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 species2-4 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.
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 د?…
The authors have nothing to disclose.
The authors would like to acknowledge Aspen Walker at the University of Pennsylvania for her assistance in reactor maintenance and sample collection.
Aeration stone | Alita | AS-3015C | |
Aerator | Top Fin | Air-1000 | |
Ammonium chloride | Sigma Aldrich | A9434 | |
Anion analysis column | Shodex | IC SI-52 4E | |
Beaker (600 mL) | Corning Pyrex | 1000-600 | Used as mixing vessel (MV). Addition of hose barbs at the bottom and 500 mL levels. Outside diameter of hose barbs 3/8". |
Calcium chloride | Sigma Aldrich | C5670 | |
Cation analysis column | Shodex | IC YS-50 | |
Cobalt chloride hexahydrate | Sigma Aldrich | C8661 | |
Copper chloride | Sigma Aldrich | 222011 | |
Ferric chloride | Sigma Aldrich | 157740 | |
Filter (vacuum) | Fisherbrand | 09-719-2E | 0.45 um membrane filter, MCE, 47 mm diameter |
Graduated cylinder (1000 mL) | Corning Pyrex | 3025-1L | Used as reactor vessel (R). Addition of hose barbs at bottom, 500 mL, and 1 L levels. Outside diameter of hose barbs 3/8". |
HPLC/IC | Shimadzu | Prominence | |
Magnesium sulfate | Sigma Aldrich | M2643 | |
Masterflex L/S variable speed drive | Masterflex | 07553-50 | Drive for recycle and feed pumps (2 needed) |
Nickel chloride hexahydrate | Sigma Aldrich | N6136 | |
Potassium nitrate | Sigma Aldrich | P8291 | |
(Monobasic) Potassium phosphate | Sigma Aldrich | P5655 | |
Pump head | Masterflex | 07018-20 | Recycle pump head |
Pump head | Masterflex | 07013-20 | Feed pump head |
Pump tubing | Masterflex | 6404-18 | Recycle pump tubing |
Pump tubing | Masterflex | 6404-13 | Feed pump tubing |
Sodium bicarbonate | Sigma Aldrich | S5761 | |
Zinc sulfate heptahydrate | Sigma Aldrich | Z0251 |