Ammoniaktolerante mikroorganismer til biogasanlæg - Biopress

biopress.dk

Ammoniaktolerante mikroorganismer til biogasanlæg - Biopress

Ammoniaktolerante mikroorganismer til behandling af

ammoniakholdigt affald

Ioannis Fotidis, Dimitar Karakashev og Irini Angelidaki

Anaerob udrådning (AD) er en af de mest succesfulde vedvarende energiteknologier

i Danmark. AD processen er kompleks og kræver samspil af flere typer

mikroorganismer for at omdanne komplekse materialer til biogas (Fig.1).

1. Hydrolyse 3b. Eddikesyre‐oxidation

2. Syredannelse 4a.Eddikesyre‐forbrugende

(acetiklastisk) metanogenese

3. Eddikesyredannelse 4b.Hydrogen‐forbrugende

3a.

Homoeddikesyredannelse

Figur 1. Anaerob nedbrydningsproces

(hydrogenotrofisk) methanogenese

1


Hæmning af biogasprocessen pga høj ammoniak koncentration (f.eks.ved udrådning

af svinegylle, kyllingegødning, slagterirester, minkgødning mv.) er et ofte

forekommende problem, og i øjeblikket opererer hovedparten af biogasfællesanlæg

(BFA) under en "stabil men hæmmet" tilstand. En tilstand der tilsyneladende er

stabil, men suboptimal, og derfor resulterer i væsentligt lavere methanproduktion

med alvorlige økonomiske tab til følge. I praksis er den eneste måde at klare høje

ammoniakbelastninger at sænke temperaturen, eller øge den hydrauliske

opholdstid. Men disse metoder kan kun i begrænset omfang lindre

ammoniakhæmningen. Andre metoder som tilsætning af ammonium bindende

ioner, hvilket øger C/N forholdet, har ikke vist nogen praktisk anvendelighed. De er

enten for dyre eller virker ikke effektivt nok.

Ammoniak hæmmer primært omdannelse af eddikesyre til methan og kuldioxid

(reaktion 1). Der er imidlertid en anden methanproducerende reaktion for

omdannelse af eddikesyre til methan, hvor eddikesyre først bliver til brint og

kuldioxid (reaktion 2) af syntrofe eddikesyre‐oxiderende bakterier (SAO – bakterier),

efterfulgt af omdannelse af hydrogen og kuldioxid til methan af hydrogen–

forbrugende methanogene mikroorganismer (reaktion 3). Denne vej for omdannelse

af eddikesyre til methan er meget mindre sensitiv over for ammoniakhæmning.

CH3COO – + H2O → CH4 + HCO3 – (1)

Acetiklastisk– metan produktionsvej

CH3COO – + 4H2O → 2HCO3 – + 4H2 + H + (2)

4H2 + HCO3 – + H + → CH4 + 3H2O (3)

Eddikesyreoxidations – metan produktionsvej

Det er muligt at eksperimentelt at bestemme omdannelsesvej af eddikesyre til

methan ved at anvende eddikesyre med isotop‐mærkede kulstofatomer (i

methylgruppen) som substrat. Derefter, kan man måle produktionen af mærket

2


14 CH4 og 14 CO2 (fig. 2) og på den måde bestemme om der anvendes den ene eller den

anden omdannelsesvej. Ved acetiklastisk omdannelsen til methan er den

dominerende metan‐produktionsvej at al 14 C kulstof går til metan 14 CH4. Ved

syntrofisk eddikesyre oxidation konverteres 14 C methyl gruppen derimod til 14 CO2.

Derfor vil mængden af 14 CH4 være meget lavere sammenlignet med den mængde

14 CO2 der er dannet under oxidation af eddikesyre. Det er almindeligt antaget, at når

14 CH4/ 14 CO2> 1, er den dominerende vej acetiklastisk methan produktion, mens når

14 CH4/ 14 CO2


Syv pode materialer fra storskala biogasanlæg blev testet for at finde sammenhæng

mellem eddikesyre omsætningsvej og ammoniak niveauer. Tre prøver (Hashøj,

Nysted og Lundtofte) var mesofile (37 o C) og fire prøver (Hillerød, Vegger, Snertinge

og Lemvig) var termofile (52.5 o C).

Vi fandt ud af, at aceticlastisk dannelse af methan var den dominerende vej i

reaktorer med ammoniak koncentration under 1,8 g NH4 + –N/L (Fig. 3). I modsætning

hertil var, ved eddikesyre oxidation med hydrogenforbrugende methandannelse den

dominerende vej fra eddikesyre ved ammoniakkoncentration i reaktorerne højere

end 1,8 g NH4 + –N/L Et vigtigt resultat af undersøgelsen var at biogasanlæg som

havde SAO metanogen‐omsætningsvej havde op til fire gange højere ammonium

koncentration sammenlignet med biogasanlæg som havde acetiklastisk methan‐

omsætningsvej.

Figur 3. Metan produktions vej fra eddikesyre versus ammoniakkoncentrationen i

storskala biogasreaktorer

Methanoculleus er en mesofil ammoniaktolerant hydrogenforbrugende

methanogen. Da denne mikroorganisme er kendt for at være meget ammoniak

tolerant, forsøgte vi at immobilisere den i en UASB (upflow anaerob slam tæppe)

biogasreaktor (RM), til behandling af biomasse med høj ammoniakkoncentration (6 g

4


NH4 + –N/L) (Fig. 4). En anden UASB reaktor (RC) kørte under samme betingelser (men

uden Methanoculeus) og blev brugt som kontrolreaktor. Efter en opstartsperiode

(dage 5–22) blev ammoniakkoncentrationen hævet til 7 g NH4 + –N/L i begge

reaktorer.

Figur 4. Methanoculleus stamme

De opnåede resultater viste, at UASB reaktor RM havde 40% højere metan

produktion i forhold til RC ved 7 g NH4 + –N/L (Fig. 5). Dette tyder på, at anvendelse af

ammoniaktolerante hydrogen producerende methanogener i en UASB reaktor er en

mulig løsning for behandling af biomasser med et højt ammoniumindhold.

Figur 5. Methan produktionsrater i UASB reaktorer

5


Immobilisering af mikroorganismer er muligt i højflow reaktorer, som biofilm eller

UASB reaktorer. Dog ville det være mere vanskeligt at opretholde specifikke

bakterier i fuldt opblandede reaktorer, med mindre vækstbetingelser for de

specifikke mikroorganismer er gunstige for deres opretholdelse i biogasreaktoren. Vi

er nu i gang med at afprøve indførelsen af ammoniak robuste mikroorganismer, til

behandling af biomasser med forhøjet ammoniak indhold i fuldt opblandede

reaktorer.

Acknowledgments

Dette arbejde har været støttet af Energinet.dk under ForskEL programmet:

• “Innovative process for digesting high ammonia wastes” (program no. 2010 –

10537).

• INTERREG IVA “Øresund Ecomobility project”.

Ioannis Fotidis er postdoc ved DTU – Miljø og forsker i biogas

Dimitar Karakashev er lektor ved DTU – Miljø og forsker i mikrobiologi

Irini (Rena) Angelidaki er professor ved DTU – Miljø og forsker i bioenergi

6

More magazines by this user
Similar magazines