Genom termisk förbehandling kopplat till termofil anaerob rötning av överskottsslam förbättrades resultatet av rötningen. I studien undersöktes den mikrobiella sammansättningen av slammet vid termofil rötning och resultatet kunde korrelerades med processverkningsgrad och driftparametrar.
Av: Bengt Andersson
Hydrolyssteget är ofta begränsande vid anaerob rötning av komplexa organiska substrat som biologiskt överskottsslam. Olika typer av förbehandling för att disintegrera slammet har kommit till användning för att accelerera hydrolyssteget. Termisk förbehandling är en känd metod som bryter ner slammets gelstruktur och som därmed frigör bundet vatten och förbättrar slammets rötbarhet.
Termofil anaerob rötning har kommit till ökat utnyttjande på senare år av flera skäl som t.ex. en högre nedbrytning av organiskt material, en ökad biogasproduktion och en ökad hygienisering. För att fördjupa kunskaperna om processen behöver identitet och metabolisk potential för de mikroorganismer som driver processen belysas ytterligare eftersom fylogenetiska och metaboliska data saknas.
Syftet med genomförd studie var att undersöka strukturen och dynamiken av den mikrobiella sammansättningen vid termofil anaerob rötning av antingen obehandlat eller termiskt förbehandlat överskottsslam och att korrelera biologiska data med processverkningsgrad och driftparametrar.
Genomförande av studien
Försök med termofil rötning vid 55 oC utfördes i laboratorieskala med överskottsslam i två parallella reaktorer under 250 dygn. Slam togs från ett stort kommunalt avloppsreningsverk och den ena reaktorn, kontrollreaktorn, belastades med obehandlat slam och den andra, försöksreaktorn, belastades med ett termiskt förbehandlat slam (temperatur 132 oC, tryck 312 kPa och uppehållstid 20 minuter). Försöken indelades i tre faser med olika organisk belastning (1,8, 1 resp. 3,7 g VS/l*d).
Bestämningar och analyser gjordes av mängd biogas och metaninnehåll, TS och VS, pH, VFA, löst COD och kväve, ammoniumkväve och proteiner och kolhydrater. Slammets mikrobiologiska sammansättning och variation bestämdes dels genom DNA extraktion och PCR (Polymerase Chain Reaction) förstärkning av16S rRNA och kloning för bestämning av fylogeni och taxonomi dels genom FISH (Fluorescence In Situ Hybridization) för bestämning av mängden av varje mikrobiell komponent och populationsdynamik under hela försöket i båda reaktorerna.
Resultat
Nedbrytningen av VS i kontrollreaktorn uppgick till 42 % under de två första faserna resp. 38 % under den tredje fasen då belastningen ökades. I försöksreaktorn uppnåddes 7 % högre nedbrytning under de två första faserna. Halten löst COD i slammet till kontrollreaktorn var låg och löst COD anrikades i reaktorn under försöket utan någon reduktion. Den höga inkommande halten löst COD till försöksreaktorn genom förbehandlingen bidrog till en COD-reduktion av cirka 55 % och medförde att gasproduktionen blev högre (som mest 47 % högre än i kontrollreaktorn under den andra fasen). Metanhalten i producerad gas översteg 60 % i båda reaktorerna under hela försöket. En COD massbalans visade på mellan 97 och 100 % återvinning av COD i form av metangas och metanproduktionen ökade med ökad belastning.
Genom sekventiering av DNA konstaterades att närvaron av kända termofila mikroorganismer kunde uppdelas i fem olika taxonomiska bakteriegrupper. Det konstaterades att det fanns en liknande mikrobiell sammansättning i båda reaktorerna medan populationsdynamiken skilde sig väsentligt.
De flesta bakterieklonerna anslöt till Coprothermobacter proteolyticus, som är en anaerob termofil mikrob som fermenterar proteiner. I kontrollreaktorn var inledningsvis den relativa närvaron av Coprothermobacter i förhållande till övriga bakterier måttlig med en andel av cirka 30 % i mitten av fas 2. I försöksreaktorn var Coprothermobacter huvudkomponenten redan från och med slutet av den första fasen och under hela försöket med en andel av cirka 50 % av den totala biomassan.
Den högre relativa rikedomen av Coprothermobacter i försöksreaktorn kunde kopplas till höga halter av löst COD och kolloidalt COD och protein genom förbehandlingen av slammet och observationerna visade en korrelation mellan substrattillgänglighet och cellaktivitet av populationen. I kontrollreaktorn ökade Coprothermobacter först då halten löst COD ökat till mer än 200 mg/l.
Majoriteten av arkéiska kloner anslöt till Metanosarcina thermophila och Metanothermobacter thermautotrophicus, som är dominanta metanogener i många termofila processer. Methanothermobacter var den dominerande gruppen och avgörande för stabiliteten i reaktorerna genom deras bidrag till en minskning av partialtrycket för vätgas. Fram till mitten av fas 2 var det en jämförbar närvaro i de båda reaktorerna och därefter var närvaron signifikant högre i försöksreaktorn.
Coprothermobacter, som vätgasproducerande bakterie, kunde etablera en syntropi med metanogener som Methanothermobacter vid samtidig närvaro. Genom syntropin stimulerades tillväxt och nedbrytningshastighet för Coprothermobacter än mer och det var avgörande för en hög prestanda för processen. Syntropin förstärktes markant av den termiska förbehandlingen.
Slutsatser
Följande slutsatser kunde dras av studien.
- Temperaturdriven hydrolys och medföljande frigörelse av biotillgängligt substrat påverkade tydligt sammansättningen av den mikrobiella populationen – den samtidiga närvaron av Coprothermobacter och Methanothermobacter hade en avgörande effekt på omvandlingen av H2 till metan.
- Termisk förbehandling av slammet förbättrade resultatet av den anaeroba rötningen som avspeglades i olika mikrobiell populationsdynamik.
- Tillgänglighet av protein var en viktig nyckelfaktor för att anrika Coprothermobacter och stimulera syntropin med Methanothermobacter under en termofil rötningsprocess.
- Potentialen förknippad med en selektiv anrikning av Coprothermobacter i en blandad anaerob biomassa är värdefull för framtida utveckling av termofila anaeroba system för att undvika begränsningar i hydrolyssteget och optimera metanbildningen genom hydrogenotrofisk metanogenes.
Källa: M.C. Gagliano, C.M. Braguglia, A. Gianico, G. Mininni, K. Nakamura, S. Rosetti. Thermophilic anaerobic digestion of thermal pretreated sludge: Role of microbial community structure and correlation with process performances. Water Research 68 (2015) pp 498 – 509.
