Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Academiejaar 2011 – 2012 Valorisatie van bio-raffinage afvalstromen door middel van elektrochemisch gestuurde anaerobe vergisting Sylvia Gildemyn Promotoren: Prof. dr. ir. Korneel Rabaey & dr. ir. Tom Hennebel Tutoren: MSc. Jan Arends & ir. Jo De Vrieze Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master in de bio-ingenieurswetenschappen: milieutechnologie Auteursrechten “ De auteur en de promotor geven de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie.” “ The author and the promoter give the permission to use this thesis for consultation and to copy parts of it for personal use. Every other use is subject to the copyright laws, more specifically the source must be extensively specified when using results from this thesis.” Gent, juni 2012 De promotor, De copromotor, De auteur, Prof. Dr. ir. Korneel Rabaey Dr. ir. Tom Hennebel Sylvia Gildemyn II Dankwoord Met tevredenheid blik ik terug op vijf jaar studie, waaronder de 9 maanden thesis bij LabMET. In dit dankwoord wil ik mij dan ook richten tot iedereen bij LabMET die van dichtbij of van ver heeft geholpen bij het realiseren van dit thesiswerk. Van harte dank aan mijn promotor, professor Rabaey, voor de kritische kijk op de zaak en het steeds aanreiken van vernieuwende ideeën. Tom, je was een ongelooflijk toegankelijke en open copromotor, bedankt om mij met raad en daad bij te staan het afgelopen jaar. Jo, jij leerde me de tips en tricks van de anaerobe vergisting. Bedankt voor wat je allemaal wist te vertellen en voor de hulp bij het onderhoud van de reactoren. Jan, ik moet toegeven dat ik bio-elektrochemische systemen in augustus met enig scepticisme benaderde. Je hebt me met veel geduld en enthousiasme een andere kant van deze systemen laten ontdekken, en met succes! Ik wil ook professor Verstraete bedanken, die met zijn animo en een verhaal over “een kwartje kilo” mijn interesse in de microbiële ecologie en technologie wist aan te wakkeren. Een woord van dank ook voor alle leden van de BES-cluster, voor hun goede raad tijdens en naast de BES-meetings. Eveneens bedank ik alle collega’s van “de K32”, voor de gezellige, “warme” sfeer die er steeds heerste. Het citaat “genialiteit is 1% inspiratie en 99% transpiratie” is volgens mij speciaal voor ons de wereld ingestuurd. Bedankt ook aan alle mede-thesisstudenten van LabMET, voor de leuke momenten in het labo, de gesprekken in de gangen, de steun en vooral, voor het organiseren van LabFRET, zeker een van de meest memorabele momenten van het afgelopen jaar! Graag wil ik mijn ouders, broer Thomas en zus Delphine bedanken, voor de steun, de interesse die ze toonden, de goede raad, en de ontspannende momenten. Ontspanning bij uitstek was ook de scouts. Bedankt aan mijn medeleiding bij de scouts: samen leiding geven is en blijft een fantastische uitlaatklep. Ik kijk al uit naar mijn allerlaatste zomerkamp! Dat die vijf jaar Boerekot zo fantastisch waren, is zeker en vast dankzij alle vrienden die ik onderweg heb leren kennen: de klasgenootjes, de Boerekotbende (met uitbreiding, uiteraard)… De avonden in de Gentse binnenstad, spelletjesavonden, cocktailavonden, Boerekotfuiven of Vooruitfuiven, reizen of gewoon gezellig ‘s middags eten in de binnentuin van de faculteit, stuk voor stuk momenten die gaan bijblijven. Bedankt aan allen! III Samenvatting Biogebaseerde industrieën en processen winnen aan belang in onze maatschappij, gestuwd door hoge prijzen voor fossiele brandstoffen, klimaatverandering en het streven naar een duurzame maatschappij. Voor een succesvolle implementatie op ecologisch en economisch vlak dienen deze bio-raffinaderijen te evolueren naar een Zero Waste industrie, waarbij alle waardevolle componenten in de afvalstromen (water, energie en nutriënten) worden herwonnen en gevaloriseerd. Voor het herwinnen van energie uit organische afvalstromen geldt anaerobe vergisting als een gevestigde technologie. Desondanks kampt de technologie met problemen, zoals de lange opstartperiode, de gevoeligheid voor en trage stabilisering na procesverstoringen. In deze thesis worden een aantal strategieën onderzocht om het anaeroob vergistingsproces te optimaliseren. In een eerste luik werd onderzoek verricht naar de integratie van anaerobe vergisting met bio- elektrochemische systemen, twee technologieën die veelal als concurrerend worden beschouwd. Er werd gewerkt in twee reactorconfiguraties, een continuously stirred tank reactor (CSTR) en een upflow anaerobic sludge blanket (UASB), waarbij de elektroden telkens in de reactor werden geplaatst. Een vast spanningsverschil werd opgelegd om elektrochemische stimulatie te bekomen. Dit had tot doel de optimale configuratie en de invloed van het opgelegd spanningsverschil op de werking (methaanopbrengst, microbiologie) na te gaan. In de UASB-reactoren, gevoed met melasse, een prototype afvalstroom uit de bio-raffinage, bleek deze elektrochemische stimulatie geen impact te hebben op de werking. Drie reactoren, respectievelijk op 1 V, 0.5 V en open kring potentiaal (OKP) vertoonden eenzelfde stabiele performantie. De geleidelijke verhoging van de organische volumetrische belasting (OVB) van 3 g chemische zuurstofvraag (CZV) L-1 d-1 tot 8 g CZV L-1 d-1, bij een constante hydraulische verblijftijd r r van 2 dagen, leverde geen bewijs dat elektrochemische stimulatie het vergistingsproces verbetert. In de CSTR-configuratie werden 6 reactoren opgesteld, waarvan 3 reactoren (R1-R3) elektroden bevatten (respectievelijk 1 V, 0.5 V, OKP) en 3 controlereactoren. Tien dagen na de overschakeling op melasse als substraat verlaagde de performantie van de drie controlereactoren. De 3 experimentele reactoren behielden bij een constante OVB van 2 g CZV L-1 d-1 een goede methaanopbrengst van 265 r ml CH g-1 CZV. Kennelijk boden het elektrodemateriaal en de biofilm die zich had ontwikkeld op de 4 elektroden bescherming tegen toxische componenten in de melasse. Een invloed van de opgelegde spanning was in deze testfase echter niet merkbaar. Vervolgens werd getest of de elektroden en het spanningsverschil voor remediatie van de falende reactoren kon zorgen. Het plaatsen van de elektroden met biofilm in de falende reactoren leidde in de drie gevallen (1 V, 0.5 V en OKP) tot een stijging van de methaanopbrengst tot boven het theoretische maximum van 350 ml CH g-1 CZV, een gevolg van de afbraak van de aanwezige 4 vetzuren. De piekproductie was echter groter voor de reactor opererend op OKP, wat wijst op een IV verschil in de microbiologie van de biofilm, hetzij in haar samenstelling, hetzij in hoeveelheid micro- organismen. Door de hoge alkaliniteit resulterend uit de piekproductie raakte de reactor waarschijnlijk geïnhibeerd door ammoniaktoxiciteit. Remediatie van falende reactoren is dus mogelijk zolang de activiteit van de biofilm niet te hoog is. Waar verschillen in de biofilm zichtbaar werden bij het remediëren van de falende reactoren, werd een verschil in microbiële functionaliteit van de bulkvloeistof duidelijk bij het verder opereren van de reactoren R1-R3 zonder elektroden. De methaanopbrengst van de drie reactoren daalde meer dan een factor 3 zonder elektroden. De reactor die voordien op 1 V opereerde herstelde vrij snel, reactor R2 (voorheen 0.5 V) herstelde traag na deze performantiedaling. Reactor 3, die elektroden bevatte zonder opgelegd spanningsverschil, verzuurde, met inhibitie van de microbiologie tot gevolg. Deze elementen wijzen erop dat de stroom de resistentie of de samenstelling van de microbiologie in de bulkvloeistof heeft beïnvloed. De koppeling van anaerobe vergisting en bio-elektrochemische systemen zou kunnen resulteren in effectieve sturing van microbiële gemeenschappen. In een tweede luik werd onderzocht wat de invloed is van het inoculum op het anaeroob vergistingsproces. Vier slibstalen en een mengstaal van de inocula werden aan dezelfde omstandigheden onderworpen in CSTR-modus. Hoewel één van de slibstalen onder de testomstandigheden slecht presteerde, was de methaanopbrengst van het mengstaal steeds hoger of gelijk aan die van de drie goed presterende stalen (245 ml CH g-1 CZV bij een OVB van 2.5 g CZV L- 4 r 1 d-1). Uit dit onderzoek blijkt een mengstaal van inocula dus een goede keuze te zijn om een snelle opstart en stabiele operatie van een anaerobe vergister te garanderen. De performantie in suboptimale omstandigheden werd eveneens nagegaan, door toediening van ammoniumpulsen. De performantie van de 3 voordien stabiele reactoren en het mengstaal daalde, eerder door invloed van de hoge zoutconcentratie dan door ammoniumtoxiciteit. In deze omstandigheden bleken de samenstelling en de karakteristieken van de slibstalen van groot belang. Het mengstaal bereikte het snelst een performantiedaling van 50%. Een inoculum dat een snelle opstart en stabiele werking garandeert, levert geen zekerheid in geval van procesverstoring. Analyse van de bacteriële gemeenschap door middel van DGGE onderbouwde deze resultaten. Dit thesisonderzoek leverde verschillende interessante resultaten die, na verder onderzoek, de werking van het anaeroob vergistingsproces zouden kunnen verbeteren. Zo blijken microbiële gemeenschappen in anaerobe vergisting effectief elektrochemisch gestuurd te kunnen worden en is de keuze voor een mengstaal van inocula bij de opstart van een vergister een betere garantie op stabiele operatie van een CSTR. V Abstract Bio-based processes and products are gaining importance in our society, driven by rising fossil fuel prizes, climate change and the strive towards a sustainable society. For a successful implementation, these bio-refineries have to evolve towards a Zero Waste industry, in which all components of the waste streams (water, energy and nutrients) are recovered and valorized. Anaerobic digestion is an established technology for the recovery of energy from organic waste streams. Nevertheless, this technology faces challenges, including a long startup time, sensitivity for and slow stabilization after process disruptions. In this thesis, different strategies to optimize the anaerobic digestion process were investigated. In a first part, research was being conducted concerning the integration of anaerobic digestion with bioelectrochemical systems, two technologies that are usually regarded as competitive. The research was performed in two reactor set-ups, a continuously stirred tank reactor (CSTR) and upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor, in which electrodes were inserted in the biomass. A fixed potential difference was applied to obtain electrochemical stimulation. The objective was to determine the optimal configuration and the influence of the applied potential difference on the operation (methane yield, microbiology) of the reactors. In the UASBs, fed with molasses, a prototype waste stream from the biorefinery, the electrochemical stimulation did not have an impact on the operation. Three reactors, respectively on 1 V, 0.5 V and open circuit potential (OCP) showed an equal, stable performance. Upon gradual increase of the organic loading rate (OLR) from 3 g chemical oxygen demand (COD) L-1 d-1 to 8 g COD r L-1 d-1, at a constant hydraulic residence time of 2 days, the electrochemical stimulation was not r capable to enhance the digestion process. In the CSTR configuration six reactors were constructed, 3 reactors (R1-R3) containing electrodes (respectively 1 V, 0.5 V, OCP) and three control reactors. Ten days after the transition to molasses as substrate, the performance of the control reactors started deteriorating. The 3 experimental reactors on the other hand maintained a good methane yield of 265 ml CH g-1 COD at a constant OLR of 2 g 4 COD L-1 d-1. Apparently, the electrode material and/or the biofilm that had developed on the r electrodes offered protection against the toxic components in the molasses. However, an influence of the applied potential difference was not noticeable. In a next phase, it was tested whether the electrodes and the applied voltage could remediate the failing reactors. The switch of the electrodes with biofilm from the original reactors to the failing reactors led in all three cases ( 1 V, 0.5 V, OCP) to an increase of the methane yield above the theoretical maximum of 350 ml CH g-1 COD, a consequence of the consumption of fatty acids in the 4 broth by the micro-organisms. The peak production, however, was higher for the reactor operating on OCP, what indicates that the biofilm on the electrodes was different, or in its composition, or in the amount or activity of micro-organisms. Probably due to the high alkalinity resulting from the VI peak production, the reactor was inhibited by free ammonia. Remediation of failing reactors can therefore be possible if the activity of the biofilm is not too high. Differences in biofilm were revealed through the remediation of the failing control reactors. For the bulk liquid, a difference in microbiological functionality became clear when the reactors R1 – R3 were further operated without electrodes. The methane yield lowered by more than a factor 3 when the electrodes were removed. The reactor previously stimulated by a 1 V potential difference recovered quickly, reactor R2 (previously 0.5 V) recovered slowly after the performance drop. Reactor 3, which had contained electrodes without application of a potential difference, acidified, resulting in the inhibition of the microbiology. These elements indicate that the current had influenced the resistance or the composition of the microbial community in the bulk liquid. The coupling of anaerobic digestion and bioelectrochemical systems indeed offers opportunities for the effective control of the indigenous microbial communities. In a second part, research was conducted to investigate the influence of the chosen inoculum on the anaerobic digestion process. Four sludge samples and a mixed sample of the inocula were subjected to the same conditions in CSTR-modus. Although one of the samples showed a bad performance, the methane yield of the mixed inoculum was always at least as high as the yield of the three good performing inocula (245 ml CH g-1 COD for an OLR van 2.5 g COD L-1 d-1). From this 4 r research a mixed sludge sample seems to be a good choice to guarantee a quick start-up and stable reactor operation. The performance under suboptimal conditions was also investigated, by administration of ammonium pulses. The performance of the stable inocula and the mixed sampled lowered, but rather due to the high salt concentration than as a consequence of free ammonia toxicity. The first sample that showed a 50% lower performance was the mixed inoculum. An inoculum that guarantees a fast start-up and a stable operation does not necessarily ensure a good functioning in the case of process disruptions. Analysis of the microbial community with DGGE confirmed these findings. This thesis research delivered many interesting results that, after further research, can lead to an improvement of the anaerobic digestion process. Microbial communities in anaerobic digestion turn out to be electrochemically controllable and the choice of a mixed inoculum for the start-up of a digester guarantees a stable operation of a CSTR. VII Inhoudsopgave Lijst van figuren X Lijst van tabellen XII Lijst van afkortingen en symbolen XIII DEEL 1 - LITERATUURSTUDIE 1 Hoofdstuk 1 Inleiding 2 1.1 Zero Waste: het concept 2 1.2 Bioraffinage en melasse 2 Hoofdstuk 2 Anaerobe vergisting 4 2.1 Algemeen 4 2.2 Microbiologische processen 4 2.3 Invloedsfactoren 7 2.4 Reactortypes 8 Hoofdstuk 3 (Bio)-elektrochemische systemen 11 3.1 Algemeen 11 3.2 Microbiële elektrolysecel 15 Hoofdstuk 4 Integratie van (bio)-elektrochemische systemen en anaerobe vergisting 16 DOELSTELLINGEN 18 DEEL 2 - MATERIAAL EN METHODEN 19 Hoofdstuk 1 Experimentele opstellingen en bedrijfsvoeringen 20 1.1 Elektrochemisch gestimuleerde anaerobe vergisting 20 1.2 Inoculumtest 27 Hoofdstuk 2 Algemene analytische methoden 30 2.1 (Elektro)chemische en fysische parameters 30 2.2 Gasbepalingen 32 2.3 Moleculaire technieken 32 Hoofdstuk 3 Berekeningen 34 3.1 Gasvolumes 34 3.2 TAN-concentratie 34 3.3 Methaanopbrengst 34 3.4 Vetzuurconcentraties 34 3.5 Elektrochemische parameters 35 3.6 Foutenanalyse 35 VIII DEEL 3 - RESULTATEN 36 Hoofdstuk 1 Elektrochemisch gestimuleerde anaerobe vergisting 37 1.1 Elektrochemisch gestimuleerde anaerobe vergisting in CSTR 37 1.2 Elektrochemisch gestimuleerde anaerobe vergisting in UASB 49 1.3 Ontwikkeling van een nieuw reactortype voor elektrochemisch gestuurde anaerobe vergisting 54 Hoofdstuk 2 Inoculumtest 55 2.1 Versie 1 (A) 55 2.2 Versie 4 (B) 58 DEEL 4 - DISCUSSIE 64 Hoofdstuk 1 Inleiding 65 Hoofdstuk 2 Melasse als substraat voor anaerobe vergisting 67 2.1 Inhibitie van de methanogenen 67 2.2 Oorzaken van de toxiciteit 68 2.3 Verder onderzoek 69 Hoofdstuk 3 Elektrochemisch gestuurde anaerobe vergisting 70 3.1 Elektrochemisch gestuurde anaerobe vergisting in CSTR 70 3.2 Elektrochemisch gestuurde anaerobe vergisting in UASB 78 Hoofdstuk 4 Invloed van het entslib op anaerobe vergisting 82 4.1 Invloed van het gekozen inoculum bij stabiele reactoromstandigheden 82 4.2 Invloed van een slecht inoculum op een mengstaal 83 4.3 Invloed van het entslib bij toxische pulsen 84 4.4 Evolutie van de bacteriële gemeenschap 86 4.5 Kritische bemerkingen en verder onderzoek 87 CONCLUSIE 89 DEEL 5 - REFERENTIES 91 BIJLAGEN (enkel digitaal beschikbaar via bibliotheek Ugent) Bijlage 1: Kenmerken van de melasse Bijlage 2: Kenmerken van het inoculum gebruikt voor de elektrochemisch gestuurde anaerobe vergisting in CSTR Bijlage 3: Aanvullende resultaten CSTR-test (versie 1) Bijlage 4: Aanvullende resultaten CSTR-test (versie 2) Bijlage 5: Aanvullende resultaten UASB-test Bijlage 6: Aanvullende resultaten inoculumtest (versie A) Bijlage 7: Aanvullende resultaten inoculumtest (versie B) IX Lijst van figuren Figuur 1.1 - Voedselweb van methanogene anaerobe vergisting .................................................... 6 Figuur 1.2 - Waterstofgaspartieeldruk in anaerobe vergisting ......................................................... 7 Figuur 1.3 - Veelvoorkomende reactortypes: CSTR en UASB ........................................................... 9 Figuur 1.4 - Werkingsprincipe van een MBC en MEC ..................................................................... 11 Figuur 1.5 - Voedselweb van anodische gemeenschappen in een BES .......................................... 12 Figuur 1.6 - Directe elektrontransfer aan het elektrodeoppervlak ................................................ 14 Figuur 2.1 - CSTR: weergave van de reactoren ............................................................................... 20 Figuur 2.2 - Meettoestel voor de kwantitatieve bepaling van de biogasproductie ....................... 24 Figuur 2.3 - Schematische weergave van de UASB-opstelling ........................................................ 24 Figuur 2.4 - UASB-reactoren ........................................................................................................... 25 Figuur 2.5 - Schematische weergave van de opbouw van de gestandaardiseerde CSTR ............... 27 Figuur 3.1 - Methaanopbrengst voor de CSTR-test (versie 1) ........................................................ 39 Figuur 3.2 - pH voor de CSTR-test (versie 1) .................................................................................. 40 Figuur 3.3 - VVZ-concentratie voor de CSTR-test (versie 1) ............................................................ 40 Figuur 3.4 - Stroomdichtheid voor de CSTR-test (versie 1) ............................................................. 41 Figuur 3.5 - Stroom omgezet naar methaanequivalenten voor de CSTR-test (versie 1) ................ 41 Figuur 3.6 - Elektrodepotentialen voor de CSTR-test (versie 1) ..................................................... 42 Figuur 3.7 - Methaanopbrengst rond de elektrodewissel (CSTR-test versie 2). ............................. 45 Figuur 3.8 - pH voor de CSTR-test (versie 2) ................................................................................... 45 Figuur 3.9 - Methaanopbrengst voor de CSTR-test (versie 2) ........................................................ 46 Figuur 3.10 - VVZ-concentratie voor de CSTR-test (versie 2) .......................................................... 46 Figuur 3.11 - Stroomdichtheid voor de CSTR-test (versie 2) .......................................................... 47 Figuur 3.12 - Stoom uitgedrukt als methaanequivalenten voor de CSTR-test (versie 2) ............... 47 Figuur 3.13 - Elektrodepotentialen voor de elektrodewissel (CSTR-test versie 2) ......................... 48 Figuur 3.14 - Elektrodepotentialen na de elektrodewissel (CSTR-test versie 2) ............................ 48 Figuur 3.15 - Methaanopbrengst tijdens de opstartfase van de UASB-test ................................... 50 Figuur 3.16 - Methaanopbrengst voor de UASB-test na overschakeling op melasse .................... 50 Figuur 3.17 - Methaanopbrengst voor de UASB-test ..................................................................... 51 Figuur 3.18 - CZV-verwijderingsefficiëntie voor de UASB-test. ...................................................... 51 Figuur 3.19 - pH-verloop voor de UASB-test .................................................................................. 52 Figuur 3.20 - Stroomdichtheid voor de UASB-test .......................................................................... 52 Figuur 3.21 - Stroom omgezet naar methaanequivalenten voor de UASB-test ............................. 53 Figuur 3.22 - Elektrodepotentialen voor de UASB-test .................................................................. 53 Figuur 3.23 - Schematisch overzicht van de gestandaardiseerde eADCSTR. .................................. 54 Figuur 3.24 - Methaanopbrengst voor de inoculumtest (versie A) ................................................ 57 X