Methanogenic and non-methanogenic activities and archaeal composition of a full-scale anaerobic EGSB reactor treating a brewery wastewater

Abstract

Anaerobik arıtım, özellikle orta kuvvette endüstriyel atık suların arıtımında yaygın birşekilde kullanılır; örneğin çok kirli ve orta kuvvetli sayılan bira endüstrisi. Genişlemişgranüler çamur yataklı reaktör, bira endüstrisi ve diğer kuvvetli atıksuya sahip endüstriler içinarzu edilen arıtımı gerçekleştirecek bir seçenek olarak kabul edilir. Reaktör performansı,genellikle organik madde giderimi, uçucu yağ asitleri seviyesi, miktar ve üretilen gazınkompozisyonu açısından değerlendirilir. Spesifik metanojenik aktivite testi (SMA) maksimummetanojenik aktiviteyi belirlemek üzere kullanılan bir testtir. Ayrıca, non-metanojenik aktivitetestleri de anaerobik sistemlerde gerçekleşen biyodegredasyon adımları hakkında bilgiverebilir.Mikrobiyal popülasyonun doğru tanımlanması için nükleik asit probları kullanılan rRNAbazlı florasanlı yerinde hibritleşme metodunun diğer genetik analizlerle beraber birçokekosistem ve mikrobiyal çeşitlilik hakkında bilgimizi fazlasıyla artırmış ve net bir bakış açısısağlamıştır.Bu çalışmada, bira endüstrisi atıksuyunu arıtan anaerobik genişlemiş granüler çamuryataklı reaktörden (EGSB) sırasıyla; Nisan, Mayıs, Haziran 2007 aylarında metanojenik, nonmetanojenikaktiviteleri ve arkeyal popülasyon dinamikleri, spesifik metanojenik aktivite testive florasanlı yerinde hibritleşme metodu kullanılarak belirlenmiştir.SMA test sonuçları Nisan numunesinde maksimum metanojenik aktivitenin 457 mL CH4/ gUAKM.gün olduğunu göstermiştir. Buna ek olarak, substurat olarak bütirat ve propiyonatkullanılması ile spesifik metanojenik aktivite 460 mL CH4 / g UAKM.gün (4000 mg/L bütiratiçin) ve 250 mL CH4 / g UAKM.gün (3000 mg/L propiyonat için) olarak Nisan ve Haziranayları için sırası ile tespit edilmiştir. Son olarak, uçucu yağ asitleri karışımı (2000 mg/L asetat,500 mg/L bütirat and 500 mg/ L propiyonat) kullanılarak toplam aktiviteye bakılmış ve 400mL CH4 / g UAKM.gün aktivite değeri en yüksek Nisan örneğinde ölçülmüştür. Ayrıca,alınan biyolojik çamur numunelerinde substurat tüketim hız değerleri kullanılarak nonmetanojenikaktivite ölçülmüştür. Haziran örneği 2.84 mg KOİ/ mg UAKM. gün ile en yüksekasitojenik aktiviteyi göstermiştir. Hidrolitik fazın, 3000 ve 4000 mg/L sükroz için üç numuneperiyodunda da baskın olduğu tespit edilmiştir.FISH sonuçları özellikle asetoklastik metanojenik aktivite sonuçları olmak üzere aktivitesonuçlarını desteklemiştir. Methanosaeta spp. EGSB reaktörde en baskın tür olarakbelirlenmiştir. Fakat, reaktör boyunca baskın olan Methanosaeta spp. türünün örneklemeperiyotlarında hidrojenotrofik metanojenlere doğru değişme eğiliminde oldukları tesbitedilmiştir.

Anaerobic treatment has widely been used especially for treatment of medium and highstrength industrial wastewaters such as brewery wastewater. Expanded Granular Sludge Bed(EGSB) reactor is considered a desirable treatment option for the brewery wastewaters andother high strength organic wastewaters produced by industries. The reactor performance isusually evaluated in terms of process efficiency and stability through estimation of organicmatter removal, VFA levels, quantity and composition of biogas produced, etc. The specificmethanogenic activity (SMA) test has been used to determine the maximum methanogenicactivity. In addition, non-methanogenic activity tests can explain each biodegradation phase ofanaerobic treatment processes.For accurately describing microbial populations, rRNA-based approaches utilizing thetechniques of fluorescent in situ hybridization (FISH) with nucleic acid probes, together withother genetic analyses, have dramatically increased our knowledge of many ecosystems andhave yielded a clearer overall picture of microbial diversity.In this study, methanogenic and non-methanogenic activities and archaeal populationdynamics in a full-scale EGSB reactor treating a brewery wastewater were determined for athree months period (April, May and June 2007), using SMA Test and FISH, respectively.The SMA tests showed that the maximum acetoclastic methanogenic activity was foundto be 457 mL CH4 /g VSS.d in April sample. In addition, the maximum specific methanogenicactivity with butyrate and propionate were 460 mL CH4 /g VSS.d and 250 mL CH4 /g VSS.d inJune and April samples, respectively. Finally, maximum overall methanogenic activity using aVFA mixture (2000 mg/L acetate, 500 mg/L butyrate and 500 mg/L propionate) was found tobe 400 mL CH4/g VSS.d in April sample. Regarding to non-methanogenic activitymeasurements, a method based on substrate utilization rate was adopted. June sample had themaximum acidogenic activity of 2.84 mg COD/mg VSS.d. The hydrolytic step was dominantin 3000 and 4000 mg/L sucrose concentrations in the three samples.FISH results supported activity test results particularly acetoclastic methanogenicactivity tests results. Methanosaeta spp. were found to be the predominant methanogens in theEGSB reactor at all heights. However, predominance of Methanosaeta spp. tended to changeto hydrogenotrophic methanogens along the reactor during the three months sampling.