مفاعل حيوي رواية لزراعة ارتفاع كثافة المجتمعات الميكروبية متنوعة

A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Here, the HDBR is successfully applied in a photobioreactor (PBR) configuration for the study of nitrogen metabolism by a mixed high density algal community.

A novel reactor design, coined a high density bioreactor (HDBR), is presented for the cultivation and study of high density microbial communities. Past studies have evaluated the performance of the reactor for the removal of COD¹ and nitrogen species^2-4 by heterotrophic and chemoautotrophic bacteria, respectively. The HDBR design eliminates the requirement for external flocculation/sedimentation processes while still yielding effluent containing low suspended solids. In this study, the HDBR is applied as a photobioreactor (PBR) in order to characterize the nitrogen removal characteristics of an algae-based photosynthetic microbial community. As previously reported for this HDBR design, a stable biomass zone was established with a clear delineation between the biologically active portion of the reactor and the recycling reactor fluid, which resulted in a low suspended solid effluent. The algal community in the HDBR was observed to remove 18.4% of total nitrogen species in the influent. Varying NH₄⁺ and NO₃^- concentrations in the feed did not have an effect on NH₄⁺ removal (n=44, p=0.993 and n=44, p=0.610 respectively) while NH₄⁺ feed concentration was found to be negatively related with NO₃^- removal (n=44, p=0.000) and NO₃^- feed concentration was found to be positively correlated with NO₃^- removal (n=44, p=0.000). Consistent removal of NH₄⁺, combined with the accumulation of oxidized nitrogen species at high NH₄⁺ fluxes indicates the presence of ammonia- and nitrite-oxidizing bacteria within the microbial community.

يتم التعامل مع مياه الصرف الصحي البلدية عادة مع عمليات الحمأة المنشطة من أجل الحد من المواد الصلبة العالقة (SS)، والطلب البيولوجي الأكسجين (BOD) والنيتروجين العضوي وغير العضوي، والفسفور ^5،6. عملية الحمأة المنشطة، وسيلة لمعالجة مياه الصرف الصحي الثانوية، يستتبع أكسدة الكربون العضوي في أحواض التهوية مليئة الخمور مختلطة من مياه الصرف الصحي الواردة والمعاد تدويرها الكائنات الحية الدقيقة غيرية (يشار إلى الحمأة المنشطة) ^5-7. الخمور مختلطة ثم يدخل الترسيب كبير نسبيا (تسوية خزان) حيث تستقر الحمأة لتسهيل جمع وإما أن يتم التخلص أو إعادة تدويرها مرة أخرى إلى أحواض التهوية، في حين أن ومياه الصرف الصحي المعالجة وأوضح أن يستمر في المعالجة الثلاثية أو التطهير قبل أن يطلق سراحه في المياه المستقبلة ^5-7. الفصل الفعال لمياه الصرف الصحي المعالجة والمواد الصلبة (الحمأة) في الترسيب الثانوي ضروري لوظيفة المناسبة من كاننظام معالجة tewater، لأن أي الحمأة المنشطة مستمرة إلى ما بعد الترسيب سيزيد من BOD وSS في النفايات السائلة ^5-8.

ويوجد عدد من العمليات البيولوجية بديلة عن المعالجة الثانوية للمياه العادمة، والتي تقلل أو تلغي الحاجة إلى توضيح الدبابات الكبيرة، بما في ذلك المرفق النمو (بيوفيلم) المفاعلات، المفاعلات الحيوية الغشائية (MBRs)، ومفاعلات الحمأة الحبيبية. في المفاعلات بيوفيلم، وتشكيل الأغشية الحيوية، التي الميكروبات بشكل طبيعي مجموع المباراتين ونعلق على شكل طبقة على سطح صلب، ويسمح للاحتفاظ الكتلة الحيوية وتراكم دون الحاجة لخزان توضيح. ويمكن تصنيف المفاعلات بيوفيلم إلى ثلاثة أنواع: مفاعل معبأة، المفاعلات مميعة، وتدور الملامسات البيولوجية. مفاعل معبأة، مثل خرير الفلاتر وأبراج البيولوجية، والاستفادة من الثابت سطح نموا قويا ^5،6. المفاعلات مميعة (FBRs) تعتمد على المرفق من الكائنات الحية الدقيقة إلى جزيئات،مثل الرمل وتنشيط الحبيبية الكربون (GAC)، أو الخرز الزجاجي، التي يتم الاحتفاظ بها في التعليق من ارتفاع معدل التدفق الصاعد ^9،10. الدورية المفاعلات البيولوجية تعتمد على الأغشية الحيوية التي شكلت في وسائل الإعلام تعلق على رمح الدورية السماح للبيوفيلم أن تتعرض بالتناوب في الهواء والسائل يعالجون ^5،6. MBRs تستخدم وحدات الترشيح الغشائي، سواء داخل (التكوين المغمورة) مفاعل حيوي أو خارجيا عن طريق إعادة تدوير (التكوين الجانب تيار) ^5،11. الأغشية تعمل على تحقيق فصل جيد من الكتلة الحيوية والجسيمات الصلبة من السائل تعامل ^11،12. مفاعلات الحمأة الحبيبية هي مفاعلات upflow التي يحدث فيها تشكيل حبيبات كثيفة للغاية وتسوية جيدا من الكائنات الدقيقة عندما يتعرضون لارتفاع upflow الهواء السطحي سرعات ^13.

كما بديل آخر لعملية الحمأة المنشطة، ونظام مفاعل upflow الرواية، التي تسمى الآن مفاعل حيوي عالي الكثافة (HDBR)، وكان المصممد وبناها المبيعات وShieh (2006) لدراسة إزالة COD قبل الحمأة المنشطة من مجاري النفايات الصناعية في ظروف F / M المنخفضة التي يعرف عنها التسبب في تشكيل الفقيرة الحمأة تصفية (أي يستكثر الحمأة) ^1،7،14. نظام HDBR الاستفادة تعديل مفاعل المميعة التي تتكون عادة من مفاعل upflow ودبابة سلة الخارجي. عادة يتم تشغيل المفاعلات قاعدة مميعة مع تيار سلة معدلات تدفق عالية بما فيه الكفاية للحفاظ على قوام نمو بيوفيلم مع وقف التنفيذ ولكن منخفضة بما فيه الكفاية بحيث يتم الاحتفاظ الركيزة المغطاة بيوفيلم. على عكس المفاعلات مميعة، وصفت HDBR في المبيعات وShieh (2006) المستخدمة منخفضة نسبيا معدلات تدفق تيار سلة التي، جنبا إلى جنب مع التهوية الخارجية، منع اختلال المنطقة الكتلة الحيوية شكلت داخل المفاعل ^1. وقد أثبتت الدراسات اللاحقة قدرة هذا التصميم المفاعل لعلاج بنجاح مجموعة من تدفقات النيتروجين باستخدام الآزوتية / نازع للنترات البكتيريا ^3،4. في كل مسمارالمنشأ تشكيل مستقرة، منطقة كثيفة الكتلة الحيوية داخل HDBR القضاء على الحاجة إلى التلبد عملية / الترسيب الخارجية ^1-4.

ونحن هنا التقرير، كما تم اختبار استخدام HDBR أن تنمو الثقافات كثيفة في photobioreactor (PBR) تكوين لزراعة الطحالب. ونحن نناقش مزايا وعيوب هذا النظام مفاعل رواية لزراعة الطحالب وقدرته على التغلب على عقبة كبيرة في تسويق الوقود الحيوي الطحالب المرتبطة حصاد الكتلة الحيوية (أي جيدة فصل الصلبة والسائلة ^15،16). يحدد البروتوكول باتباع الخطوات اللازمة لتجميع وبدء التشغيل، عينة من، والحفاظ على HDBR مع الطحالب المجتمع الميكروبي من الفائدة. كما سيتم ذكر الاختلافات في بدء التشغيل وتشغيل بروتوكول الثقافات متغايرة والآزوتية / نازع للنترات. وأخيرا، سيتم تسليط الضوء المزايا العامة والمساوئ، والمجاهيل هذا التصميم مفاعل الرواية.

1. الجمعية مفاعل

1. ترتيب مكونات المفاعل وفقا لالتخطيطي في الشكل 1.
   1. وضع مفاعل (R) على طبق من الاختلاط، إضافة بقضيب للمفاعل. وضع خزان سلة (RT) بجانب لوحة ضجة والمفاعل بحيث يتم توجيه النفايات السائلة (أعلى) ميناء للدبابات باتجاه حافة مقاعد البدلاء المختبر.
   2. وضع حاوية النفايات (W) تحت النفايات السائلة (أعلى) ميناء خزان سلة (RT). وضع خزان تغذية (FT) المقبل إلى خزان سلة (RT).
      ملاحظة: خزان تغذية لديه قدرة إجمالية قدرها 5 L.
2. تأمين مفاعل (R) ضد الانقلاب مع موقف بحجم مناسب والمشبك. وبالمثل، تأمين خزان سلة (RT) لمنع الحركة.
3. إدراج النيوبرين تحوي مضخة الأنابيب في سلة (مضخة A) وتغذية رؤساء (مضخة B) مضخة. الرجوع إلى جدول المواد للمواصفات أنابيب إضافية. تثبيت رؤساء مضخة على محركات مضخة مع مسامير. نحن نتعاملدائرة التنمية الاقتصادية مع محركات الأقراص المضخة.
4. توصيل أنابيب ضخ لالمنافذ على المفاعل ودبابات سلة. إدراج نهاية أنابيب مضخة باء في خزان تغذية وخزان سلة. ربط ميناء مفاعل العلوي إلى الخزان سلة مع الأنابيب. تطبيق المشابك للأنابيب في الموانئ المفاعل.
   ملاحظة: قد تستفيد المجتمعات الضوئي من الإضاءة الاصطناعية التي توفرها المصابيح.

2. إعداد حلول الأوراق المالية، حلول مؤثر / تغذية، والطحالب قيحة

1. تحضير المحلول المعدنية. إضافة ما يلي إلى الحجمي قارورة 1 لتر مع 500 مل من الماء منزوع الأيونات: 200 غرام بيكربونات الصوديوم، 40 جم فوسفات أحادي القاعدة البوتاسيوم، 4 ز كبريتات المغنيسيوم، 4 غرام كلوريد الحديديك، 4 غرام كلوريد الكالسيوم، 1 غرام من النحاس كلوريد، 1 غرام الكوبالت هيكساهيدرات كلوريد، 1 غرام كلوريد النيكل هيكساهيدرات، 1 غرام كبريتات الزنك هيبتاهيدراتي. إضافة 400 مل إضافية من الماء منزوع الأيونات. دوامة بقوة لتشجيع حل الأملاح. ديس التاليةolution من الأملاح، إضافة الماء منزوع الأيونات لتبرزي حجم الكلي للحل ل1 L.
2. تحضير المحلول الأمونيا. في 1 L الحجمي قارورة، ويحل 38.214 غرام من كلوريد الأمونيوم في حوالي 900 مل من الماء منزوع الأيونات. بعد حل، إضافة الماء منزوع الأيونات، ليصبح إجمالي حجم ما يصل الى 1000 مل.
   ملاحظة: 1 مل من محلول المخزون المخفف إلى 1 L ينتج 10 ملغ L ^-1 NH ₄ ⁺ -N الحل.
3. تحضير المحلول نترات. في 1 L الحجمي قارورة، ويحل 72.413 غرام من نترات البوتاسيوم في حوالي 900 مل من الماء منزوع الأيونات. بعد حل، إضافة الماء منزوع الأيونات، ليصبح إجمالي حجم ما يصل الى 1000 مل.
   ملاحظة: 1 مل من محلول المخزون المخفف إلى 1 L ينتج 10 ملغ L ^-1 _NO 3 ^- -N الحل.
4. إعداد الأعلاف / حل مؤثر. لجعل الحل الأعلاف التي تحتوي على 20 ملغ L ^-1 NH ₄ ⁺ -N و 20 ملغ L ^-1 _NO 3 ^- -N، وتمييع 2 مل منmmonia حل سهم و 2 مل من محلول نترات الأسهم إلى 1 L الحجم الإجمالي. قبل التخفيف، إضافة 0.5 مل من محلول المعدنية / L من حل المبذولة. إعداد 5 L من مؤثر في المجموع لبدء المفاعل.
5. إعداد قيحة الطحالب.
   1. جمع كمية كبيرة (لا يقل عن 10 L) من الماء من هيئة المياه التي تحتوي على الطحالب مثل تيار أو بركة. تسمح الطحالب لتسوية من خلال ترك عينات المياه دون عائق لمدة 24 ساعة.
   2. صب وتجاهل واضح (غير الطحالب التي تحتوي على) المياه في الجزء العلوي من العينات، وترك الطحالب تعليق المركزة داخل زجاجات العينة. الجمع بين تعليق الطحالب من جميع العينات في وعاء واحد وتكرار تسوية والخطوات الصب.
   3. قياس الكتلة الحيوية داخل العينة المركزة.
      1. تجف مرشح ورقة فراغ (0.45 ميكرون MCE مرشح الفراغ) والألمنيوم تزن قارب O / N في الفرن الذي تم تعيينه إلى 103 ° C بعد للتهدئة في مجفف لمدة 30 دقيقة في RT قياس المشتركmbined كتلة تصفية ووزن القارب.
      2. مرشح فراغ 20 مل من الطحالب تعليق المركزة وتعود مرشح وتزن قارب للفرن لتجفيف O / N.
      3. قياس الكتلة المشتركة للتصفية ووزن القارب. حساب كثافة الكتلة الحيوية داخل العينة المركزة.
         ملاحظة: الحجم الكلي للعينة المياه أن المحققين سوف تحتاج إلى جمع سيعتمد على هيئة مصدر المياه.

3. البذر وبدء المفاعل

1. إضافة 750 مل من محلول تغذية للمفاعل. ملء خزان سلة مع 500 مل من محلول تغذية.
2. استخدام ماصة طويلة لإضافة بلطف على تعليق تلقيح تحتوي على 1.5 غرام من الطحالب بالقرب من قاع المفاعل. السماح لقيحة لتستقر في قاع المفاعل، وضمان ذلك من خلال الملاحظة البصرية، قبل الانتقال إلى الخطوة التالية.
3. مرة واحدة وقد استقر الخلايا، وإزالة المشابك الأنابيب وتشغيل مضخة A إلى معدل التدفق البطيء (10 revolutioنانوثانية دقيقة ^{-1 / 38} مل دقيقة ^-1). سيتم طرد الهواء المحبوس في الأنابيب في المفاعل.
   ملاحظة: إضافة 750 مل للمفاعل منع أي الكتلة الحيوية منزعج من مضخة من مغادرة المفاعل. ضغط الأنابيب للتأكد من أن كل الهواء قد طرد.
4. تدريجيا إضافة محلول التغذية إلى خزان سلة كما يتم ضخ المحلول في المفاعل. مواصلة بالإضافة إلى كل من المفاعل ودبابات سلة هم في القدرات ويبدأ النفايات السائلة للخروج من دبابة سلة عبر منفذ العلوي.
   ملاحظة: حجم محلول التغذية التي يمكن ان تضاف إلى خزان سلة سوف تختلف مع حجم قيحة وأضاف أن المفاعل.
5. من أجل حل الأطعمة المتبقية في خزان تغذية.
6. ضبط مضخة تدوير (مضخة A) إلى 19 دقيقة ^-1 الثورات، وإنشاء معدل التدفق إعادة تدوير 72.5 مل دقيقة ^-1. مراقبة الطحالب تبدأ في دور علوي من الجزء السفلي من المفاعل. باستخدام التدرج في المفاعل، وتحديد ثنائية الطحالبارتفاع منطقة omass. تأكد من أن الارتفاع المستمر قبل الانتقال إلى الخطوة التالية.
7. بدوره على لوحة خلط على سرعة منخفضة جدا. إعداد 1 أو 2 هو المناسب للبدء. سوف شريط الاختلاط يساعد في lofting الكتلة الحيوية أبعد من ذلك، ولكن خلط العدواني يسبب الطحالب إلى ترك المفاعل، أدخل دبابات سلة، وترك في النفايات السائلة. ضبط سرعة الخلط في إعداد اللازمة لإقامة الحدود الطحالب واضح داخل المفاعل (الشكل 2A). يجب أن تكون منطقة الكتلة الحيوية الطحالب سم تقريبا 10-15 في الارتفاع.
8. بدء تشغيل مضخة تغذية بعد مراقبة حدود واضحة بين المكونات الطحالب وسائل المفاعل. ضبط مضخة إلى 25 دقيقة ^-1 الثورات، وإنشاء معدل تدفق 1.5 مل دقيقة ^-1. مراقبة خروج السائل مفاعل ميناء النفايات السائلة نظرا لخطورة والنزوح الناجم عن تيار مؤثر واردة.

4. جمع العينات وتحليل

1. تنفيذ جمع العينات أنشطة الحزب الثوري المؤسسيأو لإجراء صيانة على نظام المفاعل. جمع 20 مل من العينات السائلة ومؤثر يوميا. جمع عينات من النفايات السائلة من داخل دبابة التدوير. جمع عينات مؤثر مباشرة من خزان تغذية.
2. عينات مرشح فراغ لإزالة المواد الصلبة قبل تخزينها وتحليلها علقت.
3. تخزين مؤثر والعينات السائلة عند درجة حرارة -20 درجة مئوية حتى إجراء مزيد من التحليل. الحد من عدد دورات ذوبان الجليد تجميد يتعرضون عينات ل. إذا لزم الأمر، والعينات ويمكن تقسيم إلى قسامات للحفاظ على سلامة العينة.
4. إجراء تحليل عينة النترات والنتريت، والأمونيا باستخدام التقنيات القياسية ^17.
   ملاحظة: المؤلفون تستخدم ايون اللوني (IC) لإنتاج النتائج المقدمة في هذه الوثيقة. الرجوع إلى جدول المواد للمواصفات.

تم استخدام HDBR لزراعة الطحالب على مدى عدة نسب تركيزات الأمونيا ونترات مؤثر، مع الحفاظ على نسبة النيتروجين الكلي في تغذية في 40 ملغ -NL ^-1. اتخذت مؤثر وعينات النفايات السائلة يوميا؛ تم أخذ عينات كثافة الكتلة الحيوية في بداية ونهاية كل حالة. استغرق المفاعل في المتوسط ​​3-5 أيام للوصول إلى التوازن حالة مستقرة بعد أن تغيرت الظروف. على نطاق واسع من الظروف مؤثر تأسست منطقة الكتلة الحيوية متميزة، كما لوحظ من الدراسات السابقة (الشكل 2). تم العثور على الثقافة الطحالب في HDBR لإزالة أي بمعدل 18.4٪ من إجمالي الأنواع النيتروجين في تغذية (ن = 44). داخل المنطقة الكتلة الحيوية، وبلغ إجمالي الطحالب الكتلة الحيوية وطاقة الكتلة الحيوية كثافة ثابتة على مدار هذه الدراسة.

إزالة NH ₄ ⁺ و _NO 3 ^- يتم رسم مقابل NH ₄ ⁺ و _NO 3 ^- الحديدتكوين إد في الشكل (3). تم استخدام نموذج الانحدار الخطي البسيط لتقييم أهمية العلاقات بين إزالة الأنواع N وتكوين الأعلاف ^18-20. وقد لوحظ إزالة الأمونيا في جميع النطاقات من NH ₄ ⁺ و _NO 3 ^- تكوين (3A الشكل والشكل 3B، على التوالي). لا NH ₄ ⁺ ولا _NO 3 ^- تكوين الأعلاف تتأثر إزالة NH ₄ ⁺ على الظروف المختبرة (ن = 44، ع = 0.993 و n = 44، ص = 0.610 على التوالي). من ناحية أخرى، وإزالة _NO 3 ^- وجدت لتكون ذات صلة سلبا مع NH ₄ ⁺ تكوين الأعلاف (ن = 44، ع = 0.000) (الشكل 3C) وتنوعت بشكل إيجابي مع _NO 3 ^- تكوين الأعلاف (ن = 44، ص = 0.000) (الشكل 3D).

_NO 3 ^- لوحظ أن تتراكم (negatإزالة إيف) داخل المفاعل لمعظم المؤلفات مؤثر (34 من أصل 44 عينة). وقد لوحظ إزالة فقط عندما كانت تركيزات NH ₄ ⁺ تغذية أقل من 10 ملغ -NL ^-1 _وNO 3 ^{- -} _NO 3 وكانت تركيزات تغذية فوق 15 ملغ -NL ^-1. الأكسجين، التي يتم إضافتها إلى مفاعل عبر تهوية في الخزان سلة الخارجي والطحالب، ويمكن أن يكون بمثابة متقبل الإلكترون للبكتيريا الأمونيا والنيتريت المؤكسدة (AOB ونوب، على التوالي). إذا كانت الظروف الهوائية تهيمن داخل المفاعل عن طريق معدلات تدفق سلة عالية، وسوف البكتيريا التي قد تحمل من dissimilatory (غيرية) نزع النتروجين يفضل استخدام الأكسجين بوصفه متقبل الإلكترون ^4. إذا كان معدل _NO 3 ^- الإنتاج والمدخلات من الأعلاف يتجاوز تحويل الاستيعاب من _NO 3 ^- لالنيتروجين العضوي أو نزع النتروجين dissimilatory، _NO 3 ^- يمكن accumulaالشركة المصرية للاتصالات في المفاعل. إزالة NH ₄ ⁺ وتراكم _NO 3 ^- تشير إلى أن AOB وNOB موجودة ونشطة في المجتمع لأنها لا تعرف الطحالب لتحفيز تحويل NH ₄ ⁺ _لNO 3 ^-. هذه النتائج تدل على القدرة على استخدام هذا النظام مفاعل لدراسة ديناميكية تدفق النيتروجين وحركية في المجتمع الطحالب بكتيرية مختلطة.

حافظت الكتاب بنجاح مجتمعات الطحالب صحية في هذه HDBRs لأكثر من سنة. اثنين من تعطل المفاعل، ومع ذلك، فقد حدث منذ بداية هذا المشروع، سواء نتيجة للتغيرات الشديدة لتكوين مؤثر. كان أول نتيجة لتغير نسب أنواع النيتروجين مع مجموع تدفق النيتروجين يتم الاحتفاظ ثابت. وقد تم التخلص من NH ₄ ⁺ من الأعلاف _وNO 3 ^- تمت زيادة تركيزات للتعويض. ووقع الحادث الثاني نتيجة cuttinز تدفق النيتروجين الكلي بنسبة 75 في المئة، من 40 ملغ -NL ^-1 إلى 10 ملغ -NL ^-1 (الشكل 4). في كلتا الحالتين لوحظ متميزة حدود منطقة الكتلة الحيوية في التدهور على مدى يومين أو ثلاثة أيام بالتزامن مع ارتفاع حاد في المواد الصلبة العالقة في مياه المجاري (الشكل 4). زادت النفايات السائلة المواد الصلبة العالقة إلى 6 أيام كحد أقصى بعد التغيير تغذية المفاعل كما فقدت الكتلة الحيوية (الشكل 4). بعد انهيار وقف ظلت المواد الصلبة في النفايات السائلة عالية (حوالي 0.22 ز SS L ^-1)، ويلاحظ أي الكتلة الحيوية جديدة لتتراكم داخل المفاعل، ومنع استمرار التجربة. التصميم الحالي يفتقر إلى آلية أمان للاحتفاظ الثقافات إذا كانت لا تزال flocculated جيدا.

الشكل 1. التخطيطي مفاعل حيوي عالي الكثافة (HDBR) (لا تس الحجم). ويتكون المفاعل (R) من 1000 مل تخرج اسطوانة مع منافذ (انتقادات لاذعة خرطوم، خارج القطر 3/8 ") مثبتة في 100 مل و 1000 مل المستويات. وتدوير السائل المفاعل من خلال المفاعل باستخدام مضخة تمعجية A (PA)، والدخول في الجزء السفلي من المفاعل وتتدفق نحو الأعلى عبر منطقة الكتلة الحيوية (BZ) باتجاه ميناء العلوي. مخارج السائل المفاعل في ميناء العلوي وتوجه إلى خزان سلة (RT) تحت الجاذبية. وRT يتكون من كوب 600 مل دورق؛ فقد اثنين من منافذ المثبتة، واحد يقع في الجزء السفلي من الكأس والآخر في السائل 500 مل علامة مفاعل يتم إرجاعها إلى مفاعل عبر منفذ السفلي (والسلطة الفلسطينية) أوراق النفايات السائلة. يتم جمع مفاعل عبر منفذ العلوي من RT وفي حاوية النفايات وتقدم (W). تهوية ناشر في RT مع استخدام جهاز للإشباع بالهواء (A). يقود عملية التهوية أيضا خلط داخل MV. تحوي مضخة B (PB) يسلم مؤثر من خزان يحتوي على تغذية / مؤثر (FT) في RT. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

ويوضح لوحة والشكل 2. أمثلة من الكتلة الحيوية / مفاعل السائل الفصل داخل مفاعل حيوي عالي الكثافة (HDBR) مجتمع الطحالب عالية الكثافة (2.83 جم SS L ^-1) يجري تربيتها داخل HDBR. يحدث حدود متميزة عند سرعة الترسيب المجتمع الميكروبي الضوئي يتجاوز أن من السائل المفاعل. لوحة B يعرض مصفوفة الميكروبية التي شكلتها الحمأة المنشطة في ظروف سلة مناقشتها في المبيعات وShieh (2006) ^1. لوحة C يظهر الخميرة يجري تربيتها على مؤثر يتكون من الجلوكوز لإنتاج الإيثانول عن طريق التخمير (النتائج لم تنشر). في كل ثلاثة من هذه التكوينات مفاعل تصميم مفاعل رواية له eliminatإد الحاجة إلى توضيحية منفصل أو تسوية عملية في النظام المفاعل. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

واستمر معدلات إزالة مقابل تكوين مؤثر مجموع تركيز مؤثر N 40 ملغ -NL ^-1 خلال مدة الدراسة ^- الرقم 3 توضيحات من NH ₄ ⁺ و _NO 3. يتم رسم (A) NH ₄ ⁺ تركيز تغذية ضد إزالة NH ₄ ^+. لم يكن هناك تأثير كبير (ن = 44، ع = 0.993). (B) NO ₃ ^- يتم رسم تركيز تغذية ضد إزالة NH ₄ ^+. لم يكن هناك تأثير كبير (ن = 44، ع = 0.610).(C) NO ₃ ^- تم العثور على إزالة لتكون بشكل كبير وسلبي المتعلقة NH ₄ ⁺ تركيزات تغذية (ن = 44، ع = 0.000). (D) NO ₃ ^- وبشكل ملحوظ وإيجابي المتعلقة إزالة _لNO 3 ^- تركيزات تغذية (ن = 44، ع = 0.000)، الرجاء النقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

الرقم 4. المواد الصلبة زيادة المخلفات العالقة في استجابة لانخفاض ملحوظ تدفق النيتروجين من خلال المفاعل. وقد انخفض محتوى مؤثر النيتروجين من 40 ملغ -NL ^-1 ل ولوحظ 10 -NL ملغ ^-1 (في وقت 0 في هذا الرقم، تدل أيضا على خط عمودي) تدهور منطقة الكتلة الحيوية متميزة بعد 2 أيام؛ بعد 3 أيام كانت خسارة الكتلة الحيوية يمكن ملاحظتها بسهولة. ولوحظ وجود زيادة كبيرة في SS النفايات السائلة بعد أيام بعد سن التغيير وحدث الأقصى SS النفايات السائلة بعد 6 أيام. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5. الميكروسكوب تسليط الضوء على بنية الندف التي يسهل اختراقها والمتشابكة البكتيريا الخيطية اثنان الميكروسكوب اظهار بنية مسامية التي شكلتها البكتيريا متغايرة (الحمأة المنشطة). البكتيريا الخيطية تجسير الفضاء بين ندف، المتشابكة ندف الدخول إلى منطقة الكتلة الحيوية استقرت.أ href = "https://www-jove-com.remotexs.ntu.edu.sg/files/ftp_upload/53443/53443fig5large.jpg" الهدف = "_ فارغة"> الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

وسيبدأ هذا القسم بمناقشة الاختلافات بروتوكول اللازمة لمعالجة القضايا التشغيلية الممكنة فضلا عن استخدام المجتمعات الميكروبية المختلفة. وسيتم مناقشة نقاط القوة في هذا التصميم المفاعل، بما في ذلك القدرة على الحكم السيطرة على تدفق الأكسجين وتشكيل ندف عالية الكثافة داخل المفاعل. كما سيتم ذكرها التحديات الحالية والسبل الممكنة التحقيق.

الفروق والاختلافات بروتوكول
تشغيل HDBRs لزراعة أنواع مختلفة من الثقافات تتطلب تغييرات طفيفة في البروتوكول التشغيلي، وهذا يتوقف على نوع قيد التحقيق. وهناك حاجة خلط كافية والتوسع في منطقة الكتلة الحيوية الطحالب إلى زيادة التعرض لجميع ندف للضوء وتمكين التمثيل الضوئي. هو الدافع وراء تعليق الكتلة الحيوية الطحالب داخل المفاعل من خلال مزيج من سعر سلة المفاعل وسرعة الخلط بار. يجب توخي الحذر في اختيار الخصائص التشغيليةعلى حد سواء، مثل أن هناك مسافة كافية بين النشطة بيولوجيا في منطقة الكتلة الحيوية الطحالب والميناء في الجزء العلوي من المفاعل، لأن أي الكتلة الحيوية أن يترك وعاء المفاعل قد تضيع في النفايات السائلة عن طريق ميناء العلوي من الخزان إعادة تدويرها. إذا لوحظ الكتلة الحيوية ترك في النفايات السائلة، يمكن تركيبها مرشح إلى ميناء العلوي من الخزان إعادة تدويرها. والمكونات من الصوف الزجاجي يمكن استخدامها كعامل تصفية. كما يتراكم مرشح الكتلة الحيوية فإنه سيكون في حاجة إلى تغيير. إذا تم استخدام فلتر، يجب أن تؤخذ المواد الصلبة العالقة عينات من المصب من مرشح بالإضافة إلى السوائل مفاعل داخل الخزان لاعادة تدوير من أجل الحصول على توازن الكتلة الصحيح. يجب أيضا أن تمثل الكتلة الحيوية المتراكمة في تصفية. في ظل بعض الظروف التشغيلية مع الطحالب والخميرة منطقة الكتلة الحيوية لا يؤدي دائما إلى السائل المصفى، حتى عندما يكون المجتمع هو صحي. في هذه الحالات هناك تعليق تمييع الخلايا ملحوظة فوق منطقة الكتلة الحيوية وداخل خزان سلة. نحن hypothesizه أنه في الطحالب والخميرة المجتمعات التي تم زراعتها في HDBR حتى الآن لا تحتوي على البكتيريا الخيطية للمستقرة، المتشابكة منطقة الكتلة الحيوية كما رأينا في عضوية التغذية والنترجة / ثقافات نزع النتروجين البكتيرية (الشكل 5). ولذلك، إذا كان الهدف هو منع الخلايا من الهرب في النفايات السائلة، مثل هو الحال مع الطحالب والخميرة، قد يكون من الضروري استخدام جهاز غشاء أو الترشيح في ميناء النفايات السائلة.

مصدر غير متوقع من اضطراب الكتلة الحيوية، والتي يمكن أن تؤثر سلبا على فصل الصلبة والسائلة من HDBR، هو تراكم فقاعات داخل خطوط مضخة تدوير. هذه الفقاعات هي نتاج تهوية في الخزان سلة. ينبغي الحرص على تطهير بانتظام أي تراكم الغازات داخل الأنبوب. الضغط على الأنبوب في اتجاه تدفق السوائل والتعجيل بهذه العملية وأيضا تعمل على طرد أي الكتلة الحيوية التي أصبحت ثابتة إلى داخل الأنبوب. كما الخلايا في هذه الثقافات تميل إلى تجميع في ندف، لديهم أيضا نزعة عندما صدر من منطقة الكتلة الحيوية إلى التمسك بها واستعمار جدران HDBR. وهكذا، إذا المحققين يلاحظ التصاق الكتلة الحيوية إلى الجدران الداخلية للخزان المفاعل وإعادة تدوير، وينبغي أن تستخدم ماصة أو فرشاة الأواني الزجاجية مطهرة لتشويش ومنع نمو بيوفيلم المفرط على جدران المفاعل.

بروتوكول المذكورة أعلاه يجب أن يتم تعديل عند الكائنات الحية الدقيقة متغايرة أو الآزوتية / البكتيريا نازع للنترات هي مجتمع من الفائدة. على سبيل المثال، تم استخدام 4 غرام من الكائنات الحية الدقيقة متغايرة (مقاسا VSS) البذور المفاعل، كما وصفها المبيعات وShieh ^1. عند دراسة الأمونيا والبكتيريا المؤكسدة النتريت، وكانت تستخدم 2 غرام من التخصيب AOB / NOB كما هو موضح في Nootong وShieh ² راماناثان وآخرون. ^4، ووسعت عليه في تذييل ذلك المخطوط ^21. المبلغ المحدد من اللقاحلبدء المفاعل يمكن أن تختلف وحقا يتوقف على كمية من اللقاح مصدر متاح والحجم الفعلي للمفاعل المستخدمة. لمنع اضطراب الكتلة الحيوية، وعلى عدم استخدام بقضيب عند استخدام هذه الثقافات تشكيل حصيرة.

التلاعب الخصائص الهيدروليكية
والميزة الرئيسية لتصميم HDBR هي القدرة على السيطرة على تغذية وتدفق سلة معدلات بشكل مستقل عن بعضها البعض. يمكن للمحققين تستهدف معدلات التحميل محددة، وإعادة تدوير اسعار، أو إعادة تدوير النسب. على سبيل المثال، في حين يدرس أداء المفاعل باستخدام الحمأة المنشطة لإزالة COD من مياه الصرف الصناعي، ونسبة إعادة التدوير تختلف 3،5 حتي 21،5 ^1. / أشارت الدراسات الأولية للمفاعل الاستفادة الآزوتية التغذي البكتيريا نازع للنترات أن المناطق الكتلة الحيوية مستقرة يمكن أن يستمر في ظل نسب سلة من 2،5 حتي 24،3 ^3. هذه التقديرات ثبت أن تكون متحفظة كما ووجهت أي مشاكل عند زيادة سلة راtios تصل إلى 43 في متابعة الدراسة ^21. القدرة على العمل في نسب سلة عالية، ومعدلات إعادة التدوير مما عالية، مفيد لدراسة آثار القص السوائل على استقرار وخصائص المنطقة الكتلة الحيوية. في بعض الحالات، مثل زراعة الطحالب، وإنشاء وصيانة مصفوفة الكتلة الحيوية ليس شرطا ومعدلات تدوير عالية وهناك حاجة نسب للمساعدة في وقف العمود الطحالب. هذا التصميم مفاعل قادر على تسهيل تعليق يساعده معدلات إعادة التدوير عالية (49.3 في هذه الدراسة)، شريطة أن المحققين قادرون على الحفاظ على واجهة الكتلة الحيوية / النفايات السائلة متميزة داخل المفاعل. في الحالات التي تكون فيها نسبة إعادة تدوير عالية، ومفاعل الخصائص الهيدروليكية لنظام HDBR بأكمله تتصرف أكثر على غرار تماما المفاعلات مختلطة (أعلن المركز) من مفاعل تدفق قابس (PFR)، وبالتالي يسمح للمحقق لدراسة الثقافات على مدى الطيف من الهيدروليكية خلط الخصائص في نظام واحد واعادة تدوير معدل التدفق ليسوتو تلعب دورا في تغير مستمر، نقل الجماعي، وتوزيع الأنواع الغازية المنحل في جميع أنحاء المفاعل، كما هو موضح أدناه.

السيطرة على _O 2 تدفق من والتفريغ في خزان سلة
بينما يدرس عمليات النترجة / نزع النتروجين جنبا إلى جنب، لوحظ تركيز الأكسجين الذائب أن تنفد بسرعة في أدنى أجزاء من منطقة الكتلة الحيوية النشطة كما تم تنفيذ النترجة من ^2-4، في موازاة الدراسات السابقة إزالة COD ^1؛ هذا قد يوحي بأن نظام تدفق داخل تدفق الكتلة الحيوية يشبه من PFR ^1. مع منطقة الكتلة الحيوية العليا أصبحت الأكسجين، وجرى نزع النتروجين بها، مما أدى إلى إزالة النيتروجين المذاب من ^2،3 مفاعل النفايات السائلة. أظهرت هذه الملاحظات أن الجمع بين التهوية الخارجية في خزان سلة، جنبا إلى جنب مع القدرة على السيطرة على تدفق الأكسجين إلى خزان upflow، عن طريق التلاعب في سلةمعدل، ويسمح لالتدرجات الأوكسجين إلى تطوير داخل ندف وعلى طول المنطقة الكتلة الحيوية، مما يسمح للايروبيك، اللاهوائية وردود الفعل الأكسجين تحدث في دبابة واحدة. كما العديد من ردود الفعل لالمعالجة البيولوجية تعتمد على أو تحول دون الأكسجين، وهذا المفاعل يسمح لأسهل طريقة للسيطرة على معدلات كتلة الأكسجين في المفاعلات الحيوية. ربما تمكين الممارسات تهوية أكثر كفاءة. كما التهوية هي واحدة من أعلى تكاليف الطاقة في معالجة مياه الصرف الصحي، وهذا قد يساعد على خفض تكاليف التشغيل للبلديات ^22،23.

السيطرة على تدفق الأكسجين من خلال مفاعل ليست فقط مصدر قلق للبكتيريا متغايرة وذاتي التغذي الكيميائي. طاقة الإثارة الزائدة (EEE) هي الطحالب فائض الطاقة الضوئية تتعرض الخلايا ل، والنتائج في الأكسجين _(O 2) يجري تخفيض لالفائق _(O 2 ^-) مع الإلكترونات الزائدة القوا من الضوئي الأول أو الثاني (PSI وPSII) ^24. يمكن الأنيونات الفائق يسبب significanر الضرر الفسيولوجية في نظم الطحالب. يوجد إطار الخلوي لكشف وتحييد _O 2 ^- قبل أن يحدث تلف المكونات الخلوية، ولكن في خلايا أكد للغاية أنواع الاكسجين التفاعلية (ROS) يمكن لا تزال تشكل ^24-28. من خلال التحكم في معدل إعادة التدوير والتهوية في خزان تدوير، قد يكون المحققون قادرة على معالجة القضايا الناشئة عن الأكسجين الزائد وسمية أنها يمكن أن تحدث في الثقافات الطحالب، ويمكن أن تعزز نمو الطحالب في الثقافات كثيفة للغاية، ولا سيما في حالات حيث يجري تقديم ضوء إضافي من خلال استخدام المصابيح.

تشكيل ندف و / أو منطقة الكتلة الحيوية يؤدي إلى الاقتصاد الكلي متنوعة وبيئات الصغرى
واحدة من أهم السمات الفريدة لهذا التصميم المفاعل هو القضاء على دبابة توضيحية. نحن نفترض أن حسن فصل الصلبة والسائلة التي تحققت في HDBRs يمكن أن يعزى إما إلى تشكيل ندف عالية الكثافة (أيالحال مع الطحالب)، أو تشكيل، مصفوفة مسامية مستقرة من المتشابكة ندف والكائنات الدقيقة منذ فترة طويلة الخيطية (أي مع عضوية التغذية والآزوتية / نازع للنترات الثقافات) ^1-4،7،16 (الشكل 5). تشكيل واستقرار ندف يعتمد على عدد من الفيزيائية والكيميائية والبيولوجية العوامل ^{7،13،29-31.} في الواقع، وتشكيل ندف هو الهدف الأساسي من البدء ويعتمد على خلط كافية (التدرجات قوة القص) لزيادة الاصطدامات بين علقت قيحة ^13،30 ولكن أيضا على وجود المرسب جيدا الكائنات الحية الدقيقة التي تنتج مركبات (المرسب ) التي تسمح للخلايا لتجميع ^31،32. في هذه المفاعلات نطاق المختبر، وجدنا أن خلط كاف لالتلبد ويمكن تحقيق ذلك إما عن طريق ملف upflow السرعة أو جهاز خلط مثل بقضيب، وتقع في الجزء السفلي من المفاعل. للثقافات التي تتطلب الأوكسجين، ويمكن للدبابة سلة الخارجي به استخدامها بوصفها خزان نقل الغاز خارجي (إما للتهوية أو تجريد من الغازات، على سبيل المثال لإزالة الأكسجين التي تنتجها ردود الفعل التمثيل الضوئي). صالح التهوية الخارجية هي أنه يمنع الاختلاط الزائد وكذلك فقاعات الهواء ملامسة ندف وكسر بينهما. في بعض الحالات، مع ثقافات متغايرة والآزوتية / نازع للنترات التي شكلت مستقرة، المصفوفة التي يسهل اختراقها، عندما تم العثور على فقاعات غازية لدخول مفاعل أنها يمكن أن تكون وجدت تفكك أجزاء من مصفوفة أو يصبح مجرور داخل أقسام المصفوفة مما يسبب لهم تطفو على الجزء العلوي من المفاعل. ولذلك، تشغيل خزان نقل الغاز الخارجي لمنع دخول فقاعات المفاعل عن طريق خط اعادة تدوير هو مفتاح الحفاظ على حسن فصل الصلبة والسائلة للنظام.

الاتجاهات HDBR المحتملة
دراسات مفاعل الفوق، وخاصة تلك التي تركز على PBRS، وغالبا ما تتركز نحو جمع البيانات الحركية لالدقيقة معينالأنواع بيال أو ^{1،3،4،33،34} المجتمع. تاريخيا تتم العديد من الدراسات حول الثقافات الطحالب تعامل ممحوضة أو المضادة للبكتيريا رغم وجود أدلة متزايدة على أهمية بين الأنواع التفاعلات بين الطحالب والمجتمعات البكتيرية ^35،36. دراسات الثقافات المختلطة وعد أن تسفر نتائج جديدة والثاقبة حول كيفية عمل هذه العلاقات بين الأنواع ^35-38. وسعت الدراسات الحديثة من الثقافات المختلطة لتشمل تحليل عينة مع أدوات البيولوجيا الجزيئية مثل تفاعل البلمرة المتسلسل الكمي (QPCR) لتحديد الطحالب ونمو البكتيريا معدلات ^33،34. وقد استخدم تحليل Metagenomic وmetatranscriptomic لتوضيح مزيد من المعلومات حول كيفية الطحالب والبكتيريا تتفاعل في كل من المهندسة والنظم الإيكولوجية الطبيعية ^39،40. بالإضافة إلى تحقيقات الجزيئية من الثقافات الميكروبية في HDBRs والدراسات المجهر دراسة حجم وهيكل وتنظيم ندف ومصفوفة البيولوجية التي يسهل اختراقها للأن منطقة الكتلة الحيوية توفر معلومات قيمة عن القدرة HDBRs لتعزيز جيدة فصل الصلبة والسائلة.

حتى الآن، لم يتم التحقيق سوى مجموعة صغيرة من وحدات التخزين المفاعل ونسب سلة باستخدام تصميم HDBR. على هذا النحو، والأداء مفاعل في الارتقاء تطبيقات غير معروف حاليا. كل من أنظمة مفاعل اختبار أقل من 2 L في الحجم ويتكون من الزجاج. ولما كانت هذه المفاعلات ليست عناصر من الجرف ويجب بناؤها من قبل اختصاصي مختبر الأواني الزجاجية زيادة حجم المفاعلات الزجاج قد يكون من الصعب كما القطع بدءا يجب مختارة بعناية لسمك جدار المناسب (المراسلات الخاصة: K. كارارو، 2014). يعمل الأواني الزجاجية كبير أيضا خطر أعلى من التعرض للكسر أو تلف في مقارنة مع المعدن والبلاستيك، أو مفاعل ملموسة. بناء مفاعلات أكبر مع المعدن أو البلاستيك لتجارب الفوق قد يكون خيارا ولكن جدوى هذا الخيار لم يتم بعد التحقيق فيها. بالإضافة إلى ذلك رانه استخدام مواد مبهمة أو شفافة قد تعوق الملاحظة البصرية من المفاعلات قيد التحقيق، وسوف يعقد تشغيل هذه المفاعلات في تكوين PBR.

وقد حددت هذه المخطوطة الجمعية، وبدء التشغيل، والإجراءات التنفيذية لتشغيل مفاعل حيوي عالي الكثافة (HDBR). وقد أنشأت العمل السابق HDBRs القدرة على إزالة كل COD وأنواع النيتروجين باستخدام البكتيريا متغايرة وذاتي التغذي الكيميائي ^1-4. هنا المؤلفين تدل على قدرة HDBRs لثقافة مجتمعات الطحالب عالية الكثافة وإزالة أنواع النيتروجين من مجاري النفايات الصناعية. وبعد الملاحظات السابقة، تم تشكيل لمنطقة الكتلة الحيوية مستقرة من الطحالب، وعملية ناجحة للمفاعل دون عملية توضيح تم تحقيقه أثناء إزالة 18.4٪ من إجمالي الأنواع النيتروجين من مؤثر. التحويل بين الأنواع النيتروجين (NH ₄ ⁺ _لNO 3 ^-) لوحظ، مما يسمح للالكتاب تشير إلى وجود ونشاط AOB وNOB. النتائج المقدمة في هذه المخطوطة من المظاهرة الحالية مع الطحالب والدراسات السابقة باستخدام دعم نظام استخدامها مرة أخرى HDBR، فضلا عن البحوث والتطوير، وهذا التصميم مفاعل للزراعة كثافة عالية من الكائنات الحية الدقيقة لمجموعة متنوعة من التطبيقات البيئية والصناعية.

The authors have nothing to disclose and declare that they have no competing financial interests.

The authors would like to acknowledge Aspen Walker at the University of Pennsylvania for her assistance in reactor maintenance and sample collection.