Kontinuerligt omrörd anaerob rötkammare för att omvandla organiskt avfall till biogas: System Setup och Basic drift

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

Laboratorieskala anaeroba hjälper forskarna att forska fram nya sätt att optimera befintliga tillämpningar av anaerob bioteknik och att utvärdera metan producerar potentialen av olika organiska avfall. Denna artikel introducerar en generell modell för konstruktion, ympning, drift och övervakning av en laboratorieskala kontinuerligt omrörd anaerob rötkammare.

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

Rötning (AD) är en bioprocess som ofta används för att konvertera komplexa organiska avfall till en användbar biogas med metan som energibärare 1-3. Alltmer har AD används i industri, jordbruk, och kommunalt avfall (vatten) behandling tillämpningar 4,5. Användningen av AD teknik gör Maskinförare att minska kostnaderna för avfallshantering och offset kostnader energibolag. Förutom att behandla organiskt avfall är energigrödor omvandlas till energibärare metan 6,7. Eftersom tillämpningen av AD-teknik breddar för behandling av nya substrat och co-substratblandningar 8, så gör efterfrågan på tillförlitlig testmetod vid pilot-och laboratorieskala.

Anaerob nedbrytning system har en mängd olika konfigurationer, inklusive kontinuerligt omrörd tankreaktor (CSTR), pluggflöde (PF), och anaeroba sekvensering satsreaktor (asbr)-konfigurationer 9

I denna artikel presenteras en allmän metod för att konstruera, ympa, driva och övervaka en CSAD system för att testa lämpligheten av en viss organisk substrat för långsiktig anaerob rötning. Konstruktionen i den här artikeln kommer att omfatta byggandet av lab-skala reaktorsystem. Den ympning avsnittet förklarar hur du skapar en anaerob miljö som lämpar sig för sådd med en aktiv metanogena inokulat. Den operativa delen täcker drift, underhåll och felsökning. Övervakningen delen kommer att införa testprotokoll med hjälp av vanliga analyser. Användningen av dessa åtgärder är nödvändiga för tillförlitliga experimentella bedömningar av substrat lämplighet för AD. Detta protokoll bör ge bättre skydd mot vanligt misstag i AD studier, vilket är att dra slutsatsen att reaktorn inte orsakades av substratet in användning, då det verkligen var felaktig användaren drift 10.

Introduction

Rötning (AD) är en mogen teknik som innebär biologiskt medierad omvandlingen av komplexa organiska avfall substrat till användbara biogas med metan som energibärare. Det finns många fördelar med anaerob behandling, inklusive minimal energi-och näringsämnen och minskad biosolids produktion jämfört med aerob behandling 10. Dessutom gör den mångsidighet hos det blandade mikrobiella inneboende i dessa system en stor mängd organiska substrat som är lämpliga som utgångsmaterial 11,12. Det är det på grund av dessa fördelar att ett växande antal ansökningar om AD håller på att antas utanför konventionella kommunalt avloppsvatten, särskilt i industri-och kommunala (t.ex. matavfall) och jordbrukssektorn 4,7,13. AD upplevde sin första stora spridning början på 1980-talet som svar på den nationella energikris i det föregående årtiondet. När världen står inför en växande global energikris,tillsammans med miljöförstöring, har större fokus nu läggs på biobränsle teknik och avfall till energi koncept i synnerhet. Till exempel i USA, kan rötning generera 5,5% av den totala el behöver 8.

Detta har ökat efterfrågan på välkontrollerade experimentell forskning på pilot-och laboratorieskala för att bedöma lämpligheten av nya organiska avfall och blandningar avfall för rötning 14. Vi har för avsikt att skapa en generisk modell för konstruktion, ympning, drift och övervakning av en laboratorieskala anaerob rötkammare som kommer att vara lämpliga för robusta bedömningar. Anaeroba finns i många olika konfigurationer. Några vanliga konfigurationer inkluderar: kontinuerligt omrörd tankreaktor (CSTR) med kontinuerlig inkommande matning, kontinuerligt omrörd anaerob kokare (CSAD) med periodisk inkommande matning, pluggflöde (PF), uppströms anaerob slamfilten (UASB), anaerob vandrande filt reaktor (AMBR), anaerob förbryllad reaktor (ABR) och anaerob sekvensering satsvis reaktor (ASBR) konfigurationer 9,15. CSTR och CSAD konfiguration har stor spridning för laboratorieforskning försök på grund av dess enkla installation och gynnsamma driftsförhållanden. På grund av kontinuerlig blandning, är den hydrauliska retentionstiden (HRT), motsvarande det slam retentionstid (SRT). SRT är det viktigt designen parameter för annonser. Konfigurationen är även bidrar till kontrollerade experiment på grund av en större rumslig enhetlighet av parametrar, såsom koncentrationer kemiska ämnen, temperatur och priser diffusion. Det bör emellertid noteras att den optimala fullskalig konfiguration för en anaerob rötkammare beror på de speciella fysikaliska och kemiska egenskaper hos det organiska substratet bland andra icke-tekniska aspekter, såsom målet utflödet kvalitet. Exempelvis utspädd avfallsströmmar med relativt hög lösligt organiskt material och little partiklar, såsom bryggeri avloppsvatten, vanligtvis upplever större energi omvandling i en hög takt uppströms bioreaktor konfiguration (t.ex. UASB) snarare än en CSAD konfiguration. Oavsett, det finns grundläggande operativa parametrar som är viktigt för en framgångsrik matsmältningen och relevanta för alla konfigurationer, som motiverar en generisk förklaring av att använda denna konfiguration.

I själva verket kommer alla AD som innehåller ett mångsidigt, öppen gemenskap av anaeroba mikrober metabolisera serie substratet till metan (den slutliga slutprodukten med den lägsta möjliga fria energi per elektron). De metaboliska vägar är involverade i denna process utgör ett intrikat näringskedjan löst kategoriseras i fyra trofiska steg: hydrolys, acidogenesis, acetogenesis och metanogenes. I hydrolys, är komplexa organiska polymerer (t ex kolhydrater, lipider och proteiner) bryts ned till sina respektive monomerer (t ex sockerarter, långkedjiga syror fettsyror och aminosyror) genom hydrolyzing, fermenterande bakterier. I acidogenesis är dessa monomerer fermenteras av syrabildande bakterier till flyktiga fettsyror (VFA) och alkoholer, vilka i acetogenesis, vidare oxideras till acetat och väte genom homoacetogenic och obligatorisk väte-producerande bakterier, med respekt 5. I det slutliga steget av metanbildning, är acetat och väte metaboliseras till metan genom acetoclastic och hydrogenotrophic metanogener. Det är viktigt att inse att den totala AD processen, genom att förlita sig på en sammankopplad serie ämnesomsättning med olika grupper av mikrober kommer att bero på den framgångsrika funktionen för varje medlem innan systemet som helhet kommer att fungera optimalt. Konstruktion och tillverkning av ett AD bioreaktor bör alltid ta hänsyn till kravet på att helt täta bioreaktorn. Små läckor i toppen av bioreaktorn (separera gasutrymme) eller i gas-hanteringssystem kan vara svåra att upptäcka, och därför bör vara tryckSe testas före användning. Efter att ha säkerställt en läcka utan installation, misslyckanden med anaerob rötkammare studier härrör ofta från fel under ympning, odling och dag till dag drift. Som ett resultat, kokare har ett rykte som inneboende instabila och benägna att oväntade fel. Varför är det då att full skala kokare har drivits under stabila förhållanden i årtionden 13? Misslyckande är sannolikt att härröra från felaktig hantering av operatören, särskilt under startprocessen period under vilken den mikrobiella samhället måste långsamt anpassa sig till det organiska avfallets sammansättning och styrka. Därför är vårt mål inte bara att tillhandahålla metoder för att konstruera en AD system, men också belysa processer ympning, drift och övervakning av dessa system.

Den första delen av artikeln kommer att förklara hur man skall konstruera CSTR eller CSAD system, medan den andra delen kommer att ge ett förfarande för kokare ympning med aktiv methanogENIC biomassa. Det är mer praktiskt och mindre tidskrävande att ympa kokare med aktivt metanogena biomassa från blandade sprit eller utflöde av en operativ kokare som behandlar ett liknande substrat än att försöka utveckla en tillräckligt med biomassa från en begynnande kultur. Den tredje delen av artikeln kommer att omfatta löpande överväganden, såsom utfodring substrat, dekantering avloppsvatten, och felsöka olika reaktorer problem. Utfodring substrat och dekantering avloppsvatten för detta system kommer att ske på en semi-kontinuerlig basis (dvs. periodisk matning och dekantering, medan det mesta av biomassa och blandade vätskan stannar i bioreaktor). Den frekvens som kokaren matas / dekanteras är privilegium operatören. I allmänhet kommer att mata / dekantering oftare och med jämna mellanrum främja större kokare stabilitet och konsekvens i prestanda mellan utfodring cykler. Den fjärde delen kommer att införa en grundläggande övervakning protokoll som skall användas under erfarenhetrimental tidsperiod. Flera vanliga analyser, som beskrivs i standard metoder för undersökning av vatten och avlopp 16 (tabell 1, 2), kommer att krävas för karakterisering av substratet och korrekt system för övervakning. Förutom de uppmätta variablerna är en viktig aspekt av övervakning för att kontrollera att kokaren systemkomponenter fungerar korrekt. Regelbundet underhåll kokaren systemet föregripa stora system problem som annars skulle kunna äventyra den långsiktiga prestanda och stabilitet i kokaren. Exempelvis skulle ett fel på värmeelementet, vilket leder till en minskning i temperatur, orsakar en ackumulering av flyktiga fettsyror genom att reducera den metaboliska hastigheten i metanogener. Detta problem skulle förvärras om systemet saknade tillräcklig alkalinitet för att upprätthålla pH över hämmande nivåer för metanogener. Det är också viktigt att upptäcka och stänga eventuella läckor efter oväntade nedgångar i produktion av biogas råttaes. Därför dubbelarbete inom den experimentella design av till exempel köra två bioreaktorer sida vid sida under de exakta förhållanden är viktigt att upptäcka oväntade prestanda förluster orsakade av Felfunktioner, såsom små läckor.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Rötkammare Konstruktion

  1. Välj en kokare kärl som innehåller alla funktioner som visas i figur. 1 (en kon är inte nödvändigt), och önskad arbetsvolym (vanligtvis mellan 1-10 L). Om din kokare fartyget inte är utrustat med en uppvärmd-vattenmantel, placera kokaren i någon annan temperatur-kontrollerad miljö, såsom en uppvärmd vattenbad eller inkubationskammaren.
  2. Fästa kärlet i en vertikal position i ett område med tillräcklig horisontell bänk utrymme för placering av återstående komponenter (tabell 2).
  3. Konstruera behållarlock enligt FIG. 2. Hamnarna i inflödet och utflödet rör bör vara tillräckligt breda för att förhindra igensättning. Rören inuti bioreaktom bör vara av tillräcklig längd för att hålla ned i kokaren mediet under dekantering, medan sträcker sig ut från toppen av locket för att tillåta fastsättning av slangar. Impellern höljet skall sträcka sig så långt som möjligtligt i kokaren medium (nedsänkt slangen och mantlar förhindrar headspace biogas från att fly bioreaktorn).
  4. Tillämpas silikonbaserade vakuum fett på kontaktytan hos locket och spänna fast det till kokaren kärltoppen.
  5. Säkra variabel hastighet mixer parallellt kokaren vertikala axeln med hjälp av en ring-ställning och klämmor, därefter anbringa impeller axeln. På grund av vibrationer mixer motor och rörelse är det viktigt att använda ett oberoende och fritt rörliga stativ.
  6. Ansluta en sektion av flexibel slang till både de inströmmande och utströmmande rör och sedan koppla in en annan sektion av röret till den gas-porten för att användas som gasledningen.
  7. Anslut biogas rad på varje av de olika komponenter som kan placeras ovanför kokaren på hyllor. Komponenterna skall anslutas i följande ordning: provtagningsporten, skum-fälla, H2S skrubber, gasreservoar, bubblingsanordning, gasmätare, och ventilation linje (figur 3). För att underlätta isolering eller ärupphörandet av enskilda komponenter för felsökning eller rengöring, överväga att lägga ventiler och kopplingar Connecter mellan komponenter. Se till att gasutloppet är korrekt ventilerat till fria luften eller en kemisk huva eftersom biogas är explosiv.
    1. Gasen provtagningsporten bör placeras nära reaktorväggen gasutrymmet.
    2. Skummet fällan kan konstrueras med användning av en enkel kolv eller flaska, och bör vara åtminstone 25% av reaktorns volym. Den bör innehålla två portar, en för biogas inloppsledningen och den andra för biogas utloppsledningen. Dessa portar kan göras genom att borra två hål i en gummipropp genom vilken stela rörledningen införes. Den biogas Inloppsröret bör utvidgas till ett större djup än biogas utloppsröret (Fig. 4). Skum svällning är nödvändigt för att skydda systemet gasen hantering från möjliga kokare skum.
    3. H 2 S skrubber består av en lång glasrör med en inre diameter som är större än 2 cm, fylld med STEEl ull med en biogas inlopp och utlopp porten på vardera änden. Stålullen packas väl att tillhandahålla tillräcklig ytarea för strippning, men inte så tätt att biogasen flöde är blockerad. Skrubbning är nödvändigt för att skydda metallkomponenter i gasmätaren från korrosiva kemikalier.
    4. Gasen Behållaren kan göras av någon hopfällbar, lufttätt material, såsom en gas väska, eller ens en lekplats boll, med en volym som överstiger två gånger riktade fodret volymen. Detta är nödvändigt för att förhindra ett tryckfall under dekantering utflödet och eventuellt luftsugning i gasutrymmet.
  8. Om systemet kommer att temperaturen kontrolleras av en cirkulerande vatten värmare, anslut värmaren till värmemanteln använda en flexibel slang. Placera enheten ovanför vätskenivån i värmemanteln. Ställ värmaren till lämplig temperatur för mesofil eller termofil rötning (Tabell 1).
  9. Utför en läcka test av systemet genom att detektera läckor med soapy vatten. Börja med fyllning av kokaren tanken med vatten, därefter något trycksätta det inströmmande linje med en gas till ett tryck lägre än 5 psi. Först klämmer biogas linjen och utflödesledningar att se efter läckor runt reaktorn locket och ta sedan bort biogas ledningsklämman att testa för läckage för hela gassystem. Observera att över-trycksättning av inflödet linjen kommer att tvinga vattnet ut genom pumphjulet hölje röret.
  10. Slå på pumphjulet och värmeelementet och låta gå över natten för att säkerställa att biandaren och värmaren kan upprätthålla kontinuerlig drift. Rotationshastigheten hos impellern bör vara tillräckligt snabb för att säkerställa fullständig blandning av reaktorinnehållet medier. Vanliga blandare problem är obalans, överdriven friktion axeln och otillräcklig fastsättning av motorn till ring-stativet.

2. Kokare Inokulering och konditionering med hjälp av en aktiv metanogena biomassa

  1. Förvara aktiva metanogena biomassa (inokulat) i en closed container i kylskåp vid 4 ° C vid utarbetandet av kokare. Idealt bör inokulum lagras under så kort tid som möjligt och det bör vara tillräcklig för att fullständigt fylla hela volymen av kokaren. Emellertid kan viss anaerob biomassa (såsom granulär biomassa) lagras under långa perioder. Späd inokulatet med vatten som spolades med en anaerob gas till den lämpliga volymen om nödvändigt.
  2. Spola den tomma kokarsystem med anaerob gas under flera minuter genom att ansluta den till matningsslangen, fastklämning utflödet linje, och tejpa utrymmet mellan biandaren axeln och manteln för att förhindra alltför stor förlust av anaerob gas.
  3. Under spolningen perioden, se till att spola ut gasen reservoaren.
  4. Efter spolning är klar, anslut en tratt till utfodring röret och lägga till inokulatet noga med att blanda inokulatet regelbundet för att säkerställa enhetlighet.
  5. Återansluta den anaeroba gasen till matningsslangen, tillslående Mixer och spola kokarlut minst 15 minuter. Koppla sedan bort gasen, klämma foder röret och frikoppla gas. Detta rötkammare är nu i drift.
  6. Låt kokaren att arbeta under ett par dagar innan de börjar äta och övervaka produktionen av biogas. Under denna tid, gör torrsubstans totalt och flyktiga fastämneskoncentration analys för ympen (tabell 1). Om fasta koncentrationen är betydligt större än målet biandvätskan koncentration, ta bort och späd kokarinnehållet detta innan du börjar utfodring. Detta görs för att förhindra alltför urtvättning av biomassa under driftstiden som kan öka maten mikroorganism (F / M) förhållande alltför kraftigt under start perioden.
  7. Bestäm den organiska biologiskt nedbrytbara fraktionen av substratet genom att mäta antingen totalt och flyktiga fasta koncentration, biologisk eller kemisk syreförbrukning, eller totalt organiskt kol av substratet. Använda thiS-värde för att beräkna en konservativ initial organisk belastning hastighet (OLR).
  8. Operatören bör gradvis öka OLR tills ett målvärde uppnåtts (start-up period). Ett sätt under inkörningsperioden är att fixa den organiska styrka foder, och sedan minska den hydrauliska uppehållstiden (HRT) stegvis tills målet OLR uppnås (en process som kan ta flera månader till ett år beroende på kvaliteten av ymp och substratet som används). Öka OLR för snabbt kommer att leda till stora koncentrationer av flyktiga fettsyror (> 2.000 mg / L som acetat) som visas i figur. 5. Operatören bör minska OLR om flyktiga fettsyror koncentrationer öka till suboptimala nivåer (tabell 1). Om de flyktiga fettsyror halten är för hög, kan innehållet i bioreaktorn behöver spädas med vatten.
  9. Tillåta kokaren en period av tre HRTs vid målet OLR innan försöket att etablera en stabilBLE base-line tillstånd.

3. Kokaren Drift

  1. Avloppsvatten dekantering alltid föregår substrat Förutom kokaren så omedelbart före dekantering, förbereda matarblandningen och förvara vid 4 ° C tills det är dags att äta.
  2. Dekantera utflödet från kokaren genom att ansluta avloppsröret till en pump (sidoarm kolv under vakuum är en möjlighet dekantering) och avlägsna en lika stor volym jämfört med foder volym. Lagra utflödet vid 4 ° C för senare analys. Observera att många av analyserna är tidskänsliga. Till exempel bör pH-värdet mätas direkt, eftersom CO 2 kommer ut från lösningen, att öka pH.
  3. Avlägsna den inmatade blandningen från kylskåpet. Anslut en tratt i fodret röret och häll i fodret (substrat) och se till att blanda med jämna mellanrum för att säkerställa att fasta får transporteras in i bulk vätska.
  4. Utför felsökning som beskrivs i tabell 3, om nedigt.

4. Systemet för övervakning

  1. Kontrollera kokaren systemet och dess komponenter ofta under drift. Särskild uppmärksamhet bör ägnas åt blandning och värmesystem. Otillräcklig blandning vilja manifesteras i en plötslig minskning i utflödet fasta koncentration (Fig. 6). Regelbundet kontrollera att oljan eller vattnet i gas meter är på lämplig nivå och ersätta stålullen i H 2 S fällan efter behov. Notera att stålullen blir svart och glansiga som reagerar med H2S att bilda järnsulfid.
  2. Utför dessa analyser på rötkammaren avloppsvatten för diagnos av systemets prestanda och stabilitet. Värdena bör konsekvent falla inom det angivna optimala intervallet som anges i tabell 1.
    1. Mät biogasproduktion hastigheten och pH varje utfodring cykel.
    2. Mät flyktiga fettsyran koncentration, alkalinitet, och biogas innehåll flera gånger i veckan.Obs! Biogas innehållet bör mätas på samma gång i förhållande till utfodring cykeln eftersom dess sammansättning kommer att förändras under loppet av cykeln. Helst bör den biogas provtas vid slutet av en matning, just före utfodring.
    3. Mät biologiska eller kemiska syreförbrukning och total och flyktiga fasta en gång i veckan eller oftare för att få minst tre datapunkter för varje experimentell skick vid pseudo-stationära förhållanden.

5. Representativa resultat

Framgångsrik ympning av kokaren präglas av produktionen av biogas inom några dagar. Den metan till koldioxid förhållandet mellan biogas kommer att öka under anpassningsperioden som mer metanogena biomassa rekryteras. Den långsamma tillväxten av metanogenerna jämfört med acidogens gör långa acklimatisering perioder och gradvisa förändringar i verksamheten som krävs. I Fig.. 5, visar vi det dynamiska ansvarigtse av en kokare när en hög organisk belastning hastighet (OLR) införs för tidigt i startfasen. I detta exempel var tillräckligt metanogena biomassa för att ta bort (dvs, utnyttjar) de flyktiga fettsyrorna (VFA) utvecklades från substratet nedbrytningen steget, acidogenesis. Detta ledde till en ackumulering av VFA, och därefter, en minskning i pH. För att åtgärda denna situation var OLR reducerades till att begränsa produktionen av VFA med acidogens och att tillåta en större methanogen rekryteringen innan han återvände till den högre OLR. De kokare uppvisade därefter stabilt matsmältningen tre hydrauliska lagringstider.

Stabil rötning eller pseudo-steady-state kan antas när de uppmätta parametrar, såsom biogas produktionstakten, totalt VFA koncentrationer, flyktiga fasta koncentrationer och nivåer pH, konsekvent hålls inom 10% av deras genomsnittliga värden för minst tidsperiod av en HRT. Betydelsen av detta tilldelning avslöjas in Fig.. 6, som visar den förlängda respons CSTR-systemet till en störning som orsakas av otillräcklig blandning. Bristen på lämplig blandning lät fasta ämnen för att bosätta sig i reaktorn, vilket innebar färre fasta togs bort under avloppsvatten dekantering. Deras ackumulering resulterat i högre utflödet fasta koncentrationer Efter tillräcklig blandning återställdes. Det tog ungefär en HRT (dvs. 25 dagar) för att återgå kokaren till ett normalt avloppsvatten fasta koncentration.

En anaerob rötkammare är ett biologiskt system, alltså det kommer att uppvisa en viss intern variation i prestanda. Denna variation måste kvantifieras innan försöksledaren kan urskilja de specifika effekter som orsakas av experimentella störningar som ställs på systemet (en korrekt användning av statistik krävs). Tre HRT perioder krävs innan en experimentell ändring görs i reaktorn systemet eftersom detta i allmänhet anses vara en lämplig tid att ta en stabil koncentreratjoner av kemiska species i biandvätskan (Fig. 7). Vid slutet av detta intervall, bör försöksledaren kunna konstruera en tillförlitlig grund för varje uppmätt parameter. Detta baslinjen ligger till grund för jämförelse för framtida experiment.

Den allmänna utvecklingen på kokaren kan bedömas genom att följa den övervakning protokollet, vilket kräver att olika standardanalyser utföras rutinmässigt. Detta schema ger tillräcklig tidsupplösning för att identifiera prekursorer de flesta systemproblem och lä tid för att förhindra dem. Dessutom är resultaten av dessa diagnostiska tester tänkt att användas tillsammans med tabell 1 för att identifiera suboptimala resultat. Tabell 3 ger lösningar på många av de problem som typiskt förekommer när du upp en kokare. I händelse av att ett problem inte kan åtgärdas genom att följa instruktionerna som anges däri, bör operatören höra andra resurCES, såsom en referenstext avseende anaeroba bioteknik.

Driftparametrar Standard Metoder Index Typisk räckvidd Spänner
Mesofil Termofila Mesofil Termofila
Temperatur 2550 (A) 32-37 17 ° C 50-60 17 ° C 20-42 17 ° C 45-65 17 ° C
Organic Loading Rate 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
Hydraulisk retentionstid NL 15 - 35 dagar <15,> 35 dagar
Kol: kväve-förhållande NL 25:1 17 > 25:1
Övervakning Parametrar Standard Metoder Index Optimala intervallet Suboptimala räckvidd
pH 4500-H + (B) Från 6,5 till 8,2 10 <6,5;> 8,2
Alkalinitet 2320 (B) 1300 - 3000 17
mg CaCO 3-L -1
mg CaCO 3 - L-1
Flyktiga syror 5560 (C) <200 10
mg Ac-L -1
> 200 10
mg Ac-L -1
Fastämnen avlägsnings-effektivitet 2540 (B, E) > 50% <50%
Biogas Innehållet 2720 ​​(C) 55-70 CH 4, 30-45 CO 2% <55 CH 4,> 45 CO 2%

Tabell 1. Allmän användning urvalsguide och parametrar övervakning av CSTR system.

Komponent Specifikationer (Design överväganden) Kommentarer
Temperaturreglerade Cirkulerande Varmvattenberedare Temperaturområde: 25-65 ° C
(Uppvärmning, max. Tryckhuvud, Luftflöde)
Uppvärmt vatten måste tillföras vid en tillräckligt hög flödeshastighet och med tillräckligt tryck för att fullständigt cirkulera.
Provtagningsöppningen NA Beläget nära headspace är perfekt.
Skum Trap Volym: 25% av reaktorvolymen Enkel sidoarm kolv eller glasburkar kan användas. Enheten ska vara tillgänglig för rengöring.
Svavelväte Scrubber (Gas kontakttid) Glas eller plast rör bör användas (ej metall). Dimensionering längd bör ge tillräcklig tid gas kontakt.
Gasreservoar Volym:> 2x Avloppsvatten Volym, Material: Semi-elastiskt (inte Rigid) Volymen bör överstiga den som vidtas under avloppsvatten desvängbar. Materialet bör göra det möjligt för krympning och expansion.
Bubblare NA Huvudet tryck som åstadkommes av vattennivån bör minimeras för att begränsa trycket byggs upp i gastillförselsystemet.
Gasmätare (Gas Flow funtionsområdet) Plast gasmätare är att föredra framför metall. Gasflödet detektionsområde ska vara korrekt vid förväntade biogas produktionen priser.

Tabell 2. Hjälpreaktorn komponenter med specifikationer och kommentarer.

r>
Felsymptom MÖJLIGA LÖSNINGAR
Frekvent igensättning av utfodring eller avloppssystem rör

• Använd större diameter slang och / eller beslag.

• Minska partikel substrat (t.ex. med hjälp av en mixer eller såll).

• Blanda foder oftare under utfodring.

• Se till att kokarinnehållet helt blandade.

Överdriven skumning

• Minska OLR

• Minska blandningen intensiteten i kokaren.

• Öka huvudutrymmet i rötkammaren genom att minska den aktiva kokaren volymen.

Inkonsekvent biogas avkastning mellan kokare replikat

• Kontrollera att inga läckor finns i instrumentets gassystem antingen kokare.

• Kontrollera att gasmätaren och värmeelementet fungerar korrekt och är kalibrerade.

• Kontrollera att foderblandningar är beredda ekvivalent.

Inkonsekvent eller mycket varierande koncentration av fasta partiklar i tonHan avloppsvatten mellan kokare replikat (Fig. 6)

• Kontrollera att kokarinnehållet tillräckligt blandas.

• Se till att reaktorutflödet dekantering linjen motsvarar mellan reaktorer.

Minskad metanhalt på biogas

• Kontrollera att pH ligger inom det optimala intervallet för metanogenes (dvs, 6,5 8,2). Om inte, komplettera med surhet eller alkalinitet som är lämpligt.

• Om väsentlig kväve upptäcks i biogasen (dvs> 10%), kontrollera läckage nära provtagningsporten.

• reglera periodiciteten av biogas provtagning.

• Kontrollera att VFA koncentrationen ligger inom det optimala intervallet. Om inte, följ felsökningsstegen anges för kroniskt höga flyktiga fettsyror koncentrationer.

Kroniskt hög flyktig fettsyra koncentration (fig. 5)

• Minska OLR.

• Övervinna näringsämne eller spår brister metall genom tillskott.

• Kontrollera att reaktorinnehållet tätas från syre intrång.

• Öka frekvensen foder cykel.

• Eliminera hydraulisk kortslutning.

• Övervinna alkalinitet brist genom tillskott.

Tabell 3. Felsökning protokoll för kokaren drift.

Figur 1
Figur 1. Grundläggande exempel på reaktorns konstruktion: Body material-glas, slangmaterial-Rostfritt stål / aluminium, Lock material-PVC / plexiglas.

innehåll "> Figur 2
Figur 2. Grundläggande exempel på reaktorns lock design: Lock material-PVC / plexiglas, Fittings material-Rostfritt stål / plast, slangmaterial-Rostfritt stål / aluminium.

Figur 3
Figur 3. Systemdiagram som visar komponenternas.

Figur 4
Figur 4. Enkelt exempel av skum fällans utformning: Burk material-plast / glas, Tube material-plast / glas.

Figur 5
Figur 5. Typiskt system svar på en hög organisk belastning hastighet (OLR) under reaktorns start. Börjar med en OLR på 1,35 GVS-L -1 orsakade ackumulering av totala flyktiga fettsyror (TVFA). Syran ackumulering cau sed en sänkning av pH-värdet, följt av en minskning av biogas utbyte. Genom att sänka OLR till 1,15 g VS dag -1, var båda systemen kunna återhämta och etablera en tillräcklig metanogena biomassa koncentration för att tolerera en 1,35 GVS-L -1 OLR. Skillnaden i pH och TVFA ackumulering mellan reaktorer uppvisar unika dynamiken i blandade samhällen.

Figur 6
Figur 6 typiskt system som svar på otillräcklig blandning (reaktor A) jämfört med en tillräckligt blandat system (reaktor B) Under dålig blandning, de fasta ämnena sedimentera till botten av reaktorn och tas inte bort under dekantering (dagar 280 - 290)... När blandningen återförs till tillräcklig intensitet (dag 300), är de ackumulerade fasta ämnen avlägsnades gradvis (dagar 305 - 330), och systemet återgår till stabila koncentrationer av fast substans.

ig7.jpg "/>
Figur 7. Teoretiska förhållandet mellan koncentrationen av en konservativ kemiska species och den hydrauliska lagringstid (HRT) på ett idealiskt CSTR-system. Vid tre HRTs den verkliga koncentrationen av ett kemiskt ämne [C] i kokaren är 95% av den hos den initiala koncentration närvarande i inmatningen [C 0].

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Rötning system som presenteras i denna artikel ger en allmän introduktion och några grundläggande riktlinjer för behandling av de flesta underlag i en experimentell sammanhang. Den stora variationen av substrat typer, rötkammaren konfigurationer, driftsparametrar, och även den unika ekologi blandade mikrobiella bakom dessa system utesluter beskriver hårda kvantitativa mått som kan tillämpas universellt. Trots allt detta variation, alla anaerob nedbrytning system följer en väldefinierad rad biologiska nedbrytningsvägar, som förmedlas av fysikaliska och kemiska processer vars principer är väl förstådda och kan tillämpas på alla system. Det är från dessa grundläggande principer, tillsammans med väl dokumenterade operativa observationer som rapporterats i litteraturen, att vi rapportera dessa optimala intervall för systemets parametrar och lämpligt system metoder drift. De citerade parametrar är kopplade till varandra och spelar en viktig rolli rötning processen. En grundlig förståelse av dessa inbördes förbättrar avsevärt operatörens förmåga att känna igen och åtgärda systemfel. Texten, "Anaerob Bioteknik: för Industriella avloppsvatten" av Speece ger en ganska omfattande katalog av relevant drift och ämnen övervakning i rötning för dem som söker ytterligare insikt och förklaring 10.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Inga intressekonflikter deklareras.

Acknowledgements

Denna forskning stöds stöds av USDA genom National Institutes of livsmedels-och jordbruksorganisation (NifA), licensnummer 2007-35504-05381, genom bidrag nr. 58.872 från NYSERDA och NYC-123.444 genom Cornell University Agricultural Experiment Station: s federala formel medel från 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