Τοξικότητα αμμωνίας σε αναερόβιους αντιδραστήρες συνεχούς ροής
Authors: Χρήστου Μαρία-Λήδα 
Published: November 2021

Η παρούσα διατριβή αποτελείται από τρία μέρη, αυτοτελή και αλληλοσυμπληρούμενα. Στο πρώτο μέρος διερευνήθηκε η αλληλεπίδραση του Ρυθμού Οργανικής Φόρτισης (OLR) και των συγκεντρώσεων των πτητικών λιπαρών οξέων (VFA) στην παραγωγή CH4 υπό υψηλά επίπεδα αμμωνίας. Τα πειράματα του πρώτου μέρους πραγματοποιήθηκαν σε αντιδραστήρες συνεχούς ανάδευσης (CTSR) που τροφοδοτούνταν με κοπριά αγελάδας και λειτουργούσαν με διαφορετικά OLRs, που σχετίζονται άμεσα με την αναλογία C/N. Η γλυκόζη χρησιμοποιήθηκε ως ο μοναδικός παράγοντας για διαφοροποίηση και αύξηση του OLR, ενώ διατηρήθηκε ο ίδιος Υδραυλικός Χρόνος Παραμονής (HRT) 26.79 ημερών και στους αντιδραστήρες αυξήθηκε ακαριαία η συγκέντρωση αμμωνίας σε 5 g L-1 από 1.862 g L-1 με την χρήση χλωριούχου αμμωνίου. Η δεύτερη σειρά πειραμάτων πραγματοποιήθηκε σε αντιδραστήρες διαλείποντος έργου, όπου σκοπός ήταν η εύρεση της κρίσιμης βιομάζας προκειμένου να επιτευχθεί η βιοενίσχυση. Παράλληλα, προσδιορίστηκε η πρακτική που πρέπει να ακολουθηθεί στην διαδικασία. Στο τρίτο μέρος, πραγματοποιήθηκε βιοενίσχυση στους CSTR. Μελετήθηκε και αξιολογήθηκε η βιοενίσχυση με μικροβιακό εμβόλιο εγκλιματισμένο σε αμμωνία (όπου προστέθηκε και γλυκόζη). Σε κάθε έναν από τους CSTR έγινε προσθήκη φυγοκεντρημένου εγκλιματισμένου πληθυσμού, ποσότητα που προέκυψε από την δεύτερη σειρά πειραμάτων. Για να μελετηθεί και η μακροχρόνια επιτυχία της βιοενίσχυσης, στους δυο από τους τρεις αντιδραστήρες μειώθηκε το HRT. Σε όλες τις σειρές πειραμάτων, πραγματοποιούνταν σε κομβικά σημεία δειγματοληψία υλικού για την μικροβιακή ανάλυση και ταυτοποίηση των προκαρυωτικών μικροοργανισμών (βακτήρια και αρχαία). Στη πρώτο μέρος, χρησιμοποιήθηκε το DNA, ενώ στο δεύτερο και τρίτο μέρος το RNA, όπου εξετάστηκε η ενεργή παρουσία μικροοργανισμών. Τα αποτελέσματα του πρώτου μέρους έδειξαν αυξημένη αναστολή της ΑΧ και μείωση της παραγωγή μεθανίου. Παρατηρήθηκε επίσης μια διαφορετική ανταπόκριση των κοινοτήτων των βακτηρίων και των αρχαίων υπό συνθήκες υψηλής αμμωνίας. Τα είδη, Methanosaeta και Methanosarcina, ήταν τα πιο άφθονα μεθανογόνα σε όλους τους αντιδραστήρες πριν την τοξικότητα, ωστόσο η σχετική αφθονία τους μειώθηκε δραστικά μετά την τοξικότητα. Υπό την υψηλή συγκέντρωση αμμωνίας, η μεθυλοτροφική, εξαρτωμένη από το υδρογόνο, ήταν η κυρίαρχη οδός μεθανογένεσης στον αντιδραστήρα με OLR 2.09 g VS L− 1d− 1, ενώ η υδρογονοτροφική οδός ήταν η κυρίαρχη στο υψηλό OLR των 4.0 g VS L− 1d− 1, η οποία συνέπεσε με υψηλές συγκεντρώσεις οξικού και προπιονικού οξέος. Από το δεύτερο μέρος, προέκυψε η ενδεδειγμένη πρακτική που πρέπει να ακολουθηθεί προκειμένου να επιτευχθεί η βιοενίσχυση και να ανακάμψει η παραγωγή του μεθανίου στα επίπεδα πριν την τοξικότητα, καθώς και το ποσοστό της η κρίσιμης βιομάζας. Σύμφωνα, με τα αποτελέσματα στους αντιδραστήρες CSTR έπρεπε να εισαχθούν 180mL φυγοκεντρημένου εγκλιματισμένου πληθυσμού. Τα αποτελέσματα έδειξαν πετυχημένη βιοενίσχυση στους αντιδραστήρες που χαρακτηρίζονταν από υψηλότερο OLR, με αντίστοιχη ανάκαμψη της παραγωγής μεθανίου. Τα υψηλά OLR σε αυτούς τους αντιδραστήρες ευνόησαν τη συνύπαρξη των υδρογονοτροφικών (Methanobacteriaceae), μεθυλοτροφικών (Methanomethylophilaceae) και οξικολυτικών μεθανογόνων οδών. Η τελευταία υποστηρίχθηκε από την επιτυχή εγκατάσταση του ανθεκτικού στην αμμωνία, Methanosarcina, που επικρατούσε στον εγκλιματισμένο πληθυσμό. Στον αντιδραστήρα με το χαμηλό OLR, ο Methanosarcina δεν εδραιώθηκε, οδηγώντας σε αποκλειστική υδρογονοτροφική μεθανογένεση και μειωμένη παραγωγή μεθανίου. Η μείωση του HRT οδήγησε σε περιορισμένη επίδραση στην απόδοση του μεθανίου, υποδεικνύοντας καλή καθιέρωση της εισαγόμενης καλλιέργειας βιοενίσχυσης στους αντιδραστήρες.