Bu içeriği görüntülemek için JoVE aboneliğiniz gereklidir. Giriş yapın veya ücretsiz denemenizi bugün başlatın.

Yöntem makalesi

Atıksu Alg İyileştirme için Fotosentetik Reaktör Sistemde Ölçeği Karşılaştırılması

8.7K görüntülenme

⸱

DOI:

10.3791/55256

⸱

6 Mart 2017

 ,  , 
1Civil, Architectural, and Environmental Engineering, Drexel University

Bu makalede

Özet

Deneysel metodoloji (100 L), küçük ve büyük (1,000 L) performansını karşılaştırmak depolama atıksu yosun iyileştirme için tasarlanmış reaktörler ölçekli sunulmuştur. hacim oranı, tutma süresi, biyokütle yoğunluğu, ve atık su besleme konsantrasyonları yüzey alanı dahil olmak üzere sistem özellikleri, uygulamaya göre ayarlanabilir.

Özet

Deneysel metodoloji atıksu arıtma için tasarlanmış iki farklı büyüklükte reaktörlerin performansını karşılaştırmak için sunulmuştur. Bu çalışmada, amonyak çıkarma azot giderme ve yosun büyümesi depolama atık suyun alg iyileştirme için tasarlanmıştır (100L) ve küçük (1,000 L), büyük reaktörler eşleştirilmiş setlerinde 8 haftalık bir süre boyunca karşılaştırılır. Her haftalık test aralığının başlangıcı iki ölçek arasında eşit başlangıç ​​koşulları sağlamak için önce küçük ve büyük ölçekli reaktörlerde içeriği karışık. hacim oranı, tutma süresi, biyokütle yoğunluğu, ve atık su besleme konsantrasyonları yüzey alanı dahil olmak üzere sistem özellikleri, daha iyi her iki ölçekte meydana gelen koşulları eşitlenmesi için ayarlanabilir. Kısa 8 haftalık temsilcisi süre zarfında, başlangıç amonyak ve toplam azot konsantrasyonu sırasıyla 3,1-14 mg NH3-N / L, ve 8,1-20,1 mg N / L, arasında değişmektedir. arıtma sisteminin performansı değerlendirilmiştir dayalıkabiliyeti amonyak ve azot oranına çıkarılması ve alg biyokütlesinin üretilmesi için. Amonyak kaldırma standart sapma, toplam azot giderimi ve biyokütle büyüme oranları ortalama ±, 0.02 ± 0.03 g biyokütle / L / gün 0.95 ± 0.3 mg NH3-N / L / gün, 0.89 ± 0.3 mg N / L / gün vardı ve sırasıyla. Tüm gemiler, ilk amonyak konsantrasyonu ve amonyak kaldırma oranı arasında pozitif bir ilişki (= 0.76 R2) gösterdi. Laboratuar ölçekli deney verileri, ticari ölçekli üretim değerlerinin önceden için uygun olan, farklı ölçek reaktörlerde ölçülen işlem verim ve üretim değerlerinin karşılaştırması belirlenmesinde yararlı olabilir.

Giriş

büyük ölçekli uygulamalarda tezgah ölçekli verilerin Çeviri biyoproseslerde ticarileştirilmesi önemli bir adımdır. Küçük ölçekli reaktör sistemlerinin, mikroorganizmaların kullanımı üzerine odaklanan özellikle üretim verimleri, sürekli olarak, genel olarak endüstriyel ölçekli sistemler, 1, 2, 3, 4 meydana gelen verim önceden gösterilmiştir. Zorluklar da biyoyakıt üretimi için, bu tür kozmetik ve ilaç gibi değeri yüksek ürünler, üretim amacıyla büyük sistemlere laboratuvar ölçeğinden yosun ve siyanobakteriler fotosentez ekimi ölçeklendirme var, ve atık su tedavisi için. Büyük ölçekli alg biyokütle üretimi için talep biyoyakıt, ilaç / nutrasötikler ve hayvan yemi 5 yosun için ortaya çıkan sanayi ile büyüyor. açıklanan metodolojiBu el yazması biyokütle büyüme oranı ve besin giderimi üzerine bir fotosentez reaktör sisteminin ölçeğini artırarak etkisini değerlendirmeyi amaçlamaktadır. Burada yer alan sistem yosun sızıntı suyunun atık düzeltmek için, ancak çeşitli uygulamalar için adapte edilebilir kullanır.

büyük ölçekli sistemlerin üretim verimleri genellikle küçük ölçekli deneyler kullanılarak tahmin edilmektedir; Ancak, birçok faktör ölçekli biyoprosesler performansını etkilediği gösterilmiş olduğu gibi, bu tahminler doğruluğunu saptamak için dikkate alınmalıdır. Örneğin, (2004) Junker 30 L Pilot- ya ticari ölçeklerde gerçek verimliliği değerlerinin küçük kullanılarak tahmin hemen hemen daima daha düşük olduğunu göstermiştir 19.000 L aralığındaki, sekiz farklı büyüklükte fermentasyon reaktörlerin bir karşılaştırma sonuçları sunulmaktadır ölçeğindeki çalışmalar 4. damar boyut, karıştırma gücü, ajitasyon türü, besin kalitesi ve gaz transferi eşitsizlikler olduğu tahmin edildiverimlilik azaldı 4 sebeplerinin başında. Benzer şekilde, ölçek 6 arttırıldığı zaman biyokütle büyümesi ve biyokütle ilgili ürünler hemen hemen her zaman düşük olduğu yosun büyümesi reaktörlerde gösterilmiştir.

Biyolojik, fiziksel ve kimyasal faktörler bu faktörlerin bir çok 7, küçük ölçeklerde farklı daha büyük ölçekte 2 mikrobiyal aktiviteyi etkileyen ile bir reaktör boyutuna sahip değişir. Böyle oluk havuzları gibi yosun için en tam ölçekli sistemleri, yana, dışarıda var, dikkate alınması gereken bir biyolojik faktör mikrobiyal türler ve bakteriyofajlar mevcut mikrobiyal türlerin değiştirebilir ve böylece mikrobik işlevi olabilir, çevreye tanıttı olmasıdır sistemi. mikrobiyal topluluğun etkinliği aynı zamanda ışık ve sıcaklık gibi çevresel faktörlere karşı duyarlı olacaktır. gazları ve Akışkan hareketinin kitlesel transferleriMikrobiyal proseslerin ölçek kadar etkilenir fiziksel faktörlerin örnekleri. küçük reaktörlerin ideal karıştırma sağlanması kolaydır; Ancak, artan ölçek ile, ideal karıştırma koşulları mühendisi bir sorun haline gelmektedir. Daha büyük ölçeklerde de, reaktör kütle transferi 2 ölü bölgeleri, ideal olmayan karıştırılması ve azaltılmış verim olması daha olasıdır. yosun fotosentetik organizmalar olduğundan hacmini artırırken, ticari büyüme nedeniyle su derinliği ve yüzey alanı değişikliklere radyasyona maruz kalmasına değişimlerini hesaba katmak zorundadır. Yüksek biyokütle yoğunluğu ve / veya düşük kütle transfer hızlarını CO biyokütle büyümesi, 8 inhibisyonu ile sonuçlanabilir, her ikisi de 2 konsantrasyonları ve artan O 2 konsantrasyonlarda azalmasına neden olabilir. Bir yosun büyüme sisteminde kimyasal faktörler dolayısıyla böyle çözünmüş CO olarak pH tamponlama bileşikleri değişikliklerden etkilenen su ortamında 2, pH dinamikleri tarafından tahrik edilmektedir 2 ve karbonat türleri. Bu faktörler genellikle öngörülemeyen biçimlerde 9, biyolojik, fiziksel ve kimyasal faktörlerin karmaşık etkileşimleri tarafından birleştirilir.

Bu çalışma düzenleyen ve iki farklı ölçeklerde damarlarda büyüme koşullarını karşılaştırmak için tasarlanmış bir eşleştirilmiş reaktör sistemini sunuyor. Deney protokolü sızıntı suyu arıtma ve yosun büyüme ölçülmesi üzerinde duruluyor; Ancak, tür zamanla mikrobiyal topluluğun değişiklikler veya yosun CO2 haciz potansiyeli gibi diğer ölçümleri izlemek için adapte edilebilir. Burada sunulan protokol bir sızıntı suyu arıtma sisteminde alg büyüme ve azot giderimi üzerine ölçek etkisini değerlendirmek üzere tasarlanmıştır.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

1. Sistem Kurulumu

Not: Bir 'eşli sistemin paralel olarak çalıştırmak, bir akvaryum tankı ve bir kanal gölet anlamına gelir.

  1. bir eşleştirilmiş bir sistem için, büyük ölçekli gemi için bir çark mikser ile, küçük ölçekli gemi için bir havai mikserle bir 100 L akvaryumları tankları (AT), ve bir 1,000 L oluk su birikintisi (RWP) kullanın. Bu sistemde kullanılan gemiler Şekil 1'de resmedilmiştir.
  2. Aynı yosun kültürü ile tüm damarları inoküle edin. Bir depo veya havuzda 10 tam hacme seyreltildi az 0.1 g / L'lik nihai bir yoğunluk ile sonuçlanan aşılama yüksek yoğunluklu kullanın. Bu adım için yeterli alglerin büyümesine (haftalar ve aylar) zaman önemli miktarda alabilir.
  3. besin kaynağı olarak işlenmemiş depolama sızıntı suyu kullanın. çoğunlukla evsel atık kabul eder ve toksinlerin düşük seviyelerde sahip bir depolama alınan sızıntı suyu kullanın. sızıntı suyu için bileşim analizi depolama mevcut olmalıdır. Tatıksu gücüne bağlı olarak değişebilir, her tank veya havuzda kullanılan sızıntı suyunun o miktarı, ancak son amonyak konsantrasyonları 5-75 mg NH3-N / L ölçmek gerekir.
  4. 60 L çalışma hacmi 100 L akvaryum tankı ve 600 L çalışma hacmi ile oluk gölet başlayın. Bu çalışma, akvaryumlar tankındaki suyun yaklaşık 1 L sızıntı suyu 59 L, ve kanal havuzdaki su 590 L 10 L sızıntı suyu ile başladı. Bu çalışma boyunca kullanılan sızıntı suyunun konsantrasyonu artırır.

figure-protocol-1
Bir akvaryum tankı ve kanal gölet 1. Örnekler Şekil. Bir akvaryum tankı (A) ve kanal gölet (B) bir örnek gösterilmektedir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

2. Haftalık Çalışma ve Örnekleme

  1. Üç hafta hidrolik alıkonma süreleri ile yarı kesikli reaktörler olarak akvaryum tankı ve oluk gölet çalıştırın. Her örnekleme süresi bir hafta kapsamaktadır.
  2. Her gemiden bir 125 ml örnek almak. Bu hafta numunenin başlangıcıdır. Bölümlerde 3.1-3.3 Numune Analizi protokole göre test örnekleri.
  3. haftanın sonunda, analiz için, her kaba 125 ml örnek alabilir. sonu haftanın örnekleri çekildikten sonra, kanal havuza akvaryum tankının tüm hacmini boşaltın.
    1. haftada, kanal havuza akvaryum tankının tüm hacmi pompa.
  4. oluk havuzundan (3 hafta ortalama hidrolik tutma süresi için) hacminin üçte birini çıkarın. su ve arıtılmamış ile temizlenebilir hacmi değiştirin.
  5. geri akvaryum tankı içine oluk gölet yaklaşık 60 L aktarın. Bu garanti olduğu akvaryum tank ve oluk gölet her hafta aynı besin ve biyolojik koşullar ile başlıyor.
  6. önümüzdeki hafta için başlangıç ​​koşulları analizi için tüm gemilerden 125 mL numune almak.

3. Numune Analizi

  1. amonyak-N, nitrat-N, nitrit-N, ve biyokütle yoğunluğu tüm örnekler başlangıç-haftalık-ve-sonu-hafta test edin.
  2. 0.45 mikron filtreleri kullanarak standart toplam askıda katı madde (AKM) protokolü, ASTM-D5907 ile biyokütle ölçün.
    1. Önce bir filtre kağıdı tartmak ve sonra bir vakum filtrasyon sistemi kullanarak örnek 20-40 mL filtre. bir saat boyunca, 105 ° C de bir fırında biyokütle / filtre kağıdı, kuru ya da biyokütle / filtre kağıdı daha fazla değişmemekte ağırlıkla kadar.
    2. biyokütle / filtre kağıdı tartılır ve filtre kağıdı ilk kitle çıkarma. biyokütle yoğunluğunu hesaplamak için süzüldü hacimce bu kitle bölün. Yinelenen 11'de çalıştırın.
  3. , Amonyak ölçünNitrat ve nitrit spektrofotometrik bir spektrofotometre kullanılarak.
    1. Amonyak konsantrasyonu belirlemek için ticari bir yöntem kit numune 100 ul kullanın. üreticinin protokolüne bakın.
    2. nitrat konsantrasyonu belirlemek için ticari bir yöntem kit numunenin 1 mL kullanın. üreticinin protokolüne bakın.
    3. nitrit konsantrasyonu belirlemek için ticari bir yöntem kiti 10 ml numune kullanın. üreticinin protokolüne bakın.
  4. Ticari sondalar ve veri kayıt cihazı kullanarak çevre koşulları (hava sıcaklığı, güneş radyasyonu, rüzgar hızı), ticari bir hava istasyonu kullanılarak yanı sıra tankı / Su birikintisi koşulları (su sıcaklığı, pH, çözünmüş oksijen) izleyin. üreticinin protokolüne bakın.

Sonuçların 4. İstatistiksel Analiz

  1. Toplanan veriler istatistiksel olarak normal olup olmadığını belirleyin. Bir QQ arsa 12 kullanarak veri setinin normallik belirleyin Sup.
  2. Pearson r veya sırasıyla 13, normal ve normal olmayan veriler için Spearman p kullanarak parametreleri arasındaki korelasyonu belirlemek. Korelasyon parametreleri en azından aşağıdaki parametreleri içermelidir: İlk amonyak konsantrasyonu, başlangıçtaki toplam azot konsantrasyonu, ilk biyokütle yoğunluğunu, amonyak çıkarma oranı, toplam azot giderimi oranı, biyokütle büyüme oranı ve tüm çevre koşulları.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Bu çalışmanın amacı, biyokütle büyüme ve küçük ve büyük ölçekli reaktörlerde yetişen alg kültürlerinin besin kaldırma yeteneklerini karşılaştırmaktır. Bu çalışma bulgularını çoğaltmak için Sistem 1 ve Sistem 2 olarak adlandırılan iki eşli sistemleri kullanır. Bu temsilcisi sonuçları 2016 birinci kanal gölet aslında Philadelphia 14 açık gölet kaynaklı yosun ile aşılanmıştır, Nisan ile 8 haftalık bir süre, Şubat aittir. Bu kültür bir akvaryum tankında yüksek yoğunlu...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

Sistem performansı:

8 haftalık çalışma boyunca, bir sistem içinde küçük ve büyük ölçekli damarların verimliliği karşılaştırıldı. Bu çalışmada azot ve amonyak kaldırma oranları ve biyokütle büyüme oranlarında arıtma sisteminin verimlilik ölçütleri olarak kullanılmıştır. Sistem, her hafta ayrı koşullar altında çalıştırılan bir yarı-parti reaktöründe olarak çalıştırıldı. Temsilcisi sonuçları sistem operasyonun ilk 8 hafta boyunca, ancak bir tam çalışma çevre koşullarında mevsimsel değişkenlik hesa...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarlar ifşa hiçbir şey yok.

Teşekkürler

Yazarlar kendi bilgi ve sızıntı suyu paylaşmak için Felton, DE Sandtown Landfill teşekkür etmek istiyorum.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
Akvaryum TankıOptik olarak şeffaf camlı herhangi bir 100+ L akvaryum tankı kullanılabilir
RW 3.5MicroBio MühendislikYarış Pisti Göleti
Eurostar 100 dijitalIKA4238101Tavan mikserleri
Sızıntı SuyuSandtown Çöp Sahası
Numune Alma ŞişeleriNalgenePlastik veya cam, laboratuvar sınıfı, 125-200  mL
Transfer PompalarıBahçe tipi pompa ile içme suyu kalite hortumları uygun olacaktır
AmVer Salisilat Testi 'N TüpHach2606945Yüksek Aralıklı Amonyak Testleri
NitraVer X Azot - Nitrat Reaktif Seti Hach2605345Yüksek Aralıklı Nitrat Testleri
NitriVer 2 Nitrit Reaktifi Toz YastıklarHach2107569Yüksek Aralıklı Nitrit Testleri
Hach DR2400 SpetrofometreHachDR2400'ün üretimi durduruldu, ancak bu uygulamada herhangi bir DR serisi Hach spektrofotometresi kullanılabilir.
EMD Mikrobiyolojik Analiz MembranFiltreleri MilliporeHAWG047S60.45 & mikro; M Filtreler

Kaynaklar

  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).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Etiketler

Atık Su ArıtımıReaktör Ölçeği KarşılaştırmasıAmonyak GidermeAzot GidermeBiyokütle Büyüme HızıToplam Askı Katı MaddeSpektrofotometre AnaliziHidrolik Bekletme SüresiÇöp Depolama Alanı Sızıntı Suyu
Atıksu Alg İyileştirme için Fotosentetik Reaktör Sistemde Ölçeği Karşılaştırılması
Bize Ulaşın
Kütüphaneye Öner

Gizlilik

Kullanım Koşulları

Politikalar

Telif Hakkı © 2026 MyJoVE Corporation. Tüm hakları saklıdır.