Hydrogenotrophic methanogenic activity test: theoretical basis, protocol design discussion and experiences for biosludge at different environmental conditions

Abstract

Specific methanogenic activity is a cost-effective tool to characterize the biological activity of biosludge, to monitor reactor performance, and study the kinetics of acetate and H2 conversion to methane in anaerobic-digestion-based systems. More established protocols are applied for acetoclastic activity tests, while hydrogenotrophic activity tests are still less widespread and not standardized. Due to methodological differences, the few results found in the literature for hydrogenotrophic activity are difficult to compare. Drawbacks are observed when analyzing solids digesters, dealing with low activity values associated with biomass dilution by the substrate and inert, long measurement times, and significant microbial growth. Having a standardized technique is of utmost importance, and this thesis intends to contribute to this line. Full calculation and design conditions for hydrogenotrophic activity test are developed over this manuscript, based on kinetics for the H2/CO2 conversion to methane. An equation to calculate inoculum size is proposed, suitable for a wide variety of biosludge samples. Zero-order model fitted adequately for hydrogenotrophic activity determined in pilot-scale and full-scale reactor samples, with standard deviations for triplicates between 3 and 12%, based on headspace pressure measures. Kinetics for the four reactions involved in the last step of the anaerobic digestion process was considered to estimate methanogen fractions in microbial population and study pathway contributions during methanogenic activity tests. The inhibitor 2-Bromoethanesulfonate was dosed during methanogenic activity tests, obtaining a IC50 of 3 and 20 mM for acetoclastic and hydrogenotrophic methanogens, respectively, in granular sludge samples. Homoacetogens contributed about 6% of the hydrogenotrophic activity obtained without inhibitor; whereas, during the acetoclastic activity test, about 23% of methane was produced via syntrophic acetate oxidation, evidencing the importance of studying this route in anaerobic digestion systems. Finally, a case of solid waste digestion was analyzed, and a simple method was proposed to solve drawbacks during hydrogenotrophic test. The evolution of biomass, degradable, and non-degradable substrate was modeled for solids digestion during a batch incubation and then in a CSTR digester. Biomass correction factors were estimated and used as correctors of activity values to reflect microbial activity more accurately and improve the design of methanogenic activity tests.

Los ensayos de actividad metanogénica constituyen una herramienta rentable para la caracterización biológica de lodos, el monitoreo de reactores y el estudio cinético de la conversión de acetato e hidrógeno a metano en sistemas de digestión anaerobia. Existen protocolos establecidos para el ensayo de actividad acetoclástica, mientras que el ensayo hidrogenotrófico está poco difundido y carece de protocolo estandarizado, lo que dificulta la comparación de los pocos resultados disponibles en bibliografía. Además, existen inconvenientes en su aplicación para lodos de digestores de sólidos, debido a la dilución de la biomasa por sustrato e inerte, causando actividades bajas y tiempos largos de prueba, con crecimiento microbiano significativo. Con esta tesis, se pretende contribuir a la estandarización de la técnica, abordando la base de cálculo y discutiendo las condiciones de diseño mediante modelos cinéticos simples. Se propone una ecuación para el cálculo del tamaño del inóculo a utilizar en la prueba. Se aplica un modelo de orden cero para obtener la actividad hidrogenotrófica a partir de la presión de cámara del vial, obteniéndose un buen ajuste y desviaciones estándares de 3 a 12% para muestras de reactores industriales y de banco. Se analiza asimismo la cinética de las cuatro reacciones involucradas en la metanogénesis, para estimar las fracciones de metanogénicos en la biomasa y estudiar la contribución de cada vía en los ensayos de actividad. Al aplicar el inhibidor 2-Bromoetanosulfonato de sodio, se obtienen IC50 de 3 y 20 mM para acetoclásticos e hidrogenotróficos en lodo granular, respectivamente. Se observa una contribución de la homoacetogénesis de 6% en la actividad hidrogenotrófica, mientras que se obtiene 23% de metano por la vía de oxidación sintrófica de acetato acoplada a la metanogénesis hidrogenotrófica durante el ensayo acetoclástico, evidenciando la importancia del estudio de esta ruta. Finalmente, se analiza un caso de digestores de sólidos, modelando la evolución de la biomasa y de las fracciones biodegradables y no biodegradables. Se determinan factores de dilución de biomasa, mostrando un método simple para mejorar el diseño de los ensayos metanogénicos y corregir los valores obtenidos para que reflejen mejor la actividad biológica de lodos de digestores de sólidos.