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Modelling the long-term dynamics and inhibitory effects of crude glycerol impurities in a methanogenic and sulfidogenic UASB bioreactor
Water Research ( IF 11.4 ) Pub Date : 2025-01-16 , DOI: 10.1016/j.watres.2025.123158
Eric Valdés, David Gabriel, Daniel González, Giulio Munz
Water Research ( IF 11.4 ) Pub Date : 2025-01-16 , DOI: 10.1016/j.watres.2025.123158
Eric Valdés, David Gabriel, Daniel González, Giulio Munz
The performance of Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) bioreactors treating sulfate (SO4 2- ) -rich effluents depends on multiple factors, including microbial interactions and operational conditions. The high complexity of these systems necessitates the use of mathematical modelling tools to better understand the process and predict the long-term impacts of various operational variables. In this work, a mathematical model describing the long-term operation of a sulfate-fed 2.5 L UASB reactor was developed, calibrated and validated. Crude glycerol was used as electron donor to achieve sulfate reduction. The hydraulic model of the UASB was described as a set of CSTRs in series to represent its plug flow-like behavior. The kinetic model included 8 fermentation processes using glycerol as the primary electron source, 5 sulfate-reduction processes using organic and inorganic electron sources, and 2 methanogenic processes. The model tackled the long-term accumulation of the impurities coming from the crude glycerol solution, namely slime -like-substances (SLS), and their inhibitory effects over the three different trophic groups: fermenters, sulfate-reducers and methanogens. A sensitivity analysis and calibration of the most relevant parameters was performed using the experimental data from 280 days of continuous operation of a lab-scale UASB. Volatile suspended solids (VSS), carbon (C) and sulfur (S) species profiles as well as microbial dynamics from initial methanogenic conditions to non-methanogenic conditions due to SLS impact were properly predicted by the model under steady-state feeding conditions. Furthermore, the model was validated using another independent set of data under dynamic-feeding conditions, containing 6 different phases with varying HRT, inlet sulfate and organic carbon concentrations. After successfully validating the model, a scenario analysis was conducted to evaluate two case studies, with different inlet sources: crude glycerol with varying SLS concentrations and pure glycerine (SLS-free). The results of the simulations suggest that heterotrophic SR have greater long-term resistance to the inhibitory effects of SLS, compared to methanogens. Methane production increased with higher C and S loading rates, and the balance between sulfate reduction efficiency and COD removal was optimal at a C/S ratio of 1.6 g C g S-1 .
中文翻译:
模拟产甲烷和产硫 UASB 生物反应器中粗甘油杂质的长期动力学和抑制作用
上流式厌氧污泥床 (UASB) 生物反应器处理富含硫酸盐 (SO42-) 的废水的性能取决于多种因素,包括微生物相互作用和操作条件。这些系统的高度复杂性需要使用数学建模工具来更好地了解过程并预测各种运营变量的长期影响。在这项工作中,开发了一个描述硫酸盐进料 2.5 L UASB 反应器长期运行的数学模型,并进行了校准和验证。以粗甘油为电子供体,实现硫酸盐还原。UASB 的水力模型被描述为一组串联的 CSTR,以表示其类似活塞流的行为。动力学模型包括使用甘油作为主要电子源的 8 个发酵过程,使用有机和无机电子源的 5 个硫酸盐还原过程,以及 2 个产甲烷过程。该模型解决了来自粗甘油溶液的杂质(即粘液样物质 (SLS))的长期积累,以及它们对三个不同营养组(发酵罐、硫酸盐还原剂和产甲烷菌)的抑制作用。使用实验室规模 UASB 连续运行 280 天的实验数据对最相关的参数进行灵敏度分析和校准。在稳态喂养条件下,该模型正确预测了挥发性悬浮固体 (VSS)、碳 (C) 和硫 (S) 物种概况以及由于 SLS 影响而导致的从初始产甲烷条件到非产甲烷条件的微生物动力学。 此外,在动态饲喂条件下使用另一组独立的数据对该模型进行了验证,其中包含 6 个具有不同 HRT、入口硫酸盐和有机碳浓度的不同相。在成功验证模型后,进行了情景分析以评估具有不同入口来源的两个案例研究:具有不同 SLS 浓度的粗甘油和纯甘油(不含 SLS)。模拟结果表明,与产甲烷菌相比,异养 SR 对 SLS 的抑制作用具有更大的长期耐药性。甲烷产量随着 C 和 S 负载速率的增加而增加,硫酸盐还原效率和 COD 去除之间的平衡在 C/S 比值为 1.6 g C g S-1 时最优。
更新日期:2025-01-16
中文翻译:
模拟产甲烷和产硫 UASB 生物反应器中粗甘油杂质的长期动力学和抑制作用
上流式厌氧污泥床 (UASB) 生物反应器处理富含硫酸盐 (SO42-) 的废水的性能取决于多种因素,包括微生物相互作用和操作条件。这些系统的高度复杂性需要使用数学建模工具来更好地了解过程并预测各种运营变量的长期影响。在这项工作中,开发了一个描述硫酸盐进料 2.5 L UASB 反应器长期运行的数学模型,并进行了校准和验证。以粗甘油为电子供体,实现硫酸盐还原。UASB 的水力模型被描述为一组串联的 CSTR,以表示其类似活塞流的行为。动力学模型包括使用甘油作为主要电子源的 8 个发酵过程,使用有机和无机电子源的 5 个硫酸盐还原过程,以及 2 个产甲烷过程。该模型解决了来自粗甘油溶液的杂质(即粘液样物质 (SLS))的长期积累,以及它们对三个不同营养组(发酵罐、硫酸盐还原剂和产甲烷菌)的抑制作用。使用实验室规模 UASB 连续运行 280 天的实验数据对最相关的参数进行灵敏度分析和校准。在稳态喂养条件下,该模型正确预测了挥发性悬浮固体 (VSS)、碳 (C) 和硫 (S) 物种概况以及由于 SLS 影响而导致的从初始产甲烷条件到非产甲烷条件的微生物动力学。 此外,在动态饲喂条件下使用另一组独立的数据对该模型进行了验证,其中包含 6 个具有不同 HRT、入口硫酸盐和有机碳浓度的不同相。在成功验证模型后,进行了情景分析以评估具有不同入口来源的两个案例研究:具有不同 SLS 浓度的粗甘油和纯甘油(不含 SLS)。模拟结果表明,与产甲烷菌相比,异养 SR 对 SLS 的抑制作用具有更大的长期耐药性。甲烷产量随着 C 和 S 负载速率的增加而增加,硫酸盐还原效率和 COD 去除之间的平衡在 C/S 比值为 1.6 g C g S-1 时最优。