Exploring the effects of microaeration on the conversion of hexadecane to methane

Abstract

The variety of waste residues and wastewater sources combined with the high energetic yield of hydrocarbons, makes hydrocarbon-contaminated wastes a potential candidate for valorization in industrial-scale anaerobic digestion for biogas production. One of the major barriers preventing industrial scale-up of hydrocarbon anaerobic digestion is the extensive degradation time, reaching periods of years before complete biodegradation. The bottleneck in anaerobic hydrocarbon bioconversion to methane is the activation phase, where the hydrocarbons are converted to more readily degradable compounds. In this work, an attempt was made to decrease the hydrocarbons activation period in the presence of limited amounts of oxygen, thus increasing the availability of the intermediary compounds for anaerobic microorganisms and ultimately increasing biogas and methane production. To achieve this goal, several experiments were design in order to study various effects of hexadecane and oxygen exposure to different microbial groups that participate in hydrocarbon biodegradation to methane. Hexadecane toxicity towards pure cultures of hydrogenotrophic methanogens was evaluated in batch tests. Methanogenic cultures of Methanobacterium formicicum were substantially more sensitive to hexadecane than Methanospirillum hungatei, with a hexadecane IC50 between 5 mM and 15 mM for M. formicicum, while for M. hungatei a 27 ± 3 % decrease in methane production rate was observed at 30 mM hexadecane. Oxygen toxicity assays on an anaerobic sludge showed that ethanol addition stimulated oxygen consumption by the cultures and provided increased shielding against oxygen exposure to methanogenic populations in all headspace O2 percentages tested, with significant methane production rate observed even at the highest O2 concentration tested (5% O2 headspace), i.e. 0.22 ± 0.05 mM/h, contrary to the complete inhibition in the toxicity assays with H2/CO2 or acetate as substrate, 0.02 ± 0.01 mM/h and 0.01 ± 0.00 mM/h, respectively. In hexadecane amended cultures, addition of oxygen (2.5%, and 5% and 21% O2 headspace) did not have a significant effect on methane production and anaerobic biodegradation of the added hexadecane is not evident thus far. Three bioreactors were operated under different aeration conditions: anaerobic (AnR), anaerobic with periodic air pulses (O2P) and continuous supply of trace amounts of dissolved oxygen (O2C). Hexadecane biodegradation could not be confirmed due to instability of the operation, but several experimental problems could be identified, and the system was changed accordingly. Improvements for a downflow operation mode and implementation of an efficient sludge recovery and recycle system are proposed. ORP values measured were similar between conditions, despite the differences in aeration conditions, although the O2C reactor showed higher capacity for O2 scavenging.

A grande variedade de resíduos e fontes de águas residuais contaminadas com hidrocarbonetos, juntamente com o alto rendimento energético dos hidrocarbonetos, torna-os potenciais candidatos à valorização por digestão anaeróbia em escala industrial para produção de biogás. Uma das principais barreiras à aplicação industrial de digestão anaeróbia de hidrocarbonetos é o longo tempo da biodegradação dos hidrocarbonetos, que pode requerer anos até degradação total. O bottleneck na conversão anaeróbia de hidrocarbonetos é a fase de ativação, na qual os hidrocarbonetos são convertidos a compostos mais facilmente biodegradáveis. Neste trabalho, teve como objetivo reduzir o período de ativação de hidrocarbonetos pela adição de quantidades vestigiais de oxigénio, aumentando assim a disponibilidade de compostos intermediários para microrganismos anaeróbios e, consequentemente, a produção de biogás e metano. Para atingir este objetivo, várias experiências foram planeadas de modo a estudar os efeitos da exposição do hexadecano e oxigénio a diferentes grupos de microrganismos que participam na biodegradação de hidrocarbonetos ao metano. A toxicidade do hexadecano em culturas puras de microrganismos metanogénicos hidrogenotróficos foi avaliada em testes descontínuos. Culturas metanogénicas de Methanobacterium formicicum foram consideravelmente mais sensíveis ao hexadecano comparado com culturas de Methanospirillum hungatei, obtendo-se um IC50 de hexadecano entre 5 mM e 15 mM para M. formicicum, enquanto que em M. hungatei verificou-se uma redução de 27 ± 3% na taxa de produção de metano a 30 mM de hexadecano. Ensaios de toxicidade com oxigénio em lamas anaeróbias demonstraram que a adição de etanol estimulou o consumo de O2 por parte culturas e forneceu maior proteção contra a exposição ao oxigénio a populações metanogénicas, como se pode observar pela taxa de produção de metano significativamente maior na concentração de O2 mais elevada (5% O2 headspace) nas culturas com etanol, ao contrário da total inibição de produção de metano observada nos ensaios com H2/CO2 e acetato, i.e. 0,24 ± 0,05 mM/h (etanol) vs. 0,02 ± 0,01 mM/h (H2/CO2) e 0,01 ± 0,00 mM/h (acetato). Nas incubações com hexadecano, as diferentes percentagens de oxigénio testadas (2,5% e 5% e 21%) não tiveram efeito significativo na produção de metano e, até ao momento, não se podendo confirmar biodegradação anaeróbia do hexadecano adicionado. Foram operados três biorreatores sob diferentes condições de arejamento: anaeróbio (AnR), anaeróbio com pulsos periódicos de ar (O2P) e adição contínua de quantidades vestigiais de O2 dissolvido (O2C). Não foi possível confirmar a biodegradação de hexadecano devido à instabilidade da operação, tendo-se diagnosticado vários problemas experimentais, sendo o sistema modificado e adaptado de acordo. Melhoramentos no modo de operação de fluxo descendente e a implementação de um sistema de recuperação e reciclo de lamas eficiente são propostos. Os valores de ORP medidos foram semelhantes nos três biorreatores apesar das diferenças nas condições de arejamento aplicadas, contudo o reator O2C mostrou maior capacidade de captação de O2 do meio.