Vergleich von Scale in einer Photosynthetic Reaktorsystem für Algal Sanierung von Abwasser

Zusammenfassung

Eine experimentelle Methodik vorgestellt, die Leistung von kleinen (100 L) und große (1.000 L) -Skala Reaktoren zur Algen Sanierung von Deponieabwasser entwickelt zu vergleichen. System Merkmale, einschließlich der Oberfläche zu Volumen Verhältnis, Retentionszeit, Biomassendichte und Abwasserzulaufkonzentrationen können je nach Anwendung angepasst werden.

Zusammenfassung

Eine experimentelle Methodik vorgestellt, die Leistung von zwei unterschiedlich großen Reaktoren für die Abwasserbehandlung entwickelt, zu vergleichen. In dieser Studie, Ammoniakentfernung, Stickstoffentfernung und das Algenwachstum verglichen werden über eine Dauer von 8 Wochen paar Sätze von kleinen (100 L) und große (1.000 L) Reaktoren zur Algen Sanierung von Deponien Abwasser entwickelt. Inhalt der kleinen und großen Reaktoren vermischt wurden, bevor die zu Beginn eines jeden Wochentestintervall äquivalent Anfangsbedingungen für die beiden Skalen zu halten. System Merkmale, einschließlich der Oberfläche zu Volumen Verhältnis, Retentionszeit, Biomassendichte und Abwasserzulaufkonzentrationen können eingestellt werden, um bessere Bedingungen entzerren an beiden Skalen auftreten. Während der kurzen 8-Wochen repräsentativen Zeitraum, ausgehend von Ammoniak und Gesamtstickstoffkonzentration lag im Bereich von 3,1 bis 14 mg NH ₃ -N / L und 8,1 bis 20,1 mg N / L, respectively. Die Leistung des Behandlungssystems wurde bewertet, basierend aufseine Fähigkeit, Ammoniak und Gesamtstickstoff zu entfernen und Algenbiomasse zu erzeugen. Mittelwert ± Standardabweichung von Ammoniak - Entfernung, Gesamtstickstoffentfernung und Biomasse Wachstumsraten waren 0,95 ± 0,3 mg NH ₃ -N / l / Tag, 0,89 ± 0,3 mg N / l / Tag und 0,02 ± 0,03 g Biomasse / l / Tag, beziehungsweise. Alle Gefäße zeigten eine positive Beziehung zwischen der anfänglichen Ammoniakkonzentration und Ammoniak - Entfernungsrate (R ² = 0,76). Vergleich von Prozesseffizienz und Produktionswerte gemessen in Reaktoren unterschiedlicher Skala kann nützlich sein bei der Bestimmung, ob im Labormaßstab experimentellen Daten für die Vorhersage von kommerziellen Maßstab Produktionswerte angemessen ist.

Einleitung

Übersetzung im Labormaßstab Daten zu größeren Maßstab Anwendungen ist ein wichtiger Schritt bei der Kommerzialisierung von Bioprozessen. Produktionseffizienzen in kleinen Reaktorsysteme, insbesondere jene auf der Verwendung von Mikroorganismen konzentriert wurden Wirkungsgrade gezeigt , konsequent über vorherzusagen , in kommerziellem Maßstab Systemen auftretende ^{1, 2, 3, 4.} Herausforderungen gibt es auch photo Kultivierung von Algen und Cyanobakterien vom Labormaßstab auf größere Systeme zum Zweck der Herstellung hochwertiger Produkte wie Kosmetika in die Aufstockung und Pharmazeutika, zur Herstellung von Biokraftstoffen, und für die Behandlung von Abwasser. Die Nachfrage nach großflächigen Algenbiomasseproduktion wächst mit der aufstrebenden Industrie für Algen in Biokraftstoff, Pharma / Nutrazeutika und Viehfutter ^5. Die Methodik beschrieben indieses Manuskript zielt darauf ab, den Einfluss der zunehmende Ausmaß eines photoReaktorSystems auf Biomassewachstum und Nährstoffentfernung zu bewerten. Das hier vorgestellte System nutzt Algen Deponiesickerwasser Abwasser zu sanieren, sondern kann für eine Vielzahl von Anwendungen angepasst werden.

Produktionseffizienz von Großanlagen werden häufig mit kleineren Maßstab Experimente vorhergesagt; jedoch müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, die Genauigkeit dieser Prognosen zu bestimmen, als Maßstab die Leistung von Bioprozessen beeinflussen gezeigt wurde. Zum Beispiel Junker (2004) vorgestellten Ergebnisse aus einem Vergleich der acht unterschiedlich großen Fermentationsreaktoren im Bereich von 30 l bis 19.000 l, was zeigte, dass tatsächliche Produktivität bei Pilot- oder kommerzielle Skalen war fast immer niedriger als die Werte mit kleinen vorhergesagt -Skala Studien ^4. Ungleichungen in Gefäß Dimension, Mischleistung, Bewegungstyp, Nährstoffqualität und Gastransfer wurden die vorhergesagt werdenHauptursachen für die verminderte Produktivität ^4. In ähnlicher Weise hat sich in der Algenwachstum Reaktoren gezeigt , dass Wachstum der Biomasse und Biomasse bezogene Produkte sind fast immer reduziert , wenn Skala ⁶ erhöht wird.

Biologische, physikalische und chemische Faktoren , die mit der Größe des Reaktors geändert werden , wobei viele dieser Faktoren mikrobiellen Aktivität bei kleinen Skalen anders als bei größeren Maßstäben ^{2, 7} zu beeinflussen. Da die meisten Full-Scale-Systeme für Algen, wie Laufteiche, existieren im Freien, einen biologischen Faktor zu berücksichtigen ist, dass mikrobielle Spezies und Bakteriophagen können aus der Umgebung eingebracht werden, die die mikrobielle Spezies vorhanden verändern können und somit die mikrobielle Funktion des System. Die Aktivität der mikrobiellen Gemeinschaft wird auch von Umweltfaktoren, wie Licht und Temperatur empfindlich sein. Massentransfers von Gasen und flüssigen Bewegung sindBeispiele von physikalischen Faktoren, die in der Skala nach oben von mikrobiellen Prozessen beeinflusst werden. Das Erreichen ideale Durchmischung in kleinen Reaktoren ist einfach; jedoch bei größerem Maßstab, wird es eine Herausforderung idealMischBedingungen zu konstruieren. Bei größeren Skalen sind Reaktoren eher tote Zonen zu haben, nicht idealen Misch und reduzierter Effizienz bei der Massenübertragung ^2. Da Algen photosynthetischen Organismen sind, müssen kommerzielle Wachstum für Änderungen in der Belichtung Konto auf Grund von Änderungen in der Wassertiefe und der Oberflächenbereich, wenn Volumen zunimmt. Hohe Biomassendichte und / oder niedrige Massenübertragungsraten verringert verursachen CO ₂ -Konzentrationen und erhöhte O ₂ -Konzentrationen, welche beide in der Hemmung der Biomassenwachstum führen kann ^8. Chemische Faktoren in einer Algenwachstum Systems werden durch pH Dynamik der Wasserumgebung ² angetrieben , die folglich durch Veränderungen in pH - Pufferverbindungen, wie gelösten CO beeinflußt wird _{2 und Carbonat - Spezies. Diese Faktoren werden compoundierte durch komplexe Wechselwirkungen zwischen den biologischen, physikalischen und chemischen Faktoren, die oft in unvorhersehbarer Weise ^9.}

Diese Studie stellt ein gekoppeltes Reaktorsystem entwickelt, Wachstumsbedingungen in den Gefäßen von zwei unterschiedlichen Skalen zu regulieren und zu vergleichen. Das experimentelle Protokoll konzentriert sich auf die Sickerwasserbehandlung und das Algenwachstum zu quantifizieren; jedoch könnte sie andere Metriken wie Veränderungen in der mikrobiellen Gemeinschaft über die Zeit oder der CO ₂ Sequestrierung Potential von Algen zu überwachen angepasst werden. Das Protokoll hier präsentiert wird entworfen, um die Wirkung der Skala auf das Algenwachstum und Stickstoffentfernung in ein Sickerwasserbehandlungssystem zu bewerten.

Protokoll

1. System-Setup

Hinweis: A 'gepaart System "bezieht sich auf ein Aquarium und einer Lauf Teich, parallel laufen.

1. Für ein System gepaart Verwenden Sie eine 100 L Aquarien Tanks (AT), mit einem Überkopfmischer für die Kleinbehälter und ein 1000 L Laufbahn Teich (RWP), mit einem Schaufelrad-Mischer für den Großbehälter. Vessels in diesem System verwendet werden in Abbildung 1 dargestellt.
2. Impfen aller Schiffe mit der gleichen Algenkultur. Verwenden , um eine hohe Dichte der Inokulation, was zu einer Enddichte von nicht weniger als 0,1 g / L einmal auf das volle Volumen im Tank oder Teich verdünnt ^10. Es kann eine beträchtliche Menge an Zeit (Wochen bis Monate) dauern genug Algen für diesen Schritt zu wachsen.
3. Verwenden Sie unbehandeltem Deponiesickerwasser als Nährstoffquelle. Verwenden Sie Sickerwasser aus einer Mülldeponie genommen, die vor allem Hausmüll akzeptiert und hat geringe Mengen an Toxinen. Eine Zusammensetzungsanalyse für das Sickerwasser sollte aus der Deponie zur Verfügung stehen. Ter Menge von Sickerwasser in jedem Tank oder Becken verwendet wird, kann abhängig von der Stärke des Abwassers variieren, aber endgültige Ammoniakkonzentrationen sollten 5-75 mg NH ₃ -N / L messen.
4. Starten Sie den 100 L Aquarien Tank mit einem 60 L Arbeitsvolumen und die Laufbahn Teich mit einem 600 l Arbeitsvolumen. Diese Studie begann mit etwa 1 l Sickerwasser in 59 l Wasser in den Aquarien Tank und 10 L Sickerwasser in 590 l Wasser in der Laufbahn Teich. Erhöhung der Konzentration des Sickerwassers über den Verlauf dieser Studie verwendet.

Abbildung 1. Beispiele für ein Aquarium und Laufbahn Teich. Ein Beispiel für ein Aquarium (A) und Laufbahn pond (B) gezeigt. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

2. Wöchentliche Betrieb und Sampling

1. Betreiben Sie den Aquarien Tank und Laufbahn Teich als Semi-Batch-Reaktoren mit hydraulischen Retentionszeiten von drei Wochen. Jede Abtastperiode erstreckt sich über eine Woche.
2. Nehmen Sie eine 125 ml Probe aus jedem Gefäß. Dies ist der Anfang der Woche Probe. Testproben nach der Probenanalyse - Protokoll in den Abschnitten 3.1-3.3.
3. Am Ende der Woche, nehmen 125 ml Proben aus jedem Gefäß für die Analyse. Nach dem Ende-der-Woche Proben genommen wurden, das gesamte Volumen des Aquariumbehälter in die Laufbahn pond entleeren.
   1. Einmal pro Woche, die Pumpe das gesamte Volumen des Aquariumbehälter in die Laufbahn Teich.
4. Entfernen ein Drittel des Volumens (für einen mittleren hydraulischen Retentionszeit von 3 Wochen) von der Laufbahn Teich. Ersetzen Volumen mit Wasser und unbehandeltem Sickerwasser entfernt.
5. Übertragen etwa 60 L von der Laufbahn Teich wieder in den Aquariumbehälter. Dadurch wird sichergestellt, dass das Aquarium tank und die Laufbahn Teich beginnen mit den gleichen Nährstoff und biologischen jede Woche Bedingungen.
6. Nehmen Sie 125 ml-Proben von allen Schiffen für die Analyse der Ausgangsbedingungen für die nächste Woche.

3. Probenanalyse

1. Testen Sie alle beginning-of-the-Woche und End-of-the-Woche Proben für die Ammoniak-N, Nitrat-N, Nitrit-N, und Biomassedichte.
2. Messen Sie Biomasse durch Standardgesamtmenge an Schwebstoffen (TSS) Protokoll, ASTM-D5907 unter Verwendung von 0,45 um Filter.
   1. Zuerst ein Filterpapier wiegen und dann 20 bis 40 mL Probe filtern, um eine Vakuumfiltration System. Trocknen der Biomasse / Filterpapier in einem Ofen bei 105 ° C für eine Stunde oder bis das Gewicht der Biomasse / Filterpapier nicht mehr ändert.
   2. Wiegen Biomasse / Filterpapier, und ziehen Sie die Anfangsmasse des Filterpapiers. Teilen Sie diese Masse durch das Volumen gefiltert, um die Biomassedichte berechnen. Führen Sie in zweifacher Ausfertigung ^11.
3. Messen Ammoniak,Nitrat, Nitrit und spektrophotometrisch mit einem Spektrophotometer.
   1. Verwenden von 100 ul der Probe in der kommerziellen Methode Kit Ammoniakkonzentration zu bestimmen. Wenden Sie sich an dem Protokoll des Herstellers.
   2. Verwenden Sie 1 mL Probe in der kommerziellen Methode Kit Nitratkonzentration zu bestimmen. Wenden Sie sich an dem Protokoll des Herstellers.
   3. Verwenden Sie 10 ml Probe in der kommerziellen Methode Kit Nitritkonzentration zu bestimmen. Wenden Sie sich an dem Protokoll des Herstellers.
4. Überwachen Sie Umgebungsbedingungen (Lufttemperatur, Sonneneinstrahlung, Windgeschwindigkeit) unter Verwendung eines kommerziellen Wetterstation sowie Tank / Teich Bedingungen (Wassertemperatur, pH, gelöster Sauerstoff) mit handelsüblichen Sonden und Datenlogger. Wenden Sie sich an dem Protokoll des Herstellers.

4. Statistische Analyse der Ergebnisse

1. Bestimmen Sie, ob die gesammelten Daten statistisch normal ist. Bestimmen Sie die Normalität des Datensatzes ein QQ - Plot ¹² unter Verwendung von .
2. Bestimmen Sie Korrelationen zwischen den Parametern von Pearson r oder Spearman p für normale und nicht normale Daten bzw. ^13. Korrelationsparameter sollten mindestens die folgenden Parameter umfassen: anfängliche Ammoniakkonzentration, anfängliche Gesamtstickstoffkonzentration, die anfängliche Biomassedichte, Ammoniak-Entfernungsrate, Gesamtstickstoffentfernungsrate, Biomasse Wachstumsrate, und alle Umweltbedingungen.

Ergebnisse

Das Ziel dieser Studie ist es, die Biomasse Wachstum und Nährstoffentfernung Fähigkeiten von Algenkulturen in kleinen und großen Reaktoren gewachsen zu vergleichen. Diese Studie verwendet zwei gekoppelten Systeme, bezeichnet als System 1 und System 2, um ihre Ergebnisse zu duplizieren. Diese repräsentativen Ergebnisse stammen aus einer 8-wöchigen Zeitraum Februar bis April 2016. Die erste Laufbahn Teich wurde mit Algen beimpft ursprünglich stammen aus einem Outdoor - Teich in Phila...

Diskussion

System Geschwindigkeit:

Im Verlauf eines 8-wöchigen Studie wurden die Produktivität der kleinen und großen Gefäßen in einem System verglichen. In dieser Studie Stickstoff und Ammoniak Abtragsraten und Biomasse Wachstumsraten wurden als Maß der Produktivität des Behandlungssystems verwendet. Das System wurde als ein semi-batch Reaktor betrieben wird, wobei jede Woche unter diskreten Bedingungen betrieben wurde. Repräsentative Ergebnisse machen den ersten 8 Wochen des Betriebs des Systems...

Materialien

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