Continua-mosse digestore anaerobico per convertire i rifiuti organici in biogas: configurazione del sistema e funzionamento di base

Published 7/13/2012
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Bioengineering

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Summary

Digestori anaerobici su scala di laboratorio permetterà agli scienziati di ricercare nuovi modi di ottimizzare le applicazioni esistenti della biotecnologia anaerobica e per valutare il potenziale di produzione del metano vari rifiuti organici. Questo articolo introduce un modello generalizzato per la costruzione, inoculazione, il funzionamento e il monitoraggio di un laboratorio su scala continuamente agitata digestore anaerobico.

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

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Abstract

Digestione anaerobica (AD) è una bioprocesso che viene comunemente utilizzato per convertire i rifiuti organici complessi in un biogas utili con il metano come vettore energetico 1-3. Sempre più spesso, AD viene utilizzato in campo industriale, rifiuti agricoli, e comunali (acqua) applicazioni di trattamento 4,5. L'uso della tecnologia AD consente agli operatori di ridurre i costi degli impianti di smaltimento dei rifiuti e di compensare le spese di utilità di energia. Oltre al trattamento dei rifiuti organici, colture energetiche sono stati trasformati in metano vettore energetico 6,7. Poiché l'applicazione della tecnologia AD amplia per il trattamento di nuovi substrati e co-substrato miscele 8, anche la domanda per una metodologia di test affidabile al pilota e su scala di laboratorio.

Sistemi di digestione anaerobica hanno una varietà di configurazioni, tra cui il reattore a serbatoio agitato continuo (CSTR), con flusso a pistone (PF), e anaerobica reattore batch sequenziamento (ASBR) 9 configurazioni

Questo articolo presenta una metodologia generale per la costruzione, inoculare, il funzionamento e monitoraggio di un sistema di CSAD allo scopo di verificare l'idoneità di un determinato substrato organico a lungo termine digestione anaerobica. La sezione di costruzione di questo articolo tratterà la costruzione del laboratorio di scala del sistema reattore. La sezione inoculazione spiegherà come creare un ambiente anaerobico adatto per la semina con un inoculo attivo metanogenica. La sezione operativa riguarderà gestione, manutenzione e risoluzione dei problemi. La sezione di controllo introdurrà protocolli di prova usando analisi standard. L'uso di queste misure è necessario per le valutazioni affidabili sperimentali di idoneità substrato per l'AD. Questo protocollo dovrebbe fornire una maggiore protezione nei confronti di un errore comune negli studi AD, che è quello di concludere che il guasto del reattore è stato causato dal substrato in uso, quando in realtà era improprio utilizzo da parte dell'utente 10.

Introduction

Digestione anaerobica (AD) è una tecnologia matura che coinvolge la conversione biologicamente mediata di complessi supporti rifiuti organici in biogas utili con il metano come vettore energetico. Ci sono molti vantaggi di trattamento anaerobico, compresa l'energia minima e nutrienti e la riduzione della produzione biosolidi rispetto al trattamento aerobico 10. Inoltre, la versatilità della comunità microbica mista inerente a questi sistemi rende un'ampia varietà di substrati organici idonei come materie prime 11,12. Infatti, è a causa di questi benefici che un numero crescente di domande di AD sono in corso di adozione al di fuori del convenzionale per il trattamento acque reflue urbane, in particolare nei settori industriale, comunali (per esempio, i rifiuti alimentari), 4,7,13 e agricoli. AD ha conosciuto il suo primo inizio la proliferazione importante nel 1980 in risposta alla crisi energetica nazionale del decennio precedente. Mentre il mondo affronta una crescente crisi energetica globale,accoppiato con il degrado ambientale, una maggiore attenzione viene ora posta sulle tecnologie dei biocarburanti e dei rifiuti-to-energy concept in particolare. Ad esempio, negli Stati Uniti, digestione anaerobica può generare 5,5% della potenza elettrica totale deve 8.

Questo ha aumentato la domanda di ben controllati di ricerca sperimentale al pilota e su scala di laboratorio per valutare l'idoneità dei nuovi materiali rifiuti organici e miscele di rifiuti per la digestione anaerobica 14. Abbiamo intenzione di fornire un modello generico per la costruzione, inoculazione, il funzionamento e il monitoraggio di una scala di laboratorio digestore anaerobico che sarà adatto per le valutazioni robuste. Digestori anaerobici esistono in molte configurazioni differenti. Alcune configurazioni comuni includono: continua-reattore agitato serbatoio (CSTR), con alimentazione continua influente; continuamente agitata digestore anaerobico (CSAD) con alimentazione periodica influente; plug flow (PF), coperta di fanghi risalita anaerobica (UASB); reattore anaerobico coperta migrazione (Ambr); reattore anaerobico sconcertato (ABR), ed anaerobici reattore batch sequenziamento (ASBR) configurazioni 9,15. La configurazione CSTR e CSAD sono stati ampiamente adottati per esperimenti su scala di laboratorio a causa della sua facilità di installazione e le condizioni operative favorevoli. A causa di miscelazione continua, il tempo di ritenzione idraulica (HRT) è uguale al tempo di ritenzione dei fanghi (SRT). La SRT è il parametro di progetto importante per gli annunci. La configurazione è anche favorevole esperimenti controllati a causa di una maggiore uniformità spaziale di parametri, quali le concentrazioni specie chimiche, temperatura e velocità di diffusione. Va notato, tuttavia, che l'ottimale scala configurazione per un digestore anaerobico dipende dalle particolari caratteristiche fisiche e chimiche del substrato organico tra gli altri aspetti non tecnici, quali la qualità bersaglio effluenti. Per esempio, diluire i flussi di rifiuti con relativamente alto contenuto organico solubile e littlparticolati elettronici, quali birra acque reflue, tipicamente esperienza di conversione energetica in un alto tasso di flusso ascendente bioreattore configurazione (ad esempio, UASB) piuttosto che una configurazione CSAD. Indipendentemente da ciò, ci sono parametri fondamentali di funzionamento che sono essenziali per la digestione di successo e rilevanti per tutte le configurazioni, che giustificano una spiegazione generica di utilizzare questa configurazione.

Infatti, ogni sistema AD contenente una società diversa, comunità aperta di microbi anaerobici serie metabolizzare il substrato a metano (la finale prodotto finale con il più basso l'energia disponibile gratuitamente per elettrone). Le vie metaboliche coinvolte in questo processo costituisce un'intricata rete alimentare liberamente suddivisi in quattro livelli trofici: idrolisi, acidogenesi, acetogenesis e metanogenesi. In idrolisi, complessi polimeri organici (ad esempio, carboidrati, lipidi e proteine) sono suddivisi al loro rispettivi monomeri (ad esempio, zuccheri, a catena lunga acidi grassi e amminoacidi) da hydrolyzing, batteri fermentativi. In acidogenesi, questi monomeri sono fermentato dai batteri acidogeni di acidi grassi volatili (VFAs) e alcoli, che in acetogenesis, vengono ulteriormente ossidati acetato e idrogeno da homoacetogenic e obbligatoria idrogeno batteri produttori, rispetto 5. Nel passaggio finale di metanogenesi, acetato e idrogeno sono metabolizzati a metano da methanogens acetoclastic e hydrogenotrophic. È importante riconoscere che il processo complessivo AD, basandosi su una serie interconnessa di metabolismi gruppi differenti di microbi, dipende dalla funzione di successo di ciascun membro prima che il sistema nel suo complesso prestazioni ottimali. La progettazione e la costruzione di un sistema di bioreattore AD dovrebbe sempre prendere in considerazione l'obbligo di sigillare completamente il bioreattore. Piccole perdite nella parte superiore del bioreattore (separa lo spazio di testa) o nel sistema di trattamento del gas può essere difficile da rilevare, e quindi il sistema deve essere presAssicurarsi testato prima dell'uso. Dopo aver verificato una perdita di installazione senza, guasti, con studi digestore anaerobico spesso derivano da errori durante l 'inoculazione, la coltura, e giorno per giorno il funzionamento. Come risultato, digestori hanno la reputazione di essere intrinsecamente instabile e soggetta a guasti improvvisi. Perché è allora che su vasta scala digestori sono stati operati in condizioni stabili per 13 anni? Il fallimento è probabile che derivano da un uso improprio da parte dell'operatore, in particolare durante il periodo di avvio durante il quale la comunità microbica deve ambientarsi lentamente alla composizione dei rifiuti organici e la forza. Pertanto, il nostro obiettivo non è solo quello di fornire una metodologia per la costruzione di un sistema di AD, ma anche per chiarire i processi di inoculazione, il funzionamento e il monitoraggio di questi sistemi.

La prima sezione di questo articolo vi spiegherà come costruire il CSTR o il sistema CSAD, mentre la seconda sezione fornisce una procedura per l'inoculazione con digestore attiva methanogbiomassa ENIC. E 'più pratico e meno tempo per inoculare digestori con biomassa attiva metanogenica dalla mixed-liquore o effluenti di un digestore operativo che sta trattando un substrato simile piuttosto che tentare di sviluppare una biomassa sufficiente da una cultura incipiente. La terza sezione di questo articolo copre le considerazioni operative, come substrato l'alimentazione, la decantazione degli effluenti, e la risoluzione dei vari problemi del reattore. Alimentazione substrato e decantazione degli effluenti per questo sistema sarà condotta su una base semi-continuo (ad esempio, l'alimentazione periodica e decantazione mentre la maggior parte della biomassa e mixed liquor rimane nel bioreattore). La frequenza in cui viene alimentato il digestivo / decantato è prerogativa dell'operatore. In generale, l'alimentazione / decantazione più frequentemente e ad intervalli regolari intende promuovere una maggiore stabilità del digestore e coerenza nelle prestazioni tra i cicli di alimentazione. La quarta sezione introdurrà un protocollo di controllo di base da utilizzare durante la esperienzerimental periodo. Diverse analisi standard, che sono illustrate nella Standard Methods per l'analisi dell'acqua e delle acque reflue 16 (Tabella 1, 2), sarà richiesto per la caratterizzazione del substrato e sistema di monitoraggio adeguato. In aggiunta alle variabili misurate, un aspetto importante di controllo è di verificare che i componenti del sistema digestivo funzionino correttamente. La manutenzione periodica del sistema digestivo prevenire i problemi principali del sistema che potrebbero altrimenti compromettere la prestazioni a lungo termine e la stabilità del digestore. Ad esempio, un guasto dell'elemento riscaldante, portando ad una diminuzione della temperatura, potrebbe causare l'accumulo di acidi grassi volatili, riducendo il tasso metabolico di methanogens. Questo problema potrebbe essere aggravato se il sistema mancava alcalinità sufficiente per mantenere il pH sopra livelli inibitori per methanogens. E 'anche importante rilevare e chiudere eventuali perdite dopo cadute inattese nel ratto la produzione di biogases. Pertanto, duplicazione nel disegno sperimentale, ad esempio, l'esecuzione due bioreattori side-by-side nelle condizioni operative esatte, è importante rilevare perdite di prestazioni inattese causate da malfunzionamenti del sistema, come piccole perdite.

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Protocol

1. Digester Construction

  1. Selezionare un vaso digestivo che contiene tutte le caratteristiche illustrate in Fig. 1 (un cono non è necessario), e il volume di lavoro desiderata (in genere tra 1-10 L). Se l'imbarcazione digestivo non è dotato di una camicia di acqua riscaldata-, posizionare il digestivo in qualche altro ambiente a temperatura controllata, ad esempio un bagno d'acqua riscaldata o camera di incubazione.
  2. Fissare la nave in posizione verticale in una zona con sufficiente spazio banco orizzontale per il posizionamento di componenti rimanenti (Tabella 2).
  3. Costruire il tappo del serbatoio di fig. 2. Le porte dei tubi influenti ed effluenti devono essere sufficientemente larghi per evitare intasamenti. I tubi all'interno del bioreattore essere di lunghezza sufficiente per rimanere immersa nel mezzo digestivo durante decantazione, mentre si estende fuori dalla parte superiore del coperchio per consentire fissaggio di tubi. La girante guaina dovrebbe estendere per quanto possibile,bile nel mezzo digestore (il tubo sommerso e di guaina impedire la fuoriuscita di biogas spazio di testa bioreattore).
  4. Applicare a base di silicone grasso vuoto alla superficie di contatto del coperchio e fissarlo al cielo del serbatoio digestivo.
  5. Fissare il mixer a velocità variabile parallela all'asse verticale del digestore utilizzando un anello-stand e morsetti, quindi girante affisso. A causa di vibrazioni del motore del miscelatore e del movimento è importante usare una posizione indipendente e liberi di muoversi.
  6. Collegare una sezione di tubazione flessibile sia i tubi affluente e l'effluente e quindi collegare un'altra sezione del tubo al porta gas da utilizzare come la linea di gas.
  7. Collegare la linea di biogas a ciascuno dei vari componenti, che può essere posizionato sopra il digestivo su scaffalature. I componenti devono essere collegati in questo ordine: campionamento porto, trappola schiuma, H 2 S scrubber, serbatoio gas, gorgogliatore, contatore del gas, e la linea di ventilazione (Fig. 3). Per facilitare l'isolamento o rimoval dei singoli componenti per la risoluzione o la pulizia, considerare l'aggiunta di valvole e raccordi connettore tra i componenti. Assicurarsi che l'uscita del gas sia correttamente ventilato verso l'esterno o di una cappa chimica, perché biogas è esplosiva.
    1. La porta di campionamento gas deve essere posizionato in prossimità del reattore spazio di testa.
    2. La trappola schiuma può essere costruito utilizzando un pallone semplice o una bottiglia, e dovrebbe essere almeno il 25% del volume del reattore. Si dovrebbe contenere due porte, una per la linea d'ingresso biogas e l'altro per la linea di uscita biogas. Queste porte possono essere effettuate mediante foratura due fori in un tappo di gomma attraverso cui viene inserito tubazione rigida. Il tubo di ingresso biogas dovrebbe estendersi ad una profondità maggiore del tubo di biogas di uscita (Fig. 4). Trapping schiuma è necessario per proteggere il sistema di trattamento dei gas di schiuma digestore possibile.
    3. L'H 2 S scrubber è costituito da un lungo tubo di vetro, con un diametro interno maggiore di 2 cm, riempita con Steelana l con un ingresso di biogas e la porta di uscita su entrambe le estremità. La lana di acciaio dovrebbe essere imballati bene per garantire spazio sufficiente superficie per lo stripping, ma non così strettamente che il flusso di biogas è bloccato. Scrubbing è necessario per proteggere i componenti metallici nel contatore del gas da agenti chimici corrosivi.
    4. Il serbatoio di gas può essere fatto di qualsiasi pieghevole, ermetica materiale, come un sacchetto di gas, o anche per bambini palla gioco, con un volume superiore a due volte il volume bersaglio di alimentazione. Ciò è necessario per evitare una caduta di pressione durante aspirazione dell'aria effluente decantazione e possibile nello spazio di testa.
  8. Se il sistema sarà temperatura controllata da un riscaldatore d'acqua circolante, collegare il serbatoio alla camicia di riscaldamento utilizzando tubi flessibili. Posizionare l'unità di sopra del livello del liquido della camicia di riscaldamento. Impostare il riscaldamento alla temperatura appropriata per la digestione mesofila o termofila (Tabella 1).
  9. Eseguire una prova di tenuta del sistema rilevando le perdite con soapy acqua. Iniziare riempimento del serbatoio digestore con acqua, poi leggermente pressurizzare la linea affluente con un gas ad una pressione inferiore a 5 psi. In primo luogo, bloccare la linea di produzione di biogas e le linee degli effluenti per controllare eventuali perdite di tutto il coperchio del reattore, e quindi rimuovere il morsetto biogas linea per testare la presenza di perdite per l'intero sistema di trattamento dei gas. Si noti che sovrapressurizzazione della linea influente costringerà l'acqua attraverso il tubo girante guaina.
  10. Accendere la girante e l'elemento riscaldante e far eseguire durante la notte per assicurare che il mixer e riscaldatore può sostenere funzionamento continuo. La velocità di rotazione della girante deve essere sufficientemente veloce per garantire la completa miscelazione dei media del reattore. Mixer problemi comuni includono disallineamento, eccessivo attrito dell'albero, e stivaggio del motore per l'anello supporto.

2. Digester Inoculazione e condizionamento utilizzando un biomassa attiva metanogenica

  1. Conservare la biomassa attiva metanogenica (inoculo) in un closed contenitore in frigorifero a 4 ° C, mentre la preparazione dei digestori. Idealmente, l'inoculo devono essere conservati per il minor tempo possibile e ci dovrebbe essere sufficiente per riempire completamente l'intero volume del digestore. Tuttavia, alcuni biomassa anaerobica (come la biomassa granulare) possono essere conservati per periodi molto lunghi. Diluire l'inoculo con acqua che è stata lavata con un gas anaerobico al volume appropriato se necessario.
  2. Lavare il sistema di vuoto digestore anaerobico con gas per diversi minuti collegandolo al tubo di alimentazione, la linea di serraggio effluente, e nastratura lo spazio tra l'asse mixer e guaina per prevenire un'eccessiva perdita di gas anaerobica.
  3. Durante il periodo di lavaggio, assicurarsi-out per svuotare il serbatoio del gas.
  4. Dopo il lavaggio è completo, collegare un imbuto al tubo di alimentazione e aggiungere l'inoculo avendo cura di mescolare l'inoculo periodicamente per garantire l'uniformità.
  5. Ricollegare il gas anaerobico al tubo di alimentazione, sul turn-Mixer, e lavare il liquore digestivo per almeno 15 min. Quindi scollegare il gas, bloccare il tubo di alimentazione e sbloccare il serbatoio del gas. Il digestore è ora in funzione.
  6. Lasciare che il digestore di operare per un paio di giorni prima di iniziare l'alimentazione e monitorare la produzione di biogas. Durante questo tempo, eseguire solidi totali e volatili analisi di concentrazione di solidi per l'inoculo (Tabella 1). Se la concentrazione di solidi è notevolmente maggiore di quella della concentrazione mista liquido bersaglio, rimuovere e diluire contenuto digestivo conseguenza prima di iniziare l'alimentazione. Questo viene fatto per evitare un eccessivo dilavamento della biomassa durante il periodo operativo che può aumentare il cibo da microrganismi (F / M), rapporto troppo forte per tutto il periodo di avvio.
  7. Determinare la frazione organica biodegradabile del substrato misurando la concentrazione totale di solidi e volatile, la domanda di ossigeno biologico o chimico, o carbonio organico totale del substrato. Utilizzare this valore per calcolare un conservatore iniziale del tasso di carico organico (OLR).
  8. L'operatore deve aumentare gradualmente la OLR fino ad un valore obiettivo viene raggiunto (start-up). Un approccio durante il periodo di avviamento è quello di fissare la forza organica del feed, e quindi ridurre il tempo di ritenzione idraulica (HRT) in modo incrementale fino alla OLR obiettivo è stato raggiunto (un processo che può richiedere diversi mesi ad un anno a seconda della qualità dell'inoculo e il substrato utilizzato). Aumentando la OLR troppo rapidamente le concentrazioni eccessive di acidi grassi volatili (> 2000 mg / L di acetato) come mostrato in figura. 5. L'operatore dovrebbe ridurre il OLR se concentrazioni di acidi grassi volatili aumentare a livelli suboptimum (Tabella 1). Se le concentrazioni di acidi grassi volatili sono troppo elevati, il contenuto del bioreattore può essere necessario essere diluito con acqua.
  9. Lasciare che il digestore un periodo di tre HRTs alla OLR destinazione prima sperimentazione di istituire una stazioneBLE base-line condizione.

3. Operazione Digester

  1. Effluenti decantazione precede sempre aggiunta del substrato al digestivo, quindi immediatamente prima decantazione, preparare la miscela di alimentazione e conservare a 4 ° C fino a quando è il momento di nutrirsi.
  2. Decantare effluente dal digestivo collegando il tubo effluente ad una pompa (braccio laterale pallone sotto vuoto è una possibilità di decantazione) e aspirare un pari volume rispetto al volume di alimentazione. Conservare dell'effluente a 4 ° C per una successiva analisi. Si noti che molte delle analisi sono sensibili tempo. Ad esempio, il pH dovrebbe essere misurato immediatamente perché CO 2 fuoriesce dalla soluzione, aumentando il pH.
  3. Rimuovere la miscela di alimentazione dal frigorifero. Collegare un imbuto il tubo di alimentazione e versare nel mangime (substrato) avendo cura di mescolare periodicamente per assicurare che i solidi vengono trasportati con il fluido di massa.
  4. Eseguire i passaggi di risoluzione dei problemi descritti nella tabella 3, se nesario.

4. Sistema di monitoraggio

  1. Controllare il sistema digestivo e dei suoi componenti di frequente durante il funzionamento. Particolare attenzione deve essere prestata ai sistemi di miscelazione e riscaldamento. Insufficiente manifesta volontà di miscelazione in una brusca diminuzione negli effluenti concentrazione di solidi (Fig. 6). Controllare periodicamente che l'olio o l'acqua nei contatori del gas è al livello appropriato e sostituire la lana d'acciaio nella trappola del H 2 S, se necessario. Si noti che la lana di acciaio diventerà nero e lucido come reagisce con H 2 S per formare solfuro di ferro.
  2. Eseguire queste analisi sul digestore degli effluenti per la diagnosi delle prestazioni del sistema e la stabilità. I valori dovrebbero coerentemente rientrare nel range specificato ottimale indicata nella Tabella 1.
    1. Misurare il tasso di produzione di biogas e pH ogni ciclo di alimentazione.
    2. Misurare la concentrazione di acidi grassi volatili, alcalinità, biogas e il contenuto più volte a settimana.Nota: Il contenuto biogas deve essere misurato allo stesso tempo relativo al ciclo di alimentazione dalla sua composizione cambierà nel corso del ciclo. Idealmente, il biogas dovrebbe essere campione alla fine di un ciclo di alimentazione, appena prima alimentazione.
    3. Misurare la domanda di ossigeno biologico o chimico e solidi totali e volatili una volta alla settimana o più spesso per ottenere almeno tre punti di dati per ogni condizione sperimentale a pseudo-stazionarie le condizioni di stato.

5. Risultati rappresentativi

Inoculazione di successo del digestore è segnato dalla produzione di biogas in pochi giorni. Il metano rapporto tra anidride carbonica del biogas aumenta durante il periodo di acclimatazione come biomassa più metanogenica viene reclutato. La crescita lenta methanogens rispetto ai periodi di acclimatazione acidogens rende lunghi e graduali cambiamenti operativi necessari. In Fig. 5, dimostriamo la responsabilità dinamicase di un digestivo, quando un alto tasso di carico organico (OLR) viene introdotto troppo presto nella fase di avvio. In questo esempio, vi era una sufficiente biomassa metanogenica per rimuovere (ad esempio, utilizzare) gli acidi grassi volatili (VFAs) si sono evoluti dalla fase di degradazione del substrato, acidogenesi. Ciò ha portato ad un accumulo di VFAs, e successivamente, una riduzione del pH. Per ovviare a tale situazione, il OLR è stata ridotta a limitare la produzione di VFAs da acidogens e per consentire reclutamento methanogen maggiore prima di tornare al OLR superiore. I digestori poi esposto la digestione stabile per tre periodi di ritenzione idraulica.

Stabile la digestione o pseudo-condizioni di stato stazionario può essere assunto quando i parametri misurati, come i tassi di produzione di biogas, le concentrazioni totali di VFA, volatili concentrazioni di solidi e livelli di pH, sono costantemente mantenuti entro il 10% dei loro valori medi, per un minimo periodo di tempo di un HRT. Il significato di questo riparto viene rivelato iFig n. 6, che mostra la risposta prolungata del sistema CSTR a una perturbazione causata da miscelazione insufficiente. La mancanza di corretta miscelazione dei solidi ha permesso di stabilirsi nel reattore, il che significava meno solidi sono stati rimossi durante effluenti decantazione. Il loro accumulo portato a concentrazioni più elevate di effluenti solidi, dopo sufficiente miscelazione è stato restaurato. Ci sono voluti circa un HRT (cioè, 25 giorni) per restituire il digestivo per una normale concentrazione di effluenti solidi.

Un digestore anaerobico è un sistema biologico, così mostrerà una certa variabilità nelle prestazioni interno. Questa variabilità deve essere quantificato prima che lo sperimentatore può distinguere gli effetti specifici causati da perturbazioni sperimentali imposte al sistema (l'uso corretto delle statistiche è richiesto). Tre periodi HRT sono necessari prima un cambiamento sperimentale viene effettuata al sistema reattore perché questo è generalmente considerata un adeguato periodo di tempo per assumere concen stabileioni di specie chimiche nel liquido misto (Fig. 7). Alla fine di questo intervallo, il sperimentatore dovrebbe essere in grado di costruire una base affidabile per ogni parametro misurato. Questa linea di base serve come base di confronto per la sperimentazione futura.

L'andamento generale del digestore può essere valutata seguendo il protocollo di monitoraggio, che richiede che le diverse analisi standard da eseguire di routine. Questo programma fornisce adeguata risoluzione temporale per identificare i precursori maggior parte dei problemi del sistema e il tempo per evitare che lee. Inoltre, i risultati di questi test diagnostici sono destinati ad essere utilizzati in relazione alla tabella 1 per identificare le prestazioni suboptimum. Tabella 3 fornisce soluzioni a molti dei problemi tipici incontrati durante l'impostazione-up un digestore. Nel caso in cui un problema non può essere risolto seguendo le istruzioni ivi indicate, l'operatore deve consultare gli altri mezzi inces, ad esempio un testo di riferimento relativi alle biotecnologie anaerobica.

Parametri di funzionamento Metodi standard Index Range tipico Intervallo estremo
Mesofilo Termofili Mesofilo Termofili
Temperatura 2550 (A) 32-37 17 ° C 50-60 17 ° C 20-42 17 ° C 45-65 17 ° C
Caricamento in corso Vota Organic NL 0,8-2,0 17 g
VS-L -1-d -1
1,5-5,0 17 g
VS-L -1-d -1
0,4-6,4 17 g
VS-L -1-d
1,0-7,5 17 g
VS-L -1-d -1
Tempo di ritenzione idraulica NL 15 - 35 Giorni <15,> 35 giorni
Carbon: Rapporto di azoto NL 25:1 17 > 25:1
Monitoraggio dei parametri Metodi standard Index Gamma ottimale Gamma Suboptimum
pH 4500-H + (B) 6,5-8,2 10 <6,5,> 8,2
Alcalinità 2320 (B) 1300 - 3000 17
mg CaCO 3-L -1
mg CaCO 3 - L-1
Acidi volatili 5560 (C) <200 10
Ac-mg L -1
> 200 10
Ac-mg L -1
Solidi Removal Efficiency 2540 (B, E) > 50% <50%
Biogas Content 2720 ​​(C) 55-70 CH 4; 30-45 CO 2% <55 CH 4;> 45% CO 2

Tabella 1. Guida alla scelta del generale funzionamento e parametri di monitoraggio per i sistemi di CSTR.

Componente Specifiche (Considerazioni sulla progettazione) Comments
A temperatura controllata Water Heater di circolazione Temperatura: 25-65 ° C
(Capacità di riscaldamento, max. Pressione di testa, Portata volumetrica)
Acqua riscaldata deve essere alimentato con un flusso sufficientemente elevata e con una pressione sufficiente a far circolare completamente.
Campionamento Port NA Situato nei pressi dello spazio di testa è l'ideale.
Schiuma Trappola Volume: 25% del volume del reattore Semplice braccio laterale pallone o vasetti di vetro possono essere utilizzati. L'unità deve essere accessibile per la pulizia.
Idrogeno solforato Scrubber (Tempo di contatto Gas) Vetro o tubi di plastica dovrebbe essere usato (non metallico). Dimensionamento lunghezza deve fornire un adeguato tempo di contatto gas.
Gas Reservoir Volume:> Volume 2x effluenti Materiale: Semi-elastico (non rigido) Il volume dovrebbe essere superiore a quello assunto nel corso degli effluenti decanting. Il materiale dovrebbe consentire contrazione ed espansione.
Bubbler NA La pressione di testa fornito dal livello dell'acqua dovrebbe essere minimizzato per limitare l'accumulo di pressione nel sistema di erogazione del gas.
Gas Meter (Campo di portata Gas Detection) Contatori di gas in plastica sono preferite rispetto metallo. Il flusso del campo di rilevamento dei gas devono essere accurate al attesi tassi di produzione di biogas.

Tabella 2. Componenti dei reattori ausiliari con specifiche e commenti.

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ERROR SINTOMO POSSIBILI SOLUZIONI
Intasamento frequente di alimentazione o tubi di effluenti

• Utilizzare tubi di diametro maggiore e / o finiture.

• Ridurre la dimensione delle particelle del substrato (ad esempio, utilizzando un frullatore o setaccio).

• Mix mangiare più spesso mentre si alimentano.

• Assicurarsi che il contenuto digestivo sono completamente mescolati.

Eccessiva formazione di schiuma

• Ridurre la OLR

• Ridurre l'intensità di miscelazione nel digestore.

• Aumentare lo spazio di testa nel digestore, riducendo il volume attivo digestore.

Incoerente quantità di biogas prodotta tra il digestore replicati

• Verificare che non vi siano perdite sono presenti nel sistema di trattamento del gas di una digestore.

• Verificare che il contatore del gas e la resistenza del corretto funzionamento e vengono tarati.

• Verificare che le miscele di mangimi sono preparati in modo equivalente.

Incoerenti o molto variabile concentrazione di solidi in tha effluenti tra digestore repliche (Fig. 6)

• Verificare che i contenuti di digestivo sono adeguatamente mescolati.

• Assicurarsi che la linea di effluente del reattore decantazione è equivalente tra i reattori.

Ridotto contenuto di metano nel biogas

• Verificare che il pH sia entro l'intervallo ottimale per la metanogenesi (cioè, 6,5 a 8,2). In caso contrario, integrare con acidità o alcalinità a seconda dei casi.

• Se l'azoto significativo viene rilevato nel biogas (cioè> 10%), controllare eventuali perdite vicino al porto di campionamento.

• Regolarizzare la periodicità di campionamento biogas.

• Verificare che la concentrazione di VFA è entro l'intervallo ottimale. In caso contrario, seguire i passaggi di risoluzione dei problemi elencati per le concentrazioni di volatili cronicamente elevati di acidi grassi.

Cronicamente alta concentrazione di acidi grassi volatili (Fig. 5)

• Ridurre la OLR.

• Superare le carenze di nutrienti o di tracce di metalli dal completamento.

• Verificare che i contenuti del reattore sono sigillate da intrusioni di ossigeno.

• Aumentare la frequenza di alimentazione del ciclo.

• Eliminare idraulico corto circuito.

• Superare carenza di alcalinità dal completamento.

Tabella 3. Protocollo di risoluzione dei problemi per il funzionamento del digestore.

Figura 1
Figura 1. Esempio di base di progettazione del reattore: Materiale corpo-Glass, Tubing materiale acciaio inox / alluminio, coperchio materiale PVC / Plexiglas.

contenuto "> Figura 2
Figura 2. Esempio di base della progettazione del reattore coperchio: Coperchio materiale PVC / plexiglas; Raccordi materiale acciaio inox / plastica, tubi materiale acciaio inox / alluminio.

Figura 3
Figura 3. Sistema diagramma che mostra montaggio dei componenti.

Figura 4
Figura 4. Esempio di base del design schiuma trappola: Jar materiale di plastica / vetro, tubi materiale plastica / vetro.

Figura 5
Figura 5. Tipica risposta del sistema ad un alto tasso di carico organico (OLR) durante l'avviamento del reattore. Partire con un OLR di 1,35 GVS-L -1 causato l'accumulo del totale degli acidi grassi volatili (TVFA). L'acido accumulo Cau sed una diminuzione del pH seguita da una diminuzione della resa di biogas. Abbassando la OLR a 1,15 g VS-giorni -1, entrambi i sistemi erano in grado di recuperare e stabilire una concentrazione sufficiente di biomassa metanogenica a tollerare un 1,35 GVS-L -1 OLR. La differenza di pH e l'accumulo TVFA tra reattori presenta le dinamiche uniche di comunità miste.

Figura 6
Figura 6 risposta del sistema tipico di miscelazione insufficiente (reattore A) rispetto ad un sistema sufficientemente misto (reattore B) Durante la miscelazione scarsa, i solidi si depositano sul fondo del reattore e non vengono rimossi durante decantazione (280 - 290 giorni)... Quando miscelazione viene restituito intensità sufficiente (giorno 300), i solidi accumulati vengono gradualmente rimossi (giorno 305 - 330), e il sistema ritorna alla stabili concentrazioni di solidi.

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Figura 7. Relazione teorica tra la concentrazione di una specie chimica conservative e il periodo di ritenzione idraulica (HRT) in un sistema CSTR ideale. Al tre HRTs l'effettiva concentrazione di una specie chimica [C] nel digestore è 95% di quella del primo concentrazione presente nel mangime [C 0].

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Discussion

Il sistema di digestione anaerobica presentato in questo articolo fornisce una introduzione generale e alcune linee guida di base per il trattamento della maggior parte dei substrati in un contesto sperimentale. L'ampia varietà di tipi di substrato, configurazioni digestivo, i parametri operativi e anche l'ecologia unica della comunità microbica mista alla base di questi sistemi esclude che delinea rigidi parametri quantitativi, che possono essere applicati universalmente. Nonostante questa variabilità, tutti i sistemi di digestione anaerobica seguire una serie ben caratterizzato delle vie di degradazione biologica, che sono mediate da processi fisici e chimici i cui principi sono ben noti e possono essere applicati a tutti i sistemi. È da questi principi fondamentali, insieme a ben documentate osservazioni operativi riportati in letteratura, che ci riportano questi intervalli ottimali per i parametri di sistema e le appropriate metodologie funzionamento del sistema. I parametri citati sono correlati tra loro e svolgono un ruolo importantenel processo di digestione anaerobica. Una conoscenza approfondita di queste interrelazioni migliora notevolmente la capacità dell'operatore di riconoscere e risolvere i problemi del sistema. Il testo, "Anaerobico Biotecnologie: per acque reflue industriali" di Speece fornisce un catalogo abbastanza completo di operare pertinenti e gli argomenti di monitoraggio a digestione anaerobica per coloro che cercano nuove idee e spiegazioni 10.

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Disclosures

Non ci sono conflitti di interesse dichiarati.

Acknowledgements

Questa ricerca è sostenuta è supportata dal USDA attraverso il National Institutes of Food and Agriculture (NIFA), numero di concessione 2007-35504-05381; da Grant no. 58.872 da NYSERDA e NYC-123444 attraverso i fondi federali la formula Cornell University Agricultural Experiment Station dal 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

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References

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