Potentiella mekanismer för att förbättra den anaerob

Potentiella mekanismer för att förbättra den anaeroba nedbrytningen av komplext organiskt avfall med olika typer av konduktiva material. Genom applikation av konduktiva material som magnetit och granulerat aktivt kol kan en rötningsprocess förbättras. Genom försök i en tvåstegs rötningsprocess kunde mekanismerna för ökad nedbrytning av komplexa organiska föreningar liksom konverteringen av alkoholer och fettsyror till metan klargöras.

Av: Bengt Andersson

Anaerob nedbrytning av organiskt material till koldioxid och metan omfattar många olika biokemiska reaktioner, processer och mikroorganismer. En viktig process är IHT (interspecies hydrogen transfer), som är en synbios där anaeroba icke-metanogener bryter ner organiskt material till bl.a. väte, som konverteras av metanproducerande arkéer (metanogener) till metan. Ett alternativ till IHT är DIET (direct interspecies electron transfer), vilket kan accelerera processen.

DIET kan stimuleras med konduktiva material som t.ex. magnetit och granulerat aktivt kol (GAC) i rötningsprocessen. Mekanismerna för denna stimulans är dock oklara med olika funktion vid rötningsprocessens syrabildning resp. metanbildning. Vid syrabildningen är nedbrytning av komplexa organiska föreningar till enkla föreningar viktig medan omvandlingen av fermentativa mellanprodukter som alkoholer och fettsyror till metan är viktig vid metanbildningen liksom att hålla pH i balans.

Syftet med refererad studie var att jämföra potentiella mekanismer vid rötning med olika konduktiva material i en tvåstegs rötningsprocess för syrabildning resp. metanbildning, där stegen var separerade och relativt oberoende med avseende på omgivningsparametrar, mikrobiologi och metabolism. Konduktiva järnoxider som magnetit har uppvisat goda förutsättningar för nedbrytning av komplexa organiska föreningar och applicerades därför i syrasteget medan konduktiva kolmaterial som GAC kan förbättra den syntrofa metabolismen av alkoholer och VFA till metan och applicerades därför i metansteget. 

Genomförande

Försöken genomfördes i fyra parallella tvåstegssystem (A1/M1-A4/M4). Uppstart gjordes med ymp av rötslam från ett kommunalt reningsverk, med samtliga kammare utan konduktiva material och med ett syntetiskt mejeriavloppsvatten. Magnetit applicerades i två kammare för syrabildning (A3 och A4) och GAC i två kammare för metanbildning (M2 och M4). Icke-konduktiva glaskulor applicerades i övriga kammare. Efter applikation av konduktiva material drevs systemen inledningsvis med ursprunglig belastning 5,3 kg COD/m³/d, varefter belastningen ökades i fyra steg till 26,5 kg COD/m³/d.

Försöken följdes upp genom kemiska analyser samt bestämning av metanproduktion, syrabildningseffektivitet och COD-nedbrytning. Vidare bestämdes den mikrobiologiska sammansättningen i samtliga kammare i slutet av försöken genom modern teknik med DNA-extraktion, PCR-förstärkning och 16S rRNA pyrosekventiering.

Resultat

Efter uppstart fungerade samtliga system lika. Då magnetit applicerades i A3 och A4 och GAC i M2 och M4 konstaterades vid oförändrad belastning att linjen A2/M2 (glas/GAC) inte förbättrade vare sig metanproduktion eller nedbrytning av COD signifikant medan metanproduktionen i linjerna A3/M3 (magnetit/glas) och A4/M4 (magnetit/GAC) ökade med 16 resp. 20 % och nedbrytningen av COD med omkring 5 %.

Skillnaden mellan linjerna blev mer påtaglig vid ökad belastning. Med enbart GAC i metansteget (A2/M2) erhölls ingen signifikant effekt oavsett belastning. Vid applikation av magnetit i syrasteget (A3/M3) ökade metanproduktionen i syrasteget med upp till 50 % och COD-avskiljningen med upp till 20 % med störst effekt vid den högsta belastningen. Metanproduktion och avskiljning av COD förbättrades ytterligare vid applikation av magnetit och GAC (A4/M4) med en ökning upp till 80 % resp. 40 %. En jämförelse av A3/M3 och A4/M4 för att belysa effekten av GAC i metanbildningssteget vid fungerande syrabildning visade att metanproduktionen ökade med upp till 30 % och COD-avskiljningen med upp till 15 % vid den högsta belastningen.

Applikation av magnetit i syrasteget medförde en 9-faldig ökning av gasproduktionen i steget, en konstant hög syrabildningseffektivitet > 80 % oavsett belastning och en hög avskiljning av COD genom ökad nedbrytning av komplexa organiska föreningar. Nedbrytningen av komplexa föreningar kunde hänföras till en anrikning av järnreducerande bakterier av släktet Clostridium samtidigt som en kraftig anrikning av Methanobacterium ökade gasproduktionen och medförde att en syrabalans kunde upprätthållas trots frigöring av stora mängder väte.

Med GAC i metansteget (M4) accelererades processen genom en etablering av DIET. Geobacter detekterades i biofilmen på GAC samtidigt som Methanosaeta, som direkt kan acceptera elektroner från Geobacter via DIET för reduktion av koldioxid till metan, var den dominerande metanogenen. DIET etablerades även i M2 men ingen signifikant effekt uppnåddes beroende på den lägre syrabildningen och nedbrytningen av komplexa organiska föreningar i A2 utan magnetit.

Vid försökens avslut togs magnetit och GAC ut ur systemen, tvättades noggrant med avjoniserat vatten och torkades vid 100 ^oC för kvittblivning av påväxten. Materialen vägdes och jämfördes med ursprungsmängden. Förlusten av GAC understeg 4 % med oförändrad form och storlek. Viktminskningen av magnetit uppgick till cirka 17 %.

Slutsatser

Genomförd studie i en tvåstegs rötningsprocess för att klargöra mekanismerna för förbättring av processen genom applikation av konduktiva material visade

Källa: Z. Zhao, Y. Li, X. Quan, Y. Zhang. Towards engineering application: Potential mechanism for enhancing anaerobic digestion of complex organic waste with different types of conductive materials. Water Research 115 (2017), pp 266 – 277.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.