ברציפות, עוררה digester אנאירובי המרת פסולת אורגנית אל תוך ביוגז: התקנת מערכת הפעלה בסיסית

Published 7/13/2012
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Bioengineering

You must be subscribed to JoVE to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit," you agree to our policies.

 

Summary

מעבדה בקנה מידה digesters אנאירוביים לאפשר למדענים לחקור דרכים חדשות של אופטימיזציה של היישומים הקיימים של הביוטכנולוגיה אנאירובי כדי להעריך את הפוטנציאל לייצר מתאן של פסולת אורגנית שונים. מאמר זה מציג מודל כללי לבנייה, הרכבה, הפעלה וניטור של הסקאלה, מעבדה ברציפות עוררה digester אנאירובי.

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

עיכול אנאירובי (AD) היא Bioprocess המשמש בדרך כלל להמיר פסולת אורגניות מורכבות לתוך ביוגז שימושיים עם מתאן הספק האנרגיה 1-3. יותר ויותר לספירה נמצא בשימוש פסולת תעשייתי, חקלאי, ועירוניים (מים) במהלך טיפולים 4,5. השימוש בטכנולוגיה מאפשר לספירה מפעילי תחנת להפחית עלויות סילוק פסולת השירות לקזז הוצאות האנרגיה. בנוסף לטיפול פסולת אורגנית, גידולי האנרגיה נמצאים להמרה מתאן האנרגיה המוביל 6,7. כמו יישום של טכנולוגיית לספירה מרחיב לטיפול של מצעים חדשים ושיתוף המצע תערובות 8, כך גם הביקוש מתודולוגיה בדיקות אמין על הטייס ואת קנה המידה-במעבדה.

מערכות עיכול אנאירובי יש מגוון של תצורות, כולל הכור הטנק זז כל הזמן (CSTR), זרימת תקע (PF), ואת רצף אצווה כור אנאירובי (ASBR) תצורות 9

מאמר זה מציג מתודולוגיה כללית בנייה, יחסנו, הפעלה ופיקוח על מערכת CSAD לצורך בדיקת התאמתם של מצע אורגני ניתן לעיכול ארוך טווח אנאירובי. בסעיף הבנייה של מאמר זה יכסה בניית מערכת המעבדה בהיקף הכור. סעיף חיסון יסביר כיצד ליצור סביבה אנאירובית מתאים עם זריעת הבידוד methanogenic פעיל. סעיף ההפעלה יכסה, תפעול ותחזוקה, ופתרון בעיות. בסעיף בקרה יציג בדיקות פרוטוקולים באמצעות ניתוח סטנדרטי. השימוש באמצעים אלה הוא הכרחי עבור הערכות ניסיוניים אמינים של התאמה מצע של אלצהיימר. פרוטוקול זה אמור לספק הגנה טובה יותר מפני טעות נפוצה שנעשו מחקרים לספירה, שהיא להסיק כישלון כור נגרם על ידי המצע אניהשימוש n, כאשר באמת זה היה מבצע המשתמש לא נאות 10.

Introduction

עיכול אנאירובי (AD) היא טכנולוגיה בשלה מעורבים בתיווך המרה ביולוגית של מורכבות מצעים פסולת אורגנית אל תוך ביוגז שימושיים עם מתאן כנשא אנרגיה. ישנם יתרונות רבים של טיפול אנאירובי, כולל אנרגיה מינימלית ותשומות מזין מופחת ייצור biosolids בהשוואה לטיפול אירובית 10. בנוסף, את הרבגוניות של קהילת חיידקים מעורבת הגלום במערכות אלו הופך מגוון רחב של מצעים אורגניים מתאימים כמו ממקורות 11,12. אכן, בשל היתרונות הללו, כי מספר גדל והולך של יישומים עבור לספירה הם מאומצים מחוץ טיפול קונבנציונלי שפכים עירוניים, בעיקר את ענפי התעשייה, עירוניים (כגון: פסולת מזון), וחקלאי 4,7,13. AD חווה תחילת התפשטות הגדול הראשון שלה בשנת 1980 בתגובה למשבר האנרגיה הלאומית של העשור הקודם. כל העולם עומד בפני משבר האנרגיה העולמי הולך וגדל,יחד עם הידרדרות הסביבה, התמקדות רבה יותר בימים אלה מונחת על טכנולוגיות דלק ביולוגי ואת המושג פסולת אל האנרגיה בפרט. לדוגמה, בארצות הברית, עיכול אנאירובי יכולים להפיק 5.5% של החשמל בסך הכל צריך 8.

זו הגדילה את הביקוש מחקר מבוקר היטב ניסיוני ב הטייס ואת בקנה מידה מעבדה כדי לבחון את התאמת חדשים חומרי פסולת אורגנית ותערובות פסולת עבור עיכול אנאירובי 14. אנו מתכוונים לספק מודל גנרי בנייה, הרכבה, הפעלה וניטור של digester מעבדה בקנה מידה אנאירובי כי יהיה מתאים הערכות חזקים. Digesters אנאירוביים קיים בתצורות שונות. כמה תצורות נפוצות כוללות: ברציפות, עוררה הכור מיכל (CSTR) עם האכלה influent מתמשך, רצוף עורר digester אנאירובי (CSAD) עם האכלה influent תקופתי; זרימת תקע (PF), שמיכה upflow בוצה אנארוביים (UASB); נודדות אנאירובי שמיכה כור (AMBR); הכור מבולבל אנאירובי (ABR), ואת רצף אצווה כור אנאירובי (ASBR) תצורות 9,15. תצורת CSTR ו CSAD אומצו באופן נרחב על מעבדת ניסויים בקנה מידה בגלל קלות ההתקנה בתנאי הפעלה נוחים. בגלל ערבוב רציף, זמן השמירה הידראולי (HRT) שווה לזמן בוצה השמירה (SRT). SRT היא פרמטר חשוב בעיצוב מודעות. התצורה היא גם תורמת ניסויים מבוקרים בשל אחידות מרחבית גדולה יותר של פרמטרים, כגון מינים ריכוזים כימיים, טמפרטורה, ושיעורי דיפוזיה. יש לציין, עם זאת, תצורה האופטימלי בקנה מידה מלא של digester אנאירובי תלוי התכונות הפיסיקליות והכימיות המיוחדות של המצע האורגני בין היבטים פחות טכניים אחרים, כגון איכות השפכים היעד. כך, למשל, לדלל זרמים פסולת עם תכולה גבוהה יחסית littl אורגני מסיסחלקיקים אלקטרוניים, כגון מבשלת שפכים, בדרך כלל חווים המרת אנרגיה רבה יותר תצורה גבוהה שיעור upflow bioreactor (למשל, UASB) ולא תצורת CSAD. ללא קשר, יש פרמטרים ההפעלה הבסיסיים החיוניים לעיכול מוצלח ורלוונטי לכל התצורות, המצדיקים בהסבר כללי השימוש בתצורה זו.

אכן, בכל מערכת לספירה ובה קהילה מגוונת, פתוחה של חיידקים אנאירוביים יהיה סדרתי לעכל את המצע כדי מתאן (סופי המוצר הסופי עם האנרגיה הנמוכה ביותר פנוי לכל אלקטרונים). על מסלולים מטבוליים המעורבים בתהליך זה מהווה מארג מזון מורכב מסווג באופן רופף לארבעה שלבים trophic: הידרוליזה; acidogenesis; acetogenesis וכן methanogenesis. ב הידרוליזה, פולימרים אורגניים מורכבים (למשל, פחמימות, שומנים וחלבונים) מפורקים על מונומרים של כל אחד מהם (למשל, סוכרים, ארוכות שרשרת חומצות שומן וחומצות אמינו) על ידי hydrolyzing, חיידקים תסיסה. ב acidogenesis, מונומרים אלה מותסס על ידי חיידקים acidogenic לחומצות שומן נדיפות (VFAs) ו אלכוהול, אשר acetogenesis, הם מתחמצנים עוד יותר אצטט ומימן על ידי מימן לייצור חיידקים homoacetogenic ומחייב, בכבוד 5. בשלב האחרון של methanogenesis, אצטט ומימן עוברים מטבוליזם על ידי מתאן methanogens acetoclastic ו hydrogenotrophic. חשוב להבין כי תהליך לספירה הכללית, על ידי הסתמכות על סדרת ביניהם של חילוף חומרים על ידי קבוצות שונות של חיידקים, יהיה תלוי בתפקוד מוצלח של כל חבר לפני המערכת כולה יהיה לבצע בצורה אופטימלית. עיצוב ובנייה של מערכת bioreactor לספירה צריך תמיד לקחת בחשבון את הדרישה כדי לאטום לחלוטין bioreactor. דליפות קטנות העליון של bioreactor (הפרדת אמיץ) או במערכת הגז הטיפול עלול להיות קשה לזהות, ולכן המערכת צריכה להיות פרהנבדק בטוח לפני השימוש. לאחר הבטחת ההתקנה ללא דליפה, כשלים עם מחקרים digester אנאירובי קרובות נובעות שגיאות במהלך חיסון, culturing, ואת היום יום המבצע. כתוצאה מכך, digesters יש מוניטין של להיות לא יציב באופן מהותי ונוטים כישלון צפוי. למה זה אז בקנה מידה מלא digesters כבר פעלו בתנאים יציבים במשך עשרות שנים 13? כישלון הוא עשוי לנבוע טיפול לא נכון על ידי המפעיל, במיוחד בתקופת ההפעלה שבהן הקהילה חיידקים חייב להסתגל לאט להרכב פסולת אורגנית חוזק. לכן, המטרה שלנו היא לא רק לספק מתודולוגיה לבניית מערכת לספירה, אבל גם כדי להבהיר את תהליכי חיסון, הפעלה וניטור של מערכות אלה.

בחלק הראשון של המאמר יסביר כיצד לבנות CSTR או מערכת CSAD, בעוד החלק השני יספק הליך digester עם חיסון פעיל methanogenic ביומסה. זה מעשי יותר ופחות זמן רב כדי לחסן digesters עם ביומסה methanogenic פעיל מ מעורב אלכוהול או שפכים של digester ההפעלה היא טיפול מצע דומה, מאשר לנסות לפתח ביומסה מספיק מהתרבות המתהווה. החלק השלישי של המאמר יכסה שיקולים הפעלה, כגון מצע האכלה, decanting בשפכים, וכן פתרון בעיות הכור שונים. האכלה המצע decanting בשפכים עבור מערכת זו תתבצע על בסיס חצי רציפה (כלומר, האכלה תקופתית decanting בעוד רוב ביומסה ומשקאות חריפים מעורבת נשאר bioreactor). התדירות שבה digester מוזן / יצק הוא בסמכותו של המפעיל. באופן כללי, הזנת / decanting תכופה יותר במרווחים קבועים תקדם יציבות digester יותר עקביות בביצועים בין מחזורי האכלה. השער הרביעי יציג פרוטוקול ניטור בסיסי לשמש במהלך experimental נקודה. ניתוח רגיל, כמה, אשר המתוארים השיטות הסטנדרטיות לבדיקת מים ושפכים 16 (טבלה 1, 2), יידרש לאפיון של המצע ואת מערכת ניטור תקין. בנוסף המשתנים הנמדדים, היבט חשוב של פיקוח הוא לבדוק את רכיבי המערכת digester מתפקד כיאות. תחזוקה שוטפת למערכת digester שתסכל בעיות במערכת הגדולות שעלולות לסכן את הביצועים לאורך זמן ואת היציבות של digester. לדוגמה, כשל של גוף החימום, מה שמוביל לירידה בטמפרטורה, עלול לגרום הצטברות של חומצות שומן נדיפות על ידי הפחתת קצב חילוף החומרים של methanogens. בעיה זו יהיה מורכב אם המערכת חסרה בסיסיות מספיק כדי לשמור על רמות pH מעל מעכבות עבור methanogens. כמו כן, חשוב לזהות ולסגור דליפות אפשריות לאחר ירידות בלתי צפויות עכברוש ייצור ביוגזES. לכן, שכפול בתוך עיצוב ניסיוני על ידי, למשל, פועל שני bioreactors Side-by-side ובתנאי עבודה מדויקים, חשוב לזהות הפסדים גבוהים צפויים שנגרמו על ידי תקלות במערכת, כגון דליפות קטנות.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Digester בניה

  1. בחר כלי digester המכיל את כל התכונות באיור. 1 (חרוט אין צורך), ונפח העבודה הרצוי (בדרך כלל בין 1-10 ליטר). אם כלי digester שלך אינו מצויד במעיל חם, מים, הצב את digester בסביבה מסוימת בטמפרטורה מבוקרת אחרת, כגון אמבט מים חמים או תא הדגירה.
  2. לאבטח את כלי במצב אנכי באזור עם מספיק מקום הספסל אופקי עבור מיקום של רכיבים הנותרים (טבלה 2).
  3. לבנות את המכסה כלי פי איור. 2. נמלי צינורות influent ו בשפכים צריך להיות רחב מספיק כדי למנוע סתימת. הצינורות בתוך bioreactor צריך להיות באורך מספיק כדי להישאר שקוע בינוני digester במהלך decanting, תוך הארכת מן החלק העליון של המכסה על מנת לאפשר התקשרות של צינורות. מאיץ לנדן צריך להאריך ככל קופהsible לתוך המדיום digester (צנרת ימית ועל לנדן למנוע ביוגז אמיץ לברוח bioreactor).
  4. החל מבוססי סיליקון גריז אבק על פני השטח מגע של המכסה ואת לצבוט את זה לראש כלי digester.
  5. להבטיח את המיקסר במהירות משתנה מקביל לציר האנכי של digester באמצעות טבעת עמדה מלחציים, ואז מאיץ פיר להטביע. בשל תנודות מוטוריות מערבל ותנועה חשוב להשתמש עמדה נע עצמאית וחופשית.
  6. חיבור קטע צינור גמיש לשני צינורות influent ו בשפכים ולאחר מכן חבר קטע נוסף של צינור ליציאת הגז כדי לשמש קו הגז.
  7. חבר את קו ביוגז לכל אחד הרכיבים השונים, אשר יכול להיות ממוקם מעל digester על מדפים. המרכיבים יש לחבר לפי הסדר הבא: יציאת דגימה, מלכודת קצף, H 2 S scrubber, מאגר גז, bubbler, מד דלק, קו אוורור (איור 3). כדי להקל על הבידוד או מחדשmoval של רכיבים בודדים לפתרון או למטרות ניקוי, לשקול הוספת ברזים ואביזרים Connecter בין רכיבים. ודא כי שקע גז מאוורר כראוי מחוץ או מכסה המנוע הכימי בגלל ביוגז הוא חומר נפץ.
    1. נמל הדגימה גז יש למקם ליד אמיץ את הכור.
    2. מלכודת קצף ניתן לבנות באמצעות בקבוק בקבוק או פשוט, והוא צריך להיות לפחות 25% מנפח את הכור. זה אמור להכיל שתי יציאות, אחת לקו כניסת ביוגז והשני עבור הקו לשקע ביוגז. יציאות אלה יכול להיעשות על ידי קידוח שני חורים פקק גומי שדרכו מוכנס צינור קשיח. צינור כניסת ביוגז צריך לחול על עומק גדול צינור מוצא ביוגז (איור 4). השמנה קצף יש צורך להגן על מערכת הטיפול בגז מקצף digester אפשרי.
    3. H 2 S scrubber כולל שפופרת זכוכית ארוכה, עם קוטר פנימי גדול מ -2 ס"מ, מלאים steeאני צמר עם כניסת ויציאת ביוגז שקע בכל קצה. צמר פלדה צריכים להיות ארוזים היטב כדי לספק שטח מספיק הפשטה, אבל לא כל כך חזק כי זרימת ביוגז חסום. קרצוף יש צורך להגן על רכיבי מתכת מטר גז כימיקלים קורוזיביים.
    4. מאגר הגז יכול להתבצע מתוך כל חומר מתקפל אוויר חזק, כמו שקית גז, או אפילו כדור של ילדים משחקים, עם נפח העולה על פעמיים נפח להאכיל ממוקד. זה נחוץ כדי למנוע ירידה בלחץ במהלך decanting יניקה אוויר בשפכים ואפשרי לתוך אמיץ.
  8. אם המערכת תהיה הטמפרטורה נשלט על ידי דוד מים במחזור, לחבר את דוד על מעיל חימום באמצעות צינור גמיש. הנח את היחידה מעל גובה פני הנוזל של מעיל חימום. הגדר את החימום לטמפרטורה המתאימה לעיכול מזופיליות או thermophilic (טבלה 1).
  9. לבצע בדיקה דליפה של המערכת על ידי איתור דליפות עם Soapy מים. התחל על ידי מילוי המיכל digester במים, ולאחר מכן מעט לחצים על קו influent בגז ללחץ פחות מ -5 psi. ראשית, להדק את הקו ביוגז קווי בשפכים כדי לבדוק אם קיימת דליפה מסביב למכסה הכור, ולאחר מכן הסר את תפס קו ביוגז לבדיקת דליפות של מערכת גז כל טיפול. שים לב, יתר על לחץ של הקו influent יאלץ את המים דרך צינור מאיץ לנדן.
  10. הפעלת מאיץ ואת גוף החימום ולתת לרוץ בלילה על מנת להבטיח כי המיקסר דוד יכול לקיים פעולה רציפה. מהירות הסיבוב של גלגל מניע צריך להיות מספיק מהירה כדי להבטיח ערבוב מוחלט של התקשורת הכור. מערבל בעיות נפוצות כוללות חוסר חיכוך, יתר של הפיר, וכן מספקת להבטחת של המנוע כדי לעמוד בזירה.

2. Digester הרכבת חיסון ומיזוג באמצעות ביומסה Methanogenic פעיל

  1. אחסן ביומסה methanogenic פעיל (הבידוד) ב CLמיכל osed במקרר ב 4 מעלות צלזיוס במסגרת הכנת digesters. באופן אידיאלי, הבידוד צריך להיות מאוחסן זמן מעט ככל האפשר ולא צריך להיות מספיק כדי למלא לגמרי את עוצמת הקול של כל digester. עם זאת, ביומסה אנאירובי מסוים (כגון ביומסה פרטנית) ניתן לאחסן לתקופות ארוכות מאוד. לדלל את הבידוד עם מים כי היו סמוקות בגז אנאירובי לנפח מתאים במידת הצורך.
  2. לרוקן את המערכת digester ריק בגז אנאירובי במשך כמה דקות תחבר אותו אל צינור האכלה, מהדק את הקו בשפכים, וגם מקליטה רווח בין הסרן המיקסר נדן למנוע אובדן יתר של גז אנאירובי.
  3. בתקופה השטיפה להקפיד לשטוף החוצה מאגר גז.
  4. לאחר השטיפה הושלמה, להתחבר אל משפך צינור האכלה ולהוסיף הבידוד לוודא לערבב את הבידוד מעת לעת על מנת להבטיח אחידות.
  5. חבר מחדש את הגז אנאירובי צינור האכלה, מדליק mixeR, ולשטוף המשקאות digester דקות לפחות 15. ואחר כך לנתק את הגז, להדק את צינור ההזנה ואת unclamp מאגר גז. Digester זה עכשיו במבצע.
  6. אפשר digester לפעול במשך כמה ימים לפני תחילת האכלה לפקח על ייצור של ביוגז. במהלך תקופה זו, לבצע מוצקים הכל וניתוח מוצקים נדיפים ריכוז הבידוד (טבלה 1). אם ריכוז מוצקים במידה ניכרת מזו של ריכוז אלכוהול מעורב היעד, הסר לדלל תכנים digester בהתאם לפני תחילת האכלה. הדבר נעשה כדי למנוע סחף יתר של ביומסה בתקופת ההפעלה אשר עשוי להגדיל את יחס המזון (F / M) מיקרואורגניזם חד מדי במשך כל תקופת ההפעלה.
  7. לקבוע את החלק היחסי של מצע אורגני מתכלה על ידי מדידת או מוצקים סך ונפיץ ריכוז, דרישה חמצן ביולוגי או כימי, או פחמן אורגני הכולל של המצע. השתמש תישווי לחישוב שיעור שמרני הראשונית טוען אורגני (OLR).
  8. המפעיל צריך להגדיל בהדרגה עד OLR ערך היעד הוא הגיע (סטארט תקופה). גישה אחת בתקופה ההדלקה הוא לתקן את הכוח של מזון אורגני, ולאחר מכן להפחית את זמן השמירה הידראולי (HRT) באופן הדרגתי עד OLR המטרה מושגת (תהליך זה עשוי להימשך מספר חודשים עד שנה בהתאם לאיכות של הבידוד ואת המצע בשימוש). הגדלת OLR מהר מדי יוביל ריכוזים עודפות של חומצות שומן נדיפות (> 2000 מ"ג / ל 'כ acetate) כפי שמוצג באיור. 5. המפעיל צריך להפחית את OLR אם נדיפים בריכוז חומצות שומן להגדיל לרמות suboptimum (טבלה 1). אם הריכוזים נדיפים חומצות שומן גבוהים מדי, את התוכן של bioreactor ייתכן שיהיה צורך מדולל במים.
  9. אפשר digester תקופה של שלושה HRTs ב OLR היעד לפני ניסויים להקים STAמצב ble בסיס קו.

3. Digester מבצע

  1. השפכים decanting תמיד מקדים בנוסף המצע כדי digester, אז מיד לפני decanting, להכין את תערובת המזון החנות ב 4 ° C עד שהגיע הזמן לאכול.
  2. למזוג בשפכים מ digester על ידי חיבור צינור השפכים למשאבה (בצד הזרוע הבקבוק תחת ואקום היא אחת האפשרות decanting) ולהסיר נפח שווה בהשוואה לנפח את ההזנה. אחסן את השפכים על 4 מעלות צלזיוס לצורך ניתוח מאוחר יותר. שים לב כי רבים את ניתוחי רגישות הזמן. לדוגמה, ה-pH יש למדוד מיד, כי CO 2 נמלט מן הפתרון, הגדלת ה-pH.
  3. הסר את תערובת מזון מהמקרר. חבר משפך אל צינור ההזנה ויוצקים בהזנה (מצע) לוודא לערבב מדי פעם כדי לוודא מוצקים לקבל נישא עם נוזלים בכמות גדולה.
  4. לבצע פעולות לפתרון בעיות המפורטים בטבלה 3, אם נהcessary.

4. מערכת ניטור

  1. בדוק את מערכת digester ומרכיביו לעיתים קרובות במהלך המבצע. תשומת לב מיוחדת צריך להיות משולם על מערכות ערבוב וחימום. אין מספיק רצון להגשים ערבוב לירידה פתאומית בריכוז מוצקים בשפכים (איור 6). מדי פעם לבדוק שמן או מים מדי הגז נמצא ברמה המתאימה ולהחליף צמר פלדה במלכודת 2 S H לפי הצורך. שים לב, צמר פלדה יהיה שחור מבריק כפי שהוא מגיב עם H 2 S כדי ליצור ברזל גופריתי.
  2. לבצע ניתוחים אלה על digester בשפכים לאבחון של ביצועי המערכת ויציבות. הערכים צריכים לרדת באופן עקבי בטווח האופטימלי שצוין המצוין בלוח 1.
    1. למדוד את קצב ייצור ביוגז ו pH כל מחזור האכלה.
    2. למדוד את ריכוז החומצה תנודתי בסיסיות שומן, ותוכן ביוגז מספר פעמים בשבוע.הערה: תוכן ביוגז יש למדוד באותו זמן יחסית למעגל האכלה מאז הרכבו ישתנו עם מהלך המחזור. באופן אידיאלי, ביוגז צריך להיות שנדגמו בסוף מחזור האכלה, זמן קצר לפני האכילה.
    3. למדוד את צריכת החמצן ביולוגית או כימית מוצקים הכולל תנודתי פעם בשבוע או בתדירות גבוהה יותר כדי להשיג לפחות שלוש נקודות נתונים עבור כל תנאי הניסוי ב פסאודו יציב תנאים המדינה.

5. נציג תוצאות

חיסון מוצלח של digester מסומן לייצור ביוגז תוך מספר ימים. מתאן יחס דו תחמוצת הפחמן של ביוגז יגדל במהלך תקופת התאקלמות כמו ביומסה methanogenic יותר מגויסת. צמיחה איטית של methanogens לעומת acidogens עושה תקופות ארוכות התאקלמות ושינויים הדרגתיים תפעוליים הדרושים. באיור. 5, אנחנו מדגימים respon דינמיSE של digester כאשר שיעור גבוה טוען אורגני (OLR) הוא הציג מוקדם מדי בשלב ההזנק. בדוגמה זו, לא היה ביומסה methanogenic מספיק כדי להסיר (כלומר, לנצל) חומצות שומן נדיפות (VFAs) התפתחו משלב מצע השפלה, acidogenesis. זה הוביל הצטברות של VFAs, ולאחר מכן, ירידה ב-pH. כדי לתקן מצב זה, OLR הופחת להגביל את ייצור VFAs ידי acidogens ולאפשר גיוס methanogen יותר לפני החזרה OLR גבוה יותר. Digesters לאחר מכן, הציג עיכול יציב במשך שלוש תקופות שמירה הידראוליים.

עיכול יציב או פסאודו היציב תנאים יש להניח כאשר הפרמטרים, כגון שיעורי ייצור ביוגז, ריכוזי VFA הכל, נדיפים ריכוזי מוצקים ורמות pH, מתוחזקים באופן קבוע 10% בתוך הערכים הממוצעים שלהם, מינימום פרק זמן של HRT 1. המשמעות של הקצאת זה מתגלה ליn איור. 6, אשר מציג את התגובה ממושכת של מערכת CSTR כדי ההפרעות שנגרמו על ידי ערבוב מספיק. חוסר ערבוב נכון מותר מוצקים את להתיישב הכור, כלומר פחות מוצקים הוסרו במהלך בשפכים decanting. הצטברות שלהם הביאו שפכים בריכוז מוצקים גבוה יותר לאחר ערבוב מספיק שוחזר. זה לקח בערך HRT (כלומר, 25 ימים) כדי להחזיר את digester כדי ריכוז מוצקים רגיל בשפכים.

Digester אנאירובי היא מערכת ביולוגית ולכן הוא יציג כמה ההשתנות הפנימית בביצועים. השונות הזאת יש לכמת לפני הניסוי ניתן להבחין את ההשפעות ספציפיים הנגרמים על ידי הפרעות ניסיוניים המוטלות על המערכת (שימוש נכון של הסטטיסטיקה נדרש). שלוש תקופות HRT נדרשים לפני שינוי ניסיוני עשוי למערכת כור כי זו נחשבת בדרך כלל תקופת זמן נאותה להניח concentrat יציבהיונים של מינים כימיים משקאות מעורבת (איור 7). עד סוף שנת מרווח זה, הניסוי צריך להיות מסוגל לבנות בסיס אמין עבור כל פרמטר נמדד. המחקר הזה מהווה בסיס השוואה של ניסויים בעתיד.

הביצועים הכללית של digester ניתן להעריך על ידי ביצוע פרוטוקול ניטור, אשר דורש ניתוח סטנדרטיים שונים להתבצע באופן שגרתי. לוח זמנים זה מספק פתרון זמני הולם לזהות סימנים מקדימים לבעיות מערכת רוב והזמן לי כדי למנוע אותם. יתר על כן, התוצאות של בדיקות אלה אבחון נועדו לשמש בשילוב עם טבלה 1 לזהות ביצועים suboptimum. לוח 3 מספקת פתרונות רבים של בעיות נתקל בדרך כלל בעת הגדרת מעקב digester. במקרה של בעיה שלא ניתן לתקן על ידי ביצוע ההוראות המפורטות בו, המפעיל להתייעץ resour אחרCES, כגון טקסט התייחסות בנוגע הביוטכנולוגיה אנאירובי.

מבצע פרמטרים אינדקס שיטות סטנדרטיות טיפוסי טווח אקסטרים טווח
מזופיליות Thermophilic מזופיליות Thermophilic
טמפרטורה 2550 () 32-37 17 ° C 50-60 17 ° C 20-42 17 ° C 45-65 17 ° C
טוען אורגני דרג NL 0.8-2.0 17 גר '
VS-L -1, ד -1
1.5-5.0 17 גר '
VS-L -1, ד -1
0.4-6.4 17 גר '
VS-L -1-D
1.0-7.5 17 גר '
VS-L -1, ד -1
שמירה הידראולי זמן NL 15 - 35 יום <15,> 35 יום
פחמן: חנקן יחס NL 17 25:1 > 25:1
מעקב אחר פרמטרים אינדקס שיטות סטנדרטיות טווח אופטימלי Suboptimum טווח
ה-pH 4500-H + (ב) 6.5-8.2 10 <6.5;> 8.2
בסיסיות 2320 (ב ') 1300 - 3000 17
מ"ג CaCO 3-L -1
מ"ג CaCO 3 - L-1
חומצות נדיפות 5560 (C) <200 10
מ"ג AC-L -1
> 200 10
מ"ג AC-L -1
מוצקים הסרת יעילות 2540 (B, E) > 50% <50%
ביוגז תוכן 2720 ​​(C) 55-70 CH 4: 30-45% CO 2 <55 CH 4;> 45 CO 2%

טבלה 1. המבצע כללי הבחירה מדריך ופרמטרים ניטור עבור מערכות CSTR.

רכיב מפרט טכני (שיקולי עיצוב) תגובות
בקרת טמפרטורה מים מחזורי דוד טווח טמפרטורה: 25-65 מעלות צלזיוס
(תכולה חימום, מקס. לחץ ראש, קצב זרימה נפחית)
מים חמים יש לספק בקצב זרימה גבוה מספיק עם הלחץ מספיק כדי להסתובב באופן מלא.
הדגימה נמל NA ממוקם קרוב אמיץ הוא אידיאלי.
קצף מלכודת נפח: 25% מנפח כור הבקבוק פשוט תופעות יד או בצנצנות זכוכית ניתן להשתמש. היחידה צריכה להיות נגישה לניקוי.
מימן גופרתי Scrubber (Contact זמן גז) זכוכית או צינורות פלסטיק יש להשתמש (לא מתכת). מידות אורך אמור לספק מספיק זמן מגע וגז.
מאגר גז נפח:> כרך 2x בשפכים; חומרים: חצי אלסטית (לא נוקשה) נפח יעלה על זה נלקח במהלך דה בשפכיםלהבליט. החומר צריך לאפשר התכווצות והתרחבות.
Bubbler NA בלחץ ראש מסופק על ידי לרום יש להגביל למינימום הלחץ הצטברות במערכת אספקת הגז.
גז Meter (זרימת הגז טווח גילוי) מטרים גז פלסטיק יש עדיפות על פני המתכת. זרימת הגז טווח גילוי צריך להיות מדויק על הצפוי שיעורי ביוגז הייצור.

טבלה 2. הכור רכיבים עזר עם מפרטים והערות.

R>
שגיאה סימפטום פתרונות אפשריים
סתימת תכופה של האכלה או צינורות שפכים

• השתמש בצינור בקוטר גדול יותר ו / או ואביזרים.

• הפחת את המצע גודל החלקיקים (למשל, באמצעות בלנדר או מסננת).

• תערובות בתדירות גבוהה יותר בזמן האכלה.

• יש לוודא כי התכנים digester מעורבבים לחלוטין.

עודף קצף

• הפחת את OLR

• להפחית את עוצמת ערבוב digester.

• להגדיל את אמיץ ב digester על ידי הקטנת נפח digester פעיל.

התשואה ביוגז עקבי בין digester משכפל

• יש לוודא שאין דליפות קיימים במערכת הגז הטיפול digester או.

• בדוק את מד גז החימום מתפקדים כראוי מכוילים.

• ודא תערובות מזון מוכנים שקול.

לא עקבית או משתנה מאוד מוצקים ריכוז tהוא בשפכים בין digester משכפל (איור 6)

• ודא את תוכן digester מעורבבים במידה מספקת.

• יש לוודא כי קו שפכים הכור decanting שווה בין כורים.

מתאן תוכן מופחת ביוגז

• ודא כי ה-pH נמצא בטווח האופטימלי methanogenesis (כלומר, 6.5-8.2). אם לא, להשלים עם חומציות או בסיסיות על פי הצורך.

• אם חנקן משמעותית מתגלה ביוגז (כלומר,> 10%), לבדוק אם קיימת דליפה ליד הנמל הדגימה.

• להסדיר את מחזוריות של הדגימה ביוגז.

• ודא כי ריכוז VFA נמצא בטווח האופטימלי. אם לא, בצע את שלבי פתרון הבעיה רשומים נדיפים בריכוזים גבוהים באופן כרוני של חומצות שומן.

ריכוז גבוה באופן כרוני נדיפים חומצות שומן (איור 5)

• הפחת את OLR.

• להתגבר על מחסור תזונתי או מתכת זעירות על ידי תוספת.

• ודא את תוכן הכור סגורים מפני חדירה חמצן.

• להגדיל את מחזור תדירות ההזנה.

• מנע קצר חשמלי הידראולי.

• להתגבר על מחסור בסיסיות על ידי תוספת.

לוח 3. פתרון בעיות בפרוטוקול לפעולה digester.

איור 1
באיור 1. למשל הבסיסיים של עיצוב הכור: תוכן חומר הזכוכית, Tubing חומר נירוסטה / אלומיניום, ומכסה חומר PVC / פרספקס.

תוכן "> איור 2
איור 2. למשל הבסיסיים של עיצוב הכור המכסה: חומר-PVC מכסה / פרספקס, חומר צנרת נירוסטה / פלסטיק, צינורות, חומר נירוסטה / אלומיניום.

איור 3
איור 3. התרשים מראה מערכת סידור רכיב.

איור 4
באיור 4. למשל הבסיסיים של עיצוב קצף מלכודת: צנצנת חומר פלסטיק / זכוכית; Tube חומר פלסטיק / זכוכית.

איור 5
איור 5. תגובת מערכת אופיינית קצב הטעינה גבוה אורגני (OLR) במהלך הכור הזנק. החל OLR -1 של 1.35 GVS-L גרמה להצטברות של החש"נ (TVFA). הצטברות חומצה Cau סד ירידת ה-pH בעקבות ירידה בתשואה ביוגז. על ידי הורדת OLR ל 1.15 גרם VS יום -1, שתי המערכות הצליחו להתאושש ולהקים ריכוז מספיק ביומסה methanogenic לסבול 1.35 GVS-L -1 OLR. ההבדל pH וצבירת TVFA בין כורים מציג את הדינמיקה הייחודיים של קהילות מעורבות.

איור 6
איור 6 תגובת מערכת אופיינית מספיק כדי ערבוב (כור) לעומת המערכת מעורב מספיק (כור ב ') במהלך ערבוב עניים, מוצקים את להתיישב אל החלק התחתון של הכור ולא יוסרו במהלך decanting (ימים 280 - 290)... כאשר ערבוב הוא חזר בעוצמה מספקת (היום 300), מוצקים שהצטברו יוסרו בהדרגה (ימים 305 - 330), והמערכת חוזרת ריכוזי מוצקים יציבים.

ig7.jpg "/>
איור 7. הקשר בין ריכוז תיאורטי של מין כימיים שמרנים תקופת ההחזקה הידראולי (HRT) במערכת CSTR אידיאלי. בשלוש HRTs ריכוז בפועל של כמה זנים כימיים [C] ב digester הוא 95% מזה של הראשונה הריכוז הנוכחי בעדכון [C 0].

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

מערכת עיכול אנאירובי שהוצג במאמר זה מספק מבוא כללי ועוד כמה הנחיות בסיסיות לטיפול ברוב מצעים במסגרת ניסיונית. מגוון רחב של סוגי המצע, תצורות digester, פרמטרים הפועלים, וכן את האקולוגיה הייחודית של הקהילה מעורבים חיידקים אלה שבבסיס מערכות מונע מתאר מדדים כמותיים קשיחים, אשר ניתן להחיל באופן אוניברסלי. למרות השוני הזה, את כל מערכות עיכול אנאירובי בעקבות סדרת היטב מאופיין של מסלולים השפלה ביולוגיים, אשר בתיווכו של תהליכים פיסיקליים וכימיים שעקרונותיו הם הבינו היטב, יכול להיות מיושם על כל המערכות. זה מתוך עקרונות יסוד אלה, יחד עם תצפיות מתועדות היטב הפעלה המדווחים בספרות, כי אנו מדווחים אלו טווחי האופטימליים פרמטרים במערכת ונכון מתודולוגיות תפעול המערכת. הפרמטרים שצוינו קשורים זה בזה ולשחק תפקידים חשוביםבתהליך עיכול אנאירובי. הבנה מעמיקה של יחסי הגומלין הללו משפר באופן משמעותי את יכולתו של המפעיל לזהות ולתקן בעיות במערכת. , הטקסט "ביוטכנולוגיה אנאירובית: עבור wastewaters תעשייתי" על ידי Speece מספק קטלוג מקיף למדי של ההפעלה רלוונטי ונושאים ניטור לעיכול אנאירובי עבור אלה המחפשים תובנה נוספת והסבר 10.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

אין ניגוד עניינים הצהיר.

Acknowledgements

מחקר זה נתמך נתמך על ידי משרד החקלאות האמריקאי באמצעות המכון הלאומי המזון והחקלאות (NIFA), מספר מענק 2007-35504-05381, על ידי מענק לא. 58872 מ NYSERDA ו-NYC 123444 באמצעות כספים פדרליים אוניברסיטת קורנל תחנה חקלאית של ניסוי נוסחה NIFA USDA.

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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Dague, R. R., McKinney, R. E., Pfeffer, J. T. Solids retention in anaerobic waste treatment systems. J. Water Pollut. Control Fed. 42, R29-R46 (1970).
  2. McCarty, P. L., Smith, D. P. Anaerobic wastewater treatment. Environ. Sci. Technol. 20, 1200-1206 (1986).
  3. Lettinga, G. Anaerobic digestion and wastewater treatment systems. Antonie Van Leeuwenhoek. 67, 3-28 (1995).
  4. De Baere, L. Anaerobic digestion of solid waste: state-of-the-art. Water Sci. Technol. 41, 283-290 (2000).
  5. Angenent, L. T., Karim, K., Al-Dahhan, M. H., Wrenn, B. A., Domínguez-Espinosa, R. Production of bioenergy and biochemicals from industrial and agricultural wastewater. Trends Biotechnol. 22, 477-485 (2004).
  6. Jewell, W. J., Cummings, R. J., Richards, B. K. Methane fermentation of energy crops - maximum conversion kinetics and in-situ biogas purification. Biomass & Bioenergy. 5, 261-278 (1993).
  7. Weiland, P. Biomass digestion in agriculture: A successful pathway for the energy production and waste treatment in Germany. Eng. Life Sci. 6, 302-309 (2006).
  8. Zaks, D. P. M. Contribution of anaerobic digesters to emissions mitigation and electricity generation under U.S. climate policy. Environ. Sci. Technol. 45, 6735-6742 (2011).
  9. Tchobanoglous, G., Burton, F. L., Stensel, H. D. Wastewater Engineering, Treatment and Reuse: Metcalf & Eddy. 4 edn, McGraw Hill. (2003).
  10. Speece, R. E. Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters. Archaea Press. (1996).
  11. Kleerebezem, R., van Loosdrecht, M. C. M. Mixed culture biotechnology for bioenergy production. Curr. Opin. Biotechnol. 18, 207-212 (2007).
  12. Angenent, L. T., Wrenn, B. A. Chp. 15. Bioenergy. Wall, J., Harwood, C. S., Demain, A. L. ASM Press. (2008).
  13. Werner, J. J. Bacterial community structures are unique and resilient in full-scale bioenergy systems. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 108, 4158-4163 (2011).
  14. Holm-Nielsen, J. B., Al Seadi, T., Oleskowicz-Popiel, P. The future of anaerobic digestion and biogas utilization. Bioresour. Technol. 100, 5478-5484 (2009).
  15. Hoffmann, R. Effect of shear on performance and microbial ecology of completely-stirred anaerobic digesters treating animal manure. Biotechnol. Bioeng. 100, 38-48 (2008).
  16. Clesceri, L. S., Greenberg, A. E., Eaton, A. D. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. 20th edition, American Public Health Association. Washington, D.C., USA. (1998).
  17. Amani, T., Nosrati, M., Sreekrishnan, T. R. Anaerobic digestion from the viewpoint of microbiological, chemical, and operational aspects: a review. Environmental Reviews. 18, 255-278 (2010).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats