Continuamente agitada digestor anaeróbico para converter resíduos orgânicos em biogás: Configuração do Sistema e Operação Básica

Published 7/13/2012
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Bioengineering

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Summary

Laboratório escala biodigestores permitem aos cientistas para pesquisar novas formas de otimização de aplicações existentes de biotecnologia anaeróbia e avaliar o potencial de produção de metano de vários resíduos orgânicos. Este artigo apresenta um modelo generalizado para a construção, a inoculação, operação e monitoramento de uma escala laboratorial continuamente agitada digestor anaeróbico.

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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

A digestão anaeróbia (DA) é um bioprocesso que é comumente usado para converter resíduos orgânicos complexos em um biogás úteis com o metano como o portador de energia 1-3. Cada vez mais, AD está sendo usado em resíduos industriais, agrícolas e urbanos (água) aplicações de tratamento de 4,5. O uso da tecnologia AD permite que os operadores para reduzir os custos de eliminação de resíduos e compensar as despesas de utilidade de energia. Além disso para o tratamento de resíduos orgânicos, as culturas de energia estão a ser convertida em energia a transportadora metano 6,7. Como a aplicação de tecnologia AD amplia para o tratamento de substratos novos e co-substrato misturas 8, o mesmo acontece com a demanda por uma metodologia de teste de confiança ao piloto e à escala laboratorial.

Sistemas de digestão anaeróbia ter uma variedade de configurações, incluindo o reactor de tanque continuamente agitado (CSTR), o fluxo de ficha (PF), eo reactor anaeróbio lote sequenciação (ASBR) configurações 9

Este artigo apresenta uma metodologia geral para a construção, inoculando, operação e monitoramento de um sistema CSAD com a finalidade de testar a adequação de um determinado substrato orgânico a longo prazo de digestão anaeróbia. A seção de construção deste artigo abrange a construção do sistema de reator de escala de laboratório. A seção de inoculação irá explicar como criar um ambiente anaeróbico adequado para semear com um inóculo ativo metanogênica. A seção operacional irá cobrir a operação, manutenção e solução de problemas. A seção de monitoramento irá introduzir protocolos de ensaio por meio de análises padrão. O uso dessas medidas é necessário para avaliações confiáveis ​​experimentais de adequação do substrato para a AD. Este protocolo deve proporcionar uma maior protecção contra um erro comum feito em estudos AD, que é de concluir que a falha do reator foi causado pelo substrato in uso, quando na realidade foi a operação do usuário impróprio 10.

Introduction

A digestão anaeróbia (DA) é uma tecnologia madura, envolvendo a conversão biológica mediada por complexos substratos de resíduos orgânicos em biogás úteis com o metano como transportador de energia. Há muitos benefícios de tratamento anaeróbio, incluindo um mínimo de energia e nutrientes e produção de biossólidos reduzido em comparação ao tratamento aeróbio 10. Além disso, a versatilidade da comunidade microbiana misto inerente a estes sistemas torna uma grande variedade de substratos orgânicos adequados como matérias-primas 11,12. De fato, é devido a esses benefícios que um número crescente de pedidos de AD estão sendo adotadas fora do tratamento de esgoto convencional municipal, particularmente nos sectores industrial, municipais (por exemplo, resíduos de alimentos) e agrícola 4,7,13. AD experimentou seu primeiro grande proliferação início na década de 1980 em resposta à crise nacional de energia da década anterior. Enquanto o mundo enfrenta uma crise energética global crescente,juntamente com a degradação ambiental, maior foco agora está sendo colocado em tecnologias de biocombustíveis eo conceito de lixo em energia, em particular. Por exemplo, em os EUA, a digestão anaeróbia pode gerar 5,5% da potência eléctrica total necessita de 8.

Isso aumentou a demanda para o bem-controlado de pesquisa experimental para o piloto e em escala de laboratório para avaliar a adequação de novos materiais de resíduos orgânicos e misturas de resíduos de digestão anaeróbia 14. Nós pretendemos fornecer um modelo genérico para a construção, a inoculação, operação e monitoramento de um digestor anaeróbio à escala laboratorial, que será adequado para avaliações robustos. Digestores anaeróbicos existir em várias configurações diferentes. Algumas configurações comuns incluem:-continuamente reator tanque agitado (CSTR), com alimentação contínua influente; continuamente agitada digestor anaeróbico (CSAD) com alimentação influente periódico; fluxo plug (PF), de fluxo ascendente com manta de lodo anaeróbio (UASB); reator anaeróbio de manta de migrar (AMBR); reator compartimentado anaeróbio (ABR) e reator anaeróbio de batelada seqüencial (ASBR) configurações 9,15. A configuração do CSTR e CSAD têm sido amplamente adotado para laboratório de experimentos em escala, devido à sua facilidade de configuração e condições operacionais favoráveis. Devido a mistura contínua, o tempo de retenção hidráulica (TRH) é igual ao tempo de retenção de lamas (TSA). A SRT é o parâmetro de projeto importante para anúncios. A configuração é também favorável à experiências controladas por causa de uma maior uniformidade espacial dos parâmetros, tais como concentrações químicas espécies, temperatura, e as taxas de difusão. Deve-se notar, no entanto, que a configuração em grande escala óptima para um digestor anaeróbico depende das qualidades particulares físicas e químicas do substrato orgânico entre outros aspectos não técnicos, tais como a qualidade do efluente alvo. Por exemplo, diluir fluxos de resíduos com relativamente alto teor orgânico solúvel e littlpartículas electrónicos, tais como cerveja de águas residuais, tipicamente experiência de conversão de energia maior numa configuração bioreactor de alta taxa de fluxo ascendente (por exemplo, UASB) em vez de uma configuração CSAD. Independentemente disso, há parâmetros operacionais fundamentais que são essenciais à digestão bem-sucedida e relevantes para todas as configurações, o que justifica uma explicação genérica de usar essa configuração.

Na verdade, todo sistema de AD contendo uma comunidade diversa, aberto de microorganismos anaeróbicos irá série metabolizar o substrato em metano (a final do produto final com a menor energia disponível gratuitamente por elétron). As vias metabólicas envolvidas neste processo constituem uma intricada teia alimentar vagamente classificados em quatro estágios tróficos: hidrólise, acidogênese; acetogénese e metanogênese. Em hidrólise, complexos de polímeros orgânicos (por exemplo, hidratos de carbono, lípidos e proteínas) são desagregadas aos seus respectivos monómeros (por exemplo, açúcares, ácidos gordos de cadeia longa, e aminoácidos) por HYDrolyzing, as bactérias fermentativas. Em acidogênese, estes monómeros são fermentadas por bactérias acidogênicas para ácidos gordos voláteis (AGV) e álcoois, que, em acetogénese, são oxidado para acetato e hidrogénio por homoacetogenic e obrigatório hidrogénio produtoras de bactérias, respeitosamente 5. No passo final de metanogênese, acetato e hidrogénio são metabolizados em metano por metanógenos acetoclástica e hydrogenotrophic. É importante reconhecer que o processo geral do anúncio, baseando-se uma série interligada de metabolismos por diferentes grupos de micróbios, vai depender da função bem sucedida de cada membro antes que o sistema como um todo será um desempenho óptimo. O projeto ea construção de um sistema biorreator AD deve sempre levar em consideração a exigência para fechar completamente o biorreator. Vazamentos pequenos no topo do bioreactor (que separa o espaço superior) ou no sistema de tratamento de gás pode ser difícil de detectar, e, por conseguinte, o sistema deve ser prescerteza testado antes da utilização. Depois de garantir uma instalação livre de vazamentos, falhas com estudos digestor anaeróbico muitas vezes resultam de erros durante a inoculação, cultura e dia-a-dia operação. Como resultado, digestores têm uma reputação como sendo intrinsecamente instável e propensa ao fracasso inesperado. Por que é então que em escala biodigestores foram operados sob condições estáveis ​​por décadas de 13? O fracasso é provável que resultam de manuseio impróprio por parte do operador, especialmente durante o período de inicialização durante o qual a comunidade microbiana deve lentamente aclimatar para a composição de resíduos orgânicos e força. Portanto, nosso objetivo não é apenas para fornecer uma metodologia para a construção de um sistema de AD, mas também para elucidar os processos de inoculação, operação e monitoramento desses sistemas.

A primeira seção do artigo irá explicar como construir o CSTR ou sistema CSAD, enquanto a segunda seção irá fornecer um procedimento para digestor inoculação com ativo methanogbiomassa enic. É mais prático e menos demorado para inocular digestores com biomassa metanogênica activo a partir da. Misto licor ou efluente de um digestor de funcionamento que é o tratamento de um substrato semelhante a tentar desenvolver um biomassa suficiente a partir de uma cultura incipiente A terceira seção do artigo abrange considerações operacionais, como substrato de alimentação, decantação de efluentes, e solucionar problemas de reatores diferentes. Alimentando substrato e decantação do efluente para este sistema será conduzida numa base semi-contínua (isto é, alimentando periódica e decantação, enquanto a maioria da biomassa e licor misto permanece no bioreactor). A freqüência em que o digestor é alimentado / decantado é prerrogativa do operador. Em geral, alimentando / decantação mais frequentemente e com intervalos regulares vai promover uma maior estabilidade do digestor e consistência de desempenho entre ciclos de alimentação. A quarta secção irá introduzir um protocolo de controlo básico a ser utilizado durante o experimental período. Várias análises padrão, que são descritas no Standard Methods para o Exame de Água e de Águas Residuais 16 (Tabela 1, 2), serão necessários para a caracterização do substrato e sistema de monitoramento adequado. Além dos parâmetros medidos, um aspecto importante da monitorização é verificar que os componentes do sistema digestor estão a funcionar correctamente. A manutenção regular para o sistema digestor vai antecipar os problemas principais do sistema que poderiam comprometer o desempenho a longo prazo e estabilidade do digestor. Por exemplo, uma falha do elemento de aquecimento, levando a uma queda na temperatura, pode causar a acumulação de ácidos gordos voláteis através da redução da taxa metabólica de metanogenos. Este problema seria composto se o sistema não tinha a alcalinidade suficiente para manter o pH acima dos níveis de inibição para metanogenos. É também importante para detectar e fechar possíveis vazamentos depois de quedas inesperadas na produção de biogás ratoes. Portanto, a duplicação dentro do projeto experimental, por exemplo, executar dois biorreatores lado a lado nas condições de funcionamento exatas, é importante para detectar perdas inesperados de desempenho causadas por mau funcionamento do sistema, tais como pequenos vazamentos.

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Protocol

1. Construção digestor

  1. Selecione um vaso digestor que contém todas as características mostradas na fig. 1 (um cone não é necessária), eo seu volume de trabalho desejado (tipicamente entre 1-10 L). Se o seu vaso do digestor não está equipado com uma camisa aquecida-água, coloque o digestor em algum ambiente de temperatura controlada outro, tal como um banho de água aquecida ou câmara de incubação.
  2. Fixar o vaso numa posição vertical em uma área com espaço suficiente bancada horizontal para colocação de componentes restantes (Tabela 2).
  3. Construir a tampa do recipiente de acordo com a fig. 2. As portas dos tubos afluentes e efluentes deve ser grande o suficiente para evitar o entupimento. Os tubos no interior do bioreactor deve ser de comprimento suficiente para ficar submersa no meio do digestor durante a decantação, enquanto se estende para fora a partir do topo da tampa para permitir a ligação da tubagem. O impulsor de bainha deve estender-se na medida do posvel para o meio digestor (a tubulação submersa e revestimento impedir a fuga de biogás headspace do biorreator).
  4. Aplicar à base de silicone graxa vácuo para a superfície de contacto da tampa e fixá-lo na tampa do reservatório digestor.
  5. Fixe o misturador de velocidade variável paralela ao eixo vertical do digestor, usando um anel de suporte e braçadeiras, então eixo impulsor apor. Devido a vibrações do misturador a motor e de circulação, é importante utilizar um suporte independente e livre de se mover.
  6. Conectar uma secção de tubagem flexível para ambos os tubos de afluentes e efluentes e depois ligar uma outra secção da tubagem para a porta de gás a ser utilizado como a linha de gás.
  7. Ligue a linha de biogás a cada um dos vários componentes, que pode ser colocado por cima do digestor em prateleiras. Os componentes devem ser ligados por esta ordem: porta de amostragem, armadilha de espuma, H 2 S purificador, reservatório de gás, borbulhador, contador de gás, e uma linha de ventilação (Fig. 3). Para facilitar o isolamento ou reMoval de componentes individuais para solucionar problemas ou limpeza, considerar a adição de válvulas e acessórios conector entre os componentes. Certifique-se que a saída de gás é bem ventilado para o exterior ou um capuz químico porque o biogás é explosivo.
    1. A porta de amostragem de gás deve ser posicionada perto da câmara de expansão do reactor.
    2. A armadilha de espuma pode ser construído usando um balão de simples ou garrafa, e deve ser de pelo menos 25% do volume do reactor. Deve conter duas portas, uma para a linha de entrada de biogás e outro para a linha de saída de biogás. Estas portas podem ser feitas através da perfuração de dois furos em uma rolha de borracha através da qual tubagem rígida está inserido. O tubo de entrada de biogás deve estender-se para uma profundidade maior do que o tubo de saída de biogás (Fig. 4). Aprisionamento de espuma é necessária para proteger o sistema de manipulação de gás a partir de espuma de digestor possível.
    3. O H 2 S purificador é constituído por um tubo de vidro de comprimento, com um diâmetro interno maior do que 2 cm, cheia com steel lã com uma entrada de biogás e porta de saída em cada extremidade. A lã de aço deve ser embalado também para proporcionar uma área de superfície suficiente para descascar, mas não com tanta força que o fluxo de biogás é bloqueado. Esfregar é necessária para proteger os componentes metálicos no contador de gás a partir de produtos químicos corrosivos.
    4. O reservatório de gás pode ser feita de qualquer colapsável, material estanque ao ar, tal como um saco de gás, ou mesmo uma bola infantil, com um volume superior a duas vezes o volume de alimentação de destino. Isto é necessário para evitar uma queda de pressão durante a decantação de sucção de ar efluente e possível, para a câmara de expansão.
  8. Se o sistema será temperatura controlada por um aquecedor de água de circulação, ligar o aquecedor para o revestimento de aquecimento usando tubagem flexível. Coloque a unidade acima do nível do líquido do revestimento de aquecimento. Ajuste o aquecedor para a temperatura apropriada para a digestão mesofílica ou termofílica (Tabela 1).
  9. Realizar um teste de vazamento do sistema de detecção de vazamentos com soapy água. Comece por enchimento do tanque digestor com água, depois ligeiramente pressurizar a linha de influente com um gás a uma pressão inferior a 5 psi. Primeiro, prenda a linha de biogás e as linhas de efluentes para verificar vazamentos ao redor da tampa do reator, e, em seguida, remova a braçadeira linha de biogás para testar se há vazamentos para todo o sistema de gás manuseio. Note-se que mais de pressurização da linha de afluente irá forçar a água para fora através do tubo de impulsor de bainha.
  10. Ligue o impulsor eo elemento de aquecimento e deixar rodar durante a noite para assegurar que o misturador e aquecedor pode sustentar o funcionamento contínuo. A velocidade de rotação do impulsor deve ser suficientemente rápido para assegurar a mistura completa dos meios de comunicação do reactor. Problemas comuns incluem misturadores de atrito, o desalinhamento excessivo do eixo, e inadequada fixação do motor para o anel de suporte.

2. Digestor Inoculação e condicionado usando uma biomassa ativa metanogênicas

  1. Guarde a biomassa ativa metanogênica (inóculo) em uma closed recipiente no frigorífico a 4 ° C, enquanto a preparação dos digestores. Idealmente, o inoculo deve ser armazenado durante tão pouco tempo como possível e não deve ser suficiente para encher completamente todo o volume do digestor. No entanto, a biomassa anaeróbio determinado (por exemplo, biomassa granular) pode ser armazenado por períodos muito longos. Diluir o inoculo com a água que foi purgado com um gás anaeróbico para o volume apropriado, se necessário.
  2. Lavar o sistema digestor anaeróbico vazio com gás durante vários minutos, ligando-o para o tubo de alimentação, de prender a linha de efluente, e gravando o espaço entre o eixo do misturador e bainha para evitar a perda excessiva de gás anaeróbico.
  3. Durante o período de lavagem, certifique-se de lavar-out do reservatório de gás.
  4. Após lavagem está completa, ligar um funil para o tubo de alimentação e adicionar o inoculo certificando-se a misturar o inoculo periodicamente para assegurar a uniformidade.
  5. Volte a ligar o gás anaeróbios para o tubo de alimentação, por sua vez, no mixer, e lave o licor do digestor durante pelo menos 15 min. Em seguida, desligue o gás, fixar o tubo de alimentação e unclamp o reservatório de gás. Este digestor está agora em operação.
  6. Permitir que o digestor a operar por um par de dias antes de iniciar a alimentação e monitorar a produção de biogás. Durante este tempo, realizar sólidos totais e de análise de concentração de sólidos voláteis para o inóculo (Tabela 1). Se a concentração de sólidos é consideravelmente maior do que a da concentração de licor misto alvo, remover e diluir conteúdo do digestor de acordo antes de iniciar a alimentação. Isto é feito para prevenir a lavagem excessiva de biomassa durante o período de funcionamento, que pode aumentar a comida a Microorganismo proporção (F / M) também acentuadamente durante todo o período de arranque.
  7. Determinar a fracção orgânica biodegradável do substrato, quer através da medição do total e volátil concentração de sólidos, a procura de oxigénio biológico ou químico, ou de carbono orgânico total do substrato. Use this valor para calcular uma taxa de carregamento conservadora inicial orgânica (OLR).
  8. O operador deve aumentar gradualmente a ROL até um valor-alvo é atingido (start-up período). Uma abordagem durante o período de start-up é para corrigir a força orgânica da alimentação, e, em seguida, reduzir o tempo de retenção hidráulica (TRH) de forma incremental até que o ROL alvo é alcançado (um processo que pode demorar vários meses a um ano, dependendo da qualidade do inoculo eo substrato utilizado). Aumentando a ROL demasiado rapidamente as concentrações excessivas de ácidos gordos voláteis (> 2.000 mg / L de acetato) como mostrado na fig. 5. O operador deverá reduzir o ROL se voláteis concentrações de ácidos gordos aumentar a níveis suboptimum (Tabela 1). Se as concentrações de ácidos gordos voláteis são demasiado elevada, o conteúdo do biorreactor podem precisar de ser diluída com água.
  9. Permitir que o digestor um período de três Hrts no ROL alvo antes da experimentação para estabelecer uma stacondição de linha de base ble.

3. Operação digestor

  1. Efluente decantação sempre precede a adição do substrato para o digestor, assim imediatamente antes decantação, preparar a mistura de alimentação e armazenar a 4 ° C até ao momento para alimentar.
  2. Decantar efluente do digestor através da ligação do tubo efluente de uma bomba (lado-braço balão sob vácuo é uma possibilidade de decantação) e remover um volume igual em comparação com o volume de alimentos para animais. Armazenar o efluente a 4 ° C para posterior análise. Note-se que muitas das análises são sensíveis tempo. Por exemplo, o pH deve ser medido imediatamente porque CO 2 escapa da solução, o aumento do pH.
  3. Remover a mistura de alimentação do frigorífico. Ligue um funil para o tubo de alimentação e derrame na alimentação (substrato) certificando-se a misturar periodicamente para assegurar que os sólidos são transportadas em grandes quantidades com o fluido.
  4. Execute as etapas de solução de problemas descritas na Tabela 3, se nedesnecessária.

4. Monitoramento do Sistema

  1. Verificar o sistema digestor e os seus componentes frequentemente durante a operação. Especial atenção deve ser dada aos sistemas de mistura e aquecimento. Manifesto falta de vontade de mistura em uma diminuição abrupta na concentração de sólidos de efluente (Fig. 6). Periodicamente verificar que o óleo ou a água nos contadores de gás é, ao nível adequado e substituir a lã de aço em armadilha de H2S, conforme necessário. Note-se que a lã de aço irá tornar-se negro e brilhante como ele reage com H2S para formar sulfureto de ferro.
  2. Execute estas análises em digestor de efluentes para o diagnóstico do desempenho do sistema e estabilidade. Os valores devem consistentemente cair dentro do intervalo especificado óptima indicado na Tabela 1.
    1. Medir a taxa de produção de biogás e pH em cada ciclo de alimentação.
    2. Medir a concentração de ácidos graxos voláteis, alcalinidade e biogás conteúdo várias vezes por semana.Nota: O teor de biogás deve ser medido ao mesmo tempo em relação ao ciclo de alimentação desde a sua composição irá mudar ao longo do ciclo. Idealmente, o biogás deve ser amostrado no final de um ciclo de alimentação, imediatamente antes da alimentação.
    3. Medir a necessidade de oxigénio biológico ou químico e sólidos totais e volátil, uma vez por semana ou mais vezes para obter pelo menos três pontos de dados para cada condição experimental em condições de pseudo-estado estacionário.

5. Os resultados representativos

Inoculação sucesso do digestor é marcado pela produção de biogás dentro de alguns dias. O metano a proporção de dióxido de carbono do biogás irá aumentar durante o período de aclimatação de biomassa metanogênica mais é recrutado. O lento crescimento dos microrganismos metanogênicos em comparação com períodos de aclimatização acidogens faz longas e graduais mudanças operacionais necessárias. Na fig. 5, que demonstram a responsabilidade dinâmicasi de um digestor quando uma taxa de carregamento orgânico de alta (ROL) é introduzido cedo demais na fase de start-up. Neste exemplo, não havia biomassa metanogênica insuficiente para remover (isto é, utilizam) os ácidos gordos voláteis (AGV) evoluíram a partir do passo de degradação de substrato, acidogênese. Isto conduziu a uma acumulação de AGVs, e subsequentemente, a redução do pH. Para resolver esta situação, o ROL foi reduzido para limitar a produção de AGVs por acidogens e para permitir que o recrutamento maior methanogen antes de retornar para a maior ROL. Os digestores, em seguida, exibiu a digestão estável por três períodos de retenção hidráulica.

Digestão estável ou pseudo-condições de estado estacionário pode ser assumida quando os parâmetros medidos, tais como as taxas de produção de biogás, As concentrações totais de AGV, as concentrações voláteis sólidos, e níveis de pH, são consistentemente mantida dentro de 10% dos seus valores médios, para um mínimo período de tempo de um HRT. O significado desta colocação é revelado in fig. 6, que mostra a resposta prolongada do sistema CSTR a uma perturbação provocada por mistura insuficiente. A falta de correta mistura permitiu que os sólidos sejam no reator, o que significava menos sólidos foram removidas durante efluente decantado. A sua acumulação resultou em concentrações mais elevadas de sólidos de efluentes após a mistura suficiente foi restaurada. Levou aproximadamente HRT um (isto é, 25 dias) para retornar o digestor para uma concentração de sólidos normais efluente.

Um digestor anaeróbico é um sistema biológico; assim será exibem alguma variabilidade interna no desempenho. Esta variabilidade deve ser quantificada antes do experimentador pode discernir os efeitos específicos causados ​​por perturbações experimentais impostas ao sistema (o uso adequado das estatísticas é necessário). Três períodos de TRH são necessárias antes de uma mudança experimental é feita para o sistema do reactor, porque esta é geralmente considerada um período adequado de tempo para assumir concentrat estáveliões de espécies químicas no licor misto (Fig. 7). Para o fim deste intervalo, o experimentador deve ser capaz de construir uma linha de base de confiança para cada parâmetro medido. Esta base serve como base de comparação para a experimentação futuro.

O rendimento geral do digestor pode ser avaliada, seguindo o protocolo de monitorização, que requer que várias análises padrão ser executado de forma rotineira. Este calendário prevê a resolução temporal adequada para identificar os precursores para a maioria dos problemas do sistema eo tempo lee para impedi-los. Além disso, os resultados destes testes de diagnóstico são destinadas a ser utilizado em conjunto com a Tabela 1 para identificar o desempenho suboptimum. Tabela 3 fornece soluções para muitos dos problemas tipicamente encontrados quando definindo-se um digestor. No caso em que um problema não pode ser rectificada, seguindo as instruções descritas no mesmo, o operador deve consultar recur outroCES, tal como um texto de referência pertencente a biotecnologia anaeróbia.

Parâmetros de Operação Índice de Standard Methods Faixa típica Faixa de extrema
Mesófilos Termofílica Mesófilos Termofílica
Temperatura 2550 (A) 32-37 17 ° C 50-60 17 ° C 20-42 17 ° C 45-65 17 ° C
Taxa de carga orgânica 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 de Retenção Hidráulica NL 15 - 35 Dias <15,> 35 dias
Carbono: Nitrogênio Relação NL 25:1 17 > 25:1
Parâmetros de Monitoramento Índice de Standard Methods Faixa de Optimum Faixa Suboptimum
pH 4500-H + (B) 6,5-8,2 10 <6,5;> 8,2
Alcalinidade 2320 (B) 1300 - 3000 17
mg CaCO 3-L -1
mg CaCO 3 - L-1
Ácidos voláteis 5560 (C) <200 10
mg Ac-L -1
> 200 10
mg Ac-L -1
Eficiência de Remoção de sólidos 2540 (B, E) > 50% <50%
Conteúdo biogás 2720 ​​(C) 55-70 CH 4; 30-45 CO 2% <55 CH 4;> 45 CO 2%

Tabela 1. Guia de seleção Geral operação e os parâmetros de monitoramento para os sistemas CSTR.

Componente Especificações (Considerações sobre o design) Comentários
Temperatura controlada aquecedor de água circulante Faixa de Temperatura: 25-65 ° C
(Capacidade de aquecimento, Max Head. Pressão, vazão volumétrica)
Água aquecida, devem ser fornecidos a uma taxa de fluxo suficientemente elevado e com uma pressão suficiente para completamente circular.
Porta de amostragem NA Localizado perto de headspace é o ideal.
Armadilha espuma Volume: 25% do volume do reactor Balão de tubuladura lateral simples ou frascos de vidro podem ser usados. A unidade deve ser acessível para limpeza.
Scrubber sulfeto de hidrogênio (Tempo de Contato Gás) Vidro ou tubos de plástico devem ser usados ​​(não metal). Dimensionamento de comprimento deve fornecer tempo de contato adequado de gás.
Reservatório de gás Volume:> Volume 2x de Efluentes; Material: Semi-elástica (não rígida) O volume deve ser superior a que foi tomada durante de efluenteshipócrita. O material deve permitir a retracção e de expansão.
Bubbler NA A pressão de cabeça fornecido pelo nível de água deve ser minimizada para limitar a acumulação de pressão no sistema de entrega de gás.
Contador de gás (Gás Faixa de detecção de fluxo) Os medidores de gás de plástico são preferíveis em relação metal. A faixa de detecção de gás de fluxo deve ser preciso em taxas de produção de biogás esperadas.

Tabela 2. Auxiliares componentes de reatores com especificações e comentários.

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SINTOMA ERRO POSSÍVEIS SOLUÇÕES
Entupimento freqüente de alimentação ou tubos de efluentes

• Use tubulação de maior diâmetro e / ou acessórios.

• Reduzir o tamanho de partícula de substrato (por exemplo, usando um misturador ou peneira).

• Mix alimentar com mais freqüência, enquanto a alimentação.

• Certifique-se que o conteúdo do digestor são completamente misturados.

Excessiva formação de espuma

• Reduzir o ROL

• Reduza a intensidade de mistura no digestor.

• Aumentar o espaço superior no digestor através da redução do volume do digestor activo.

Rendimento de biogás inconsistente entre digestor replica

• Verificar se há fugas estão presentes no sistema de manuseamento do gás de qualquer digestor.

• Verifique se o medidor de gás e elemento de aquecimento estão a funcionar correctamente e são calibrados.

• Verifique se as misturas de alimentos são preparados de forma equivalente.

Inconsistente ou altamente variável concentração de sólidos em tele efluente entre digestor repetições (Fig. 6)

• Verifique se o conteúdo do digestor são bem misturado.

• Certifique-se que o reator de linha efluente decantado é equivalente entre os reatores.

Conteúdo de metano reduzida em biogás

• Verificar se o pH está dentro da gama óptima para metanogênese (isto é, 6,5-8,2). Se não, completar com acidez ou alcalinidade, conforme apropriado.

• Se for detectada significativa de nitrogênio no biogás (ou seja,> 10%), verificar se há vazamentos perto do porto de amostragem.

• Regularizar a periodicidade de amostragem de biogás.

• Verifique a que a concentração de AGV está dentro da gama óptima. Se não, siga os passos de resolução de problemas listados para cronicamente elevadas concentrações de ácidos graxos voláteis.

Cronicamente elevada concentração de ácido gordo volátil (Fig. 5)

• Reduzir a ROL.

• Superar as deficiências de nutrientes ou metais traço por suplementação.

• Verifique se o conteúdo do reator são selados contra a intrusão de oxigênio.

• Aumente a freqüência de ciclo de alimentação.

• Eliminar um curto-circuito hidráulico.

• Superar a deficiência de alcalinidade pela suplementação.

Tabela 3. Solução de problemas de protocolo para a operação do digestor.

A Figura 1
Figura 1. Exemplo básico de projeto do reator: Corpo material de vidro; tubos de aço material inoxidável / alumínio; Tampa material PVC / acrílico.

conteúdo "> A Figura 2
Figura 2. Exemplo básico de projeto do reator tampa: Tampa material PVC / acrílico, peças-material de aço inoxidável / plástico; Tubulação material Aço Inoxidável / Alumínio.

A Figura 3
Figura 3. Diagrama do sistema mostrando disposição dos componentes.

A Figura 4
Figura 4. Exemplo básico de projeto de espuma armadilha: Jar-material plástico / vidro, tubo de material plástico-/ Vidro.

A Figura 5
Figura 5. Resposta típica do sistema a uma taxa elevada carga orgânica (ROL) durante reator start-up. Começando com uma COV de 1,35 GVS-L -1 causou o acúmulo de ácidos graxos voláteis totais (TVFA). A acumulação de ácido cau sed uma diminuição do pH seguido por uma redução na produção de biogás. Com a diminuição do ROL para 1,15 g VS-dia -1, ambos os sistemas foram capazes de recuperar e estabelecer uma concentração de biomassa metanogênica suficiente para tolerar uma 1,35 GVS-L -1 ROL. A diferença de pH e acúmulo TVFA entre reatores apresenta as dinâmicas específicas de comunidades mistas.

A Figura 6
A Figura 6 resposta típica do sistema para insuficiente de mistura (Reactor A) em comparação com um sistema suficientemente misto (Reactor B) Durante a mistura pobre, os sólidos assentam no fundo do reactor e não são removidos durante a decantação (dia 280 - 290)... Quando a mistura é retornado para a intensidade suficiente (dia 300), os sólidos acumulados são gradualmente removidos (dia 305 - 330), eo sistema volta para concentrações estáveis ​​sólidos.

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Figura 7. Relação teórica entre a concentração de uma espécie química conservadoras e do período de retenção hidráulica (TRH) em um sistema CSTR ideal. Menos três Hrts a concentração real de uma espécie química [C] no digestor é de 95% da do inicial concentração presentes na alimentação [C 0].

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Discussion

O sistema de digestão anaeróbia apresentada neste artigo fornece uma introdução geral e algumas orientações básicas para o tratamento da maioria dos substratos em um contexto experimental. A grande variedade de tipos de substrato, configurações do digestor, parâmetros de funcionamento, e também a ecologia única da comunidade misto-microbiana subjacente a estes sistemas se opõe delineando rígidos métricas quantitativas, que podem ser aplicados universalmente. Apesar de toda a variabilidade isso, todos os sistemas de digestão anaeróbica seguir uma série bem caracterizada de percursos de degradação biológica, que são mediados por processos físicos e químicos, cujos princípios são bem compreendidos e pode ser aplicado a todos os sistemas. É a partir destes princípios fundamentais, juntamente com observações bem documentadas operacionais relatados na literatura, que relatam essas faixas ótimas para os parâmetros do sistema e metodologias apropriadas de operação do sistema. Os parâmetros citados estão inter-relacionados e desempenham papéis importantesno processo de digestão anaeróbica. Um completo entendimento destas relações muito melhora a capacidade do operador para reconhecer e resolver os problemas do sistema. O texto, "Biotecnologia Anaeróbica: para efluentes industriais" por Speece fornece um catálogo bastante completo de operação pertinente e tópicos de monitoramento de digestão anaeróbia para aqueles que buscam mais conhecimento e explicação 10.

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Disclosures

Não há conflitos de interesse declarados.

Acknowledgements

Esta pesquisa é apoiada é suportado pelo USDA através do Instituto Nacional de Alimentação e Agricultura (Nifa), conceda número 2007-35504-05381; por concessão não. 58872 de NYSERDA e NYC-123444 através de fundos da Cornell University Estação Experimental Agrícola da fórmula federais do 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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