Anaerobic biodegradation of long chain fatty acids: biomethanisation of biomass-associated LCFA as a challenge for the anaerobic treatment of effluents with high lipid/LCFA content

Tese de doutoramento em Engenharia Biológica e Química.This work was focused on the anaerobic biodegradation of Long Chain Fatty Acids, especially those that are associated to anaerobic sludge by mechanisms of adsorption, precipitation or entrapment. When continuously fed with oleic acid (EGSB reactors, influent concentrations between 2 and 8 g COD/l and HRT=1 day), suspended and granular anaerobic sludge accumulated palmitic acid. This LCFA was efficiently biomethanised in batch assays, but the addition of oleic acid inhibited this conversion. The application of stirring conditions (150 rpm) enhanced the biomethanisation rate, when compared to static conditions. The maximum plateau achieved in the methane production curve was considered an indirect measurement of the amount of accumulated LCFA and attained a value as high as 3272±877 mg COD-CH4/gVSS, for the suspended sludge, which was mineralised at a rate of 243±9 mg COD-CH4/(gVSS.day). The amount of accumulated palmitate and the rate of methane production were highly dependent on biomass structure, suspended sludge being more efficient than granular sludge for that purpose. The application of image analysis techniques gave important insights on relative importance of fragmentation and filament release during granular sludge deterioration, induced by the contact with oleic acid. The equivalent diameter of the aggregates larger than 1 mm increased with the increase on the amount of accumulated LCFA. After a threshold value of about 200 mg COD-CH4/gVSS the aggregates were mainly located in a top floating layer. In the granular sludge the amount of accumulated LCFA exponentially increased with the total free filament length, but exponentially decreased with the increase on the percentage of aggregates smaller than 1 mm, which evidenced the importance of filamentous bacteria on the process of LCFA accumulation/degradation and the relative irrelevance of the surface area for the phenomenon. In granular and suspended sludge, the composition of the bacterial community, based on 16S rDNA sequence diversity, was more affected during the oleate loading process than the archaeal consortium. Archaeal consortium remained rather stable in the granular sludge, whereas in the suspended sludge the relative abundance of Methanosaeta-like organisms became gradually weaker. The combination of molecular-based sludge characterisation with physiological and morphological characterisation provided complementary information on the mechanisms of sludge disintegration, flotation and washout, in relation with the contact/accumulation of LCFA. The specific methanogenic activity in the presence of individual substrates (acetate, propionate, butyrate, ethanol and H2/CO2) measured before and after the depletion of the accumulated LCFA (mainly palmitic) strongly contradicted the accepted theory of bactericidal effect of LCFA towards anaerobic consortia as well as their permanent toxic effect. Although the encapsulated sludge had only detectable methanogenic activity in H2/CO2 and ethanol (24±6 and 437±12 mg COD-CH4/(gVSS.day), respectively), after allowing the mineralisation of the accumulated LCFA, all the measured activities increased significantly, attaining values of 533±95, 16±4, 222±71, 67±1 and 2709±38 mg COD-CH4/(gVSS.day), for acetate, propionate, butyrate, ethanol and H2/CO2, respectively. Aceticlastic tolerance to LCFA toxicity and the capacity of LCFA biodegradation exhibited by the consortia were also improved after allowing the mineralisation of the biomass-associated LCFA. These results put in evidence the possible strong effect of diffusion limitations imposed by the LCFA layer that could hamper the access of the added substrates to the cells as well as the subsequent biogas release. This physical effect could easily mislead the data obtained in previous works that suggest severe conclusions about LCFA inhibitory effects. The methanisation kinetics of biomass-associated LCFA (mainly palmitic) was established in batch assays, according to an inhibition model based on Haldane’s enzymatic inhibition kinetics. An optimal value of 1080 mg COD-CH4/gVSS was determined for the amount of accumulated LCFA that could be mineralised at the maximal rate of 250 mg COD-CH4/(gVSS.day). Near this optimal specific concentration of LCFA, the effect of adding VFA to the medium was studied, in order to evaluate their interactions with the methanisation of the biomass-associated LCFA. Different patterns were obtained for each individual substrate. Although acetate and butyrate were preferentially consumed by the consortium, in the case of propionate no evidence of a sequential consumption pattern could be withdrawn. From a practical viewpoint, the results presented in this work suggest that, in order to enhance methane production, it should be advantageous to sequence cycles of adsorption/accumulation and degradation, when treating effluents with high lipid/LCFA content.Este trabalho incidiu sobre o estudo da degradação anaeróbia de Ácidos Gordos de Cadeia Longa (AGCL), especialmente os que se encontram associados à biomassa por mecanismos de adsorção, precipitação ou inclusão. Quando se alimentou biomassa suspensa e granular com ácido oleico, em contínuo (reactores EGSB, concentração da alimentação entre 2 e 8 g CQO/l e TRH=1 dia) verificou-se que em ambas as biomassas se acumulava ácido palmitico que era eficientemente convertido em metano, em ensaios realizados em reactor fechado. Verificou-se ainda que a adição de ácido oleico inibia esta conversão, e que a mesma era acelerada em condições de agitação. O patamar de cada curva permitiu estimar a quantidade de AGCL acumulada em cada situação, tendo-se observado um máximo de 3272±877 mg CQO-CH4/gSSV na biomassa suspensa, que foi mineralizada a metano a uma taxa de 243±9 mg CQO-CH4/gSSV.dia. Verificou-se ainda nesta experiência que a acumulação de AGCL na biomassa era altamente dependente da sua estrutura, sendo, neste caso, a biomassa suspensa significativamente mais eficiente do que a biomassa granular. A aplicação de técnicas de análise de imagem permitiu obter informação relevante sobre fenómenos de fragmentação e de libertação de filamentos durante o processo de deterioração granular, induzido pelo contacto com o ácido oleico. O diâmetro equivalente dos agregados maiores que 1mm presentes na base de RI aumentou com o aumento da quantidade de substrato acumulado e a partir duma certa quantidade (≈200 mg CQO-CH4/gSSV) houve uma tendência para que estes agregados flutuassem. A quantidade de AGCL que acumulou na biomassa e a respectiva taxa de metanização aumentaram exponencialmente com o comprimento total de filamentos livres, mas diminuíram exponencialmente com o aumento da fracção de agregados menores que 1 mm, o que evidenciou a importância dos filamentos no processo de acumulação destes substratos e relativizou a importância do aumento da área superficial dos agregados para o mesmo fenómeno. A aplicação de técnicas moleculares para avaliar a diversidade microbiológica dos consórcios presentes em ambos os reactores, revelou que o domínio bactéria foi o mais afectado pelo contacto com o ácido oleico. Embora na biomassa granular o domínio arquea tivesse permanecido relativamente estável, na biomassa suspensa a abundância relativa de Methanosaeta diminuiu. A combinação de técnicas moleculares com dados fisiológicos e com os aspectos morfológicos quantificados por análise de imagem permitiram obter informação complementar sobre os mecanismos de fragmentação, flutuação e washout e sua relação com o contacto com o ácido oleico. A actividade metanogénica na presença de substratos individuais (acetato, propionato, butirato, etanol e H2/CO2) foi medida antes e depois de mineralizados a metano os AGCL (essencialmente palmitato) acumulados na biomassa. Os resultados obtidos contrariaram fortemente a teoria estabelecida sobre o efeito bactericida e o efeito tóxico permanente destes ácidos gordos sobre o consórcio anaeróbio. Embora a biomassa encapsulada com AGCL apenas apresentasse uma actividade detectável em etanol, e H2/CO2, (24±6 e 437±12 mg CQO-CH4/(gSSV.dia), respectivamente), após a mineralização deste substrato todas as actividades medidas aumentaram significativamente atingindo valores de 533±95, 16±4, 222±71, 67±1 e 2709±38 mg CQO-CH4/(gSSV.dia), para acetato, propionato, butirato, etanol e H2/CO2, respectivamente. Estes resultados sugerem que os AGCL acumulados podem atrasar o acesso dos substratos adicionados para as células e também a libertação do biogás, provocando problemas de limitações difusionais, podendo este fenómeno físico estar na origem das conclusões demasiado severas obtidas por outros autores acerca dos efeitos inibitórios dos AGCL. A cinética de mineralização dos AGCL acumulados na biomassa foi estabelecida de acordo com um modelo de inibição baseado na cinética de inibição enzimática de Haldane. Obteve-se um valor óptimo de 1080 mg CQO-CH4/gSSV para a quantidade de AGCL que poderia ser acumulado e posteriormente degradado a uma taxa máxima de 250 mg CQO-CH4/(gSSV.dia). Estudou-se o efeito de adicionar ácidos gordos voláteis (AGV) a uma biomassa que possuía uma quantidade de AGCL perto do valor óptimo para avaliar as interacções destes substratos com a degradação do substrato já associado à biomassa. Verificou-se que, dependendo do AGV adicionado, se obtiveram diferentes perfis de consumo de AGV e AGCL. Acetato e butirato eram substratos preferenciais para o consórcio, mas quando em presença de propionato, não houve evidência dum consumo sequencial dos dois tipos de substratos. Do ponto de vista prático, os resultados apresentados nesta Tese sugerem que deverá ser vantajoso aplicar um processo sequencial de adsorção/acumulação e posterior degradação, no tratamento de efluentes com elevados teores de lípidos/AGCL.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT).Fundo Social Europeu (FSE) - III Quadro Comunitário de Apoio (PRAXIS XXI/BD/20326/99)