Сравнение шкалы в системе фотосинтетического реактор для цветению восстановлению сточных вод

Резюме

Экспериментальная методика представлена ​​для сравнения производительности малого (100 л) и большой (1000 л) масштабироваться реакторы, предназначенные для водорослей рекультивации свалок сточных вод. Характеристики системы, в том числе площади поверхности к объему, времени удерживания, плотности биомассы и концентрации исходных сточных вод, могут быть скорректированы на основе применения.

Аннотация

Экспериментальная методика представлена ​​для сравнения эффективности двух различных реакторов размеров, предназначенных для очистки сточных вод. В этом исследовании, удаление аммиака, удаление азота и роста водорослей сравниваются в течение 8-недельного периода в спаренных наборов небольших (100 л) и больших (1000 л) реакторов, предназначенных для водорослей рекультивации свалок сточных вод. Содержание мелких и крупных реакторов были смешаны перед началом каждого недельного интервала тестирования для поддержания эквивалентных начальных условий в двух различных масштабах. Характеристики системы, в том числе площади поверхности к объему, времени удерживания, плотности биомассы и концентрации исходных сточных вод, может быть отрегулирован, чтобы лучше выравнивать условия, возникающие в обоих шкалах. В течение короткого 8-недельного периода времени представитель, начиная аммиака и Концентрация общего азота в диапазоне от 3.1-14 мг NH ₃ -N / л, и 8.1-20.1 мг N / л, соответственно. Производительность системы лечения оценивали на основанииего способность удаления аммиака и общего азота и для производства биомассы водорослей. Среднее значение ± стандартное отклонение удаления аммиака, полное удаление азота и темпов роста биомассы , были 0,95 ± 0,3 мг NH ₃ -N / л / сут, 0,89 ± 0,3 мг N / л / день, и 0,02 ± 0,03 г биомассы / л / сут, соответственно. Все суда показали положительную зависимость между начальной скоростью удаления концентрации аммиака и аммиака (R ² = 0,76). Сравнение эффективности процесса и значений, измеренных в производственных реакторах различного масштаба могут быть полезны при определении, если лабораторном экспериментальные данные подходят для прогнозирования значений производства в промышленном масштабе.

Введение

Перевод скамейка масштаба данных крупномасштабных приложений является ключевым шагом в коммерциализации биопроцессы. Эффективность производства в малых реакторных систем, в частности , те , которые фокусируются на использовании микроорганизмов, было показано , что последовательно более прогнозировать эффективность происходящих в промышленном масштабе систем ^{1, 2, 3, 4.} Проблемы существуют также в расширении масштабов культивирования фотосинтетической водорослей и цианобактерий из лабораторного масштаба для крупных систем с целью производства продукции с высокой добавленной стоимостью, такие как косметические и фармацевтические, для производства биотоплива, а также для очистки сточных вод. Спрос на крупномасштабного производства биомассы водорослей растет с развивающейся промышленностью для водорослей в биотопливо, фармацевтической / нутрицевтики и корма для скота ^5. Методика описана вэта рукопись ставит своей целью оценить влияние увеличения шкалы фотосинтетической системы реактора на скорость роста биомассы и удаления биогенных веществ. Система, представленная здесь использует водоросли для устранения свалок сточных вод, но может быть адаптирована для различных применений.

Производственные КПД крупных систем часто предсказаны с использованием меньшего масштаба экспериментов; Однако, несколько факторов необходимо учитывать, чтобы определить точность этих прогнозов, поскольку масштаб было показано, что влияет на производительность биопроцессы. Например, Юнкер (2004) представил результаты сравнения восьми реакторов различного размера ферментации, в пределах от 30 л до 19000 л, который показал, что фактическая производительность в коммерческих или пилотов-масштабах была почти всегда ниже, чем значения предсказаны с использованием небольшой Крупномасштабные исследования ^4. Неравенство в измерении емкости, смесительной мощности, типа перемешивания, качества питательных веществ, и передачи газа, согласно прогнозам, будетОсновными причинами пониженной производительности ^4. Аналогичным образом , было показано , в реакторах рост водорослей , что рост биомассы и продуктов , связанных биомассы почти всегда уменьшается при увеличении ставок шкалы ^6.

Биологические, физические и химические факторы изменяются с размером реактора, причем многие из этих факторов , влияющих на микробную активность на малых масштабах иначе , чем в более крупных масштабах ^{2, 7.} Так как большинство полномасштабных систем для водорослей, таких как дорожкой качения пруды, существуют на открытом воздухе, один биологический фактор необходимо учитывать, что микробные виды и бактериофаги могут быть введены из окружающей среды, которая может привести к изменению микробных видов, присутствующих и, следовательно, микробный функция из система. Активность микробного сообщества также будут чувствительны к факторам окружающей среды, таким как свет и температура. Массовые переводы газов и движения жидкости являютсяпримеры физических факторов, которые повлияли на увеличение масштаба микробных процессов. Достижение идеального перемешивания в небольших реакторах легко; Однако, с увеличением масштаба, это становится проблемой для конструирования идеального смешения условий. При больших масштабах, реакторы, более вероятно, имеют мертвые зоны, неидеальной перемешивание и снижение эффективности при массообмена ^2. Так как водоросли являются фотосинтезирующие организмы, коммерческий рост должен учитывать изменения в освещенности в связи с изменением глубины и площади поверхности при увеличении объема. Высокая плотность биомассы и / или низкой скорости передачи массы может привести к снижению концентрации СО ₂ и повышенные концентрации O _2, оба из которых могут привести к торможению роста биомассы ^8. Химические факторы в системе роста водорослей обусловлены динамикой рН водной среды ^2, которая , следовательно , зависит от изменений в рН буферных соединений , таких как растворенный CO _{2 и карбонатные виды. Эти факторы усугубляются сложные взаимодействия между биологическими, физическими и химическими факторами, часто непредсказуемо ^9.}

Данное исследование представляет собой парную систему реактора, предназначенный для регулирования и сравнить условия роста в сосудах двух различных масштабах. Экспериментальный протокол фокусируется на количественной оценке лечения и продуктов выщелачивания рост водорослей; Тем не менее, она может быть адаптирована для мониторинга других показателей , таких как изменения в микробного сообщества с течением времени или потенциала поглощения СО ₂ из водорослей. Протокол, представленные здесь, предназначен для оценки эффекта масштаба на рост водорослей и удаления азота в системе очистки фильтрата.

протокол

1. Настройка системы

Примечание: «спарены система» относится к одному аквариум бак и один кабелепроводе пруд, работают параллельно.

1. Для одной спаренной системы, используйте один 100 л аквариумы танков (AT), с верхней мешалкой для малого судна, и один 1000 L пруд (дорожки качения РВП), с гребного колеса смесителя для крупномасштабного судна. Суда , используемые в этой системе, изображены на рисунке 1.
2. Привить все сосуды с той же водоросли культуры. Используйте высокую плотность засева, в результате чего в конечной плотностью не менее 0,1 г / л один раз разбавленным до полного объема в резервуаре или водоеме ^10. Это может занять значительное количество времени (недель до нескольких месяцев), чтобы вырастить достаточно водорослей для этого шага.
3. Использование неочищенной свалок в качестве источника питательных веществ. Используйте выщелачиванию, взятую из свалки, которая принимает в основном бытовых отходов и имеет низкий уровень токсинов. Анализ состава для фильтрате должна быть доступна со свалки. Tон количество щелоке , используемого в каждом резервуаре или водоеме может варьироваться в зависимости от силы сточных вод, но конечные концентрации аммиака следует измерять 5-75 мг NH ₃ -N / л.
4. Начало 100 л аквариумах бак с рабочим объемом 60 л, а кабелепровод пруд с рабочим объемом 600 л. Это исследование началось с приблизительно 1 л выщелачивание в 59 л воды в аквариумах бак и 10 л фильтрата в 590 л воды в пруду кабелепроводе. Увеличение концентрации фильтрата, используемого в течение этого исследования.

Рисунок 1. Примеры аквариума бака и кабельного канала пруда. Примером аквариума бака (A) и дорожки качения , пруд (B) показаны. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

2. Еженедельно по эксплуатации и отбора проб

1. Используйте аквариумах бак и дорожки качения пруд как полупериодических реакторы с гидравлическими времен удерживания трех недель. Каждый период выборки охватывает одну неделю.
2. Возьмите 125 мл пробы из каждого сосуда. Это начало недели образца. Образцы для испытаний в соответствии с протоколом анализа проб в разделах 3.1-3.3.
3. В конце недели, принимать 125 мл пробы из каждого сосуда для анализа. После того, как были приняты с истекшим недели образцы, опустошить весь объем аквариума бака в кабелепроводе пруд.
   1. Раз в неделю, прокачать весь объем аквариума бака в кабелепроводе пруд.
4. Удалить одну треть объема (для среднего гидравлического времени удерживания 3-х недель) от кабелепровод пруда. Заменить объем удален с водой и необработанной выщелачивание.
5. Передача примерно 60 л от кабелепровод пруда обратно в аквариум бак. Это гарантирует, что аквариум загарк и кабелепровод пруд начинают с тех же самых питательных и биологических условиях каждую неделю.
6. Возьмите 125 мл пробы из всех сосудов для анализа исходных условий на следующей неделе.

3. Анализ проб

1. Проверьте все начало-оф-недели и в конце-оф-недели образцы для аммиака-N, нитрат-N, нитрит-N и плотности биомассы.
2. Мера биомассы при помощи стандартных общих взвешенных веществ протокола (TSS), ASTM-D5907, используя 0,45 мкм фильтры.
   1. Сначала взвешивают фильтровальную бумагу, а затем фильтровать 20-40 мл образца с использованием системы вакуумной фильтрации. Сушат биомасса / фильтровальную бумагу в печи при температуре 105 ° С в течение одного часа, или пока вес биомассы / фильтровальной бумаги больше не будет изменяться.
   2. Взвесьте биомассы / фильтровальную бумагу, и вычесть начальную массу фильтровальной бумаги. Разделить эту массу на объем отфильтрованного для расчета плотности биомассы. Запуск в двух экземплярах ^11.
3. Мера аммиака,нитраты, нитриты и спектрофотометрически с использованием спектрофотометра.
   1. С помощью 100 мкл образца в наборе промышленного способа для определения концентрации аммиака. Обратитесь к протоколу производителя.
   2. Используйте 1 мл образца в наборе коммерческого метода для определения нитратов концентрации. Обратитесь к протоколу производителя.
   3. Используйте 10 мл образца в наборе коммерчески метод для определения содержания нитрита концентрации. Обратитесь к протоколу производителя.
4. Мониторинг состояния окружающей среды (температура воздуха, солнечная радиация, скорость ветра), используя коммерческую метеостанцию, а также бак / прудовых условиях (температура воды, рН, растворенного кислорода) с использованием коммерческих зондов и регистратор данных. Обратитесь к протоколу производителя.

4. Статистический анализ результатов

1. Определите, могут ли данные, собранные статистически нормально. Определить нормальность набора данных с помощью QQ участок ¹² .
2. Определение корреляции между параметрами с использованием г Пирсона или Спирмена р для нормальных и ненормальных данных, соответственно ^13. Параметры корреляции должны включать, по крайней мере, следующие параметры: начальная концентрация аммиака, начальной концентрации общего азота, начальную плотность биомассы, скорость удаления аммиака, общая скорость удаления азота, скорость роста биомассы, и все условия окружающей среды.

Результаты

Целью данного исследования является сравнение роста биомассы и возможности удаления биогенных веществ из водорослей культур, выращенных в мелких и крупных реакторов. В данном исследовании используются два спаренных систем, именуемых System 1 и System 2, чтобы дублировать с...

Обсуждение

Производительность системы:

В течение 8-недельного исследования сравнивали продуктивность мелких и крупных сосудов в системе. В этом исследовании азота и скорости удаления аммиака и темпов роста биомассы использовались в качестве меры производительности системы лечен?...

Материалы

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