In This Article

  • Summary
  • Abstract
  • Introduction
  • Protocol
  • النتائج
  • Discussion
  • Disclosures
  • Acknowledgements
  • Materials
  • References
  • Reprints and Permissions

Summary

يصف هذا البروتوكول أفضل الممارسات لتحديد إنتاج الميثان والمعلمات الحركية الميكروبية باستخدام قياس التنفس للميكروبات اللاهوائية التي تشارك في هضم نفايات خردة الطعام والحمأة المنشطة للنفايات.

Abstract

أصبح استخدام قياس التنفس لدراسة الحركية الحيوية للميكروبات التي تعالج مياه الصرف الصحي أو هضم حمأة مياه الصرف الصحي أكثر انتشارا خلال العقود القليلة الماضية. يعد استخدام قياس التنفس لفحص الحركية الحيوية للميكروبات اللاهوائية التي تشارك في هضم تيارات النفايات العضوية مثل حمأة مياه الصرف الصحي وخردة الطعام مجالا للبحث النشط. حتى الآن ، لم يتم نشر أي بروتوكول مرئي حول هذا الموضوع. وفقا لذلك ، في هذا البروتوكول ، قمنا بتكوين مقياس التنفس لقياس إنتاج الميثان ومعدل التدفق بمرور الوقت باستخدام ثلاث نسب مختلفة من الغذاء إلى الكائنات الحية الدقيقة (F: M) ونفايات خردة الطعام والحمأة المنشطة كركائز. توفر البيانات الناتجة ، إلى جانب قياسات استخدام الركيزة ، الأساس لفهم كيفية تأثير تركيزات الركيزة المختلفة على معدل إنتاج الجراثيم اللاهوائية للميثان. بالإضافة إلى ذلك ، يقدم هذا البروتوكول طريقة لتطوير المعلمات الحركية الحيوية (على سبيل المثال ، معدل إنتاج الميثان ثابت والعائد). يمكن للآخرين استخدام بروتوكول قياس التنفس هذا لفحص التحلل العضوي في ظل الظروف اللاهوائية وتطوير المعلمات الميكروبية.

Introduction

يدرس الباحثون النشاط الميكروبي على نطاق مقاعد البدلاء باستخدام مجموعة متنوعة من الأساليب ، بما في ذلك الدراسات المجمعة ، والعوالم الدقيقة ، وقياس التنفس ، من بين أمور أخرى. يمكن استخدام مقاييس التنفس لقياس التنفس الخلوي خلال مراحل النمو و / أو الاضمحلال للمجتمع الميكروبي من خلال مراقبة استهلاك الركيزة وإنتاج المنتج النهائي في ظل ظروف خاضعة للرقابة1. يمكن أيضا استخدام نتائج دراسات مقياس التنفس على نطاق مقاعد البدلاء لتقدير المعلمات الحركية الحيوية لبناء نموذج العملية2. تم استخدام مقاييس التنفس لفحص كل من النشاط الميكروبي الهوائي واللاهوائي. ومع ذلك ، فإن الدراسات التي تستخدم قياس التنفس لقياس إمكانات الميثان الحيوي (BMP) ، وخاصة الركائز العضوية المختلطة ، هي مجال للبحث المستمر 3,4.

يتم التعرف على المواد العضوية في مياه الصرف الصحي المنزلية كمصدر متجدد للطاقة الكيميائية5. تم استخدام الهضم اللاهوائي لحمأة مياه الصرف الصحي (أي الحمأة الأولية والحمأة المنشطة للنفايات ، WAS) لإنتاج الغاز الحيوي الغني بالميثان في محطات معالجة مياه الصرف الصحي (WWTPs) لأكثر من قرن6. ومع ذلك ، فإن هضم تيارات النفايات العضوية المتعددة ، مثل نفايات بقايا الطعام مع WAS ، أصبح سائدا فقط في السنوات الأخيرة ولا يزال مجالا نشطا للبحث. نفايات خردة الطعام هي تيار نفايات ثابت من المواد العضوية عالية الكثافة في العديد من البلدان المتقدمة ، وهو ما يمثل حوالي 25 ٪ من كتلة مكب النفايات في الولايات المتحدة7. بصرف النظر عن تحويل جزء من بقايا الطعام من التخلص منها في مدافن النفايات ، فإن الجمع بين بقايا الطعام و WAS في سيناريو الهضم المشترك مفيد بسبب زيادة حجم الغاز الحيوي المنتج (بالنسبة إلى تيار نفايات عضوية واحد). يحتوي الغاز الحيوي عادة على 60٪ -70٪ ميثان ، و 30٪ -40٪ ثاني أكسيد الكربون ، وكميات ضئيلة من الغازات الأخرى (مثل كبريتيد الهيدروجين) 8. يمكن تنظيف الغاز الحيوي وحرقه في الموقع في محطات معالجة مياه الصرف الصحي باستخدام تقنية الحرارة والطاقة المشتركة لتعويض بعض متطلبات الطاقة الكهربائية والحرارية9.

درست العديد من الدراسات إمكانات الميثان الحيوي والمعلمات الحركية الحيوية للميكروبات اللاهوائية التي تشارك في هضم النفايات العضوية1. استخدمت الدراسات المتاحة في الأدبيات مقايسات الدفعات في زجاجات المصل حيث يتم قياس إنتاج الميثان في نقاط منفصلة طوال التجربة ، بينما قام آخرون بقياس إنتاج الميثان باستخدام مقاييس التدفق المتصلة مباشرة بالمفاعلات الحيوية على نطاق مقاعد البدلاء أو على نطاق تجريبي2،10،11. يمكن أن يوفر القياس المستمر لإنتاج الميثان باستخدام مقياس التنفس ، مثل المقياس الموصوف في هذا البروتوكول ، قياسات مستمرة ودقيقة للميثان من عدد كبير من العينات التي يتم تشغيلها في ظل مجموعة متنوعة من الظروف التجريبية 1,12. في حين أن العديد من الدراسات قد قاست إنتاج الميثان من الهضم المشترك ل WAS إلى جانب ركائز عضوية أخرى ، مثل النفايات الحيوية والدهون والزيوت والشحوم والنفايات الزراعية10،13،14 ، لا يزال هناك عمل كبير لتحديد معدلات إنتاج الميثان من مجموعة كبيرة ومتنوعة من سيناريوهات الهضم المشترك. علاوة على ذلك ، حتى الآن ، لا يوجد بروتوكول متاح يوفر نهجا متعمقا خطوة بخطوة باستخدام الصور المرئية لقياس إنتاج الميثان من الهضم المشترك لبقايا الطعام و WAS. وفقا لذلك ، تقدم هذه الدراسة بروتوكول مقياس التنفس لقياس إنتاج الميثان واشتقاق المعلمات الحركية الحيوية باستخدام مزيج من مياه الصرف الصحي المخففة ، WAS ، ونفايات بقايا الطعام كركائز. تم استخدام نسب مختلفة من الغذاء إلى الكائنات الحية الدقيقة (F: M) للمساعدة في توضيح التغيرات في إنتاج الميثان. تشمل القياسات الأخرى المواد الصلبة العالقة المتطايرة (VSS) والطلب على الأكسجين الكيميائي (COD) ودرجة الحموضة لكل عينة. يصف هذا البروتوكول إعداد مقياس التنفس وإنشاء العينات والقياسات الحرجة.

Protocol

1. إعداد الركيزة

  1. جمع ~ 1.5 لتر من النفايات السائلة الأولية ، ~ 1 لتر من الحمأة المنشطة بالنفايات (WAS).
    ملاحظة: يجب أخذ عينات WAS مباشرة قبل التجربة ؛ ومع ذلك ، يمكن تخزين WAS لمدة تصل إلى 48 ساعة عند 4 درجات مئوية قبل التجربة دون أي تأثير ملحوظ على استخدامه كركيزة15،16،17.
  2. الحصول على 2 لتر من الثقافة اللاهوائية مباشرة قبل التجربة والحفاظ على الثقافة عند 35 درجة مئوية. الحد من ملامسة الهواء قدر الإمكان أثناء النقل من الهاضم اللاهوائي إلى زجاجة التجميع.
    ملاحظة: تم الحصول على الثقافة اللاهوائية المستخدمة في هذه الدراسة من محطة معالجة مياه الصرف الصحي التي تعالج 8.5 مجم (38,640 م3 / يوم) مع الهضم اللاهوائي للحمأة الأولية لمياه الصرف الصحي. تتمثل أفضل الممارسات في الحفاظ على الظروف اللاهوائية عن طريق شطف زجاجة التجميع بغاز النيتروجين قبل الحصول على ثقافة لاهوائية13 والحفاظ على الظروف اللاهوائية أثناء النقل والتخزين.
  3. اجمع فضلات الطعام وقم بتخزينها لمدة تصل إلى 48 ساعة قبل التجربة عند 4 درجات مئوية.
    ملاحظة: اعتمادا على التصميم التجريبي ، يجب توخي الحذر لتحديد نفايات الطعام بالنسب المستهدفة من الكربوهيدرات والبروتينات وما إلى ذلك. من المحتمل أن تختلف النسب المستهدفة للمواد العضوية في نفايات الطعام حسب التجربة. يمكن تقدير نسبة الكربوهيدرات والبروتينات والدهون في الطعام الذي تم جمعه من الأدبيات المنشورة أو تقييمها باستخدام البروتوكولات المعمول بها (على سبيل المثال ، كروماتوغرافيا الغاز).

2. إعداد المكملات الغذائية

  1. تحضير محلول القاعدة المعدنية #1 عن طريق خلط 800 مل من الماء منزوع الأيونات (DI) مع CoCl2 · 6H2O (0.25 جم) ، FeCl3 ·6H2O (5 جم) ، MnCl2 ·4H2O (0.05 جم) ، NaMoO4 ·2H2O (0.005 جم) ، NiCl2 ·6H2O (0.025 جم) ، CuCl2 ·2H2O (0.007 جم) ، ZnCl2 (0.025 جم) ، H3BO3 (0.025 جم) ، و Na2SeO4 (0.025 جم). تمييع ما يصل إلى 1 لتر بالماء منزوع الأيونات (DI).
  2. تحضير محلول القاعدة المعدنية #2 عن طريق خلط 800 مل من ماء DI مع CaCl2 (27.7 جم) و MgCl2 ·4H2O (101 جم). تمييع ما يصل إلى 1 لتر مع الماء DI.
  3. قم بإعداد قاعدة مغذية عن طريق خلط 800 مل من ماء DI مع NH4Cl (38.2 جم) و Na2SO4 (15 جم). اضبط الرقم الهيدروجيني على 7.0 باستخدام 3.64 N NaOH في ماء DI وقم بتخفيف ما يصل إلى 1 لتر بماء DI.

3. إعداد عينة

  1. امزج فضلات الطعام (الجدول 2) في الخلاط (الشكل 1) لإنشاء خليط. تأكد من خلو الخليط من جزيئات الطعام الكبيرة. قم بتخفيف فضلات الطعام بماء DI للمساعدة في المزج. قم بالتعليق على كمية ماء التخفيف لاستخدامها عند حساب قياسات الطلب على الأكسجين الكيميائي (COD). تعرف نفايات الطعام المخففة هذه باسم "نفايات العمل". ضع النفايات العاملة في زجاجة بلاستيكية سعة 1 لتر وقم بتخزينها في درجة حرارة 4 درجات مئوية.
  2. ضع ملصقا بأربع أكواب زجاجية سعة 2 لتر وفقا للجدول 1. ضعي الكؤوس على طبق تقليب وأضيفي قضيب تقليب كبير. الجمع بين نفايات الطعام ، WAS ، والتخفيف (مياه DI للتحكم والنفايات السائلة الأولية للمعالجات) وفقا للجدول 1 في أكواب 2 لتر.
  3. أضف 12 مل من كل من محلول القاعدة المعدنية # 1 ، ومحلول القاعدة المعدنية # 2 ، وقاعدة المغذيات.
  4. أضف 2.4 جم من NaHCO3 (مسحوق) إلى كل دورق وحرك لمدة 30 ثانية. قم بتسمية ثماني زجاجات لقياس التنفس وفقا للجدول 1 وأضف قضيب تحريك مغناطيسي.
    ملاحظة: سيؤدي هذا إلى إنشاء نسخ مكررة من عنصر التحكم وثلاث معالجات بنسب F: M مختلفة.
  5. أضف المستنبتة اللاهوائية إلى كل دورق سعة 2 لتر وفقا للجدول 1 وحرك. قم على الفور بقياس 500 mL من خليط من الكأس الزجاجية باستخدام مخبار مدرج وانقله إلى زجاجة مقياس التنفس المكتوب عليها ، واغسلها بغاز النيتروجين ، ثم قم بتغطيتها على الفور.
    ملاحظة: يجب توخي الحذر للحد من ملامسة الجراثيم اللاهوائية للأكسجين الجوي (إذا كان ذلك متاحا ، يجب استخدام غرفة لاهوائية للنقل).

4. القياس الكمي للظروف الأولية

  1. استخدم العينة المتبقية من القسم 3 (~ 200 مل) لقياس الأس الهيدروجيني ، وإجمالي COD (tCOD) ، و COD القابل للذوبان (sCOD) ، وإجمالي المواد الصلبة العالقة (TSS) ، والمواد الصلبة العالقة المتطايرة (VSS) لكل عينة18.
    1. إذا لزم الأمر ، قم بتخفيف العينات بماء DI بناء على حدود الكشف عن معدات القياس.
      ملاحظة: تم استخدام إجراءات الشركة المصنعة لقياسات COD.

5. إعداد مقياس التنفس

  1. اضبط مقياس التنفس (الشكل 2) على الإعداد اللاهوائي المنخفض.
  2. اضغط على زر إعادة الضبط وزر التشغيل في وقت واحد.
    ملاحظة: هذا خاص بالنموذج المستخدم في هذه الدراسة.
  3. اضبط المبرد (الشكل 3) على 35.5 درجة مئوية.
  4. املأ كل CO2 وجهاز تنظيف الرطوبة (الشكل 4 والشكل 5) بمزيج 50/50 من كريات CaSO4 و KOH في المنتصف ، محاطا بالصوف الزجاجي على كل جانب.
  5. قم بتوصيل الأنابيب والإبر من زجاجات العينات بجهاز الغسيل ثم من جهاز الغسيل إلى مدخل الغاز (الشكل 6).
  6. على الكمبيوتر المحمول مقياس التنفس ، قم بتشغيل برنامج مقياس التنفس RSA-8-v2.0.
    ملاحظة: هذه الخطوة خاصة بالنموذج المستخدم في هذه الدراسة.
  7. حدد جميع الزجاجات في البرنامج وحدد تحرير > تسميات البيانات. اسم جميع الزجاجات.
    ملاحظة: هذه الخطوة خاصة بالنموذج المستخدم في هذه الدراسة.
  8. ابدأ في قياس إنتاج الغاز عن طريق تنشيط زر البدء في البرنامج. اضبط البرنامج لقياس البيانات في نهاية كل نصف ساعة. راقب إنتاج الغاز عن طريق تحديد مخطط الأسعار أو مخطط الحجم.
    ملاحظة: هذه الخطوة خاصة بالنموذج المستخدم في هذه الدراسة.
  9. بعد التجربة (~ 7 أيام) ، أوقف التشغيل في البرنامج ، وأوقف تشغيل المبرد ، وأوقف تشغيل وحدة RSPF. احفظ ملف البيانات كملف CSV ، ثم قم بتحويله إلى مستند MS Excel.
    ملاحظة: هذه الخطوة خاصة بالنموذج المستخدم في هذه الدراسة.

6. قياسات ما بعد التنفس

  1. قم بقياس الأس الهيدروجيني و TSS و VSS و COD على العينات النهائية كما هو الحال في القسم 4.

النتائج

تكوين نفايات الطعام
تتكون نفايات الطعام المستخدمة في هذه الدراسة من خمسة أنواع مختلفة من الطعام يتم تقديمها عادة في منشأة طعام جامعية. تحتوي كل عينة غذائية على كميات متفاوتة من الدهون والكربوهيدرات والبروتينات ، وهي مدرجة في الجدول 2. 19 كانت نفايات خردة الطعام المخلوطة 44٪ كربوهيدرات و 36٪ بروتينات و 16٪ دهون و 4٪ مواد أخرى. تم استخدام كتلة متساوية تقريبية لكل نوع غذائي (56 جم إلى 86 جم) لتوفير ركيزة عضوية تمثيلية لمرفق الطعام للهضم المشترك اللاهوائي. تم بعد ذلك تنويع كتلة نفايات خردة الطعام لتحقيق F: M المطلوب لكل سيناريو تم فحصه (0.3 و 0.7 و 1.1).

القياسات الصلبة والعضوية المتطايرة المعلقة
تم العثور على نتائج VSS الأولية والنهائية والطلب الأولي والنهائي على الأكسجين في الجدول 3. يتم تقديم الطلب على الأكسجين على أنه BOD5 ، والذي تم تحويله من COD باستخدام نسبة التحويل المقبولة (COD = 1.6BOD5) 8. كما هو موضح ، زادت تركيزات VSS الأولية (الموضحة أيضا بالكتلة في الجدول 3) من التحكم إلى أكبر نسبة F: M (1.1). أظهر كل فحص F: M تدمير VSS ، أو التحويل اللاهوائي للمواد العضوية إلى منتجات نهائية غازية من الميثان وثاني أكسيد الكربون. بسبب التحويل ، انخفض تركيز VSS من القياسات الأولية إلى القياسات النهائية المأخوذة في نهاية التجربة. زادت كمية VSS المدمرة من التحكم إلى نسب F: M أكبر. بشكل غير متوقع ، تجاوز تدمير VSS لسيناريو F: M = 0.7 سيناريو F: M = 1.1 ، ربما بسبب التثبيط في سيناريو F: M لسيناريو 1.1.

اتبعت تركيزات الطلب الأولية المقاسة على الأكسجين نفس الاتجاه مثل VSS ، أي زادت من التحكم إلى أكبر نسبة F: M (الجدول 3). على غرار تدمير VSS ، انخفضت تركيزات BOD5 بين التركيزات الأولية والنهائية ، باستثناء السيطرة. زاد الطلب على الأكسجين في المجموعة الضابطة ، على الأرجح بسبب الاضمحلال الداخلي. على عكس تدمير VSS ، كان الانخفاض في الطلب على الأكسجين من القياس الأولي إلى القياس النهائي منخفضا نسبيا لكل عينة ، حيث تراوح بين 1 و 3٪ ، ولم يظهر أي اتجاه بنسبة F: M. أحد الأسباب المحتملة لهذا الاتجاه هو تحويل المواد العضوية الجسيمية إلى مواد عضوية قابلة للذوبان ، والتي تحدث على مدى أطر زمنية طويلة وغالبا ما تكون خطوة تحد من المعدل في عملية التمثيل الغذائي للاتحادات الميكروبية اللاهوائية20.

إنتاج الميثان
اختلفت كميات ومعدلات إنتاج الميثان على مدى نسب F: M خلال فترة الدراسة التي استمرت 190 ساعة. كشفت النتائج التجريبية أن ارتفاع نسب F: M أدى إلى زيادة الأحجام الإجمالية للميثان (الشكل 7). أنتجت المجموعة الضابطة ، التي لم تتم إضافة أي ركيزة إليها ، كمية صغيرة من الميثان (~ 72 مل) على الأرجح بسبب الكمية الصغيرة نسبيا من BOD5 القابل للذوبان في الحمأة و / أو التحلل الداخلي. كما هو متوقع ، أدت إضافة الركيزة في سيناريوهات أخرى إلى زيادة إنتاج الميثان بالنسبة إلى السيطرة. أسفر سيناريو F: M من 0.3 عن خمسة أضعاف الميثان ، من حيث الحجم (~ 354 مل) ، من عنصر التحكم. أدت زيادة نسبة F: M إلى 0.7 إلى إنتاج 1.6 مرة من الميثان (~ 574 مل) أكثر من سيناريو F: M البالغ 0.3. وبالمثل ، فإن زيادة نسبة F: M إلى 1.1 أسفرت عن 1.9 مرة أكثر من الميثان (~ 1098 مل) من سيناريو F: M البالغ 0.7. يتم سرد القيم القصوى لإنتاج الميثان الحجمي المرصود (Ymax) لكل نسبة F: M التي تم فحصها في الجدول 4. كما تغير معدل الميثان المنتج بمرور الوقت مع فحص نسب F: M. كما هو موضح في الشكل 8 ، زاد معدل إنتاج الميثان ، وكذلك طول الفترة الزمنية أثناء الدراسة التي تم فيها إنتاج الميثان ، مع زيادة F: M. على سبيل المثال ، في سيناريو F: M من 0.3 ، لم يكن هناك إنتاج ملاحظ للميثان بعد 129 ساعة من الدراسة (بحد أقصى 354 مل) ، في حين أن سيناريو F: M من 1.1 كان لا يزال ينتج كمية صغيرة من الميثان في نهاية الدراسة. في جميع السيناريوهات ، انخفض معدل إنتاج الميثان بمرور الوقت بسبب انخفاض توافر الركيزة. في حين كان لا يزال هناك طلب وفير على الأكسجين المتاح في نهاية الدراسة (الجدول 3) ، فقد لا يكون في شكل متاح بيولوجيا ، أو ربما كان هناك مستقبل محدود للإلكترون المتبقي (على سبيل المثال ، ثاني أكسيد الكربون) للميكروبات اللاهوائية. أخيرا ، تظهر مقارنة الميثان المنتج (مل) لكل VSS مدمر (ملغ) أن قيم F: M البالغة 0.3 و 0.7 توفر نطاقا من 1.3 إلى 1.6 مل / مجم ، في حين أن F: M البالغ 1.1 ينتج المزيد من الميثان لكل وحدة VSS مدمرة (3.7 مل / ملغ) (الجدول 4). يوفر Tchobanoglous et al. (2014) نطاقات نموذجية لإنتاجية الغاز لكل وحدة صلبة مدمرة للمواد الأولية الشائعة ، لتشمل الدهون (~ 1.4 مل / ملغ) ، والشحوم (~ 1.1 مل / ملغ) ، والبروتين (~ 0.7 مل / ملغ) 8. استعرض Mata-Alvarez et al. (2014) الدراسات التي شاركت في هضم حمأة مياه الصرف الصحي مع مجموعة متنوعة من الركائز ، ونسب الركيزة المختلفة (على سبيل المثال ، نسب مختلفة من WAS و FOG) ، في المفاعلات الحيوية على نطاق مقاعد البدلاءوعلى نطاق تجريبي 10. ووجدوا أن إنتاج الميثان المبلغ عنه لكل وحدة VSS مدمرة يختلف اختلافا كبيرا مع الركائز التي تم هضمها بشكل مشترك ، وكذلك نسبة الركائز ، التي تتراوح من 0.2 مل إلى 1.1 مل من الغاز الحيوي لكل ملغ مقابل تدميرها. النتائج التمثيلية من هذه الدراسة ، وخاصة بالنسبة ل F: M من 0.3 و 0.7 مقارنة إيجابية لنتائج دراسات المقارنة.

المعلمات الحركية الحيوية
يمكن استخدام إنتاج الميثان بمرور الوقت لتحديد العديد من المعلمات الحركية الحيوية الهامة. يمكن الاستفادة من هذه المعلمات الحركية الحيوية للتنبؤ بإنتاج الميثان في سيناريوهات مماثلة دون استخدام مقياس التنفس. يمكن اشتقاق ثابت معدل إنتاج الميثان ، k ، باستخدام تركيب مربع لوغاريتمي أصغر لبيانات مقياس التنفس المرصودة لكل نسبة F: M تم فحصها (أي تلك الموضحة في الشكل 8). الدالة اللوغاريتمية التمثيلية لسيناريو F: M لسيناريو 0.3 هي y = 93.465ln (X) - 175.91. هنا ، تكون قيمة 93.465 بوحدات الساعات ، والتي يجب تحويلها إلى أيام ثم عكسها ، مما يعطي k = 0.257. يوجد في الجدول 4 ثوابت المعدل (k) ومعامل التحديد (R2) لكل نسبة F: M تم فحصها.

يمكن بعد ذلك الاستفادة من ثابت المعدل لتحديد عائد الميثان في أي وقت لكل نسبة F: M. يمكن تمثيل معدل الميثان الناتج بمرور الوقت من الركيزة العضوية باستخدام المعادلة التالية [1]21:

(1)figure-results-6174

بدمج المعادلة أعلاه بين الحدود t = 0 إلى t = t ، نحصل على ما يلي [2]:

(2)figure-results-6426

حيث ، Y = عائد الميثان في أي وقت [مل] ؛ Ymax = الحد الأقصى لإنتاجية الميثان المرصودة من دراسة مقياس التنفس [مل] ؛ k = ثابت معدل إنتاج الميثان [D-1] ؛ ر = الوقت [د]

في حين أن نهج الدرجة الأولى المستخدم لتطوير المعلمات الحركية الحيوية المعروضة أعلاه يوفر ملاءمة معقولة جدا للبيانات التجريبية (كما هو موضح في قيم R2 في الجدول 4) ، فقد أبلغت دراسات أخرى عن استخدام نماذج أخرى لتناسب بيانات إنتاج الميثان ، لتشمل نموذج Gompertz المعدل ، ونموذج الركيزة الثنائية ، ونموذج Cone2.

figure-results-7197
الشكل 1: خلاط نفايات الطعام. خلاط قياسي يستخدم للجمع بين نفايات الطعام. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-7610
الشكل 2: مقياس التنفس. إعداد كامل لمقياس التنفس لقياس إنتاج الميثان. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-8020
الشكل 3: زجاجة عينة في مبرد مقياس التنفس. منظر داخلي لمبرد مقياس التنفس مع ثماني زجاجات عينة. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-8455
الشكل 4: جهاز تنقية جهاز قياس التنفس. منظر قريب لجهاز تنقية جهاز قياس التنفس. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-8874
الشكل 5: جهاز تنقية جهاز قياس التنفس للتحكم في الوحدة. صورة مقياس التنفس لوحدة التحكم وإعداد جهاز الغسيل. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-9321
الشكل 6: إعداد خط تنقية مقياس التنفس. عرض قريب لإعداد خط الغسيل بين زجاجات العينات ومقياس التنفس. يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-9760
الشكل 7: إجمالي إنتاج الميثان باستخدام نسب F: M مختلفة. يتم تصوير إنتاج الميثان لكل F: M (0.3 ، 0.7 ، 1.1) بمرور الوقت (0 ساعة إلى 190 ساعة). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

figure-results-10243
الشكل 8: معدل إنتاج الميثان باستخدام نسب F: M مختلفة. معدل إنتاج الميثان لكل F: M (0.3 ، 0.7 ، 1.1) يصور بمرور الوقت (0 ساعة إلى 190 ساعة). يرجى النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الجدول 1: مكونات زجاجة العينة مع نسب الغذاء إلى الميكروب. الكتلة المكونة والتركيز والحجم لكل F: M (0.3 ، 0.7 ، 1.1) والزجاجات الفارغة. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.

الجدول 2: عينة تكوين الركيزة العضوية. كتلة نفايات الطعام ونسبة تكوينها حسب الطعام ونسبة الكربوهيدرات والبروتينات والدهون. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.

الجدول 3: عينة متطايرة من المواد الصلبة العالقة ونتائج الطلب على الأكسجين (± الانحراف المعياري). VSS و COD لكل F: M (0.3 ، 0.7 ، 1.1). الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.

الجدول 4: عينة المعلمات الحركية. المعلمات الحركية المحسوبة على أساس عائد الميثان. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الجدول.

Discussion

يمكن أن تساعد الطرق الواردة في هذا البروتوكول الباحثين والممارسين على تحديد إمكانات الميثان الحيوي لهضم تيارات النفايات العضوية لاهوائيا باستخدام قياس التنفس. في هذا البروتوكول ، نوضح توليد الميثان من الهضم المشترك لتيار نفايات خردة الطعام النموذجي إلى جانب WAS من محطة معالجة مياه الصرف الصحي عبر مجموعة من نسب F: M. يضيف هذا البروتوكول إلى الأدبيات من خلال توفير نهج قياس التنفس خطوة بخطوة للقياس المستمر لإنتاج الميثان وتحديد المعلمات الحركية الحيوية باستخدام النمذجة الحركية من الدرجة الأولى. استخدمت العديد من الدراسات الأخرى تجارب مصغرة تقيس إنتاج الميثان في نقاط منفصلة في الوقت 10,22 ، بينما قام البعض الآخر بقياس الميثان باستخدام مقاييس التدفق المرفقة بالمفاعلات الحيوية ذات التدفق المستمر أو المفاعلات الحيوية على نطاق تجريبي 14,23. يوفر قياس التنفس ميزة قياس إنتاج الميثان على أساس مستمر على مجموعة متنوعة من الظروف التجريبية. نظرا لأن تجارب قياس التنفس لا تتطلب بناء مفاعل حيوي ، يمكن تعديل الظروف التجريبية بتردد نسبي مقارنة ببعض التجارب على نطاق مقاعد البدلاء أو على نطاق تجريبي. بسبب هذه الميزة ، يمكن استخدام تجارب قياس التنفس لتحديد إنتاج الميثان من الهضم المشترك للعديد من مجموعات النفايات العضوية في فترة زمنية قصيرة نسبيا. على سبيل المثال ، كخطوة تالية للبروتوكول المقدم في هذه الدراسة ، يمكن هضم الدهون والزيوت والشحوم ، وهي كثيفة جدا في الطاقة الكيميائية بالنسبة إلى WAS ، مع بقايا الطعام لتحديد الزيادات المحتملة في توليد الميثان بمرور الوقت. يمكن أن يستمر تطبيق هذا النهج في بناء مجموعة الأدبيات المتعلقة بمعدلات توليد الميثان والمعلمات الحركية الحيوية عبر مجموعات الركائز المتعددة في مخططات الهضم المشترك. علاوة على ذلك ، بالإضافة إلى تحديد مجموعات الركيزة المثلى ، يمكن استخدام نتائج إنتاج الميثان ومعلمات الحركية الحيوية لإبلاغ نمذجة الأداء في البرامج الحالية ، مثل تلك المصممة لمعالجة مياه الصرف الصحي ، أو للتنبؤ بكيفية أداء مخططات الهضم المشترك عند توسيع نطاقها من مقاعد البدلاء أو النطاق التجريبي إلىالنطاق الكامل 24,25.

بالإضافة إلى ذلك ، يمكن تعديل هذا البروتوكول لتطبيق تغذية ركيزة مخصصة لاتحاد الميكروبات اللاهوائية. على سبيل المثال ، إذا أراد الباحث دراسة آثار توفير الكربوهيدرات فقط أو البروتينات فقط للميكروبات اللاهوائية ، فيمكن تغيير المادة الخام في هذا البروتوكول وفقا لذلك. بدلا من ذلك ، إذا أراد الباحث اختبار تأثير إضافة جزء معين من COD (على سبيل المثال ، COD القابل للذوبان فقط ، أو COD الجسيمي فقط) أو تركيزات عالية من ركيزة معينة (على سبيل المثال ، الأسيتات ، والأحماض الدهنية المتطايرة ، والمنتج الوسيط لعملية التمثيل الغذائي اللاهوائي) على إنتاج الميثان ، يمكن استخدام شكل مختلف من هذا البروتوكول. من أفضل الممارسات الملحوظة عند تعديل الركيزة أو تبديل F: M لركيزة معينة الحفاظ على نفس كتلة الجراثيم اللاهوائية لكل عينة مع ضبط كتلة الركيزة فقط (يجب استخدام نسب الكتلة إلى الكتلة). بالإضافة إلى تعديل الركائز ، يمكن للباحثين استخدام هذا البروتوكول مع تحليلات أخرى للحصول على فهم أفضل لاستخدام الركيزة وإنتاج الميثان. على سبيل المثال ، يمكن للباحث استخدام هذا البروتوكول جنبا إلى جنب مع تحليلات المجتمع الميكروبي (على سبيل المثال ، تسلسل الجينات 16S rRNA أو metagenomics) لربط بنية المجتمع بالوظيفة بشكل أفضل.

على الرغم من فائدة هذه المنهجية ، هناك العديد من القيود. وكثيرا ما تكون أجهزة قياس التنفس واختبارات إمكانات الميثان الأحيائي مفاعلات دفعية؛ ومع ذلك ، عادة ما يتم تشغيل الهاضمات اللاهوائية واسعة النطاق كأنظمة تدفق مستمر مع أوقات احتجاز الحمأة تصل إلى 10 أيام1. وبناء على ذلك ، فإن البيانات المستقاة من تجارب قياس التنفس مفيدة لتقدير معدلات توليد الميثان وتطوير معلمات حركية حيوية ، ولكن يجب التحقق من صحة هذه البيانات في الميدان باستخدام أجهزة هضم واسعة النطاق تعمل بمرور الوقت عندما يكون ذلك ممكنا.

بالإضافة إلى ذلك ، يجب توخي الحذر في اختيار العينات وإعدادها قبل قياس التنفس. سوف تحرف جزيئات خردة الطعام الكبيرة قياسات VSS و COD ويمكن أن تقدم نتائج غير دقيقة. إذا تم استخدام نفايات خردة الطعام كركيزة، فيجب أن يكون المزيج منقعا جيدا وخاليا من جزيئات الطعام الكبيرة - وهو نهج يشبه النقع في حفر استقبال بقايا الطعام في أجهزة هضم واسعة النطاق. يمكن أن يساعد التخفيف بماء DI في عملية المزج ويشبه إضافة الماء الذي يشيع استخدامه عند نقع بقايا الطعام على نطاق أوسع. ومع ذلك ، ينبغي بذل كل جهد ممكن لضمان قياس التخفيفات بشكل صحيح وتحقيق محتوى الرطوبة المستهدف. يمكن أن يكون التخفيف مصدرا للخطأ بسهولة ، خاصة إذا كان الطلاب عديمي الخبرة ينفذون هذا البروتوكول.

نظرا لأن الاتحادات الميكروبية الموجودة في الهضم المشترك تحتوي على لاهوائيات ملزمة ، يجب توخي الحذر بشكل خاص للقضاء على (أو تقليل بشكل كبير) التعرض للأكسجين أثناء عمليات النقل وإعداد العينات. يمكن إزالة الأكسجين من زجاجات العينات عن طريق شطف النيتروجين. علاوة على ذلك ، إذا كان ذلك متاحا ، يجب إجراء عمل نقل الثقافة اللاهوائية بين زجاجات التجميع وزجاجات عينات مقياس التنفس في غرفة لاهوائية. نظرا لأن مقياس التنفس يوفر نتائج متسقة (أحجام ومعدلات إنتاج الميثان) ، يمكن بسهولة تحديد أي انحراف عن النتائج المتوقعة ، على سبيل المثال ، اتحاد ميكروبي غير قابل للحياة ، في بداية الاختبار. يمكن أن يساعد استخدام عينة مكررة أو ثلاثية في تحديد الاختبارات الخاطئة.

Disclosures

ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.

Acknowledgements

نشكر الدكتور جيم يونغ من أنظمة وتطبيقات مقياس التنفس على المناقشة المتعلقة بتطوير هذا البروتوكول.

Materials

NameCompanyCatalog NumberComments
103 °C Oven IsotempFisher Scientific13-247-737FModel: 737F, Force Air Oven
550 °C Vulcan OvenNeytech (Manufacturer) / Cole Palmer (Vendor)9493308Model: 3-550
Aerobic/Anaerobic RespirometerRespirometer System and Applications (RSA)PF-8000Model: PF-8000
Analytical BalanceMettler Toledo30029075Model: ME204E, Detection Limit: 0.1 mg
Smoothie Blender with 56 oz Plastic JarHamilton Beach50190FModel: 50190F
COD Vials TNT Plus Vial TestHACHTNT821TNT 821, 3–150 mg/L COD
COD Vials TNT Plus Vial TestHACHTNT822TNT 822, 20–1500 mg/L COD
DessicatorSP Bel-Art942070050Model: SP Scienceware
Dionized Water SystemMilli-QZIQ7010T0CIQ 7010 Pure & Ultrapure Water Purification System
Anhydrous CaSO4W.A. Hammond Drierite Company130018 Mesh, 1 lb
Glass Fiber FiltersWhatman (Manufacturer) / Cole-Parmer (Vendor)1827-150Model: 934-AH
Heat Digestor BlockHACHDRB200-02DRB 200
Hot Plate StirrerCorning6795-620DModel: PC-620D
Industrial-Grade Nitrogen (Compressed Cylinder)Air GasNI UHP300300 cubic feet
Pellets (KOH)Fisher ScientificAC134062500500 g
pH MeterFisher Scientific13-636-AP115AP115, Accumet pH meter
UV SpectrophotometerHACHLPV400.99.00012DR 3900
Vaccum PumpGAST1HAB-25-M100X

References

  1. Mainardis, M., Buttazzoni, M., Cottes, M., Moretti, A., Goi, D. Respirometry tests in wastewater treatment: Why and how? A critical review. Sci Total Environ. 793, 148607 (2021).
  2. Pan, Y., et al. Synergistic effect and biodegradation kinetics of sewage sludge and food waste mesophilic anaerobic co-digestion and the underlying stimulation mechanisms. Fuel. 253, 40-49 (2019).
  3. Argiz, L., et al. Assessment of a fast method to predict the biochemical methane potential based on biodegradable COD obtained by fractionation respirometric tests. J Environ Manage. 269, 110695 (2020).
  4. Carucci, A., et al. Aerobic storage by activated sludge on real wastewater. Water Res. 35 (16), 3833-3844 (2001).
  5. McCarty, P. L., Bae, J., Kim, J. Domestic wastewater treatment as a net energy producer-Can this be achieved. Environ Sci Technol. 45 (17), 7100-7106 (2011).
  6. McCarty, P. The development of anaerobic treatment and its future. Water Sci Technol. 44 (8), 149-156 (2001).
  7. From farm to kitchen: The environmental impacts of U.S. food waste Part 1. United States Environmental Protection Agency Available from: https://www.epa.gov/system/files/documents/2021-11/from-farm-to-kitchen-the-environmental-impacts-of-u.s.-food-waste_508-tagged.pdf (2021)
  8. Tchobanoglous, G., Burton, F. L., Stensel, H. D. . WastewaterEngineering:TreatmentandReuse. 5th ed. , (2014).
  9. Pfluger, A., et al. Anaerobic digestion and biogas beneficial use at municipal wastewater treatment facilities in Colorado: A case study examining barriers to widespread implementation. J Clean Prod. 206, 97-107 (2019).
  10. Mata-Alvarez, J., Dosta, J., Romero-Güiza, M. S., Fonoll, X., Peces, M., Astals, S. A critical review on anaerobic co-digestion achievements between 2010 and 2013. Renew Sust Energ Rev. 36, 412-427 (2014).
  11. Pfluger, A. R., Hahn, M. J., Hering, A. S., Munakata-Marr, J., Figueroa, L. Statistical exposé of a multiple-compartment anaerobic reactor treating domestic wastewater. Water Environ Res. 90 (6), 530-542 (2018).
  12. Razaviarani, V., Buchanan, I. D. Calibration of the Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) for steady-state anaerobic co-digestion of municipal wastewater sludge with restaurant grease trap waste. Chem Eng J. 266, 91-99 (2015).
  13. Zhu, H., et al. Biohydrogen production by anaerobic co-digestion of municipal food waste and sewage sludges. Int J Hydrog Energy. 33 (14), 3651-3659 (2008).
  14. Serna-García, R., Ruiz-Barriga, P., Noriega-Hevia, G., Serralta, J., Pachés, M., Bouzas, A. Maximising resource recovery from wastewater grown microalgae and primary sludge in an anaerobic membrane co-digestion pilot plant coupled to a composting process. J Environ Manage. 281, 111890 (2021).
  15. Gossett, J. M., Belser, R. L. Anaerobic digestion of waste activated sludge. J Environ. 108 (6), 1101-1120 (1982).
  16. Yi, H., Han, Y., Zhuo, Y. Effect of combined pretreatment of waste activated sludge for anaerobic digestion process. Procedia Environ Sci. 18, 716-721 (2013).
  17. Nah, I. W., Kang, Y. W., Hwang, K. Y., Song, W. K. Mechanical pretreatment of waste activated sludge for anaerobic digestion process. Water Res. 34 (8), 2362-2368 (2000).
  18. American Public Health Association. . Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Vol. 10. American Public Health Association. , (2012).
  19. Food Data Central. US Department of Agriculture Available from: https://fdc.nal.usda.gov/ (2024)
  20. Vanzin, G., Pfluger, A., Almstrand, R., Figueroa, L., Munakata-Marr, J. Succession of founding microbiota in an anaerobic baffled bioreactor treating low-temperature raw domestic wastewater. Environ Sci Water Res Technol. 8 (4), 792-806 (2022).
  21. Negi, S., Dhar, H., Hussain, A., Kumar, S. Biomethanation potential for co-digestion of municipal solid waste and rice straw: a batch study. Bioresour Technol. 254, 139-144 (2018).
  22. Rostkowski, K. H., Pfluger, A. R., Criddle, C. S. Stoichiometry and kinetics of the PHB-producing Type II methanotrophs Methylosinus trichosporium OB3b and Methylocystis parvus OBBP. Bioresour Technol. 132, 71-77 (2014).
  23. Pfluger, A., Vanzin, G., Munakata-Marr, J., Figueroa, L. An anaerobic hybrid bioreactor for biologically enhanced primary treatment of domestic wastewater under low temperatures. Environ Sci Water Res Technol. 4 (11), 1851-1866 (2018).
  24. Callahan, J. L., Pfluger, A. R., Figueroa, L. A., Munakata-Marr, J. BioWin® modeling of anaerobic sludge blanket treatment of domestic wastewater. Bioresour Technol Rep. 20, 101231 (2022).
  25. Linvill, C., Butkus, M., Bennett, E., Wait, M., Pytlar, A., Pfluger, A. Energy balances for proposed complete full-scale anaerobic wastewater treatment facilities. Environ Eng Sci. 40 (11), 482-493 (2023).

Reprints and Permissions

Request permission to reuse the text or figures of this JoVE article

Request Permission

Explore More Articles

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Privacy

Terms of Use

Policies

Contact Us

Recommend to library

JoVE NEWSLETTERS

Research

Education

Authors

Librarians

ABOUT JoVE

Copyright © 2025 MyJoVE Corporation. All rights reserved