En övergång från mesofil till termofil rötning kan ske antingen genom en stegvis anpassning av temperaturökningen eller genom en direkt ökning av temperaturen i ett steg ske. I undersökningen gjordes temperaturökningen i ett steg och övergången dokumenterades dels genom driftdata som gasproduktion, pH och VFA i det rötade slammet dels genom artbestämning av arkéer och bakterier före och efter temperaturförändringen genom modern mikrobiologisk teknik.
Av: Bengt Andersson
Rötning vid kommunala avloppsreningsverk har tidigare vanligtvis skett vid mesofila förhållanden vid en temperatur mellan 30 och 40 oC. Intresset för termofil rötning vid temperaturer mellan 45 och 60 oC har ökat kraftigt beroende på att en högre nedbrytning med högre gasproduktion kan uppnås samt på en ökad nedbrytning av patogener och organiska toxiska föreningar.
En övergång från mesofil till termofil rötning innebär att den mikrobiologiska miljön och artsammansättning måste förändras. Rötningens fyra huvudsteg – hydrolys, syrabildning, ättiksyrabildning och metanbildning – måste vara i balans och metanbildningen är det känsligaste steget vid temperaturändringar. En abrupt höjning av temperaturen har ansetts vara riskabel som kan störa rötningsprocessen. Därför har övergången oftast genomförts i form av en stegvis ökning av temperaturen, vilket har inneburit tider på flera månader för övergången.
Nyckeln till en lyckad övergång till termofil rötning är etableringen av en termofil metabol miljö för metanbildarna. Termofila metanbildare förekommer även i mesofilt slam även om halterna är låga. Därför kan en övergång i ett steg från en lägre till en högre temperatur medföra fördelar eftersom optimala förhållanden då skapas direkt för en snabbare tillväxt av termofilerna.
Syftet med refererad studie var att undersöka anpassningsprocessen för bakterier och arkéer under övergången från mesofil till termofil rötning i ett steg.
Genomförande av undersökningen
Studien genomfördes i laboratorieskala, där en totalomblandad reaktor med en arbetsvolym av 6 l ympades med mesofilt rötslam från rötkamrarna i Gaobedian WWTP i Bejing. Reaktorn beskickades dagligen med en blandning av primärslam och överskottsslam så att slamuppehållstiden (SRT) uppgick till 20 dygn.
Mesofil rötning vid 35 oC skedde innan försöket under mer än 100 dygn för att uppnå stationära förhållanden. Vid försöket ökades temperaturen i ett steg till 55 oC och försöket pågick i 80 dygn. Under de första 20 dygnen efter temperaturökningen doserades bikarbonat för att inte riskera störningar av processen på grund av en pH-minskning. Biogasproduktion, pH och VFA användes för att karakterisera stabiliteten av processen genom daglig provtagning.
Bestämning av artförekomst och antal av arkéer och bakterier i reaktorn gjordes vid 8 tillfällen under försöket med hjälp av modern teknik med DNA-extraktion, 454-pyrosekventiering och kvantitativ PCR (qPCR).
Resultat
Gasproduktionen vid mesofila förhållanden uppgick till omkring 2,1 l/d med en metanhalt av omkring 62 %. pH-värdet var 7,2 och den totala halten av VFA uppgick till knappt 50 mg/l i det rötade slammet.
Biogasproduktionen ökade kraftigt under det första dygnet efter temperaturökningen men minskade därefter till 0,3 l/d. Efter en vecka ökade gasproduktionen och mängden varierade mellan 1 och 5 l/d för att stabiliseras kring 2,5 l/d efter 2 SRT (40 dygn). pH-värdet ökade från 7,2 till 7,7 efter en vecka och minskade därefter till knappt 7,5 efter 4 SRT. Halten VFA ökade direkt efter temperaturökningen och nådde ett maximum efter en vecka. Därefter minskade halten snabbt och efter 1 SRT var halten åter cirka 50 mg/l och rötningsprocessen var i balans.
Sammanfattningsvis visade driftdata att en fungerande termofil miljö uppnåddes redan efter 7 dygn efter en uppstart med en temperaturökning i ett steg. Den snabba övergången uppnåddes på grund av en snabb etablering av termofila arkéer och bakterier, där förändringen av sammansättningen av arkéerna var snabbare än förändringen av bakterierna.
Mesofila metanbildande arkéer som Methanosaeta spp. och Methanolinea spp. ersattes redan efter 11 dygn genom en snabb kolonisation av termofila arkéer som Methanosarcina thermophila, Metanothermobacter spp. och Methanocellus spp. Samtidigt ersattes mesofila bakterier ur släktena Bacteroides, Syntrophus och Syntrophobacter av termofila bakterier, där Fervidobacterium spp etablerades snabbt under de första 18 dygnen och hade en avgörande betydelse för övergången under den inledande fasen. Andra termofila bakteriesläkten som Clostridium, Coprothermobacter och Anaerobaculum etablerades först efter dag 26 och de bidrog till en stabilisering av den termofila rötningsprocessen.
Slutsatser
Studien visade att
- termofil rötning kunde etableras snabbt inom en slamålder (20 dygn) från en stationär mesofil rötkammare genom en förändring av temperaturen i ett steg
- strategin med en temperaturökning i ett steg stimulerade tillväxten av termofiler vid rätt temperatur från början, vilket var av avgörande betydelse för en snabb etablering av en termofil mikrobiologisk miljö
- tiden för övergången kan även påverkas av andra driftförhållanden som det beskickade slammets innehåll av organismer och slamåldern
Källa: Z. Tian, Y. Zhang, Y. Li, Y. Chi, M. Yang. Rapid establishment of thermophilic anaerobic microbial community during the one-step startup of thermophilic anaerobic digestion from a mesophilic digester. Water Research 69 (2015) pp 9 – 19.
