Comparação de Scale em um sistema de reactores fotossintético de algas Remediação de Águas Residuais

Resumo

Uma metodologia experimental é apresentado para comparar o desempenho de pequena (100 L) e grandes (1.000 L) escala reatores projetados para remediação algas das águas residuais aterro. características do sistema, incluindo a área de superfície em relação ao volume, tempo de retenção, a densidade da biomassa, e concentrações de alimentação de águas residuais, pode ser ajustada com base na aplicação.

Resumo

Uma metodologia experimental é apresentado para comparar o desempenho de dois reactores de tamanhos diferentes, concebidos para o tratamento de águas residuais. Neste estudo, a remoção de amônia, remoção de nitrogênio e crescimento de algas são comparados ao longo de um período de 8 semanas em conjuntos emparelhados de pequenas (100 L) e grandes (1.000 L) reatores projetados para remediação de algas das águas residuais aterro. Conteúdo das pequenas e grandes reactores de escala foram misturados antes do início de cada intervalo de teste semanal para manter as condições iniciais equivalentes entre as duas escalas. características do sistema, incluindo a área de superfície em relação ao volume, tempo de retenção, a densidade da biomassa, e concentrações de alimentação de águas residuais, pode ser ajustado para igualar melhor as condições que ocorrem em ambas as escalas. Durante o período de 8 semanas, tempo representativo curta, a partir de amoníaco e concentrações totais de azoto variou 3,1-14 mg _NH3 -N / L, e 8,1-20,1 mg N / L, respectivamente. O desempenho do sistema de tratamento foi avaliada com base emsua capacidade de remover amônia e nitrogênio total e para a produção de biomassa de algas. A média ± desvio padrão de remoção de amoníaco, a remoção total de azoto e as taxas de crescimento de biomassa foram de 0,95 ± 0,3 mg de _N-NH3 / L / dia, 0,89 ± 0,3 mg N / l / dia, e 0,02 ± 0,03 g de biomassa / L / dia, respectivamente. Todos os navios que mostrou uma relação positiva entre a taxa de remoção da concentração de amônia e amônia inicial (R ² = 0,76). Comparação da eficiência do processo de produção e os valores medidos em reactores de escala diferente pode ser útil para determinar se os dados experimentais escala de laboratório é apropriado para a previsão de valores de produção em escala comercial.

Introdução

Tradução de dados em escala de bancada para aplicações de maior escala é um passo fundamental na comercialização de bioprocessos. A eficiência da produção em sistemas de reactores de pequena escala, particularmente aqueles com ênfase no uso de micro-organismos, têm sido mostrados para prever de forma consistente ao longo eficiências que ocorrem em sistemas à escala comercial ^{1, 2, 3, 4.} Desafios também existem na ampliação cultivo fotossintética das algas e cianobactérias da escala de laboratório para sistemas maiores com a finalidade de fabricação de produtos de alto valor, tais como cosméticos e produtos farmacêuticos, para a produção de biocombustíveis, e para o tratamento de águas residuais. A demanda para a produção de biomassa de algas em larga escala está crescendo com a indústria emergente de algas em biocombustíveis, medicamentos / nutracêuticos e alimentos para o gado ^5. A metodologia descrita noeste manuscrito tem por objetivo avaliar a influência do aumento da escala de um sistema reactor fotossintética na taxa de crescimento de biomassa e remoção de nutrientes. O sistema aqui apresentado usa algas para remediar chorume de águas residuais, mas pode ser adaptado para uma variedade de aplicações.

eficiências de produção de sistemas de grande escala são muitas vezes prevista utilizando experimentos de menor escala; No entanto, vários fatores devem ser considerados para determinar a precisão dessas previsões, como escala foi mostrado para afetar o desempenho de bioprocessos. Por exemplo, Junker (2004) apresentaram resultados de uma comparação de oito reactores de fermentação de diferentes tamanhos, variando de 30 L a 19000 G, que mostrou que a produtividade efectiva em piloto-comerciais ou escalas foi quase sempre menor que os valores previstos utilizando pequeno estudos -scale ^4. As desigualdades na dimensão navio, o poder de mistura, tipo de agitação, qualidade nutricional e de transferência de gás foram previstos para ser oprincipais causas para a diminuição da produtividade ^4. Do mesmo modo, demonstrou-se em reactores de crescimento de algas que o crescimento da biomassa e produtos da biomassa relacionada são quase sempre reduzidos quando a escala é aumentada ^6.

Fatores biológicos, físicos e químicos mudam com o tamanho de um reator, com muitos destes fatores que influenciam a atividade microbiana em pequenas escalas de forma diferente do que em escalas maiores ^{2, 7.} Uma vez que a maioria dos sistemas de grande escala para algas, tais como lagoas de calha, existe ao ar livre, um factor biológico a ser considerado é que as espécies microbianas e bacteriófagos pode ser introduzido a partir do ambiente circundante, o qual pode alterar as espécies microbianas presentes e, assim, a função microbiana do sistema. A actividade da comunidade microbiana também será sensível a factores ambientais, como a luz e temperatura. transferências em massa de gases e movimento fluido sãoexemplos de fatores físicos que são influenciadas na escala up de processos microbianos. Alcançar mistura ideal em pequenos reatores é fácil; No entanto, com escala crescente, torna-se um desafio para a engenharia condições ideais de mistura. Em escalas maiores, os reatores são mais propensos a ter zonas mortas, mistura não ideal, e eficiências reduzidas em transferência de massa ^2. Desde as algas são organismos fotossintéticos, o crescimento comercial deve levar em conta mudanças na exposição à luz devido a mudanças na profundidade da água e área de superfície quando se aumenta o volume. Alta densidade de biomassa e / ou taxas de transferência de massa baixos podem causar diminuição concentrações de CO ₂ e aumento das concentrações de O _2, ambos os quais podem resultar na inibição do crescimento da biomassa ^8. Factores químicos em um sistema de crescimento de algas são accionados pela dinâmica do ambiente aquático ^2, que é, consequentemente, afectada por alterações nos compostos de tamponamento do pH, tais como o CO dissolvido pH _{2 e carbonato de espécies. Esses fatores são agravados por interações complexas entre os fatores biológicos, físicos e químicos, muitas vezes de forma imprevisível ^9.}

Este estudo apresenta um sistema de reactor emparelhado concebido para regular e comparar as condições de crescimento em vasos de duas escalas diferentes. O protocolo experimental centra-se na quantificação de tratamento de lixiviados e crescimento de algas; No entanto, poderia ser adaptado para monitorizar outras métricas, tais como mudanças na comunidade microbiana ao longo do tempo ou o potencial de sequestro de CO ₂ de algas. O protocolo aqui apresentado é concebido para avaliar o efeito de escala no crescimento de algas e a remoção de azoto, em um sistema de tratamento de lixiviados.

Protocolo

Configuração 1. Sistema

Nota: Um "sistema emparelhado" refere-se a um tanque do aquário e uma lagoa pista, executado em paralelo.

1. Por um sistema emparelhado, use um tanques de 100 L Aquários (AT), com um misturador sobrecarga para o navio de pequena escala, e um 1000 L lagoa pista (RWP), com um misturador de roda de pás para o navio em grande escala. Os navios utilizados para este sistema são retratados na Figura 1.
2. Inocular todos os navios com a mesma cultura de algas. Usar uma elevada densidade de inoculação, resultando numa densidade final de não menos do que 0,1 g / L, uma vez diluída para o volume total no tanque ou lagoa ^10. Pode levar uma quantidade considerável de tempo (semanas ou meses) para crescer algas suficiente para esta etapa.
3. Use lixiviado de aterro sanitário não tratado como fonte de nutrientes. Use lixiviados tirado de um aterro que aceita resíduos principalmente doméstica e tem baixos níveis de toxinas. análise da composição para o chorume deve estar disponível a partir do aterro. Tele quantidade de lixiviados utilizada em cada tanque ou lagoa pode variar dependendo da força das águas residuais, mas as concentrações finais de amoníaco deve medir 5-75 mg de _N-NH3 / L.
4. Inicie o tanque aquário de 100 L com um volume de trabalho de 60 L, e o tanque com um canal adutor de 600 L de volume de trabalho. Este estudo foi iniciado com aproximadamente 1 L de lixiviados em 59 L de água no tanque de aquários, e 10 L de lixiviados em 590 L de água no tanque de calha. Aumentar a concentração de lixiviados utilizado ao longo deste estudo.

Figura 1. Exemplos de um tanque do aquário e lago pista. Um exemplo de um tanque de aquário (A) e lagoa calha (B) são mostrados. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

2. Operação semanal e Amostragem

1. Operar o tanque de aquários e lagoa pista como dos reactores semi-lote com tempos de retenção hidráulica de três semanas. Cada período de amostragem abrange uma semana.
2. Tomar uma amostra de 125 mL de cada navio. Este é o início da amostra semanas. As amostras de teste de acordo com o protocolo de análise de amostras nos pontos 3.1-3.3.
3. No final da semana, tomar amostras de 125 ml a partir de cada vaso para análise. Após as amostras de fim-de-semana, foram tomadas, esvaziar a totalidade do volume do tanque de aquário para o tanque de calha.
   1. Uma vez por semana, bombear todo o volume do tanque do aquário na lagoa pista.
4. Remover um terço do volume (para um tempo de retenção hidráulica média de 3 semanas) a partir do tanque de calha. Substituir o volume removido com água e chorume não tratado.
5. Transferir aproximadamente 60 L a partir do tanque de calha de volta para dentro do tanque de aquário. Isto assegura que o aquário tank e o tanque de calha estão começando com as mesmas condições de nutrientes biológicos e cada semana.
6. Tome 125 amostras mL de todos os navios para a análise das condições de partida para a próxima semana.

Análise 3. Amostra

1. Teste todo início-da-semana e fim-de-semana amostras para amônia-N, nitrato-N, nitrito-N, e densidade de biomassa.
2. Medir a biomassa por sólidos suspensos totais protocolo padrão (TSS), ASTM-D5907, utilizando 0,45 filtros.
   1. Em primeiro lugar pesam um papel de filtro e, em seguida, filtrar 20-40 mL de amostra, utilizando um sistema de filtração com vácuo. Seca-se o papel de biomassa / filtro num forno a 105 ° C durante uma hora, ou até que o peso do papel de biomassa / filtro não mais mude.
   2. Pesar papel biomassa / filtro, e subtrair a massa inicial do filtro de papel. Dividir esta massa pelo volume de filtrado para calcular a densidade de biomassa. Realizados em duplicado ^11.
3. Medir amoníaco,nitrato, nitrito e espectrofotometricamente utilizando um espectrofotómetro.
   1. Use 100 ml de amostra no kit método comercial para determinar a concentração de amônia. Consulte o protocolo do fabricante.
   2. Use 1 ml de amostra no kit método comercial para determinar a concentração de nitrato. Consulte o protocolo do fabricante.
   3. Use 10 mL da amostra no kit de método comercial para determinar a concentração de nitrito. Consulte o protocolo do fabricante.
4. Monitorar as condições ambientais (temperatura do ar, radiação solar, velocidade do vento), utilizando uma estação meteorológica comercial, bem como tanque / condições lagoa (temperatura da água, pH, oxigênio dissolvido) utilizando sondas comerciais e registrador de dados. Consulte o protocolo do fabricante.

4. análise estatística dos resultados

1. Determinar se os dados recolhidos é estatisticamente normal. Determinar a normalidade do conjunto de dados usando uma trama QQ ¹² .
2. Determinar correlações entre parâmetros usando r de Pearson ou p de Spearman para dados normais e não-normais, respectivamente ^13. parâmetros de correlação deve incluir, pelo menos, os seguintes parâmetros: concentração inicial de amoníaco, a concentração de azoto total inicial, a densidade de biomassa inicial, a taxa de remoção de amoníaco, a taxa de remoção total de azoto, a taxa de crescimento da biomassa, e todas as condições ambientais.

Resultados

O objetivo deste estudo é comparar o crescimento da biomassa e capacidades de remoção de nutrientes de culturas de algas cultivadas em reatores de pequeno e grande porte. Este estudo utiliza dois sistemas emparelhados, referidos como Sistema 1 e Sistema 2, para duplicar as suas conclusões. Estes resultados representativos são a partir de um período de 8 semanas, de fevereiro a abril de 2016. A primeira lagoa pista foi inoculado com algas inicialmente provenientes de uma lagoa ao ar...

Discussão

Performance do sistema:

Ao longo de um estudo de 8 semanas, a produtividade dos vasos de grande escala pequena e em um sistema foram comparados. Neste estudo de azoto e as taxas de remoção de amónia e as taxas de crescimento de biomassa foram usadas como medidas de produtividade do sistema de tratamento. O sistema foi operado como um reactor de semi-descontínuo, onde cada semana foi operado sob condições discretas. Os resultados representativos representam as primeiras 8 semanas de opera?...

Materiais

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