2.1. Proefopzet biochemische methaan potentieel test (BMP)
Een biochemische methaan potentieeltest (BMP) werd gebruikt om de anaerobe vergistbaarheid van aerobe waterzuiveringsslibs te bepalen. Het resultaat van deze batch test werd uitgedrukt als biogasopbrengst (mL biogas/g VSdigestaat) en/of COD omzettingsefficiëntie. De BMP test werd uitgevoerd volgens standaardprotocollen uit de literatuur (Angelidaki et al., 2009; Holliger et al., 2016). Biogas volumes en samenstelling werden gerapporteerd onder standaard temperatuur (273K) en druk (101325 Pa) omstandigheden (STP).
Voor elke RWZI werd de vergistbaarheid van het ingaande slib in combinatie met het overeenkomstige digestaat getest. Er werden in het BMP experiment stalen, negatieve en positieve controles getest. Dit wordt weergegeven in Figuur 11.
- Voor alle stalen (A) werd digestaat verdund met kraanwater tot een VS concentratie 10 g/L en werd slib toegevoegd tot een COD belasting van 0.5 gCOD/gVS. In penicillineflessen van 120 mL werd een werkvolume van 80 mL gebruikt. Zo bevatte elke penicillinefles 0.8 g VS van het digestaat en 0.4 g COD van het ingaande slib van de RWZI. Er werd aangevuld met kraanwater
- Om de residuele biogasproductie afkomstig van vergisting van het digestaat te kwantificeren, werden ook negatieve controles (B) in drievoud (biologische replicaten) getest. Hiervoor werd in elke penicillinefles enkel 10 gVS/L digestaat gebracht, aangelengd met kraanwater tot 80 mL.
- Om de activiteit van het digestaat te testen, werd ook één positieve controle (C) uitgevoerd. Er werd 0.4 g COD onder de vorm van microkristallijne cellulose (0.3375 g) bij het digestaat van 10 gVS/L gebracht en aangelengd met kraanwater tot 80 mL.
De penicillineflessen werden zo snel mogelijk na het vullen afgesloten met een gasdichte rubberen stop en verzegeld met een metalen cap. Het digestaat werd 24u voor het starten van de test geactiveerd bij 34 ± 1°C na het bewaren bij 4 ± 1°C. Er werd voorverwarmd kraanwater gebruikt van 34 ± 1°C.
Figuur 11. Inhoud penicillineflessen voor stalen, negatieve en positieve controles. Stalen bestaan uit digestaat,
ingaand slib en kraanwater. Negatieve controles bestaan uit digestaat en kraanwater. Positieve controles bestaan uit digestaat, cellulose en water.
In Figuur 12 wordt een schematische weergave van de opstelling weergegeven. De penicillineflessen van 120 mL (1) gevuld met de stalen, negatieve of positieve controles (2) werden in een warmwaterbad (3) geplaatst. Het warmwaterbad (Grant, GLS Aqua 18 Plus, Shepreth, Engeland) was gevuld met gedemineraliseerd water (4) en werd op een constante temperatuur van 34 ± 1°C gehouden. Het warmwaterbad had een lineaire schudfunctie om voldoende menging te garanderen. De afgesloten penicillineflesjes werden met een naald aangesloten op metalen luer locks die de verbinding maakten met gasdichte plastic tubing (5) met een binnendiameter van 5 mm. De gaskolommen met een volume van minstens 200 mL werden verticaal in een reservoir met HCl methyloranje oplossing met pH < 4.3 (8) geplaatst. De pH van deze oplossing moest <4.3 om te voorkomen dat CO2 in oplossing ging. Methyloranje werd toegevoegd om de pH visueel te monitoren tijdens het experiment. Methyloranje is immers rood bij pH <4.3 en geel bij pH >4.3. Bij de start van het experiment werd het vloeistofniveau met een 50 mL spuit opgetrokken tot bovenaan in de gaskolom. Het geproduceerde biogas kon
afgelezen worden op de glazen gaskolommen van 200 mL (7) door middel van positieve vloeistofverplaatsing. Het vloeistofniveau daalde naargelang er biogas geproduceerd werd en bovenaan de kolom verzamelde het geproduceerde biogas (6). De BMP setup werd in een laboratorium met een gecontroleerde temperatuur geplaatst, in dit geval bij 28 ± 1°C.
Figuur 12. Schema biochemische potentieeltest (BMP). Volgende onderdelen worden aangeduid: (1) afgesloten
penicillinefles van 120 mL met rubberen stop en metalen cap, (2) 80 mL staal/positieve/negatieve controle, (3) warmwaterbad op 34°C, (4) gedemineraliseerd water, (5) gasdichte tubing ⌀ 5 mm aangesloten met metalen luer
lock op naald, (6) geproduceerde biogas, (7) gaskolom 200 mL, (8) HCl oplossing met methyloranje, pH < 4.3.
Voor de start van het BMP experiment werden de stalen van het ingaande slib en het digestaat gekarakteriseerd. Volgende parameters werden vooraf bepaald: TS, VS, pH, conductiviteit (EC), COD- gehalte, VFA en kationen-IC. De uitvoering van deze (chemische) analyses wordt in de volgende paragraaf (3. Analyses) verduidelijkt.
Tijdens het experiment werd op regelmatige basis gedemineraliseerd water aan het warmwaterbad toegevoegd om voor de verdamping van het water van het bad te compenseren. Dit gebeurde om de 3 dagen. Tijdens de eerste dagen van het BMP experiment werd de cumulatieve biogasproductie dagelijks opgevolgd door het aflezen van het vloeistofniveau in de glazen gaskolommen. Na een week diende de gasproductie minder frequent opgevolgd te worden, namelijk om de 2-3 dagen.
De BMP test bleef lopen tot wanneer de dagelijkse biogasproductie gedurende 3 opeenvolgende dagen kleiner was dan 1% van de totale biogasproductie. Gemiddeld duurde dit een 4-tal weken, afhankelijk van de stroom waarvan de BMP diende bepaald te worden. Onmiddellijk na het stopzetten van de test werden gasstalen van het geproduceerde biogas genomen en werd de samenstelling geanalyseerd met de compact GC. De penicillineflessen werden geopend en onmiddellijk na de opening werd de pH gemeten.
2.2. Berekeningen resultaten BMP test
De BMP test leverde voor de positieve controles (n=1), negatieve controles (n=3) en BMP slibstalen (n=3) een cumulatieve biogasproductie in functie van de tijd op. Het eindpunt van de BMP test kwam overeen met de totale biogasproductie (mL biogas). De resultaten van een BMP test konden op 3 verschillende manieren uitgedrukt worden, nl. als totale methaanopbrengst (in mL CH4/gVS) (i), als netto methaanopbrengst (gecorrigeerde mL CH4/gVS) (ii) en als COD omzettingsefficiëntie (%) (iii).
(i) De totale methaanopbrengst werd uitgedrukt als mL CH4/gVS. De totale biogasproductie van de BMP test werd met de samenstelling van het biogas (via GC bepaald) en het VS gehalte van de ingaande stroom omgerekend naar mL CH4/gVS. De methaanopbrengst per g VS werd voor de positieve controles en de BMP stalen geplot in functie van de tijd in de BMP curves.
(ii) Om de netto methaanopbrengst (gecorrigeerde mL CH4/gVS) te berekenen werd vertrokken van totale methaanopbrengst van de BMP test. Van de gemiddelde totale methaanopbrengst van de positieve controle en de slibstalen werd de gemiddelde totale methaanopbrengst van de negatieve controle afgetrokken (residuele methaanproductie van het digestaat). Dit werd vervolgens genormaliseerd door te delen door het VS gehalte van de ingaande stroom.
(iii) De resultaten van de positieve controle en BMP stalen konden ook uitgedrukt worden als COD omzettingsefficiëntie. Dit werd berekend door de gecorrigeerde methaan opbrengst te normaliseren met de COD inhoud van de ingaande stroom (slib of cellulose). Zo werd de netto methaanopbrengst uitgedrukt als gecorrigeerde mL CH4/gCOD. Theoretisch leverde COD 350 mL CH4/gCOD op. Door de netto methaanopbrengst te delen door het theoretische maximum werd de COD omzettingsefficiëntie (%) bekomen.