JoVE Journal > Environment
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
Nederlands

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Environment

Het meten van het biomethaanpotentieel van voedselresten die anaeroob zijn vergist samen met door afval geactiveerd slib met behulp van respirometrie

Published: April 26, 2024
doi:
10.3791/66485
, , , , , , ,
1Department of Geography and Environmental Engineering,United States Military Academy

Summary

Dit protocol beschrijft een best practice voor het bepalen van methaanproductie en microbiële kinetische parameters met behulp van respirometrie voor anaërobe microbiota, co-vergisting van voedselresten en door afval geactiveerd slib.

Abstract

Het gebruik van respirometrie om de biokinetiek van microbiota te bestuderen, afvalwater te behandelen of afvalwaterslib te verteren, is de afgelopen decennia steeds gebruikelijker geworden. Het gebruik van respirometrie om de biokinetiek van anaërobe microbiota te onderzoeken, waarbij organische afvalstromen zoals afvalwater, slib en voedselresten worden meeverteerd, is een gebied van actief onderzoek. Tot op heden is er geen gevisualiseerd protocol over het onderwerp gepubliceerd. Daarom hebben we in dit protocol een ademhalingsmeter geconfigureerd om de methaanproductie en stroomsnelheid in de loop van de tijd te meten met behulp van drie verschillende verhoudingen tussen voedsel en micro-organismen (F:M) en voedselresten en door afval geactiveerd slib als substraten. De resulterende gegevens, in combinatie met metingen van het substraatgebruik, vormen de basis om te begrijpen hoe verschillende substraatconcentraties de snelheid beïnvloeden waarmee anaërobe microbiota methaan produceren. Bovendien presenteert dit protocol een methode om biokinetische parameters te ontwikkelen (bijv. Methaanproductiesnelheid, constante en opbrengst). Anderen kunnen dit respirometrieprotocol gebruiken om organische afbraak onder anaërobe omstandigheden te onderzoeken en microbiële parameters te ontwikkelen.

Introduction

Onderzoekers bestuderen microbiële activiteit op bankschaal met behulp van verschillende benaderingen, waaronder batchstudies, microkosmossen en respirometrie. Respirometers kunnen worden gebruikt om cellulaire ademhaling te meten tijdens de groei- en/of vervalfasen van een microbiële gemeenschap door het substraatverbruik en de productie van eindproducten onder gecontroleerde omstandigheden te observeren1. De resultaten van respirometerstudies op tafelschaal kunnen ook worden gebruikt om biokinetische parameters voor de constructie van procesmodellen te schatten2. Respirometers zijn gebruikt om zowel aërobe als anaërobe microbiële activiteit te onderzoeken; studies met behulp van respirometrie om het biomethaanpotentieel (BMP) te meten, met name van gemengde organische substraten, is echter een gebied van lopend onderzoek 3,4.

Organische stoffen in huishoudelijk afvalwater worden erkend als een levensvatbare hernieuwbare bron van chemische energie5. Anaërobe vergisting van afvalwaterslib (d.w.z. primair slib en door afval geactiveerd slib, WAS) wordt al meer dan een eeuw gebruikt om methaanrijk biogas te produceren in afvalwaterzuiveringsinstallaties (RWZI’s)6. De vergisting van meerdere organische afvalstromen, zoals voedselresten met WAS, is echter pas de laatste jaren gangbaar geworden en is nog steeds een actief onderzoeksgebied. Voedselresten zijn in veel ontwikkelde landen een consistente afvalstroom van organisch materiaal met een hoge dichtheid, goed voor ongeveer 25% van de stortmassa in de VS7. Afgezien van het voorkomen dat een deel van de voedselresten op stortplaatsen wordt gestort, is de combinatie van voedselresten en WAS in een co-vergistingsscenario voordelig vanwege het grotere volume geproduceerd biogas (in vergelijking met een enkele organische afvalstroom). Biogas bevat doorgaans 60%-70% methaan, 30%-40% koolstofdioxide en sporen van andere gassen (bijv. waterstofsulfide)8. Het biogas kan ter plaatse bij RWZI’s worden gereinigd en verbrand met behulp van een gecombineerde warmtekrachttechnologie om een deel van de elektriciteits- en warmte-energiebehoeften te compenseren9.

Verschillende studies hebben het biomethanisatiepotentieel en de biokinetische parameters van anaërobe microbiota die organisch afval co-verteren onderzocht1. Beschikbare studies in de literatuur hebben batch-assays gebruikt in serumflessen waarbij de methaanproductie op discrete punten tijdens het experiment wordt gemeten, terwijl anderen de methaanproductie hebben gemeten met behulp van flowmeters die rechtstreeks zijn aangesloten op bioreactoren op bank- of pilotschaal 2,10,11. Continue meting van de methaanproductie met behulp van een respirometer, zoals beschreven in dit protocol, kan continue en nauwkeurige methaanmetingen opleveren van een groot aantal monsters die onder verschillende experimentele omstandigheden zijn uitgevoerd 1,12. Hoewel verschillende studies de methaanproductie hebben gemeten door co-vergisting van WAS in combinatie met andere organische substraten, zoals bioafval, vetten, oliën, vetten en landbouwafval10,13,14, is er nog veel werk aan de winkel om de methaanproductiesnelheden te identificeren uit de grote verscheidenheid aan co-vergistingsscenario’s. Verder is er tot op heden geen beschikbaar protocol dat een diepgaande, stapsgewijze aanpak biedt met behulp van visuele afbeeldingen voor het meten van methaanproductie uit de co-vergisting van voedselresten en WAS. Dienovereenkomstig presenteert deze studie een respirometerprotocol om de methaanproductie te meten en biokinetische parameters af te leiden met behulp van een mix van verdund afvalwater, WAS en voedselresten als substraten. Verschillende verhoudingen tussen voedsel en micro-organismen (F:M) werden gebruikt om veranderingen in de methaanproductie op te helderen. Andere metingen omvatten vluchtige zwevende stoffen (VSS), chemisch zuurstofverbruik (CZV) en pH van elk monster. Dit protocol beschrijft het instellen van de ademhalingsmeter, het maken van monsters en kritische metingen.

Protocol

1. Voorbereiding van de ondergrond Verzamel ~1,5 L primair afvalwater, ~1 L afvalactief slib (WAS).OPMERKING: WAS-monsters moeten onmiddellijk voorafgaand aan het experiment worden genomen; WAS kan echter tot 48 uur bij 4 °C voorafgaand aan het experiment worden bewaard zonder waarneembare impact op het gebruik ervan als substraat 15,16,17. Verkrijg onmiddellijk voorafgaand aan het experiment 2 l anaërobe cultuur en houd de cultuur op 35 °C. Beperk het contact met lucht zoveel mogelijk tijdens de overdracht van de anaerobe vergister naar de opvangfles.OPMERKING: De anaërobe cultuur die in deze studie werd gebruikt, werd verkregen uit een RWZI die 8,5 MGD (38.640 m3/d) behandelde met anaërobe vergisting van primair afvalwaterslib. Een goede praktijk is om anaërobe omstandigheden te handhaven door de opvangfles met stikstofgas te spoelen voordat een anaërobe cultuurwordt verworven 13 en door anaërobe omstandigheden te handhaven tijdens transport en opslag. Verzamel voedselresten en bewaar deze tot 48 uur voorafgaand aan het experiment bij 4 °C.OPMERKING: afhankelijk van de experimentele opzet moet ervoor worden gezorgd dat voedselverspillingen worden geïdentificeerd met de doelverhoudingen van koolhydraten, eiwitten, enz. Het streefaandeel van organische stoffen in voedselverspilling zal waarschijnlijk per experiment variëren. De fractie koolhydraten, eiwitten en vetten in het verzamelde voedsel kan worden geschat op basis van gepubliceerde literatuur of worden geëvalueerd met behulp van gevestigde protocollen (bijv. gaschromatografie). 2. Bereiding van voedingssupplementen Bereid minerale basisoplossing #1 voor door 800 ml gedeïoniseerd (DI) water te mengen met CoCl2,6H 2O (0,25 g), FeCl3·6H2O (5 g), MnCl2·4H2O (0,05 g), NaMoO4·2H2O (0,005 g), NiCl2·6H2O (0,025 g), CuCl2·2H2O (0,007 g), ZnCl2 (0,025 g), H3BO3 (0,025 g) en Na2SeO4 (0,025 g). Verdun tot 1 L met gedeïoniseerd (DI) water. Bereid minerale basisoplossing #2 voor door 800 ml DI-water te mengen met CaCl2 (27,7 g) en MgCl2·4H2O (101 g). Verdun tot 1 L met DI water. Bereid een voedingsbasis voor door 800 ml DI-water te mengen met NH4Cl (38,2 g) en Na2SO4 (15 g). Pas de pH aan tot 7,0 met 3,64 N NaOH in DI-water en verdun tot 1 L met DI-water. 3. Voorbereiding van het monster Combineer voedselresten (tabel 2) in een blender (figuur 1) om een mengsel te maken. Zorg ervoor dat het mengsel vrij is van grote deeltjes voedselafval. Verdun het voedselafval met DI-water om te helpen bij het mengen. Annoteer de hoeveelheid verdunningswater voor gebruik bij het berekenen van metingen van het chemisch zuurstofverbruik (CZV). Dit verdunde voedselafval staat bekend als ‘werkafval’. Doe het werkafval in een plastic fles van 1 liter en bewaar het bij 4 °C. Label vier bekers van 2 L volgens tabel 1. Plaats bekers op een roerplaat en voeg een grote roerstaaf toe. Combineer voedselresten, WAS en verdunning (DI-water voor controle en primair effluent voor behandelingen) volgens tabel 1 in de bekers van 2 L. Voeg elk 12 ml minerale basisoplossing #1, minerale basisoplossing #2 en voedingsbodem toe. Voeg 2,4 g NaHCO3 (poeder) toe aan elk bekerglas en roer gedurende 30 s. Etiketteer acht respirometrieflessen volgens tabel 1 en voeg een magnetische roerstaaf toe.OPMERKING: Dit zal duplicaten van de controle en drie behandelingen in verschillende F:M-verhoudingen maken. Voeg aan elk bekerglas van 2 l anaëroob materiaal toe volgens tabel 1 en roer. Meet onmiddellijk 500 ml van een mengsel uit het bekerglas af met een maatcilinder en doe dit in een geëtiketteerde respirometerfles, spoel het mengsel met stikstofgas en sluit het onmiddellijk af.OPMERKING: Er moet voor worden gezorgd dat het contact van de anaërobe microbiota met atmosferische zuurstof wordt beperkt (indien beschikbaar, moet een anaërobe kamer worden gebruikt voor de overdracht). 4. Kwantificering van de beginvoorwaarden Gebruik het resterende monster uit sectie 3 (~200 ml) om de pH, totale CZV (tCOD), oplosbare CZV (sCOD), totale zwevende stoffen (TSS) en vluchtige zwevende stoffen (VSS) te meten voor elk monster18.Verdun indien nodig monsters met DI-water op basis van de detectielimieten van de meetapparatuur.OPMERKING: De procedures van de fabrikant zijn gebruikt voor COD-metingen. 5. Instelling van de ademhalingsmeter Stel de ademhalingsmeter (Figuur 2) in op de lage anaërobe instelling. Druk tegelijkertijd op de resetknop en de aan/uit-knop.OPMERKING: Dit is specifiek voor het model dat in dit onderzoek is gebruikt. Stel de koelmachine (figuur 3) in op 35.5 °C. Vul elke CO2 – vochtwasser (Figuur 4 en Figuur 5) met een 50/50 mix van CaSO4 en KOH-pellets in het midden, omgeven door glaswol aan elke kant. Sluit de buizen en naalden van de monsterflessen aan op de gaswasser en vervolgens van de gaswasser op de gasinlaat (Figuur 6). Voer op de laptop van de ademhalingsmeter het ademhalingsmeterprogramma RSA-8-v2.0 uit.OPMERKING: Deze stap is specifiek voor het model dat in dit onderzoek is gebruikt. Selecteer alle flessen in het programma en selecteer Etiketten met > gegevens bewerken. Benoem alle flessen.OPMERKING: Deze stap is specifiek voor het model dat in dit onderzoek is gebruikt. Begin met het meten van de gasproductie door de startknop in het programma te activeren. Stel het programma in om aan het einde van elk half uur gegevens te meten. Bewaak de gasproductie door Tariefgrafiek of Volumegrafiek te selecteren.OPMERKING: Deze stap is specifiek voor het model dat in dit onderzoek is gebruikt. Stop na het experiment (~7 dagen) de uitvoering in het programma, schakel de koelmachine uit en schakel de RSPF-module uit. Sla het gegevensbestand op als een CSV-bestand en converteer het vervolgens naar een MS Excel-document.OPMERKING: Deze stap is specifiek voor het model dat in dit onderzoek is gebruikt. 6. Metingen na de ademhaling Meet pH, TSS, VSS en COD op de uiteindelijke monsters zoals gedaan in sectie 4.

Representative Results

Samenstelling van voedselverspillingVoedselverspilling die in dit onderzoek werd gebruikt, bestond uit vijf verschillende soorten voedsel die doorgaans worden geserveerd in een eetgelegenheid van een universiteit. Elk voedselmonster had verschillende hoeveelheden vetten, koolhydraten en eiwitten, die worden vermeld in tabel 2. 19 Het gemengde voedselrestafval bestond voor 44% uit koolhydraten, 36% uit eiwitten, voor 16% uit vetten en voor 4% uit andere materialen. Een ongeveer gelijke massa van elk voedseltype (56 g tot 86 g) werd gebruikt om een representatief organisch substraat voor anaërobe co-vergisting te bieden. De massa voedselresten werd vervolgens gevarieerd om de gewenste F:M voor elk onderzocht scenario te bereiken (0,3, 0,7 en 1,1). Metingen van vluchtige zwevende stoffen en organische stoffenDe resultaten voor de initiële en definitieve VSS en de initiële en definitieve zuurstofbehoefte zijn te vinden in tabel 3. De zuurstofbehoefte wordt weergegeven als BZV5, die werd omgerekend van CZV met behulp van de geaccepteerde conversieratio (CZV = 1,6BOD5)8. Zoals te zien is, namen de aanvankelijke VSS-concentraties (ook weergegeven in massa in tabel 3) toe van de controlegroep tot de grootste F:M-verhouding (1,1). Elke onderzochte F:M vertoonde VSS-vernietiging, of anaërobe omzetting van organische stoffen in gasvormige eindproducten van methaan en kooldioxide. Door de conversie nam de concentratie VSS af van de eerste metingen tot de uiteindelijke metingen aan het einde van het experiment. De hoeveelheid vernietigde VSS nam toe van de controle naar grotere F:M-verhoudingen. Onverwacht overtrof de VSS-vernietiging voor het F:M = 0.7-scenario het F:M = 1.1-scenario, misschien als gevolg van remming in het F:M van 1.1-scenario. De gemeten initiële concentraties in de zuurstofbehoefte volgden dezelfde trend als VSS, d.w.z. stegen van de controle naar de grootste F:M-verhouding (tabel 3). Net als bij VSS-vernietiging daalden de BZV5-concentraties tussen de begin- en eindconcentraties, met uitzondering van de controlegroep. De zuurstofbehoefte nam toe in de controlegroep, waarschijnlijk als gevolg van endogeen verval. In tegenstelling tot VSS-destructie was de vermindering van de zuurstofbehoefte van de eerste tot de eindmeting relatief laag voor elk monster, variërend tussen 1 en 3%, en vertoonde geen trend in de F:M-verhouding. Een mogelijke reden voor deze trend is de omzetting van organische stofdeeltjes in oplosbare organische stoffen, die over lange perioden plaatsvindt en vaak een snelheidsbeperkende stap is in het metabolisme van de anaërobe microbiële consortia20. Productie van methaanDe hoeveelheden en snelheden van de methaanproductie varieerden over het bereik van F:M-verhoudingen gedurende de onderzoeksperiode van 190 uur. Experimentele resultaten toonden aan dat hogere F:M-verhoudingen grotere totale hoeveelheden methaan opleverden (figuur 7). De controlegroep, waaraan geen substraat werd toegevoegd, produceerde een kleine hoeveelheid methaan (~72 ml), waarschijnlijk als gevolg van de relatief kleine hoeveelheid oplosbaar BZV5 in het slib en/of endogeen verval. Zoals verwacht, verhoogde de toevoeging van substraat in andere scenario’s de methaanproductie ten opzichte van de controlegroep. Het F:M van 0,3 scenario leverde vijf keer meer methaan op, in volume (~354 ml), dan de controle. Het verhogen van de F:M-verhouding tot 0,7 leverde 1,6 keer meer methaan (~574 ml) op dan het F:M-scenario van 0,3. Evenzo leverde het verhogen van de F:M-verhouding tot 1,1 1,9 keer meer methaan (~1098 ml) op dan het F:M-scenario van 0,7. De maximaal waargenomen volumetrische methaanproductiewaarden (Ymax) voor elke onderzochte F:M-verhouding zijn vermeld in tabel 4. De snelheid van methaan die in de loop van de tijd werd geproduceerd, veranderde ook met de onderzochte F:M-verhoudingen. Zoals te zien is in figuur 8, nam de snelheid van de methaanproductie, evenals de tijdsduur tijdens het onderzoek dat methaan werd geproduceerd, toe naarmate de F:M toenam. In het F:M-scenario van 0,3 was er bijvoorbeeld geen waargenomen methaanproductie na 129 uur onderzoek (met een maximum van 354 ml), terwijl het F:M van 1,1-scenario aan het einde van het onderzoek nog steeds een kleine hoeveelheid methaan produceerde. In alle scenario’s nam de snelheid van het geproduceerde methaan in de loop van de tijd af als gevolg van de verminderde beschikbaarheid van substraat. Hoewel er aan het einde van het onderzoek nog steeds een overvloedige zuurstofbehoefte beschikbaar was (tabel 3), was het mogelijk dat deze niet in een biologisch beschikbare vorm was, of dat er een beperkte resterende elektronenacceptor (bijv. koolstofdioxide) was voor de anaërobe microbiota. Ten slotte blijkt uit een vergelijking van het geproduceerde methaan (ml) per waargenomen VSS vernietigd (mg) dat de waarden voor F:M van 0,3 en 0,7 een bereik van 1,3 tot 1,6 ml/mg opleverden, terwijl de F:M van 1,1 meer methaan produceerde per vernietigde eenheid VSS (3,7 ml/mg) (tabel 4). Tchobanoglous et al. (2014) geeft typische bereiken voor gasopbrengst per eenheid vernietigde vaste stoffen voor gewone grondstoffen, waaronder vetten (~1,4 ml/mg), vet (~1,1 ml/mg) en eiwit (~0,7 ml/mg)8. Mata-Alvarez et al. (2014) beoordeelden studies die afvalwaterslib co-vergisten met een verscheidenheid aan substraten en verschillende substraatverhoudingen (bijv. verschillende verhoudingen van WAS en FOG), in bioreactoren op tafelschaal en op pilotschaal10. Ze ontdekten dat de gerapporteerde methaanproductie per vernietigde eenheid VSS aanzienlijk varieerde met de substraten die mede werden verteerd, evenals de verhouding van de substraten, variërend van 0,2 ml tot 1,1 ml biogas per mg VS vernietigd. Representatieve resultaten van deze studie, vooral voor F:M van 0,3 en 0,7, steken gunstig af bij de resultaten van vergelijkingsstudies. Biokinetische parametersDe methaanproductie in de loop van de tijd kan worden gebruikt om verschillende belangrijke biokinetische parameters te bepalen. Deze biokinetische parameters kunnen verder worden gebruikt om de methaanproductie in vergelijkbare scenario’s te voorspellen zonder het gebruik van de respirometer. De constante van de methaanproductiesnelheid, k, kan worden afgeleid met behulp van een logaritmische kleinste kwadratische aanpassing aan de waargenomen ademhalingsmetergegevens voor elke onderzochte F:M-verhouding (d.w.z. die weergegeven in figuur 8). Een representatieve logaritmische functie voor het F:M van 0,3 scenario is y = 93,465ln(X) – 175,91. Hier is de waarde van 93,465 in eenheden van uren, die moeten worden omgerekend naar dagen en vervolgens omgekeerd, wat een k = 0,257 oplevert. De snelheidsconstanten (k) en de bepalingscoëfficiënt (R2) voor elke onderzochte F:M-verhouding zijn opgenomen in tabel 4. De snelheidsconstante kan vervolgens worden gebruikt om de opbrengst van methaan op een bepaald moment voor elke F:M-verhouding te bepalen. De snelheid waarmee methaan in de loop van de tijd uit het organische substraat wordt geproduceerd, kan worden gemodelleerd met behulp van de volgende vergelijking [1]21: (1) Als we de bovenstaande vergelijking tussen de limieten t = 0 en t = t integreren, krijgt u het volgende [2]: (2) Waarbij, Y = methaanopbrengst op elk moment [ml]; Ymax = maximaal waargenomen methaanopbrengst uit het respirometeronderzoek [ml]; k = constante van de methaanproductiesnelheid [D-1]; t = tijd [d] Hoewel de eerste-ordebenadering die is gebruikt om biokinetische parameters te ontwikkelen die hierboven is gepresenteerd, een zeer redelijke pasvorm biedt voor de experimentele gegevens (zoals aangegeven door R2-waarden in tabel 4), hebben andere studies het gebruik van andere modellen gerapporteerd om te passen bij methaanproductiegegevens, waaronder het gemodificeerde Gompertz-model, het twee-substraatmodel en het kegelmodel2. Figuur 1: Blender van etensresten. Standaard blender die wordt gebruikt om voedselresten te combineren. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 2: Respirometer. Volledige opstelling van de ademhalingsmeter om de methaanproductie te meten. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 3: Monsterflesje in de koelmachine van de ademhalingsmeter. Binnenaanzicht van de koelmachine van de ademhalingsmeter met acht monsterflessen. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 4: Respirometer scrubber. Close-up van de respirometer scrubber. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 5: Respirometer scrubber naar regelmodule. Beeld van de ademhalingsmeter van de regelmodule en de opstelling van de scrubber. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Afbeelding 6: Instelling van de gaspedaalschrobzuigleiding. Close-up van de opstelling van de schrobzuigleiding tussen monsterflessen en de ademhalingsmeter. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 7: Totale methaanproductie met behulp van verschillende F:M-verhoudingen. De methaanproductie voor elke F:M (0,3, 0,7, 1,1) wordt in de tijd (0 uur tot 190 uur) weergegeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Figuur 8: Methaanproductiesnelheid met behulp van verschillende F:M-verhoudingen. De methaanproductiesnelheid voor elke F:M (0,3, 0,7, 1,1) wordt in de loop van de tijd weergegeven (0 uur tot 190 uur). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken. Tabel 1: Bestanddeel van de monsterfles met voedsel-tot-microbe-verhoudingen. Massa, concentratie en volume van de bestanddelen voor elke F:M (0,3, 0,7, 1,1) en de blanco flessen. Klik hier om deze tabel te downloaden. Tabel 2: Voorbeeld van de samenstelling van het organische substraat. Massa van voedselverspilling en procentuele samenstelling door voedsel en aandeel koolhydraten, eiwitten en vetten. Klik hier om deze tabel te downloaden. Tabel 3: Monster van vluchtige zwevende stof en resultaat van het zuurstofverbruik (± standaarddeviatie). VSS en COD voor elke F:M (0.3, 0.7, 1.1). Klik hier om deze tabel te downloaden. Tabel 4: Voorbeeld kinetische parameters. Berekende kinetische parameters op basis van methaanopbrengst. Klik hier om deze tabel te downloaden.

Discussion

De methoden in dit protocol kunnen onderzoekers en praktijkmensen helpen bij het bepalen van het biomethaanpotentieel van anaerobe vergisting van organische afvalstromen met behulp van respirometrie. In dit protocol demonstreren we de methaanproductie door co-vergisting van een typische afvalstroom van voedselresten in combinatie met WAS van een RWZI over een reeks F:M-verhoudingen. Dit protocol draagt bij aan de literatuur door een stapsgewijze respirometriebenadering te bieden voor continue meting van methaanproductie en bepaling van biokinetische parameters met behulp van kinetische modellering van de eerste orde. Verschillende andere studies hebben microkosmosexperimenten gebruikt die de methaanproductie op discrete tijdstippen meten 10,22, terwijl andere methaan hebben gemeten met behulp van flowmeters die zijn bevestigd aan langlopende bioreactoren op continuous-flow of pilotschaal14,23. Respirometrie biedt het voordeel dat de methaanproductie continu wordt gemeten onder verschillende experimentele omstandigheden. Aangezien respirometrie-experimenten de bouw van een bioreactor niet vereisen, kunnen de experimentele omstandigheden relatief vaak worden gewijzigd in vergelijking met sommige experimenten op bank- of pilotschaal. Vanwege dit voordeel kunnen respirometrie-experimenten worden gebruikt om de methaanproductie te bepalen door co-vergisting van talloze combinaties van organisch afval in een relatief korte tijd. Als volgende stap op het protocol dat in deze studie wordt gepresenteerd, kunnen vetten, oliën en vetten, die zeer dicht zijn in chemische energie in vergelijking met WAS, bijvoorbeeld samen met voedselresten worden verteerd om de waarschijnlijke toename van methaanvorming in de loop van de tijd te kwantificeren. De toepassing van deze benadering kan verder bouwen aan de literatuur over methaangeneratiesnelheden en biokinetische parameters over meerdere substraatcombinaties in co-vergistingsschema’s. Verder kunnen, naast het bepalen van optimale substraatcombinaties, methaanproductieresultaten en biokinetische parameters worden gebruikt om prestatiemodellering te informeren in bestaande programma’s, zoals programma’s die zijn ontworpen voor afvalwaterzuivering, of om te voorspellen hoe co-vergistingsschema’s zullen presteren wanneer ze worden opgeschaald van bank- of pilotschaal naar volledigeschaal 24,25.

Bovendien kan dit protocol worden gewijzigd om een op maat gemaakte substraatvoeding toe te passen voor het anaërobe microbiële consortium. Als een onderzoeker bijvoorbeeld de effecten wil onderzoeken van het verstrekken van alleen koolhydraten of alleen eiwitten aan anaërobe microbiota, dan kan de grondstof in dit protocol dienovereenkomstig worden gewijzigd. Als een onderzoeker de impact wil testen van het toevoegen van een specifieke fractie CZV (bijv. alleen oplosbare CZV of alleen deeltjesvormige CZV) of hoge concentraties van een bepaald substraat (bijv. acetaat, vluchtig vetzuur en tussenproduct van het anaërobe metabolisme) op de methaanproductie, kan een variatie van dit protocol worden gebruikt. Een waargenomen beste praktijk bij het wijzigen van substraat of het afwisselen van de F:M van een bepaald substraat is om voor elk monster dezelfde massa anaërobe microbiota te behouden en alleen de massa van het substraat aan te passen (massa-massaverhoudingen moeten worden gebruikt). Naast het aanpassen van substraten kunnen onderzoekers dit protocol gebruiken in combinatie met andere analyses om een beter inzicht te krijgen in het gebruik van substraten en de methaanproductie. Een onderzoeker zou dit protocol bijvoorbeeld kunnen gebruiken in combinatie met microbiële gemeenschapsanalyses (bijv. 16S rRNA-gensequencing of metagenomics) om de gemeenschapsstructuur beter te relateren aan functie.

Ondanks het nut van deze methodologie zijn er verschillende beperkingen. Respirometers en biomethaanpotentiaaltests worden meestal geconfigureerd als batchreactoren; Anaërobe covergisters op ware grootte worden echter normaal gesproken gebruikt als continue stroomsystemen met slibretentietijden van meer dan 10 dagen1. Dienovereenkomstig zijn de gegevens die zijn verkregen uit respirometrie-experimenten nuttig voor het schatten van methaangeneratiesnelheden en het ontwikkelen van biokinetische parameters, maar deze gegevens moeten in het veld worden gevalideerd met behulp van grootschaligere vergisters die indien mogelijk in de loop van de tijd worden gebruikt.

Bovendien moet zorg worden besteed aan het selecteren en voorbereiden van monsters voorafgaand aan respirometrie. Grote deeltjes voedselresten zullen VSS- en COD-metingen scheeftrekken en kunnen onnauwkeurige resultaten opleveren. Als voedselresten als substraat worden gebruikt, moet het mengsel goed gemacereerd zijn en vrij van grote voedseldeeltjes – een benadering die lijkt op maceratie bij voedselresten die putjes ontvangen bij grootschalige vergisters. Verdunning met DI-water kan helpen bij het mengproces en is vergelijkbaar met de toevoeging van water dat vaak wordt gebruikt wanneer voedselresten op grotere schaal worden gemacereerd. Er moet echter alles aan worden gedaan om ervoor te zorgen dat verdunningen goed worden gemeten en dat het beoogde vochtgehalte wordt bereikt. Verwatering kan gemakkelijk een bron van fouten zijn, vooral als onervaren studenten dit protocol uitvoeren.

Aangezien de microbiële consortia die in co-vergisting bestaan, obligate anaëroben bevatten, moet speciale zorg worden besteed aan het elimineren (of sterk verminderen) van blootstelling aan zuurstof tijdens de overdrachts- en monstervoorbereidingsprocessen. Zuurstof kan uit monsterflessen worden verwijderd door middel van stikstofspoeling. Verder moet, indien beschikbaar, het overbrengen van anaërobe cultuur tussen afnameflessen en respirometermonsterflessen worden uitgevoerd in een anaërobe kamer. Aangezien de respirometer consistente resultaten levert (methaanproductievolumes en -snelheden), kan elke afwijking van de verwachte resultaten, bijvoorbeeld een niet-levensvatbaar microbieel consortium, gemakkelijk worden geïdentificeerd aan het begin van de test. Het gebruik van een duplicaat of drievoud kan verder helpen bij het identificeren van foutieve tests.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Wij danken Dr. Jim Young van Respirometer Systems and Applications voor de discussie over de ontwikkeling van dit protocol.

Materials

103 °C Oven Isotemp Fisher Scientific 13-247-737F Model: 737F, Force Air Oven
550 °C Vulcan Oven Neytech (Manufacturer) / Cole Palmer (Vendor) 9493308 Model: 3-550
Aerobic/Anaerobic Respirometer Respirometer System and Applications (RSA) PF-8000 Model: PF-8000
Analytical Balance Mettler Toledo 30029075 Model: ME204E, Detection Limit: 0.1 mg
Smoothie Blender with 56 oz Plastic Jar Hamilton Beach 50190F Model: 50190F
COD Vials TNT Plus Vial Test HACH TNT821 TNT 821, 3–150 mg/L COD
COD Vials TNT Plus Vial Test HACH TNT822 TNT 822, 20–1500 mg/L COD
Dessicator SP Bel-Art 942070050 Model: SP Scienceware
Dionized Water System Milli-Q ZIQ7010T0C IQ 7010 Pure & Ultrapure Water Purification System
Anhydrous CaSO4 W.A. Hammond Drierite Company 13001 8 Mesh, 1 lb
Glass Fiber Filters Whatman (Manufacturer) / Cole-Parmer (Vendor) 1827-150 Model: 934-AH
Heat Digestor Block HACH DRB200-02 DRB 200
Hot Plate Stirrer Corning 6795-620D Model: PC-620D
Industrial-Grade Nitrogen (Compressed Cylinder) Air Gas NI UHP300 300 cubic feet
Pellets (KOH) Fisher Scientific AC134062500 500 g
pH Meter Fisher Scientific 13-636-AP115 AP115, Accumet pH meter
UV Spectrophotometer HACH LPV400.99.00012 DR 3900
Vaccum Pump GAST 1HAB-25-M100X
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Mainardis, M., Buttazzoni, M., Cottes, M., Moretti, A., Goi, D. Respirometry tests in wastewater treatment: Why and how? A critical review. Sci Total Environ. 793, 148607 (2021).
  2. Pan, Y., et al. Synergistic effect and biodegradation kinetics of sewage sludge and food waste mesophilic anaerobic co-digestion and the underlying stimulation mechanisms. Fuel. 253, 40-49 (2019).
  3. Argiz, L., et al. Assessment of a fast method to predict the biochemical methane potential based on biodegradable COD obtained by fractionation respirometric tests. J Environ Manage. 269, 110695 (2020).
  4. Carucci, A., et al. Aerobic storage by activated sludge on real wastewater. Water Res. 35 (16), 3833-3844 (2001).
  5. McCarty, P. L., Bae, J., Kim, J. Domestic wastewater treatment as a net energy producer-Can this be achieved. Environ Sci Technol. 45 (17), 7100-7106 (2011).
  6. McCarty, P. The development of anaerobic treatment and its future. Water Sci Technol. 44 (8), 149-156 (2001).
  7. From farm to kitchen: The environmental impacts of U.S. food waste Part 1. United States Environmental Protection Agency Available from: https://www.epa.gov/system/files/documents/2021-11/from-farm-to-kitchen-the-environmental-impacts-of-u.s.-food-waste_508-tagged.pdf (2021)
  8. Tchobanoglous, G., Burton, F. L., Stensel, H. D. . WastewaterEngineering:TreatmentandReuse. 5th ed. , (2014).
  9. Pfluger, A., et al. Anaerobic digestion and biogas beneficial use at municipal wastewater treatment facilities in Colorado: A case study examining barriers to widespread implementation. J Clean Prod. 206, 97-107 (2019).
  10. Mata-Alvarez, J., Dosta, J., Romero-Güiza, M. S., Fonoll, X., Peces, M., Astals, S. A critical review on anaerobic co-digestion achievements between 2010 and 2013. Renew Sust Energ Rev. 36, 412-427 (2014).
  11. Pfluger, A. R., Hahn, M. J., Hering, A. S., Munakata-Marr, J., Figueroa, L. Statistical exposé of a multiple-compartment anaerobic reactor treating domestic wastewater. Water Environ Res. 90 (6), 530-542 (2018).
  12. Razaviarani, V., Buchanan, I. D. Calibration of the Anaerobic Digestion Model No. 1 (ADM1) for steady-state anaerobic co-digestion of municipal wastewater sludge with restaurant grease trap waste. Chem Eng J. 266, 91-99 (2015).
  13. Zhu, H., et al. Biohydrogen production by anaerobic co-digestion of municipal food waste and sewage sludges. Int J Hydrog Energy. 33 (14), 3651-3659 (2008).
  14. Serna-García, R., Ruiz-Barriga, P., Noriega-Hevia, G., Serralta, J., Pachés, M., Bouzas, A. Maximising resource recovery from wastewater grown microalgae and primary sludge in an anaerobic membrane co-digestion pilot plant coupled to a composting process. J Environ Manage. 281, 111890 (2021).
  15. Gossett, J. M., Belser, R. L. Anaerobic digestion of waste activated sludge. J Environ. 108 (6), 1101-1120 (1982).
  16. Yi, H., Han, Y., Zhuo, Y. Effect of combined pretreatment of waste activated sludge for anaerobic digestion process. Procedia Environ Sci. 18, 716-721 (2013).
  17. Nah, I. W., Kang, Y. W., Hwang, K. Y., Song, W. K. Mechanical pretreatment of waste activated sludge for anaerobic digestion process. Water Res. 34 (8), 2362-2368 (2000).
  18. American Public Health Association. . Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater. Vol. 10. American Public Health Association. , (2012).
  19. Food Data Central. US Department of Agriculture Available from: https://fdc.nal.usda.gov/ (2024)
  20. Vanzin, G., Pfluger, A., Almstrand, R., Figueroa, L., Munakata-Marr, J. Succession of founding microbiota in an anaerobic baffled bioreactor treating low-temperature raw domestic wastewater. Environ Sci Water Res Technol. 8 (4), 792-806 (2022).
  21. Negi, S., Dhar, H., Hussain, A., Kumar, S. Biomethanation potential for co-digestion of municipal solid waste and rice straw: a batch study. Bioresour Technol. 254, 139-144 (2018).
  22. Rostkowski, K. H., Pfluger, A. R., Criddle, C. S. Stoichiometry and kinetics of the PHB-producing Type II methanotrophs Methylosinus trichosporium OB3b and Methylocystis parvus OBBP. Bioresour Technol. 132, 71-77 (2014).
  23. Pfluger, A., Vanzin, G., Munakata-Marr, J., Figueroa, L. An anaerobic hybrid bioreactor for biologically enhanced primary treatment of domestic wastewater under low temperatures. Environ Sci Water Res Technol. 4 (11), 1851-1866 (2018).
  24. Callahan, J. L., Pfluger, A. R., Figueroa, L. A., Munakata-Marr, J. BioWin® modeling of anaerobic sludge blanket treatment of domestic wastewater. Bioresour Technol Rep. 20, 101231 (2022).
  25. Linvill, C., Butkus, M., Bennett, E., Wait, M., Pytlar, A., Pfluger, A. Energy balances for proposed complete full-scale anaerobic wastewater treatment facilities. Environ Eng Sci. 40 (11), 482-493 (2023).

Tags

RespirometryBiokineticsAnaerobic Co-digestionFood Scrap WasteWaste-activated SludgeMethane ProductionSubstrate UtilizationBiokinetic Parameters

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Krueger, B., Shetty, A., Esqueda, D., Bentley, L., Hooper, J., Zumbuhl, A., Butkus, M., Pfluger, A. Measuring Biomethane Potential of Food Scrap Waste Anaerobically Co-Digested with Waste-Activated Sludge Using Respirometry. J. Vis. Exp. (206), e66485, doi:10.3791/66485 (2024).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image