Summary
实验方法介绍比较小（100 L）和大（1000升）的性能设计规模为垃圾填埋场污水的整治藻类反应堆。系统的特性，其中包括的表面积与体积比，停留时间，生物量密度，以及废水的进料浓度，可根据应用来调整。
Abstract
实验方法被呈现给比较设计用于废水处理两种不同尺寸的反应器的性能。在这项研究中，氨去除，脱氮和藻类生长是通过在成对的套小（100μL）和大（1000升）的反应器设计用于填埋废水的藻类补救8周期间比较。小和大规模反应器中的内容之前，每个每周测试间隔的开始以保持在两个尺度等效初始条件混合。系统的特性，其中包括的表面积与体积比，停留时间，生物量密度，以及废水的进料浓度，可以调节，以便更好地均衡在两个尺度发生的情况。期间短的8周代表的时间段，开始氨和总氮浓度为3.1-14毫克的NH 3 -N / L和8.1-20.1毫克N / L，分别不等。该处理系统的性能进行评价的基础上它能够去除氨氮，总氮和生产藻类生物量。平均值±氨去除的标准偏差，总氮去除和生物量生长率分别为0.95±0.3毫克的NH 3 -N /升/天，0.89±0.3毫克N / L /天，和0.02±0.03克生物质/升/天，分别。所有船只表明初始氨浓度和氨氮去除率之间（R 2 = 0.76）呈正相关关系。如果实验室规模的实验数据是适合于商业规模的生产值的预测在不同尺度的反应器中测得的过程的效率和生产值的比较可以在确定是有用的。
Introduction
较大规模的应用实验室规模的数据的翻译是在生物过程的商业化的关键步骤。在小规模的反应器系统，特别是那些注重利用微生物生产效率，已显示出持续超过预测商业规模的系统1，2，3，4发生效率。挑战也存在于从实验室规模藻类和蓝藻光合作用种植扩展到更大的系统制造高价值产品，如化妆品和药品，用于生产生物燃料的目的，以及废水的处理。对于大型藻类生物量生产的需求与新兴工业日益增长的生物燃料，药品/营养制品，和家畜饲料5藻类。中所描述的方法此稿件旨在评估增加了对生物生长率和脱氮除磷光合反应器系统规模的影响。这里提出的系统使用藻类补救渗滤液废水，但可以适用于各种应用。
大型系统的生产效率是使用小规模的实验往往预测;然而，有几个因素必须考虑，以确定这些预测的准确度，如规模已经显示影响生物过程的性能。例如，容克（2004）提出的结果从八个不同尺寸的发酵反应器的对比，从30升19000升，这表明，在保护高频通道或商业尺度实际生产率比值使用小预测几乎总是低-scale研究4。在容器的尺寸，动力混合，搅拌型，营养品质和气体输送不等式被预测是主要原因为生产力下降4。类似地，已经在藻类生长的反应器显示，生物质生长和生物量相关的产品时规模增加6几乎总是降低。
生物，物理和化学因素与反应器的尺寸改变，许多这些因素在小规模不同于在较大的尺度2,7影响微生物活性。由于大多数全规模系统藻类，如滚道池塘，存在在户外时，要考虑一种生物因素是微生物物种和噬菌体可以从周围环境被引入，其可以改变微生物物种存在并且由此的微生物功能系统。微生物群落的活性也将是环境因素，如轻和温度敏感。气体和流体运动的质量接送这在微生物过程的规模可达影响的物理因素的例子。在实现小型反应堆理想的混合是容易的;然而，随着规模越来越大，它成为工程师理想的混合条件是一个挑战。在更大的尺度，反应器是更可能有死区，非理想的混合，并降低的效率在传质2。由于藻类光合生物，商业增长必须提高音量时占曝光的变化，由于水深和面积的变化。高的生物量密度和/或低质量的传输速率可引起降低的 CO 2浓度和增加的O 2的浓度，这两者都可能导致抑制生物量生长8。在藻类生长系统化学因子由水生环境2，这是因而受pH缓冲化合物的变化，如溶解的CO的pH值动力学驱动
本研究提出旨在规范，并在两个不同尺度的血管比较生长条件配对的反应器系统。实验方案侧重于量化渗滤液处理和藻类的生长;然而，它可以适用于监视其他指标，例如在一段时间，或在微生物群落改变藻类中的CO 2截存的潜力。这里介绍的协议被设计为评价尺度上在渗滤液处理系统藻类生长和脱氮效果。
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Protocol
1.系统设置
注意：“配对系统”是指一种水族箱和一个管道水塘，并行运行。
- 对于一个配对的系统中，使用一个100升的水族箱罐（AT），与用于小型容器顶置混合器，和一个1000升管道水塘（RWP），用叶轮混合器大型容器中。在本系统中使用的容器被描绘在图1中。
- 接种用相同的藻类培养所有船只。使用接种的高密度，从而在不低于0.1克/升，一旦稀释至在罐或塘10的全部体积的最终密度。它可能需要一个相当长的时间（数周至数月），以生长足够藻类此步骤。
- 使用未经处理的垃圾渗滤液作为营养源。使用从接受大部分生活垃圾和具有毒素水平低一个垃圾填埋场渗滤液拍摄。对渗滤液成分分析应该从垃圾填埋场。 ŧ他量每个水箱或池塘使用可根据废水的强度变化渗滤液，但最终氨的浓度应测量5-75毫克氨氮 / L。
- 开始与60升工作体积的100升水族箱罐，并用600L的工作体积的管道水塘。本研究开始与在水族箱罐约1升浸出液在59升水中，并在管道水塘590升水10升浸出液。增加使用在这个研究过程中渗滤液浓度。
图1.水族箱和跑道水池的例子。一个水族箱（A）和管道水塘（B）的例子所示。 请点击此处查看该图的放大版本。
- 操作水族馆水箱和管道水塘与三周水力停留时间半间歇反应器。每个采样周期跨越一个星期。
- 以每船125毫升样品。这是一周样品的开始。根据部分3.1-3.3的样品分析协议测试样品。
- 在本周结束时，取从各容器进行分析125毫升样品。结束一周的样本已经后，清空水族箱的整个容积进入管道水塘。
- 每周一次，泵水族箱的整个容积进入管道水塘。
- 除去从管道水塘的体积（3周的平均水力停留时间）的三分之一。替换体积与水和未处理渗滤液除去。
- 从传输管道水塘约60 L背面进入鱼缸。这确保了水族馆黄褐色k和管道水塘每星期开始用相同的营养物和生物条件。
- 就拿从所有船只125毫升样品，为下周启动条件的分析。
3.样品分析
- 测试和周结束时的样品都开始的最周为氨氮，硝态氮，亚硝酸盐-N，以及生物量密度。
- 衡量标准的总悬浮固体（TSS）协议，ASTM-D5907，使用0.45微米的过滤物质。
- 首先称量滤纸，然后使用真空过滤系统过滤样品20-40毫升。干燥生物量/滤纸在烘箱中在105℃一小时，或直到生物质/滤纸不再变化的重量。
- 称重生物质/滤纸，并减去滤纸的初始质量。通过过滤来计算密度的生物质的体积除以这个质量。重复11运行。
- 测量氨，硝酸盐，亚硝酸盐和分光光度计使用分光光度计。
- 用100μL的样品的在商业方法试剂盒，以确定氨浓度。指制造商的协议。
- 使用1毫升样品在商业方法试剂盒，以确定硝酸盐浓度。指制造商的协议。
- 使用10毫升的样品的在商业方法试剂盒，以确定亚硝酸盐的浓度。指制造商的协议。
- 监视用市售气象站使用商业探针和数据记录器的环境条件（空气温度，太阳辐射，风速）以及罐/池塘条件（水温，pH值，溶解氧）。指制造商的协议。
4.结果统计分析
- 确定收集到的数据在统计上是正常的。使用QQ图12确定数据集的常态
- 确定使用Pearson的R或斯皮尔曼p表示正常和非正常的数据，分别为13参数之间的相关性。相关参数应至少包括以下参数：初始的氨浓度，初始总氮浓度，初始生物量密度，氨去除率，总氮的去除率，生物量生长速率，以及所有的环境条件。
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Representative Results
这项研究的目的是比较生物量增长，并在小型和大型反应堆生长的藻类培养的脱氮除磷能力。这项研究使用了两个成对的系统，简称为系统1和系统2，重复其调查结果。这些代表性的结果是从8周的时间，二月到四月，2016年第一轨道池塘藻类原来从宾夕法尼亚州费城，14室外池塘来源接种。此培养物生长至在水族箱的高密度。此接种导致0.12克/升的RWP生物质密度。 2.5周之后，第二管道水塘和水族箱接种，导致原料的约0.18克/升的生物量密度。几个星期之后，所有AT和RWPs是为所有船舶的统一性生物质的密度和微生物种群混合在一起;常规操作和监测开始作为在上述协议。
作为样品分析第15条所描述的开始和结束参数进行了每周一次的基础上进行测量。在所有血管生物质，氨和总氮浓度初始条件分别从0.2-1.0克/升范围，3.1-14毫克的 NH 3 -N / L和8.1-20.1毫克N / L。的平均值和从每个容器记录的去除和生长速率的标准偏差示于表1中。这些条件下，得到的生物质的生长速率，以及氨和总氮的去除率从-0.04-0.07克/升/天，0.39-1.61毫克N / L /天，0.26-1.47毫克N / L /天，分别从所有四艘船。每周脱氮率和从系统1和系统2的生物量生长速率可以在图2中可以看出。
数字2.生产力总结了代表研究期间。氨去除速率（A）中，总氮的去除率（B）和生物量生长速率（℃）在顶部，中部和底部面板分别给出。从系统1的结果呈现在左侧，在右侧系统2。从水族馆坦克和滚道塘结果分别代表在用X所有的图形和Δ。 请点击此处查看该图的放大版本。
统计相关性来比较参数，并确定可能的趋势。输入参数为：初始的氨浓度，初始硝酸盐浓度，初始亚硝酸浓度，初始总氮浓度，起始生物质浓度，氨REM椭圆率，硝酸除去率，亚硝酸盐去除率，总氮的去除率，生物量生长速率，水温，pH值。所以斯皮尔曼的Rho，非参数的相关性，用收集的数据不具有统计学正常。最强的显著相关性初始氨浓度和氨氮去除率（ρ= 0.90）之间。初始氨浓度和氨去除率之间的趋势可从图3中可以看到。
图3：氨remova FO：保持-together.within页=“1”升率作为起始氨浓度的函数。来自代表8周所有船舶数据表示。趋势线R 2 = 0.76。 请点击此处查看该图的放大版本。
| 氨去除速率（MGN / L） | 总氮去除率（MGN / L） | 生物质能增长率（G生物质/ 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 |
| 鱼缸1 | 0.87±0.23 | 0.803±0.30 | 0.005±0.028 |
| 鱼缸2 | 0.88±0.33 | 0.94±0.22 | 0.015±0.019 |
表1.平均 个人生产率的±标准差船只。
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Discussion
系统性能：
在8周的研究过程中，在一个系统中的小型和大型船只的生产率进行了比较。在这项研究中的氮和氨去除速率和生物量生长速率被用作治疗系统的生产率的措施。该系统操作的作为半间歇式反应器，其中，每个星期进行离散条件下操作。代表性的结果占了前8周的系统操作的，但是全面研究会延长更长的时间以考虑环境条件的季节变化。
上述方法要求对配对系统（小型和大型船只）混合在一起，每7天。因此，在两个尺度超过这个时间周期之间的生产率的差异只取决于两个大小船只的不同情况。例如，如果在反应器中的一个的光照射是显着小于在其他中，生物量生长率将显著不同。由于不完全混合，传质差，可变的 CO 2或pH死区，与两个尺度之间的任何其他不符条件一起可能导致在成对系统内血管的生产率的差异。
另一方面，如果在每个系统的小型和大型船只的生产率值相等，则很可能是小规模容器创建类似的生长条件为大型容器或两者之间的任何差异不同的比例可以忽略不计的反应堆影响生产力。在这种情况下，从小型系统中的值将可能是在一个全规模系统生产力的代表预测因子。
根据它的去除氮能力该系统的处理能力进行了评价。所有因素中的统计相关性表明一个强大的，积极的合作rrelation（ρ= 0.90）起始氨浓度和氨去除率之间。同样的正相关关系被认为在水族馆坦克14进行了前期研究。氨去除率和起始氨浓度之间的这种积极的趋势可在图3中 ，其中包括来自所有RWPs和AT的所收集的数据可以看出。来自两个容器类型的氮去除率可以比较，以确定特定尺度趋势再一次数据已经收集。
变电抗器参数：
关键反应器变量包括表面面积与体积之比和停留时间。反应器以半间歇方式操作，具有小型和大型船只的完整结构和1/3总反应器系统容量替代每7天。而在本研究中的混合时间为一周如2.3节所述，这个时间可以根据不同的生长和NUTR改性光合培养物的ient消耗率，以及满刻度系统的最终应用。的表面积与体积比，这可以通过改变体积进行修改，将影响气体的光合生物的传质速率以及光照射。
从管道水塘和各系统的水族箱的容积在每星期的开始混合，以确保在起始条件下，特别是接种培养，在两个秤是相等的。时间的两个容器混合之间的长度可以根据应用进行修改。由于大多数藻类是相对缓慢生长的微生物，一周被推荐作为应使用的最短的时间量。的混合之间的时间更长的周期可以揭示所引起的两个尺度之间的环境条件的微小差异的生产率的一些变化。鳞片之间混合了太多的时间将允许微生物社区显著发散，在该时间尺度之间的比较将不再是准确的反应器中的条件。延伸的两个尺度混合之间的时间长度，即使它以验证在生产率的任何差异（或缺乏差异）是显著完成重复几次是很重要的。
的表面积与体积比可以通过调节工作容积进行修改。这个比率的影响气体进出容器的传质，以及光藻类暴露于量。取决于容器的类型，表面积与体积比（SA：V）和光暴露的表面积与体积比（LE-SA：Ⅴ）可以是不同的。在这项研究中水族箱罐的壁是透明的，允许光在各方和通过顶部，而气体输送将只通过水表面发生，这意味着该SA：V和该LE-SA：V为不平等的。然而，所使用的滚道池塘在这项研究中有不透明的围墙，所以SA：V和LE-SA：V为相等。
当着眼于扩大规模，光暴露的表面积与体积（LE-SA：V）的比率是很重要的1,7。密集藻类培养会造成最小的光穿透力超出水几厘米。密集的文化和高LE-SA的连续混合：V比率将提高整体曝光，并应导致更高的生产良率。连续混合还将助手中气体的质量传递。要验证小型船只准确地预测大规模生产能力的完整比较研究将需要完成。
电抗器的限制：
当设置和操作该系统的第一次有可能导致困难的几件事情。首先，按比例放大时具有藻类生物量的至少为0.1克/升在任何容器中是非常重要的。如果密度过低，则很可能该接种藻类会迅速10死光。其次，该系统能够处理高浓度的氨水，然而输入氨浓度必须超过几个星期14，16，17慢慢增大。在这项研究中输入氨浓度以非常保守的速率，10 MGN / L的每3周的近似增加提高。最后，同时监测所有溶解氮物种，重要的是亚硝酸盐的浓度保持在较低水平。亚硝酸盐可在高浓度18是有毒的藻类和其他微生物。如果亚硝酸盐的浓度增加高于150毫克N / L时，则附加的体积应被删除，并用水置换稀释有毒的亚硝酸盐的浓度。
潜在的应用：
这种方法可以应用到版本IFY用来模拟生命周期评估（LCAS）和全面生产系统的技术经济分析（茶）全面生产流程的输入数据的准确性。通常情况下，生物量增长和小规模的研究，营养消耗率高估按比例增加系统的能力。尽管如此，绝大多数的LCA和茶用小规模的研究输入值来预测全规模生产值的全面技术19，20，21，22，23的估计。以这种方式使用小规模的研究结果前，它应验证这些结果是什么可以从一个全面的系统可以预期的良好表示。目前，没有用于收集数据的大规模系统的预测研究没有标准化的方法。该方法这里介绍作为验证研究可以适用。
在这项研究中，除氮和生物量生长被用作度量用于确定治疗的有效性。这个系统可以很容易地适用于其他应用程序，包括其它废物流（国内或农业废水），用于监视其他参数（BOD，重金属，病原体去除），观察在微生物群落的改变，或由半间歇式反应器改变到连续混合反应器系统。在任何协议这里描述这些应用可以用来评估实验室规模和大规模的系统。
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Disclosures
作者什么都没有透露。
Acknowledgments
笔者想感谢Sandtown填埋场费尔顿，DE分享他们的知识和渗滤液。
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
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