Sistem Kurulumu ve Temel İşlemler: Organik Atıklardan Biyogaz haline dönüştürme Anaerobik Digester sürekli karıştırılan

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

Laboratuar ölçekli anaerobik çürütücü bilim adamları anaerobik biyoteknolojinin mevcut uygulamaları optimize yeni yollarını araştırmak ve çeşitli organik atıkların metan üretim potansiyelini değerlendirmek için izin verir. Bu makale, sürekli anaerobik çürütücü karıştırılmış bir laboratuvar ölçekli inşaat, aşılama, işletme ve izleme için genel bir modeli tanıttı.

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

Anaerobik sindirim (AD), yaygın olarak enerji taşıyıcısı olarak 1-3 metan ile yararlı bir biyogaz içine kompleks organik atıkları dönüştürmek için kullanılan bir Biyoproses olduğunu. Giderek, AD 4,5 endüstriyel, tarımsal ve evsel atık (su) tedavisi uygulamalarında kullanılmaktadır. AD teknoloji kullanımı tesisi operatörleri atık bertaraf maliyetlerini azaltmak ve enerji programı giderleri mahsup sağlar. Organik atıkların arındırılması ek olarak, enerji bitkileri, enerji taşıyıcı metan 6,7 dönüştürülür ediliyor. MS teknolojinin uygulama, yeni bir substrat ve co-substrat karışımları 8 tedavisi için şekilde genişletmektedir pilot ve laboratuar-ölçekte güvenilir bir test yöntemi için talep yapar.

Anaerobik sindirim sistemi sürekli karıştırmalı tank reaktör (SKTR), tapa akışlı (PF) ve anaerobik ardışık kesikli reaktör (ASBR) yapılandırmaları 9 dahil olmak üzere çeşitli yapılandırmalar var

Bu makale, inşa inokulastonu, işletim, ve uzun vadeli anaerobik için belirli bir organik substratın uygunluğu test edilmesi için bir sistem CSAD izlenmesi için genel bir yöntem sunmaktadır. Bu makalenin inşaat bölümü laboratuar ölçekli reaktör inşa kapsayacaktır. Aşılama bölümü aktif bir metan inokülum ile tohum için uygun bir anaerobik ortam yaratmak için nasıl açıklayacağız. Işletme bölümü işletme, bakım ve sorun giderme kapsayacaktır. Izleme bölümü standart analizleri kullanarak protokolleri test tanıtacak. Bu önlemlerin kullanımı AD için substrat uygunluk güvenilir deneysel değerlendirmeler için gereklidir. Bu protokol reaktör yetmezliği substrat neden olduğu sonucuna olan AD çalışmaları yapılan bir yaygın hata, karşı daha fazla koruma sağlamalıdır igerçekten yanlış kullanımın 10 yaşındayken n kullanımı.

Introduction

Anaerobik sindirim (AD) enerji taşıyıcı olarak metan faydalı biyogaz içine kompleks organik atık substratlarının biyolojik aracılı dönüşüm içeren olgun bir teknolojidir. Aerobik arıtma 10 oranla az enerji ve besin giriş ve azaltılmış biyosolidlerin üretim dahil anaerobik arıtma birçok faydaları vardır. Buna ek olarak, bu sistemler için doğal karışık mikrobik topluluğunun yönlülüğü feedstocks 11,12 gibi uygun bir organik alt-tabakalar arasında, bir çok çeşitli vermektedir. Gerçekten de, AD uygulamaları giderek artan sayıda, özellikle sanayi, (örneğin, gıda atığı) belediye ve tarım sektörlerinde 4,7,13 konvansiyonel belediye atık su arıtma, dışında kabul edilmektedir ki bu faydaları nedeniyle. AD önceki on ulusal enerji krizine yanıt olarak 1980'lerde ilk büyük çoğalmasını başında yaşadı. Dünyada giderek büyüyen bir global enerji krizi ile karşı karşıya kalmışken,çevresel bozulma ile birleşince, büyük bir odaklanma şimdi biyoyakıt teknolojileri ve özellikle atık-enerji kavramı üzerine konuyor. Örneğin, ABD'de, anaerobik sindirim toplam elektrik enerjisi 8 ihtiyacı% 5.5 'üretebilir.

Bu yeni organik atıkları ve anaerobik 14 atık karışımlarının uygunluğunu değerlendirmek için pilot ve laboratuvar ölçekli de iyi kontrollü deneysel araştırma için talep artmıştır. Biz inşaat, aşılama, işletme ve sağlam değerlendirmeler için uygun olacak bir laboratuvar ölçekli anaerobik çürütücü izlenmesi için genel bir model sağlamak niyetinde. Anaerobik çürütücü birçok farklı konfigürasyonları var. Sürekli periyodik akın beslenme ile anaerobik çürütücü (CSAD) karıştırıldı;; akışlı (PF), Yukarı akışlı anaerobik çamur yatağı (U, sürekli ve etkili olan beslenme ile tank reaktör (SKTR) sürekli karıştırılan: Birkaç ortak yapılandırmalar içerirASB); anaerobik hareketli yatak reaktör (AHYR); anaerobik şaşkın reaktör (ABR) ve anaerobik ardışık kesikli reaktör (ASBR) yapılandırmaları 9,15. CSTR ve CSAD yapılandırma yaygın kurulum ve elverişli çalışma koşulları kolaylığı nedeniyle laboratuar ölçekli deneyler için kabul edilmiştir. Çünkü sürekli karıştırma, hidrolik bekleme süresi (HRT) çamur tutma süresi (SRT) eşittir. SRT ADs için önemli tasarım parametresidir. Yapılandırma, çünkü bu tür kimyasal türlerin konsantrasyonu, sıcaklık ve difüzyon oranları gibi parametreler, daha büyük bir mekansal bütünlük kontrollü deneyler vesile olur. Bu Anaerobik sindirici için optimal tam ölçekli bir konfigürasyon örneğin hedefin atık su kalitesine gibi diğer teknik olmayan yönleri arasında organik katmana özel fiziksel ve kimyasal özellikleri, bağlı olduğu, ancak, not edilmelidir. Örneğin, nispeten yüksek çözünür organik içerik ve Lome, ile atık akımları sulandırmakgibi bira atıksu e parçacık, tipik bir yüksek oranda yukarı akışlı biyoreaktör yapılandırma (örneğin, UASB) yerine CSAD yapılandırma daha fazla enerji dönüşüm yaşar. Ne olursa olsun, başarılı bir sindirim ve bu yapılandırmayı kullanarak genel bir yorumlama haklı tüm yapılandırmalar, ilgili için gerekli olan temel işletim parametreleri vardır.

Gerçekten de, anaerobik mikroplar çeşitli bir açık toplum içeren her AD sistemi metan (elektron başına mümkün olan en düşük serbest enerji ile son ürünün nihai) için substrat seri metabolize olur. ; Acidogenesis; acetogenesis ve metan hidroliz: bu süreçte metabolik yollar karmaşık bir gıda gevşek dört trofik aşamaya kategorize web oluşturmaktadır. Hidroliz, kompleks organik polimerler (örneğin, karbonhidratlar, yağlar ve proteinler) hyd tarafından kendi monomer (örneğin, şekerler, uzun zincirli yağ asitleri ve amino asitler) kadar parçalanır, bakterilerin rolyzing. Acidogenesis, bu monomerlerin acetogenesis içinde, daha da saygıyla 5, homoacetogenic ve zorunlu olarak hidrojen üreten bakteri asetat ve hidrojen ile oksitlenir uçucu yağ asitleri (VFAs) ve alkoller, acidogenic üzere bakteriler tarafından fermente edilir. Metan üretiminin son aşamasında, asetat ve hidrojen asetoklastik ve hydrogenotrophic metanojenler tarafından metan metabolize edilir. Bir bütün olarak sistemin en iyi şekilde gerçekleştirmek için önce genel AD süreci, mikropların farklı gruplar tarafından metabolizmaları bir dizi birbirine güvenerek, her üyenin başarılı işlevi bağlı olacağını tanımak önemlidir. AD biyoreaktör sistemi tasarım ve inşaat her zaman tamamen biyoreaktör mühür dikkate gereksinimi almalıdır. Biyoreaktör üst (tepe boşluğu ayırma) veya gaz işleme sistemi küçük sızıntı tespit etmek zor olabilir ve bu nedenle sistemi pres olmalıdıremin kullanmadan önce test. Bir kaçak-ücretsiz kurulum olduktan sonra, anaerobik çürütücü çalışmalarla hataları genellikle aşılama, kültür ve gün-gün çalışma sırasında hataları kaynaklanıyor. Sonuç olarak, çürütücüler özünde istikrarsız ve beklenmedik hata eğilimli olmak gibi bir üne sahiptir. Neden tam ölçekli çürütücüler yıl 13 stabil şartlarda opere edilen o zaman nedir? Başarısızlık özellikle mikrobiyal topluluğun yavaş yavaş organik atık kompozisyon ve gücü gelmesini gereken sırasında başlangıç ​​döneminde, operatör tarafından hatalı kullanımdan kaynaklandığı muhtemeldir. Bu nedenle hedefimiz AD sistemi oluşturmak için bir metodoloji sağlamak için sadece değil, aynı zamanda aşılama, operasyon ve bu sistemlerin izlenmesi süreçleri aydınlatmak için.

İkinci bölümde aktif methanog ile çürütücü aşılama için bir prosedür sağlayacak süre makalenin birinci bölümünde, CSTR veya CSAD sistemi inşa nasıl açıklayacağızENIC biyokütle. Bu aktif metan biyokütle ile çürütücüler aşılamak için zaman alıcı daha pratik ve daha az karışık içki veya yeni başlayan bir kültürden yeterli bir biyokütle geliştirme girişimi için daha benzer bir substrat tedavisinde bir işletim çürütücüsünün atık. Makalenin üçüncü bölümü atık su boşaltma ve çeşitli reaktör sorunlarını giderme, beslenme gibi substrat olarak faaliyet konuları kapsayacak. Substrat Besleme ve bu sistem için atık boşaltma (yani, periyodik besleme ve biyokütle ve karışık içki en biyoreaktör içinde kalırken boşaltma) yarı-sürekli olarak yapılacaktır. Digester beslenir / dekante olduğu frekans operatörün elindedir. Genel olarak, beslenme / daha sık ve düzenli aralıklarla boşaltılması besleme döngüleri arasındaki performans daha çürütücü kararlılığı ve tutarlılığı teşvik edecektir. Dördüncü bölümde Expe sırasında kullanılacak temel bir izleme protokolü tanıtacakrimental dönemi. Su ve Atıksu 16 (Tablo 1, 2) Sınav için Standart Yöntemler özetlenen bazı standart analizleri, zemin ve uygun sistem izleme ve karakterizasyonu için gerekli olacaktır. Ölçülen değişkenlerin yanı sıra, izleme önemli bir yönü digester sistem bileşenlerini düzgün çalışıp çalışmadığını kontrol etmektir. Digester sistemine düzenli bakım aksi digester uzun vadeli performans ve istikrarı tehlikeye sokan önemli sistem problemleri preempt olacaktır. Örneğin, sıcaklıkta bir düşmeye yol ısıtma elemanının bir yetmezliği, metanojenler metabolik oranını azaltmak suretiyle uçucu yağ asitlerinin birikmesine neden olabilir. Sistem metanojenler için inhibitör seviyesinin üstünde pH muhafaza edilmesi için yeterli alkalilik yoksun Bu sorun, bileşik olacaktır. Bu biyogaz üretimi sıçan beklenmedik kesintilere sonra olası sızıntıları tespit etmek ve kapatmak için de önemlidires. Bu nedenle, tarafından deney tasarımı içerisinde kopyalanması, örneğin, tam çalışma şartlarında iki biyoreaktörler yan-yana çalışan gibi küçük bir sızıntı gibi sistem arızaları, kaynaklanan beklenmeyen performansı kayıplar algılamak için önemlidir.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Digester İnşaat

  1. Şekil tüm özellikleri içeren bir çürütücü gemi seçin. 1 (a koni gerekli değildir) ve istenen çalışma hacmi (tipik olarak 1-10 arası L). Sizin çürütme gemi ısıtılmış su ceketi sahip değilse, böyle bir sıcak su banyosu veya inkübasyon odası gibi, diğer bazı sıcaklık kontrollü ortamda digester yerleştirin.
  2. Kalan bileşenleri (Tablo 2) yerleştirilmesi için yeterli yatay tezgah alanına sahip bir alanda dikey konumda gemi sabitleyin.
  3. Şekil göre damar kapak oluşturmak. 2. Giriş ve çıkış boruları liman tıkanmasını önlemek için yeterince geniş olmalı. Biyoreaktör içindeki tüp boru bağlantı sağlamak için, kapak üst kısmından dışarı uzanan ederken, dekantasyon sırasında sindirici orta sokulmasına kalmak için yeterli bir uzunluğa sahip olması gerekir. Kaplama çark kadar pos olarak uzanmalıdırdigester orta (batık tüp ve biyoreaktör kaçan headspace biyogaz önlemek kılıf) içine oluşur düşüncesi vardı.
  4. Kapağın temas yüzeyine silikon tabanlı vakum gres uygulayın ve digester geminin üst bunu kelepçe.
  5. Bir halka standı ve kelepçeler, sonra tutturmak çark mili kullanarak digester dikey ekseni paralel hız ayarlı mikser sabitleyin. Çünkü mikser motoru titreşim ve hareketin bir bağımsız ve özgür hareket standı kullanımı önemlidir.
  6. Giriş ve çıkış tüplerin her iki esnek hortumun bir bölümü bağlanabilir ve daha sonra gaz hattı olarak kullanılmak üzere gaz girişine borunun başka bir bölümü bağlanır.
  7. Raflar üzerinde digester üzerinde yerleştirilebilir çeşitli bileşenleri her biri için biyogaz hattı bağlayın. Bileşenleri bu sırada bağlı olmalıdır: örnekleme noktası, köpük tuzak, H 2 S boy, gaz deposu, bubbler, gaz sayacı, ve havalandırma hattı (Şekil 3). Izolasyon kolaylaştırmak veya yenidensorun giderme amacıyla veya temizlik için tek tek parçaları eleğinin, vanalar ve bileşenler arasındaki bağlayıcı parçaları eklemeyi düşünün. Biyogaz patlayıcı çünkü gaz çıkış düzgün dışında veya kimyasal bir başlık için havalandırılmış olduğundan emin olun.
    1. Gaz örnekleme noktası reaktör headspace yakın yerleştirilmelidir.
    2. Köpük tuzağı basit bir şişe veya şişe kullanılarak imal edilebilir, ve reaktör hacminin en azından% 25 olmalıdır. Bu iki liman, biyogaz giriş hattı için ve biyogaz çıkış hattı için diğer içermelidir. Bu bağlantı noktaları, rijit tüp içine takıldığı bir kauçuk durdurucu vasıtasıyla iki delik ile yapılabilir. Biyogaz giriş tüpü biyogaz çıkış borusu (Şekil 4) daha büyük bir derinliğe kadar uzanmalıdır. Köpük hapsi mümkün çürütücü köpük gaz işleme sistemi korumak için gereklidir.
    3. H 2 S fırçalayıcı Stee ile doldurulmuş 2 cm 'den daha büyük bir iç çapa sahip, uzun bir cam tüp oluşmaktadıriki ucundaki bir biyogaz giriş ve çıkış portu ile l yün. Çelik yün biyogaz akışını bloke olduğunu o kadar sıkı sıyırma için yeterli yüzey alanı sağlamak için iyi paketlenmiş, ancak edilmelidir. Ovma korozif kimyasallara karşı gaz sayacı metal bileşenleri korumak için gereklidir.
    4. Gaz deposu iki kez hedeflenen besleme hacmi aşan hacmi ile, böyle bir gaz torbası, hatta bir çocuk oyun topu gibi, herhangi bir katlanabilir, hava geçirmez malzemeden yapılmış olabilir. Bu tepe boşluğu içine atık su ve olası hava emiş boşaltılması sırasında bir basınç düşüşü önlemek için gereklidir.
  8. Sistem, bir su sirkülasyon ısıtıcı tarafından sıcaklığı kontrol edilecek olursa, esnek boru kullanılarak ısıtma ceketi ile ısıtıcı bağlanabilir. Isıtma ceketi sıvı seviyesinden birimi yerleştirin. Mezofilik ya termofilik sindirim (Tablo 1) için uygun bir sıcaklığa kadar ısıtma ayarlanır.
  9. S ile sızıntı tespit ederek sistemin bir kaçak testi yapınoapy su. Su ile çürütme tankı doldurarak başlayın, sonra hafif bir basınç az 5 psi bir gaz ile hem giriş hattı basınç. İlk olarak, biyogaz hattı ve reaktörün kapağı etrafında sızıntı olup olmadığını kontrol etmek için atık su hatları kelepçe, ve daha sonra tüm gaz işleme sistemi için sızıntı test etmek için biyogaz hattı kelepçe kaldırın. Üreteç hattının aşırı basınç çark kaplama tüp aracılığıyla su zorla unutmayın.
  10. Pervane ve rezistans açın ve karıştırıcı ve ısıtıcı sürekli çalışmasını sürdürmek sağlamak için gece boyunca çalışmasına izin verin. Pervanenin dönme hızı reaktöre ortam karıştırılarak tam sağlamak için yeterince hızlı olmalıdır. Ortak bir karıştırıcı problemleri şaftın kaymalar, aşırı sürtünme ve halka-standına motorun sabitleme yetersiz içerir.

2. Active metanojenik Biyokütle kullanarak Digester Aşılaması ve İklimlendirme

  1. Bir cl aktif metan biyokütle (inokulum) Mağaza4 bir buzdolabında osed konteyner ° C çürütücüler hazırlarken. İdeal olarak, inokulum mümkün olduğunca az süre muhafaza edilmelidir ve tamamen fermentasyon tüm hacminin doldurmak için yeterli olmalıdır. Ancak, bazı anaerobik biyokütle (örneğin granüler biyokütle gibi) çok uzun süre saklanabilir. Uygun hacimde gerekirse oksijensiz bir gaz ile yıkandı su ile inokulum sulandırınız.
  2. , Beslenme tüpü bağlayarak çıkış hattı sıkma ve anaerobik gaz aşırı kaybını önlemek için karıştırıcı mili ve kılıf arasındaki boşluk rubaneuses tarafından birkaç dakika için anaerobik gazı ile boş digester sistemi yıkayın.
  3. Kızarma dönemde, aynı hizada-out gaz rezervuar emin olun.
  4. Yıkama işlemi tamamlandıktan sonra, besleme borusu bir huni bağlayın ve bütünlüğü sağlamak için periyodik inokulum karıştırmak için emin inokulum ekleyin.
  5. MIXE turn-on, besleme borusu anaerobik gaz Reconnectr ve en az 15 dakika digester likör yıkayın. Daha sonra, gazın kesin besleme borusu kelepçesi ve gaz rezervuar çözülme. Bu çürütme artık faaliyettedir.
  6. Digester besleme başlamadan önce bir kaç gün çalışır ve biyogaz üretim izlemek için izin verin. Bu süre zarfında, toplam katılar ve inokulum (Tablo 1) uçucu katı madde konsantrasyonunun analizi. Katı konsantrasyonu hedef karışık likör konsantrasyonu epeyce daha büyükse, besleme başlamadan önce buna göre çürütücü içeriğini kaldırmak ve sulandırın. Bu başlangıç ​​süresince çok keskin Mikroorganizma (E / K) oranı Gıda artırabilir faaliyet döneminde biyokütle aşırı yıkanmaya önlemek için yapılır.
  7. Toplam ve uçucu katı madde konsantrasyonu, biyolojik veya kimyasal oksijen ihtiyacı, ya da yüzeyin toplam organik karbon ya ölçerek substrat organik biyolojik fraksiyonu belirleyin. Thi kullanıns muhafazakar bir başlangıç ​​organik yükleme hızı (OLR) hesaplamak için değer veriyorum.
  8. Bir hedef değer (start-up dönemi) ulaşılana kadar operatörün aşamalı OLR artırmanız gerekir. Başlangıç ​​döneminde bir yaklaşım, hedef OLR (kalitesine bağlı olarak bir yıl birkaç ay sürebilir bir süreç elde edilinceye kadar yem, organik gücü düzeltmek, sonra aşamalı olarak hidrolik bekleme süresi (HRT) azaltmak için inokulum ve kullanılan substrat). of OLR artırılması çok hızlı uçucu yağ asitleri aşırı konsantrasyonları Şekil (> 2.000 asetat gibi mg / L) olarak yol açacaktır. 5.. Uçucu yağ asit konsantrasyonlarını suboptimum düzeyleri (Tablo 1) artması durumunda operatör OLR azaltmak gerekir. Uçucu yağ asit düzeylerini çok yüksek ise, biyoreaktör içeriğini su ile seyreltilmiş gerekebilir.
  9. Deneme bir sta kurmak için önce hedef OLR az digester üç HRTs bir süre izin verble baz hat durum.

3. Digester Operasyonu

  1. Onu beslemek için zaman ° C kadar Atık boşaltma zaman boşaltma öncesinde bunu hemen, Üretece substrat ek öncesinde, 4 yem karışımı ve mağaza hazırlamak.
  2. Bir pompa (vakum altında yan kolu balon şişeden bir olasılıktır) için atık su hortumu bağlanarak özümleyicilerden atık boşaltacaktır ve yem hacmine kıyasla eşit hacimde kaldırın. ° C daha sonra analiz için 4 de atık saklayın. Analizler birçok zaman duyarlı olduğunu unutmayın. CO 2 çözeltisi kurtulur çünkü Örneğin, pH pH artan hemen ölçülmelidir.
  3. Buzdolabından yem karışımı çıkarın. Besleme tüpüne bir huni bağlayın ve katı dökme sıvı ile taşınan olsun emin olmak için periyodik karıştırmak için emin besleme (substrat) dökün.
  4. Ne varsa, Tablo 3'te özetlenen sorun giderme adımları gerçekleştirinyapanlara.

4. Sistem İzleme

  1. Çalışma sırasında sık sık digester sistemi ve bileşenlerini kontrol edin. Özellikle dikkat karıştırma ve ısıtma sistemleri dikkat edilmelidir. Atık katı madde konsantrasyonunun ani bir azalma Yetersiz karıştırma irade tezahür (Şekil 6). Periyodik olarak uygun seviyede gaz metre yağ veya su olup olmadığını kontrol edin ve gerektiğinde H 2 S tuzak çelik yün değiştirin. O demir sülfür oluşturmak üzere H 2 S ile reaksiyona olarak çelik yün siyah ve parlak olacaktır unutmayın.
  2. Sistem performansı ve istikrarı tanısı için atık çürütücü bu analizleri yapmak. Değerleri sürekli olarak Tablo 1'de gösterilen belirtilen optimum aralığı içinde olması gerekir.
    1. Biyogaz üretim hızı ve pH her besleme döngüsü ölçün.
    2. Uçucu yağ asidi konsantrasyonu, alkalinite ve biyogaz içerik birden çok kez bir hafta ölçün.Not: bu bileşimin çevrimi boyunca değişecektir yana biyogaz içeriği besleme döngüsü göre aynı zamanda ölçülmelidir. İdeal olarak, biyogaz hemen önce beslenmesi için bir besleme döngüsünün sonunda örneklenen edilmelidir.
    3. Daha sık bir hafta veya pseudo-kararlı hal koşullarında her deneysel koşul için en az üç veri noktası elde etmek için bir kez biyolojik veya kimyasal oksijen ihtiyacı, toplam ve uçucu katı ölçün.

5.. Temsilcisi Sonuçlar

Çürütücüsünün Başarılı aşılama birkaç gün içinde biyogaz üretimi ile işaretlenir. Daha fazla metan biyokütle işe olarak biyogaz karbondioksit oranı metan aklimatizasyon döneminde artacaktır. Acidogens göre metanojenlerin ve yavaş büyüme uzun alışma süreleri ve kademeli operasyonel değişiklikleri gerekli kılmaktadır. Şek. 5, biz dinamik sorumlu göstermekyüksek organik yükleme hızı (OLR) çok erken başlangıç ​​aşamasında sunulan bir çürütücüsünün se. Bu örnekte, kaldırmak (kullanan, yani) substrat bozulması adım, acidogenesis evrimleştiği uçucu yağ asitleri (VFAs). Yetersiz metan biyokütle vardı Bu VFAs birikimine yol açmıştır, ve pH daha sonra bir azalma. Bu durum, düzeltmek için, OLR acidogens tarafından VFAs üretimi sınırlamak ve daha yüksek OLR dönmeden önce büyük methanogen alım izin verecek şekilde azaltılmıştır. Çürütücülerde sonra üç hidrolik bekletme süreleri için stabil sindirim sergiledi.

Kararlı sindirim veya pseudo-kararlı durum koşulları en az, bu biyogaz üretim oranları, toplam uçucu yağ konsantrasyonları, uçucu katı madde konsantrasyonları ve pH seviyeleri olarak ölçülen parametreler, sürekli olarak, ortalama değerlerin% 10 içinde muhafaza edildiğinde kabul edilebilir Bir HRT süre. Bu tahsis önemi ortaya çıkıyor in Şek. Yetersiz karıştırma neden olduğu bir pertürbasyon için CSTR sistemi uzun bir tepki gösterir 6,. Uygun karıştırma eksikliği katı daha az katı atık boşaltma sırasında çıkarıldı anlamına reaktör, yerleşmek için izin verdi. Onların birikimi yeterli karıştırma restore edilmesinden sonra daha yüksek konsantrasyonlarda katı atık sonuçlandı. Normal bir katı atık konsantrasyonuna digester dönmek için yaklaşık bir HRT (yani 25 gün) aldı.

Bir anaerobik çürütücü biyolojik bir sistemdir; böylece performansı bazı iç değişkenlik gösterecektir. Deneyci sistemi (istatistiklerinin doğru kullanımı gereklidir) uygulanan deneysel düzensizliklerin neden belirli etkileri ayırt etmeden önce bu değişkenliği ölçülebilir olmalıdır. Deneysel bir değişiklik reaktör sistemine verilmeden önce, bu genel olarak kararlı concentrat üstlenmeye yeterli bir zaman süresi olarak kabul edilir, çünkü Üç HRT dönemlerde gereklikarışık çözelti (Şekil 7) kimyasal türlerin iyonları. Bu süre sonunda, deneyci ölçülen her parametre için güvenilir bir temel inşa etmek gerekir. Bu temel gelecekteki deneyler için karşılaştırma temeli olarak hizmet vermektedir.

Çürütücüsünün genel performansı çeşitli standart analizleri rutin idam gerektirir izleme protokolü izleyerek değerlendirilebilir. Bu program birçok sistem sorunu ve bunları önlemek için lee zaman öncüleri tanımlamak için yeterli temporal çözünürlük sağlar. Ayrıca, bu tanısal testlerin sonuçları suboptimum performansını belirlemek için Tablo 1 ile birlikte kullanılmak üzere içindir. Tablo 3 ayarlarken-up, bir çürütücü genellikle karşılaşılan sorunların çoğunu çözümler sunmaktadır. Bir sorun orada anlatılan yönergeleri izleyerek düzeltilemeyecektir durumunda, operatör başka resour danışmalısınızBu anaerobik biyoteknoloji ile ilgili bir referans metin olarak ces.

Çalışma Parametreleri Standart Yöntemleri Endeks Tipik Aralığı Extreme Aralığı
Mezofilik Termofilik Mezofilik Termofilik
Sıcaklık 2550 (A) 32-37 17 ° C 50-60 17 ° C 20-42 17 ° C 45-65 17 ° C
Organik Yükleme Hızı 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
Hidrolik Saklama Süresi NL 15 - 35 Gün <15,> 35 Gün
Karbon: Azot Oranı NL 25:1 17 > 25:1
İzleme Parametreleri Standart Yöntemleri Endeks Optimum Aralığı Suboptimum Aralığı
pH 4500-H + (B) 6,5-8,2 10 <6.5;> 8.2
Alkalinite 2320 (B) 1300 - 3000 17
mg CaCO 3-L-1
mg CaCO 3 - L-1
Uçucu Asitler 5560 (C) <200 10
mg Ac-L-1
> 200 10
mg Ac-L-1
Katı Kaldırma Verimlilik 2540 (B, E) >% 50 <% 50
Biyogaz İçerik 2720 ​​(C) 55-70 CH 4; 30-45 CO 2% <55 CH 4;> 45 CO 2%

Tablo 1. Reaktör sistemleri için Genel operasyon seçim kılavuzu ve izleme parametreleri.

Bileşen Özellikler (Tasarım konuları) Yorumlar
Sıcaklık Kontrollü Sirkülasyon Su Isıtıcı Sıcaklık Aralığı: 25-65 ° C
(Isıtma Kapasitesi Max. Basınç Başkanı, Hacimsel Debi)
Isıtılmış su yeteri kadar yüksek bir akış hızında ve tam sirküle için yeterli basınç ile temin edilir.
Örnekleme Liman NA Bulunan headspace yakın idealdir.
Köpük Tuzak Cilt: Reaktör Cilt% 25 Basit bir yan kolu şişeye veya cam şişeler kullanılabilir. Temizleme ünitesi için erişilebilir olmalıdır.
Hidrojen Sülfür Scrubber (Gaz İletişim Zaman) Cam veya plastik tüpler (metal değil) kullanılmalıdır. Uzunluğu Haşıl yeterli gaz temas süresi sağlamalıdır.
Gaz Rezervuar Cilt:> 2x Atık Cilt; Malzeme: Yarı Elastik (Sert değil) Hacimli atık de alınan bu aşmalıdırvaatlerinde. Materyal daralma ve genişleme için izin vermelidir.
Bubbler NA Su seviyesi tarafından sağlanan tepe basıncı gaz dağıtım sisteminde basınç birikmesi sınırlamak için minimize edilmelidir.
Gaz sayacı (Gaz Akım Algılama Aralığı) Plastik gaz sayaçları metal tercih edilir. Gaz akışını algılama aralığı beklenen biyogaz üretim hızlarında hassas olmalıdır.

Tablo 2. Özellikleri ve yorumları ile Yardımcı reaktör bileşenleri.

r>
HATA ARIZA MUHTEMEL ÇÖZÜMLER
Besleme veya atık tüplerinin sık tıkanma

• büyük çaplı boruları ve / veya parçaları kullanın.

• (örneğin, bir blender veya elek kullanılarak partikül yüzey boyutunu küçültme).

Beslerken • Mix daha sık besleyin.

• Fermentör içeriğini tam karıştırıldığından emin olun.

Aşırı köpüren

• OLR azaltın

• fermentörün karıştırma yoğunluğu azaltın.

• Etkin digester hacmi azaltarak fermentörün headspace artırın.

Çürütme arasındaki tutarsız biyogaz verimi çoğaltır

• sızıntı ya digester gaz taşıma sistemi mevcut olduğundan emin olun.

• gaz sayacı ve ısıtma elemanı düzgün ve kalibre olduğunu kontrol edin.

• yem karışımları eşdeğer hazırlanan doğrulayın.

T tutarsız ya da çok değişken katı madde konsantrasyonununO atık (Şekil 6) digester çoğaltır arasında

• digester içeriğini yeterince karışık olduğunu doğrulayın.

• reaktör atık boşaltma hattı reaktörler arasındaki eşdeğer olduğundan emin olun.

Biyogaz azalmış metan içeriği

• pH metan için en uygun aralığı (örn., 6,5 8.2) içinde olduğundan emin olun. Eğer değilse, uygun asitlik veya bazlık ile tamamlar.

• önemli azot biyogaz tespit edilirse (örneğin,>% 10), örnekleme noktası yakınında sızıntı olup olmadığını kontrol edin.

• biyogaz örnekleme periyodik düzene.

• UYA konsantrasyonu optimum aralıkta olduğundan emin olun. Değilse, kronik yüksek uçucu yağ asidi konsantrasyonu için listelenen sorun giderme adımlarını izleyin.

Kronik yüksek uçucu yağ asidi konsantrasyonu (Şekil 5)

• OLR azaltın.

• takviyesi ile besin veya eser metal eksiklikleri Overcome.

• Reaktör içeriği oksijen izinsiz tamamen yalıtılmış olduğundan emin olun.

• besleme döngüsü sıklığını artırın.

• Hidrolik kısa devreyi ortadan kaldırın.

• takviyesiyle alkalinite eksikliği Overcome.

Tablo 3. Çürütme işlemi için Sorun Giderme protokolü.

Şekil 1
Şekil 1.. Reaktör tasarımı Temel örnek: Gövde malzemesi-Cam; Boru malzemesi-Paslanmaz Çelik / Alüminyum; Kapak malzemesi-PVC / Pleksiglas.

içerik "> Şekil 2
Şekil 2. Fittings malzeme Paslanmaz Çelik / Plastik;; Boru malzemesi-Paslanmaz Çelik / Alüminyum Kapak malzeme-PVC / Pleksiglas: reaktör kapak tasarımının temel örneği.

Şekil 3
Şekil 3. Sistem diyagramı bileşeni düzenleme gösterir.

Şekil 4
Şekil 4. ; Tüp malzeme-Plastik / Cam Kavanoz malzeme-Plastik / Cam: köpük tuzak tasarımının temel örneği.

Şekil 5,
Şekil 5. Reaktör start-up sırasında yüksek bir organik yükleme hızı (OLR). 1.35 GVS-L -1 bir OLR ile başlayarak Tipik bir sistem cevabı toplam uçucu yağ asitleri (TUYA) birikimine neden oldu. Asit birikimi cau biyogaz veriminde bir düşüşe ve ardından pH bir azalma sed. 1.15 g VS günlük -1 OLR düşürücü olarak, her iki sistemin bir 1.35 GVS-L-1 OLR tolere yeterli metan biyokütle konsantrasyonu kurtarmak ve kurmayı başardık. Reaktörler arasında pH ve TUYA birikimi fark karma toplulukların benzersiz dinamiği sergiler.

Şekil 6
Şekil 6 ila Tipik sistemi tepki yeterince karışık sistemi (Reaktör B) göre (A Reaktör) karışım yeterince düşük karıştırma esnasında, katıların reaktörün dibe ve (günde 280-290) boşaltılması sırasında silinmez... Karışım yeterince yoğunluğu (günde 300) döndüğünde, birikmiş katılar yavaş yavaş (günde 305-330) kaldırılır ve sistem stabil katı madde konsantrasyonu ile döndürür.

ig7.jpg "/>
Şekil 7. Muhafazakar bir kimyasal türün konsantrasyonu ve ideal bir CSTR sisteminde hidrolik bekletme süresi (HRT) arasındaki teorik ilişki. Üç HRTs At [C] digester bir kimyasal türlerin gerçek konsantrasyonu% 95, başlangıç ​​olduğunu yem mevcut konsantrasyonu [C 0].

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Bu makalede sunulan anaerobik sindirim sistemi deneysel bağlamında genel bir giriş ve en yüzeylerin tedavisi için bazı temel kurallar sağlar. Substrat tipleri, çürütücü konfigürasyonları, çalışma parametreleri ve ayrıca bu sistemlerin temelini karışık mikrobiyal topluluğun eşsiz ekolojinin çeşitli evrensel olarak uygulanabilecek sabit miktar ölçümleri, ana hatlarını engeller. Tüm bu değişkenliği rağmen tüm anaerobik sindirim sistemi olan ilkeleri gayet iyi anlaşıyoruz ve tüm sistemlere uygulanabilir fiziksel ve kimyasal işlemler aracılık biyolojik parçalanma yolları, bir iyi karakterize dizi izleyin. Bu temel ilkelerden, birlikte biz sistem parametreleri ve uygun sistem çalışması metodolojileri için bu optimum aralıkları rapor literatürde iyi belgelenmiş işletim gözlemler ile. Bahsedilen parametreler birbiriyle ve önemli rol oynamaktadıranaerobik sindirim sürecinde. Bu ilişkilerinin tam olarak anlaşılması büyük ölçüde sistem problemlerini tanımak ve çözmek için operatör kapasitesini geliştirir. Metin, "Anaerobik Biyoteknoloji: Endüstriyel Atıksuların için" Speece tarafından daha fazla anlayış ve açıklama 10 arayanlar için uygun işletim ve anaerobik izleme konuların oldukça kapsamlı bir katalog sağlar.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

Çıkar çatışması ilan etti.

Acknowledgements

Hibe ile hayır;. Bu araştırma, Gıda ve Tarım National Institutes of (NIFA), hibe sayısı 2007-35504-05381 aracılığıyla USDA tarafından desteklenen desteklenen USDA NIFA gelen Cornell Üniversitesi Ziraat Deneme İstasyonu federal formülü fonları aracılığıyla NYSERDA ve NYC-123.444 den 58.872.

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