规模在光合反应器系统对污水的整治藻类比较

摘要

实验方法介绍比较小（100 L）和大（1000升）的性能设计规模为垃圾填埋场污水的整治藻类反应堆。系统的特性，其中包括的表面积与体积比，停留时间，生物量密度，以及废水的进料浓度，可根据应用来调整。

摘要

实验方法被呈现给比较设计用于废水处理两种不同尺寸的反应器的性能。在这项研究中，氨去除，脱氮和藻类生长是通过在成对的套小（100μL）和大（1000升）的反应器设计用于填埋废水的藻类补救8周期间比较。小和大规模反应器中的内容之前，每个每周测试间隔的开始以保持在两个尺度等效初始条件混合。系统的特性，其中包括的表面积与体积比，停留时间，生物量密度，以及废水的进料浓度，可以调节，以便更好地均衡在两个尺度发生的情况。期间短的8周代表的时间段，开始氨和总氮浓度为3.1-14毫克的NH ₃ -N / L和8.1-20.1毫克N / L，分别不等。该处理系统的性能进行评价的基础上它能够去除氨氮，总氮和生产藻类生物量。平均值±氨去除的标准偏差，总氮去除和生物量生长率分别为0.95±0.3毫克的NH ₃ -N /升/天，0.89±0.3毫克N / L /天，和0.02±0.03克生物质/升/天，分别。所有船只表明初始氨浓度和氨氮去除率之间（R ² = 0.76）呈正相关关系。如果实验室规模的实验数据是适合于商业规模的生产值的预测在不同尺度的反应器中测得的过程的效率和生产值的比较可以在确定是有用的。

引言

较大规模的应用实验室规模的数据的翻译是在生物过程的商业化的关键步骤。在小规模的反应器系统，特别是那些注重利用微生物生产效率，已显示出持续超过预测商业规模的系统^{1，2，3，4}发生效率。挑战也存在于从实验室规模藻类和蓝藻光合作用种植扩展到更大的系统制造高价值产品，如化妆品和药品，用于生产生物燃料的目的，以及废水的处理。对于大型藻类生物量生产的需求与新兴工业日益增长的生物燃料，药品/营养制品，和家畜饲料⁵藻类。中所描述的方法此稿件旨在评估增加了对生物生长率和脱氮除磷光合反应器系统规模的影响。这里提出的系统使用藻类补救渗滤液废水，但可以适用于各种应用。

大型系统的生产效率是使用小规模的实验往往预测;然而，有几个因素必须考虑，以确定这些预测的准确度，如规模已经显示影响生物过程的性能。例如，容克（2004）提出的结果从八个不同尺寸的发酵反应器的对比，从30升19000升，这表明，在保护高频通道或商业尺度实际生产率比值使用小预测几乎总是低-scale研究^4。在容器的尺寸，动力混合，搅拌型，营养品质和气体输送不等式被预测是主要原因为生产力下降^4。类似地，已经在藻类生长的反应器显示，生物质生长和生物量相关的产品时规模增加⁶几乎总是降低。

生物，物理和化学因素与反应器的尺寸改变，许多这些因素在小规模不同于在较大的尺度^2,7影响微生物活性。由于大多数全规模系统藻类，如滚道池塘，存在在户外时，要考虑一种生物因素是微生物物种和噬菌体可以从周围环境被引入，其可以改变微生物物种存在并且由此的微生物功能系统。微生物群落的活性也将是环境因素，如轻和温度敏感。气体和流体运动的质量接送这在微生物过程的规模可达影响的物理因素的例子。在实现小型反应堆理想的混合是容易的;然而，随着规模越来越大，它成为工程师理想的混合条件是一个挑战。在更大的尺度，反应器是更可能有死区，非理想的混合，并降低的效率在传质^2。由于藻类光合生物，商业增长必须提高音量时占曝光的变化，由于水深和面积的变化。高的生物量密度和/或低质量的传输速率可引起降低_的 CO ₂浓度和增加的O ₂的浓度，这两者都可能导致抑制生物量生长^8。在藻类生长系统化学因子由水生环境^2，这是因而受pH缓冲化合物的变化，如溶解的CO的pH值动力学驱动 _{2和碳酸盐物种。这些因素是由复杂的相互作用的生物，物理和化学因素加剧，往往不可预知的方式^9。}

本研究提出旨在规范，并在两个不同尺度的血管比较生长条件配对的反应器系统。实验方案侧重于量化渗滤液处理和藻类的生长;然而，它可以适用于监视其他指标，例如在一段时间，或在微生物群落改变藻类中的CO ₂截存的潜力。这里介绍的协议被设计为评价尺度上在渗滤液处理系统藻类生长和脱氮效果。

研究方案

1.系统设置

注意:"配对系统"是指一种水族箱和一个管道水塘，并行运行。

1. 对于一个配对的系统中，使用一个100升的水族箱罐（AT），与用于小型容器顶置混合器，和一个1000升管道水塘（RWP），用叶轮混合器大型容器中。在本系统中使用的容器被描绘在图1中。
2. 接种用相同的藻类培养所有船只。使用接种的高密度，从而在不低于0.1克/升，一旦稀释至在罐或塘¹⁰的全部体积的最终密度。它可能需要一个相当长的时间（数周至数月），以生长足够藻类此步骤。
3. 使用未经处理的垃圾渗滤液作为营养源。使用从接受大部分生活垃圾和具有毒素水平低一个垃圾填埋场渗滤液拍摄。对渗滤液成分分析应该从垃圾填埋场。 ŧ他量每个水箱或池塘使用可根据废水的强度变化渗滤液，但最终氨的浓度应测量5-75毫克_氨氮 / L。
4. 开始与60升工作体积的100升水族箱罐，并用600L的工作体积的管道水塘。本研究开始与在水族箱罐约1升浸出液在59升水中，并在管道水塘590升水10升浸出液。增加使用在这个研究过程中渗滤液浓度。

图1.水族箱和跑道水池的例子。一个水族箱（A）和管道水塘（B）的例子所示。 请点击此处查看该图的放大版本。

2。每周操作和采样

1. 操作水族馆水箱和管道水塘与三周水力停留时间半间歇反应器。每个采样周期跨越一个星期。
2. 以每船125毫升样品。这是一周样品的开始。根据部分3.1-3.3的样品分析协议测试样品。
3. 在本周结束时，取从各容器进行分析125毫升样品。结束一周的样本已经后，清空水族箱的整个容积进入管道水塘。
   1. 每周一次，泵水族箱的整个容积进入管道水塘。
4. 除去从管道水塘的体积（3周的平均水力停留时间）的三分之一。替换体积与水和未处理渗滤液除去。
5. 从传输管道水塘约60 L背面进入鱼缸。这确保了水族馆黄褐色k和管道水塘每星期开始用相同的营养物和生物条件。
6. 就拿从所有船只125毫升样品，为下周启动条件的分析。

3.样品分析

1. 测试和周结束时的样品都开始的最周为氨氮，硝态氮，亚硝酸盐-N，以及生物量密度。
2. 衡量标准的总悬浮固体（TSS）协议，ASTM-D5907，使用0.45微米的过滤物质。
   1. 首先称量滤纸，然后使用真空过滤系统过滤样品20-40毫升。干燥生物量/滤纸在烘箱中在105℃一小时，或直到生物质/滤纸不再变化的重量。
   2. 称重生物质/滤纸，并减去滤纸的初始质量。通过过滤来计算密度的生物质的体积除以这个质量。重复¹¹运行。
3. 测量氨，硝酸盐，亚硝酸盐和分光光度计使用分光光度计。
   1. 用100μL的样品的在商业方法试剂盒，以确定氨浓度。指制造商的协议。
   2. 使用1毫升样品在商业方法试剂盒，以确定硝酸盐浓度。指制造商的协议。
   3. 使用10毫升的样品的在商业方法试剂盒，以确定亚硝酸盐的浓度。指制造商的协议。
4. 监视用市售气象站使用商业探针和数据记录器的环境条件（空气温度，太阳辐射，风速）以及罐/池塘条件（水温，pH值，溶解氧）。指制造商的协议。

4.结果统计分析

1. 确定收集到的数据在统计上是正常的。使用QQ图¹²确定数据集的常态。
2. 确定使用Pearson的R或斯皮尔曼p表示正常和非正常的数据，分别为¹³参数之间的相关性。相关参数应至少包括以下参数:初始的氨浓度，初始总氮浓度，初始生物量密度，氨去除率，总氮的去除率，生物量生长速率，以及所有的环境条件。

结果

这项研究的目的是比较生物量增长，并在小型和大型反应堆生长的藻类培养的脱氮除磷能力。这项研究使用了两个成对的系统，简称为系统1和系统2，重复其调查结果。这些代表性的结果是从8周的时间，二月到四月，2016年第一轨道池塘藻类原来从宾夕法尼亚州费城^，14室外池塘来源接种。此培养物生长至在水族箱的高密度。此接种导致0.12克/升的RWP生物?...

讨论

系统性能:

在8周的研究过程中，在一个系统中的小型和大型船只的生产率进行了比较。在这项研究中的氮和氨去除速率和生物量生长速率被用作治疗系统的生产率的措施。该系统操作的作为半间歇式反应器，其中，每个星期进行离散条件下操作。代表性的结果占了前8周的系统操作的，但是全面研究会延长更长的时间以考虑环境条件的季节变化。

上述方法要...

材料

Name	Company	Catalog Number	Comments
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, 125-200 mL
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	0.45 µm filters