Τοξικότητα αμμωνίας σε αναερόβιους αντιδραστήρες συνεχούς ροής: η βιοενίσχυση ως τρόπος αντιμετώπισης

Abstract

This thesis consists of three parts, independent and complementary. The first part investigated the interaction of Organic Loading Rate (OLR) and Volatile Fatty Acid (VFA) concentrations in CH4 production under high ammonia levels. The experiments of the first part were performed on Continuous Stirring Tank Reactors (CTSR) fed with cow manure and operating under different OLRs, which are directly related to the C / N ratio. Glucose was used as the sole source for adjustment and increase of OLR, while keeping the same Hydraulic Retention Time (HRT) of 26.79 days and the ammonia concentration was directly increased to 5 g L-1 from 1.862 g L -1 in all the reactors, using ammonium chloride. The second set of experiments was performed on batch reactors and the aim was to identify the critical biomass to achieve a successful bioaugmentation. At the same time, the practice to be followed in the process was identified. In the third part, bioaugmentation was performed in the CSTRs of the first part. The bioaugmentation was studied and evaluated with an ammonia-acclimatized microbial culture (where glucose was added). A centrifuged acclimated population was added to each of the three CSTRs, an amount obtained from the second series of experiments. To study the long-term success of bioaugmentation, the HRT of two of the three reactors was reduced. During the experiments, samples for microbial analysis and identification of prokaryotic microorganisms (bacteria and ancient). In the first part, DNA was used, while in the second and third part, RNA, where the active presence of microorganisms was examined. The results of the first part showed increased inhibition of AD and decreased methane production. A different response of bacterial and archaeal communities under high ammonia levels was also observed. Methanosaeta and Methanosarcina, were the most abundant methanogens in all reactors before toxicity, however their relative abundance decreased dramatically after toxicity. At high ammonia levels, the hydrogen-dependent methylotrophic pathway was the main methanogenesis pathway in the 2.09 g VS L− 1d−1 reactor with OLR, while the hydrogenotrophic pathway was the dominant in the high OLR of 4.0 g VS L− 1, which coincided with high concentrations of acetic and propionic. From the second part, the appropriate practice that must be followed to achieve a successful bioaugmentation and to recover methane production to levels before the ammonia inhibition, as well as the percentage of critical biomass, were determined. According to the results, 180mL of centrifuged acclimated population had to be introduced into the CSTRs. The results showed successful bioaugmentation in the reactors that were characterized by higher OLR, with a corresponding recovery of methane production. The latter was supported by the successful establishment of the ammonia-tolerant Methanosarcina, which was abundant in the acclimatized population. In the reactor with low OLR reactor, Methanosarcina did not manage to establish, leading to exclusively hydrogenotrophic methanogenesis and reduced methane production. The reduction of HRT led to a limited effect on methane yield, indicating a successful establishment of the introduced bioaugmentation culture into the reactors.

Η παρούσα διατριβή αποτελείται από τρία μέρη, αυτοτελή και αλληλοσυμπληρούμενα. Στο πρώτο μέρος διερευνήθηκε η αλληλεπίδραση του Ρυθμού Οργανικής Φόρτισης (OLR) και των συγκεντρώσεων των πτητικών λιπαρών οξέων (VFA) στην παραγωγή CH4 υπό υψηλά επίπεδα αμμωνίας. Τα πειράματα του πρώτου μέρους πραγματοποιήθηκαν σε αντιδραστήρες συνεχούς ανάδευσης (CTSR) που τροφοδοτούνταν με κοπριά αγελάδας και λειτουργούσαν με διαφορετικά OLRs, που σχετίζονται άμεσα με την αναλογία C/N. Η γλυκόζη χρησιμοποιήθηκε ως ο μοναδικός παράγοντας για διαφοροποίηση και αύξηση του OLR, ενώ διατηρήθηκε ο ίδιος Υδραυλικός Χρόνος Παραμονής (HRT) 26.79 ημερών και στους αντιδραστήρες αυξήθηκε ακαριαία η συγκέντρωση αμμωνίας σε 5 g L-1 από 1.862 g L-1 με την χρήση χλωριούχου αμμωνίου. Η δεύτερη σειρά πειραμάτων πραγματοποιήθηκε σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου, όπου σκοπός ήταν η εύρεση της κρίσιμης βιομάζας προκειμένου να επιτευχθεί η βιοενίσχυση. Παράλληλα, προσδιορίστηκε η πρακτική που πρέπει να ακολουθηθεί στην διαδικασία. Στο τρίτο μέρος, πραγματοποιήθηκε βιοενίσχυση στους CSTR. Μελετήθηκε και αξιολογήθηκε η βιοενίσχυση με μικροβιακό εμβόλιο εγκλιματισμένο σε αμμωνία (όπου προστέθηκε και γλυκόζη). Σε κάθε έναν από τους CSTR έγινε προσθήκη φυγοκεντρημένου εγκλιματισμένου πληθυσμού, ποσότητα που προέκυψε από την δεύτερη σειρά πειραμάτων. Για να μελετηθεί και η μακροχρόνια επιτυχία της βιοενίσχυσης, στους δυο από τους τρεις αντιδραστήρες μειώθηκε το HRT. Σε όλες τις σειρές πειραμάτων, πραγματοποιούνταν σε κομβικά σημεία δειγματοληψία υλικού για την μικροβιακή ανάλυση και ταυτοποίηση των προκαρυωτικών μικροοργανισμών (βακτήρια και αρχαία). Στη πρώτο μέρος, χρησιμοποιήθηκε το DNA, ενώ στο δεύτερο και τρίτο μέρος το RNA, όπου εξετάστηκε η ενεργή παρουσία μικροοργανισμών. Τα αποτελέσματα του πρώτου μέρους έδειξαν αυξημένη αναστολή της ΑΧ και μείωση της παραγωγή μεθανίου. Παρατηρήθηκε επίσης μια διαφορετική ανταπόκριση των κοινοτήτων των βακτηρίων και των αρχαίων υπό συνθήκες υψηλής αμμωνίας. Τα είδη, Methanosaeta και Methanosarcina, ήταν τα πιο άφθονα μεθανογόνα σε όλους τους αντιδραστήρες πριν την τοξικότητα, ωστόσο η σχετική αφθονία τους μειώθηκε δραστικά μετά την τοξικότητα. Υπό την υψηλή συγκέντρωση αμμωνίας, η μεθυλοτροφική, εξαρτωμένη από το υδρογόνο, ήταν η κυρίαρχη οδός μεθανογένεσης στον αντιδραστήρα με OLR 2.09 g VS L− 1d− 1, ενώ η υδρογονοτροφική οδός ήταν η κυρίαρχη στο υψηλό OLR των 4.0 g VS L− 1d− 1, η οποία συνέπεσε με υψηλές συγκεντρώσεις οξικού και προπιονικού οξέος. Από το δεύτερο μέρος, προέκυψε η ενδεδειγμένη πρακτική που πρέπει να ακολουθηθεί προκειμένου να επιτευχθεί η βιοενίσχυση και να ανακάμψει η παραγωγή του μεθανίου στα επίπεδα πριν την τοξικότητα, καθώς και το ποσοστό της η κρίσιμης βιομάζας. Σύμφωνα, με τα αποτελέσματα στους αντιδραστήρες CSTR έπρεπε να εισαχθούν 180mL φυγοκεντρημένου εγκλιματισμένου πληθυσμού. Τα αποτελέσματα έδειξαν πετυχημένη βιοενίσχυση στους αντιδραστήρες που χαρακτηρίζονταν από υψηλότερο OLR, με αντίστοιχη ανάκαμψη της παραγωγής μεθανίου. Τα υψηλά OLR σε αυτούς τους αντιδραστήρες ευνόησαν τη συνύπαρξη των υδρογονοτροφικών (Methanobacteriaceae), μεθυλοτροφικών (Methanomethylophilaceae) και οξικολυτικών μεθανογόνων οδών. Η τελευταία υποστηρίχθηκε από την επιτυχή εγκατάσταση του ανθεκτικού στην αμμωνία, Methanosarcina, που επικρατούσε στον εγκλιματισμένο πληθυσμό. Στον αντιδραστήρα με το χαμηλό OLR, ο Methanosarcina δεν εδραιώθηκε, οδηγώντας σε αποκλειστική υδρογονοτροφική μεθανογένεση και μειωμένη παραγωγή μεθανίου. Η μείωση του HRT οδήγησε σε περιορισμένη επίδραση στην απόδοση του μεθανίου, υποδεικνύοντας καλή καθιέρωση της εισαγόμενης καλλιέργειας βιοενίσχυσης στους αντιδραστήρες.