1. IntroductionInterest in the deve

1. Introduction
Interest in the development and utilization of non-petroleum based renewable sources of energy has been fostered by concerns on energy security and greenhouse gases emissions [1]. Among renewable energy resources, bioenergy is one of the fastest growing energy alternatives, with tremendous potential in many regions of the world [2], [3], [4] and [5]. For example, the European strategy for renewable energy sources identifies bioenergy as the most important renewable energy source for the future. The development of bioenergy is an important measure to improve energy structure, safeguard energy security, protect the environment, and promote a sustainable development [2]. In this context, the anaerobic treatment of dairy industry wastewater containing high concentrations of complex organic matter is highly attractive because of high methane yields and potential for energy production. Besides its complex chemical nature, dairy wastewater is characterized by a wide variation in flow, organic matter composition and concentration, due to the cyclic nature of production and cleaning processes. In general, wastewater treatment plants include a flow equalization tank which reduces the flow and load fluctuations. Nevertheless, in real scale dairy plants, variations in flow, organic load and fat concentrations can reach an order of 100% compared to the average values [6]. These fluctuations are important since the major drawbacks of anaerobic technology are unstable operation, poor resistance to high load variations, and transient operational conditions [7] and [8]. In dairy wastewater, the most problematic constituents for anaerobic treatment are fats and LCFA (Long Chain Fatty Acids) that result from fat hydrolysis [9], [10] and [11]. Several investigations have been published in recent years concerning the anaerobic degradation of fats and LCFA and their effects on the overall process performance [12] and [13]. Fats are degraded via metabolic pathways distinct from those of proteins and hydrocarbons. In a first step, neutral fats are hydrolyzed (lipolysed) into free LCFA and glycerol, a process catalyzed by extracellular lipases. The free LCFA are converted to acetate and H2 by syntrophic acetogenic bacteria through the β-oxidation process. Microorganisms of the Syntrophomonadaceae group have been found to play an important role in this step of LCFA anaerobic degradation [14], [15] and [16], and are therefore considered as a key microbial group for the anaerobic degradation of fat-containing wastewaters (viz dairy wastewater) and subsequent biogas production. Since lipids and LCFA have high methane potential, the Syntrophomonadaceae group is also a key microbial group for the maximization of biogas production. The last step of the anaerobic process is the production of methane by methanogens (Archaea microorganisms). The β-oxidation step has been reported as the limiting step in the anaerobic degradation of fats [11]. LCFA exert an inhibitory effect on the β-oxidation process, which was initially considered as permanent [9], but was later demonstrated to be reversible after a lag phase [17]. Recent studies emphasize the importance of a well-balanced microbial community for the stability and good performance of anaerobic reactors [8], [18], [19] and [20], and for optimized biogas production. However, transient operational conditions are known to alter this necessary equilibrium [21]. It has been reported that anaerobic populations suffered shifts caused by overloading [8] and [22] or by temperature changes [23].
Dairy wastewaters and other effluents, such as food processing effluents, are subject to sharp fluctuations in composition which may affect anaerobic systems performance. Significant decreases in the overall efficiency were observed by Schmidt and Ahring [24] when UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) reactors feed composition was changed. Variations in the carbon source present in the wastewater were reported to cause gradual changes in the physical structures, bacterial distribution and settling characteristics of the sludge in UASB reactors [25]. Research by Fukuzaki et al. [26] also demonstrated that variations of the carbon source present in the wastewater caused changes on the physical structure, chemical contents (extracellular polymeric substrates) and bacterial distribution. Specifically in what concerns sudden overloading of fatty substrates, serious drops of methanogenic activity and biogas production have been reported as a result of inhibition, accompanied by deterioration of sludge quality [27]. Flotation frequently results, due to the adsorption of LCFA at the sludge surface [27] and [28]. Another effect is the disintegration of sludge aggregates, which can occur when lipids are present, due to the surfactant effect of LCFA. The hydrophobic acetogens that can degrade LCFA are severely affected by this surfactant disaggregating effect [29].
The response of anaerobic reactors to hydraulic shocks has been reported in the literature as resulting in the drop of removal efficiency [27], disaggregation and washout of filamentous organisms [29] and [30], and VFA (volatile fatty acids) accumulation and inhibition of methanogenic bacteria with consequent drop in biogas yield [31]. In this type of operational shock, an improvement effect has also been observed in the COD (chemical oxygen demand) concentration of the treated effluent, attributed to changes in the structure of microbial populations inside the reactor [32], or to changes in the Monod half saturation constant [7]. Some authors suggest that the substrates diffusion rate increase with higher substrate concentration (Fick's law) and decrease with a higher flow velocity [33], whilst other authors [34] found that the external mass transfer resistance can be decreased by increasing the flow velocity. Brito and Melo [35] reported that under conditions of turbulent liquid flow, and thus higher shear stress, the flow velocity had a pronounced effect on the biofilm thickness and compactness, leading to different mass transfer coefficients. If the bulk liquid suffers a shift in velocity, there is an increase in internal mass transfer coefficient. In what concerns biomass washout caused by hydraulic overload it was reported [36] that the microorganisms responsible for the degradation of LCFA were the most susceptible to washout at low HRT (hydraulic retention time).
Operational temperature is a major factor on the performance of anaerobic reactors [37] and [38]. Thermophilic operation has been pointed out as presenting some advantages over mesophilic operation, namely in terms of substrate degradation rates and biogas production [23] and [39]. However, mesophilic reactors present a higher operational stability [38] and [40]. Significant methanogenic biomass washout was reported by Khemkhao et al. [23] due to mesophilic to thermophilic transition of the operational temperature of a UASB reactor treating palm oil mill effluent. Other effects resulting from the rise of operational temperature include increased biogas production and lower methane content of the biogas. When the process is exposed to a sudden alteration of temperature, the process conditions may be unbalanced because of different responses of the various metabolic groups [41]. Van Lier et al. [42] found that exposure of a UASB reactor to temperatures above 45 °C resulted in serious drop in the activity of mesophilic granular sludge due to high bacterial decay. Immediately after the temperature shock, a raise in biogas production was observed, followed by a sharp decrease. The microorganisms that oxidize propionate are the most susceptible to temperature raise, and it was also reported that methanogens are more susceptible to temperature shocks than acidogens. It is also known that temperature variations can affect the sludge retention capacity, since temperature affects viscosity, and consequently, the hydraulic shear forces exerted on the sludge particles [43].
UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) reactors are the most widely used anaerobic technology for the treatment of industrial wastewater [44] and [45]. The performance of these systems may be largely enhanced by a new form of operation named intermittent operation, in which feed and feedless periods are combined to raise biogas production [46]. The beneficial effect of intermittent operation is ascribed to a forced adaptation of the anaerobic biomass to substrates resistant to degradation (fats and LCFA) which occurs during the feedless periods [47]. Studies on the microbial populations striving in continuous and intermittent UASB reactors treating dairy wastewater have shown a significant raise in Syntrophomonadaceae relative abundance in intermittent reactors as compared to continuous reactors [47]. To date, no studies have been published comparing the performance of continuous and intermittent UASB reactors submitted to operational shocks and their effects on the Syntrophomonadaceae key microbial group.

ผลลัพธ์ (ไทย) 1:

1. บทนำInterest in the development and utilization of non-petroleum based renewable sources of energy has been fostered by concerns on energy security and greenhouse gases emissions [1]. Among renewable energy resources, bioenergy is one of the fastest growing energy alternatives, with tremendous potential in many regions of the world [2], [3], [4] and [5]. For example, the European strategy for renewable energy sources identifies bioenergy as the most important renewable energy source for the future. The development of bioenergy is an important measure to improve energy structure, safeguard energy security, protect the environment, and promote a sustainable development [2]. In this context, the anaerobic treatment of dairy industry wastewater containing high concentrations of complex organic matter is highly attractive because of high methane yields and potential for energy production. Besides its complex chemical nature, dairy wastewater is characterized by a wide variation in flow, organic matter composition and concentration, due to the cyclic nature of production and cleaning processes. In general, wastewater treatment plants include a flow equalization tank which reduces the flow and load fluctuations. Nevertheless, in real scale dairy plants, variations in flow, organic load and fat concentrations can reach an order of 100% compared to the average values [6]. These fluctuations are important since the major drawbacks of anaerobic technology are unstable operation, poor resistance to high load variations, and transient operational conditions [7] and [8]. In dairy wastewater, the most problematic constituents for anaerobic treatment are fats and LCFA (Long Chain Fatty Acids) that result from fat hydrolysis [9], [10] and [11]. Several investigations have been published in recent years concerning the anaerobic degradation of fats and LCFA and their effects on the overall process performance [12] and [13]. Fats are degraded via metabolic pathways distinct from those of proteins and hydrocarbons. In a first step, neutral fats are hydrolyzed (lipolysed) into free LCFA and glycerol, a process catalyzed by extracellular lipases. The free LCFA are converted to acetate and H2 by syntrophic acetogenic bacteria through the β-oxidation process. Microorganisms of the Syntrophomonadaceae group have been found to play an important role in this step of LCFA anaerobic degradation [14], [15] and [16], and are therefore considered as a key microbial group for the anaerobic degradation of fat-containing wastewaters (viz dairy wastewater) and subsequent biogas production. Since lipids and LCFA have high methane potential, the Syntrophomonadaceae group is also a key microbial group for the maximization of biogas production. The last step of the anaerobic process is the production of methane by methanogens (Archaea microorganisms). The β-oxidation step has been reported as the limiting step in the anaerobic degradation of fats [11]. LCFA exert an inhibitory effect on the β-oxidation process, which was initially considered as permanent [9], but was later demonstrated to be reversible after a lag phase [17]. Recent studies emphasize the importance of a well-balanced microbial community for the stability and good performance of anaerobic reactors [8], [18], [19] and [20], and for optimized biogas production. However, transient operational conditions are known to alter this necessary equilibrium [21]. It has been reported that anaerobic populations suffered shifts caused by overloading [8] and [22] or by temperature changes [23].นม wastewaters และ effluents อื่น ๆ เช่น effluents แปรรูปอาหารจะขึ้นอยู่กับความผันผวนของความคมชัดในองค์ประกอบที่มีผลต่อประสิทธิภาพของระบบไม่ใช้ออกซิเจน ลดลงอย่างมีนัยสำคัญในประสิทธิภาพโดยรวมถูกสังเกต โดย Schmidt และ Ahring [24] เมื่อเตาปฏิกรณ์ UASB (บำบัดไร้อากาศแบบตะกอนครอบ) อาหารส่วนประกอบถูกเปลี่ยนแปลง มีรายงานในแหล่งคาร์บอนที่อยู่ในน้ำเสียทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงสมดุลในการทางกายภาพโครงสร้าง แบคทีเรียกระจายและลักษณะของตะกอนตกตะกอนในเตาปฏิกรณ์ UASB [25] วิจัยโดย Fukuzaki et al. [26] นอกจากนี้ยังแสดงว่า รูปแบบของแหล่งคาร์บอนที่อยู่ในน้ำเสียที่เกิดการเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างทางกายภาพ เคมีเนื้อหา (extracellular พื้นผิวชนิด) และกระจายเชื้อแบคทีเรีย โดยเฉพาะในความกังวลอะไรมากเกินไปอย่างฉับพลันของพื้นผิวไขมัน รุนแรงหยดของ methanogenic กิจกรรมและผลิตก๊าซชีวภาพได้ถูกรายงานจากยับยั้ง การเพิ่มเติมของตะกอนคุณภาพ [27] Flotation บ่อยผล เนื่องจากการดูดซับของ LCFA ที่พื้นผิวของตะกอน [27] [28] ลักษณะพิเศษอีกคือ บูรณภาพของตะกอนเพิ่ม ซึ่งสามารถเกิดขึ้นเมื่อโครงการอยู่ จากผล surfactant LCFA Acetogens hydrophobic ที่สามารถย่อยสลาย LCFA จะมีผลกระทบอย่างรุนแรง โดยผลกระทบนี้ surfactant disaggregating [29]การตอบสนองของเตาปฏิกรณ์ไร้อากาศแบบไฮดรอลิกแรงกระแทกได้รายงานในวรรณคดีเมื่อผลหล่นเอาประสิทธิภาพ [27], disaggregation และไปกวาดออกของสิ่งมีชีวิต filamentous [29] [30], และสะสม VFA (กรดไขมันระเหย) และยับยั้งแบคทีเรีย methanogenic กับทอดทิ้งในผลผลิตก๊าซชีวภาพ [31] แบบของช็อคดำเนินงาน ผลการปรับปรุงได้ยังได้พบในความเข้มข้น COD (ต้องการออกซิเจนทางเคมี) ของน้ำทิ้งที่บำบัด บันทึก การเปลี่ยนแปลงในโครงสร้างของประชากรจุลินทรีย์ภายในเครื่องปฏิกรณ์ [32], หรือ การเปลี่ยนแปลงในการคงความเข้มครึ่ง Monod [7] ผู้เขียนบางแนะนำว่า อัตราการแพร่ของพื้นผิวเพิ่ม ด้วยสมาธิขั้นสูงขึ้น (กฎหมายของ Fick) และลดขณะคน [34] พบว่า ต้านทานการถ่ายโอนมวลภายนอกสามารถลดลงได้ โดยการเพิ่มความเร็วการไหลกับความเร็วกระแสสูง [33], Brito และ Melo [35] ได้รายงานว่า ภายใต้เงื่อนไขของเหลวไหลเชี่ยว และความเครียดเฉือนจึงสูง ความเร็วของกระแสมีผลการออกเสียงความหนา biofilm และ compactness นำสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนมวลแตกต่างกัน ถ้าของเหลวจำนวนมาก suffers กะในความเร็ว มีการเพิ่มสัมประสิทธิ์การถ่ายโอนมวลภายใน ในข้อสงสัยอะไรไปกวาดออกชีวมวลที่เกิดจากการโอเวอร์โหลดไฮดรอลิกก็รายงาน [36] ที่จุลินทรีย์ย่อยสลายของ LCFA ชอบถูกสุดที่ไวต่อการไปกวาดออกที่ต่ำ HRT (ไฮดรอลิกรักษาเวลา)Operational temperature is a major factor on the performance of anaerobic reactors [37] and [38]. Thermophilic operation has been pointed out as presenting some advantages over mesophilic operation, namely in terms of substrate degradation rates and biogas production [23] and [39]. However, mesophilic reactors present a higher operational stability [38] and [40]. Significant methanogenic biomass washout was reported by Khemkhao et al. [23] due to mesophilic to thermophilic transition of the operational temperature of a UASB reactor treating palm oil mill effluent. Other effects resulting from the rise of operational temperature include increased biogas production and lower methane content of the biogas. When the process is exposed to a sudden alteration of temperature, the process conditions may be unbalanced because of different responses of the various metabolic groups [41]. Van Lier et al. [42] found that exposure of a UASB reactor to temperatures above 45 °C resulted in serious drop in the activity of mesophilic granular sludge due to high bacterial decay. Immediately after the temperature shock, a raise in biogas production was observed, followed by a sharp decrease. The microorganisms that oxidize propionate are the most susceptible to temperature raise, and it was also reported that methanogens are more susceptible to temperature shocks than acidogens. It is also known that temperature variations can affect the sludge retention capacity, since temperature affects viscosity, and consequently, the hydraulic shear forces exerted on the sludge particles [43].UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) reactors are the most widely used anaerobic technology for the treatment of industrial wastewater [44] and [45]. The performance of these systems may be largely enhanced by a new form of operation named intermittent operation, in which feed and feedless periods are combined to raise biogas production [46]. The beneficial effect of intermittent operation is ascribed to a forced adaptation of the anaerobic biomass to substrates resistant to degradation (fats and LCFA) which occurs during the feedless periods [47]. Studies on the microbial populations striving in continuous and intermittent UASB reactors treating dairy wastewater have shown a significant raise in Syntrophomonadaceae relative abundance in intermittent reactors as compared to continuous reactors [47]. To date, no studies have been published comparing the performance of continuous and intermittent UASB reactors submitted to operational shocks and their effects on the Syntrophomonadaceae key microbial group.

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

1 . บทนำ
ความสนใจในการพัฒนาและการใช้ประโยชน์จากองค์กรปิโตรเลียมแหล่งพลังงานทดแทนที่ได้รับการสนับสนุนโดยความกังวลเกี่ยวกับความมั่นคงด้านพลังงานและก๊าซเรือนกระจก [ 1 ] ของแหล่งพลังงานทดแทน พลังงาน เป็นหนึ่งในที่เติบโตเร็วที่สุดของทางเลือกพลังงานที่มีศักยภาพมหาศาลในหลายภูมิภาคของโลก [ 2 ] , [ 3 ] , [ 4 ] และ [ 5 ] ตัวอย่างเช่นกลยุทธ์ของยุโรปเพื่อแหล่งพลังงานที่ระบุเป็นพลังงานที่สำคัญที่สุดแหล่งพลังงานทดแทนสำหรับอนาคต การพัฒนาพลังงานเป็นมาตรการสำคัญเพื่อปรับปรุงโครงสร้างพลังงาน ปกป้องความมั่นคงพลังงาน , การปกป้องสิ่งแวดล้อม และส่งเสริมการพัฒนาที่ยั่งยืน [ 2 ] ในบริบทนี้ในระบบบำบัดน้ำเสียจากอุตสาหกรรมนมที่มีความเข้มข้นสูงของสารอินทรีย์ที่ซับซ้อนน่าสนใจอย่างมาก เพราะผลผลิตก๊าซมีเทนสูงและศักยภาพในการผลิตพลังงาน นอกจากธรรมชาติทางเคมีที่ซับซ้อนของโคนม น้ำเสีย เป็นลักษณะรูปแบบกว้างในการไหล องค์ประกอบของอินทรีย์วัตถุ และสมาธิเนื่องจากลักษณะวงจรการผลิตและทำความสะอาดระบบ โดยทั่วไประบบบำบัดน้ำเสียรวมของถังปรับซึ่งจะช่วยลดการไหลและความผันผวนของโหลด อย่างไรก็ตาม ในขนาดจริงนมพืช , การเปลี่ยนแปลงในการโหลดและความเข้มข้นของไขมันอินทรีย์สามารถเข้าถึงคำสั่งของ 100 % เมื่อเทียบกับค่าเฉลี่ยของค่า [ 6 ]ของเหล่านี้เป็นสิ่งสำคัญเนื่องจากข้อด้อยที่สำคัญของเทคโนโลยีระบบไม่เสถียรเนิน จนต้านทานการเปลี่ยนแปลงภาระสูงและแบบปฏิบัติการเงื่อนไข [ 7 ] และ [ 8 ] ในผลิตภัณฑ์นมน้ำเสีย , ส่วนประกอบที่มีปัญหามากที่สุด สำหรับใช้รักษามีไขมันและสาย ( กรดไขมันโซ่ยาว ) ที่เกิดจากการย่อยสลายไขมัน [ 9 ] , [ 10 ] และ [ 11 ]การตรวจสอบหลายได้รับการตีพิมพ์ในปีล่าสุดเกี่ยวกับการย่อยสลายไขมันและไร้สายและผลกระทบต่อประสิทธิภาพโดยรวมของกระบวนการ [ 12 ] และ [ 13 ] ไขมันจะถูกย่อยสลายผ่านการเผาผลาญเซลล์แตกต่างจากพวกโปรตีน และสารประกอบไฮโดรคาร์บอน . ในขั้นตอนแรกไขมันเป็นกลางไฮโดรไลซ์ ( lipolysed ) เป็นสายฟรีและกลีเซอรอลกระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยเทคนิคและ . ที่สายฟรีแปลงเป็นอะซิเตตและ H2 โดยแบคทีเรีย acetogenic syntrophic ผ่านกระบวนการบีตา - ออกซิเดชัน จุลินทรีย์ในกลุ่ม syntrophomonadaceae ได้รับพบว่ามีบทบาทสำคัญในขั้นตอนของการย่อยสลายแบบไร้สาย [ 14 ] , [ 15 ] [ 16 ]กระบวนการเร่งปฏิกิริยาด้วยเทคนิคและ . ที่สายฟรีแปลงเป็นอะซิเตตและ H2 โดยแบคทีเรีย acetogenic syntrophic ผ่านกระบวนการบีตา - ออกซิเดชัน จุลินทรีย์ในกลุ่ม syntrophomonadaceae ได้รับพบว่ามีบทบาทสำคัญในขั้นตอนของการย่อยสลายแบบไร้สาย [ 14 ] , [ 15 ] [ 16 ]