Spårning av aktiviteten i en Anammox-DAMO process

Bestämning av löst organiskt material genom EEM fluorescens mikroskopi utnyttjades för övervakning av en kombinerad Anammox-DAMO process, där information erhölls om kväveavskiljning, status för mikroorganismerna och lämplig period för substratbrist.

Av: Bengt Andersson

Metan i biogas kan utnyttjas som elektrondonator för att förbättra kväveavskiljningen i en DAMO-process (denitrifierande anaerob metanoxidation) i en anammoxreaktor genom att producerat NO₃^– reduceras. Processen kan med fördel appliceras i en hålfibermembran bioreaktor (HfMBR). Två huvudsakliga mikroorganismer är aktiva i DAMO. DAMO arkéer reducerar NO₃^– till NO₂^– med metan som elektrondonator och DAMO bakterier konverterar NO₂^– till N₂ med elektroner från metanoxidationen. Processen avskiljer både NH₄⁺ och NO₃^– med en minimal kolförbrukning och slamproduktion och utan behov av luftning.

Anammox-DAMO är en komplex process med konkurrens mellan mikroorganismerna och behov finns av en metodik för övervakning av den mikrobiella statusen. Utgående löst organiskt material (EfDOM) består till stor del av lösta mikrobiella produkter (SMP), som bildas i den biologiska processen och som utgörs av komplexa organiska föreningar som proteiner, polysackarider och humusliknande substrat. Sammansättningen av SMP beror på aktiviteten av mikroorganismerna och en analys av EfDOM kan vara ett bra sätt att karakterisera den biologiska aktiviteten i en process. En metodik baserad på EEM FM (excitation-emission matrix fluorescens mikroskopi) med parallell faktoranalys kan utnyttjas för analysen.

Syftet med refererad studie var att karakterisera EfDOM från en Anammox-DAMO process med hjälp av EEM FM och att undersöka sambandet mellan fluorescens komponenterna och aktiviteten i Anammox-DAMO.

Genomförande

Försöken genomfördes en i HfMBR i laboratorieskala, som varit i drift under 2 år före studien och där Anammox-DAMO mikroorganismer dominerade. Reaktorn tillfördes kontinuerligt ett syntetiskt vatten bestående av mineraler, NH₄⁺ och NO₃^– samt metan i form av ren gas. Den hydrauliska uppehållstiden var cirka 5 dygn, temperaturen 35 ^oC och pH justerades till 7,8.

Förutom det kontinuerliga försöket genomfördes fyra batchförsök för att belysa och förklara produktionen av SMP under både aktiva perioder och perioder med näringsbrist för mikroorganismerna. I batch 1 tillsattes både NH₄⁺, NO₃^– och metan och både anammox och DAMO organismerna var aktiva under försöket. I batch 2 tillsattes endast NO₃^– och metan och endast DAMO organismerna var aktiva. I batch 3 tillsattes NH₄⁺, NO₂^– och kvävgas och endast anammoxorganismerna var aktiva. I batch 4 tillsattes endast metan utan substrat till anammox och DAMO organismerna. Varje batchförsök varade i 13 timmar och mellan batchförsöken drevs reaktorn kontinuerligt tills tidigare kapacitet uppnåddes.

Utgående vatten analyserades genom mikroskopi med identifiering av fluorescens komponenter. Vidare analyserades de olika kvävefraktionerna och dominerande mikroorganismer bestämdes med hjälp av PCR förstärkning med 16S rDNA genprimer.  

Resultat

Dominerande mikroorganismer i reaktorn var Methylomirabiliaceae (DAMO bakterier), ANMA-2D (DAMO arkéer) och Brocadiaceae (Anammox bakterier), som svarade för 17.9, 12.3 resp. 13,6 % av det totala antalet mikroorganismer. Inga andra identifierade mikroorganismer hade förmåga till metanoxidation eller denitrifikation.

Genom mätningar av EEM fluorescens i det kontinuerliga försöket och i batchförsöken identifierades fyra komponenter genom parallell faktoranalys, där komponent 1 utgjordes av proteinliknade substanser och komponenterna 2 – 4 av humusliknande substanser.

I det kontinuerliga försöket var produktionen av komponent 1 och 4 försumbar under perioder med ackumulerande halter av NH₄⁺ och NO₃^– i utgående vatten då ingen substratbegränsning fanns för vare sig anammox eller DAMO. Perioder med en förbättrad denitrifikation med låga halter av NO₃^– medförde att produktionen av komponent 1 fortfarande var försumbar medan den ökade för komponent 4 genom en begränsad substrattillgång för DAMO. Komponent 2 och 3 producerades under hela försöket.  

I batchförsök 1 och 2 var produktionen av komponent 1 och 4 försumbar. I försök 3 ökade produktionen av komponent 4 medan den var försumbar för komponent 1. I försök 4 ökade produktionen av alla komponenter och mest för komponent 1. Komponent 2 och 3 producerades i samtliga batchförsök oavsett förhållandena.

Sammantaget konstaterades att komponent 1 producerades då både anammox och DAMO organismerna var utsatta för substratbrist medan komponent 4 producerades då endast DAMO var utsatt för substratbrist. Komponent 2 och 3 producerades oavsett om en begränsning av substratet förelåg eller inte. Produktionen av alla komponenter var under perioder med substratbrist högre än under perioder med tillräckligt substrat och ju längre bristperioden varade desto mer ökade produktionen. Detta indikerade att innehållet av EfDOM i utgående vatten var högre under bristperioder med en ackumulering under perioderna. Tillräckligt substrat och/eller en kort bristperiod var viktigt för att uppnå låga utgående halter men även för förhållandena kopplade till igensättning av membranen och bildandet av omvandlingsprodukter.

Slutsatser

Refererad studie av en Anammox-DAMO process med hjälp av EEM fluorescens mikroskopi av det organiska materialet i utgående vatten visade att

Källa: Y-Z. Lu, Z-W. Ding, L. Fu, Y-N. Bai, G-P. Sheng, R.J. Zeng. Tracking the activity of the Anammox-DAMO process using excitation-emission matrix (EEM) fluorescence spectroscopy. Water Research 122 (2017), pp 624 – 632.

Hela artikeln från Water Research finns att köpa här.