Anaerobic digestion and bioeletrochemical systems combination for energy and nitrogen recovery optimisation

Abstract

Anaerobic digestion (AD) is a widespread technology for treating high strength waste streams, such as livestock manure. AD has some limitations: i) high nutrient concentrations in effluents (especially nitrogen and phosphorus); ii) process instability against organic or nitrogen overloads; and iii) the need for increasing biogas methane content for using it as renewable energy for certain uses. Therefore, it is necessary to implement strategies to keep the DA process and effluent quality under control, and increase the amount of energy recovered in the system. In this Thesis the combination of AD-BES technology has been studied with the aim of increasing energy recovery and recover nitrogen from a complex waste stream such as pig slurry. Two-chambered cells with cation exchange membrane operated both in microbial fuel cell (MFC) and microbial electrolysis cell mode (MEC) have been used. In the first part of the Thesis integration of BES technology with AD was studied to improve system stability, the quality of the effluent and recovery of nitrogen. Firstly, batch tests were performed using an MFC and a MEC to compare the operation with fresh and digested pig slurry in both systems regarding the reduction of organic load and ammonium recovery for its reuse. Subsequently, both cells were operated continuously with digestate and their ability to absorb specific organic overloads was checked by simulating a malfunction of the AD by performing volatile fatty acids pulses in the anode chambers. Next, a lab-scale AD was connected in series with both cells and was subjected to an organic and nitrogen overload, which caused inhibition process. The MEC and MFC functioned as suitable systems for maintaining the quality of the effluent, reducing the residual organic load of the digestate and recovering ammonium. In addition, a recirculation loop between the AD and the MEC allowed stabilising the inhibited AD. Afterwards, the effectiveness of the recirculation loop for maintaining the operation of the AD was checked by its temporary interruption and subsequent reconnection. Total and active microbial populations of the reactors were analysed during the different phases to study their evolution during periods of inhibition and recirculation. In the second part of the Thesis the implementation of the MEC technology for the enrichment of the biogas produced in the AD, through the establishment of a biofilm on the cathode of the MEC capable of converting CO2 to methane, was studied to increase energy recovery of the system. First, an up-flow anaerobic sludge blanket reactor (UASB) was operated with the objective of obtaining biomass enriched in methanogenic archaea to be inoculated into the cathode of a MEC. Two MECs were set up to compare their operation with two different inocula (biomass enriched in the UASB and anaerobic granular biomass) and the evolution of the microbial population. Finally, AD-MEC-biocathode technology was integrated into a system where the digestate was refined in the anode chamber of the MEC and recirculated to control AD inhibition by organic and nitrogen overload; ammonia was recovered from the digestate thanks to its transfer to the cathode chamber; and CO2 introduced into the cathode chamber was transformed into methane to increase the calorific value of biogas. The work developed in this Thesis has revealed at lab-scale that BES systems have the versatility to be combined with the AD and improve its operation, the effluent quality and energy recovery and nitrogen.

La digestió anaeròbia (DA) és una tecnologia àmpliament estesa per al tractament de corrents residuals d'alta càrrega orgànica, com poden ser els residus ramaders. La DA presenta algunes limitacions: i) elevades concentracions de nutrients en els efluents (especialment nitrogen i fòsfor); ii) inestabilitat del procés enfront de sobrecàrregues orgàniques o nitrogenades; i iii) necessitat d'augmentar el contingut en metà del biogàs per al seu aprofitament per a determinats usos. Per tant, caldrà implementar estratègies que permetin mantenir el procés de DA i la qualitat dels efluents sota control, i augmentar la quantitat d'energia recuperada en el sistema. En aquesta tesi s'ha estudiat la combinació de DA amb els sistemes bioelectroquímics (BES) amb l'objectiu d'augmentar la recuperació d'energia i recuperar nitrogen d'una corrent residual complexa com són els purins porcins. S'han utilitzat cel¿les de doble compartiment amb membrana d'intercanvi catiònic operades tant en mode de cel¿la de combustible microbiana (microbial fuel cell, MFC) com en mode cel¿la d'electròlisi microbiana (microbial electrolysis cell, MEC). A la primera part de la tesi es va estudiar la integració de la tecnologia BES amb la DA per millorar l'estabilitat del sistema, la qualitat de l'efluent i la recuperació de nitrogen. En primer lloc es van realitzar assajos en discontinu amb una MFC i una MEC per comparar l'operació amb purí de porc fresc i digerit en els dos sistemes pel que fa a la reducció de càrrega orgànica i recuperació l'amoni per a la seva posterior reutilització. Posteriorment, ambdues cel¿les van ser operades en continu amb digerit i es va comprovar la seva capacitat per absorbir sobrecàrregues orgàniques puntuals, simulant un mal funcionament del DA mitjançant polsos d'àcids grassos volàtils en les càmeres anòdiques. Després, un DA a escala de laboratori va ser connectat en sèrie amb les dues cel¿les i va ser sotmès a una sobrecàrrega orgànica i nitrogenada que va provocar la inhibició del procés. La MFC i la MEC van funcionar com a sistemes adequats per mantenir la qualitat de l'efluent, reduint la càrrega orgànica residual del digerit i recuperant amoni. A més, un circuit de recirculació entre el DA i la MEC va permetre estabilitzar el DA inhibit. Finalment, l'efectivitat del circuit de recirculació per al manteniment de l'operació del DA va ser comprovada, mitjançant la seva interrupció temporal i posterior reconnexió. La població microbiana total i activa dels reactors va ser analitzada durant les diferents fases per estudiar la seva evolució durant els períodes d'inhibició i recirculació. A la segona part de la tesi es va estudiar l'aplicació de la tecnologia MEC per a l'enriquiment del biogàs produït en la DA, gràcies a l'establiment d'un biofilm en el càtode de la MEC capaç de convertir CO2 en metà, augmentant la recuperació d'energia del sistema. En primer lloc es va operar un reactor anaerobi de llit fluïdificat ascendent (up-flow anaerobic sludge blanket, UASB) amb l'objectiu d'obtenir biomassa enriquida en archaees metanogèniques, per posteriorment ser inoculada en el càtode d'una MEC. Es van posar en marxa dues cel¿les MEC per comparar la seva operació amb dos inòculs diferents (biomassa enriquida en el UASB i biomassa granular anaeròbia) i l'evolució de la població microbiana. Finalment, la tecnologia DA-MEC-biocàtode va ser integrada en un sistema en què el digerit era refinat a la cambra anòdica de la MEC i recirculat al DA per controlar la inhibició per sobrecàrrega orgànica i nitrogenada; l'amoni era recuperat del digerit per transferència a la càmera catòdica; i el CO2 introduït a la cambra catòdica era transformat en metà per augmentar el poder calorífic del biogàs. El treball desenvolupat en aquesta tesi ha permès comprovar a escala de laboratori que els sistemes BES presenten una gran versatilitat per ser combinats amb la DA i millorar la seva operació, la qualitat de l'efluent i la recuperació d'energia i nitrogen.