Vergelijking van de schaal in een Photosynthetic Reactor System for Algen sanering van afvalwater
Summary
Een experimentele methode wordt voorgesteld om de prestaties van kleine (100 L) en grote (1000 L) vergelijken schaal reactoren ontworpen voor algen sanering van de stortplaats afvalwater. Systeemkenmerken, zoals specifiek oppervlak tot volumeverhouding, retentietijd biomassa dichtheid en afvalwater voer concentraties kan worden aangepast op basis van toepassing.
Abstract
Een experimentele methode wordt aan de prestaties van twee verschillende afmetingen reactoren ontworpen voor afvalwaterzuivering vergelijken. In deze studie ammoniakverwijdering, stikstofverwijdering en algengroei worden vergeleken over een 8 weken in gepaarde sets van kleine (100 L) en grote (L 1000) reactoren ontworpen voor algen sanering stortplaats afvalwater. Inhoud van de kleine en grote reactoren werden gemengd vóór het begin van wekelijkse testinterval gelijkwaardige beginwaarden in de twee schalen te handhaven. Systeemkenmerken, zoals specifiek oppervlak tot volumeverhouding, retentietijd biomassa dichtheid en afvalwater voer concentraties kan worden aangepast aan omstandigheden die zich op beide schalen beter gelijk. Tijdens de korte 8 weken representatieve periode, begint ammoniak en stikstof totaal concentraties varieerden 3,1-14 mg NH3-N / L en 8,1-20,1 mg N / l. De prestaties van het zuiveringssysteem werd geëvalueerd op basis vanhet vermogen om ammoniak en de totale verwijdering van stikstof en algen biomassa. Gemiddelde ± standaardafwijking van ammoniak verwijderen, totale verwijdering van stikstof en biomassa groeicijfers waren 0,95 ± 0,3 mg NH3-N / L / dag, 0,89 ± 0,3 mg N / L / dag, en 0,02 ± 0,03 g biomassa / L / dag, respectievelijk. Alle vaartuigen vertoonden een positieve relatie tussen de aanvankelijke ammoniakconcentratie en ammoniak afname (R 2 = 0,76). Vergelijking van procesefficiëntie en productiewaarden gemeten in reactoren van verschillende omvang kunnen nuttig zijn bij het bepalen of laboratoriumschaal experimentele gegevens geschikt voor het voorspellen van de commerciële productie waarden.
Introduction
Vertaling van bench-schaal gegevens naar grotere schaal toepassingen is een belangrijke stap in de commercialisering van bioprocessen. Productie-efficiëntie in kleinschalige reactorsystemen, met name gericht op het gebruik van micro-organismen, is gebleken dat consistent efficiëntie optreedt in commerciële schaal systemen 1, 2, 3, 4 voorspellen. Uitdagingen ook voorkomen in opschalen fotosynthetische kweken van algen en cyanobacteriën van laboratoriumschaal tot grotere systemen met het oog op het vervaardigen hoogwaardige producten, zoals cosmetica en farmaceutische producten, voor de productie van biobrandstoffen, en voor de behandeling van afvalwater. De vraag naar grootschalige productie van algen biomassa groeit met de opkomende industrie voor algen in biobrandstof, farmaceutica / nutraceuticals en veevoer 5. De beschreven methodiekdit manuscript wil de invloed van schaalvergroting fotosynthetische reactorsysteem op biomassagroei beoordelen en nutriëntverwijdering evalueren. Het systeem hier gepresenteerde gebruikt algen saneren percolaat afvalwater, maar kan worden aangepast voor verschillende toepassingen.
Productie-efficiëntie van grootschalige systemen worden vaak voorspeld met behulp van kleinere schaal experimenten; echter moeten verscheidene factoren worden beschouwd om de nauwkeurigheid van deze voorspellingen te bepalen, zoals schaal is aangetoond dat het uitvoeren van biologische processen beïnvloeden. Bijvoorbeeld, Junker (2004) gepresenteerde resultaten van een vergelijking van acht verschillende groottes vergistingsreactoren, variërend van 30 tot 19.000 L L, waaruit bleek dat de werkelijke productiviteit piloot- of commerciële schaal is vrijwel altijd lager dan de waarden die voorspeld middels kleine -schaal studies 4. Ongelijkheden in de dimensie vat, het mengen van de macht, het type agitatie, kwaliteit voedingsstoffen en gas overdracht werden voorspeld aan het wordenbelangrijke oorzaken voor de verminderde productiviteit 4. Evenzo is aangetoond in algengroei reactoren biomassagroei en biomassa gerelateerde producten bijna altijd verminderd wanneer weegschaal 6 verhoogd.
Biologische, fysische en chemische factoren veranderen met de grootte van een reactor, met veel van deze factoren microbiële activiteit op kleine schaal anders dan bij grotere schalen 2, 7. Aangezien de meeste grootschalige systemen voor algen, zoals toevoerkanaal vijvers, bestaat openlucht, één biologische factor om te overwegen is dat microbiële species en bacteriofagen kunnen worden ingebracht vanuit de omgeving, die de microbiële species kunnen veranderen aanwezig en dus de microbiële functie van de systeem. De activiteit van de microbiële gemeenschap zal ook gevoelig voor omgevingsfactoren, zoals licht en temperatuur. Massa transfers van gassen en vloeiende bewegingen zijnVoorbeelden van fysische factoren worden beïnvloed in de omvang van microbiële processen. Het bereiken van ideale menging in kleine reactoren is eenvoudig; echter met toenemende schaal, wordt het een uitdaging om ideale mengomstandigheden-ingenieur. Bij grotere schalen, reactoren hebben meer kans om dode zones, niet-ideale menging, en verminderde efficiëntie hebben in massa-overdracht 2. Aangezien algen fotosynthetische organismen, moet commerciële groei moet veranderingen in belichting door veranderingen in de waterdiepte en oppervlakte bij het verhogen volume. Hoge biomassadensiteit en / of lage massa overdrachtsnelheden kunnen leiden tot verminderde CO 2 concentraties en verhoogde O2 concentraties, die beide kunnen resulteren in een inhibitie van biomassagroei 8. Chemische factoren per algengroei systeem gedreven door pH dynamiek van het aquatisch milieu 2, die daardoor wordt beïnvloed door veranderingen in pH bufferende verbindingen, zoals opgeloste CO <sub> 2 en carbonaat soorten. Deze factoren worden verergerd door complexe interacties tussen biologische, fysische en chemische factoren, vaak onvoorspelbare wijze 9.
Deze studie geeft een gekoppelde reactor systeem ontworpen om te reguleren en te vergelijken groeiomstandigheden in vaten van twee verschillende schalen. Het experimentele protocol richt zich op het kwantificeren van de behandeling van percolaat en algengroei; Maar deze kan worden aangepast aan andere metrieken te controleren zoals veranderingen in de microbiële gemeenschap in de tijd of de CO 2 opslag potentieel van algen. Het protocol hier gepresenteerde is ontworpen om het effect van de schaal op de algengroei en stikstofverwijdering in een percolaat behandeling te evalueren.
Protocol
Representative Results
Discussion
Systeem prestatie:
In de loop van een 8 weken durende studie, de productiviteit van de kleine en grote schepen in een systeem werden vergeleken. In deze studie stikstof en ammoniak tarieven verwijdering en biomassa groeicijfers werden gebruikt als maatregelen van de productiviteit van het systeem voor de behandeling. Het systeem werd bedreven als een semi-ladingsgewijze reactor, waarbij elke week onder afzonderlijke omstandigheden werd bedreven. Representatieve resultaten vertegenwoordigen de e…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs willen graag de Sandtown Landfill in Felton, DE bedanken voor hun kennis en percolaat delen.
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).
