Sewage sludge anaerobic digestion : study of synergies and operational strategies of co-digestion

Abstract

Wastewater treatment plants (WWTPs) are characterized by their high organic matter and nutrient removal efficiency, but also by their high energy consumption. In the current context where resources are increasingly scarce, all feasible strategies to save energy emerge as an important issue for the sustainable management of WWTPs. In this thesis, sewage sludge (SS) anaerobic co-digestion with available organic wastes, coming from different sources and having different compositions, was proposed as an interesting strategy to approach an energy self-sufficient scenario for wastewater treatment by means of an improved biogas production. The studied co-digestion strategies were focused on the effect of the co-substrates composition -lipids, by adding grease waste (GW) from the dissolved air unit of the WWTP; alcohols, by adding crude glycerol (CGY) from a biodiesel facility; and of mixed composition, when adding the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW)- and the effect of operational temperatures mesophilic and thermophilics on the general performance of the SS anaerobic digesters. This approach was evaluated in terms of methane yield and the stability of the process. Methane productivity increased 2.3 and 2.2 times in comparison with sewage sludge mono-digestion when the GW added amounted to 26% and 27% of the COD inlet under mesophilic and thermophilic temperature conditions, respectively. The addition of GGY showed a 2.5 increase in methane productivity under mesophilic temperature, while in thermophilic range the co-digestion showed great instability mainly due to volatile fatty acids accumulation. Addition of the OFMSW showed a 3 to 5 times increase in methane productivity compared to SS mono-digestion, when the OFMSW added amounted respectively to 51% and 33% of the COD inlet under mesophilic and thermophilic conditions respectively. The biomass acclimatization brought about by a slow increase of the influent dose of GW, could be a good strategy to increase fat degradation and reduce the inhibitory effect of LCFAs. Thermophilic co-digestion showed a lesser tolerance to LCFAs than mesophilic, and therefore, the adaptation time to grease waste was longer. Thermophilic anaerobic co-digestion of SS with CGY proved to be very unstable due to the extreme pH of CGY and its fast decomposition into volatile fatty acids. On the other hand, mesophilic co-digestion showed a good performance, concluding that doses above 2% v/v of CGY did not bring about an improvement on the methane yield. In this case, it can be concluded that the optimization strategy based on the C/N ratio must be modulated by other factors such as the characteristics of crude glycerol (particularly its pH and total alkalinity) and the operational temperature. The OFMSW was proved to be a suitable co-substrate both under mesophilic and thermophilic temperature conditions. Results suggest that the addition of the OFMSW could be an adequate strategy to promote the activity of thermophilic saturated fatty acid oxidizers and acetoclastics methanogenic bacteria. In addition, the evolution of specific activities was assessed and used as a feasible tool to explain and manage the response of the system, especially when conventional control parameters were not enough to explain the performance of the reactor. Within the obtained results, it has been demonstrated that co-digestion is a suitable approach to optimize the energy balance of a WWTP. But, depending on the composition of the organic waste and the temperature range of operation, different operational strategies should be put into practice to find the most stable process, and avoid inhibitory episodes. Based on the results obtained with the strategies studied in this PhD thesis, sewage sludge co-digestion with different organic wastes could be expected to represent an attractive alternative to attain energy self-sufficient wastewater treatment operations, and perhaps even net energy producing WWTPs

Les Estacions de Depuració d’Aigües Residuals (EDARs) es caracteritzen per la seva elevada eficiència en l’eliminació de la matèria orgànica i nutrients, però també per el seu elevat consum energètic. En aquesta tesis, la co-digestió anaeròbia de fangs d'EDAR amb residus orgànics de diferent orígens i composicions, s'ha proposat com una estratègia atractiva per apropar-se a un escenari de tractament d'aigües residuals autosostenible energèticament, per mitjà de la millora de la producció de biogàs. L’estudi de l'estratègia de co-digestió es va centrar en l'efecte de la composició dels co-substrats (lípids mitjançant l'adició de residus greixosos procedents de la unitat de flotació per aire dissolt -DAF- de l’EDAR, alcohols mitjançant l'adició de glicerina crua d'una industria de producció de biodièsel, i una composició mixta aportada per la fracció orgànica de residus municipals -FORM-), i l'efecte de la temperatura d'operació (mesòfil i termòfil) en el rendiment general del procés de digestió anaeròbia dels fangs d'EDAR. La producció de metà es va incrementar entre 2,3 i 2,2 vegades en comparació amb la mono-digestió dels fangs d'EDAR quan l'adició del residu greixós representava el 26% i el 27% de la DQO d’entrada, durant la digestió mesòfila i termòfila respectivament. L'adició de la glicerina crua va mostrar un increment en la producció de metà de 2,5 vegades durant la digestió mesòfila, mentre que el procés de co-digestió en condicions termòfiles va mostrar una elevada inestabilitat, principalment deguda a l’acumulació d’àcids grassos volàtils. L'adició de FORM va incrementar la producció de metà entre 3 i 5 vegades més que la mono-digestió dels fangs d'EDAR, quan l'adició de FORM va ser del 51% i el 33% de la DQO d'entrada, a temperatures de operació mesòfiles i termòfiles respectivament. L'adaptació de la biomassa mitjançant increments lents de la dosis del residu greixós, es va demostrar com una bona estratègia per incrementar la degradació dels lípids i reduir l'efecte inhibitori dels àcids greixosos de cadena llarga. La co-digestió termòfila va mostrar una menor tolerància als àcids greixosos de cadena llarga que la digestió mesòfila, i per tant, el temps d¿ adaptació de la biomassa termòfila va ser superior. La co-digestió anaeròbia termòfila dels fangs amb la glicerina crua va mostrar una gran inestabilitat degut al pH extrem que presentava la glicerina i la seva ràpida descomposició en àcids grassos volàtils. Per un altra banda, la co-digestió mesòfila va mostrar un bon rendiment, concloent que dosis addicionals de glicerina per damunt de 2% v/v no mostraren una millora en el rendiment de metà. L'estratègia d'optimització basada en la relació C/N cal que sigui modulada per altres factors com les característiques de la glicerina crua (especialment el pH i l’alcalinitat total) i la temperatura d'operació. La FORM es va mostrar com un co-substrat adequat per a treballar tant a rangs de temperatures mesòfiles com termòfiles. Els resultats obtinguts suggereixen que l'adició de la FORM podria ser una estratègia vàlida per fomentar l'activitat de les poblacions termòfiles oxidats d’àcids grassos saturats, i les poblacions metanogèniques acetoclàstiques. Així mateix, l'evolució de les activitats específiques es va avaluar com una eina viable per explicar i gestionar les respostes del sistema, especialment quan els paràmetres de control convencionals no van mostrar-se adequats per explicar el rendiment del reactor. Els resultats obtinguts han demostrat que la co-digestió es un bon enfocament per optimitzar el balanç energètic del les EDARs. Basant-se en els resultats obtinguts amb les estratègies de co-digestió de fangs d'EDAR estudiades en esta PhD tesis, s'espera que la co-digestió dels fangs amb diferents residus orgànics, representen una alternativa atractiva per aconseguir l’autosuficiència energètica de les EDARs, i fins i tot, que les EDARs es converteixin en instal·lacions productores netes d'energia.