Kontinuierlich-gerührt anaeroben Faulbehälter zu Bio-Abfälle in Biogas umwandeln: System-Setup und Grundlagen der Bedienung

Published 7/13/2012
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Bioengineering

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Summary

Labor-Faultürmen den Wissenschaftlern ermöglichen, neue Wege der Optimierung bestehender Anwendungen von anaeroben biotechnologische Forschung und die Methan bildende Potenzial von verschiedenen organischen Abfällen zu bewerten. Dieser Artikel stellt eine verallgemeinerte Modell für den Bau, Impfung, Betrieb und Überwachung eines im Labormaßstab kontinuierlich gerührt anaeroben Faulbehälter.

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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

Anaerobe Vergärung (AD) ist eine Bioprozess, die häufig verwendet wird, um komplexe organische Abfälle in ein nützliches Biogas umwandeln mit Methan als Energieträger 3.1. Zunehmend wird AD in industriellen, landwirtschaftlichen und kommunalen Abfällen (Wasser-) Behandlung Anwendungen 4,5 verwendet. Die Verwendung von AD-Technologie ermöglicht Anlagenbetreibern Entsorgungskosten reduzieren und ausgleichen Energieversorger Aufwendungen. Neben der Behandlung von organischen Abfällen, werden Energiepflanzen in die Energieträger Methan 6,7 umgewandelt. Da die Anwendung der AD-Technologie erweitert für die Behandlung von neuen Substraten und Co-Substrat-Gemische 8, auch die Nachfrage nach einer zuverlässigen Testmethode in der Pilot-und Labormaßstab.

Vergärung Systeme verfügen über eine Vielzahl von Konfigurationen, einschließlich der kontinuierlichen Rührkessel (CSTR), Plug-Flow (PF) und anaeroben Sequencing Batch Reactor (ASBR) Konfigurationen 9

Dieser Artikel stellt eine allgemeine Methodik für die Konstruktion, Impfen, Betrieb und Überwachung eines CSAD System zum Zwecke der Prüfung der Eignung eines organischen Substrats für eine langfristige anaeroben Vergärung. Der Bau dieses Artikels umfassen die Errichtung der Laborreaktor System. Die Impfung Abschnitt wird erklärt, wie eine anaerobe Umgebung geeignet für die Aussaat mit einer aktiven methanogenen Impfstoff zu schaffen. Das operative Abschnitt werden die Bedienung, Wartung und Fehlerbehebung. Die Überwachung Abschnitt stellt Ihnen Prüfprotokolle unter Verwendung von Standard-Analysen. Die Verwendung dieser Maßnahmen ist ausreichend für eine zuverlässige Experimenten zur Beurteilung der Eignung für AD Substrats. Dieses Protokoll sollte einen größeren Schutz gegen ein häufiger Fehler in AD-Studien gemacht, die zu dem Schluss, dass Reaktor Versagen durch das Substrat verursacht worden ist, biete ichn Einsatz, wenn es wirklich falsche User-Betrieb 10 war.

Introduction

Vergärung (AD) ist eine ausgereifte Technologie mit den biologisch vermittelte Umwandlung von komplexen organischen Abfälle in nützliche Substrate Biogas mit Methan als Energieträger. Es gibt viele Vorteile der anaeroben Behandlung, einschließlich der minimalen Energie-und Nährstoffzufuhr und reduzierte Biofeststoffe Produktion im Vergleich zu aeroben Behandlung 10. Darüber hinaus macht die Vielseitigkeit des gemischten mikrobiellen Gemeinschaft innewohnenden zu diesen Systemen eine Vielzahl von organischen Substraten geeignet als Einsatzstoffe 11,12. Tatsächlich ist es aufgrund dieser Vorteile, dass eine wachsende Zahl von Anwendungen für die AD wird außerhalb der konventionellen kommunalen Abwasserreinigung, insbesondere in den industriellen, städtischen (zB Speisereste), 4,7,13 und Landwirtschaft verabschiedet. AD erlebte seine erste große Verbreitung zu Beginn in den 1980er Jahren als Reaktion auf die nationale Energiekrise des vergangenen Jahrzehnts. Die Welt steht vor einer wachsenden globalen Energiekrise,gekoppelt mit Umweltzerstörung, wird mehr Aufmerksamkeit nun auf Biokraftstoff-Technologien und dem Waste-to-Energie-Konzept insbesondere platziert. Zum Beispiel in den USA, können anaerobe Vergärung erzeugt 5,5% der gesamten elektrischen Energie benötigt 8.

Dies hat die Nachfrage nach gut kontrollierten experimentellen Forschung an der Pilot-und Labor-Maßstab vergrößert, um die Eignung der neuen organischen Reststoffen und Abfällen Mischungen für die anaerobe Vergärung 14 zu beurteilen. Wir beabsichtigen, ein generisches Modell für den Bau, Impfung, Betrieb und Überwachung eines im Labormaßstab anaeroben Faulbehälter, die als geeignet für robuste Abschätzungen liefern. Biogasanlagen gibt es in vielen verschiedenen Konfigurationen. Ein paar gemeinsame Konfigurationen beinhalten die: Tankreaktor (CSTR) mit kontinuierlicher Zulauf Fütterung kontinuierlich gerührt; ständig gerührt Faulbehälters (CSAD) mit periodischen Zulauf Fütterung; Plug-Flow (PF), Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB); anaeroben wandernde Decke Reaktor (AMBR); anaeroben Reaktor verwirrt (ABR) und anaeroben Sequencing Batch Reactor (ASBR) Konfigurationen 9,15. Der CSTR und CSAD Konfiguration wurden weitgehend für Labor-Experimente durch seine einfache Einrichtung und günstigen Betriebsbedingungen angenommen. Durch kontinuierliches Mischen, ist die hydraulische Verweilzeit (HRT) gleich der Schlammverweilzeit (SRT). Die SRT ist die wichtige Design-Parameter für ADS. Die Konfiguration ist auch förderlich für kontrollierte Experimente, weil eine größere räumliche Gleichförmigkeit von Parametern, wie z. B. chemische Spezies Konzentration, die Temperatur und Diffusionsraten. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass die optimale Full-Scale-Konfiguration für eine anaerobe digester auf den speziellen physikalischen und chemischen Eigenschaften des organischen Substrats unter anderem nicht-technische Aspekte, wie Soll Ablaufqualität abhängt. Zum Beispiel, verdünnen Abfallströme mit relativ hohen Gehalt löslichen organischen und little Partikel, wie zB Abwasser in der Brauerei, in der Regel mehr erleben Energieumwandlung in einem High-Rate Upflow Bioreaktor-Konfiguration (zB UASB) statt einer CSAD Konfiguration. Unabhängig davon gibt es grundlegende Betriebsparameter, die wesentlich für erfolgreiche Verdauung und relevant für alle Konfigurationen, die eine generische Explikation mit dieser Konfiguration zu rechtfertigen sind.

In der Tat wird jeder Anzeige-System enthält eine vielfältige, offene Gemeinschaft von anaeroben Mikroben seriell verstoffwechseln das Substrat zu Methan (das letzte End-Produkt mit der niedrigsten verfügbaren freien Energie pro Elektron). Die Stoffwechselwege in diesen Prozess eingebunden bilden ein komplexes Nahrungsnetz locker in vier trophische Stufen eingeteilt: Hydrolyse, Säurebildung; Acetogenese; und Methanogenese. In Hydrolyse werden von organischen Polymeren (z. B. Kohlenhydrate, Lipide und Proteine) bis auf die jeweiligen Monomere (z. B. Zucker, langkettige Fettsäuren und Aminosäuren) durch hyd defektrolyzing, fermentative Bakterien. In Acidogenese, werden diese Monomere von säurebildenden Bakterien flüchtigen Fettsäuren (VFAs) und Alkohole, die im Acetogenese, ferner zu Acetat und Wasserstoff werden homoacetogenic und obligatorische Wasserstoff-produzierenden Bakterien oxidiert, respektvoll 5 fermentiert. Im letzten Schritt der Methanogenese werden Acetat und Wasserstoff zu Methan und acetoklastische hydrogenotrophe methanogenen metabolisiert. Es ist wichtig zu erkennen, dass die Gesamtanzahl AD-Prozesses, indem auf eine miteinander verbundene Reihe von Stoffwechsel von verschiedenen Gruppen von Mikroben, werden über die erfolgreiche Funktion jedes Elements ab, bevor das System als Ganzes optimal ausführen soll. Die Konzeption und den Bau eines AD-Bioreaktor-System sollte immer in Betracht ziehen, um die Anforderung vollständig zu versiegeln den Bioreaktor. Klein Löcher in der Oberseite des Bioreaktors (Trennen des Headspace) oder in der Gasphase-Handling-System kann es schwierig sein zu erkennen, und daher sollte das System Druckunterschiedesicher, dass vor dem Einsatz überprüft. Nachdem sichergestellt wurde, eine leckfreie Setup, Ausfälle mit anaeroben Faulbehälter Studien resultieren oft aus Fehlern bei der Impfung, Kultivierung, und Tag für Tag den Betrieb. Als Ergebnis haben Fermenter einen Ruf als intrinsisch instabil und anfällig für unerwartete Ausfälle. Warum ist es dann, dass Full-Scale Fermentern unter stabilen Bedingungen für Jahrzehnte 13 operiert worden? Das Scheitern ist wahrscheinlich durch unsachgemäße Handhabung durch den Bediener ergeben sich, vor allem während des Starts, während der die mikrobielle Gemeinschaft langsam auf die organischen Abfälle Zusammensetzung und Stärke muss akklimatisieren. Deshalb ist es unser Ziel, nicht nur eine Methodik für den Aufbau eines AD-System bieten, sondern auch Aufklärung der Prozesse der Impfung, den Betrieb und die Überwachung dieser Systeme.

Der erste Abschnitt des Artikels wird erklärt, wie die CSTR oder CSAD System zu konstruieren, während der zweite Abschnitt wird ein Verfahren für die Fermenter aktive Impfung mit methanog bietenENIC Biomasse. Es ist praktischer und weniger zeitaufwendig zu Faulbehälter mit aktiver Biomasse aus methanogenen impfen die Mixed-Schnaps oder Abwasser eines Betriebssystems Kocher, der eine ähnliche Behandlung von Substrat, als zu versuchen, um eine ausreichende Biomasse aus einer beginnenden Kultur entwickeln wird. Der dritte Abschnitt des Artikels wird decken die Überlegungen, wie Fütterung Substrat, Dekantieren Abwasser und Behebung verschiedener Probleme Reaktor. Zuführen Substrat und Dekantieren Abstrom für dieses System wird auf der semi-kontinuierlicher Basis durchgeführt werden (dh periodische Zuführen und Dekantieren, während die meisten der Biomasse und gemischte Flüssigkeit bleibt im Bioreaktor). Die Häufigkeit, in der die digester gefüttert / dekantiert ist das Vorrecht des Betreibers. In der Regel wird Fütterung / Dekantieren häufiger und in regelmäßigen Abständen für eine stärkere Fermenter Stabilität und Konsistenz in der Leistung zwischen Fütterung Zyklen. Der vierte Abschnitt stellt eine grundlegende Monitoring-Protokoll, um während der Erfah verwendet werdenrimentellen Periode. Mehrere Standard-Analysen, die in Standard-Methoden zur Prüfung von Wasser und Abwasser 16 (Tabelle 1, 2) beschrieben werden, werden für die Charakterisierung des Substrats und der richtigen System-Monitoring erforderlich. Zusätzlich zu den Messgrößen, ist ein wichtiger Aspekt der Überwachung, um zu überprüfen, dass die Kochersystem Komponenten ordnungsgemäß funktionieren. Die regelmäßige Wartung, um den Fermenter System zuvorzukommen großen System Probleme, die sonst gefährden könnten die langfristige Performance und Stabilität des Kochers. Zum Beispiel könnte ein Ausfall des Heizelements, was zu einem Absinken der Temperatur, die Ansammlung von flüchtigen Fettsäuren durch Verringerung der metabolischen Rate von methanogenen verursachen. Dieses Problem würde verstärkt, wenn das System nicht über ausreichende Alkalität, den pH oben hemmende Ebenen für Methanogenen aufrecht zu erhalten. Es ist auch wichtig zu erkennen und zu schließen, mögliche Leckagen nach unerwarteten Rückgang der Biogasproduktion Rattees. Daher Überschneidungen innerhalb des experimentellen Designs durch, zum Beispiel laufen zwei Bioreaktoren Side-by-Side unter die genauen Einsatzbedingungen, ist wichtig, unerwartete Performance-Verluste, die durch Fehlfunktionen des Systems, wie zum Beispiel kleine Lecks verursacht werden.

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Protocol

1. Digester Construction

  1. Wählen Sie einen Gärbehälter, die alle Funktionen in Bild enthält. 1 (ein Kegel ist nicht notwendig), und den gewünschten Arbeitsvolumen (in der Regel zwischen 1-10 L). Wenn Ihr Kessel angesaugt wird nicht mit einer beheizten Wasser-Jacke ausgestattet, stellen Sie den Fermenter in einer anderen Umgebung mit kontrollierter Temperatur, wie z. B. einem beheizten Wasserbad oder Inkubationskammer.
  2. Sichern des Behälters in einer vertikalen Position in einem Bereich mit ausreichender horizontalen Stellfläche für die Platzierung der übrigen Komponenten (Tabelle 2).
  3. Konstruieren Sie den Behälterdeckel nach Abb. 2. Die Häfen von Zu-und Ablauf Röhren sollte breit genug sein, um Verstopfung zu verhindern. Die Rohre innerhalb des Bioreaktors sollte lang genug sein, um im Kocher Medium beim Abfüllen unter Wasser bleiben, während sich aus der Oberseite des Deckels, um die Befestigung der Röhre zu erlauben. Das Laufrad Ummantelung sollte so weit wie möglich zu verlängernlich in den Fermenter Medium (die unter Wasser Schlauch und Mantel zu verhindern Kopfraum Biogas entweicht den Bioreaktor).
  4. Silikon-basierte Vakuumfett auf die Kontaktfläche des Deckels und festklemmen, um dem Kessel oben.
  5. Sichern Sie den Mischer mit variabler Geschwindigkeit parallel zur vertikalen Achse des Kochers die mit einem Ring-Ständer und Klammern, dann anbringen Laufradwelle. Wegen der Mischer-Motor Vibrationen und Bewegung ist es wichtig, eine unabhängige und frei beweglichen Stativ verwenden.
  6. Schließen Sie einen Abschnitt des flexiblen Schlauches an beide Zu-und Ablauf Rohre und schließen Sie dann einen anderen Abschnitt der Schlauch an der Gas-Anschluss, als die Gasleitung verwendet werden.
  7. Verbinden der Biogas bis hin zu jeder der verschiedenen Komponenten, die oberhalb des Kochers im Regal platziert werden kann. Die Komponenten sollten in dieser Reihenfolge angeschlossen werden: Probenahme-Port-, Schaum-Falle, H 2 S-Wäsche-, Gas-Reservoir, Sprudler, Gaszähler und Entlüftungsleitung (Abb. 3). Um die Isolation zu erleichtern oder erneutfernung der einzelnen Komponenten für die Fehlersuche oder Reinigungszwecken, erwägen Sie Ventile und Armaturen Connecter zwischen den Komponenten. Stellen Sie sicher, dass der Gasaustritt ordnungsgemäß an der Außenseite oder einer chemischen Haube belüftet, weil Biogas ist explosiv.
    1. Die Gasentnahme Port sollte in der Nähe des Reaktors Headspace positioniert werden.
    2. Der Schaum Falle kann unter Verwendung einer einfachen Kolben oder eine Flasche ist, und mindestens 25% des Reaktorvolumens sein. Es sollte zwei Anschlüsse, einen für die Biogas-Zuleitung und die andere für die Biogas-Auslassleitung. Diese Ports können durch Bohren zwei Löcher in einen Gummistopfen, durch die starre Rohre eingesetzt werden. Die Biogas-Einlassrohr sollte zu einer größeren Tiefe als die Biogas-Auslassrohr (Abb. 4) zu verlängern. Schaum Trapping ist notwendig, um die Gas-Handhabungs-System möglich Kocher Schaum zu schützen.
    3. Das H 2 S-Wäsche besteht aus einer langen Glasröhre mit einem inneren Durchmesser größer als 2 cm, mit stee gefülltl Wolle mit einer Biogas-Ein-und Auslass-Anschluss an beiden Enden. Die Stahlwolle sollte gut verpackt sein, um genügend Fläche zum Abisolieren bieten, aber nicht so fest, dass Biogas-Fluss blockiert wird. Scrubbing ist notwendig, um Metallkomponenten in der Gaszähler von ätzenden Chemikalien zu schützen.
    4. Der Gasspeicher kann aus jedem zusammenklappbar, luftdichten Material hergestellt werden, wie zum Beispiel einem Gassack, oder sogar einen Spielplatz für Kinder Ball, mit einem Volumen von mehr als zweimal die angestrebte Fördervolumen. Dies ist notwendig, um einen Druckabfall beim Abfüllen Abstrom und mögliche Luftansaugung in den Kopfraum zu verhindern.
  8. Wenn das System die Temperatur durch ein zirkulierendes Wasser-Heizung gesteuert werden, verbinden Sie die Heizung auf den Heizmantel mit flexiblen Schläuchen. Stellen Sie das Gerät über dem Flüssigkeitsspiegel des Heizmantels. Stellen Sie die Heizung auf die entsprechende Temperatur für mesophile oder thermophile Vergärung (Tabelle 1).
  9. Führen Sie eine Dichtheitsprüfung des Systems durch die Lecksuche mit soapy Wasser. Beginnen Sie mit dem Befüllen der Fermenter Tank mit Wasser, dann leicht unter Druck zu setzen, die am Zulauf Linie mit einem Gas auf einen Druck von weniger als 5 psi. Zunächst klemmen Sie die Biogas-Linie und Abwasserleitungen auf Dichtheit um den Reaktor Deckel zu überprüfen, und entfernen Sie dann die Linie Biogas-Klemme zum Auffinden undichter Stellen für das gesamte Gas-Handling-System zu testen. Beachten Sie, dass Überdruck des Zulaufs Linie wird Wasser verdrängen durch das Laufrad Hüllrohr.
  10. Drehen des Laufrades und Heizelement und lassen über Nacht laufen, um sicherzustellen, dass der Mischer und Heizung kann Dauerbetrieb zu erhalten. Die Drehzahl des Laufrades sollte schnell genug sein, um eine vollständige Vermischung der Reaktor Medien. Gemeinsame Mischer Probleme umfassen Fehlausrichtung, übermäßige Reibung der Welle, und unzureichende Befestigung des Motors an den Ring-Stand.

2. Digester Beimpfung und Konditionierung mit einem Active methanogenen Biomasse

  1. Bewahren Sie das aktive methanogenen Biomasse (Inokulum) in einem closed Behälter im Kühlschrank bei 4 ° C während der Vorbereitung der Faulbehälter. Idealerweise sollte das Inokulum für so wenig Zeit wie möglich gelagert werden und es sollte genug sein, um vollständig zu füllen das gesamte Volumen des Fermenters. Allerdings können bestimmte anaerobe Biomasse (zB körnige Biomasse) für sehr lange Zeiträume gespeichert werden. Verdünnen Sie das Inokulum mit Wasser, das mit einer anaeroben Gas an die entsprechende Lautstärke bei Bedarf gespült wurde.
  2. Spülen Sie die leeren Fermenter mit anaeroben Gas für einige Minuten durch den Anschluss an die Magensonde, Einspannen des Abwassers Linie, und Abkleben des Raumes zwischen dem Mischer Achs-und Mantel zu übermäßigen Verlust von anaeroben Gas zu verhindern.
  3. Während der Spülung Zeitraum, stellen Sie sicher zu spülen-out der Gasspeicher.
  4. Nach dem Spülen abgeschlossen ist, schließen Sie einen Trichter auf die Einfüllöffnung und fügen Sie das Inokulum und achten Sie auf das Inokulum in regelmäßigen Abständen zu mischen, um Einheitlichkeit zu gewährleisten.
  5. Schließen Sie das anaerobe Gas an die Magensonde, Turn-Mixe auf derr, und spülen Sie die Kocherflüssigkeit für mindestens 15 min. Dann ziehen Sie das Gas, klemmen Sie den Einfüllstutzen und ausspannen Gasspeicher. Dieser Kocher ist jetzt in Betrieb.
  6. Lassen Sie den Kocher, um für ein paar Tage vor Beginn der Fütterung zu betreiben und überwachen die Produktion von Biogas. Während dieser Zeit auszuführen Gesamtfeststoffe und flüchtigen Feststoffkonzentration Analyse für das Inokulum (Tabelle 1). Wenn die Feststoffkonzentration wesentlich größer ist als der des Targets gemischten Liquor Konzentration, zu entfernen und zu verdünnen Kocher Inhalt entsprechend vor Beginn Fütterung. Dies geschieht, um übermäßiges Auswaschen der Biomasse während der Betriebsdauer, die die Lebensmittel an Mikroorganismen (F / M)-Verhältnis kann auch stark ansteigen während der Anlaufphase zu verhindern.
  7. Bestimmen Sie die organischen biologisch abbaubaren Teil von dem Substrat durch die Messung entweder die totale und flüchtigen Feststoffkonzentration, biologischen oder chemischen Sauerstoffbedarf, oder gesamter organischer Kohlenstoff des Substrats. Verwenden Sie this-Wert, eine konservative anfänglichen organischen Raumbelastung (OLR) zu berechnen.
  8. Der Betreiber sollte schrittweise Erhöhung der OLR, bis ein Sollwert erreicht ist (Start-up-Periode). Ein Ansatz, während der Start-up-Periode ist es, die organische Kraft des Futters zu fixieren, und dann reduzieren Sie die hydraulische Verweilzeit (HRT) schrittweise, bis das Ziel erreicht wird OLR (ein Prozess, der mehrere Monate dauern kann bis zu einem Jahr je nach Qualität des Inokulums und das verwendete Substrat). Die Erhöhung der OLR zu schnell wird, dass übermäßige Konzentrationen von flüchtigen Fettsäuren (> 2.000 mg / L als Acetat) wie in Abb. führen. 5. Der Betreiber sollte reduzieren die OLR wenn Konzentrationen flüchtiger Fettsäuren auf suboptimale Niveaus (Tabelle 1) zu erhöhen. Wenn die flüchtigen Fettsäure-Konzentrationen zu hoch sind, kann der Inhalt des Bioreaktors müssen mit Wasser verdünnt werden.
  9. Erlauben Sie dem Kocher einen Zeitraum von drei Hrts auf das Ziel OLR vor dem Experiment eine sta schaffen, umBLE Grundlinie Zustand.

3. Digester Betrieb

  1. Abwasser Dekantieren immer vor Substrat Neben dem Fermenter, so unmittelbar vor dem Dekantieren, bereiten Sie die Futtermischung und lagern bei 4 ° C, bis es Zeit ist zu füttern.
  2. Dekantiert Abstrom aus dem Kocher durch Verbinden des Abwassers einen Schlauch mit einer Pumpe (Seitenarm Kolben unter Vakuum ist eine Möglichkeit, Dekantieren) und Entfernen des gleichen Volumens gegenüber dem Fördervolumen. Bewahren Sie das Abwasser bei 4 ° C für eine spätere Analyse. Beachten Sie, dass eine Vielzahl der Analysen zeitkritisch sind. Zum Beispiel sollte der pH-Wert unmittelbar gemessen werden, da CO 2 aus der Lösung entweicht, wodurch der pH.
  3. Entfernen Sie die Futtermischung aus dem Kühlschrank. Schließen Sie einen Trichter auf den Einfüllstutzen geben und im Futter (Substrat) darauf achten, regelmäßig zu mischen, um sicherzustellen, dass die Feststoffe in bekommen mit dem Fluid durchgeführt.
  4. Führen Sie Schritte zur Fehlerbehebung in Tabelle 3 dargestellt, wenn neforderlich.

4. System-Monitoring

  1. Überprüfen Sie den Kocher Systems und seiner Komponenten während des Betriebs häufig. Besonderes Augenmerk sollte auf den Misch-und Heizungsanlagen bezahlt werden. Unzureichendes Mischen wird sich in einem abrupten Rückgang der Abwasser Feststoffkonzentration (Abb. 6). Überprüfen Sie regelmäßig, dass das Öl oder Wasser in den Gaszähler ist auf der entsprechenden Ebene und ersetzen Sie die Stahlwolle in der H 2 S-Falle, wie gebraucht. Beachten Sie, dass die Stahlwolle wird schwarz und glänzend, wie es mit H 2 S reagiert auf Eisensulfid bilden.
  2. Führen Sie diese Analysen auf digester-Abwasser-System zur Diagnose von Performance und Stabilität. Die Werte sollten konsequent innerhalb des angegebenen optimalen Bereich in Tabelle 1 angegeben fallen.
    1. Messen Sie die Biogasproduktion Rate und pH-Wert jeder Fütterung Zyklus.
    2. Messen Sie die Konzentration flüchtiger Fettsäuren, Alkalität, Biogas und Inhalt mehrmals in der Woche.Hinweis: Die Biogas-Inhalt sollte zur gleichen Zeit in Bezug auf die Fütterung Zyklus gemessen werden, da ihre Zusammensetzung ändert sich im Laufe des Zyklus. Idealerweise sollte das Biogas am Ende eines Zuführungszyklus abgetastet werden, unmittelbar vor der Fütterung.
    3. Messen Sie die biologischen oder chemischen Sauerstoffbedarf und insgesamt flüchtigen Feststoffen und einmal pro Woche oder öfter, mindestens drei Datenpunkte für jeden experimentellen Zustand am pseudo-stationären Bedingungen zu erhalten.

5. Repräsentative Ergebnisse

Erfolgreiche Impfung von den Fermenter wird durch die Produktion von Biogas innerhalb von einigen Tagen markiert. Das Methan zu Kohlendioxid-Verhältnis des Biogases wird während der Eingewöhnungszeit zu erhöhen, da mehr methanogenen Biomasse wird rekrutiert. Das langsame Wachstum der Methanbakterien im Vergleich zu acidogens macht lange Zeiträume und allmähliche Akklimatisierung betriebliche Veränderungen notwendig. In Abb. 5, zeigen wir die dynamische Verantwortungse von einem Faulbehälter, wenn ein hoher Raumbelastung (OLR) zu früh in der Anlaufphase wird eingeführt. In diesem Beispiel keine ausreichenden methanogenen Biomasse zu entfernen, (dh, zu verwenden) die flüchtigen Fettsäuren (VFAs) von dem Substrat Abbauschritt, Acidogenese entwickelt. Dies führte zu einer Akkumulation von VFAs, und anschließend wird eine Absenkung des pH. Um diese Situation zu bereinigen, wurde die OLR reduziert, um die Produktion der flüchtigen Fettsäuren durch acidogens zu begrenzen und zu einer größeren methanogenen Rekrutierung vor der Rückkehr in die höhere OLR ermöglichen. Die Fermenter dann ausgestellt stabile Verdauung für drei hydraulischen Aufbewahrungsfristen.

Stabile Verdauung oder pseudo-stationären Bedingungen kann davon ausgegangen werden, wenn die gemessenen Parameter, wie zB die Erzeugung von Biogas pro Jahr, Gesamtrendite VFA-Konzentrationen flüchtiger Feststoff-Konzentrationen und pH-Werte, konsequent werden innerhalb von 10% ihres durchschnittlichen Werten gehalten werden, für ein Minimum Zeitraum von einem HRT. Die Bedeutung dieser Zuteilung wird enthüllt in Abb. 6, die die längere Reaktionszeit des CSTR-System auf eine Störung verursacht durch unzureichendes Mischen zeigt. Das Fehlen einer angemessenen Mischung erlaubt die Feststoffe im Reaktor, die weniger Feststoffe während Abwasser Dekantieren entfernt wurden bedeutete begleichen. Ihre Akkumulation führte zu höheren Abwasser Feststoffkonzentrationen nach ausreichender Durchmischung wurde wiederhergestellt. Es dauerte ungefähr eine HRT (dh 25 Tage), um den Fermenter zu einem normalen Abwasser Feststoffkonzentration zurückzukehren.

Eine anaerobe Fermenter ist ein biologisches System, so wird es noch einige interne Variabilität in der Leistung zu zeigen. Diese Variabilität zu quantifizieren, bevor der Experimentator die spezifischen Effekte von experimentellen Störungen auf das System (die ordnungsgemäße Verwendung der Statistiken erforderlich ist) auferlegt verursacht erkennen kann. Drei HRT Zeiten erforderlich sind, bevor eine experimentelle Änderung des Reaktorsystems hergestellt ist, da dies im Allgemeinen eine ausreichende Zeit als stabile Konzentrat davonIonen der chemischen Spezies in der gemischten Flüssigkeit (Abb. 7). Am Ende dieses Intervalls, sollte der Experimentator der Lage sein, einen zuverlässigen Ausgangswert für jeden gemessenen Parameter zu konstruieren. Diese Ausgangsbasis dient als Vergleichsbasis für zukünftige Experimente.

Die allgemeine Leistung des Kochers kann über die Monitoring-Protokoll, was bedeutet, dass verschiedene Standard-Analysen routinemäßig ausgeführt werden müssen beurteilt werden. Dieser Zeitplan stellt ausreichende zeitliche Auflösung zu Vorläufern für die meisten Systemprobleme und der Lee-Zeit, sie zu verhindern, zu identifizieren. Darüber hinaus werden die Ergebnisse dieser diagnostischen Tests soll in Verbindung mit Tabelle 1 verwendet werden, um suboptimale Performance zu identifizieren. Tabelle 3 bietet Lösungen für viele der Probleme, die auftreten, wenn typischerweise Einstellung eines Kochers. Für den Fall, dass ein Problem nicht gemäß den Anweisungen darin skizzierten behoben werden, sollte der Betreiber konsultieren anderen ResCES, eine Bezugnahme Text, der zu anaeroben Biotechnologie.

Betriebsparameter Standard Methods Index Typischer Bereich Extreme-Serie
Mesophilen Thermophilen Mesophilen Thermophilen
Temperatur 2550 (A) 32-37 17 ° C 50-60 17 ° C 20-42 17 ° C 45-65 17 ° C
Raumbelastung NL 0,8 bis 2,0 17 g
VS-L -1-d -1
1,5 bis 5,0 17 g
VS-L -1-d -1
0,4 bis 6,4 17 g
VS-L -1-d
1,0 bis 7,5 17 g
VS-L -1-d -1
Hydraulische Retention Time NL 15 bis 35 Tage <15,> 35 Tage
Kohlenstoff: Stickstoff-Verhältnis NL 25:1 17 > 25:1
Monitoring-Parameter Standard Methods Index Optimale Reichweite Suboptimalen Bereich
pH-Wert 4500-H + (B) 6,5 bis 8,2 10 <6,5;> 8,2
Alkalinität 2320 (B) 1300 - 3000 17
mg CaCO 3-L -1
mg CaCO 3 - L-1
Flüchtigen Säuren 5560 (C) <200 10
mg Ac-L -1
> 200 10
mg Ac-L -1
Der Wirkungsgrad 2540 (B, E) > 50% <50%
Biogas Inhalt 2720 ​​(C) 55-70 CH 4, CO 2 30-45% <55 CH 4,> 45% CO 2

Tabelle 1. Allgemeine Bedienung Auswahlhilfe und Überwachung der Parameter für CSTR-Systeme.

Komponente Technische Daten (Design-Überlegungen) Kommentare
Temperature-Controlled Umlauf-Wasserheizer Temperaturbereich: 25-65 ° C
(Heizung, max. Förderhöhe, Volumenstrom)
Das erwärmte Wasser muss mit einer ausreichend hohen Durchfluss und mit ausreichendem Druck zu voll zirkulieren geliefert werden.
Probeentnahmeports NA In der Nähe Kopfraum ist ideal.
Schaumfalle Volumen: 25% der Reaktorvolumen Einfache Seitenarm Kolben oder Gläser verwendet werden. Das Gerät sollte für die Reinigung zugänglich.
Schwefelwasserstoff Scrubber (Kontaktzeit des Gases) Glas-oder Kunststoff-Rohre verwendet werden (kein Metall) werden. Sizing Länge sollte ausreichende Kontaktzeit des Gases.
Gasreservoir Volumen:> 2x Abwassermenge; Material: halbelastische (nicht starr) Das Volumen sollte höher sein als bei der Abwasser-de genommenVerkanten. Das Material sollte für die Schrumpfung und Expansion zu ermöglichen.
Bubbler NA Das Druckhöhe vom Wasserstand bereitgestellt zu minimieren, um Druck zu begrenzen Aufbau in dem Gaszuführungssystem werden.
Gaszähler (Gasfluss Erfassungsbereich) Plastic Gaszählern werden über Metall bevorzugt. Der Gasfluss Erfassungsbereich sollte bei den zu erwartenden Biogasproduktion Preise genau.

Tabelle 2. Auxiliary-Reaktor-Komponenten mit technischen Daten und Kommentare.

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Fehlersymptom MÖGLICHE LÖSUNGEN
Häufige Verstopfung der Fütterung oder Abwasser Rohre

• Verwenden Sie Schläuche mit größerem Durchmesser und / oder Armaturen.

• Reduzierung der Partikel-Substrat-Größe (z. B. mit einem Mixer oder Sieb).

• Mischen Sie öfter füttern während der Fütterung.

• Sicherstellen, dass digester-Inhalte vollständig vermischt sind.

Überschäumen

• Reduzieren Sie die OLR

• Reduzieren Sie die Mischintensität im Fermenter.

• Erhöhen Sie den Kopfraum im Fermenter durch eine Verringerung der aktiven digester-Volumen.

Uneinheitliche Biogas-Ausbeute zwischen Faulbehälter repliziert

• Sicherstellen, dass keine Lecks im Gas-Handling-System einer der beiden Faulbehälter sind.

• Prüfen Sie, ob der Gaszähler und Heizelement ordnungsgemäß funktionieren und sind kalibriert.

• Stellen Sie sicher, dass die Futtermischungen äquivalent sind bereit.

Uneinheitliche oder stark schwankende Feststoffkonzentration in ter Abwassers zwischen Faulbehälter repliziert (Abb. 6)

• Stellen Sie sicher, dass die Fermenter Inhalt gut gemischt werden.

• Sicherstellen, dass der Reaktoraustrag Dekantieren Linie zwischen gleichwertigen Reaktoren ist.

Reduzierte Methangehalt im Biogas

• Stellen Sie sicher, dass der pH-Wert im optimalen Bereich für die Methanogenese (dh 6,5 bis 8,2) ist. Wenn nicht, mit sauren bzw. basischen gegebenenfalls zu ergänzen.

• Wenn erhebliche Stickstoff im Biogas erkannt wird (dh> 10%), auf Lecks in der Nähe des Sampling-Anschluss zu überprüfen.

• Bereinigung der Periodizität von Biogas-Sampling.

• Stellen Sie sicher, dass die VFA-Konzentration im optimalen Bereich liegt. Wenn nicht, folgen Schritte zur Problembehandlung für chronisch hohe Konzentrationen flüchtiger Fettsäuren aufgeführt.

Chronisch hohe Konzentration flüchtiger Fettsäuren (Abb. 5)

• Reduzieren Sie die OLR.

• Überwindung von Nährstoffen oder Spurenelementen Metall Mängel durch Ergänzung.

• Überprüfen Sie, ob der Inhalt des Reaktors aus Sauerstoff Intrusion abgedichtet sind.

• Erhöhen Sie Vorschub Taktfrequenz.

• Eliminierung hydraulischen Kurzschluss.

• Überwindung Alkalität Mangel durch Supplementation.

Tabelle 3. Fehlerbehebung Protokoll für Faulbehälter Betrieb.

1
Abbildung 1. Basic-Beispiel für Reaktor-Design: Body Material-Glass; Tubing-Material Edelstahl / Aluminium, Deckel-Material PVC / Plexiglas.

Inhalt "> 2
Abbildung 2. Basic-Beispiel für Reaktordeckel Design: Deckel Material-PVC / Plexiglas; Armaturen-Material Edelstahl / Kunststoff, Tubing-Material Edelstahl / Aluminium.

Abbildung 3
Abbildung 3. System-Diagramm-Komponente Anordnung.

Abbildung 4
Abbildung 4. Basic-Beispiel von Schaum-Trap Design: Jar-Material Kunststoff / Glas; Rohrmaterial-Kunststoff / Glas.

Abbildung 5
Abbildung 5. Typische Reaktion des Systems auf eine hohe Raumbelastung (OLR) während der Reaktor Start-up. Beginnend mit einer OLR von 1,35 GVS-L -1 verursacht die Anhäufung des gesamten flüchtigen Fettsäuren (TVFA). Die Säure Akkumulation CAU sed ein Absinken des pH durch eine Verringerung in Biogas Ausbeute. Durch die Absenkung der OLR bis 1,15 g VS-Tag -1, waren beide Systeme in der Lage sich zu erholen und stellen Sie eine ausreichende methanogenen Biomasse-Konzentration, um eine 1,35 GVS-L -1 OLR tolerieren. Der Unterschied in der pH-Wert und TVFA Anhäufung zwischen Reaktoren zeigt die einzigartige Dynamik des gemischten Gemeinden.

6
Abbildung 6 Typische Reaktion des Systems zu einer unzureichenden Durchmischung (Reaktor A) im Vergleich zu einer ausreichend gemischtes System (Reaktor B) Während schlechte Durchmischung, die Feststoffe auf den Boden des Reaktors ab und werden nicht beim Abfüllen (Tag 280 bis 290) entfernt... Bei der Mischung, um eine ausreichende Intensität (Tag 300) zurückgegeben wird, werden die angesammelten Feststoffe allmählich entfernt werden (Tag 305 bis 330), und das System kehrt zu stabilen Feststoff-Konzentrationen.

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Abbildung 7. Theoretische Beziehung zwischen der Konzentration eines konservativen chemischen Spezies und die hydraulische Verweildauer (HRT) in einer idealen CSTR-System. An drei Hrts die tatsächliche Konzentration einer chemischen Spezies [C] im Fermenter ist, dass 95% des ursprünglichen Konzentration in der Futtermittel [C 0].

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Discussion

Die anaerobe Vergärung System in diesem Artikel vorgestellten bietet eine allgemeine Einführung und einige grundlegende Richtlinien für die Behandlung von den meisten Substraten in einem experimentellen Kontext. Die Vielfalt der Arten Substrat, Fermenter-Konfigurationen, Betriebsparameter und auch die einzigartige Ökologie des gemischten mikrobiellen Gemeinschaft hinter diesen Systemen schließt umreißt harte quantitative Kennzahlen, die universell eingesetzt werden können. Trotz all dieser Variabilität, folgen alle anaeroben Vergärung Systeme ein gut beschriebenes Reihe von biologischen Abbauwege, die durch physikalische und chemische Prozesse, deren Prinzipien sind gut verstanden und kann an alle Systeme angewendet werden kann vermittelt werden. Es ist von dieser grundlegenden Prinzipien, zusammen mit gut dokumentierten operativen Beobachtungen in der Literatur berichtet, dass wir melden diese Bereiche für eine optimale System-Parameter und ordnungsgemäßen Betrieb des Systems Methodologien. Die genannten Parameter sind miteinander verknüpft und spielen eine wichtige Rollein der anaeroben Vergärung. Ein tiefes Verständnis dieser Zusammenhänge verbessert die Betreiber die Fähigkeit zu erkennen und zu beheben System Probleme. Der Text, "Anaerobe Biotechnologie: für industrielle Abwässer" von Speece bietet einen ziemlich umfassenden Katalog von relevanten Bedien-und Beobachtungs Themen in anaeroben Vergärung für diejenigen, die weitere Einblicke und Erläuterungen 10.

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Disclosures

Keine Interessenskonflikte erklärt.

Acknowledgements

Diese Forschung wird unterstützt durch das USDA durch die National Institutes of Food and Agriculture (NIFA), Grant Number 2007-35504-05381 unterstützt; durch Grant No. 58872 von NYSERDA und NYC-123444 durch die Cornell University Agricultural Experiment Station der föderalen Formel Mitteln aus dem 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

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References

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