Optimering av biogassproduksjon og stabilisering/hygienisering av kloakkslam basert på forståelse av mikrobielle enhetsprosesser

Emissions of nitrous oxide (N2O) from soil make up about 1/3 of agriculture's total climate forcing, and must be reduced if we are to achieve the goal of climate-smart agriculture. This is easier said than done because N2O emissions are regulated by the soils' microflora, which is extremely difficult to regulate. We know which microbes we want to stimulate: organisms that "eat" N2O, but have so far lacked knowledge and techniques to increase the amount and activity of such bacteria in soil. Jonassen's work is part of NMBU Nitrogen Group's research on microbial nitrogen transformations in general, and nitrous oxide in particular. Jonassen has taken a deep dive into biology that regulates N2O emissions, combined with a number of clever measures to enrich and cultivate large amounts of N2O-reducing bacteria. The basic idea is strikingly simple: agricultural soil is supplied with large amounts of organic material in the form of plant residues, livestock manure, and sludge from wastewater treatment plants. An increasing share of this material flow now goes via biogas plants before reintroduced to soil. This gives us an opportunity to cultivate large amounts of "favorable" bacteria in the residue from biogas production, which is then added to soil as fertilizers. Jonassen's "favorable" bacteria are those that effectively reduce the dangerous greenhouse gas N2O to harmless N2. This trait depends on the organisms' genetic equipment, one also on how they regulate gene expression, what we call the regulatory phenotype. To study this regulation, one uses model organisms, organisms that are thoroughly characterized through long-term cultivation in the laboratory. Such model organisms are useless in soil; probably because they have been domesticated in the laboratory. Jonassen has therefore searched for "wild" N2O-eating bacteria in soil and digestate, by first enriching them under special conditions, then identifying them via sequencing of the enrichment's genes and proteins, and finally isolating individual organisms. The work has borne fruit: several isolated organisms have been shown to have very favorable genotypes, they grow well in the digestate, and when we fertilize the soil with this digestate, the N2O emissions from the soil drop dramatically! The work is a collaboration between NMBU Nitrogen Group and Vestfjorden Avløpsselskap (VEAS), and this collaboration will continue to develop robust routines that can be used on biogas plants, which can thus offer the farmer a fertilizer product that reduces N2O emissions.

Teknologien har et stort potensiale og nedslagsfelt fordi biogassanlegg forventes å behandle en stadig større mengde organisk avfall som et ledd i overgangen fra fossile energikilder til miljøvennlige alternativer. Lystgassreduksjonspotensialet anslås til 50 %, som er et konservativt estimat dersom en tar hensyn til resultater oppnådd i laboratorieskala. Det vil trenges videre tverrfaglig forskning mellom akademiske- og industriaktører for å bringe konseptet videre. Herunder prosessteknisk implementering på biogassanlegg, valg av organismer, isolering av nye organismer, samt videre testing i feltforsøk for å verifisere teknologien og det reelle poentisalet for lystgassreduksjon. For å implementere en slik teknologi i større skala antas det at sluttbrukere må ha incentiver for å redusere sine lystgassutslipp. Disse må fastsettes på myndighetsnivå.

VEAS driver landets største renseanlegg for kommunalt avløpsvann og er landets største produsent av biogass. I renseprosessen skilles det ut store mengder slam som bl.a. består av nedbrytbart organisk materiale. Ved hjelp av anaerob nedbrytning stabiliseres slammet og biogass dannes. VEAS produserer om lag 70 GWh biogass årlig. Ved behov oppdateres den følgende teksten for å bedre reflektere endret fokus i prosjektet: Det bør være mulig å utnytte slammets potensiale for produksjon av biogass enda bedre enn i dag. En nøkkel til å optimere og øke biogassutbyttet, til å kontrollere prosessene bedre, er økt forståelse om mekanismene i utråtningsprosessen. Økt biogassutbytte gjør det mulig å erstatte mer fossilt brensel/drivstoff og bidra til å bedre økonomien i biogassproduksjonen. Prosjektet søker å dokumentere om drift av råtnetankene kan forbedres ved å skille ut en eller flere mikrobielle enhetsprosesser i forkant av den batchvise termofile stabiliseringen/hygieniseringen. Ved å se sammenhenger knyttet til mikrobiell samfunns- og populasjonsdynamikk søkes det å bestemme driftsbetingelser og reaktorutforming hvor en oppnår en avveining mellom optimale reaktorvolumer, stabilisering og biogassutbytte i laboratorieskala.