Mechanisms of action of advanced structural materials during anaerobic digestion of cheese whey wastewater

Promovendus/a: Jing Ning

Promotor(en): Prof. dr. ir. Lise Appels, Prof. Pavel Jenicek, De heer Mohammadreza Kamali

Elke dag wordt een grote hoeveelheid afvalwater gegenereerd door zowel huishoudelijke (bvb. keukens en toiletten) als industriële (bvb. voedingsindustrie) bronnen. Als dit zonder de juiste behandelingstechnologie rechtstreeks in het water wordt geloosd en terechtkomt in rivieren en oceanen, kan dit negatieve gevolgen hebben voor het waterleven en de menselijke gezondheid. Anaerobe vergisting (AD) is een afvalwaterzuiveringstechnologie waarbij een gemeenschap van specifieke micro-organismen organisch materiaal afbreekt in de afwezigheid van zuurstof, en uiteindelijk biogas produceert dat methaan en kooldioxide bevat via vier opeenvolgende stadia (d.w.z. hydrolyse, acidogenese, acetogenese, en methanogenese). Dit biogas wordt beschouwd als hernieuwbare energiebron, en kan een alternatief zijn voor fossiele brandstoffen zoals ruwe aardolie en aardgas. Door het biogas te gebruiken om elektriciteit op te wekken, kan het helpen omhet verbruik van fossiele brandstoffen te verlagen en zo duurzame ontwikkeling te bevorderen. Echter, wanneer afvalwater met een hoog gehalte aan organisch materiaal anaeroob wordt vergist, ligt de biogas- en ook methaanopbrengst een stuk lager dan gemiddeld. Hiervan liggentwee belangrijke factoren aan de oorzaak.. In de eerste plaats verloopt de overdracht van elektronen tussen de verschillende microorganismen niet goed, waardoor de efficiëntie van het proces daalt. Daarnaast, en hierdoor, hopen de tussenproducten die tijdens de hydrolyse en acidogenese (d.i., fase 1 en 2) worden geproduceerd zich gemakkelijk op, waardoor er verzuring in de reactor kan optreden. Een zure pH belemmert de groei van de aanwezige microorganismen, in het bijzonder die van de gevoelige methaanproduceerders (d.i., methanogenen), waardoor de uiteindelijke methaanproductie wordt geremd.

In dit proefschrift werden koolstofhoudende en metaalhoudende materialen - waaronder biochar, gemodificeerde biochar en metaal-organische frames (MOF) - toegevoegd om deze lage methaanopbrengsten te verbeteren en om de onderliggende mechanismen te onderzoeken. De resultaten toonden aan dat door toevoeging van slechts 0.75 - 1.00 g/L biochar, de pH opnieuw kon stijgen waardoor de methaanproductie zich kon herstellen (8-30% sneller herstel). Dit komt door de aanwezigheid van zgn. basische metaalelementen zoals calcium, die alkaliniteit van het systeem doen stijgen. Daarentegen verlengde de toevoeging van MOF’s (1.00 g/L) de hersteltijd vande methaanproductie met 12%. Dit komt doordat MOF’s protonen bevat die vrijgesteld worden uit de zure functionele groepen zoals –COOH, wat leidt tot een daling in de pH. Wat betreft de totale hoeveelheid geproduceerd methaan, d.i., de opbrengst, bleken zowel hoog-geleidend biochar als hoog-geleidende MOF geschikte materialen om de methaanopbrengst te verhogen. Door een verbeterde elektronenoverdracht, steeg de opbrengst met 10-48%. Echter, wanneer het specifiek oppervlak van het biochar werd vergroot (d.i., acacia-biochar – 77,78 m²/g), verminderde de methaanopbrengst wel 34%, als gevolg van overmatige aanhechting van microorganismen aan het oppervlak, wat de onderlinge samenwerking en materiaaloverdracht belemmert. De beste resultaten werden behaald met geopolymeren; een relatief goedkoop materiaal gemaakt uit afvalstromen zoals vliegassen of slib. Een dosis van 1.00 g/L kon de methaanopbrengst met 34% verhogen, en de hersteltijd van de methanogenen met 30% verkorten. Meer onderzoek moet het proces nog verder optimaliseren, maar vanuit een duurzaamheidsperspectief zijn deze resultaten alvast beloftevol.