Παραγωγή βιοαερίου από αγροβιομηχανικά απόβλητα κάτω από διαφορετικές συγκεντρώσεις αμμωνίας

Abstract

In this thesis, the creation of a specialized inoculum suitable for bioaugmentation purposes in biogas reactors with ammonia toxicity was examined, through selection of the most tolerant anaerobic mixed microbial communities. In batch anaerobic reactors, two different methods were performed for the cultivation of ammonia-tolerant microbial communities. In the first method, a direct exposure of mixed anaerobic microbial populations to different ammonia concentrations was performed. In the second method, where an enrichment culture was created, anaerobic populations were gradually (stepwise) exposed to increasing ammonia concentrations. In addition, the effect of the methanogenic community growth phase of the inoculum to the creation of the enrichment culture was examined. The operating temperature of the reactors was 37 ℃. The raw materials originated from the waste streams of the biogas plant (Biogas Lagada S.A.) located in Lagada of Central Macedonia. The waste ratio for the creation of the substrate for anaerobic digestion was obtained from the biogas plant. The ammonia concentration of the reactors was determined between 2 and 6 g of Total Ammonia Nitrogen (TAN)/L. These levels are in accordance with the ammonia levels that biogas plants usually operate, and they are correlated with the seasonality and availability of raw materials. In addition, the effect of the extremely high ammonia level of 9 g of TAN/L on the anaerobic microbial populations of the enrichment culture was investigated. The microbial community analysis was performed by identifying the prokaryotic microorganisms (bacteria and archaea) through sequencing the 16S subunit of ribosomal RNA. DNA and RNA were used to study the presence and the active presence of microorganisms in anaerobic reactors, accordingly. The results of this study showed that mixed microbial populations were successfully adapted up to the concentration of 5 g of TAN/L with the stepwise method. In the direct exposure, the microbial population did not adapt to the range of ammonia concentrations under investigation, even after 60 days from the time of their initial exposure. The results of the microbial analysis showed that the genus Methanosarcina was the dominant methanogen in all the investigated ammonia concentrations of the stepwise method. In addition, the activity of the lignocellulose degraders decreased with the increasing ammonia concentration. Bacteria responsible for the degradation of butyric acid and long-chain volatile fatty acids along with hydrogenotrophic methanogens were observed with active populations in high ammonia concentrations. According to the results of this study the preferred method for the creation of bioaugmentation cultures for ammonia toxicity remediation is by gradually (stepwise) exposing microorganisms to increasing ammonia concentrations. Moreover, the inoculum cultures developed by the stepwise method, could be used to treat the ammonia toxicity of continuous operation reactors, (which usually have hydraulic retention times more than 20 days), without the risk of wash-out from the reactor.

Στην παρούσα διατριβή μελετήθηκε η δημιουργία εξειδικευμένου μικροβιακού εμβολίου κατάλληλου για βιοενίσχυση σε αντιδραστήρες βιοαερίου με τοξικότητα αμμωνίας, μέσω της επιλογής των πιο ανεκτικών αναερόβιων μικτών κοινοτήτων. Σε αναερόβιους αντιδραστήρες διαλείποντος έργου (batch reactors), χρησιμοποιήθηκαν δυο διαφορετικές τεχνικές για την καλλιέργεια ανεκτικών σε υψηλά επίπεδα αμμωνίας μικροβιακών κοινοτήτων. Στην πρώτη τεχνική πραγματοποιήθηκε άμεση έκθεση των μικτών αναερόβιων μικροβιακών πληθυσμών σε διαφορετικές συγκεντρώσεις αμμωνίας. Στη δεύτερη τεχνική, της καλλιέργειας εμπλουτισμού, οι αναερόβιοι πληθυσμοί εκτέθηκαν σταδιακά σε αυξανόμενες συγκεντρώσεις αμμωνίας. Επιπλέον, εξετάστηκε η επίδραση της φάσης ανάπτυξης των μεθανογόνων του εμβολίου κατά τη διάρκεια της δημιουργίας της καλλιέργειας εμπλουτισμού. Η θερμοκρασία λειτουργίας των αντιδραστήρων ήταν στους 37℃. Οι πρώτες ύλες προήλθαν από τις ροές των αποβλήτων της μονάδας βιοαερίου (Βιοαέριο Λαγκαδά Α.Ε.) που βρίσκεται στον Λαγκαδά της Κεντρικής Μακεδονίας. Η αναλογία των αποβλήτων για τη δημιουργία του υποστρώματος προς αναερόβια αποικοδόμηση προέκυψε από τα στοιχεία τροφοδοσίας της μονάδας. Οι συγκεντρώσεις της αμμωνίας στο εσωτερικό των αντιδραστήρων καθορίστηκαν από 2 έως 6 g ολικού αμμωνιακού αζώτου (Total Ammonia Nitrogen -TAN)/L. Το παραπάνω εύρος συγκεντρώσεων αντικατοπτρίζει τα συνήθη επίπεδα αμμωνίας στις μονάδες βιοαερίου και εξαρτώνται συνήθως από την εποχιακή διακύμανση και διαθεσιμότητα των πρώτων υλών. Επιπλέον, στην καλλιέργεια εμπλουτισμού εξετάστηκε η επίδραση του εξαιρετικά υψηλού επίπεδου αμμωνίας των 9 g ΤΑΝ/L στους αναερόβιους μικροβιακούς πληθυσμούς. Η μικροβιακή ανάλυση έγινε με ταυτοποίηση των προκαρυωτικών μικροοργανισμών (βακτήρια και αρχαία) μέσω της τεχνικής της αλληλούχισης της υπομονάδας 16S του ριβοσωμικού RNA. Ως αρχικό υλικό – αλληλουχία στόχος, χρησιμοποιήθηκε το DNA, μέσω του οποίου μελετήθηκε η παρουσία των μικροοργανισμών στους αναερόβιους αντιδραστήρες, καθώς και το RNA, όπου εξετάστηκε η ενεργή παρουσία μικροοργανισμών στα υψηλά επίπεδα αμμωνίας. Τα αποτελέσματα της μελέτης έδειξαν πως στη σταδιακή έκθεση των μικτών αναερόβιων μικροβιακών πληθυσμών σε αυξανόμενες συγκεντρώσεις αμμωνίας προσαρμόστηκαν επιτυχώς ως τη συγκέντρωση των 5 g ΤΑΝ/L, όσον αφορά την παραγωγή τους σε μεθάνιο. Στην άμεση έκθεση ο μικροβιακός πληθυσμός δεν προσαρμόστηκε σε καμία από τις υπό διερεύνηση συγκεντρώσεις αμμωνίας, ακόμη και μετά από 60 ημέρες συνεχούς παραμονής υπό αναερόβιες συνθήκες. Τα αποτελέσματα της μικροβιακής ανάλυσης, όσον αφορά τη σταδιακή έκθεση, έδειξαν πως το γένος Methanosarcina ήταν το κυρίαρχο μεθανογόνο αρχαίο σε όλες τις συγκεντρώσεις αμμωνίας που διερευνήθηκαν. Επιπλέον, η δράση των βακτηρίων υπεύθυνων για την αποικοδόμηση των λιγνοκυτταρινούχων ουσιών μειώθηκε με την αύξηση της συγκέντρωσης αμμωνίας. Βακτήρια υπεύθυνα για τη διάσπαση βουτυρικού οξέος και μακράς αλύσου πτητικών λιπαρών οξέων μαζί με υδρογονοτροφικά αρχαία παρατηρήθηκαν με ενεργούς πληθυσμούς σε υψηλές συγκεντρώσεις αμμωνίας. Από τα παραπάνω αποτελέσματα προέκυψε το συμπέρασμα πως η κατάλληλη μέθοδος για τη δημιουργία εμβολίου βιοενίσχυσης για την αντιμετώπιση της τοξικότητας της αμμωνίας είναι μέσω της δημιουργίας καλλιεργειών εμπλουτισμού με σταδιακή αύξηση της συγκέντρωσης της αμμωνίας. Επιπλέον, τα εμβόλια που δημιουργήθηκαν με τη μέθοδο της σταδιακής αύξησης της συγκέντρωσης της αμμωνίας θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για την αντιμετώπιση του φαινομένου της τοξικότητας της αμμωνίας σε αντιδραστήρες συνεχούς λειτουργίας και τροφοδοσίας (που έχουν συνήθως υδραυλικούς χρόνους παραμονής άνω των 20 ημερών), χωρίς να υπάρχει ο κίνδυνος της απομάκρυνσής τους από το εσωτερικό του βιοαντιδραστήρα (wash out).