Continu agité digesteur anaérobie pour convertir les déchets organiques en biogaz: configuration du système et le fonctionnement de base

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

L'échelle du laboratoire digesteurs anaérobies permettre aux scientifiques de la recherche de nouvelles façons d'optimiser les applications existantes de la biotechnologie anaérobie et d'évaluer le potentiel du méthane production de divers déchets organiques. Cet article présente un modèle généralisé pour la construction, l'inoculation, l'exploitation et la surveillance d'un laboratoire échelle agité en continu digesteur anaérobie.

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

La digestion anaérobie (DA) est un bioprocédé qui est couramment utilisé pour convertir les déchets organiques complexes en biogaz utiles avec du méthane comme le vecteur énergétique 1-3. De plus en plus, AD est utilisé dans l'industrie, les déchets agricoles et municipaux (eau) des applications de traitement 4,5. L'utilisation de la technologie AD permet aux exploitants de réduire les coûts d'élimination des déchets et de compenser les dépenses des services publics d'énergie. En plus de traiter les déchets organiques, les cultures énergétiques sont convertis en le méthane vecteur d'énergie 6,7. Comme l'application de la technologie AD élargit pour le traitement de nouveaux substrats et co-substrat mélanges 8, tout comme la demande pour une méthodologie de test fiable sur le pilote et l'échelle du laboratoire.

Des systèmes de digestion anaérobie ont une variété de configurations, y compris le réacteur à réservoir agité en continu (CSTR), les flux de bouchon (PF), et anaérobie réacteur discontinu de séquençage (ASBR) 9 configurations concentration chimique et la concentration du substrat. En fin de compte, lors de la conception d'un réacteur à pleine échelle, la configuration du réacteur optimal dépendra de la nature d'un substrat donné parmi beaucoup d'autres considérations non techniques. Cependant, toutes les configurations de partager les caractéristiques de conception fondamentaux et des paramètres de fonctionnement qui rendent le CSTR approprié pour la plupart des évaluations préliminaires. Si les chercheurs et les ingénieurs utilisent un courant affluent avec des concentrations relativement élevées de matières solides, puis configurations de bioréacteurs à l'échelle du laboratoire ne peut pas être alimenté en continu en raison de problèmes de brancher l'échelle du laboratoire pompes avec des solides ou le dépôt des solides dans la tubulure. Pour ce scénario avec les exigences continues de mélange, de laboratoire échelle des bioréacteurs sont alimentés régulièrementet nous nous référons à des configurations telles que continuellement agité digesteurs anaérobies (CSADs).

Cet article présente une méthodologie générale pour la construction, l'inoculation, l'exploitation et la surveillance d'un système de CSAD pour le but de tester l'aptitude d'un substrat organique donné à long terme la digestion anaérobie. La section de la construction de cet article portera sur la construction du système de réacteur de laboratoire échelle. La section inoculation allons vous expliquer comment créer un environnement anaérobie approprié pour le semis avec un inoculum actif méthanogène. La section de fonctionnement couvrira exploitation, l'entretien et le dépannage. La section de surveillance présentera protocoles d'essai en utilisant des analyses standard. L'utilisation de ces mesures est nécessaire pour des évaluations fiables des expériences d'aptitude substrat pour AD. Ce protocole devrait fournir une meilleure protection contre une erreur commune faite dans les études AD, qui est de conclure que l'échec du réacteur a été provoqué par le substrat in utilisation, alors qu'en réalité il était mauvaise opération de l'utilisateur 10.

Introduction

La digestion anaérobie (AD) est une technologie mature impliquant la conversion biologique de médiation complexes substrats de déchets organiques en biogaz utiles avec du méthane comme source d'énergie. Il ya de nombreux avantages de traitement anaérobie, y compris un minimum d'énergie et les apports de nutriments et la réduction de la production des biosolides par rapport au traitement aérobie 10. En outre, la polyvalence de la communauté microbienne mixte inhérent à ces systèmes rend une grande variété de substrats organiques appropriés en tant que matières premières 11,12. En effet, elle est due à ces avantages qu'un nombre croissant de demandes d'AD sont en cours d'adoption en dehors du traitement conventionnel des eaux usées municipales, en particulier dans les secteurs industriels, municipaux (par exemple, les déchets alimentaires), et de l'agriculture 4,7,13. AD a connu son premier commencement prolifération dans les années 1980 en réponse à la crise de l'énergie nationale de la décennie précédente. Comme le monde est confronté à une crise de l'énergie mondiale croissante,couplé à la dégradation de l'environnement, mettre davantage l'accent est maintenant mis sur les technologies des biocarburants et le concept des déchets à l'énergie en particulier. Par exemple, aux États-Unis, la digestion anaérobie peut générer 5,5% de la puissance électrique totale doit 8.

Cela a augmenté la demande pour le bien-contrôlé de recherche expérimentale sur le pilote et l'échelle du laboratoire pour évaluer la pertinence des nouveaux matériaux de déchets organiques et les mélanges de déchets pour la digestion anaérobie 14. Nous avons l'intention de fournir un modèle générique pour la construction, l'inoculation, l'exploitation et la surveillance d'un digesteur anaérobie à l'échelle laboratoire qui sera adapté pour les évaluations robustes. Les digesteurs anaérobies existent dans de nombreuses configurations différentes. Quelques configurations communs comprennent: continu-réacteur à réservoir agité (CSTR) avec une alimentation continue affluents; agité en continu digesteur anaérobie (CSAD) avec l'alimentation affluent périodique; écoulement piston (PF), refoulement de boue anaérobie blanchet (UASB); anaérobie réacteur à lit de la migration (Ambr); anaérobie réacteur à chicanes (ABR), et anaérobie réacteur discontinu de séquençage (ASBR) 9,15 configurations. La configuration CSTR et CSAD ont été largement adopté pour l'échelle du laboratoire des expériences en raison de sa facilité de configuration et les conditions d'exploitation favorables. Raison de mélange continu, le temps de rétention hydraulique (HRT) est égal au temps de rétention des boues (SRT). Le SRT est le paramètre important de la conception de l'ADS. La configuration est également propice à des expériences contrôlées en raison d'une plus grande uniformité spatiale des paramètres, tels que les concentrations des espèces chimiques, la température, et les taux de diffusion. Il convient de noter, cependant, que la pleine échelle optimale de configuration pour un digesteur anaérobie repose sur les qualités physiques et chimiques particulières du substrat organique parmi d'autres aspects non techniques, tels que la qualité des effluents cible. Par exemple, diluer les flux de déchets avec teneur relativement élevée en organique soluble et littlparticules e, tels que la brasserie des eaux usées, généralement l'expérience de conversion énergétique dans une configuration de haut-débit ascendant bioréacteur (par exemple, UASB) plutôt que d'une configuration CSAD. Peu importe, il ya des paramètres d'exploitation fondamentaux qui sont essentiels à la digestion réussie et pertinente à toutes les configurations, qui justifient une explication générique de cette configuration.

En effet, chaque système AD contenant une société diverse, communauté ouverte de microbes anaérobies série métaboliser le substrat pour le méthane (la finale du produit final avec le moins d'énergie disponible gratuitement par électron). Les voies métaboliques impliquées dans ce processus constituent un réseau alimentaire complexe vaguement classés en quatre étapes trophiques: l'hydrolyse; acidogénèse; acétogénèse et méthanogénèse. Dans l'hydrolyse, complexes polymères organiques (par exemple, des hydrates de carbone, des lipides et des protéines) sont répartis à leurs monomères respectifs (par exemple, les sucres, les acides gras à longue chaîne, et les acides aminés) par hydrolyzing, bactéries fermentaires. En acidogénèse, ces monomères sont fermentés par les bactéries acidogènes à des acides gras volatils (AGV) et les alcools, qui acétogénèse, sont en outre oxydés en acétate et d'hydrogène par homoacetogenic et obligatoire hydrogène bactéries productrices, respectueusement 5. Dans l'étape finale de la méthanogénèse, l'acétate et l'hydrogène sont métabolisés au méthane par les méthanogènes acetoclastic et hydrogénotrophe. Il est important de reconnaître que le processus de AD globale, en s'appuyant sur une série interconnectée des métabolismes par les différents groupes de microbes, dépendra de la fonction réussie de chaque membre avant que le système dans son ensemble de manière optimale. La conception et la construction d'un système de bioréacteur AD devrait toujours prendre en considération l'obligation de sceller complètement le bioréacteur. Les petites fuites dans le top du bioréacteur (séparation l'espace de tête) ou dans le système de gaz de traitement peut être difficile à détecter, et donc le système doit être la pressionvous testé avant son utilisation. Après s'être assuré une installation sans fuite, échecs avec des études de digesteurs anaérobies souvent attribuables à des erreurs lors de l'inoculation, la culture, et au jour le jour le fonctionnement. En conséquence, les digesteurs ont une réputation comme étant intrinsèquement instable et enclin à l'échec inattendu. Pourquoi est-il alors que la pleine échelle digesteurs ont été opérés dans des conditions stables pendant des décennies 13? L'échec est susceptible de provenir de mauvaise manipulation par l'opérateur, en particulier pendant la période de démarrage au cours de laquelle la communauté microbienne doit s'acclimater lentement à la composition des déchets organiques et de la force. Par conséquent, notre objectif n'est pas seulement de fournir une méthodologie pour construire un système AD, mais aussi d'élucider les processus de l'inoculation, l'exploitation et la surveillance de ces systèmes.

La première section de l'article va vous expliquer comment construire le CSTR ou d'un système CSAD, tandis que la deuxième section d'une procédure de digesteur inoculation avec actif methanogbiomasse ENIC. Il est plus pratique et moins de temps pour inoculer digesteurs de biomasse avec méthanogène actif de la. De la liqueur mixte ou de l'effluent d'un digesteur d'exploitation qui est le traitement d'un substrat similaire à celle de tenter de développer une biomasse suffisante à partir d'une culture naissante La troisième section de l'article portera sur des considérations d'exploitation, tels que substrat d'alimentation, la décantation des effluents, et le dépannage des problèmes de réacteurs différents. Nourrir substrat et la décantation des effluents de ce système sera réalisée sur une base semi-continu (c.-à-alimentation périodique et décantation alors que la plupart de la biomasse et de la liqueur mixte reste dans le bioréacteur). La fréquence à laquelle le digesteur est alimenté / décanté est la prérogative de l'opérateur. En général, l'alimentation / décantation plus fréquemment et à intervalles réguliers de promouvoir une plus grande stabilité digesteur et la cohérence de la performance entre les cycles d'alimentation. La quatrième section présentera un protocole de surveillance de base à utiliser lors de l'expériencepériode rimentale. Plusieurs analyses standard, qui sont décrites dans les méthodes normalisées pour l'examen de l'eau et des eaux usées 16 (tableau 1, 2), sera nécessaire pour la caractérisation du substrat et le suivi correct du système. En plus des variables mesurées, un aspect important de la surveillance est de vérifier que les composants du système de digestion fonctionnent correctement. L'entretien régulier du système digesteur anticiper les problèmes majeurs du système qui pourraient autrement mettre en péril la performance à long terme et la stabilité du digesteur. Par exemple, une défaillance de l'élément chauffant, ce qui conduit à une baisse de la température, peut provoquer l'accumulation d'acides gras volatils en réduisant le taux métabolique de bactéries méthanogènes. Ce problème serait aggravé si le système n'avait pas alcalinité suffisante pour maintenir le pH au-dessus des niveaux d'inhibition pour les méthanogènes. Il est également important de détecter et fermer les fuites possibles après des chutes inattendues chez le rat la production de biogazes. Par conséquent, la duplication dans la conception expérimentale, par exemple, l'exécution de deux bioréacteurs side-by-side dans les conditions de fonctionnement exactes, est important pour détecter les pertes de performances inattendues causées par un dysfonctionnement du système, tels que les petites fuites.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Construction digesteur

  1. Sélectionnez un navire digesteur qui contient toutes les caractéristiques indiquées dans la Fig. 1 (un cône n'est pas nécessaire), et votre volume de travail souhaité (typiquement entre 1-10 L). Si votre bateau digesteur n'est pas équipé d'une veste chauffée d'eau, placez le digesteur dans un autre environnement à température contrôlée, comme un bain d'eau chauffée ou de la chambre d'incubation.
  2. Fixez le navire dans une position verticale dans une zone avec un espace suffisant banc horizontal pour le placement de composants restants (tableau 2).
  3. Construire le couvercle de la cuve selon la Fig. 2. Les ports des tubes influents et les effluents doivent être suffisamment larges pour éviter le colmatage. Les tubes à l'intérieur du bioréacteur doit être d'une longueur suffisante pour rester immergée dans le milieu pendant la décantation digesteur, tout en s'étendant à partir du haut du couvercle pour permettre la fixation de tube. La roue de revêtement doit s'étendre aussi loin que possiblesible dans le milieu de digesteur (le tube immergé et de gainage éviter biogaz headspace de s'échapper du bioréacteur).
  4. Appliquer de la graisse à vide à base de silicone à la surface de contact du couvercle et le bloquer au début cuve autoclave
  5. Fixer le mélangeur à vitesse variable parallèle à l'axe vertical du digesteur à l'aide d'une bague-support et les pinces, puis l'arbre du rotor affixe. En raison des vibrations moteur du mélangeur et du mouvement, il est important d'utiliser une position indépendante et se mouvoir librement.
  6. Connecter un tronçon de tube souple à la fois les tubes d'influent et d'effluent, puis connecter un autre tronçon de tube à l'orifice de gaz pour être utilisé comme la conduite de gaz.
  7. Connectez la ligne de production de biogaz à chacune des différentes composantes, qui peut être placé au-dessus du digesteur sur des étagères. Les composants doivent être reliés dans cet ordre: orifice d'échantillonnage, piège à mousse, H 2 S épurateur, un réservoir de gaz, barboteur, compteur de gaz, et la ligne de ventilation (fig. 3). Pour faciliter l'isolement ou reablation des composants individuels pour le dépannage ou le nettoyage, pensez à ajouter la robinetterie connecteur entre les composants. Assurez-vous que la sortie de gaz est bien ventilé à l'extérieur ou une hotte chimique, car le biogaz est explosif.
    1. Le port de prélèvement de gaz doit être positionné à proximité de l'espace libre du réacteur.
    2. Le piège à mousse peut être construit en utilisant un ballon simple ou bouteille, et doit être d'au moins 25% du volume du réacteur. Il devrait contenir deux ports, un pour la ligne d'arrivée du biogaz et l'autre pour la ligne de sortie de biogaz. Ces ports peuvent être faites par le forage de deux trous dans un bouchon de caoutchouc à travers lequel un tube rigide est inséré. Le tube d'entrée de biogaz devrait s'étendre à une plus grande profondeur que le tube de sortie du biogaz (Fig. 4). Piégeage mousse est nécessaire pour protéger le système de manutention du gaz à partir de mousse digesteur possible.
    3. L'épurateur de H 2 S se compose d'un long tube de verre, avec un diamètre intérieur supérieur à 2 cm, rempli de steelaine l avec une entrée de biogaz et le port de sortie à chaque extrémité. La laine d'acier doivent être emballés et de fournir suffisamment de surface pour le décapage, mais pas si bien que le flux de production de biogaz est bloqué. Scrubbing est nécessaire pour protéger les composants métalliques dans le compteur de gaz à partir de produits chimiques corrosifs.
    4. Le réservoir de gaz peuvent être fabriqués à partir de n'importe quel pliable, étanche à l'air la matière, comme un sac de gaz, ou même une balle de jeu pour enfants, avec un volume dépassant pas deux fois le volume d'alimentation ciblée. Cela est nécessaire pour éviter une chute de pression pendant la décantation des effluents et d'aspiration d'air possible dans l'espace libre.
  8. Si le système sera à température contrôlée par un chauffe-eau qui circule, connectez l'appareil à l'enveloppe de chauffage en utilisant un tube flexible. Placer l'unité au-dessus du niveau de liquide de l'enveloppe de chauffage. Réglez l'appareil de chauffage à la température appropriée pour la digestion mésophile ou thermophile (tableau 1).
  9. Effectuer un test d'étanchéité du système par détection de fuites avec sl'eau oapy. Commencez par remplir le digesteur avec de l'eau, puis légèrement sous pression de la ligne affluent avec un gaz à une pression inférieure à 5 psi. Tout d'abord, fixer la ligne de production de biogaz et de conduites d'effluents pour vérifier s'il ya des fuites autour du couvercle du réacteur, puis retirez la pince ligne de production de biogaz pour détecter les fuites pour le système de manutention du gaz entier. Notez que la surpression de la ligne influent va forcer l'eau à travers le tube de gainage roue.
  10. Allumer le rotor et l'élément chauffant et laisser exécuter pendant une nuit à faire en sorte que le mélangeur et le réchauffeur peut maintenir un fonctionnement continu. La vitesse de rotation de la roue devrait être assez rapide pour assurer le mélange complet des médias du réacteur. Problèmes de mixage courantes comprennent désalignement, un frottement excessif de l'arbre, et l'insuffisance de fixation du moteur à l'anneau-support.

2. L'inoculation de digestion et de conditionnement en utilisant une biomasse active méthanogène

  1. Rangez la biomasse active méthanogène (inoculum) dans un clcontenant OSED dans un réfrigérateur à 4 ° C, tout en préparant les digesteurs. Idéalement, l'inoculum doit être stocké pour aussi peu de temps que possible et il devrait être suffisant pour remplir complètement la totalité du volume du digesteur. Toutefois, certains biomasse anaérobie (comme la biomasse granulaire) peuvent être stockés pendant de très longues périodes. Diluer l'inoculum avec de l'eau qui a été rincé avec un gaz anaérobie pour le volume approprié si nécessaire.
  2. Rincer le système lessiveur vide avec un gaz anaérobie pendant plusieurs minutes en le connectant à la sonde d'alimentation, le serrage de la conduite d'amenée, et coller l'espace entre l'essieu et la gaine mélangeur pour empêcher une perte excessive de gaz anaérobie.
  3. Au cours de la période de rinçage, assurez-vous de rincer-le réservoir de gaz.
  4. Après le rinçage est terminée, connectez un entonnoir sur le tube d'alimentation et d'ajouter l'inoculum en veillant à mélanger l'inoculum périodiquement afin d'assurer l'uniformité.
  5. Rebranchez le gaz anaérobie pour le tube d'alimentation, à son tour sur le mixe-r, et rincer la liqueur du lessiveur pendant au moins 15 min. Puis déconnecter le gaz, serrer le tube d'alimentation et desserrer le réservoir de gaz. Ce digesteur est maintenant en opération.
  6. Laisser le digesteur à fonctionner pendant une couple de jours avant le début de l'alimentation et de surveiller la production de biogaz. Pendant ce temps, effectuer des solides totaux et volatils analyse de la concentration en solides pour l'inoculum (tableau 1). Si la concentration en matières solides est considérablement plus grande que celle de la concentration d'alcool cible mixte, retirer et diluer le contenu avant de commencer l'autoclave en conséquence l'alimentation. Ceci est fait pour éviter de lavage excessif de la biomasse au cours de la période d'exploitation qui peuvent augmenter l'alimentation des micro-organismes à (F / M) Le ratio trop fortement tout au long de la période de démarrage.
  7. Déterminer la fraction organique biodégradable du substrat soit en mesurant la concentration totale et de matières solides volatiles, la demande en oxygène biologique ou chimique, ou le carbone organique total du substrat. Utilisez this pour calculer un taux initial conservatrice de la charge organique (OLR).
  8. L'opérateur doit augmenter progressivement la OLR jusqu'à une valeur cible est atteinte (période de démarrage). Une approche au cours de la période de démarrage est de fixer la force organique de l'alimentation, puis de réduire le temps de rétention hydraulique (HRT) progressivement jusqu'à ce que la cible est atteinte OLR (un processus qui peut prendre plusieurs mois à un an selon la qualité de l'inoculum et le substrat utilisé). L'augmentation de la OLR trop vite mènera à des concentrations excessives d'acides gras volatils (> 2,000 mg / L sous forme d'acétate), comme indiqué dans la Fig. 5. L'opérateur doit réduire le OLR si concentrations d'acides gras volatils augmenter à des niveaux sous-optimales (tableau 1). Si les concentrations d'acides gras volatils sont trop élevés, le contenu du bioréacteur peut-être besoin d'être dilué avec de l'eau.
  9. Laisser le digesteur d'une période de trois HRT à l'OLR cible avant l'expérimentation pour établir une stationble de base-ligne de condition.

3. Opération digesteur

  1. Effluents décantation précède toujours plus substrat dans le digesteur, sorte immédiatement avant la décantation, préparer le mélange d'alimentation et conserver à 4 ° C jusqu'à ce qu'il soit temps pour se nourrir.
  2. Décanter effluent de l'autoclave en connectant le tube d'effluent à une pompe (bras latéral flacon sous vide est une possibilité de décantation) et retirer un volume égal par rapport au volume d'alimentation. Stocker l'effluent à 4 ° C pour une analyse ultérieure. Notez que la plupart des analyses sont sensibles temps. Par exemple, le pH doit être mesuré immédiatement car le CO 2 s'échappe de la solution, l'augmentation du pH.
  3. Retirer le mélange d'alimentation du réfrigérateur. Connectez un entonnoir pour le tube d'alimentation et verser dans l'alimentation (substrat) en veillant à mélanger régulièrement afin de s'assurer que les solides se transportés dans le liquide en vrac.
  4. Effectuer les étapes de dépannage décrites dans le tableau 3, si nesaire.

4. Système de surveillance

  1. Vérifier le système de digesteur et de ses composants fréquemment en cours de fonctionnement. Une attention particulière devrait être accordée aux systèmes de mélange et de chauffage. Insuffisance manifeste la volonté de mélange dans une brusque diminution de la concentration en solides des effluents (Fig. 6). Vérifiez régulièrement que l'huile ou de l'eau dans les compteurs de gaz est au niveau approprié et remplacer la laine d'acier dans le piège de l'H 2 S en fonction des besoins. Noter que la laine d'acier noir et deviendra glacé lorsqu'il réagit avec H 2 S pour former du sulfure de fer.
  2. Effectuez ces analyses sur les effluents digesteur pour le diagnostic de la performance du système et la stabilité. Les valeurs doivent toujours tomber dans la plage spécifiée optimale indiquée dans le tableau 1.
    1. Mesurer le taux de production de biogaz et le pH de chaque cycle d'alimentation.
    2. Mesurer la concentration des acides gras volatils, l'alcalinité et la teneur en biogaz plusieurs fois par semaine.Note: Le contenu de biogaz doit être mesurée au même moment par rapport au cycle d'alimentation car sa composition change au cours du cycle. Idéalement, les biogaz devrait être échantillonné à la fin d'un cycle d'alimentation, juste avant l'alimentation.
    3. Mesurer la demande en oxygène biologique ou chimique et solides totaux et volatils une fois par semaine ou plus souvent pour obtenir au moins trois points de données pour chaque condition expérimentale dans des conditions d'état pseudo-stable.

5. Les résultats représentatifs

Inoculation réussie du digesteur est marquée par la production de biogaz au sein de plusieurs jours. Le méthane en dioxyde de carbone rapport du biogaz va augmenter au cours de la période d'acclimatation plus que la biomasse méthanogène est recruté. Le ralentissement de la croissance des méthanogènes par rapport à acidogens fait périodes d'acclimatation long et graduel des changements opérationnels nécessaires. Dans la figure. 5, nous démontrons la responsabilité dynamiquesoi d'un digesteur où un taux de charge organique élevée (OLR) est introduit trop tôt dans la phase de démarrage. Dans cet exemple, il n'y avait pas suffisamment de biomasse méthanogène à supprimer (c'est à dire, utiliser) des acides gras volatils (AGV) ont évolué à partir de l'étape dégradation du substrat, acidogénèse. Cela a conduit à une accumulation de AGV, et par la suite, une diminution du pH. Pour remédier à cette situation, l'OLR a été réduite afin de limiter la production de AGV par acidogens et pour permettre le recrutement plus méthanogène avant de retourner à la hausse OLR. Les digesteurs puis exposé la digestion stable pendant trois périodes de rétention hydraulique.

La digestion stable ou pseudo-état d'équilibre peut être supposée lorsque les paramètres mesurés, tels que les taux de production de biogaz, les concentrations totales AGV, la volatilité des concentrations des solides et des niveaux de pH, sont constamment maintenu à moins de 10% de leurs valeurs moyennes, pour un minimum délai d'un THS. L'importance de cette somme se révèle in Fig. 6, qui montre la réponse prolongée du système CSTR à une perturbation causée par un mélange insuffisant. L'absence de mélange approprié a permis aux solides de se décanter dans le réacteur, ce qui signifie moins de solides ont été retirés au cours de l'effluent décanté. Leur accumulation conduit à des concentrations plus élevées de solides des effluents, après un mélange suffisant a été restauré. Il a fallu environ un THS (soit 25 jours) pour retourner le digesteur à une concentration normale solides des effluents.

Un digesteur anaérobie est un système biologique; ainsi il sera présentent une certaine variabilité interne de la performance. Cette variabilité doit être quantifiée avant l'expérimentateur peut discerner les effets spécifiques causés par des perturbations expérimentales imposées sur le système (le bon usage des statistiques est nécessaire). Trois périodes de THS sont nécessaires avant un changement expérimentale est faite pour le système de réacteur, car cela est généralement considéré comme un délai suffisant pour assumer concen stabledes ions des espèces chimiques de la liqueur mixte (fig. 7). À la fin de cet intervalle, l'expérimentateur devrait être en mesure de construire une base de référence fiable pour chaque paramètre mesuré. Cette base sert de base de comparaison pour les expériences futures.

La performance générale du digesteur peut être évaluée en suivant le protocole de surveillance, qui exige que les différentes analyses standard être exécutée régulièrement. Ce calendrier prévoit la résolution temporelle suffisante pour identifier les signes précurseurs de la plupart des problèmes du système et le temps lee pour les empêcher. En outre, les résultats de ces tests de diagnostic sont destinés à être utilisés en conjonction avec le tableau 1 pour identifier la performance sous-optimale. Tableau 3 fournit des solutions à bon nombre des problèmes généralement rencontrés lors de la mise en place d'un digesteur. Dans le cas où un problème ne peut être corrigée en suivant les instructions qui y sont énoncés, l'exploitant devrait consulter d'autres ressourCES, comme un texte de référence se rapportant à la biotechnologie anaérobie.

Paramètres de fonctionnement Indice de la norme Méthodes Portée typique Gamme Extreme
Mésophile Thermophile Mésophile Thermophile
Température 2550 (A) 32-37 17 ° C 50-60 17 ° C 20-42 17 ° C 45-65 17 ° C
Taux de charge organique NL De 0,8 à 2,0 17 g
VS-L -1 j -1-
1,5 à 5,0 17 g
VS-L -1 j -1-
0,4 à 6,4 17 g
VS-L -1 j-
1,0 à 7,5 17 g
VS-L -1 j -1-
Temps de rétention hydraulique NL 15 - 35 jours <15;> 35 jours
Carbone: azote Ratio NL 25:1 17 > 25:1
Paramètres de surveillance Indice de la norme Méthodes Gamme Optimum Gamme sous-optimale
pH 4500-H + (B) 06.05 à 08.02 10 <6,5;> 8.2
Alcalinité 2320 (B) 1300 - 3000 17
mg de CaCO 3-L -1
mg de CaCO 3 - L-1
Les acides volatils 5560 (C) <200 10
mg Ac-L -1
> 200 10
mg Ac-L -1
Efficacité d'élimination des matières solides 2540 (B, E) > 50% <50%
Contenu du biogaz 2720 ​​(C) 55-70 CH 4; 30-45% de CO 2 <55 CH 4;> 45% de CO 2

Tableau 1. Guide général de sélection des opérations et des paramètres de surveillance pour les systèmes de CSTR.

Composant Spécifications (Considérations sur la conception) Commentaires
À température contrôlée Chauffe-eau à circulation Température de fonctionnement: 25-65 ° C
(Capacité de chauffage, Max. Pression chef, le débit volumétrique)
L'eau chauffée doit être fourni à un débit suffisamment élevé et avec une pression suffisante pour bien circuler.
D'échantillonnage au port NA Situé à proximité de l'espace libre est idéal.
Piège à mousse Volume: 25% du volume du réacteur Simple bras latéral flacon ou des bocaux en verre peuvent être utilisés. L'appareil doit être accessible pour le nettoyage.
Laveur de sulfure d'hydrogène (Temps de contact gaz) Tubes en verre ou en plastique doit être utilisé (pas de métal). Dimensionnement longueur devrait fournir suffisamment de temps de contact gaz.
Réservoir de gaz Volume:> 2x Volume des effluents; Matériel: semi-élastique (non rigide) Le volume devrait dépasser celle prise lors de l'effluent dependulaire. Le matériel devrait permettre de rétrécissement et d'expansion.
Barboteur NA La pression en tête fourni par le niveau d'eau devrait être réduite au minimum pour limiter l'accumulation de pression dans le système de distribution de gaz.
Compteur à gaz (Plage de détection du débit du gaz) Compteurs de gaz en plastique sont préférables en métal. La plage de détection de débit de gaz doivent être exactes au taux attendus de production de biogaz.

Tableau 2. Les composants des réacteurs auxiliaires avec les spécifications et les commentaires.

r>
Symptôme d'erreur SOLUTIONS POSSIBLES
Colmatage fréquent de l'alimentation ou des tubes d'effluents

• Utiliser un tube de plus grand diamètre et / ou accessoires.

• Réduire la taille du substrat de particules (par exemple, en utilisant un mélangeur ou d'un tamis).

• Mélanger nourrir plus fréquemment tout en se nourrissant.

• Veiller à ce que le contenu du digesteur sont complètement mélangés.

Formation excessive de mousse

• Réduire le OLR

• Réduire l'intensité de mélange dans le digesteur.

• Augmenter l'espace de tête dans le digesteur en réduisant le volume du digesteur actif.

Incohérence entre le rendement de production de biogaz digesteur réplique

• Vérifiez qu'aucune fuite sont présents dans le système de traitement des gaz de digesteur soit.

• Vérifiez que le compteur de gaz et de l'élément de chauffage fonctionnent correctement et sont étalonnés.

• Vérifiez que les mélanges d'aliments sont préparés de façon équivalente.

Incohérente ou très variable concentration de solides en til effluent entre digesteur répétitions (Fig. 6)

• Vérifiez que le contenu du digesteur soient bien mélangés.

• Veiller à ce que le réacteur ligne effluents décantation est équivalent entre les réacteurs.

Teneur en méthane dans le biogaz réduit

• Vérifiez que le pH se situe dans la plage optimale pour la méthanogénèse (soit 6,5 à 8,2). Si non, compléter avec une acidité ou l'alcalinité, le cas échéant.

• Si de l'azote significative est détectée dans le biogaz (c.-à-> 10%), vérifier les fuites près de l'orifice d'échantillonnage.

• Régulariser la périodicité de l'échantillonnage de biogaz.

• Vérifiez que la concentration VFA est dans la plage optimale. Si non, suivez les étapes de dépannage répertoriés pour chroniquement élevés concentrations d'acides gras volatils.

Chroniquement élevé de concentration des acides gras volatils (Fig. 5)

• Réduire le OLR.

• Surmonter les nutriments ou les carences de métaux traces par la supplémentation.

• Vérifiez que le contenu du réacteur sont scellés contre l'intrusion d'oxygène.

• Augmenter la fréquence du cycle d'alimentation.

• Éliminer les courts-circuits hydrauliques.

• Surmonter les carences alcalinité par la supplémentation.

Tableau 3. Protocole de dépannage pour le fonctionnement du digesteur.

Figure 1
Figure 1. Exemple de base de la conception du réacteur: Matériau du corps-verre; tubes matériau inox / alu; Matériau du couvercle PVC / plexiglas.

contenu "> Figure 2
Figure 2. Exemple de base de la conception couvercle du réacteur: Matériau du couvercle en PVC ou en plexiglas; Raccords matériaux en acier inoxydable / plastique; tubes matériau inox / alu.

Figure 3
Figure 3. Schéma montrant la disposition du système composant.

Figure 4
Figure 4. Exemple de base de la conception piège à mousse: Jar matériau plastique / verre; Tube matériau plastique / verre.

Figure 5
Figure 5. Réponse du système typique à un taux de charge organique élevée (OLR) au cours de démarrage du réacteur. Commençant par un OLR de 1,35 GVS-L -1 a provoqué l'accumulation d'acides gras volatils totaux (TVFA). L'acide accumulation Cau sed une diminution du pH suivie par une diminution du rendement de production de biogaz. En abaissant la OLR à 1,15 g VS-jour -1, les deux systèmes étaient en mesure de récupérer et d'établir une concentration suffisante de biomasse méthanogène de tolérer un 1,35 GVS-L -1 OLR. La différence de pH et de l'accumulation TVFA entre les réacteurs présente la dynamique particulière des communautés mixtes.

Figure 6
Figure 6 réponse du système typique de l'insuffisance de mélange (Un réacteur) par rapport à un système suffisamment mixte (réacteur B) Durant le mélange pauvre, les solides se déposent au fond du réacteur et ne sont pas supprimés lors de la décantation (jours 280 - 290)... Lorsque le mélange est revenu à une intensité suffisante (300 jours), les solides accumulés sont progressivement supprimées (jours 305 à 330), et le système retourne à la stabilité des concentrations de matières solides.

ig7.jpg "/>
Figure 7. Relation théorique entre la concentration d'une espèce chimique conservatrices et la période de rétention hydraulique (HRT) dans un système CSTR idéal. A trois HRT la concentration réelle d'une espèce chimique [C] dans le digesteur est de 95% celui de la première concentration présente dans l'alimentation [C 0].

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Le système de digestion anaérobie présenté dans cet article fournit une introduction générale et quelques directives de base pour le traitement de la plupart des substrats dans un contexte expérimental. La grande variété de types de substrats, les configurations de digestion, les paramètres de fonctionnement, et aussi l'écologie unique de la communauté microbienne mixte qui sous-tend ces systèmes empêche décrivant durs mesures quantitatives, qui peuvent être appliqués universellement. Malgré toute cette variabilité, tous les systèmes de digestion anaérobie suivi d'une série bien caractérisée des voies de dégradation biologiques, qui sont médiées par des procédés physiques et chimiques dont les principes sont bien compris et peut être appliqué à tous les systèmes. C'est à partir de ces principes fondamentaux, ainsi que les observations d'exploitation bien documentés dans la littérature, que nous rapportons ces plages optimales pour les paramètres du système et des méthodes appropriées de fonctionnement du système. Les paramètres cités sont interdépendants et jouent des rôles importantsdans le processus de digestion anaérobie. Une compréhension approfondie de ces interrelations améliore grandement la capacité de l'opérateur à reconnaître et à résoudre les problèmes du système. Le texte, "la biotechnologie anaérobie: pour les eaux usées industrielles" par Speece fournit un catalogue assez complet d'exploitation pertinente et sujets de surveillance dans la digestion anaérobie pour ceux qui cherchent de nouvelles idées et explications 10.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Pas de conflits d'intérêt déclarés.

Acknowledgements

Cette recherche est soutenue est pris en charge par l'USDA par le National Institutes of alimentation et l'agriculture (NIFA), numéro d'obtention 2007-35504-05381; par voie de subvention non. 58872 à partir NYSERDA et New York-123444 grâce à des fonds de la Station de l'Université Cornell Agricultural Experiment de formule fédérale de la 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