Het stabiliserend vermogen van sulfaat reducerende bacteriën in anaerobe vergisting

92 Pages·2014·2.17 MB·Dutch

Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen

Academiejaar 2013 – 2014

Het stabiliserend vermogen van sulfaat reducerende
bacteriën in anaerobe vergisting

Wim Kegels

Promotor: Prof. dr. ir. Nico Boon

Tutor: ir. Jo De Vrieze

Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van
Master in de bio-ingenieurswetenschappen: milieutechnologie
Deze pagina is niet beschikbaar omdat ze persoonsgegevens bevat.
Universiteitsbibliotheek Gent, 2021.
This page is not available because it contains personal information.
Ghent University, Library, 2021.
Dankwoord
Mocht ik drie woorden moeten kiezen die mijn thesisjaar bij LabMET zouden omschrijven, dan zouden
dat de volgende zijn: intensief, volhardend en verrijkend. Onderzoek voeren is in de praktijk intensief
werken. Reactoren voeden, stalen nemen, analyseren, nadenken bij elk resultaat en bovendien
proberen je overige vakken niet te verwaarlozen, dit vergt heel wat fysieke en mentale volharding. Een
intensieve weg, die ik echter niet alleen heb moeten afleggen. Steun en vriendschap stonden mij
steeds op te wachten en hebben mij van de nodige brandstof voorzien. In de eerste plaats wil ik
daarom mijn tutor, Jo De Vrieze, bedanken. Bedankt voor de raad, de onvoorwaardelijke opvolging en
ook de vrijheid en het vertrouwen die je mij hebt gegeven gedurende mijn thesisjaar.
Het werken in het subtropisch klimaat van de K32 was bovendien eens zo aangenaam door de leuke
K32 crew. Hierbij gaat mijn dank dan ook uit naar Tom, Maarten VdV., Iris, Emilie en Joachim voor alle
leuke babbels en opruimmomenten. Alsook waren de wekelijkse GC metingen veel dragelijker, door al
de vrolijke gesprekken met Lien en Maarten M. Mijn dank gaat uit naar Jan voor zijn tips en wakend
oog over mijn stalen, tijdens mijn qPCR analyses. Deze kleine daden van hulpvaardigheid waren meer
dan welkom tijdens deze ‘stresserende’ analyses. In dat opzicht wil ik zeker Magali en Emmy bedanken
voor alle morele steun tijdens die momenten. Dank ook Linsey Lapeire van het department Materials
Science and Engineering, voor de hulp met de EDX analyses.
Ik wil zeker ook mijn kotgenoten Kim en Tim bedanken. Wij hebben samen op kot een druk jaar geleefd.
Alle 3 een traject binnen LabMET gekozen, wat ons niet enkel tot kotgenoten, maar ook tot lotgenoten
maakten. Verder waren nog 2 andere medestudenten en vrienden in het labo, Kristof en Stijn wier
aanwezigheid het licht aan het eind van de tunnel feller heeft doen laten schijnen.
Mijn tijd op LabMET was één grote verrijkende ervaring. Ik heb nieuwe ervaringen opgedaan en
vaardigheden bijgeleerd. Ik dank Nico Boon, mijn promotor, voor deze kans om in LabMET te mogen
werken en voor zijn wijze raad en ideeën. Als laatste wil ik mijn fantastische vriendengroep nog
bedanken voor de heerlijke en avontuurlijke studentenjaren en mijn ouders die mij gedurende al deze
jaren hebben aangemoedigd. Bedankt dat ik deze weg mocht afleggen. Bedankt jullie allen!

II
Samenvatting
Anaerobe vergisting is een gevestigde industriële technologie en vormt een belangrijke speler binnen
het huidige bio-economie beleid. Het is één van de sleutel-technologieën in de duurzame behandeling
van organische afvalstromen. Anaerobe vergisting stelt de wereld namelijk in staat om simultaan de
afvalproblematiek en de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen aan te pakken, met biogas als
groene energiebron. Vergistingsprocessen worden echter vaak geconfronteerd met
instabiliteitsproblemen, wat de implementatie van anaerobe vergisting binnen duurzame water
hergebruik strategieën niet altijd even succesvol maakt. De Europese Unie stelt voorop dat tegen 2020
20% van het Europees energieverbruik afkomstig moet zijn van hernieuwbare energiebronnen. De
bijdrage van anaerobe vergisting hieraan moet op zijn minst 25% zijn. Het hoofddoel van dit onderzoek
is het anaerobe vergistingsproces verder te optimaliseren naar een nog stabieler en robuuster
systeem, om een wijdverspreide invoering van anaerobe vergisting als duurzame technologie te
ondersteunen.
Het algemene uitgangspunt steunt op het verhogen van de functionele redundantie van het systeem
en aldus de stabiliteit. Een onstabiel vergistingsproces leidt namelijk vaak tot een accumulatie van
vluchtige vetzuren tot potentieel toxische concentraties. De pH dreigt hierdoor bovendien buiten het
optimale bereik van de methanogenen te vallen van 6,8 en 7,5. De aanwezigheid van andere
consumenten, naast methanogenen, zouden mee deze vluchtige vetzuren accumulatie kunnen
opvangen en het verder falen van het proces kunnen voorkomen. In dit perspectief werd het potentieel
voordelig effect van sulfaat reducerende bacteriën op het vergistingsproces onderzocht. Sulfaat werd
toegevoegd om de groei van sulfaat reducerende bacteriën te stimuleren. In sulfaatrijke afvalstromen
wordt sulfaat gereduceerd tot toxische sulfiden door sulfaat reducerende bacteriën. Naast sulfiden
toxiciteit treedt bovendien competitie op tussen sulfaat reducerende bacteriën en andere micro-
organismen van het anaeroob consortium, waardoor destabiliserende condities kunnen optreden.
In een eerste proefopstelling werd een mogelijke additionele stressfactor onderzocht, namelijk
biobeschikbaarheid limitatie van micronutriënten, omwille van sulfiden precipitatie. Na een
opstartfase, waarin de organische volumetrische belasting geleidelijk aan werd opgedreven van 1 g
CZV L-1 d-1 naar 2 g CZV L-1 d-1, werd sulfaat bij een CZV/SO 2- massaratio van 8 toegevoegd aan 9
4
continue gemengde reactoren. Een daling van de methaanproductie werd geobserveerd bij de
reactoren met sulfaat additie, in tegenstelling tot de controle reactoren, die nagenoeg een constant
volume aan methaan bleven produceren. Na 21 dagen van sulfaat additie werd dan ook een duidelijk
verschil in de methaanproductie waargenomen, namelijk 0,41 ± 0,04 L L-1 d-1 voor de controle
reactoren in vergelijking met 0,14 ± 0,04 L L-1 d-1 voor de sulfaat reactoren, waarbij slechts zeer lage
III
concentraties aan sulfiden in de gasfase werden gemeten (0 – 10 mg L-1). Hoge sulfaat
verwijderingsefficiënties (98 ± 1 %) werden echter geobserveerd. Bovendien werd een sterke stijging
in inerte droge stof waargenomen in de sulfaat reactoren. Bijgevolg werd geconcludeerd dat
precipitatie van sulfiden plaatsvond, wat bevestigd werd met Energy-Dispersive X-ray spectroscopy,
gekoppeld aan een Scanning Electron Microscopy, waarmee Fe-sulfiden precipitatie werd
waargenomen. Precipitatie van sulfiden met sporenelementen werd bijgevolg geacht een limitatie van
micronutriënten te veroorzaken, zoals Fe, en aldus te leiden tot het falen van de sulfaat reactoren. Het
tijdelijke positieve effect van ijzer additie in de reactoren met sulfaat, in een latere fase van het
experiment, ondersteunde deze hypothese.
In een laatste proefopstelling werd uiteindelijk onderzocht of sulfaat reducerende bacteriën de
robuustheid van het systeem konden verhogen, indien aanwezig in lage concentraties. Sulfaat werd
vanaf de start bij een CZV/SO 2- massaratio van 8 aan 9 continue gemengde reactoren toegevoegd.
4
Gedurende de sulfaat additie werd de organisch volumetrische belasting verhoogt van 1 g CZV L-1 d-1
naar 2 g CZV L-1 d-1, waarbij gemiddeld een hogere methaanproductie in de sulfaat reactoren werd
vastgesteld dan in de controle reactoren. Zo produceerden de controle reactoren 0,13 ± 0,11 LL-1 d-1

en de sulfaat reactoren 0,17 ± 0,03 L L-1 d-1 methaan op dag 28. Een hoge sulfaat

verwijderingsefficiëntie en een stijging in inerte droge stof werd bovendien vastgesteld in de sulfaat
reactoren. Verder werd een afname in pH waarden geobserveerd in de controle reactoren tot onder
de optimale grens van 6,7. De pH in de controle reactoren bleef ongeveer constant tot dag 28. Op het
einde van de opstartfase (dag 28) werden propionaat concentraties tot 5651 ± 879 mg CZV L-1 bereikt
in de controle reactoren, terwijl de concentraties in de sulfaat reactoren 3781 ± 350 mg CZV L-1
bedroegen.
Tijdens een tweede fase van het experiment werden additioneel Fe-oxiden of Ca-oxiden toegevoegd
aan telkens 3 sulfaat reactoren. Enkel de Fe-oxiden hadden op bepaalde dagen een significant positief
effect op de biogasproductie. Op het einde van fase 2 werden uiteindelijk zeer hoge propionaat
concentraties bereikt in alle reactoren, in een range van 7170 ± 335 mg CZV L-1, met het grote verschil
dat de biogasproductie in de controle reactoren volledig was stilgevallen en de pH ver onder het
optimale gebied was gezakt, terwijl in de reactoren met sulfaatadditie wel nog biogasproductie werd
geobserveerd. Bovendien bevond de pH zich nog binnen het optimale gebied. De aanwezigheid van
sulfaat reducerende bacteriën verhoogde aldus de stabiliteit van het systeem en voorkwam het
stilvallen van de methaanproductie, zelfs bij hoge vluchtige vetzuren concentraties. Het uitblijven van
een eventuele micronutriënten limitatie door sulfiden precipitatie met sporenelementen was
vermoedelijk te wijten aan het gebruik van granulair slib als inoculum. De structuur en de eventuele
IV
hogere concentraties aan sporenelementen in granulair slib zou het falen van de microbiële
gemeenschap, omwille van micronutriënten limitatie, voorkomen kunnen hebben.
De additie van sulfaat bij een CZV/SO 2- massaratio van 8 leidde dus tot 2 respectieve scenario’s.
4
Enerzijds gaf sulfiden productie aanleiding tot precipitatie van sporenelementen, zoals Fe. Dit
veroorzaakte uiteindelijk micronutriënten limitatie en aldus procesinstabiliteit. Anderzijds verhoogde
de aanwezigheid van sulfaat reducerende bacteriën de functionele redundantie van het systeem,
waardoor de stabiliteit van het vergistingsproces toenam. De reactoren in het tweede scenario waren
vermoedelijk minder gevoelig aan een micronutriënten limitatie, omwille van de aanwezigheid van
granulen. Uiteindelijk zijn sulfaat reducerende bacteriën dus in staat om de stabiliteit van het proces
te verhogen. Het gebruik van FeSO zou dit stabiliserend effect kunnen promoten, terwijl instabiliteit
4
door micronutriënten limitatie wordt vermeden. Het stimuleren van sulfaat reducerende bacteriën in
anaerobe vergisting kan een belangrijk middel zijn om de robuustheid van het systeem te verhogen en
zou aldus een wijdverspreide invoering van anaerobe vergisting, in duurzame water hergebruik
strategieën, kunnen ondersteunen.

V
Summary
Anaerobic digestion is an established industrial technology, which has an important role in today’s bio-
economy. It is one of the core technologies for sustainable management of organic waste streams.
Anaerobic digestion can simultaneously reduce the amount of pollution and reduce the dependency
on fossil fuels, via biogas production. In spite of these benefits, instability problems are often
encountered in anaerobic digestion, which often prevents a successful implementation of anaerobic
digestion in sustainable water treatment strategies. The European Union demands that by the year
2020, 20% of the European energy should be covered by renewable energy sources. The contribution
of anaerobic digestion should be at least 25%. In this research the main objective was to optimize the
anaerobic process to an even more stable and robust system, to support the widespread application
of this sustainable technique.
The main idea was to increase the functional redundancy of the system and, thus, the stability. Process
instability often leads to accumulation of volatile fatty acids to potential toxic concentrations, during
which the pH tends to decline under the optimal range of 6.8 and 7.5 The presence of other volatile
fatty acids consuming micro-organisms, next to methanogens, could possible help to prevent volatile
fatty acid accumulation and subsequent process failure. In this perspective the potential beneficial
effect of sulphate reducing bacteria on the digestion process was investigated. Sulphate was added to
stimulate the growth of the sulphate reducing bacteria. Sulphate in waste stream leads to the
reduction of sulphate to toxic sulphides by sulphate reducing bacteria and competition with other
micro-organisms of the anaerobic consortium for substrate often leads to destabilising conditions.
In a first experiment a possible additional stress factor was investigated, namely bio-availability
limitations of micro-nutrients, due to sulphide precipitation. After a start-up phase, in which the
organic loading rate was increased from 1 g COD L-1 d-1 to 2 g COD L-1 d-1, sulphate was added to 9
continuously stirred tank reactors at a COD/SO 2- ratio of 8. A decrease in methane production was
4
observed in the reactors with sulphate addition, in contrast with the control reactors, which
maintained a stable methane production. Thus, after 21 days of sulphate addition, a clear difference
in methane production was noticeable, i.e. 0.41 ± 0.04 L L-1 d-1 in the control reactors in comparison
with 0.14 ± 0.04 L L-1 d-1 for the sulphate reactors, in which only low concentration of sulphides were
measured (0 – 10 mg L-1). High sulphate removal efficiencies (98 ± 1 %) were however observed in
addition to a strong increase in the inert solids of the sulphate reactors. Therefore, precipitation of
sulphides was probably taking place. This was confirmed with Energy-dispersive X-ray spectroscopy,
coupled to Scanning Electron Microscopy, which provided images of Fe-sulphide precipitation.
Precipitation of sulphides with trace elements was thought to cause limitation of micro-nutrients, such
VI
as Fe, which led to process failure of the sulphate reactors. The temporary positive effect of iron
addition in a later period of the experiment, supported this hypothesis.
In a final experiment it was investigated whether sulphate reducing bacteria could increase the
robustness of the system, when present in low concentrations. Sulphate was added to 9 continuously
stirred tank reactors from the start at a COD/SO 2- ratio of 8. During the sulphate addition the organic
4
loading rate was increased from 1 g COD L-1 d-1 to 2 g COD L-1 d-1. A higher methane production, on
average, was noticed in the sulphate reactors, in comparison with the control reactors. The control
reactors produced 0.13 ± 0.11 LL-1 d-1 and the sulphate reactors produced 0.17 ± 0.03 LL-1 d-1 at day

28. At the end of the start-up phase (day 28) propionate concentrations up to 5651 ± 879 mg COD L-1
were reached in the control reactors, while the concentrations in the sulphate reactors were around
3781 ± 350 mg COD L-1.
During the second experimental phase, Fe-oxides or Ca-oxides were additionally fed to some reactors,
but only the Fe-oxides had a significant positive effect on the biogas production during a limited
number of days. At the end of phase 2, high propionate concentrations were reached in all the reactors,
in a range of 7170 ± 335 mg COD L-1. The biogas production in the control reactors was completely
stopped and the pH was dropped under the optimal range, while in the reactors with sulphate addition
the biogas production was still going on, and the pH remained in the optimal range. The presence of
sulphate reducing bacteria thus, increased the stability of the system, and prevented process failure,
even at high volatile fatty acids concentrations. The absence of potential micro-nutrient limiting
conditions, because of sulphide precipitation, was probably due to the usage of granular sludge as
inoculum. The structure and the potential higher concentrations of trace elements in granular sludge
could have prevented process failure due to micro-nutrient limitation.

VII
Inhoudsopgave

Dankwoord .............................................................................................................................................. II
Samenvatting .......................................................................................................................................... III
Summary ................................................................................................................................................ VI
Lijst van figuren ....................................................................................................................................... X
Lijst van tabellen ..................................................................................................................................... XI
Lijst van afkortingen en symbolen ........................................................................................................ XII

Deel 1. Literatuurstudie .......................................................................................................................... 1
1. Inleiding ........................................................................................................................................... 2
2. Het centralised ZeroWasteWater concept ...................................................................................... 3
3. Anaerobe vergisting als sleutel-technologie voor een duurzame afvalbehandeling ...................... 6
4. Anaerobe vergisting: microbiologisch proces ................................................................................. 7
4.1 Algemeen ................................................................................................................................. 7
4.2 Syntrofe relatie ........................................................................................................................ 9
5. Stabiliteit van anaerobe vergisting ................................................................................................ 10
5.1 Parameters ............................................................................................................................ 10
5.2 Inhibities ................................................................................................................................ 13
6. Doelstelling .................................................................................................................................... 16

Deel 2. Materiaal en methoden ........................................................................................................... 18
1. Anaerobe vergisting in sulfaatrijke CSTR ....................................................................................... 19
1.1 Algemene opstelling en bedrijfsuitvoering ........................................................................... 19
1.2 Specifieke bedrijfsuitvoering ................................................................................................. 20
2. Algemene analytische methoden .................................................................................................. 23
2.1 (Elektro)chemische en fysische analyses............................................................................... 23
2.2 Moleculaire microbiële technieken ....................................................................................... 26
2.3 Energy-dispersive X-ray spectroscopy ................................................................................... 27
2.4 Berekeningen......................................................................................................................... 27

Deel 3. Resultaten ................................................................................................................................. 31
1. Anaerobe vergisting in sulfaatrijke CSTR ....................................................................................... 32
1.1 Sulfaat additie tijdens anaerobe vergisting (experiment 1) .................................................. 32
1.2 Sulfaat additie tijdens anaerobe vergisting (experiment 2) .................................................. 32
VIII
1.3 Sulfaat, Fe- en Ca-oxiden additie tijdens anaerobe vergisting (experiment 3) ..................... 43
1.4 Sulfaat additie met pulsen van Fe- en Ca-oxiden tijdens anaerobe vergisting (experiment 4)
............................................................................................................................................... 46

Deel 4: Discussie ................................................................................................................................... 56
1. Inleiding ......................................................................................................................................... 57
2. Het destabiliserend vermogen van sulfaat reducerende bacteriën .............................................. 58
2.1 Stabiliteitsparameters: biogasproductie, pH en VVZ ............................................................ 58
2.2 Overige effluent karakteristieken: sulfaat verwijderingsefficiëntie, inerte droge stof en
fosfaat concentratie. ......................................................................................................................... 61
2.3 Conclusie ............................................................................................................................... 65
3. Stabiliserend vermogen van sulfaat reducerende bacteriën ........................................................ 66
3.1 Stabiliteitsparameters: biogasproductie, pH en vluchtige vetzuren ..................................... 66
3.2 Overige effluent parameters: sulfaat verwijderingsefficiënties, inerte droge stof en
fosfaatconcentraties .......................................................................................................................... 68
3.3 Conclusie ............................................................................................................................... 69
4. Praktische uitvoering en toekomstig onderzoek ........................................................................... 71
5. Algemene conclusie ....................................................................................................................... 71

Deel 5: Referenties ............................................................................................................................... 72

BIJLAGEN (enkel digitaal beschikbaar)
Bijlage 1: aanvullende resultaten (experiment 1)
Bijlage 2: aanvullende resultaten (experiment 2)
Bijlage 3: aanvullende resultaten (experiment 3)
Bijlage 4: aanvullende resultaten (experiment 4)

IX