呼吸測定法を用いた廃棄物活性汚泥と嫌気性共消化された生ごみ廃棄物のバイオメタン電位測定

食品廃棄物の組成この研究で使用された食品廃棄物は、通常、大学の食堂で提供される5つの異なる食品タイプで構成されていました。各食品サンプルには、 表2にリストされているさまざまな量の脂肪、炭水化物、およびタンパク質が含まれていました。19 混合された生ごみ廃棄物は、炭水化物が44%、タンパク質が36%、脂肪が16%、その他の材料が4%でした。各食品タイプ(56g〜86g)のほぼ等しい質量を使用して、嫌気性共消化のための代表的なダイニング施設有機基質を提供しました。その後、生ごみ廃棄物の質量を変化させて、調査した各シナリオ(0.3、0.7、および1.1)で目的のF:Mを達成しました。 揮発性懸濁固体および有機測定初期および最終VSSおよび初期および最終酸素要求量の結果を 表3に示します。酸素要求量はBOD5として表され、これは受け入れられた変換率(COD = 1.6BOD5)8を使用してCODから変換されました。図示されているように、初期 VSS 濃度( 表 3 でも質量で表されています)は、コントロールから最大 F:M 比(1.1)まで増加しました。調査した各F:Mは、VSS破壊、または有機物からメタンと二酸化炭素のガス状最終生成物への嫌気性変換を示しました。この変換により、VSSの濃度は初期測定から実験終了時の最終測定まで減少しました。破壊されるVSSの量は、コントロールからより大きなF:M比に増加しました。予想外に、F:M = 0.7 シナリオの VSS 破壊は、おそらく F:M 1.1 シナリオの抑制が原因で、F:M = 1.1 シナリオを上回りました。 測定された初期酸素要求濃度は、VSSと同じ傾向、すなわち、対照群から最大F:M比まで増加した(表3)。VSS破壊と同様に、BOD5 の濃度は、対照を除いて、初期濃度と最終濃度の間で減少しました。酸素要求量は、おそらく内因性の崩壊が原因で、コントロールで増加しました。VSS破壊とは異なり、最初の測定から最終的な測定までの酸素要求量の減少は、各サンプルで1〜3%の範囲と比較的低く、F:M比による傾向は見られませんでした。この傾向の考えられる理由は、粒子状有機物の可溶性有機物への変換であり、これは長い時間枠で行われ、嫌気性微生物コンソーシアム20の代謝における速度制限ステップであることが多い。 メタン生成メタン生成の量と速度は、190時間の研究期間中、F:M比の範囲で変動しました。実験結果から、F:M比が高いほど、メタンの総量が増加することが明らかになりました(図7)。基質を添加しなかったコントロールでは、少量のメタン(~72 mL)が生成されましたが、これはおそらくスラッジ中の可溶性BOD5 および/または内因性崩壊によるものと考えられます。予想通り、他のシナリオで基質を追加すると、コントロールと比較してメタン生成が増加しました。F:M 0.3 のシナリオでは、対照群の 5 倍の体積 (~354 mL) のメタンが得られました。F:M 比を 0.7 に増やすと、F:M の 0.3 シナリオよりも 1.6 倍 (~574 mL) のメタンが得られました。同様に、F:M 比を 1.1 に増やすと、F:M の 0.7 シナリオよりも 1.9 倍多くのメタン (~1098 mL) が得られました。調査した各F:M比で観測された最大体積メタン生成値(Ymax)を 表4に示します。時間の経過とともに生成されるメタンの割合も、調査したF:M比によって変化しました。 図8に示すように、メタンの生成速度と、研究中のメタン生成時間の長さは、F:Mが増加するにつれて増加しました。たとえば、F:M 0.3 のシナリオでは、129 時間の試験後 (最大 354 mL) にメタン生成は観察されませんでしたが、F:M 1.1 のシナリオでは、試験終了時にも少量のメタンが生成されていました。すべてのシナリオにおいて、メタンの生成速度は、基質の利用可能性の低下により、時間の経過とともに減少しました。研究終了時にはまだ十分な酸素要求量がありましたが(表3)、生物学的に利用可能な形ではなかったか、嫌気性微生物叢に残された電子受容体(二酸化炭素など)が限られていた可能性があります。最後に、観測されたVSS破壊(mg)あたりのメタン生成量(mL)の比較は、0.3と0.7のF:Mの値が1.3〜1.6mL / mgの範囲を提供し、1.1のF:Mが破壊された単位VSS(3.7mL / mg)あたりのメタン生成量が多いことを示しています(表4)。Tchobanoglous et al. (2014) は、一般的な原料について、脂肪 (~1.4 mL/mg)、グリース (~1.1 mL/mg)、タンパク質 (~0.7 mL/mg) 8 を含む、破壊された単位固形分あたりのガス収率の典型的な範囲を提供しています。Mata-Alvarez et al.(2014)は、ベンチスケールとパイロットスケールのバイオリアクター10において、さまざまな基質と異なる基質比(例えば、WASとFOGの異なる比率)を用いて廃水汚泥を共消化する研究をレビューした。その結果、報告された単位VSSあたりのメタン生成量は、共消化された基質や、破壊された1mgあたり0.2mLから1.1mLのバイオガスの範囲で、共消化された基質によって大きく異なることがわかりました。この研究の代表的な結果、特にF:Mが0.3と0.7の場合、比較研究の結果と遜色ありません。 バイオキネティックパラメータ経時的なメタン生成は、いくつかの重要な生体動態パラメータを決定するために使用できます。これらの生体動態パラメータは、呼吸計を使用せずに同様のシナリオでメタン生成を予測するためにさらに活用できます。メタン生成速度定数 kは、調査した各F:M比( 図8に示すもの)の観測された呼吸計データに対数最小二乗フィッティングを使用して導き出すことができます。F:M が 0.3 のシナリオの代表的な対数関数は、y = 93.465ln(X) – 175.91 です。ここで、93.465 の値は時間の単位であり、これを日に変換してから逆にすると、 k = 0.257 になります。調査した各F:M比のレート定数(k)と決定係数(R2)を 表4に示します。 次に、速度定数を活用して、各F:M比の任意の時点でのメタンの収量を決定できます。有機基質から経時的に生成されるメタンの割合は、次の式[1]21を使用してモデル化できます。 (1) 上記の方程式を制限t = 0からt = tの間で積分すると、次のようになります[2]。 (2) ここで、Y =任意の時点でのメタン収量[mL];Ymax = 呼吸計の研究から観察された最大メタン収量 [mL]; k =メタン生成速度定数[d-1];t = 時間 [d] 上記のバイオキネティックパラメータの開発に使用された一次アプローチは、実験データに非常に合理的に適合しますが(表4のR2値で示されているように)、他の研究では、メタン生成データを適合させるために、修正ゴンペルツモデル、2基質モデル、コーンモデル2などの他のモデルの使用が報告されています。 図1:食品廃棄物ブレンダー。食品廃棄物を組み合わせるために使用される標準的なブレンダー。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 図2:呼吸計。 メタン生成を測定するための呼吸計のセットアップが完了しました。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 図3:呼吸計チラーのサンプルボトル。 8つのサンプルボトルを備えた呼吸計チラーの内部図。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 図4:呼吸計スクラバー。 呼吸計スクラバーのクローズビュー。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 図5:制御モジュールへの呼吸計スクラバー。 制御モジュールとスクラバーセットアップの呼吸計画像。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 図6:呼吸計スクラバーラインのセットアップ。 サンプルボトルと呼吸計の間のスクラバーラインのセットアップのクローズビュー。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 図7:異なるF:M比を使用した総メタン生産量。 各F:M(0.3、0.7、1.1)のメタン生成を経時的(0時間から190時間)で示します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 図8:異なるF:M比を使用したメタン生成率。 各F:M(0.3、0.7、1.1)のメタン生成率を経時的(0時間から190時間)で示しています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 表1:サンプルボトルの成分と食品と微生物の比率。 各F:M(0.3、0.7、1.1)およびブランクボトルの成分質量、濃度、および容量。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。 表2:サンプル有機基質組成。 食品廃棄物の質量と食品別の組成の割合、および炭水化物、タンパク質、脂肪の割合。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。 表3:サンプルの揮発性懸濁固体と酸素要求量の結果(±標準偏差)。 各 F:M の VSS と COD (0.3、0.7、1.1)。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。 表4:サンプルの動的パラメータ。 メタン収量に基づいて計算された速度論的パラメータ。 この表をダウンロードするには、ここをクリックしてください。