Characterization of a mesophilic anaerobic inoculum by means of methanogenic activity tests

Abstract

The anaerobic digestion is a well-known technology to treat wastes with a high potential of methane recovery (i.e. manures, slaughterhouse waste, animal by-products waste and other types of organic wastes) even presenting a relatively high nitrogen content. However, wastes with high nitrogen content involve several problems on the anaerobic digestion process. Ammonia causes inhibition on aceticlastic methanogens but in lesser extend on Syntrophic Acetate Oxidation microorganisms (SAO) or on hydrogenotrophic methanogens. Thus, working with SAO population it is possible to avoid or to decrease the effects of the inhibition by ammonium. The aim of this project is to characterize a mesophilic anaerobic inoculum likely to have presented SAO activity, in the past, through methanogenic activity tests. In this study, the effect of acetate, hydrogen and ammonia concentrations on the methanogenic activity was elucidated in two experiments; in the first one, an anaerobic mesophilic inoculum was exposed to diverse concentrations of acetate and ammonia in presence of hydrogen, and in the second, a SAO mesophilic inoculum was exposed to a high ammonia and acetate concentrations. The methanogenic activities were determined through sequential batch experiments estimating the acetate and hydrogen consumption rates and also the methane production rate. After a three successive pulses of acetate and hydrogen during 140 days, it was observed a decrease on the hydrogenotrophic activity and a increase on the aceticlastic activity. According to our results and considering that the inoculum came from a reactor characterized by a retention time of 65 days, fed with protein-rich wastes and operated with high content of ammonia nitrogen in the digester, it is possible to hypothesize that the reactor presented SAO activity.

La digestió anaeròbia és una tecnologia àmpliament coneguda per al tractament de residus amb un elevat potencial de recuperació de metà (com ho són els purins, els residus carnis, els subproductes animals o altres tipus de residus orgànics), tot i que presentin un contingut de nitrogen relativament elevat. No obstant, els residus amb un alt contingut de nitrogen presenten problemes pel procés de la digestió anaeròbia. L'amoníac causa inhibició a la població metanogènica acetoclàstica i ho fa en menor proporció sobre els microorganismes Sintròfics Oxidadors de l'Acetat (SAO) o sobre la població metnogènica hidrogenotròfica. Per tant, treballant amb una població SAO és possible eliminar o disminuir els efectes de la inhibició per l'amoníac. L'objectiu d'aquest projecte és el de caracteritzar un inòcul anaeròbic mesofílic, que presumptament ha presentat activitat SAO en el passat, mitjançant assaigs d'activitat metanogènica. En aquest estudi es va avaluar l'efecte de la concentració de l'acetat, de l'hidrogen i de l'amoníac sobre l'activitat metanogènica mitjançant dos experiments: el primer, on un inòcul anaeròbic mesofílic va ser exposat a diferents concentracions d'acetat i d'amoníac en presència d'hidrogen, i el segon, on un inòcul mesofílic SAO es va exposar a concentracions elevades d'acetat i amoníac. Les activitats metanogèniques van ésser determinades mitjançant experiments discontinus simultanis estimant les velocitats de consum d'acetat i d'hidrogen així com la velocitat de producció de metà. Després de tres alimentacions successives d'acetat i d'hidrogen, durant 140 dies, es va observar una disminució de l'activitat hidrogenotròfica així com un augment en l'activitat acetoclàstica. Segons els nostres resultats i considerant que l'inòcul procedia d'un reactor caracteritzat per un temps de retenció de 65 dies, alimentat amb residus rics en proteïnes i operant a elevades concentracions d'amoni, es possible fer l'hipòtesi de que el reactor presentava activitat SAO.

La digestión anaerobia es una tecnología ampliamente conocida para tratar residuos con un elevado potencial de recuperación de metano (como lo son los purines, los residuos cárnicos, los subproductos animales u otros tipos de residuos orgánicos) pese a presentar un contenido de nitrógeno relativamente elevado. No obstante, los residuos con un alto contenido de nitrógeno presentan problemas en el proceso de la digestión anaerobia. El amoníaco causa inhibición en la población metanogénica acetoclástica y lo hace en menor medida sobre los microorganismos Sintróficos Oxidadores del Acetato (SAO) o sobre la población metanogénica hidrogenotrófica. Por lo tanto, trabajando con una población SAO es posible eliminar o disminuir los efectos de la inhibición por el amoníaco. El objetivo de éste proyecto es el de caracterizar un inóculo anaeróbico mesofílico, que presuntamente ha presentado actividad SAO en el pasado, mediante ensayos de actividad metanogénica. En este estudio se evaluó el efecto de la concentración del acetato, del hidrógeno i del amoníaco sobre la actividad metanogénica mediante dos experimentos; el primero dónde un inóculo anaeróbico mesofílico se expuso a diferentes concentraciones de acetato y de amoníaco en presencia de hidrógeno, y el segundo dónde un inóculo mesofílico SAO se expuso a elevadas concentraciones de acetato y amoníaco. Las actividades metanogénicas se determinaron mediante experimentos discontinuos simultáneos estimando las velocidades de consumo del acetato y del hidrógeno así cómo la velocidad de producción de metano. Después de tres alimentaciones sucesivas de acetato e hidrógeno, durante 140 días, se observó una disminución de la actividad hidrogenotrófica así como un aumento en la actividad acetoclástica. Según nuestros resultados y considerando que el inóculo procedía de un reactor caracterizado por un tiempo de retención de 65 días, alimentado con residuos ricos en proteína y operado a elevadas concentraciones de amonio, es posible hacer la hipótesis de que el reactor presentaba actividad SAO.