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I microrganismi nella digestione anaerobica: casi di studio

workshop ERSAF, 28 maggio, 2008. I microrganismi nella digestione anaerobica: casi di studio. Dr.ssa Aurora Rizzi. Dipartimento di Scienze e Tecnologie Alimentari e Microbiologiche (DISTAM), Università di Milano. Olive Mill Wastewater

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I microrganismi nella digestione anaerobica: casi di studio

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Presentation Transcript

  1. workshop ERSAF, 28 maggio, 2008 I microrganismi nella digestione anaerobica: casi di studio Dr.ssa Aurora Rizzi Dipartimento di Scienze e Tecnologie Alimentari e Microbiologiche (DISTAM), Università di Milano

  2. Olive Mill Wastewater Southern EuropeCountries world major producers of olive oil and hence major producers of OMW OMW characteristsics • Very high COD (up to 200 g l-1) • High content of polyphenols (up to 6 g l-1) • Relatively low pH (4-5) OMW anaerobic digestion • CH4 production • Spontaneous separation of CH4 • Low sludge production [Bertin et al. 2004 FEMS Microbiol. Ecol. 48:413-423] Polyphenols can strongly decrease the process efficiency being toxic for methanogenic Archaea, a key component of the reactor microflora [Field & Lettinga 1987 Water Res. 21:367-371] How methanogen community respond to increasing OMW organic loads?

  3. Biogas GC Gas Counter Contact reactor Fixed bed filter OMW Influent OMW Effluent Anaerobic Digester for OMW Treatment Anaerobic digester (11 L) • Up-flow fixed bed digester (7.5 L) • Contact reactor (3.5 L) • Packing with wood chips • HRT = 48 h • Temperature = 37 °C • Vol. Org. Load = 1-15 g COD l-1d-1 OMW-Influent • Diluted OMW • Influent pH = 6.1-6.4 • N correction with NH4Cl • Influent COD = 5.9-31 g l-1

  4. COD removal COD Removal (%) VOL (g COD l-1d-1) CH4 (l/10g COD rem) VOL CH4 Time (d) Process Performances

  5. Process Performances • VFA: below 800 mg l-1 • Acetic acid (C2): 70-80% of VFA • Low VFA and C2 indicate efficient acetogenic and methanogenic phases VFA and C2 (mg l-1) VOL (g COD l-1d-1) VFA VOL C2 Time (d) • At VOL 10 g COD l-1d-1 the effluent COD is 1.6 g l-1 • Since 1g C2 gives 1g COD, more than 50% of effluent COD was due to VFA • Hence low residual polyphenols A decrease of specific CH4 production at VOL of 10 g COD l-1d-1!!

  6. The average recovery of polyphenols on the basis of addition of known concentrations of gallic acid was 59%. The average percent removal of polyphenols in the ractor was 89.5% [100% for 2-(p-hydroxy)phenilethanol]. Removal of 2-(p-hydroxy)phenilethanol was calculated on the basis of the response factor of the corresponding standard while the content of the remain polyphenols was calculated using the responce factor of caffeic acid.

  7. H2 Acetate Methanogen counts (Log MPN g-1 VSS) 2.7 5.7 6.6 10.1 15.2 2.7 5.7 6.6 10.1 15.2 VOL (g COD l-1d-1) VOL (g COD l-1d-1) F420 Coenzyme (nmoles g-1 VSS) VOL F420 Time (d) Methanogenic Archaeal Community No apparent changes in the methanogen assemblage in the effluent as shown by MPN counts and coenzyme F420

  8. Analysis of Methanogenic Archaeal Community Preparazione delle singole eliche A- con la temperatura single strands  exon. B- con primer fosforilati e digestione con l-esonucleasi Double str. C A B C- con primer biotinilati e cattura magnetica biotin magnet Streptavidin+magnetic beads Analysis by SSCP (Single Strand Conformation Polymorphism) can resolve the diversity of bacteria and Archaea by separation of single strand fragments with different conformations

  9. Methanogenic Archaeal Community: Diversity 5’ end phosphorilated primer P 798 915 Methanogen-specific primer Archaea-universal primer SSCP analysis of 16S rRNA gene • PCR with a P-labelled primer • l-nuclease digestion of the P-labelled strand • PCR on a collection of 30 methanogen species • PCR on biofilm collected at 5.7 and 10 g COD l-1d-1 No apparent qualitative differences in the Archaea community pattern. The methanogen community was apparently dominated by M.bacteriumM.sarcina/M.saeta H2 consumingAcetate consuming

  10. PCR sensitivity PCR Titer +++- - Microscopic cell counts PCR Sample Culture DNA extr. DNA extr. Sample dilutions Culture dilutions PCR +++- - Methanogenic Archaeal Community: Abundance Quantification of the different phylogenetic groups of methanogens based on extinction of PCR signals amplified from biofilm sludge DNA [Wang et al., 1996 Appl. Environ. Microbiol. 62:1242-1247] PCR titer (The maximum sludge DNA dilutions for positive PCR) PCR sensitivity (the minimal n° of cells giving amplification)

  11. Methanogenic Archaeal Community: Abundance Specific PCR for the different phylogenetic groups of methanogens were set up basing on 16S rRNA gene signatures [Raskin et al., 1994 Appl. Environ. Microbiol. 60:1232-1240] Magnetic Capture hybridization 5’ end bitinilated probe B 798 915 Methanogen-specific primer Archaea-universal primer Specific PCR Fwd 300 800 1100 1200 M.bact. M.sarc. M.coc. M.micr

  12. PCR TITER IN THE BIOFILM VOL = 5.7 (5.7 g COD l-1d-1) VOL = 10.1 (g COD l-1d-1) 12 10 8 6 4 2 0 H2 consuming M.bacteriaceae 1011 108 M.microbiaceae 104 106 M.coccaceae n.d. n.d. Acetate consuming M.sarcina/M.saeta 108 109 Methanogen counts (Log MPN g-1 VSS) H2 H2 Acetate Acetate Methanogenic Archaeal Community: Abundance Following VOL increase methanogen community responded by changing the relative abundance of different phylogenetic/physiological groups

  13. Conclusions In the adopted reactor OMW were efficiently treated (COD removal around 90%) up to VOL of 15 g COD l-1 d-1 A decrease of CH4 specific production occurred at VOL of 10 g COD l-1 d-1 The overall diversity of methanogen was not affected as shown by SSCP and sequencing Methanogen community reacted by re-balancing the H2trophic/acetotrophic methanogen ratio

  14. TRATTAMENTO DEGLI EFFLUENTI DI CANTINA VINICOLA Gli scarti delle cantine vinicole sono costituiti dalle acque di lavaggio degli impianti di vinificazione e contengono parti dei raspi e le bucce degli acini I reflui di cantina contengono concentrazioni residue di zuccheri e acido tartarico (dall’uva), etanolo, acido acetico e acido lattico (residui delle fermentazioni) I reflui che derivano dalla vinificazione del vino rosso contengono anche considerevoli quantità di composti fenolici (antociani e tannini) che possono avere effetto tossico sui microrganismi coinvolti nella degradazione anaerobica, in particolare i metanogeni. • Trattamento dei reflui di cantina: • trattamento aerobico elevato consumo di energia richiesto dall’aerazione, e necessità di aggiungere nutrienti • digestione anaerobica abbattimento del carico organico, con recupero di energia (produzione di metano)

  15. TRATTAMENTO DEGLI EFFLUENTI DI CANTINA VINICOLA Un processo di digestione anaerobica degli effluenti di cantina vinicola è stato messo a punto in un impianto in scala di laboratorio IMPIANTO: digestore cilindrico, h= 130 cm, riempito con materiale inerte di riempimento (truciolato di legno) come matrice di supporto. Caricamento in fase ascendente. Il digestore conteneva una microflora selezionata nei trattamenti dei precedenti anni (depurazione degli effluenti di pirolisi, dell’acqua di vegetazione delle olive, degli impasti di cartiera) TRATTAMENTO: le acque di cantina erano diluite fino ad avere un carico organico di COD=7-7,5 g/l, ed addizionate di NaHCO3 e NH4Cl. Dopo un periodo di adattamento, il reattore ha raggiunto una fase di equilibrio “steady state” con una rimozione del COD del 90%. Il carico organico è stato quindi aumentato a 10,5-12,5 gCOD/ld, diminuendo il tempo di ritenzione a 16-17h

  16. TRATTAMENTO DEGLI EFFLUENTI DI CANTINA VINICOLA • La digestione anaerobica delle acque provenienti dalla vinificazione in rosso è risultata meno efficiente rispetto a quella in bianco: • minore rimozione di COD • inferiore produzione di metano • maggior contenuto di AGV nell’effluente (segnale di un’inibizione dei processi di acetogenesi e metanogenesi) • le cariche dei metanogeni presenti nella fase circolante sono inferiori, mentre i batteri eterotrofi e glucosio-fermentanti sono superiori

  17. TRATTAMENTO DEGLI EFFLUENTI DI CANTINA VINICOLA Il reattore è in grado di recuperare rapidamente (circa 10 giorni) shocks da carico organico pari ad un aumento improvviso di tre volte del carico organico specifico volumetrico

  18. METANOGENESI A BASSA TEMPERATURA Start-up and operation of an anaerobic high-rate staged expanded granular sludge bed (EGSB) system for the treatment of cold (3 to 8°C), dilute wastewater (0.5 to 0.9 g of COD liter-1), containing 12 mg of O2 liter-1

  19. METANOGENESI A BASSA TEMPERATURA

  20. POTENZIALITA’ DELLA PRODUZIONE DI METANO - Trattamento termofilo reflui acidificati - Reattori UASB multipli - Carico organico fino a 100 kg COD m-3 day-1

  21. POTENZIALITA’ DELLA PRODUZIONE DI METANO - Rimozione del COD > 90% - Tempo di ritenzione idraulico = 2-2.5 h - Produzione di biogas 40-50 m3 m-3reattore day-1

  22. Grazie per l’attenzione !

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