시스템 설치 및 기본 작업 : Biogas로 유기 폐기물을 변환하는 혐기성 소화조를 지속 - 흔들

Published 7/13/2012
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Bioengineering

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Summary

실험실 규모의 혐기성 digesters 과학자 혐기성 생물 공학의 기존 애플 리케이션을 최적화하는 새로운 방법을 연구하고 다양한 유기 폐기물의 메탄 생산 잠재력을 평가할 수 있습니다. 이 문서는 지속적으로 혐기성 소화조를 흔들 실험실 규모의 건설, 접종, 운영 및 모니터링을위한 일반 모델을 소개합니다.

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Usack, J. G., Spirito, C. M., Angenent, L. T. Continuously-stirred Anaerobic Digester to Convert Organic Wastes into Biogas: System Setup and Basic Operation. J. Vis. Exp. (65), e3978, doi:10.3791/3978 (2012).

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Abstract

무산소 소화 (AD)는 일반적으로 에너지 캐리어 1-3와 같은 메탄과 유용한 biogas로 복잡한 유기 폐기물을 변환하는 데 사용되는 bioprocess입니다. 점점 광고는 4,5 산업, 농업, 그리고 시립 하수 처리 애플 리케이션에게에서 사용하고 있습니다. AD 기술의 사용은 공장 운영자는 폐기물 처리 비용을 절감하고 에너지 유틸리티 비용을 상쇄 수 있습니다. 유기 폐기물을 치료 이외에 에너지 작물은 에너지 캐리어 메탄 6,7로 변환되고있다. AD 기술의 응용 프로그램이 새로운 기판과 공동 기판 혼합 8 치료를 넓혀만큼 조종사와 실험실 규모에서 안정적인 테스트 방법론에 대한 수요를 않습니다.

무산소 소화 시스템은 지속적으로 흔들 탱크 반응기 (CSTR), 플러그 흐름 (PF) 및 혐기성 시퀀싱 배치 반응기 (ASBR) 구성 9를 포함하여 다양한 구성을 가지고

이 문서는 건설 inoculating, 운영, 그리​​고 장기적인 혐기성 소화 주어진 유기 기판의 적합성을 테스트하기위한 목적 CSAD 시스템을 모니터링하기위한 일반적인 방법론을 제시합니다. 이 문서의 건설 부분에서는 실험실 규모의 반응기 시스템을 구축 다룰 것입니다. 접종 섹션은 활성 methanogenic inoculum으로 퍼뜨리고 적합 무산소 환경을 만드는 방법을 설명합니다. 운영 섹션 운영, 유지 보수 및 문제 해결에 충당되게됩니다. 모니터링 섹션은 표준 분석을 사용하여 프로토콜을 테스트 소개합니다. 이러한 조치의 사용에 대한 광고 기판 적​​합성의 신뢰할 수있는 실험적인 평가를 위해 필요합니다. 이 프로토콜은 원자로 고장이 기판에 의한되었다고 결론 지하는 것입니다 AD 연구에서 만든 일반적인 실수에 대해 더 큰 보호를 제공하는데정말 그것이 부적 절한 사용자의 작업 10 살 n은 사용.

Introduction

무산소 소화 (AD)는 에너지 캐리어로서 메탄과 유용한 biogas로 복잡한 유기 폐기물 기판 생물학 중재 변환을 포함하는 성숙한 기술입니다. 에어로빅 치료 10에 비해 최소한의 에너지와 영양소 입력 및 감소 biosolids 생산을 포함하여 무산소 처리의 많은 혜택이 있습니다. 또한, 이러한 시스템에 내재된 혼합 미생물 커뮤니티의 다양성은 feedstocks 11,12 등 적절한 유기 기판의 다양한 렌더링. 실제로, 그것은 광고를위한 애플 리케이션의 증가는 특히 산업, (예, 음식 폐기물)시, 그리고 농업 분야 4,7,13에서 기존의 시립 폐수 처리, 외부에서 채택되고있는 이러한 혜택 때문입니다. 광고는 이전 10 년간의 국가 에너지 위기에 대한 응답으로 1980 년에 최초의 주요 확산 시작가 발생했습니다. 세계는 점점 글로벌 에너지 위기를 맞게 된대로환경 파괴와 함께 결합, 큰 초점은 지금 생물 연료 기술과 특히 폐기물 - 투 - 에너지 개념에 위치하고 있습니다. 예를 들어, 미국에서 혐기성 소화는 총 전력은 8 필요의 5.5 %를 생성할 수 있습니다.

이것은 새로운 유기 폐기물 및 혐기성 소화 14 폐기물 혼합의 적합성을 평가하기 위해 시험과 실험실 규모에서 잘 통제된 실험 연구에 대한 수요가 증가하고있다. 우리는 건설, 접종, 운영, 그리​​고 강력한 평가 적합 것이다 실험실 규모의 혐기성 소화조의 모니터링을위한 일반적인 모델을 제공하는 것입니다. 무산소 digesters는 여러 구성에 존재합니다. 지속적으로 정기적인 유입 수유와 혐기성 소화조 (CSAD)을 흔들; 플러그 흐름 (PF), upflow 혐기성 슬러지 블랭킷 (U 지속적인 유입 먹이로 탱크 반응기 (CSTR)를 지속 - 흔들 : 몇 가지 일반적인 구성을 포함ASB), 무산소 마이 블랭킷 반응기 (AMBR); 무산소 당황하고 반응 (ABR) 및 혐기성 시퀀싱 배치 반응기 (ASBR) 구성 9,15. CSTR과 CSAD 구성이 광범위하게 설치 및 운영 유리한 조건의 용이성으로 인해 실험실 규모의 실험을 위해 채택되었습니다. 때문에 지속적인 혼합 때문에, 유압 체류 시간 (HRT)은 슬러지 체류 시간 (SRT)와 같습니다. SRT는 광고에 대한 중요한 설계 매개 변수입니다. 구성도 있기 때문에 이러한 화학 종의 농도, 온도 및 확산 속도와 같은 매개 변수의 큰 공간적 균일의 통제된 실험에 도움이됩니다. 그것은 혐기성 소화조를위한 최적의 본격적인 구성이 같은 목표 방류수 질과 같은 다른 nontechnical 측면 간의 유기 기판의 특정 물리적, 화학적 특성에 의존하는 그러나, 주목하여야한다. 예를 들어, 상대적으로 높은 가용성 유기 콘텐츠 및 littl로 폐기물 스트림을 희석같은 양조장 폐수와 같은 전자 입자, 일반적으로 높은 속도 upflow의 생물 반응기 구성 (예 : UASB)보다는 CSAD 구성에서 큰 에너지 전환을 경험한다. 에 상관없이 성공적인 소화하고이 구성을 사용하는 일반 explication를 정당화 모든 구성에 관련된 필수적인 기본적인 작동 매개 변수가 없습니다.

실제로, 무산소 미생물의 다양한 개방형 커뮤니티를 포함한 모든 광고 시스템은 메탄 (전자 당 가장 낮은 가능한 자유 에너지와 최종 제품 최종)으로 기판을 순차적을 잘 대사 것입니다. ; acidogenesis, acetogenesis 및 methanogenesis 가수 분해 :이 과정에 참여 대사 경로가 복잡한 음식 느슨하게 네 영양 단계로 분류 웹을 구성합니다. 가수 분해에서는 복잡한 유기 고분자는 (예 : 탄수화물, lipids, 그리고 단백질) hyd에 의해 각각의 단량체 (예 : 설탕, 긴 사슬 지방산의 지방산 및 아미노산)로 세분화된다, fermentative 박테리아를 rolyzing. acidogenesis에서 이러한 단량체는 acetogenesis에 더 정중 5 homoacetogenic 및 의무 수소 생산 세균에 의해 아세테이트와 수소로 산화되어 휘발성 지방산 (VFAs) 및 알콜에 acidogenic 세균에 의해 발효됩니다. methanogenesis의 최종 단계에서 아세테이트 및 수소는 acetoclastic 및 hydrogenotrophic methanogens에 의해 메탄 가스로 대사된다. 그것은 전체 시스템이 최적으로 수행하기 전에 전반적인 AD 과정, 미생물의 여러 단체에 의한 신진 대사의 상호 시리즈에 의존하여, 각 회원의 성공적인 기능에 따라 달라집니다 것을 인식하는 것이 중요합니다. 광고 생물 반응기 시스템의 설계 및 시공은 항상 완전히 생물 반응기를 봉인하기 위해 고려에 요구를해야합니다. 생물 반응기의 상단 (헤드 스페이스를 분리) 또는 가스 처리 시스템에있는 작은 누출을 감지하기 어려울 수 있으며, 따라서 시스템을 대표해야반드시 사용하기 전에 테스트했습니다. 누설없는 설정을 확인한 후, 혐기성 소화조 연구과 실패는 종종 접종 culturing 및 일상적인 작업 동안 오류로부터 줄기. 그 결과, digesters는 본질적으로 불안정하고 예상치 못한 실패하는 경향로서 평판이 있습니다. 왜 본격적인 digesters은 수십 년 13 안정적인 조건에서 운영하는 것으로 다음인가? 실패, 특히 미생물 커뮤니티 천천히 유기 폐기물 조성과 강도에 적응해야하는 동안 시동 기간 동안 운영자가 부적절하게 취급로부터 줄기 가능성이 높습니다. 따라서 우리의 목표는 광고 시스템을 구축하기위한 방법론을 제공만이 아니라, 또한 접종, 운영, 이러한 시스템의 모니터링 프로세스를 명료하게하다합니다.

두 번째 섹션이 활성화 methanog 함께 소화조 접종에 대한 절차를 제공하면서 문서의 첫 번째 섹션은 CSTR이나 CSAD 시스템을 구축하는 방법을 설명합니다enic 바이오 매스. 그것은에서 활성 methanogenic 바이오 매스로 digesters을 예방하는 데 시간이 많이 소요 더 실용적이고 적은 혼합 주류 또는 초기 문화에서 충분한 바이오 매스를 개발하기 위하여보다 유사한 기판을 치료되는 운영 소화조의 방류수. 문서의 세 번째 섹션은 유출물 decanting, 다양한 원자로 문제를 해결하는 등 먹이 기판 같은 운영 고려 사항을 다룰 것입니다. 기판 먹이와이 시스템에 대한 방류수 decanting은 (즉, 주기적으로 먹이와 바이오 매스와 혼합 주류의 대부분은 생물 반응기에서 숙박하면서 decanting) 세미 지속적으로 실시됩니다. 소화조는 먹이 / decanted되는 주파수는 운영자의 특권이다. 일반적으로 먹이 / 더 자주 그리고 정기적으로 decanting 것은 먹이주기 사이의 성능에 큰 소화조의 안정성과 일관성을 증진합니다. 네 번째 섹션은 expe하는 동안 사용되는 기본적인 모니터링 프로토콜을 소개합니다rimental 기간. 물과 폐수 16 (표 1, 2)의 시험 표준 방법에서 설명한 여러 가지 표준 분석은, 기판 및 적절한 시스템 모니터링의 특성화를 위해 필요합니다. 측정된 변수 이외에 감시의 중요한 부분은 소화조 시스템 구성 요소가 제대로 작동하는지 확인하는 것입니다. 소화조 시스템에 대한 정기적인 유지 보수는 별도 소화조의 장기 성능과 안정성을 위태롭게 할 수있는 주요 시스템 문제를 치는 것입니다. 예를 들어, 온도의 하락으로 이어지는 가열 요소의 실패, methanogens의 신진 대사 속도를 줄임으로써 휘발성 지방산의 축적을 일으킬 수 있습니다. 시스템 methanogens에 대한 억제 수준 위의 산도를 유지하기 위해 충분한 알칼리도가 부족하면 이러한 문제가 혼합됩니다. 그것은 biogas 생산 쥐에서 예상치 드랍스 후 가능한 누수를 탐지하고 닫습 것도 중요네;. 따라서 의한 실험 계획법 내에서 복제, 예를 들어, 정확한 운영 조건 하에서이 bioreactors 나란히을 실행하면 같은 작은 누수와 같은 시스템 오작동에 의해 발생하는 예기치 않은 성능 손실을 감지하는 것이 중요합니다.

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Protocol

1. 소화조 건설

  1. 그림에 표시된 모든 기능을 포함 소화조 선박을 선택하십시오. 1 (원추가 필요하지 않습니다), 그리고 원하는 작업 볼륨 (일반적으로 1-10 L 사이). 당신의 소화조 용기는 온수 - 물 재킷을 갖추고 있지 않은 경우, 그러한 온수 물 목욕이나 배양 챔버로 다른 온도 제어 환경에서 소화조를 놓습니다.
  2. 나머지 부품 (표 2)의 게재 위치에 대한 충분한 가로 벤치 공간 영역에서 수직 위치에있는 혈관을 고정합니다.
  3. 그림에 따라 선박 뚜껑을 건설. 2. 유입 및 유출 튜브의 포트 막힘을 방지하기 위해 충분한 넓이이어야합니다. 생물 반응기 내부 튜브는 튜브의 첨부 파일을 수 있도록 뚜껑의 상단으로부터 확장하면서 decanting 동안 소화조 매체에 빠져들 유지할 수 있도록 충분한 길이 여야합니다. sheathing 임펠러까지 POS 등 연장한다소화조 매체 (잠수 관 그리고 생물 반응기를 탈출 헤드 스페이스의 biogas를 방지 sheathing)에 sible.
  4. 뚜껑의 접촉면에 실리콘 기반의 진공 그리스를 적용하고 소화조의 선박 상단에 클램프.
  5. 반지 스탠드와 클램프 다음 접사 임펠러 샤프트를 사용하여 소화조의 수직 축에 평행 변속 믹서를 고정합니다. 때문에 믹서 모터 진동과 운동은 독립과 무료 이동 스탠드를 사용하는 것이 중요합니다.
  6. 유입 및 유출 튜브 양쪽에 유연한 튜브의 부분을 연결 후 가스 라인으로 사용할 가스 포트에 튜브의 다른 부분을 연결합니다.
  7. 선반에 소화조 위에 놓을 수있는 다양한 구성 요소 각각에 biogas 라인을 연결합니다. 구성 요소가이 순서로 연결되어야합니다 : 샘플링 포트, 거품 트랩, H 2 S 스크러버, 가스 탱크, 버블러, 가스 미터, 그리고 환기 라인 (그림 3). 고립을 촉진하거나 다시하기목적을 해결하거나 청소를위한 개별 구성 요소의 moval는 밸브와 컴포넌트 사이 connecter 최신 설비를 추가하는 것을 고려하십시오. biogas가 폭발하기 때문에 가스 콘센트가 올바르게 외부 또는 화학적 후드에 통풍이되어 있는지 확인합니다.
    1. 가스 샘플링 포트 반응기 상부 부근에 위치해야합니다.
    2. 거품 트랩은 간단한 술병이나 용기를 사용하여 건설 수 있으며, 원자로 볼륨의 최소 25 %이어야합니다. 그것은 두 개의 포트, biogas 유입 라인을위한 하나 biogas 콘센트 라인에 대한 다른가 포함되어야합니다. 이러한 포트는 딱딱한 튜브가 삽입되고이를 통해 고무 마개에 구멍을 뚫는하여 만들 수 있습니다. biogas 유입 튜브 biogas 아울렛 튜브 (그림 4)보다 더 깊이 확장해야합니다. 폼 트래핑 가능한 소화조 발포체로부터 가스 처리 시스템을 보호할 필요가 있습니다.
    3. H 2 S 스크러버는 stee 가득 2cm보다 큰 내경로, 긴 유리관으로 구성되어 있습니다두 끝에 biogas 입구와 출구 포트와 내가 울. 스틸 울은 biogas의 흐름이 차단되어도 그게 사실이 아니라고 단단히 스트립 충분한 표면적을 제공하기 위해 포장을 잘하지만되어야한다. 닦고는 부식성 화학 물질에서 가스 미터의 금속 부품을 보호하기 위해 필요합니다.
    4. 가스 저수지에 두번 타겟 피드 볼륨을 초과하는 볼륨과 같은 가스 가방, 심지어 어린이 놀이 공으로 어떠한 축소, 빵빵한 물질 밖으로 만들 수 있습니다. 이것은 헤드 스페이스로 유출하고 가능한 공기 흡입을 decanting 동안 압력 강하를 방지하는 데 필요합니다.
  8. 시스템이 순환 온수기에 의해 온도를 관리하며 경우, 유연한 튜브를 사용하여 가열 재킷에 히터를 연결합니다. 가열 재킷의 액체 해발 장치를 놓습니다. mesophilic 또는 thermophilic 소화 (표 1)에 적합한 온도로 히터를 설정합니다.
  9. 의과 누수를 감지하여 시스템의 누설 시험을 수행oapy 물. 물로 소화조 탱크를 작성하여 시작한 후 약간 압력 이하 5 PSI에 가스 유입 라인의 기압. 첫째, biogas 라인과 반응기 뚜껑 주위에 누수가 있는지 확인하기 위해 방류수 라인 클램프 다음 전체 가스 처리 시스템에 대한 누출 테스트 biogas 라인 클램프를 제거합니다. 유입 라인의 과다 가압는 임펠러 sheathing 튜브를 통해 물을 강제됩니다.
  10. 임펠러 및 가열 요소를 켜고 믹서와 히터가 지속적인 작동을 유지할 수 있도록하기 위해 하룻밤 사이에 실행하자. 임펠러의 회전 속도는 반응기 매체의 혼합 완전한 유지를 위해 충분히 빨리해야합니다. 일반 믹서 문제는 샤프트의 misalignment, 과도한 마찰, 그리고 반지 스탠드로 모터의 확보 부족 등이 있습니다.

2. 활성 Methanogenic 바이오 매스를 사용하여 소화조의 접종과 컨디셔닝

  1. CL에서 활성 methanogenic 바이오 매스 (inoculum)를 저장4에 냉장고에있는 osed 컨테이너 ° C digesters을 준비하는 동안. 이상적으로, inoculum는 가능한 짧은 시간 동안 보관해야하며 완전히 소화조의 전체 볼륨을 채울 수있을만큼 거기에 있어야합니다. 그러나 특정 혐기성​​ 바이오 매스는 (예 : 세분​​화된 바이오 매스 등) 매우 오랜 기간 동안 저장할 수 있습니다. 적절한 볼륨 필요한 경우에 무산소 가스 빨개 지더니 물로 inoculum을 희석.
  2. , 수유 튜브에 연결 유출물 라인을 클램핑하고, 무산소 기체의 과도한 손실을 방지하기 위해 믹서 차축과 칼집 사이에 공간을 녹화하여 몇 분 동안 혐기성 가스를 빈 소화조 시스템을 플러시.
  3. 홍조 기간 동안에 플러시 아웃 가스 저수지 있는지 확인하십시오.
  4. 플러시가 완료되면 먹이를 튜브에 깔때기를 연결하고 균일을 보장하기 위해 정기적으로 inoculum를 섞어해야하는 inoculum를 추가합니다.
  5. mixe 턴온, 생명 유지에 혐기성 가스를 다시 연결R, 그리고 적어도 15 분 소화조의 주류를 플러시. 다음 가스를 분리 공급 튜브 클램프와 가스 저수지를 unclamp. 이것은 소화조가 운영 중이다.
  6. 소화조는 수유를 시작하기 전에 며칠 동안 운영하고 biogas 생산을 모니터링하도록 허용합니다. 이 기간 동안 총 고체 및 inoculum (표 1)에 대한 휘발성 고체 농도 분석을 수행합니다. 고체 농도는 대상 혼합 주류 농도보다 상당히 큰 경우, 수유를 시작하기 전에 적절하게 소화조의 내용을 제거하고 희석. 이것은 시작 기간 동안 너무 급격히 미생물 (F / M)의 비율로 음식을 증가시킬 수 있습니다 운영 기간 중 바이오 매스의 과도한 유실을 방지하기 위해 수행됩니다.
  7. 총 및 휘발성 고체 농도, 생물 학적 또는 화학적 산소 요구량, 또는 기판의 총 유기 탄소 중 하나를 측정하여 기판의 유기적인 생분해성 분율을 결정합니다. 생 사용S는 보수적인 초기 유기 로딩 속도 (OLR)를 계산하기 위해 매우 중요하게 생각합니다.
  8. 대상 값 (신생 기간)에 도달할 때까지 연산자는 점차 OLR이 높아집니다. 시동 기간 동안 하나의 접근법은 대상 OLR이 (품질에 따라 일년에 몇 개월이 걸릴 수 있습니다 과정을 달성하기 전까지 피드의 유기적인 강도를 수정하고 점차적으로 유압 체류 시간 (HRT)를 줄이는 것입니다 inoculum 및 사용 기판).의 OLR을 늘리면 너무 빨리 휘발성 지방산의 과다 농도 그림 (> 2,000 아세테이트와 같은 MG / L)로 이어질 것입니다. 5. 휘발성 지방산 농도가 suboptimum 수준 (표 1) 증가하는 경우 연산자는 OLR을 절감해야합니다. 휘발성 지방산 농도가 너무 높은 경우, 생물 반응기의 내용물은 물로 희석해야 할 수도 있습니다.
  9. 실험이 역을 수립하기 전에 대상 OLR에서 소화조 세 HRTs의 기간을 허용경베이스 라인 상태.

3. 소화조 운영

  1. 그것이 부양할 때가 ° C까지 유출 decanting 항상 decanting 이전에 즉시 소화조로 기판뿐만 아니라 앞에, 4에서 공급 혼합물 및 저장소를 준비합니다.
  2. 펌프 (진공 하에서 사이드 암 플라스크 decanting 중 하나 가능성이있다)로 유출 튜브를 연결하여 소화조의 유출물 가만히 따르다 및 사료 볼륨에 비해 동등한 볼륨을 제거합니다. ° C ~ 나중에 분석을 위해 4에 방류수를 저장합니다. 분석 많은 시간을 구분합니다. CO 2는 솔루션을 탈출하기 때문에 예를 들어, 산도가 산도를 증가 즉시 측정하여야한다.
  3. 냉장고에서 공급 혼합물을 제거합니다. 피드 튜브에 깔때기를 연결하고 고체가 액체 대량으로 운반받을 수 있도록 정기적으로 혼합해야하는 피드 (기판)에 붓는다.
  4. NE 경우, 표 3에 제시된 문제 해결 단계를 수행cessary.

4. 시스템 모니터링

  1. 작업 중 자주 소화조 시스템 및 그 구성 요소를 확인합니다. 특히 관심이 혼합 및 가열 시스템에 납부하여야한다. 유출물 고체 농도의 갑작스러운 감소의 부족 혼합 의지 명단 (그림 6). 주기적으로 적절한 수준에서 가스 미터 기름이나 물이 있는지 확인하고 필요에 따라 H 2 S 트랩의 스틸 울을 대체합니다. 그것이 철 황화물을 형성 H 2 S와 반응으로 철강 양모는 블랙과 광택이 될 것이라고합니다.
  2. 시스템 성능 및 안정성 진단을위한 방류수 소화조에서 이러한 분석을 수행합니다. 값을 일관되게 표 1에 표시된 지정된 최적의 범위 내에서 넘어 져야.
    1. biogas 생산 속도와 산도 모든 먹이주기를 측정합니다.
    2. 휘발성 지방산 농도, 알​​칼리도, 그리고 biogas 콘텐츠를 여러 번 일주일을 측정합니다.참고 : 그 조성은주기의 과정을 통해 변경됩니다 이후 biogas 내용을 먹이주기에 상대를 동시에 측정해야합니다. 이상적으로, biogas 직전의 먹이로 먹이주기의 끝에 샘플되어야합니다.
    3. 더 자주 주일 또는 의사 정상 상태 조건에서 각각의 실험 조건에 대해 적어도 세 개의 데이터 지점을 구하는 일단 생물 학적 또는 화학적 산소 요구량과 총과 휘발성 고체을 측정합니다.

5. 대표 결과

소화조의 성공 접종은 몇 일 이내 biogas의 생산에 의해 표시됩니다. 더 methanogenic 바이오 매스가 모집되면 biogas 중 이산화탄소 비율 메탄은 새 환경 순응 기간 동안 증가합니다. acidogens에 비해 methanogens의 느린 성장은 긴 새 환경 순응 기간 및 점진적인 운영 변경 사항이 필요한 경우가 있습니다. 그림에서. 5, 우리는 역동적인 책임을을 입증높은 유기 로딩 속도 (OLR)를 너무 일찍 시동 단계에서 도입되어 소화조의 SE. 이 예제에서 제거 (활용, IE) 기판 열화 단계 acidogenesis에서 진화 휘발성 지방산 (VFAs). 부족 methanogenic 바이오 매스가 발생했습니다 이것은 VFAs의 축적을 주도하고, 산도의 이후, 감소. 이 상황을 수습하고, OLR이 acidogens하여 VFAs의 생산을 제한하고 높은 OLR로 돌아오기 전에 큰 methanogen 모집을 허용 감소되었다. digesters는 그로부터 3 유압 보존 기간 동안 안정적인 소화를 전시.

안정적인 소화 또는 의사 정상 상태 조건이 최소한 같은 biogas 생산 속도, 총 VFA 농도, 휘발성 고체의 농도와 산도 수준으로 측정된 파라미터, 지속적으로 그들의 평균 값의 10 % 내에서 유지하는 경우 간주됩니다 한 HRT의 기간. 이 할당의 중요성이 드러납니다 전N 그림. 불충 분한 혼합에 의한 섭동로 CSTR 시스템의 장기적인 응답을 보여줍니다 6. 적절한 혼합의 부족 고체가 적은 고체가 decanting 방류수 중에 제거되었습니다 의미 반응기에 정착하는 것을 허용했다. 그들의 축적 충분한 혼합이 복원 이후 더 높은 방류수 고체의 농도 결과. 그것은 정상적인 방류수 고체 농도에 소화조를 반환 약 HRT (예, 25 일)했다.

무산소 소화조는 생물 학적 체계이며 따라서 그것은 성능의 일부 내부 다양성을 전시됩니다. 실험자들이 시스템 (통계의 적절한 사용이 필요합니다)에 부과 실험적 perturbations로 인한 구체적인 효과를 분별하기 전에 이러한 변화는 계량해야합니다. 실험적인 변화가 반응기 시스템에 적용한되기 전에 이것이 일반적으로 안정 concentrat을 가정하는 시간이 충분한 기간으로 간주되기 때문에 세 HRT 기간이 필요합니다혼합 주류 (그림 7)에서 화학 종의 이온. 이 간격이 끝날 무렵, 실험자 각 측정 매개 변수에 대해 신뢰할 수있는 기준을 만들 수 있어야합니다. 이 기준은 향후 실험을위한 비교의 기준 역할을합니다.

소화조의 일반적인 성능은 다양한 표준 분석은 일상적으로 실행될 것을 요구 모니터링 프로토콜을 수행하여 평가 할 수 있습니다. 이 일정은 대부분의 시스템 문제와이를 방지하기 위해 리 시간에 엽 성의 전구 물질을 식별할 수있는 적절한 시간적 해상도를 제공합니다. 또한, 이러한 진단 테스트의 결과는 suboptimum 성능을 확인하기 위해 표 1과 함께 사용하도록 의미된다. 표 3은 체력 단련하면 소화조 일반적으로 발생한 많은 문제에 대한 해결책을 제공합니다. 문제는 그 안에 제시된 지침에 따라 정류 수없는 경우에는 운영자가 다른 resour을 참고해야합니다이러한 무산소 생명 공학에 관한 레퍼런스 텍스트로 CES.

작업 매개 변수 표준 방법 인덱스 일반적인 범위 익스 트림 범위
Mesophilic Thermophilic Mesophilic Thermophilic
온도 2550 () 32-37 17 ° C 50-60 17 ° C 20-42 17 ° C 45-65 17 ° C
유기 로딩 속도 NL 0.8-2.0 17g
VS-L -1-D -1
1.5-5.0 17g
VS-L -1-D -1
0.4-6.4 17g
VS-L -1-D
1.0-7.5 17g
VS-L -1-D -1
유압 유지 시간 NL 15-35 일 <15,> 35 일
탄소 : 질소 비율 NL 25:1 17 > 25:1
모니터링 매개 변수 표준 방법 인덱스 최적 범위 Suboptimum 범위
산도 4500-H + (B) 6.5-8.2 10 <6.5,> 8.2
알칼리도 2320 (B) 1300-3000 17
MG CaCO 3-L -1
MG CaCO 3 - L-1
휘발성 지방산 5560 (​​C) <200 10
MG AC-L -1
> 200 10
MG AC-L -1
고체 제거 효율 2540 (B, E) > 50 % <50%
Biogas 내용 2720​​ (C) 55-70 CH 4; 30-45 CO 2% <55 CH 4;> 45 CO 2퍼센트

표 1. CSTR 시스템을위한 일반적인 작업 선택 가이드 및 모니터링 매개 변수.

구성 요소 사양 (디자인 고려 사항) 댓글
온도 제어 순환 온수기 온도 범위 : 25-65 ° C
(난방 용량, 맥스. 압력 헤드, 체적 유량)
온수 물을 충분히 높은 유동 속도와 완벽하게 순환하는 데 충분한 압력을 함께 제공해야합니다.
샘플링 포트 NA 위치는 헤드 스페이스 가까운 이상적입니다.
거품 트랩 볼륨 : 반응기 볼륨의 25 % 단순 사이드 암 플라스크 또는 유리 단지 사용할 수 있습니다. 단위는 청소에 대한 접근이 있어야합니다.
황화수소의 스크러버 (가스 접촉 시간) 유리 또는 플라스틱 튜브가 (없는 금속)를 사용해야합니다. 길이를 사이징하는 것은 적절한 가스의 접촉 시간을 제공한다.
가스 저수지 볼륨 :> 2X 유출물 볼륨, 재질 : 세미 탄성 (딱딱한되지 않음) 볼륨 유출물 드하는 동안 찍은 것을 초과한다점잔 빼는 말투. 자료는 축소 및 확장을 허용한다.
버블러 NA 수위에서 제공 헤드 압력은 가스 전달 시스템에서 압력을 빌드 - 업 제한하는 최소화해야합니다.
가스 미터 (가스 흐름 감지 범위) 플라스틱 가스 미터는 금속보다 우선적으로하고 있습니다. 가스 유량 감지 범위는 예상되는 biogas 생산 속도로 정확해야합니다.

표 2. 사양 및 의견 보조 원자로 부품.

R>
오류 증상 가능한 해결책
수유이나 유출물 튜브를 자주 막힘

• 큰 직경의 튜브 및 / 또는 부속품을 사용하십시오.

• (예, 믹서기 또는 체를 사용하여 입자 기판 크기를 줄입니다).

수유하면서 • 믹스가 더 자주 먹이.

• 소화조 내용이 완전히 혼합되어 있는지 확인합니다.

거품 과도

• OLR를 줄입니다

• 소화조의 혼합 강도를 줄입니다.

• 활성 소화조 량을 줄임으로써 소화조의 헤드 스페이스를 높이십시오.

소화조 사이에 일관성 biogas 수율은 복제

• 아무 누수 중 소화조의 가스 처리 시스템에 존재 없는지 확인합니다.

• 가스 미터 및 가열 요소가 제대로 작동되고 보정되어 있는지 확인합니다.

• 공급 혼합물이 equivalently 준비가되어 있는지 확인합니다.

t의 일관성이나 높은 가변 고체 농도그는 유출물 (그림 6) 소화조는 복제 사이

• 소화조 내용이 적절하게 혼합되어 있는지 확인합니다.

• 반응기 유출물 decanting 라인 원자로 간의 동등한지 확인하십시오.

biogas의 절감 메탄 함량

• 산도가 methanogenesis을위한 최적의 범위 (즉, 6.5-8.2) 내에 있는지 확인합니다. 그렇지 않다면 적절한 산도 또는 알칼리도 함께 보완.

• 중요한 질소가 biogas에 감지되면 (즉,> 10 %), 샘플링 포트 근처에서 누출을 확인합니다.

• biogas 샘플링의 주기성 질서를 세우다.

• VFA 농도가 최적의 범위 내에 있는지 확인합니다. 그렇지 않으면 만성 높은 휘발성 지방산 농도에 대해 나열된 문제 해결 단계를 따릅니다.

만성 높은 휘발성 지방산 농도 (그림 5)

• OLR를 줄입니다.

• 보완하여 영양소 또는 성분 금속 결함을 극복.

• 원자로 내용 산소 침입으로부터 밀폐되어 있는지 확인합니다.

• 공급주기의 주파수를 높이십시오.

• 유압 짧은 circuiting를 제거합니다.

• 보완하여 알칼리 결핍을 극복.

표 3. 소화조 운영을위한 문제 해결 프로토콜.

그림 1
1 그림. 원자로 설계의 기본 예 : 바디 소재 - 유리, 튜브 재질 - 스테인레스 스틸 / 알루미늄, 뚜껑 재질-PVC / 플렉시 글라스.

컨텐츠 "> 그림 2
그림 2. 부품 소재 - 스테인레스 스틸 / 플라스틱; 튜브 재질 - 스테인레스 스틸 / 알루미늄 뚜껑 재질-PVC / 플렉시 글라스 : 원자로 덮개 디자인의 기본 예제.

그림 3
그림 3. 시스템 다이어그램은 구성 요소 배치를 보여주는.

그림 4
4 그림. , 튜브 재질 - 플라스틱 / 유리 자자 소재 - 플라스틱 / 유리 : 거품 트랩 설계의 기본 예제.

그림 5
그림 5. 원자로 시동시 높은 유기 로딩 속도 (OLR). 1.35 gVS-L -1의 OLR과 함께 처음으로 일반 시스템 응답은 총 휘발성 지방산 (TVFA)의 축적을 일으켰습니다. 산 축적 cau biogas 수율의 감소 뒤에 산도의 감소 않았을. 1.15 g VS 일 -1 OLR을 낮추는 방법으로, 두 시스템은 1.35 gVS-L -1 OLR를 용납하기 위해 충분한 methanogenic 바이오 매스 농도를 복구하고 설정할 수있었습니다. 원자로 사이의 산도와 TVFA 축적의 차이는 혼합 사회의 독특한 역학을 전시하고 있습니다.

그림 6
그림 6에 대한 일반적인 시스템 응답 충분히 혼합 시스템 (반응기 B)에 비해 (반응기) 혼합 부족한 가난한 믹싱 동안 고체가 반응기의 하단으로 정착하고 (일 280-290) decanting 동안 제거되지 않습니다... 믹싱은 충분한 강도 (매일 300)에 반환되면 누적 고체 점차 (일 305-330) 제거되며, 시스템이 안정적인 고체의 농도로 돌아갑니다.

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그림 7. 보수적인 화학 물질의 농도와 이상적인 CSTR 시스템의 유압 보존 기간 (HRT) 사이의 이론적 관계. 세 HRTs에서 [C] 소화조의 화학 종이의 실제 농도는 95 % 초기의 것이다 피드에 존재 농도 [C 0].

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Discussion

이 기사에서는 혐기성 소화 시스템은 실험적인 맥락에서 일반적인 소개 및 대부분의 기판 치료를 위해 몇 가지 기본적인 지침을 제공합니다. 기판 유형, 소화조 구성, 운영 매개 변수, 또한 이러한 시스템의 기본 혼합 미생물 커뮤니티의 독특한 생태의 다양한 보편적으로 적용할 수있는 하드 양적 통계를 요약 한거야 걸로. 이 모든 변화에도 불구하고, 모든 혐기성 소화 시스템은 누구의 원칙을 잘 이해하고 있으며 모든 시스템에 적용할 수있는 물리적, 화학적 과정에 의해 매개되는 생물 학적 열화 경로의 잘 특성화 시리즈를 따릅니다. 그것은 이러한 기본 원칙에서, 함께 우리는 시스템 매개 변수와 적절한 시스템 운영 방법론에 대해이 최적 범위를보고 문헌에 보고된 잘 문서화된 운영 발언이다. 인용 매개 변수는 상호이며 중요한 역할을무산소 소화의 규칙이 있습니다. 이러한 상호 작 용할 수 있도록하는 철저한 이해는 크게 시스템 문제를 인식하고 해결하는 운영자의 능력을 향상시킵니다. 텍스트, "혐기성 바이오 : 산업 Wastewaters위한"Speece하여 더욱 통찰력과 설명 10을 추구하는 분들을위한 적절한 운영 및 혐기성 소화의 모니터링 주제에 상당히 포괄적인 목록을 제공합니다.

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Disclosures

관심의 어떠한 충돌 선언 없습니다.

Acknowledgements

보조금에 의한 아무;.이 연구는 식량 농업의 국립 연구소 (NIFA), 부여 번호 2007-35504-05381 통해 USDA에 의해 지원되지 않습니다 지원됩니다 USDA NIFA에서 코넬 대학교 농업 실험 역의 연방 공식 기금을 통해 NYSERDA 및 뉴욕 - 123,444에서 58,872.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Heated Recirculator VWR Scientific 13271-063 VWR For use with a heating jacket reactor system
Variable Speed Electric Lab Stirrer Cleveland Mixer Co. (Model 5VB) This mixer model facilitates mounting with a ring stand
Wet-Type Precision Gas Meter Ritter Gasmeters (Model TG-01) This model needs a minimum flow of (0.1 L/h) and can handle a maximum flow of 30 L/h
Gas Bubbler Chemglass (Model AF-0513-20)
Gas Sampling Tube Chemglass (Model CG-1808)
Axial Impeller Lightnin’ R04560-25 Cole-Parmer Impeller blades with 7.9375 mm bore diameter
Impeller Shaft Grainger 2EXC9 Grainger 1.83 m stainless steel rod with 7.9375 mm O.D. (needs to be cut to appropriate size)
Cast Iron Support Stands American Educational Products (Model 7-G16) For mixer mounting
Three-Prong Extension Clamp Talon 21572-803 VWR For mixer mounting
Regular Clamp Holder Talon 21572-501 VWR For mixer mounting
Peristaltic Pump Masterflex WU-07523-80 Cole-Parmer For effluent decanting
L/S Standard Pump Head Masterflex EW-07018-21 Cole-Parmer For effluent decanting -accessory to peristaltic pump
L/S Precision Pump Tubing Masterflex EW-06508-18 Cole-Parmer For effluent decanting - accessory to peristaltic pump
pH Analysis
pH Meter Thermo Fisher Scientific - Orion 1212000
Total and Volatile Solids Analysis (Standard Methods: 2540-B,E)
Glass Vacuum Dessicator Kimax WU-06536-30 Cole-Parmer
Porcelain Evaporating Dishes VWR 89038-082 VWR
Lab Oven Thermo Fisher Scientific (Model 13-246-516GAQ)
Medium Chamber Muffle Furnace Barnstead/ Thermolyne F6010 Thermo Scientific
Total Volatile Fatty Acid Analysis (Standard Methods: 5560-C)
Large Capacity Variable Speed Centrifuge Sigma WU-17451-00 Cole-Parmer
Laboratory Hot Plate Thermo Scientific (Model HP53013A)
Large Condenser Kemtech America (Model C150190)
Acetic Acid Reagent [CAS: 64-19-7] Alfa Aesar AA33252-AK
Chemical Oxygen Demand (Standard Methods: 5520-C)
COD Block Heater HACH (Model DRB-200)
Borosilicate Culture Tubes Pyrex (Model 9825-13)
Potassium Dichromate Reagent [CAS: 7778-50-9] Avantor Performance Materials 3090-01
Mercury II Sulfate Reagent [CAS: 7783-35-9] Avantor Performance Materials 2640-04
Ferroin Indicator Solution [CAS: 14634-91-4] Ricca Chemical R3140000-120C
Ammonium iron(II) sulfate hexahydrate [CAS: 7783-85-9] Alfa Aesar 13448-36
Gas Composition by Gas Chromatography Analysis
Gas Chromatograph SRI Instruments Model 8610C Must be equipped with a thermal conductibility detector (TCD), using below mentioned column and carrier gas operated at an isothermal temperature of 105 °C
Helium Gas Airgas He HP300 To be used as the carrier gas
Packed-Column Restek 80484-800 To be used for N2, CH4, and CO2 separation

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