Continu-geroerd anaërobe vergister om organisch afval omzetten in biogas: Systeemconfiguratie en Basisbediening

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

Laboratorium-schaal anaërobe vergisters kunnen wetenschappers nieuwe manieren van het optimaliseren van bestaande toepassingen van anaërobe biotechnologisch onderzoek en de productie van methaan potentieel van verschillende organische afval te evalueren. Dit artikel introduceert een algemeen model voor de bouw, inenting, bediening en controle van een laboratorium-schaal continu geroerd anaërobe vergister.

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

Anaërobe vergisting (AD) is een bioprocestechnologie die vaak wordt gebruikt om complexe organisch afval om te zetten in een bruikbaar biogas met methaan als energiedrager 1-3. Steeds vaker wordt AD wordt gebruikt in industriële, landbouw-, en gemeentelijk afval (water) behandeling toepassingen 4,5. Het gebruik van AD technologie maakt het mogelijk exploitanten de verwijdering van afvalstoffen kosten te verlagen en energieleverancier kosten te compenseren. In aanvulling op de behandeling van organisch afval, worden energiegewassen omgezet in de energie-drager methaan 6,7. Aangezien de toepassing van AD-technologie verbreedt voor de behandeling van nieuwe substraten en co-substraat mengsels 8, neemt ook de vraag naar een betrouwbare testmethode op de pilot-en laboratorium-schaal.

Anaërobe vergisting systemen hebben een verscheidenheid aan configuraties, waaronder de continu geroerde tank reactor (CSTR), plug flow (PF) en anaërobe sequencing batch reactor (ASBR) configuraties 9

Dit artikel presenteert een algemene methodiek voor de bouw, enten, de exploitatie en het bewaken van een CSAD stelsel voor het witwassen van het testen van de geschiktheid van een bepaald organisch substraat voor de lange termijn anaerobe vergisting. De bouw van dit artikel heeft betrekking op de bouw van de lab-schaal reactor systeem. De inoculatie sectie wordt uitgelegd hoe u een anaërobe omgeving die geschikt is voor het zaaien met een actieve methanogene inoculum te creëren. De operationele gedeelte zal betrekking hebben op exploitatie, het onderhoud en het oplossen van problemen. De monitoring sectie zal introduceren testprotocollen met behulp van standaard analyses. Het gebruik van deze maatregelen nodig betrouwbare experimentele evaluatie van substraat geschiktheid voor AD. Dit protocol moet zorgen voor een grotere bescherming tegen een veel voorkomende fout gemaakt in AD studies, die is om te concluderen dat reactor niet werd veroorzaakt door de ondergrond in gebruik, terwijl het in feite was het onjuist gebruik van het apparaat 10.

Introduction

Anaërobe vergisting (AD) is een volwassen technologie met betrekking tot de biologisch gemedieerde omzetting van complexe organische afval substraten in nuttige biogas met methaan als energiedrager. Er zijn veel voordelen van de anaërobe behandeling, met inbegrip van een minimale energie-en toevoer van nutriënten en een verminderde biosolids de productie ten opzichte van aërobe behandeling 10. Bovendien de veelzijdigheid van de gemengde microbiële inherent aan deze systemen maakt een grote verscheidenheid van organische substraten geschikt als grondstof 11,12. Inderdaad, het is het gevolg van deze voordelen dat een groeiend aantal aanvragen voor AD worden genomen buiten de traditionele gemeentelijke behandeling van afvalwater, met name in de industriële, gemeentelijke (bv, voedselresten), en de agrarische sector 4,7,13. AD beleefde zijn eerste grote verspreiding begin in de jaren 1980 in reactie op de nationale energie-crisis van het vorige decennium. Terwijl de wereld wordt geconfronteerd met een groeiende wereldwijde energiecrisis,in combinatie met aantasting van het milieu, is meer aandacht komen te liggen op technologieën voor biobrandstoffen en de waste-to-energie concept in het bijzonder. Bijvoorbeeld in het Amerikaanse kan vergisting wordt 5,5% van de totale stroom nodig acht.

Dit heeft de vraag naar goed-gecontroleerde experimentele onderzoek aan de pilot-en laboratorium-schaal om de geschiktheid van nieuwe organische afvalstoffen en afval mengsels voor anaerobe vergisting 14 te beoordelen. We zijn van plan om een ​​generiek model voor de bouw, inenting, bediening en controle van een laboratorium-schaal anaërobe vergister die geschikt zijn voor robuuste evaluaties te geven. Anaërobe vergisters bestaan ​​in veel verschillende configuraties. Een aantal veel voorkomende configuraties omvatten het: continu geroerde tank reactor (CSTR) met continue influent voeding; continu geroerd anaërobe vergister (CSAD) met periodieke influent voeding, plug flow (PF), upflow anaërobe slib deken (UASB); anaërobe migrerende deken reactor (AMBR); anaërobe reactor verbijsterd (ABR) en anaërobe sequencing batch reactor (ASBR) configuraties 9,15. De CSTR en CSAD configuratie zijn op grote schaal genomen voor laboratoriumonderzoek experimenten vanwege de eenvoudige installatie en gunstige werkomstandigheden. Door voortdurende mengen, de hydraulische verblijftijd (HST) gelijk is aan de slibverblijftijd (SRT). De SRT is het van belang ontwerp parameter voor de ADS. De configuratie is bevorderlijk voor gecontroleerde experimenten gevolg van de hogere ruimtelijke homogeniteit van parameters, zoals chemische species concentraties, temperatuur en diffusiesnelheden. Er zij opgemerkt dat de optimale volledige configuratie van een anaerobe vergisting hangt af van de fysische en chemische eigenschappen van het organische substraat onder-technische aspecten zoals doel effluent. Bijvoorbeeld, verdunnen afvalstromen met een relatief hoge oplosbare organische inhoud en little deeltjes, zoals de brouwerij afvalwater, meestal ervaren meer de omzetting van energie in een high-rate upflow bioreactor configuratie (bijv., UASB) in plaats van een CSAD configuratie. Hoe dan ook, zijn er fundamentele parameters die essentieel zijn voor een succesvolle spijsvertering en die relevant zijn voor alle configuraties, die een algemene uitleg van het gebruik van deze configuratie te rechtvaardigen.

Inderdaad, elk AD-systeem met een diverse, open gemeenschap van anaërobe micro-organismen metaboliseren serieel de ondergrond om methaan (het uiteindelijke eindproduct met de laagst beschikbare vrije energie per elektron). De metabole routes die betrokken zijn in dit proces vormen een ingewikkeld voedselweb losjes ingedeeld in vier trofische stappen: de hydrolyse, verzuring, acetogenese en methanogenese. In hydrolyse worden complexe organische polymeren (zoals koolhydraten, vetten en eiwitten) onderverdeeld in hun monomeren (zoals suikers, langketenige vetzuren en aminozuren) door hydrolyzing, fermentatieve bacteriën. In verzuring, worden deze monomeren gefermenteerd door acidogene bacteriën om vluchtige vetzuren (vFAS) en alcoholen, die in acetogenese, verder worden tot acetaat en waterstof geoxideerd door homoacetogenic en verplichte waterstof-producerende bacteriën, met respect 5. In de laatste stap van methanogenese, worden acetaat en waterstof omgezet in methaan door acetoclastic en hydrogenotrophic methanogenen. Het is belangrijk te erkennen dat het totale AD proces door gebruik te maken van een onderling reeks van de stofwisseling van verschillende groepen microben, afhankelijk van de succesvolle werking van elk lid alvorens het systeem als geheel optimaal. Het ontwerp en de bouw van een AD bioreactor systeem moet altijd rekening worden gehouden met de eis om volledig af te dichten van de bioreactor. Kleine lekken in de top van de bioreactor (scheiden headspace) of in de gas-handlingsysteem kan moeilijk op te sporen, en dus het systeem moet preszeker getest voor gebruik. Na het zorgen voor een lekvrije installatie, storingen met anaërobe vergister studies vaak het gevolg van fouten tijdens inenting, kweken, en dag-tot-dag werking. Als gevolg daarvan vergisters hebben een reputatie als zijnde intrinsiek instabiel en gevoelig voor onverwachte uitval. Waarom is het dan dat full-scale vergisters zijn geopereerd onder stabiele omstandigheden tientallen jaren 13? Falen is waarschijnlijk het gevolg van onjuist gebruik van de exploitant, met name tijdens de opstart periode waarin de microbiële gemeenschap moet langzaam wennen aan de organische samenstelling van het afval en kracht. Daarom is ons doel is niet alleen een methodologie voor de totstandbrenging van een AD-systeem, maar ook ophelderen van de processen van inoculatie, bediening en controle van deze systemen.

Het eerste deel van het artikel wordt uitgelegd hoe je de CSTR of CSAD systeem te bouwen, terwijl het tweede deel zal een procedure voor de vergister inenting te voorzien van actieve methanogENIC biomassa. Het is praktischer en minder tijdrovend om vergisters met een actief methanogene biomassa inoculeren van de gemengde drank of effluent van een operationele vergister die de behandeling van een vergelijkbaar substraat dan om te proberen een voldoende biomassa te ontwikkelen van een beginnende cultuur. Het derde deel van het artikel heeft betrekking op operationele overwegingen, zoals voeding substraat, decanteren afvalwater, en het oplossen van problemen diverse reactor problemen. Het voeden ondergrond en decanteren effluent voor dit systeem zal worden uitgevoerd op een semi-continue basis (dat wil zeggen, periodieke voeden en decanteren, terwijl het grootste deel van de biomassa en gemengde drank blijft in de bioreactor). De frequentie waarin de vergister wordt gevoed / gedecanteerd is het voorrecht van de operator. In het algemeen zal het voeden / decanteren vaker en op gezette tijden het bevorderen van het vergister stabiliteit en consistentie in prestaties tussen het voeden cycli. Het vierde deel zal een basis monitoringsprotocol te worden gebruikt tijdens de ervarimental periode. Een aantal standaard analyses, die worden beschreven in standaard methoden voor de behandeling van water en afvalwater 16 (tabel 1, 2), nodig zal zijn voor het karakteriseren van de ondergrond en een adequaat systeembeheer monitoring. In aanvulling op de gemeten variabelen, een belangrijk aspect van monitoring is om te controleren of de vergister onderdelen van het systeem naar behoren functioneren. Regelmatig onderhoud aan de vergister systeem zal vooruit kan lopen grote systeem problemen die anders in gevaar kunnen brengen op de lange termijn prestaties en stabiliteit van de vergister. Bijvoorbeeld een defect aan het verwarmingselement, leidt tot een daling van de temperatuur kan de accumulatie van vluchtige vetzuren veroorzaken doordat de stofwisseling van methanogenen. Dit probleem wordt verergerd als het systeem niet over voldoende alkaliteit van de pH boven remmende niveaus methanogenen houden. Het is ook belangrijk op te sporen en eventuele lekken dicht na onverwachte daling van de productie van biogas rates. Daarom duplicatie binnen de experimentele ontwerp van bijvoorbeeld lopen twee bioreactoren naast elkaar in de juiste bedrijfsomstandigheden is belangrijk op te sporen onverwachte resultaten verliezen door storingen, zoals kleine lekken.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Vergister Bouw

  1. Selecteer een vergister schip dat alle functies in Fig bevat. 1 (een kegel is niet nodig), en uw gewenste werkvolume (meestal tussen 1-10 L). Als uw vergister schip niet is uitgerust met een verwarmd-watermantel, plaats de vergister in een andere temperatuur-gecontroleerde omgeving, zoals een verwarmd waterbad of incubatiekamer.
  2. Zet het vaartuig in een verticale stand in een gebied met voldoende horizontale tafelruimte voor plaatsing van de resterende componenten (Tabel 2).
  3. Construct het vaartuig deksel volgens Fig. 2. De havens van de in-en uitloop buizen moet breed genoeg zijn om verstoppingen te voorkomen. De buizen in de bioreactor moet lang genoeg zijn om water blijven in de reactor tijdens medium decanteren, en tegelijkertijd uit de top van de deksel om hechting van buizen mogelijk. De waaier mantel moet zo veel als mogelijk uit te breidenlijk in de vergister medium (de verzonken buis en mantels te voorkomen headspace biogas uit te ontsnappen aan de bioreactor).
  4. Pas op basis van siliconen vacuüm vet aan op het contact oppervlak van de deksel en klem het aan de vergister schip top.
  5. Zet de variabele snelheid mixer parallel aan verticale as de vergister's met behulp van een ring-stand en klemmen, dan brengen waaier as. Door mengklepmo trillingen en beweging is belangrijk om een ​​onafhankelijke vrij bewegen stand.
  6. Sluit een deel van flexibele slang aan zowel het influent en effluent buizen en sluit een deel van de buis gaspoort worden gebruikt als de gasleiding.
  7. Sluit de biogas lijn met elkaar van de verschillende onderdelen, die boven de reactor worden gebracht rekken. De componenten moet worden aangesloten in deze volgorde: sampling-poort, schuim trap, H 2 S scrubber, gas reservoir, waterpijp, gasmeter, en ventilatie lijn (afb. 3). Om isolatie te vergemakkelijken of opnieuwmoval van de afzonderlijke componenten voor het oplossen van problemen of schoon te maken, overweeg dan het toevoegen van ventielen en fittingen connector tussen componenten. Zorg ervoor dat de gasuitlaat goed geventileerd naar buiten of een chemische kap, want biogas is explosief.
    1. Het gas bemonstering-poort moet worden geplaatst in de buurt van de reactor headspace.
    2. Het schuim trap kan worden geconstrueerd met een eenvoudige kolf of fles, en ten minste 25% van het reactorvolume is. Het moet bevatten twee poorten, een voor de biogas inlaat lijn en de andere voor de biogas afvoerleiding. Deze poorten kunnen worden uitgevoerd door boren van twee gaten in een rubberstop waardoor stijve buis is geplaatst. Het biogas inlaatbuis moet worden uitgebreid naar een grotere diepte dan het biogas uitlaat buis (afb. 4). Foam trapping is nodig om de gasbehandelingssysteem te beschermen tegen mogelijke vergister schuim.
    3. De H2S wasser bestaat uit een glazen buis met een binnendiameter groter dan 2 cm, gevuld met steel wol met een biogas-en uitlaat-poort aan beide zijden. De staalwol moet goed worden verpakt om voldoende oppervlakte voor het strippen, maar niet zo strak, dat biogas stroming wordt geblokkeerd. Scrubben moet metaalcomponenten beschermen de gasmeter van corrosieve chemicaliën.
    4. Het gas reservoir kan worden gemaakt van een inklapbare, luchtdicht materiaal, zoals een gas-tas, of zelfs een speeltuin voor de kinderen bal, met een volume van meer dan twee keer de beoogde voer volume. Dit is noodzakelijk om de drukval voorkomen tijdens decanteren effluent en eventueel luchtaanzuigopening in de bovenruimte.
  8. Als het systeem temperatuur worden beheerst door een circulerende boiler, sluit u de kachel naar de verwarmingsmantel met behulp van flexibele buizen. Plaats het apparaat boven het vloeistofniveau van de verwarmingsmantel. Stel de toestel de juiste temperatuur mesofiele en thermofiele digestie (Tabel 1).
  9. Voer een lek test van het systeem door het detecteren van lekken met soapy water. Start vult de reactor waterreservoir dan iets druk in de influent lijn met een gas tot een druk lager dan 5 psi. Ten eerste, klem het biogas lijn en effluent lijnen om te controleren op lekken rond de reactor deksel en verwijder het biogas lijn klem om te testen op lekken voor het gehele gasbehandelingssysteem. Merk op dat overdruk van het influent lijn zal het water niet naar buiten door de waaier mantel buis.
  10. Zet de waaier en verwarmingselement en laten lopen 's nachts om ervoor te zorgen dat de mixer en de verwarming kan continue werking te ondersteunen. Het toerental van de waaier moet snel genoeg om volledige menging van de reactor media. Vaak mixer problemen zijn verkeerde uitlijning, overmatige wrijving van de as, en onvoldoende borging van de motor op de ring-stand.

2. Vergister Inenting en Conditioning met behulp van een Active Methanogene Biomassa

  1. Bewaar de actieve methanogene biomassa (aantal kiemen) in een closed container in de koelkast bij 4 ° C, terwijl de voorbereiding van de vergisters. Idealiter moet de inoculum worden opgeslagen voor zo weinig mogelijk tijd en er moet genoeg zijn om volledig te vullen het gehele volume van de vergister. Echter, sommige anaërobe biomassa (zoals granulaire biomassa) opgeslagen gedurende lange tijd. Verdun het inoculum met water dat werd gespoeld met een anaërobe gas om het gewenste volume indien nodig.
  2. Spoel de lege vergister met anaërobe gas voor enkele minuten door te verbinden met de sonde, het vastzetten van de effluent lijn, en tapen de ruimte tussen de mixer as en schede om overmatig verlies van anaërobe gas te voorkomen.
  3. Tijdens het spoelen periode, zorg er dan voor het spoelen-out het gas reservoir.
  4. Na het spoelen is voltooid, sluit u een trechter op de sonde en voeg het inoculum en zorg ervoor dat het inoculum regelmatig te mengen om de uniformiteit te garanderen.
  5. Sluit de anaërobe gas aan de sonde, turn-on de Mixer, en spoel de vergister drank ten minste 15 minuten. Vervolgens koppelt u de gas-, klem de vulopening en ontspanschakelaar het gas reservoir. Deze vergister is nu in werking is.
  6. Laat de vergister om voor een paar dagen werken alvorens met voeding en de productie van biogas te controleren. Gedurende deze tijd uitvoeren droge stof en vluchtige vaste-stofconcentratie analyse van de inoculum (Tabel 1). Indien de vaste concentratie aanzienlijk groter dan die van het doel mengsel bevatten concentratie te verwijderen en derhalve verdunnen reactor inhoud alvorens voeding. Dit wordt gedaan om overmatige uitspoeling van biomassa te voorkomen dat tijdens de operationele periode dat de Voedsel kan oplopen tot micro-organismen (F / M)-verhouding te scherp in de opstart periode.
  7. Bepaal de biologisch afbreekbare organische fractie van het substraat door het meten hetzij de totale en vluchtige vaste-stofconcentratie, biologische en chemische zuurstofverbruik of totaal organisch koolstof van het substraat. Gebruik thide waarde van een conservatieve eerste organische densiteit (OLR) te berekenen.
  8. De exploitant moet geleidelijk verhogen van de OLR tot een streefwaarde wordt bereikt (start-up periode). Een benadering tijdens de start-up periode is om de organische kracht van het voer vast te stellen, en dan stapsgewijs verminderen van de hydraulische verblijftijd (HRT) tot de doelgroep OLR is bereikt (een proces dat kan enkele maanden tot een jaar, afhankelijk van de kwaliteit van het inoculum en het substraat). Verhoging van de OLR te snel leidt tot hoge concentraties vluchtige vetzuren (> 2.000 mg / L als acetaat) als in Fig. 5. De exploitant moet verminderen de OLR als vluchtige vetzuren concentraties te verhogen tot suboptimale niveau (tabel 1). Indien de vluchtige vetzuren concentraties te hoog is, kan de inhoud van de bioreactor moet worden verdund met water.
  9. Laat de vergister een periode van drie HST op het doel OLR voordat u experimenteren met een zender te stellenBLE base-line staat.

3. Vergister Operation

  1. Effluent decanteren altijd substraat Naast voorafgaat aan de vergister, zodat vlak voor decanteren, de voorbereiding van de voeding mengsel en bewaar bij 4 ° C tot het tijd is om te voeden.
  2. Schenk effluent van de vergister door het aansluiten van het afvalwater slang aan een pomp (zijarm kolf onder vacuüm is een mogelijkheid van decanteren) en neem een ​​gelijk volume in vergelijking met de feed volume. Bewaar het effluent bij 4 ° C voor latere analyse. Merk op dat veel van de analyses zijn tijd gevoelig. Zo moet de pH onmiddellijk gemeten door CO2 ontwijkt uit de oplossing, waardoor de pH.
  3. Verwijder het toevoermengsel uit de koelkast. Sluit een trechter op de vulopening en giet in het voer (substraat) en zorg ervoor dat regelmatig te mengen om ervoor te zorgen dat de vaste stoffen laten meeslepen in de bulk vloeistof.
  4. Voer de stappen voor probleemoplossing beschreven in tabel 3, als necessary.

4. System Monitoring

  1. Controleer regelmatig de vergister en de onderdelen tijdens het gebruik. Bijzondere aandacht moet worden besteed aan de meng-en verwarmingssystemen. Onvoldoende mengen zal manifesteren in een abrupte effluent vaste concentratie (Fig. 6). Van tijd tot tijd dat de olie of water in de gas-meter is te bekijken op het juiste niveau en vervang de staalwol in de val van de H 2 S als nodig is. Merk op dat de staalwol zal zwart en glanzend als het reageert met H2S vormen ijzersulfide.
  2. Voer deze analyses op vergister effluent voor de diagnose van de systeemprestaties en stabiliteit. De waarden consequent vallen binnen het gespecificeerde optimale bereik in tabel 1.
    1. Meet de biogas productie-snelheid en pH iedere voeding cyclus.
    2. Meet de vluchtige vetzuren concentratie, alkaliteit, en biogas inhoud meerdere keren per week.Opmerking: Het biogas inhoud moet worden gemeten op hetzelfde moment ten opzichte van de voeding cyclus omdat de samenstelling verandert de loop van de cyclus. Idealiter dient het biogas worden bemonsterd op het eind van een voeding cyclus vlak voor voeding.
    3. Meet de biologische of chemische zuurstofverbruik en totaal en organische stof een keer per week of vaker ten minste drie punten te verkrijgen voor elke experimentele conditie bij pseudo-steady-state omstandigheden.

5. Representatieve resultaten

Succesvolle inoculatie van de vergister wordt gekenmerkt door de productie van biogas binnen enkele dagen. Het methaan tot kooldioxide verhouding van het biogas zal toenemen tijdens de acclimatisatie periode als meer methanogene biomassa wordt aangeworven. De trage groei van de methanogenen in vergelijking met acidogens maakt lange acclimatisatie perioden en geleidelijk operationele veranderingen nodig. In Fig. 5, tonen we de dynamische verantwoordelijkse van een vergister als een hoge organische belasting tarief (OLR) is te vroeg in de start-up fase geïntroduceerd. In dit voorbeeld was er onvoldoende methanogene biomassa te verwijderen (dat wil zeggen, maken gebruik van) de vluchtige vetzuren (vFAS) is voortgekomen uit het substraat degradatie stap, verzuring. Dit leidde tot een opeenhoping van vFAS en vervolgens tot een verlaging van de pH. Om dit te corrigeren werd OLR verlaagd tot de productie van vFAS beperken acidogens en meer methanogen rekrutering kunnen alvorens terug te keren naar de hogere OLR. De vergisters vervolgens tentoongesteld stabiele spijsvertering voor drie hydraulische bewaartermijnen.

Stabiel spijsvertering of pseudo-steady-state omstandigheden kan worden aangenomen wanneer de gemeten parameters, zoals de productie van biogas tarieven, totaal VFA concentraties vluchtige vaste stoffen concentraties en pH-waarden, consequent gehandhaafd blijven binnen 10% van hun gemiddelde waarden, voor een minimum periode van een HST. De betekenis van deze toewijzing is geopenbaard in Fig. 6, die de langdurige respons van de CSTR systeem een verstoring als gevolg van onvoldoende menging toont. Het ontbreken van goed mengen mogelijk de vaste stoffen zich in de reactor, waardoor minder vaste stof werd verwijderd in effluent decanteren. De accumulatie tot hogere effluent vaste concentraties na voldoende menging werd hersteld. Het duurde ongeveer een HST (dat wil zeggen, 25 dagen) om de vergister terug te keren naar een normale effluent vaste concentratie.

Een anaërobe vergister is een biologisch systeem, dus het zal vertonen enkele interne variabiliteit in prestaties. Deze variabiliteit moet worden gekwantificeerd alvorens de experimentator kunnen onderscheiden van de specifieke effecten die worden veroorzaakt door experimentele verstoringen opgelegd aan het systeem (het juiste gebruik van statistiek is vereist). Drie HST perioden vereist voor een experimentele wordt gewijzigd het reactorsysteem omdat wordt algemeen beschouwd een voldoende lange tijd stabiel CONCENTRAT nemenionen van chemische stoffen in het mengsel bevatten (Fig. 7). Aan het einde van interval, moet er kunnen een betrouwbare constructie basislijn voor elke gemeten parameter. Deze basislijn dient als basis van de vergelijking voor toekomstige experimenten.

De algemene prestaties van de vergister kan worden beoordeeld aan de hand van het monitoringsprotocol, dat vereist dat diverse standaard analyses routinematig worden uitgevoerd. Dit schema biedt voldoende temporele resolutie van precursoren te identificeren voor de meeste systeemproblemen en de luwte tijd om ze te voorkomen. Bovendien zijn de resultaten van deze diagnostische tests bedoeld voor gebruik in combinatie met tabel 1 suboptimale prestaties te identificeren. Tabel 3 oplossingen veel problemen gewoonlijk ondervonden bij het ​​oprichten van een autoclaaf. In het geval dat een probleem niet kan verholpen worden door het volgen van de instructies daarin beschreven, moet de exploitant te raadplegen andere rijkdommences, zoals een verwijzing tekst behorende bij anaërobe biotechnologie.

Operatie Parameters Standaard Methoden Index Typische bereik Extreme Range
Mesofiele Thermofiele Mesofiele Thermofiele
Temperatuur 2550 (A) 32-37 17 ° C 50-60 17 ° C 20-42 17 ° C 45-65 17 ° C
Organische belasting Rate NL 0.8-2.0 17 g
VS-L-1-d -1
1.5 tot 5.0 17 g
VS-L-1-d -1
0.4 tot 6,4 17 g
VS-L-1-d
1.0 tot 7,5 17 g
VS-L-1-d -1
Hydraulische Retentie Tijd NL 15 tot 35 dagen <15,> 35 dagen
Carbon: stikstof verhouding NL 25:1 17 > 25:1
Monitoring Parameters Standaard Methoden Index Optimaal bereik Suboptimale Range
pH 4500 H + (B) 6,5 tot 8,2 10 <6,5;> 8,2
Alkaliteit 2320 (B) 1300 - 3000 17
mg CaCO 3-L-1
mg CaCO 3 - L-1
Vluchtige zuren 5560 (C) <200 10
mg Ac-L-1
> 200 10
mg Ac-L-1
Vaste stoffen verwijderingsrendement 2540 (B, E) > 50% <50%
Biogas Content 2720 ​​(C) 55-70 CH 4; 30-45 CO 2% <55 CH 4;> 45 CO 2%

Tabel 1. Algemene werking keuzegids en controle parameters voor CSTR systemen.

Bestanddeel Specificaties (-ontwerpen) Reacties
Temperatuur-Gecontroleerde circulerende water Heater Temperatuurbereik: 25-65 ° C
(Verwarming Capaciteit, Max. Druk Head, volumestroom)
Verwarmde water wordt toegevoerd met een voldoende hoge stroomsnelheid en met voldoende druk volledig circuleren.
Sampling Port NA Ligt dicht bij headspace is ideaal.
Foam Trap Volume: 25% van de reactor volume Eenvoudige zijarm kolf of glas worden gebruikt. Het apparaat moet toegankelijk zijn voor het reinigen.
Waterstofsulfide Scrubber (Gas Contact Time) Glazen of kunststof buizen worden gebruikt (niet metaal). Dimensionering lengte moeten een adequate gas contacttijd.
Gasreservoir Volume:> 2x hoeveelheid afvalwater, Materiaal: semi-elastische (niet stijf) Het volume moet groter zijn dan die tijdens de effluentkantelen. Het materiaal moet het mogelijk maken voor krimp en expansie.
Bubbler NA De kopdruk door het waterniveau worden geminimaliseerd druk beperken opbouw in de gastoevoer.
Gasmeter (Gas Flow Detection Range) Plastic gasmeters de voorkeur boven metaal. De gasstroom detectiebereik dient accuraat te zijn op de verwachte productie van biogas tarieven.

Tabel 2. Extra reactor onderdelen met de specificaties en opmerkingen.

r>
Fout zich MOGELIJKE OPLOSSINGEN
Frequente verstopping van voedering of effluent buizen

• Gebruik een grotere diameter slangen en / of hulpstukken.

• een verkleining van de ondergrond (bijvoorbeeld een gebruik van een blender of een zeef).

• Meng voeden vaker tijdens het voeden.

• Zorg ervoor dat vergister inhoud volledig zijn gemengd.

Overmatige schuimvorming

• Verminder de OLR

• Beperk het mengen intensiteit in de vergister.

• Verhoog de headspace in de vergister door het verminderen van de actieve vergister volume.

Inconsistent biogas opbrengst tussen de vergister repliceert

• Controleer of er geen lekken zijn aanwezig in het gasbehandelingssysteem van een van beide vergister.

• Controleer of de gasmeter en het verwarmingselement naar behoren functioneren en worden gekalibreerd.

• Controleer of de feed mengsels gelijkwaardig worden bereid.

Consistent of zeer variabel vastestofconcentratie in thij effluent tussen vergister repliceert (Fig. 6)

• Controleer of de vergister inhoud adequaat worden gemengd.

• Zorg ervoor dat de reactor effluent decanteren lijn is gelijk tussen de reactoren.

Verminderde methaangehalte in het biogas

• Controleer of de pH-waarde in het optimale bereik voor methanogenese (dat wil zeggen, 6,5 tot 8,2). Zo niet, aan te vullen met een zuurtegraad of alkaliteit naargelang het geval.

• Indien er zich belangrijke stikstof wordt gedetecteerd in de biogas (dat wil zeggen,> 10%), controleren op lekkage in de buurt van de bemonstering haven.

• Regulariseren van de periodiciteit van biogas bemonstering.

• Controleer of de VFA concentratie in het optimale bereik. Zo niet, volg stappen voor probleemoplossing in de categorie chronisch hoge vluchtige vetzuren concentraties.

Chronisch hoge vluchtige vetzuren concentratie (Fig. 5)

• Verminder de OLR.

• Overwin nutriënt of zware metalen gebreken door suppletie.

• Controleer of de reactor inhoud wordt afgesloten van zuurstof inbraak.

• Verhoog-feed cyclus frequentie.

• Elimineer hydraulische kortsluiting.

• Overwin alkaliteit tekort door suppletie.

Tabel 3. Problemen oplossen protocol voor vergister werking.

Figuur 1
Figuur 1. Basis voorbeeld van een ontwerp van de reactor: Body materiaal-Glass; Tubing materiaal-Roestvrij staal / aluminium, Deksel materiaal-PVC / plexiglas.

inhoud "> Figuur 2
Figuur 2. Basis voorbeeld van de reactor deksel ontwerp: Deksel materiaal-PVC / plexiglas, fittingen materiaal-Roestvrij staal / kunststof; slang materiaal-Roestvrij staal / aluminium.

Figuur 3
Figuur 3. Systeem diagram opstelling van de onderdelen.

Figuur 4
Figuur 4. Basis voorbeeld van schuim trap ontwerp: Jar materiaal-Plastic / glas; Tube materiaal-kunststof / glas.

Figuur 5
Figuur 5. Typische systeem antwoord op een hoge organische belasting tarief (OLR) tijdens de reactor opstarten. Beginnen met een OLR van 1,35 GVS-L-1 de oorzaak van de accumulatie van de totale vluchtige vetzuren (TVFA). Het zuur accumulatie Cau sed een verlaging van de pH, gevolgd door een reductie van biogas opbrengst. Door verlaging van de OLR op 1,15 g VS-dag-1, beide systemen waren in staat om te herstellen en zorgen voor een voldoende methanogene biomassa concentratie om een 1,35 GVS-L-1 OLR tolereren. Het verschil in pH en TVFA accumulatie tussen reactoren vertoont de unieke dynamiek van gemengde gemeenschappen.

Figuur 6
Figuur 6 Typische systeemresponsietijd onvoldoende menging (Reactor A) ten opzichte van een voldoende gemengd systeem (Reactor B) In een slechte menging, de vaste stoffen naar de bodem van de reactor en niet verwijderd tijdens decanteren (dagen 280-290)... Bij het mengen is weer voldoende intensiteit (dag 300), worden de cumulatieve vaste geleidelijk verdwijnen (dagen 305-330) en het systeem terug naar stabiele vaste concentraties.

ig7.jpg "/>
Figuur 7. Theoretische tussen de concentratie van een chemische stof conservatieve en de hydraulische bewaarperiode (HST) in een ideale CSTR systeem. Op drie HST de werkelijke concentratie van een chemische stof [C] in de reactor is 95% van die van de oorspronkelijke concentratie in de voeding [C 0].

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

De anaerobe vergisting systeem in dit artikel geeft een algemene inleiding en een aantal fundamentele richtlijnen voor de behandeling van de meeste ondergronden in een experimentele context. De grote verscheidenheid aan substraat soorten, vergister configuraties, operationele parameters, en ook de unieke ecologie van de gemengde microbiële gemeenschap die ten grondslag liggen van deze systemen zich verzet tegen waarin harde kwantitatieve maatstaven, die universeel kan worden toegepast. Ondanks al deze variabiliteit, alle anaërobe vergisting systemen volgen een goed gekarakteriseerd serie van biologische afbraak paden, die worden bemiddeld door fysische en chemische processen waarvan de principes zijn goed begrepen en kan worden toegepast op alle systemen worden. Het is vanuit deze fundamentele principes, samen met goed gedocumenteerde operationele waarnemingen gemeld in de literatuur, dat we verslag van deze optimale bereik voor de parameters van het systeem en het systeem goed werkt methodieken. De genoemde parameters zijn met elkaar verbonden en spelen een belangrijke rolin de anaerobe vertering. Een goed begrip van deze onderlinge relatie verbetert de operator in staat is om te herkennen en op te lossen systeemproblemen. De tekst, "Anaërobe Biotechnologie: voor industrieel afvalwater" door Speece biedt een vrij uitgebreide catalogus van relevante bedrijfs-en controle onderwerpen in anaerobe vergisting voor degenen die meer inzicht en uitleg 10.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Geen belangenconflicten verklaard.

Acknowledgements

Dit onderzoek wordt ondersteund wordt ondersteund door de USDA door de National Institutes of Voedsel-en Landbouworganisatie (NIFA), licentienummer 2007-35504-05381, door subsidie ​​niet. 58872 van NYSERDA en NYC-123444 door de federale de Cornell University Agricultural Experiment Station de formule van de middelen van het USDA NIFA.

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