The characteristics of $H_2$ production from livestock wastewater were investigated through an anaerobic acid forming process using Clostridium beijerinckii and the photosynthetic process using Rhodobacter sphaeroides. The submerged separation membrane was installed in the acid forming reactor, The photosynthetic process is composed of two reactors(photosynthetic reactor 1 and photosynthetic reactor 2) which is connected continually. The removal rate of COD and the production of volatile fatty acid(VFA) in the acid forming process were approximately 50% and 1000mg/L, respectively. The 70% of COD in the effluent of acid forming process was removed through the photosynthetic process. The production of $H_2$ in the photosynthetic reactor 1 and 2 was 50 and $25mLH_2/gVFA_{COD}$, respectively. The values of Y in acid forming reactor, photosynthetic reactor 1 and 2 was 0.2263, 0.0601 and 0.0393, respectively. The acetic acid and butyric acid produced in acid forming process were converted to $H_2$ by photosynthetic bacteria.
The physiological characteristics of cultures of very high cell mass (e.g. 10g cell mass/L), termed“ultrahigh cell density cultures”is reviewed. A close relationship was found between the length of the optical path (OP) in flat-plate reactors and the optimal cell density of the culture as well as its areal (g m$\^$-2/ day$\^$-1/) productivity. Cell-growth inhibition (GI) unfolds as culture density surpasses a certain threshold. If it is constantly relieved, a 1.0cm OP reactor could produce ca. 50% more than reactors with longer OP, e.g. 5 or 10cm. This unique effect, discovered by Hu et al. [3], is explained in terms of the relationships between the frequency of the light-dark cycle (L-D cycle), cells undergo in their travel between the light and dark volumes in the reactor, and the turnover time of the photosynthetic center (PC). In long OP reactors (5cm and above) the L-D cycle time may be orders of magnitude longer than the PC turnover time, resulting in a light regime in which the cells are exposed along the L-D cycle, to long, wasteful dark periods. In contrast, in reactors with an OP of ca. 1.0 cm, the L-D cycle frequency approaches the PC turnover time resulting in a significant reduction of the wasteful dark exposure time, thereby inducing a surge in photosynthetic efficiency. Presently, the major difficulty in mass cultivation of ultrahigh-density culture (UHDC) concerns cell growth inhibition in the culture, the exact nature of which is awaiting detailed investigation.
For wastewater treatment and utilization of the biomass, a photosynthetic bacterium was isolated based on its cell growth rate, cell mass, and assimilating ability of organic acids. The isolate was a Gram-negative rod-shaped bacterium that contained a single polar flagellum and formed a lamellar intracytoplasmic membrane (ICM) system, including bacteriochlorophyll $\alpha$. The major isoprenoid quinone component was identified as ubiquinone Q-10, and the fatty acid composition was characterized as to contain relatively large amount of C-16:0 (18.74%) and C-18:1 (59.23%). Based on its morphology, phototrophic properties, quinone component, and fatty acid composition, the isolate appeared to be closely related to the Rhodopseudomonas subgroup of purple nonsulfur bacteria. A phylogenetic analysis of the isolate using its 16S rRNA gene sequence data also supported the phenotypic findings, and classified the isolate closely related to Rhodopseudomonas palustris. Accordingly, the nomenclature of the isolate was proposed as Rhodopseudomonas palustris KUGB306. A bench-scale photosynthetic bacteria (PSB) reactor using the isolate was designed and operated for the treatment of soybean curd wastewater.
Kim, Han-Soo;Oh, Chun-Hyun;Kim, Hyuk-Il;Cho, Hong-Yon;Yang, Han-Chul
Applied Biological Chemistry
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v.37
no.4
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pp.303-309
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1994
To develop the treatment process of swine wastewater using Rhodopseudomonas palustris KK14 with high utilizable ability of organic acids, some operating conditions were investigated and optimized in flask-scale and laboratory-scale reactors. The optimal operating conditions in photosynthetic bacteria (PSB) reactor of semi-continuous type were obtained at HRT 6 day, 5% (v/v/day) seeding rate of PSB sludge and 10% (v/v/day) returning rate of PSB return sludge. Under the above operating condition, COD level of the wastewater (initial COD: 10 g/l) was reduced to about 1.7 g/l after 4 days treatment and MLSS was held constant at $4{\sim}5\;g$ per liter. In laboratory-scale process consisted of 5.2 l anaearobic digestion reactor and 15 l PSB reactor, the total removal rates of COD and BOD were increased to 95% and 96% by the continuous operation for 5.36 days, respectively, showing $3kg\;COD/m^3/day$ COD loading rate and 1.1 Kg COD/Kg MLSS/day sludge loading rate in PSB reactor. The offensive odor was considerably removed through the treatment process of swine wastewater.
Kim Yung-Ho;Kim Sung-Chul;Lee Kwang-Hyun;Joo Hyun-Jong
Journal of environmental and Sanitary engineering
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v.20
no.2
s.56
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pp.12-20
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2005
Most of sewage treatment plants in Korea is operated for the removal of organic material. Because of low C/N ratio of domestic wastewater it is very difficult to remove nitrogen and phosphorus from wastewater. Therefore C/N ratio is key factor for the removed of nitrogen and phosphorus. PSB(photosynthetic bacteria) can remove the nutrient materials, so this study is focused on PSB characterization of nutrient removal. PSB is possible to remove nitrogen, phosphorus in anaerobic and aerobic condition. This study try to find out condition of the PSB in SBR reactor, Batch reactor. It consists of three Mode. Mode 1, 2 is to apply activated sludge process and Mode 3 is that seeded PSB in the activated sludge process. As a result of SBR process, Mode 1, 2 which was activated sludge Process showed $79\~90\%,\;66\~90\%$ of SCODcr, $94.67\~95.89\%,\;95.76\~98.56\%$ of TKN, and Mode 3 has $84\~92\%$ of SCODcr, $95.39\~99.52\%$ of TKN removal efficiency, respectively. When comparison with Mode 1, 2 and 3, most of nitrogen and phosphorus is removed at the anaerobic condition in Mode 3. but Mode 1, 2 has just revealed activated sludge process characterization. It would because of characterization of PSB.
Lab-scale and pilot-scale productions of photosynthetic bacteria, that were able to efficiently treat wastewater from aquacultural farm, were experimented for their highly-pure culture. The results of experiments in a gas pack reactor, an anaerobic flask and a flask using $N_2$ gas as N-source showed that only photosynthetic bacteria formed red colonies on agar plate and their purity was over 90% in a colony, observed under a microscope. It was found that the basal medium could most promote the growth of photosynthetic bacteria, confirmed by experiments of serial cultures on various media. Under the culture conditions, the specific growth rate was found to be $0.18h^{-1}$ from the culture in 5L bioreactor and the same value could be obtained in pilot-scale production.
Kim, Han-Soo;Lee, Tae-Kyung;Kim, Hyuk-Il;Cho, Hong-Yon;Yang, Han-Chul
Applied Biological Chemistry
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v.37
no.4
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pp.295-302
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1994
For the development of biological wastewater treatment process using photosynthetic bacteria (PSB), photosynthetic sludge process consisted of anaerobic digestion and PSB reactor were designed for the treatment of swine wastewater and the optimal operating conditions in flask-scale were examined. Photosynthetic bacteria from soil, pond, rice field, ditch etc. were isolated in synthetic medium containing high amount of organic acids and finally isolated one strain KK14 which showed the most degradating ability of organic acids was selected for the treatment of swine wastewater. It was identified as Rhodopseudomonas palustris. In the anaerobic digestion stage, the maximum organic acid productivity was obtained at pH 5.0, $37^{\circ}C$, HRT 2 day and under anaerobic standing condition. The optimal operating conditions of PSB reactor for the treatment of swine wastewater were pH 7.0, $30^{\circ}C$ under 4,000 lux illumination, and optimal initial COD loading (kg COD/kg D. C. W of PSB) was 2 (20% v/v seeding) in the main purification stage. Maximum removal rate of COD reached 92% under the above optimal conditions for 5 days.
In this study, it was observed that hydrogen Productivity varied with stirrer speed, bead radius, input glucose concentration and dilution rate in a continuous stirred tank reactor in which immobilized R. rubrum KS-301 was used as a hydrogen-producing bacterium The mass transfer resistance due to cell immobilization was also studied. In order to estimate an effectiveness factor, Des of glucose was first obtained, which was subsequently represented by the correlation equation between Dos and Xb, As a result external mass transfer resistance could be neglected for stirrer speeds greater than 400rpn With bead radius increasing, the hydrogen productivity and internal effectiveness factor decreased. With input 91ucose concentration increasing, the hydrogen productivity and interval and external effectiveness factor increased. Although an Internal effectiveness factor was not affected, hydrogen productivity Increased with dilution rate increasing. An overall effectiveness factor remained nearly constant for the dilution rates investigate4 but increased with input 91ucose concentration increasing.
A reactor-scale hydrogen (H2) production via the water-gas shift reaction of carbon monoxide (CO) and water was studied using the purple nonsulfur bacterium, Rhodopseudomonas palustris P4. The experiment was conducted in a two-step process: an aerobic/chemoheterotrophic cell growth step and a subsequent anaerobic $H_2$ production step. Important parameters investigated included the agitation speed. inlet CO concentration and gas retention time. P4 showed a stable $H_2$ production capability with a maximum activity of 41 mmol $H_2$ g $cell^{-1}h^{-1}$ during the continuous reactor operation of 400 h. The maximal volumetric H2 production rate was estimated to be 41 mmol $H_2 L^{-1}h^{-1}$, which was about nine-fold and fifteen-fold higher than the rates reported for the photosynthetic bacteria Rhodospirillum rubrum and Rubrivivax gelatinosus, respectively. This is mainly attributed to the ability of P4 to grow to a high cell density with a high specific $H_2$ production activity. This study indicates that P4 has an outstanding potential for a continuous H2 production via the water-gas shift reaction once a proper bioreactor system that provides a high rate of gas-liquid mass transfer is developed.
In this study, it was observed that hydrogen productivity varied with changes of input g1ucose concentration and dilution rate in FBR( Fixed Bed Reactor), and CSTR(Continuous Stirred Tank Reactor). We evaluated and compared reaction rate Parameters and internal external and overall mass transfer resistances of immobilized carrier in both reactors. Apparent $K_m$ decreased with increasing dilution rate in FBR but showed a constant value above $0.4h^{-1}$ of dilution rate in CSTR. The experimental results in FBR showed nearly analogous to those in CSTR, however, the performance of FBR resulted in lower hydrogen productivity and an external effectiveness factor but a higher internal effectiveness factor than in CSTR. The overall effectiveness factor obtained with various input 91ucose concentrations showed similar values in both reactors.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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