مقارنة مقياس في نظام مفاعل الضوئي لعلاج الطحالب من مياه الصرف الصحي
Summary
ويقدم منهجية تجريبية لمقارنة أداء صغير (100 لتر) وكبيرة (1000 لتر) حجم المفاعلات مصممة لمعالجة الطحالب من مياه الصرف الصحي المكب. خصائص النظام، بما في ذلك منطقة السطح إلى نسبة الحجم، الوقت الاحتفاظ، كثافة الكتلة الحيوية، وتركيزات تغذية مياه الصرف الصحي، ويمكن تعديلها بناء على الطلب.
Abstract
ويقدم منهجية تجريبية لمقارنة أداء مفاعلين مختلفة الحجم والمصممة لمعالجة مياه الصرف الصحي. في هذه الدراسة، وتتم مقارنة إزالة الأمونيا، وإزالة النيتروجين ونمو الطحالب على مدى فترة 8 أسابيع في مجموعات يقترن المفاعلات الصغيرة (100 لتر) وكبيرة (1000 لتر) مصممة لمعالجة الطحالب من مياه الصرف الصحي المكب. وتباينت محتويات المفاعلات الصغيرة والكبيرة قبل بداية كل اختبار الفاصل الأسبوعي للحفاظ على الظروف الأولية تعادل في المقياسين. خصائص النظام، بما في ذلك منطقة السطح إلى نسبة الحجم، الوقت الاحتفاظ، كثافة الكتلة الحيوية، وتركيزات تغذية مياه الصرف الصحي، ويمكن تعديلها لتحقيق التعادل أفضل الظروف التي تحدث في كل المقاييس. خلال قصيرة لمدة 8 أسابيع فترة زمنية تمثيلية، تراوحت بدءا الأمونيا ومجموع تركيزات النيتروجين 3،1 حتي 14 ملغ NH 3 -N / L، و8،1-20،1 ملغم N / لتر على التوالي. أداء نظام المعالجة تم تقييم على أساسقدرته على إزالة الأمونيا والنيتروجين الكلي، وإنتاج الكتلة الحيوية الطحالب. يعني ± الانحراف المعياري لإزالة الأمونيا، ومجموع إزالة النيتروجين ومعدلات نمو الكتلة الحيوية كانت 0.95 ± 0.3 ملغ NH 3 -N / L / اليوم، 0.89 ± 0.3 ملغ N / L / يوم، و 0.02 ± 0.03 جم الكتلة الحيوية / L / يوم، على التوالي. وأظهرت جميع السفن وجود علاقة إيجابية بين تركيز الأمونيا والأمونيا معدل إزالة الأولي (R 2 = 0.76). المقارنة بين الكفاءة العملية وإنتاج القيم المقاسة في المفاعلات الحجم مختلفة قد تكون مفيدة في تحديد ما إذا كانت البيانات التجريبية مختبر مقياس مناسب للتنبؤ قيم الإنتاج على نطاق تجاري.
Introduction
ترجمة البيانات مقاعد البدلاء النطاق لتطبيقات على نطاق أوسع هو خطوة رئيسية في تسويق العمليات الحيوية. كفاءة الإنتاج في أنظمة المفاعل على نطاق صغير، لا سيما تلك التي تركز على استخدام الكائنات الحية الدقيقة، وقد ثبت أن توقع على الدوام الكفاءات التي تحدث في النظم على نطاق تجاري 1، 2، 3، 4. وجود تحديات أيضا في زيادة زراعة الضوئي من الطحالب والبكتيريا الزرقاء من نطاق المختبر على النظم الكبيرة لغرض تصنيع منتجات عالية القيمة، مثل مستحضرات التجميل والمستحضرات الصيدلانية، لإنتاج الوقود الحيوي، ولمعالجة مياه الصرف الصحي. الطلب على إنتاج الطحالب الكتلة الحيوية على نطاق واسع ينمو مع الصناعة الناشئة للطحالب في الوقود الحيوي، والمستحضرات الصيدلانية / المغذيات، وعلف الماشية 5. المنهجية الواردة فيوتهدف هذه المخطوطة لتقييم تأثير زيادة حجم نظام مفاعل الضوئي على معدل نمو الكتلة الحيوية وإزالة المغذيات. نظام المقدمة هنا يستخدم الطحالب لإصلاح مياه الصرف الصحي المكب العصارة ولكن يمكن تكييفها لمجموعة متنوعة من التطبيقات.
وغالبا ما توقع الكفاءة الإنتاجية للنظم على نطاق واسع باستخدام التجارب على نطاق أصغر. ومع ذلك، يجب النظر في عدة عوامل لتحديد دقة هذه التنبؤات، كما ثبت على نطاق وتؤثر على أداء العمليات الحيوية. على سبيل المثال، قدم يونكر (2004) نتائج المقارنة بين ثمانية مفاعلات التخمير مختلفة الحجم، تتراوح من 30 لتر إلى 19000 لتر، والتي أظهرت أن الإنتاجية الفعلية في pilot- أو تجارية موازين كانت دائما تقريبا أقل من القيم وتوقعت باستخدام الصغيرة دراسات -scale 4. وتوقع التفاوت في البعد السفينة، قوة مختلطة، نوع الإثارة، وجودة المواد الغذائية، ونقل الغاز لتكونالأسباب الرئيسية لانخفاض الإنتاجية 4. وبالمثل، فقد تبين في المفاعلات نمو الطحالب التي نمو الكتلة الحيوية والمنتجات ذات الصلة الكتلة الحيوية ونحو تخفيض دائما عند زيادة نطاق 6.
العوامل البيولوجية والفيزيائية، والكيميائية تتغير مع حجم المفاعل، مع العديد من هذه العوامل التي تؤثر على النشاط الميكروبي في جداول صغيرة بشكل مختلف عما في نطاقات أوسع 2 و 7. وبما أن معظم أنظمة واسعة النطاق للطحالب، مثل البرك القناة، موجودة في الهواء الطلق، عامل بيولوجي واحد للنظر هو أن الأنواع الميكروبية والبكتيريا يمكن إدخال من البيئة المحيطة بها، الأمر الذي قد يغير الأنواع الميكروبية الحاضر، وبالتالي وظيفة الميكروبية لل النظام. ونشاط المجتمع الميكروبي يكون أيضا حساسية للعوامل البيئية مثل الضوء ودرجة الحرارة. نقل جماعي للغازات والسوائل والحركةأمثلة من العوامل المادية التي تتأثر في نطاق يصل عمليات الميكروبية. تحقيق خلط مثالي في مفاعلات صغيرة من السهل. ولكن، مع زيادة الحجم، ويصبح تحديا لهندسة الظروف خلط مثالية. في نطاقات أوسع، هي أكثر عرضة للمناطق ميتة، خلط غير مثالية، وانخفاض الكفاءة في نقل الجماعي 2 المفاعلات. منذ الطحالب هي كائنات التمثيل الضوئي، يجب النمو التجاري لحساب التغيرات في التعرض للضوء نتيجة للتغيرات في عمق المياه ومساحة السطح عند زيادة حجم. كثافة الكتلة الحيوية العالية و / أو انخفاض معدلات نقل الجماعي يمكن أن يسبب انخفاض CO 2 تركيزات وزيادة تركيز O 2، وكلاهما قد يؤدي إلى تثبيط نمو الكتلة الحيوية 8. هي التي تحرك العوامل الكيميائية في نظام نمو الطحالب التي كتبها ديناميات الرقم الهيدروجيني للبيئة المائية 2، والذي يتأثر بالتالي تغيرات في مجمعات التخزين المؤقت الأس الهيدروجيني مثل ثاني أكسيد الكربون المذاب <sub> 2 وكربونات الأنواع. وتتضاعف هذه العوامل التي التفاعلات المعقدة بين العوامل البيولوجية والفيزيائية، والكيميائية، وغالبا بطرق غير متوقعة 9.
تقدم هذه الدراسة نظام مفاعل يقترن تهدف إلى تنظيم ومقارنة ظروف النمو في الأوعية اثنين من مستويات مختلفة. ويركز البروتوكول التجريبي على قياس معالجة الراشح ونمو الطحالب. ومع ذلك، يمكن تكييفه لمراقبة مقاييس أخرى مثل التغييرات في المجتمع الميكروبي مع مرور الوقت أو عزل إمكانية CO 2 من الطحالب. تم تصميم بروتوكول المعروضة هنا لتقييم تأثير الحجم على نمو الطحالب وإزالة النيتروجين في نظام معالجة العصارة.
Protocol
Representative Results
Discussion
أداء النظام:
على مدار دراسة لمدة 8 أسابيع، وتمت مقارنة إنتاجية السفن الصغيرة والكبيرة في النظام. في هذا النيتروجين الدراسة ومعدلات إزالة الأمونيا ومعدلات نمو الكتلة الحيوية كانت تستخدم لتدابير الإنتاجية للنظام العلاج. تم تشغيل ال…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
فإن الكتاب أود أن أشكر مكب Sandtown في فيلتون، DE لتبادل المعرفة والعصارة.
Materials
| Aquarium Tank | Any 100+L aquarium tank with optically clear glass can be used | ||
| RW 3.5 | MicroBio Engineering | Raceway Pond | |
| Eurostar 100 digital | IKA | 4238101 | Overhead mixers |
| Leachate | Sandtown Landfill | ||
| Sampling Bottles | Nalgene | Plastic or glass, lab grade, 125-200mL | |
| Transfer Pumps | Garden type pump with drinking water quality hoses will be suitable | ||
| AmVer Salicylate Test 'N Tube | Hach | 2606945 | High Range Ammonia Tests |
| NitraVer X Nitrogen – Nitrate Reagent Set | Hach | 2605345 | High Range Nitrate Tests |
| NitriVer 2 Nitrite Reagent Powder Pillows | Hach | 2107569 | High Range Nitrite Tests |
| Hach DR2400 Spectrophotmeter | Hach | The DR2400 was discontinued, but any DR series Hach spectrophotometer can be used in this application. | |
| EMD Microbiological Analysis Membrane Filters | Millipore | HAWG047S6 | 0.45µm filters |
References
- Janssen, M., Tramper, J., Mur, L. R., Wijffels, R. H. Enclosed outdoor photobioreactors: light regime, photosynthetic efficiency, scale-up, and future prospects. Biotechnol. Bioeng. 81 (2), 193-210 (2003).
- Takors, R. Scale-up of microbial processes: impacts, tools and open questions. J. Biotechnol. 160 (1), 3-9 (2012).
- Sauer, M., Porro, D., Mattanovich, D., Branduardi, P. Microbial production of organic acids: expanding the markets. Trends in Biotechnol. 26 (2), 100-108 (2008).
- Junker, B. H. Scale-up methodologies for Escherichia coli and yeast fermentation processes. J. Biosci. Bioeng. 97 (6), 347-364 (2004).
- Brennan, L., Owende, P. Biofuels from microalgae-a review of technologies for production, processing, and extractions of biofuels and co-products. Renewable Sustainable Energy Rev. 14 (2), 557-577 (2010).
- Van Den Hende, S., Beelen, V., Bore, G., Boon, N., Vervaeren, H. Up-scaling aquaculture wastewater treatment by microalgal bacterial flocs: from lab reactors to an outdoor raceway pond. Bioresour. Technol. 159, 342-354 (2014).
- Hewitt, C. J., Nienow, A. W. The Scale-Up of Microbial Batch and Fed-Batch Fermentation Processes. Adv Appl Microbiol. 62, 105-135 (2007).
- Downton, W., Bishop, D., Larkum, A., Osmond, C. Oxygen Inhibition of Photosynthetic Oxygen Evolution in Marine Plants. Funct Plant Biol. 3 (1), 73-79 (1976).
- Pholchan, M. K., Baptista, J. d. C., Davenport, R. J., Curtis, T. P. Systematic study of the effect of operating variables on reactor performance and microbial diversity in laboratory-scale activated sludge reactors. Water Res. 44 (5), 1341-1352 (2010).
- Richmond, A. . Handbook of microalgal culture: biotechnology and applied phycology. , (2008).
- Clesceri, L. S., et al. . Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. , (1998).
- . . Statistics for Macintosh v.23.0. , (2015).
- Devore, J. L. . Probability and Statistics for Engineering and the Sciences. , (2015).
- Sniffen, K. D., Sales, C. M., Olson, M. S. Nitrogen removal from raw landfill leachate by an algae-bacteria consortium. Water Sci. Technol. 73 (3), 479-485 (2015).
- Paerl, H. W., Fulton, R., Moisander, P. H., Dyble, J. Harmful freshwater algal blooms, with an emphasis on cyanobacteria. Scientific World J. 1, 76-113 (2001).
- Abeliovich, A., Azov, Y. Toxicity of Ammonia to Algae in Sewage Oxidation Ponds. Appl. Environ. Microbiol. 31 (6), 801-806 (1976).
- Azov, Y., Goldman, J. C. Free ammonia inhibition of algal photosynthesis in intensive cultures. Appl. Environ. Microbiol. 43 (4), 735-739 (1982).
- Adamsson, M., Dave, G., Forsberg, L., Guterstam, B. Toxicity identification evaluation of ammonia, nitrite and heavy metals at the Stensund Wastewater Aquaculture Plant, Sweden. Water Sci. Technol. 38 (3), 151-157 (1998).
- Quinn, J. C., Davis, R. The potentials and challenges of algae based biofuels: a review of the techno-economic, life cycle, and resource assessment modeling. Bioresour. Technol. 184, 444-452 (2015).
- Liu, X., et al. Pilot-scale data provide enhanced estimates of the life cycle energy and emissions profile of algae biofuels produced via hydrothermal liquefaction. Bioresour. Technol. 148, 163-171 (2013).
- Van Den Hende, S., et al. Treatment of industrial wastewaters by microalgal bacterial flocs in sequencing batch reactors. Bioresour. Technol. 161, 245-254 (2014).
- Rawat, I., Kumar, R. R., Mutanda, T., Bux, F. Biodiesel from microalgae: A critical evaluation from laboratory to large scale production. Appl. Energy. 103, 444-467 (2013).
- Cloern, J. E. The relative importance of light and nutrient limitation of phytoplankton growth: a simple index of coastal ecosystem sensitivity to nutrient enrichment. Aquat Ecol. 33 (1), 3-15 (1999).
