Comparaison de l'échelle dans un système de réacteur photosynthétique pour algales assainissement des eaux usées

Résumé

Une méthode expérimentale est présentée pour comparer les performances de la petite (100 L) et de grande taille (1000 L) échelle des réacteurs conçus pour les algues d'assainissement de la décharge des eaux usées. Les caractéristiques du système, y compris la surface au rapport de volume, temps de rétention, la densité de la biomasse, et les concentrations d'alimentation des eaux usées, peuvent être ajustées en fonction de l'application.

Résumé

Une méthode expérimentale est présentée pour comparer les performances des deux réacteurs de tailles différentes conçus pour le traitement des eaux usées. Dans cette étude, l'élimination de l'ammoniac, l'élimination de l'azote et la croissance des algues sont comparés sur une période de 8 semaines dans des ensembles appariés de petits (100 L) et grandes (1000 L) des réacteurs conçus pour l'assainissement des algues de la décharge des eaux usées. Contenu des petits et de grands réacteurs à l'échelle ont été mélangés avant le début de chaque intervalle de test hebdomadaire pour maintenir des conditions initiales équivalents dans les deux échelles. Les caractéristiques du système, y compris la surface au rapport de volume, temps de rétention, la densité de la biomasse, et les concentrations d'alimentation des eaux usées, peuvent être ajustés pour mieux égaliser les conditions se produisant à deux échelles. Au cours de la semaine 8 période de temps représentative court, à partir de l' ammoniac et les concentrations totales en azote ont varié de 3,1 à 14 mg de NH ₃ -N / L, et de 8,1 à 20,1 mg N / L, respectivement. La performance du système de traitement a été évaluée sur la basesa capacité à éliminer l'ammoniac et l'azote total et de produire de la biomasse algale. Moyenne ± écart - type de l' élimination de l' ammoniac, l' élimination totale d'azote et les taux de croissance de la biomasse étaient de 0,95 ± 0,3 mg de NH ₃ -N / L / jour, 0,89 ± 0,3 mg N / L / jour et 0,02 ± 0,03 g biomasse / L / jour, respectivement. Tous les navires ont montré une relation positive entre le taux initial de suppression de la concentration d'ammoniac et de l' ammoniac (R ² = 0,76). Comparaison des l'efficacité des processus et des valeurs de production mesurées dans les réacteurs d'échelle différente peut être utile pour déterminer si l'échelle du laboratoire des données expérimentales est approprié pour la prédiction des valeurs de production à l'échelle commerciale.

Introduction

Traduction des données de référence à l'échelle de grandes applications à grande échelle est une étape clé dans la commercialisation de bioprocédés. L' efficacité de la production dans les systèmes de réacteurs à petite échelle, en particulier ceux qui se concentrent sur l'utilisation de micro - organismes, ont été montrés pour prévoir de manière systématique sur l' efficacité qui se produisent dans les systèmes à l' échelle commerciale ^{1, 2, 3, 4.} Les défis existent également dans l'intensification de la culture photosynthétique des algues et des cyanobactéries de l'échelle du laboratoire à des systèmes plus importants dans le but de fabriquer des produits à haute valeur ajoutée, tels que les cosmétiques et les produits pharmaceutiques, pour la production de biocarburants, et pour le traitement des eaux usées. La demande pour la production d' algues biomasse à grande échelle est de plus en plus avec l'industrie émergente pour les algues en biocarburants, les produits pharmaceutiques / nutraceutiques et les aliments du bétail ^5. La méthodologie décrite dansce manuscrit vise à évaluer l'influence de l'augmentation échelle d'un système de réacteur photosynthétique sur le taux de croissance de la biomasse et de l'élimination des nutriments. Le système présenté ici utilise des algues pour assainir les lixiviats de décharge des eaux usées, mais peuvent être adaptés pour une variété d'applications.

l'efficacité de la production de systèmes à grande échelle sont souvent prédits en utilisant de plus petites expériences à l'échelle; Cependant, plusieurs facteurs doivent être pris en considération pour déterminer l'exactitude de ces prédictions, comme on l'a montré échelle pour affecter les performances des bioprocédés. Par exemple, Junker (2004) a présenté les résultats d'une comparaison des huit réacteurs de fermentation de différentes tailles, allant de 30 L à 19.000 L, qui a montré que la productivité réelle au-pilotes ou commerciales échelles était presque toujours inférieures aux valeurs prévues à l'aide petite études -Scale ^4. Inégalités dans la dimension de la cuve, la puissance de mélange, le type d'agitation, de la qualité des éléments nutritifs, et le transfert de gaz ont été prévus pour être leles principales causes de la diminution de la productivité ^4. De même, il a été montré dans les réacteurs de la croissance d'algues que la croissance de la biomasse et de produits apparentés sont presque toujours réduits lorsque l' échelle est augmentée ^6.

Les facteurs biologiques, physiques et chimiques changent avec la taille d'un réacteur, avec un grand nombre de ces facteurs qui influent sur l' activité microbienne à petite échelle différente de celle à plus grande échelle ^{2, 7.} Comme la plupart des systèmes à grande échelle pour les algues, tels que les étangs de chemin de roulement, existe à l'extérieur, un facteur biologique à considérer est que les espèces et les bactériophages microbiens peuvent être introduits dans le milieu environnant, ce qui peut modifier les espèces microbiennes présentes et donc la fonction microbienne du système. L'activité de la communauté microbienne sera également sensible à des facteurs environnementaux, tels que la lumière et la température. les transferts de masse des gaz et des mouvements fluides sontdes exemples de facteurs physiques qui sont influencés dans l'échelle jusqu'à des processus microbiens. La réalisation de mélange idéal dans les petits réacteurs est facile; cependant, avec une échelle de plus en plus, il devient un défi de concevoir des conditions idéales de mélange. A plus grande échelle, les réacteurs sont plus susceptibles d'avoir des zones mortes, mélange non-idéal, et une efficacité réduite dans le transfert de masse ^2. Depuis les algues sont des organismes photosynthétiques, la croissance commerciale doit tenir compte des changements dans l'exposition la lumière en raison de changements dans la profondeur de l'eau et de la surface lors de l'augmentation du volume. Haute densité de la biomasse et / ou des taux de transfert de masse faible peut entraîner une diminution des concentrations de CO ₂ et l' augmentation des concentrations de O _2, les deux qui peuvent résulter de l'inhibition de la croissance de la biomasse ^8. Les facteurs chimiques dans un système de croissance des algues sont entraînés par la dynamique du pH du milieu aquatique ^2, qui est par conséquent affectée par des changements dans les composés de tamponnement du pH , tels que du CO dissous _{2 et de carbonate espèces. Ces facteurs sont aggravés par des interactions complexes entre les facteurs biologiques, physiques et chimiques, souvent de façon imprévisible ^9.}

Cette étude présente un système de réacteur jumelé conçu pour réguler et comparer les conditions de croissance dans les vaisseaux de deux échelles différentes. Le protocole expérimental se concentre sur la quantification de traitement des lixiviats et la croissance des algues; cependant, il pourrait être adapté pour surveiller d' autres paramètres tels que les changements dans la communauté microbienne dans le temps ou le potentiel de séquestration du CO ₂ des algues. Le protocole présenté ici a été conçu pour évaluer l'effet de l'échelle sur la croissance des algues et élimination de l'azote dans un système de traitement des lixiviats.

Protocole

Configuration 1. Système

Remarque: Un «système jumelé» se réfère à un réservoir d'aquarium et un étang de chemin de roulement, fonctionner en parallèle.

1. Pour un système jumelé, utilisez un des réservoirs 100 L aquariums (AT), avec un mélangeur de tête pour le navire à petite échelle, et un 1000 L piste étang (RWP), avec un mélangeur à roue à aubes pour le navire à grande échelle. Les navires utilisés dans ce système sont représentés sur la figure 1.
2. Inoculer tous les navires ayant la même culture d'algues. Utiliser une haute densité de l'ensemencement, ce qui entraîne une densité finale non inférieure à 0,1 g / l , une fois dilué au volume maximal du réservoir ¹⁰ ou de l' étang. Il peut prendre une quantité considérable de temps (semaines à quelques mois) de croître assez d'algues pour cette étape.
3. Utilisez le lixiviat de décharge non traitée comme source d'éléments nutritifs. Utilisez le lixiviat provenant d'une décharge qui accepte les déchets essentiellement domestique et a de faibles niveaux de toxines. Analyse de la composition du lixiviat devrait être disponible à partir du site d'enfouissement. Til quantité de lixiviat utilisé dans chaque réservoir ou bassin peut varier en fonction de la force des eaux usées, mais des concentrations finales d'ammoniac doivent mesurer 5-75 mg de NH ₃ -N / L.
4. Démarrer le réservoir de 100 L avec un aquarium volume de travail de 60 L, et le bassin de chemin de roulement avec un volume de travail de 600 L. Cette étude a commencé avec environ 1 L lixiviat dans 59 L d'eau dans le réservoir d'aquarium, et 10 L lixiviat dans 590 L d'eau dans l'étang de chemin de roulement. Augmenter la concentration de lixiviat utilisé au cours de cette étude.

Figure 1. Exemples d'un aquarium et un étang chemin de roulement. Un exemple d'un réservoir d'aquarium (A) et le chemin de roulement bassin (B) sont représentés. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

2. Opération hebdomadaire et d'échantillonnage

1. Faire fonctionner le réservoir d'aquarium et un étang chemin de roulement que les réacteurs semi-discontinus avec des temps de rétention hydraulique de trois semaines. Chaque période d'échantillonnage couvre une semaine.
2. Prenez un échantillon de 125 ml de chaque récipient. Ceci est le début de l'échantillon de semaine. Les échantillons d'essai selon le protocole d'analyse des échantillons dans les sections 3.1-3.3.
3. A la fin de la semaine, prendre 125 échantillons mL de chaque récipient pour analyse. Une fois que les échantillons de fin de semaine ont été prises, vider la totalité du volume du réservoir d'aquarium dans le bassin de chemin de roulement.
   1. Une fois par semaine, pomper le volume entier du réservoir d'aquarium dans le bassin de chemin de roulement.
4. Retirer un tiers du volume (pour un temps de rétention hydraulique moyenne de 3 semaines) à partir du bassin de chemin de roulement. Remplacer le volume enlevé avec de l'eau et du lixiviat non traité.
5. Transférer environ 60 L de l'étang de chemin de roulement dans le réservoir d'aquarium. Cela garantit que l'aquarium bronzagek et l'étang de chemin de roulement commencent avec les mêmes conditions nutritives et biologiques chaque semaine.
6. Prendre 125 échantillons mL de tous les navires pour l'analyse des conditions de départ pour la semaine prochaine.

3. Analyse de l'échantillon

1. Testez tout de début de la semaine et de fin de la semaine des échantillons pour l'ammoniac-N, N-nitrate, nitrite-N, et la densité de la biomasse.
2. Mesurer la biomasse par le total des solides en suspension standards (TSS) de protocole, ASTM-D5907, à l'aide de 0,45 um filtres.
   1. Tout d'abord la pesée d'un papier filtre, puis filtrer 20-40 ml d'échantillon à l'aide d'un système de filtration sous vide. Sécher le papier biomasse / filtre dans un four à 105 ° C pendant une heure, ou jusqu'à ce que le poids du papier biomasse / filtre ne change plus.
   2. Peser papier biomasse / filtre, et de soustraire la masse initiale du papier filtre. Diviser cette masse par le volume filtré pour calculer la densité de la biomasse. Exécutez en double ^11.
3. Mesurer l'ammoniac,nitrate et du nitrite par spectrophotométrie en utilisant un spectrophotomètre.
   1. Utilisez 100 pi d'échantillon dans le kit de méthode commerciale pour déterminer la concentration d'ammoniac. Reportez-vous au protocole du fabricant.
   2. Utiliser 1 ml d'échantillon dans le kit de méthode commerciale pour déterminer la concentration de nitrate. Reportez-vous au protocole du fabricant.
   3. Utilisez 10 ml d'échantillon dans le kit de méthode commerciale pour déterminer la concentration de nitrite. Reportez-vous au protocole du fabricant.
4. Surveiller les conditions environnementales (température de l'air, le rayonnement solaire, la vitesse du vent) en utilisant une station météo commerciale, ainsi que le réservoir / conditions de l'étang (température de l'eau, le pH, l'oxygène dissous) à l'aide de sondes commerciales et enregistreur de données. Reportez-vous au protocole du fabricant.

4. Analyse statistique des résultats

1. Déterminer si les données recueillies sont statistiquement normal. Déterminer la normalité de l'ensemble de données en utilisant un QQ plot ¹² .
2. Déterminer les corrélations entre les paramètres à l' aide r de Pearson ou de p de Spearman pour les données, respectivement ¹³ normales et non normales. paramètres de corrélation devraient comprendre au moins les paramètres suivants: concentration initiale d'ammoniac, la concentration initiale totale d'azote, la densité de la biomasse initiale, le taux d'élimination de l'ammoniac, le taux global d'élimination d'azote, le taux de croissance de la biomasse, et toutes les conditions environnementales.

Résultats

Le but de cette étude est de comparer la croissance de la biomasse et des capacités d'élimination des nutriments des cultures d'algues cultivées dans des réacteurs de petite et à grande échelle. Cette étude utilise deux systèmes appariés, dénommé système 1 et système 2, de dupliquer ses conclusions. Ces résultats représentatifs sont d'une période de 8 semaines, Février à Avril 2016. Le premier étang de chemin de roulement a été inoculé avec des algues ?...

Discussion

La performance du système:

Au cours d'une étude de 8 semaines, la productivité des navires à petite et grande échelle dans un système ont été comparés. Dans cet azote de l'étude et les taux d'élimination de l'ammoniac et des taux de croissance de la biomasse ont été utilisés comme mesures de la productivité du système de traitement. Le système a été exploité comme un réacteur semi-discontinu, où chaque semaine a été utilisé dans des conditions discrètes...

matériels

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