الراشح في 59 لتر من الماء في الخزان الأحواض المائية، و 10 العصارة لتر في 590 لتر من الماء في البركة القناة. زيادة تركيز العصارة استخدامها على مدار هذه الدراسة.
الشكل 1. أمثلة من خزان ماء وبركة القناة. وتظهر مثال على خزان ماء (A) وبركة القناة (B). الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
= "jove_title"> 2. عملية الأسبوعية وأخذ العينات
- تشغيل خزان الأحواض المائية وبركة القناة كما المفاعلات شبه دفعة مع الاحتفاظ مرات الهيدروليكية من ثلاثة أسابيع. كل فترة أخذ العينات تمتد مدة أسبوع واحد.
- خذ 125 مل عينة من كل سفينة. وهذا هو بداية نموذج الأسبوع. عينات الاختبار وفقا لبروتوكول تحليل عينة في أقسام 3،1-3،3.
- في نهاية الأسبوع، واتخاذ 125 عينات مل من كل سفينة لتحليلها. بعد أن تم أخذ العينات نهاية الأسبوع، تفريغ كامل حجم خزان ماء في بركة القناة.
- مرة واحدة في الأسبوع، ضخ كامل حجم خزان ماء في بركة القناة.
- إزالة ثلث حجم (لمتوسط الوقت الاحتفاظ الهيدروليكي من 3 أسابيع) من البركة القناة. استبدال حجم إزالتها بالماء والعصارة غير المعالجة.
- نقل ما يقرب من 60 لتر من البركة القناة مرة أخرى إلى خزان ماء. هذا يضمن أن الحوض تانك وبركة القناة بدأت مع نفس الظروف الغذائية والبيولوجية كل أسبوع.
- أخذ عينات 125 مل من جميع السفن لتحليل الأوضاع انطلاق للأسبوع القادم.
تحليل 3. عينة
- اختبار جميع بداية من بين الأسبوع ونهاية أيام الأسبوع عينات للأمونيا-N، نترات-N، النتريت-N، وكثافة الكتلة الحيوية.
- قياس الكتلة الحيوية من مجموع المواد الصلبة العالقة القياسية بروتوكول (TSS)، ASTM-D5907، وذلك باستخدام 0.45 ميكرون مرشحات.
- أولا وزن ورقة الترشيح وثم تصفية 20-40 مل من العينة باستخدام نظام فراغ الترشيح. تجفيف الورق الكتلة الحيوية / تصفية في الفرن على 105 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة، أو حتى وزن الورق الكتلة الحيوية / فلتر التغييرات لم تعد.
- وزن الورق الكتلة الحيوية / فلتر، وطرح الكتلة الأولية من ورقة الترشيح. تقسيم هذه الكتلة من حجم تصفيتها لحساب كثافة الكتلة الحيوية. تشغيل في مكررة 11.
- قياس الأمونيا،النترات، والنتريت طيفيا باستخدام معمل.
- استخدام 100 ميكرولتر من العينة في هذه المجموعة طريقة التجارية لتحديد تركيز الأمونيا. الرجوع إلى بروتوكول الشركة المصنعة.
- استخدام 1 مل من العينة في هذه المجموعة طريقة التجارية لتحديد تركيز النترات. الرجوع إلى بروتوكول الشركة المصنعة.
- استخدام 10 مل من العينة في هذه المجموعة طريقة التجارية لتحديد تركيز النتريت. الرجوع إلى بروتوكول الشركة المصنعة.
- رصد الأحوال البيئية (درجة حرارة الهواء وأشعة الشمس وسرعة الرياح) باستخدام محطة الأرصاد الجوية التجارية وكذلك خزان / ظروف الحوض (درجة حرارة الماء، ودرجة الحموضة، الأوكسجين المذاب) باستخدام مجسات التجارية ومسجل بيانات. الرجوع إلى بروتوكول الشركة المصنعة.
4. التحليل الإحصائي للنتائج
- تحديد ما إذا كانت البيانات التي تم جمعها أمر طبيعي إحصائيا. تحديد طبيعتها من مجموعة البيانات باستخدام QQ مؤامرة 12
- تحديد العلاقات المتبادلة بين المعلمات باستخدام ص بيرسون أو ص سبيرمان للبيانات العادية وغير العادية، على التوالي 13. وينبغي أن تتضمن المعلمات ارتباط على الأقل المعلمات التالية: التركيز الأولي الأمونيا، والتركيز الكلي النيتروجين الأولي، كثافة الكتلة الحيوية الأولية، ومعدل إزالة الأمونيا، ومعدل إزالة النيتروجين، ومعدل نمو الكتلة الحيوية، وجميع الظروف البيئية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
والهدف من هذه الدراسة هو مقارنة نمو الكتلة الحيوية وقدرات إزالة المغذيات من الثقافات الطحالب التي تزرع في المفاعلات الصغيرة وعلى نطاق واسع. تستخدم هذه الدراسة نظامين تقرن، ويشار إلى نظام 1 و 2 نظام، لتكرار النتائج التي توصلت إليها. هذه النتائج هي تمثيلية من فترة 8 أسابيع، فبراير وحتى شهر نيسان، تم تلقيح 2016. أول بركة القناة مع الطحالب مصدرها أصلا من بركة في الهواء الطلق في فيلادلفيا، PA 14. وقد نمت هذه الثقافة إلى كثافة عالية في خزان ماء. أدى هذا التلقيح في كثافة الكتلة الحيوية من 0.12 غرام / لتر في RWP. بعد 2.5 أسابيع، تم تلقيح البركة القناة الثانية وخزان ماء، مما أدى إلى بدء كثافة الكتلة الحيوية من حوالي 0.18 جرام / لتر. بعد بضعة أسابيع، كل أفرقة التقييم وRWPs كانت مختلطة معا من أجل كثافة الكتلة الحيوية موحدة والميكروبات بين جميع السفن. بدأت عملية منتظمة ومراقبة كما هو موضح في أعلاهبروتوكول.
تم قياس البداية والنهاية المعلمات على أساس أسبوعي كما هو موضح في قسم تحليل 15 عينة. وتراوحت الشروط الأولية للكتلة الحيوية، والأمونيا، ومجموع تركيزات النيتروجين في جميع السفن 0،2-1،0 غرام / لتر، 3،1 حتي 14 ملغ NH 3 -N / L، و8،1-20،1 ملغم N / لتر على التوالي. يتم عرض المتوسط والانحراف المعياري لمعدلات إزالة والنمو المسجلة من كل سفينة في الجدول 1. أسفرت هذه الشروط معدلات نمو الكتلة الحيوية، والأمونيا، ومجموع معدلات إزالة النيتروجين تتراوح بين -0.04-0.07 غرام / لتر / يوم، 0،39-1،61 ملغ N / L / يوم، و0،26-1،47 ملغ N / L / يوم على التوالي من جميع أربع سفن. ويمكن رؤية الأسبوعية معدلات إزالة النيتروجين ومعدلات نمو الكتلة الحيوية من النظام 1 و 2 نظام في الشكل 2.
الشكل2. ملخص الإنتاجية خلال فترة الدراسة التمثيلية. ترد معدلات إزالة الأمونيا (A)، ومجموع معدلات إزالة النيتروجين (B)، ومعدلات نمو الكتلة الحيوية (C) في أعلى ووسط وأسفل لوحات، على التوالي. وتعرض النتائج من النظام 1 على اليسار، ونظام 2 على اليمين. وتتمثل النتائج من الدبابات أحواض وبرك المجاري المائية على جميع الرسوم البيانية التي كتبها X، وΔ، على التوالي. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
استخدمت الارتباطات الإحصائية للمقارنة المعلمات وتحديد الاتجاهات المحتملة. وكانت معلمات الإدخال: التركيز الأولي الأمونيا، وتركيز النترات الأولي، وتركيز النتريت الأولي، ومجموع تركيز النيتروجين الأولي، بدءا تركيز الكتلة الحيوية، عيني الأمونيا معدل البيضاوي، ومعدل إزالة النترات، ومعدل إزالة النتريت، معدل إزالة النيتروجين، ومعدل نمو الكتلة الحيوية، ودرجة حرارة الماء، ودرجة الحموضة. وكانت البيانات التي تم جمعها لا إحصائيا طبيعية جدا، وكان يستخدم رو سبيرمان، والعلاقة اللامعلمية. كان أقوى ارتباط كبير بين تركيز الأمونيا والأمونيا معدل إزالة الأولي (ρ = 0.90). ويمكن رؤية هذا الاتجاه بين تركيز الأمونيا الأولي ومعدل إزالة الأمونيا في الشكل (3).
الشكل (3): الأمونيا remova FO: المحافظة على together.within الصفحات = "1" نسبة ل بوصفها وظيفة من بدء تركيز الأمونيا. وتعرض البيانات من جميع السفن على مدى 8 أسابيع التمثيلية. اتجاه خط R 2 = 0.76. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
| الأمونيا معدل إزالة (MGN / L) | مجموع النيتروجين معدل إزالة (MGN / L) | الكتلة الحيوية معدل النمو (ز الكتلة الحيوية / 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 |
| حوض السمك للدبابات 1 | 0.87 ± 0.23 | 0.803 ± 0.30 | 0.005 ± 0.028 |
| حوض السمك للدبابات 2 | 0.88 ± 0.33 | 0.94 ± 0.22 | 0.015 ± 0.019 |
الجدول 1. يعني ± الانحراف المعياري من معدلات الإنتاجية في الفردأوعية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
أداء النظام:
على مدار دراسة لمدة 8 أسابيع، وتمت مقارنة إنتاجية السفن الصغيرة والكبيرة في النظام. في هذا النيتروجين الدراسة ومعدلات إزالة الأمونيا ومعدلات نمو الكتلة الحيوية كانت تستخدم لتدابير الإنتاجية للنظام العلاج. تم تشغيل النظام كما مفاعل شبه دفعة، حيث تم تشغيل كل أسبوع في ظل ظروف منفصلة. وتمثل نتائج ممثلة لمدة 8 أسابيع الأولى من نظام التشغيل، ولكن دراسة كاملة ستمتد لفترات أطول بكثير لحساب التباين الموسمي في الظروف البيئية.
منهجية المذكورة أعلاه تدعو لخلط النظام تقرن (السفن الصغيرة والكبيرة) معا كل 7 أيام. وبالتالي فإن الفرق في الإنتاجية بين المقياسين خلال هذه الفترة الزمنية يعتمد فقط على ظروف مختلفة في السفينتين الحجم. على سبيل المثال، إذا كان التعرض للضوء في واحدة من المفاعلات هو significantly أقل مما كانت عليه في الآخر، فإن معدلات نمو الكتلة الحيوية ستكون مختلفة بشكل كبير. المناطق الميتة بسبب الاختلاط غير مكتمل، وسوء نقل الجماعي، متغير CO 2 أو درجة الحموضة، جنبا إلى جنب مع أي ظروف خلافات أخرى بين المقياسين يمكن أن يسبب اختلافات في إنتاجية السفن في النظم المقترنة.
من ناحية أخرى، إذا كانت القيم الإنتاجية للسفن الصغيرة وعلى نطاق واسع في كل نظام على قدم المساواة، فمن المرجح أن السفينة على نطاق صغير يخلق ظروف النمو مماثلة لسفينة واسعة النطاق أو أي خلافات بينهما مختلفة المفاعلات تحجيم تؤثر على إنتاجية تكاد لا تذكر. في هذه الحالة، فإن القيم من النظام على نطاق صغير من المرجح أن تكون تنبئ تمثيلية من الإنتاجية في نظام واسع النطاق.
تم تقييم قدرة المعالجة لهذا النظام على أساس قدرته على إزالة النيتروجين. كشفت إحصائية الارتباطات بين جميع عوامل قوية، وشارك إيجابيrrelation (ρ = 0.90) بين تركيز الأمونيا بدء ومعدل إزالة الأمونيا. وقد رأيت هذا نفسه علاقة إيجابية في دراسة سابقة أجريت في خزانات أحواض 14. ويمكن رؤية هذا الاتجاه الإيجابي بين معدل إزالة الأمونيا وتركيز الأمونيا تبدأ في الشكل (3)، والذي يتضمن البيانات التي تم جمعها من جميع RWPs وأفرقة التقييم. ويمكن مقارنة معدلات إزالة النيتروجين من أنواع السفن اثنين لتحديد الاتجاهات على نطاق معين وقد تم جمع البيانات مرة أخرى.
المعلمات مفاعل متغير:
وتشمل المتغيرات مفاعل الرئيسية مساحة السطح إلى نسبة الحجم ووقت الإقامة. تم تشغيل المفاعلات بطريقة شبه دفعة، مع مزيج كامل من السفن الصغيرة والكبيرة و1/3 مجموع استبدال وحدة تخزين النظام مفاعل كل 7 أيام. في حين كانت الفترة الاختلاط في هذه الدراسة أسبوع واحد، كما جاء في القسم 2.3، يمكن تعديل هذا الوقت اعتمادا على النمو ونوترمعدلات ient استهلاك الثقافات الضوئي، فضلا عن تطبيق النهائي للنظام واسع النطاق. ومساحة السطح إلى نسبة الحجم، والتي يمكن تعديلها عن طريق تغيير حجم، تؤثر على معدل نقل الجماعي من الغازات وكذلك التعرض للضوء للكائنات التمثيل الضوئي.
وتباينت كميات من البركة القناة وخزان ماء من كل نظام في بداية كل أسبوع للتأكد من أن الشروط ابتداء، وتحديدا في الثقافة اللقاح، في كل المستويات كانت متساوية. طول الفترة الزمنية بين خلط السفينتين يمكن تعديلها بناء على الطلب. وبما أن معظم الطحالب بطيئة النمو نسبيا الكائنات الحية الدقيقة، وأوصى أسبوع واحد كأقصر مقدار الوقت الذي يجب أن تستخدم. فترة أطول من الزمن بين الاختلاط قد تكشف عن بعض التباين في الإنتاجية الناجمة عن الفروق الصغيرة في الظروف البيئية بين المقياسين. الكثير من الوقت بين خلط جداول من شأنها أن تسمح للميكروباتالمجتمعات تتباعد بشكل كبير، في الوقت الذي المقارنة بين المقاييس لن تكون دقيقة من الظروف المفاعل. حتى عندما تمديد طول الفترة الزمنية بين خلط المقياسين من المهم إكمال عدة التكرار من أجل التحقق من أن أي فرق (أو عدم وجود خلافات) في معدلات الإنتاج ومهم.
مساحة السطح إلى نسبة الحجم يمكن تعديلها عن طريق ضبط حجم العمل. آثار هذه النسبة نقل جماعي للغازات داخل وخارج السفينة، فضلا عن كمية الضوء التي يتعرض لها الطحالب ل. اعتمادا على نوع من السفن، مساحة السطح إلى نسبة الحجم (SA: V) وضوء تتعرض منطقة السطح إلى نسبة الحجم (LE-SA: V) قد تكون مختلفة. في هذه الدراسة جدران خزانات أحواض شفافة، مما يسمح للضوء من كل جانب وخلال القمة، في حين نقل الغاز لن يحدث إلا من خلال سطح الماء، وهذا يعني SA: V وLE-SA: V وعدم المساواة. ومع ذلك، فإن برك المجاري المائية المستخدمةفي هذه الدراسة لديهم جدران مبهمة، وبالتالي فإن SA: V وLE-SA: V متساوون.
عندما تركز على نطاق ويصل، وعلى ضوء يتعرض مساحة للحجم (LE-SA: V) النسبة هام 1 و 7. إن ثقافة الطحالب الكثيفة يؤدي إلى تغلغل ضوء الحد الأدنى من وراء سم القليلة الأولى من الماء. الخلط المستمر للثقافة كثيفة وعالية LE-SA: سوف نسبة V زيادة التعرض للضوء بشكل عام، وينبغي أن تؤدي إلى عوائد إنتاج أعلى. سوف خلط مستمر أيضا مساعد في نقل كتلة من الغازات. للتحقق من أن سفينة صغيرة الحجم تتوقع بدقة الإنتاجية على نطاق واسع يحتاج دراسة مقارنة كامل يتعين القيام به.
القيود مفاعل:
عند إعداد وتشغيل هذا النظام لأول مرة هناك عدد قليل من الأشياء التي قد تسبب صعوبات. أولا، من المهم جدا أن يكون 0.1 على الأقل غرام / لتر من الكتلة الحيوية الطحالب في أي سفينة عند رفع مستوى. إذا كانكثافة منخفضة جدا، فمن المرجح جدا أن الطحالب تلقيح سوف تموت بسرعة 10. ثانيا، هذا النظام يمكن التعامل مع تركيزات عالية من الأمونيا، ولكن تركيز الأمونيا مدخلات لابد من زيادة ببطء على مدى عدة أسابيع 14 و 16 و 17. في هذه الدراسة تم رفع تركيز الأمونيا المدخلات بمعدل متحفظ للغاية، بزيادة تقارب 10 MGN / L كل 3 أسابيع. وأخيرا، في حين رصد جميع أنواع النيتروجين المذاب من المهم أن يتم الاحتفاظ تركيزات منخفضة النتريت. النتريت يمكن أن تكون سامة للطحالب والكائنات الحية الأخرى على تركيزات عالية 18. إذا ما ازدادت تركيزات النتريت فوق 150 ملغم N / L، ثم الحجم الإضافي يجب إزالتها واستبدالها مع الماء لتخفيف تركيز النتريت السامة.
التطبيقات المحتملة:
هذه المنهجية يمكن تطبيقها على VERify دقة إدخال البيانات المستخدمة لمحاكاة عمليات الإنتاج على نطاق واسع في عمليات تقييم دورة الحياة (LCAs) والتحليلات الفنية والاقتصادية (شاي) من نظم الإنتاج على نطاق واسع. في كثير من الأحيان، ونمو الكتلة الحيوية ومعدلات استهلاك المواد الغذائية من الدراسات على نطاق صغير المبالغة في تقدير قدرات نظام توسيع نطاقها. على الرغم من هذا، فإن الغالبية العظمى من LCAs والشاي تستخدم قيم الإدخال من الدراسات على نطاق صغير للتنبؤ قيم الإنتاج على نطاق واسع المستخدمة في تقديرها للتكنولوجيات واسعة النطاق 19، 20، 21، 22، 23. قبل استخدام النتائج من الدراسات على نطاق صغير في هذه الطريقة، فإنه يجب التحقق من أن هذه النتائج هي تمثيل جيد لما يمكن توقعه من نظام واسع النطاق. حاليا، ليس هناك منهجية موحدة لجمع البيانات للدراسات التنبؤية للنظم على نطاق واسع. منهجية المقدمة هنايمكن تطبيقها كدراسة التحقق.
في هذه الدراسة، تم استخدام إزالة النيتروجين ونمو الكتلة الحيوية باعتبارها مقاييس لتحديد مدى فعالية العلاج. هذا النظام يمكن أن تتكيف بسهولة لتطبيقات أخرى، بما في ذلك تيارات النفايات الأخرى (مياه الصرف الصحي المنزلي أو الزراعي)، رصدها لغيرها من المعالم (BOD، والمعادن الثقيلة، وإزالة العوامل المسببة للأمراض)، والملاحظات على التغييرات في المجتمع الميكروبي، أو تغييرها من مفاعل شبه دفعة إلى نظام مفاعل مختلطة بشكل مستمر. في أي من هذه التطبيقات وصف بروتوكول هنا يمكن استخدامها لتقييم نظم مختبر النطاق وعلى نطاق أوسع.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الكتاب ليس لديهم ما يكشف.
Acknowledgments
فإن الكتاب أود أن أشكر مكب Sandtown في فيلتون، DE لتبادل المعرفة والعصارة.
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 |
References
- 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).
- Takors, R. Scale-up of microbial processes: impacts, tools and open questions. J. Biotechnol. 160 (1), 3-9 (2012).
- Sauer, M., Porro, D., Mattanovich, D., Branduardi, P. Microbial production of organic acids: expanding the markets. Trends in Biotechnol. 26 (2), 100-108 (2008).
- Junker, B. H. Scale-up methodologies for Escherichia coli and yeast fermentation processes. J. Biosci. Bioeng. 97 (6), 347-364 (2004).
- 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).
- 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).
- Hewitt, C. J., Nienow, A. W. The Scale-Up of Microbial Batch and Fed-Batch Fermentation Processes. Adv Appl Microbiol. 62, 105-135 (2007).
- 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).
- 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).
- Richmond, A. Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology. , John Wiley & Sons. (2008).
- Clesceri, L. S., et al. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , American Public Health Association. (1998).
- Statistics for Macintosh v.23.0. , IBM Corp. Armonk, NY. (2015).
- Devore, J. L. Probability and Statistics for Engineering and the Sciences. , Cengage Learning. (2015).
- 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).
- 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).
- Abeliovich, A., Azov, Y. Toxicity of Ammonia to Algae in Sewage Oxidation Ponds. Appl. Environ. Microbiol. 31 (6), 801-806 (1976).
- Azov, Y., Goldman, J. C. Free ammonia inhibition of algal photosynthesis in intensive cultures. Appl. Environ. Microbiol. 43 (4), 735-739 (1982).
- 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).
- 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).
- 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).
- Van Den Hende, S., et al. Treatment of industrial wastewaters by microalgal bacterial flocs in sequencing batch reactors. Bioresour. Technol. 161, 245-254 (2014).
- 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).
- 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).
