Epsilon Archive for Student Projects

Abstract

This study investigated the problem of ammonia inhibition in biogas reactors, commonly occurring when protein rich substrates are used in anaerobic digestion processes. Ammonia inhibition is one of the foremost causes of failure in anaerobic digestion, leading to process instability, with symptoms commonly expressed as; reduction in biogas produced, decreased methane content in the gas and accumulation of volatile fatty acids. Increasing ammonia concentrations lead to a shift in the dominant pathways for methane production, from acetoclastic methanogens to syntrophic acetate-oxidizing bacteria, working with hydrogenotrophic methanogens. This shift occurs as the acetoclastic methanogens are sensitive to increasing ammonia concentrations. Both pathways utilize acetate, which apart from ammonia, is one of the factors that also is believed to regulate the level of the different pathways.
The aim of this study was to evaluate the impact of subjecting anaerobic digestion processes in biogas reactors to increasing levels of ammonia and to study the performance of the reactors as well as the potential microbial changes that occur when reactors are supplemented with acetate simultaneous with the ammonia increases.
The total ammonium-nitrogen was successfully increased in the reactors to concentrations known to cause ammonia inhibition towards the end of one hydraulic retention time. The increase in total ammonium-nitrogen correlated with increased H2S concentrations in the reactors and an accumulation of volatile fatty acids. Acetate addition resulted in higher acetate concentration in the reactors, but without accumulation. The acetate addition possibly caused an increase in the gene abundance of hydrogenotrophic methanogenic order Methanomicrobiales and the genus Methanoculleus. No significant change in gene abundance of acetoclastic methanogens or syntrophic acetate-oxidising bacteria occurred in response to the increase in ammonia and acetate in this study.
The lack of microbial compositional changes could have been due time of the study, being too short for changes in the microbial composition to happen. Moreover, the acetate-enrichment was possibly too low to stimulate growth of syntrophic acetate-oxidising bacteria when compared to concentrations in other studies.

Biogas består till största delen av metan, men också av koldioxid, och mindre nivåer av svavelväte och andra gaser. Biogas kan framställas från en mängd olika ämnen såsom hushållsavfall, slaktavfall och rester från t.ex. livsmedelsindustrin. Biogasprocessen är attraktiv då den medger möjligheten att framställa förnybar energi från många olika avfallsmaterial och är användbar som ett alternativ till fossila bränslen. Biogas kan användas för elproduktion, uppvärmning eller matlagning i städer eller uppgraderas för att ta bort andra gaser än metan och därefter användas som fordonsbränsle av bilar och bussar. Från resterna av biogasprocessen bildas det även en näringsrik nedbrytningsrest (rötrest) som kan användas inom jordbruket som gödningsmedel.
Bildning av biogas från olika material sker i en rötningsprocess som är anaerob (fri från syre till största grad). Det kan då uppstå vissa problem om man använder proteinrikt material i sin process, som i övrigt är eftertraktade på grund av sin höga metanpotential. Under nedbrytning av protein frigörs ammoniak, som kan hämma processen. Problemen kan vara så allvarliga att processen inte längre fungerar som den ska.
Syftet med den här studien var att se om det går att förbättra biogasprocessen vid användning av proteinrikt material. Vissa av de mikroorganismer som är delaktiga i processen blir lättare inhiberade av höga ammoniak-nivåer än andra mikroorganismer, vilket leder till ett skifte i vilka grupper som dominerar och hur metanbildningen sker.
Exjobbet genomfördes vid Sveriges Lantbruksuniversitet under hösten 2019. I studien höjdes ammoniaknivåerna medvetet i fem reaktorer i labskala (nedskalade reaktorer för biogasproduktion). Samtidigt som ammoniaknivån höjdes tillsattes också ättiksyra. De höjda nivåerna av ättiksyra syftade till att främja tillväxten av en av mikroorganismgrupperna som är tåliga vid höjda ammoniakkoncentrationer. På så sätt var målet att se om vissa av de problem som vanligtvis uppstår kan motverkas. Data från reaktorerna samlades in för att se om prestandan förändrades under studien, och för att se om några förändringar i den mikrobiella sammansättningen skedde.
Resultatet från studien visar att den medvetna höjningen av ammoniak-nivåerna lyckades, men att tillsatsen av ättiksyra inte var tillräckligt hög för att den tåligare gruppen skulle tillväxa signifikant. I studien uppvisade reaktorerna vissa av de dokumenterade problem som uppstår i samband med höjda ammoniaknivåer.