La comparación de la escala en un sistema de reactor fotosintética de las algas Saneamiento de Aguas Residuales

Resumen

Una metodología experimental se presenta para comparar el rendimiento de los pequeños (100 L) y grandes (1,000 L) escala reactores diseñados para la remediación de las algas de las aguas residuales vertedero. Características del sistema, incluyendo el área de superficie a volumen, tiempo de retención, la densidad de la biomasa, y concentraciones de alimentación de aguas residuales, se pueden ajustar sobre la base de aplicación.

Resumen

Una metodología experimental se presenta para comparar el rendimiento de dos reactores de tamaño diferentes, diseñados para el tratamiento de aguas residuales. En este estudio, la eliminación de amoniaco, la eliminación de nitrógeno y el crecimiento de las algas se comparan durante un período de 8 semanas en conjuntos emparejados de los pequeños (100 l) y grandes (1.000 L) reactores diseñados para la remediación de las algas de las aguas residuales vertedero. El contenido de los pequeños y grandes reactores a escala se mezclaron antes del inicio de cada intervalo de pruebas semanales para mantener las condiciones iniciales equivalentes a través de los dos escalas. Características del sistema, incluyendo el área de superficie a volumen, tiempo de retención, la densidad de la biomasa, y concentraciones de alimentación de aguas residuales, se pueden ajustar para igualar mejor las condiciones que ocurren en ambas escalas. Durante el corto 8-semanas período de tiempo representativo, amoniaco de partida y las concentraciones totales de nitrógeno varió desde 3,1 hasta 14 mg NH ₃ -N / L, y 8,1 a 20,1 mg N / L, respectivamente. El rendimiento del sistema de tratamiento se evalúa en función desu capacidad para eliminar el amoníaco y nitrógeno total y para producir biomasa de algas. La media ± desviación estándar de eliminación de amoniaco, la eliminación de nitrógeno total y las tasas de crecimiento de biomasa fueron de 0,95 ± 0,3 mg _NH3-N / l / día, 0,89 ± 0,3 mg N / L / día, y 0,02 ± 0,03 g de biomasa / L / día, respectivamente. Todos los buques mostraron una relación positiva entre la tasa inicial de eliminación concentración de amoníaco y el amoníaco ^(R2 = 0,76). Comparación de la eficacia de los procesos y los valores de producción medidos en los reactores de diferente escala puede ser útil en la determinación de si los datos experimental a escala de laboratorio es apropiado para la predicción de los valores de producción a escala comercial.

Introducción

La traducción de los datos a escala de banco para aplicaciones de mayor escala es un paso clave en la comercialización de bioprocesos. Eficiencia de la producción en sistemas de reactor de pequeña escala, particularmente las que se centran en el uso de microorganismos, se ha demostrado que constantemente durante predecir la eficiencia que se producen en los sistemas a escala comercial ^{1, 2, 3, 4.} También existen desafíos en la expansión del cultivo de fotosíntesis de las algas y cianobacterias desde la escala de laboratorio a los sistemas más grandes para el propósito de fabricar productos de alto valor, tales como cosméticos y productos farmacéuticos, para la producción de biocombustibles, y para el tratamiento de las aguas residuales. La demanda para la producción de biomasa de algas a gran escala está creciendo con la industria emergente de algas en biocombustibles, productos farmacéuticos / nutracéuticos, y la alimentación del ganado ^5. La metodología descrita eneste manuscrito tiene como objetivo evaluar la influencia del aumento de escala de un sistema de reactor fotosintética en la tasa de crecimiento de la biomasa y la eliminación de nutrientes. El sistema presentado aquí utiliza algas para remediar las aguas residuales de lixiviados de vertedero pero pueden adaptarse para una variedad de aplicaciones.

eficiencia en la producción de sistemas de gran escala a menudo se predijo a partir de los experimentos a menor escala; sin embargo, se deben considerar varios factores para determinar la exactitud de estas predicciones, como escala se ha demostrado que afecta el rendimiento de bioprocesos. Por ejemplo, Junker (2004) presentó los resultados de una comparación de ocho reactores de fermentación de diferentes tamaños, que van desde 30 a 19.000 L L, que mostró que la productividad real en entre pilotos o comerciales escalas era casi siempre más bajo que los valores predichos usando pequeña Los estudios -scale ^4. Las desigualdades en la dimensión del barco, potencia de mezcla, tipo de agitación, la calidad de nutrientes, y la transferencia de gas se prevé que sea elcausas principales de la disminución de la productividad ^4. Del mismo modo, se ha demostrado en los reactores de crecimiento de las algas que el crecimiento de la biomasa y productos relacionados con la biomasa son casi siempre reducen cuando se aumenta la escala ^6.

Los factores biológicos, físicos, químicos y cambian con el tamaño de un reactor, con muchos de estos factores que influyen en la actividad microbiana a pequeñas escalas de manera diferente que en mayor escala ^{2, 7.} Como la mayoría de los sistemas a gran escala para las algas, tales como estanques de rodadura, existe al aire libre, un factor biológico a considerar es que las especies microbianas y bacteriófagos se pueden introducir desde el ambiente circundante, lo que puede alterar las especies microbianas presentes y por lo tanto la función microbiana de la sistema. La actividad de la comunidad microbiana también será sensible a los factores ambientales, como la luz y la temperatura. las transferencias masivas de gases y el movimiento del fluido sonejemplos de factores físicos que son influenciados en la escala de los procesos microbianos. El logro de mezcla ideales en pequeños reactores es fácil; sin embargo, con el aumento de escala, se convierte en un desafío para diseñar las condiciones ideales de mezcla. A mayores escalas, los reactores son más propensos a tener zonas muertas, de mezcla no ideal, y la eficiencia reducida en la transferencia de masa ^2. Dado que las algas son organismos fotosintéticos, el crecimiento comercial debe dar cuenta de los cambios en la exposición a la luz debido a cambios en la profundidad del agua y la superficie al aumentar el volumen. De alta densidad de la biomasa y / o bajas tasas de transferencia de masa pueden causar disminución de _las concentraciones de _CO2 y el aumento de las concentraciones de O _2, ambos de los cuales pueden dar lugar a la inhibición de crecimiento de la biomasa ^8. Los factores químicos en un sistema de crecimiento de las algas son impulsados por la dinámica de pH del medio ambiente acuático ^2, que, en consecuencia afectada por cambios en los compuestos tamponantes del pH, tales como CO disuelto _{2 y carbonato de especies. Estos factores se ven agravados por la compleja interacción entre los factores biológicos, físicos, químicos y, a menudo de maneras impredecibles ^9.}

Este estudio presenta un sistema de reactor emparejado diseñado para regular y para comparar las condiciones de crecimiento en los vasos de dos escalas diferentes. El protocolo experimental se centra en la cuantificación de tratamiento de lixiviados y el crecimiento de algas; sin embargo, podría ser adaptado para supervisar otras métricas tales como cambios en la comunidad microbiana en el tiempo o el potencial de captura de CO ₂ de algas. El protocolo que aquí se presenta está diseñado para evaluar el efecto de escala en el crecimiento de algas y la eliminación de nitrógeno en un sistema de tratamiento de lixiviados.

Protocolo

1. Configuración del Sistema

Nota: Un "sistema emparejado" se refiere a un tanque de acuario y un estanque de la pista de rodadura, se ejecutan en paralelo.

1. Para un sistema emparejado, utilice uno tanques de 100 L acuarios (TA), con un mezclador superior de la vasija pequeña escala, y un estanque de la pista de rodadura de 1.000 L (GTR), con un mezclador de rueda de paletas para el buque a gran escala. Los buques utilizados en este sistema se representan en la Figura 1.
2. Inocular a todos los buques con el mismo cultivo de algas. Utilice una alta densidad de la inoculación, lo que resulta en una densidad final de no menos de 0,1 g / L, una vez diluida con el volumen completo en el depósito o estanque ^10. Se puede tomar una cantidad considerable de tiempo (semanas o meses) para crecer lo suficiente como algas para este paso.
3. Utilizar los lixiviados de vertedero sin tratar como la fuente de nutrientes. Utilice lixiviados tomada de un vertedero de residuos que acepta su mayoría doméstica y tiene bajos niveles de toxinas. Análisis de la composición de los lixiviados debe estar disponible en el vertedero. Tque cantidad de lixiviado usado en cada tanque o estanque puede variar dependiendo de la fuerza de las aguas residuales, pero concentraciones finales de amoníaco deben medir 5-75 mg NH ₃ -N / L.
4. Iniciar el tanque de acuario 100 L con un volumen de trabajo de 60 L, y el estanque de rodadura con un volumen de trabajo de 600 l. Este estudio se inició con aproximadamente 1 L de lixiviados en 59 L de agua en el tanque de acuario, y 10 L de lixiviados en 590 L de agua en el estanque pista de rodadura. Aumentar la concentración de lixiviado usado en el transcurso de este estudio.

Figura 1. Ejemplos de un tanque del acuario y el estanque de rodadura. Se muestra un ejemplo de un tanque del acuario (A) y un estanque de rodadura (B). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

2. Operación semanal y Toma de Muestras

1. Operar el tanque de acuarios y estanques de rodadura como reactores semi-lotes con tiempos de retención hidráulica de tres semanas. Cada periodo de muestreo se extiende por una semana.
2. Tomar una muestra de 125 ml de cada recipiente. Este es el principio de la muestra semanas. Las muestras de ensayo de acuerdo con el protocolo de Análisis de las muestras en las secciones 3.1-3.3.
3. Al final de la semana, tome muestras de 125 mL de cada buque para su análisis. Una vez tomadas las muestras de fin de semana, vaciar todo el volumen del tanque del acuario en el estanque de rodadura.
   1. Una vez por semana, la bomba de todo el volumen del tanque de acuario en el estanque pista de rodadura.
4. Eliminar un tercio del volumen (para un tiempo de retención hidráulico promedio de 3 semanas) desde el estanque de la pista de rodadura. Reemplazar el volumen eliminado con agua y lixiviados sin tratamiento.
5. Transferir aproximadamente 60 L de la pista de rodadura estanque de nuevo en el tanque de acuario. Esto asegura que el acuario bronceadok y el estanque de rodadura están empezando con las mismas condiciones de nutrientes y biológicos cada semana.
6. Tomar muestras de 125 mL de todos los buques para el análisis de las condiciones de partida para la próxima semana.

Análisis 3. Muestra

1. Pruebe todo el principio-de-la-semana y al final de la semana-muestras para el amoníaco-N, N-nitrato, nitrito-N, y la densidad de la biomasa.
2. Medir la biomasa por el total de sólidos en suspensión estándar (TSS) de protocolo, ASTM-D5907, utilizando 0,45 micras filtros.
   1. En primer lugar pesar un papel de filtro y luego filtrar 20 a 40 ml de muestra usando un sistema de filtración al vacío. Secar el papel de biomasa / filtro en un horno a 105 ° C durante una hora, o hasta que el peso del papel de biomasa / filtro ya no cambia.
   2. Pesar el papel de biomasa / filtro, y restar la masa inicial del papel de filtro. Dividir esta masa por el volumen filtrado para calcular la densidad de la biomasa. Por duplicado ^11.
3. Miden el amoníaco,nitrato, nitrito y espectrofotométricamente usando un espectrofotómetro.
   1. Utilice 100 l de muestra en el kit método comercial para determinar la concentración de amoniaco. Consulte el protocolo del fabricante.
   2. Use 1 ml de la muestra en el kit método comercial para determinar la concentración de nitratos. Consulte el protocolo del fabricante.
   3. Utilizar 10 ml de la muestra en el kit método comercial para determinar la concentración de nitrito. Consulte el protocolo del fabricante.
4. Controlar las condiciones ambientales (temperatura del aire, la radiación solar, velocidad del viento) usando una estación meteorológica comercial, así como las condiciones del estanque / tanque (temperatura del agua, pH, oxígeno disuelto) utilizando sondas comerciales y registrador de datos. Consulte el protocolo del fabricante.

4. Análisis estadístico de los resultados

1. Determinar si los datos recogidos son estadísticamente normal. Determinar la normalidad de los datos, utilizando una parcela QQ ¹² .
2. Determinar las correlaciones entre los parámetros utilizando la r de Pearson o p de Spearman para los datos normales y no normales, respectivamente ^13. parámetros de correlación deben incluir al menos los siguientes parámetros: concentración inicial de amoníaco, la concentración de nitrógeno total inicial, la densidad de la biomasa inicial, tasa de eliminación de amoniaco, tasa de eliminación de nitrógeno total, la tasa de crecimiento de la biomasa, y todas las condiciones ambientales.

Resultados

El objetivo de este estudio es comparar el crecimiento de la biomasa y la capacidad para la eliminación de nutrientes de los cultivos de algas que crecen en los reactores de pequeña y gran escala. Este estudio utiliza dos sistemas emparejados, conocidos como Sistema 1 y 2, Sistema de duplicar sus hallazgos. Estos resultados son representativos de un período de 8 semanas, de febrero a abril de 2016. El primer estanque pista de rodadura se inoculó con algas procedentes originalmente de...

Discusión

Rendimiento de sistema:

En el transcurso de un estudio de 8 semanas, se comparó la productividad de las embarcaciones de pequeña y gran escala en un sistema. En este nitrógeno estudio y tasas de eliminación de amoníaco y las tasas de crecimiento de la biomasa se utilizaron como medidas de la productividad del sistema de tratamiento. El sistema se hizo funcionar como un reactor semi-discontinuo, donde cada semana se hizo funcionar en condiciones discretas. Los resultados representativos rep...

Materiales

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