Search

Transforming traditional wastewater treatment plants into next generation wastewater treatment plants is crucial for achieving the European and global sustainable development goals. Resource recovery technologies, which provide biobased material and energy sources from waste streams, are becoming essential. This chapter focuses on the production and application of the most promising bioproducts, particularly short and medium-chain fatty acids, their up-stream and poststream applications. Furthermore, various strategies (bioaugmentation, enrichment and encapsulation methods) are discussed to overcome several limitations in resource recovery processes by manipulating microbial communities in biological wastewater treatment processes.

Resource recovery from waste-streams is a highly promising approach to meet with urbanization and modernization consequences. Rapid human population growth, expanding industrialization and excessive consumption of resources lead to increasing demand for raw materials and energy sources, and an escalation of greenhouse gas emission. The recovery of valuable raw materials from waste-streams is a vital step towards environmentally friendly and sustainable bio-based production. One of the most promising resource recovery approaches from waste-streams is based on anaerobic digestion. In recent years, anaerobic digestion technology has started to go beyond energy recovery with the carboxylate platform. Volatile fatty acids (VFA) are intermediate products of anaerobic digestion and possess great potential for bio-based production from waste streams. Because of its wide range of applications, high market demand and low greenhouse gas emissions, bio-based VFA production has gained attention in recent years. Nevertheless, the current bio-based VFA production is economically non-competitive compared to petroleum-based production because of high substrate cost and production inefficiency. In this thesis, the bioaugmentation strategy was applied in the mixed culture fermentation to produce one-type dominant VFA from dairy industry wastewater. After the optimization of inoculum and dairy industry wastewater for maximal VFA production in the batch reactors, the bioaugmentation strategy was applied by selected pure cultures (Clostridium aceticum, Clostridium butyricum and Propionibacterium acidipropionici) in the anaerobic sequencing batch reactors. Bioaugmentation is a well-known method to enhance the microbial community for different purposes by adding external microbial cultures. The mixed culture was bioaugmented by C. aceticum for acetic acid dominant VFA production, C. butyricum for butyric acid dominant VFA production and P. acidipropionici for propionic acid dominant VFA production, respectively. Simultaneously, a non-bioaugmented control reactor is operated for comparison. The bioaugmented mixed culture by C. aceticum increased acetic acid production as ten-fold; C. butyricum improved butyric acid production more than ten times; P. acidipropionici IV increased propionic production more than four times. The quantity of the selected pure cultures strongly correlated with the acid composition confirming the efficiency of the bioaugmentation strategy. This thesis proves the powerful applicability of bioaugmentation strategies to increase the concentration of the desired VFA type in mixtures. Our approach has the potential to push resource recovery from waste-streams a significant step forward to achieve the United Nations Sustainable Development targets 12. Responsible Consumption and Production and 13. Climate Action by controlling global warming and reducing GHG emissions. Att återvinna resurser från avfallsflödet är ett lovande sätt att hantera konsekvenserna av en ökad urbanisering och modernisering. Snabb befolkningstillväxt, ökande industrialisering och en tilltagande konsumtion av resurser leder till ökad efterfrågan av råmaterial och energikällor samt ökade utsläpp av växthusgaser. Det blir allt mer angeläget att kunna omvandla avfallsflödet till användbart råmaterial för att möjliggöra en miljövänlig och förnybar biobaserad produktion. En av de mest lovande metoderna för att återvinna resurser från avfallsflödet baseras på anaerob nedbrytning. Inom anaerob nedbrytningsteknologi har det under senare år utvecklats en karbolyxatplattform, carboxylate platform, som möjliggör energiåtervinning. Flyktiga fettsyror (VFA) är mellanprodukter i den anaeroba nedbrytningen och har stor potential för biobaserad produktion från avfallsflödet. Tack vare dess många användningsområden, dess stora efterfrågan på marknaden och dess låga mängd utsläpp av växthusgaser har biobaserad VFA-produktion uppmärksammats de senaste åren. Trots detta är nuvarande biobaserad VFA-produktion inte ekonomiskt konkurrenskraftig gentemot oljebaserade produktioner på grund av dess höga kostnader och låga effektivitet. I den här studien tillämpar vi bioaugmenteringsstrategin i jäsning i blandkultur för att producera en-typ dominerande VFA från mejerisektorns avloppsvatten. Efter optimering av inokulum och mejeriindustrins avloppsvatten för maximal VFA-produktion tillämpas bioaugmenteringsstrategin med renkulturer (vi använder bakterierna Clostridium aceticum, Clostridium butyricum och Propionibacterium acidipropionici). Bioaugmentering är en välkänd metod för att förbättra den mikrobiella miljön för olika ändamål genom att tillsätta yttre mikrobiella kulturer. Blandkulturen är bioaugmenterad med C. aceticum för ättiksyra-dominerande VFA-produktion, C. butyricum för smörsyra-dominerande VFA-produktion respektive P. acidipropionici för propionsyra-dominerande VFA-produktion. Parallellt drivs en icke-bioaugmenterad kontrollreaktor för jämförelse. Den bioaugmenterade blandkulturen med C. aceticum ökar ättiksyrahalten tiofaldigt; C. butyricum förbättrar produktionen av VI smörsyra mer än tio gånger; P. acidipropionici ökar propionproduktionen mer än fyra gånger. Kvantiteten av de utvalda renkulturerna korrelerar starkt med syrasammansättningen vilket bekräftar bioaugmenteringsstrategins effektivitet. Denna studie påvisar den omfattande användbarheten hos bioaugmenteringsstrategier för att öka koncentrationen av den önskade VFA-typen i blandningen. Vår strategi har potential att ta ett betydande steg framåt för resursåtervinning av avfallsflöden. Denna avhandling bevisar den kraftfulla användbarheten av bioaugmenteringsstrategier för att öka koncentrationen av den önskade VFA-typen i blandningar. Vår strategi har potential att driva resursåtervinning från avfallsströmmar ett betydande steg framåt för att uppnå FN: s mål för hållbar utveckling vad gäller 12. Hållbar konsumtion och produktion och 13. Bekämpa klimatförändringarna. QC 2020-07-29

The most sustainable and environmentally friendly butyric acid production method is fermentation; however, low production yield and high substrate cost limit the competition with petrol-based production. The study is aimed to enhance butyric acid production via bioaugmentated mixed culture by Clostridium butyricum from dairy industry wastewater fermentation. The bioaugmentation of C. butyricum increased butyric acid production (mgCOD L-1) from 260±36 to 2889±180. The total VFA production (mgCOD L-1) was increased from 1434±217 to 4642±1778 in control and bioaugmented reactors, respectively. There was a positive correlation between the gene copies of C. butyricum with butyric, hexanoic, n-heptanoic, valeric acids production. The cycle analysis showed that 6 hours in the bioaugmented reactor, 14 hours in the control reactor would be sufficient for similar production efficiency. The study provides a fundamental solution to step forward to achieve next-generation biorefineries by using both monocultures modularity and mixed culture robustness and stability regarding. QC 20200817