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 (hydrogenotrofisk) methanogenese 3a. Homoeddikesyredannelse Figur 1. Anaerob nedbrydningsproces 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. CH 3 COO + H 2 O CH 4 + HCO 3 Acetiklastisk metan produktionsvej (1) CH 3 COO + 4H2O 2HCO3 + 4H 2 + H + (2) 4H 2 + HCO 3 + H + CH 4 + 3H 2 O (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 CH 4 og 14 CO 2 (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 CH 4. Ved syntrofisk eddikesyre oxidation konverteres 14 C methyl gruppen derimod til 14 CO 2. Derfor vil mængden af 14 CH 4 være meget lavere sammenlignet med den mængde 14 CO 2 der er dannet under oxidation af eddikesyre. Det er almindeligt antaget, at når 14 CH 4 / 14 CO 2 > 1, er den dominerende vej acetiklastisk methan produktion, mens når 14 CH 4 / 14 CO 2 <1, er eddikesyre oxidation kombineret med hydrogen dannelsen den vigtigste vej for methandannelse. Figur 2. Bestemmelse af methan dannelse s omsætningsvej fra eddikesyre. Det er generelt accepteret, at den syntrofiske eddikesyre oxidations omsætningsvej er mere modstandsdygtig over for høje ammoniakkoncentrationer end den acetisklastiske vej. Indtil nu er seks SAO bakterier blevet identificeret: 1) Thermacetogenium phaeum stammen PB, 2) Syntrophaceticus schinkii, 3) Tepidanaerobacter eddikesyreoxydans, 4) Clostridium ultunense stammen BST, 5) Thermotoga lettingae stammen TMO og 6) stamme AOR. På DTU Miljø, har vi søgt for praktiske løsninger for begrænsning af ammoniak hæmning, baseret på mikrobiel manipulation, med henblik på at opbygge et mikrobielt konsortium der er i stand til at modstå høje ammoniak koncentrationer. 3
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 NH + 4 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 NH + 4 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 methanomsætningsvej. 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 (R M ), til behandling af biomasse med høj ammoniakkoncentration (6 g 4
NH + 4 N/L) (Fig. 4). En anden UASB reaktor (R C ) kørte under samme betingelser (men uden Methanoculeus) og blev brugt som kontrolreaktor. Efter en opstartsperiode (dage 5 22) blev ammoniakkoncentrationen hævet til 7 g NH + 4 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 NH + 4 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