Vad är DAMO för något?

Anaerob rening av avloppsvatten är nog mångas våta dröm, som dock kan generera svettiga mardrömmar. Anaerob rening (oftast förknippat med UASB-reaktorer), som alternativ till den aeroba aktivtslamprocessen, innebär energiproduktion (metanproduktion) istället för energinettoanvändning, låg slamproduktion och höga volymetriska reaktionshastigheter. Dock får man räkna med att en betydande mängd metan är löst i det renade vattnet, kanske mer än 45 % av den producerade metanen eller 25 mg CH₄/l. För ett 300 000 pe-verk med ett flöde på 100 000 m³/d motsvarar det ett metanslip på minst 22 800 ton CO₂-ekvivalenter, eller ca 76 kg CO₂-ekvivalenter/(pe*år), vilket är lite mer än det dubbla av de totala utsläppen för ett konventionellt reningsverk idag. Det finns dock metoder för att bli av med denna lösta metan. Ett nytt framtida, spännande biologiskt alternativ är att utnyttja den så kallade DAMO-processen, i vilken en också kan få till kväverening.

DAMO står för Denitrification and Anaerobic Methane Oxidation. Liksom anammoxprocessen, upptäcktes DAMO i Nederländerna. År 2006 meddelade Mike Jettens team på Radboud University Nijmegen att de hade hittat vad de hade letat efter: mikroorganismer som oxiderade metan med hjälp av denitrifikation (Raghoebarsing et al., 2006). Innan dess hade mikrobiell metanoxidation enbart konstaterats med syre eller sulfat. Ympen till sina försök på labbet, tog de från anoxiska sediment i Twentekanaal, en kanal i Nederländerna som erhåller dräneringsvatten från jordbruksmarker. Vattnet i kanalen innehåller nitratkoncentrationer uppemot 14 mg NO₃^-/l, och sedimenten är mättade med metan. Raghoebarsing et al. (2006) menade att det var ett konsortium av en nyupptäckt bakterie och en arké som genomförde processen, och att nitrit föredrogs framför nitrat (n-damo = nitrite-dependent anaerobic methane oxidation), men att nitrat kunde utnyttjas i frånvaro av nitrit. Samma forskargrupp (Ettwig et al., 2008, Ettwig et al., 2009) drog senare slutsatserna att reaktionen inte krävde närvaro av arkéerna och att nitratreduktionen eventuellt sker med hjälp av traditionell denitrifikation med organiska föreningar.

2 CH₄ + 8 NO₂^- + 8 H⁺ → 3 CO₂ + 4 N₂ + 10 H₂O

Ettwig et al. (2010) gav den nyupptäckta bakterien namnet Candidatus Methylomirabilis oxyfera, efter att ha studerat bakteriens respiration och dess genom. Bakterien har de traditionella enzymerna för denitrifikation, men saknar kända enzymer för reduktion av lustgas (N₂O) till kvävgas (N₂). Bakterien kodar dessutom för de enzymer som är kända för aerob metanoxidation. Studien kunde påvisa att syre producerades utav kvävemonoxid (NO), som sedan kunde användas för metanoxidationen. Innan år 1926 trodde forskarvärlden att traditionell denitrifikation skedde genom att syre producerades utifrån kväveföreningar, vilket alltså är fallet för DAMO-processen! Förutom hos DAMO-processen, finns det enbart tre biologiska reaktioner som genererar syre: fotosyntesen, kloritreduktion och detoxifiering av syreradikaler. Eftersom kväveoxider fanns tillgängliga på Jorden innan fotosyntesrevolutionen, kan möjligen syre funnits tillgängligt för bakteriell respiration redan innan fotosyntesen kom till. 

DAMO-processen producerar sitt egna syre (O₂).

Till slut till det absolut viktigaste, hur kan vi implementera DAMO-processen? (Till er som har orkat läsa så här långt i texten, är troligen uthålliga, vilket även krävdes för att odla upp dessa bakterier i labbet första gången (5 månader innan ngn DAMO kunde konstateras!)) Uti i våra nitrat/nitritrika eutrofierade vattendrag och sjöar, har DAMO-processen troligen en mycket viktig roll för att minska metanutsläppen från anaeroba bottnar. Men för avloppsreningsverken då? I en nederländsk studie hittades spår av DAMO-bakterier på 9 av 10 studerade reningsverk, så de finns där men bidrar troligen till väldigt liten del till kvävereningen idag. Dock har de konstaterats i två rejektvattenbehandlingsanläggningar i Nederländerna. Rejektvattnet innehåller ju en ansenlig mängd metan, och interaktionen mellan anammox och DAMO har studerats. Dock konkurrerar ju DAMO med de aeroba metanoxiderarna också.

Bakterierna har en fördubblingstid på minst 1-2 veckor, och därför krävs i likhet med implementering av Manammox, en bra slamretentionsteknik. Kampman et al. (2011) testade DAMO i en membranbioreaktor vid 20°C, men erhöll enbart en maximal volymetrisk reaktionshastighet på 0,0355 kg NO₂^-/(m³*d), vilket är ca tio gånger lägre än med konventionell kväverening idag. Dock konstaterade Ettwig et al. (2008, 2009) och Kampman et al. (2011) att reaktionshastigheterna blev lägre under experimentens gång, när väl maximala hastigheter hade uppnåtts, och kanske bildas ett inhiberande ämne eller så fattas ett viktigt substrat. När detta frågetecken är löst, så kan kanske DAMO kan vara ett alternativ till dagens kväverening.

Dock räcker inte heller enbart DAMO för att bli av med all metan i utgående vatten i exempelverket på 300 000 pe ovan. Detta verk erhåller ca 4000 kg kväve varje dygn, medan DAMO kräver ca 5800 kg nitritkväve varje dag. Alltså krävs en kompletterande teknik för att bli av med all metan.

Kampman et al. (2011) föreslog ovanstående konfiguration för ett kommunalt avloppsreningsverk med UASB och DAMO.