Enhancement of methane production from the anaerobic digestion of chemical pulp and paper mill effluents

Abstract

Sustainability of resources such as energy, water and waste have become important drivers in our current economy. For large industries that are water and energy intensive like pulp and paper (P&P) mills, this is a specifically relevant issue. The large and heterogenous volumes of effluents in P&P mills make it a difficult task to properly treat before discharge. Anaerobic digestion is an efficient wastewater technology that cleans the effluent, reduces wasted sludge and simultaneously produces methane that can be further used as energy. The research work described in this thesis aims to enhance the methane production from the anaerobic digestion of different chemical P&P mill effluents. Through effluent characterization, variability of process parameters, promoting agents and the assessment of biochemical methane potential (BMP) tests, the benefits of three potential methods to enhance methane yields of wastewaters were evaluated. In addition, the conversion of chemical pulp fibers directly to methane was explored. The attained results described the different improvements that can be made to enhance methane production. Easily degradable effluents such as hydrolyzed filtrates and evaporator condensates contain high concentrations of sugars and acetic acid respectively, which could encourage an oversaturation of acids during acidogenesis. An inoculum to substrate ratio (ISR) of 2 proved to be the optimal in order to add the required buffering capacity to neutralize the pH and produce significantly high methane yields of up to 333 mLCH4/gVS. The high productivity of these effluents can be then considered for co-digestion with harder to treat effluents such as lignin-rich streams. Lignin clearly hinders methane production indicated by the negative linear correlation found between lignin content and methane yield. The co-digestion of lignin-rich effluent with evaporator condensates from neutral sulfite semi-chemical (NSSC) pulping proved to enhance the overall methane productivity of the mill´s wastewater treatment. Furthermore, the assessment of hydrotalcites (HT) addition indicated a contribution towards an increase in methane yield, faster production rates and a greater lignin removal. The poor performance of calcined HT suggests that the advantages of HT addition came from the layered sheet structure. Finally, besides establishing the methane potential in various P&P effluents, the examination of methane productivity of different pulp fibers and its products proved to be a promising new energy alternative to explore. Brown, oxygen delignified and bleached pulp gathered biodegradabilities of up to 90% and methane yields as high as 380 mLCH4/gVS. With the current changing bio-economy this last approach paves the way in exploring alternative and novel uses for chemical pulp mill products.

La sostenibilidad en la gestión de recursos como la energía, el agua y los residuos se ha convertido en un aspecto clave en nuestra economía actual. Para grandes industrias que consumen mucha agua y energía, como la industria de pulpa y papel (P&P) este es un tema especialmente relevante. Los grandes y heterogéneos volúmenes de efluentes que producen las fábricas de P&P hacen que su adecuado tratamiento sea una tarea difícil. La digestión anaerobia es una tecnología eficiente para el tratamiento de aguas residuales; que limpia el efluente, reduce el lodo producido y simultáneamente produce metano que puede usarse como fuente de energía. El objetivo del trabajo de investigación descrito en esta tesis es aumentar la producción de metano a partir de la digestión anaerobia de diferentes efluentes producidos en fábricas de pulpa. A través de la caracterización del efluente, determinación de parámetros del proceso, agentes promotores y la evaluación de pruebas de producción de metano bioquímico se evaluaron los beneficios de tres métodos potenciales para mejorar los rendimientos de metano de los efluentes. Asimismo, se exploró la conversión directa de fibras de pulpa química a metano. Los efluentes fácilmente degradables, como los filtrados hidrolizados y los condensados del evaporador, contienen altas concentraciones de azúcares y ácido acético, respectivamente, lo que podría provocar una sobresaturación de ácidos durante la acidogénesis. Se ha demostrado que una relación de inóculo a sustrato de 2 resulta óptima para aumentar la capacidad tampón del sistema y neutralizar el pH y producir rendimientos de metano significativamente altos, de hasta 333 mLCH4/gVS. La alta productividad de estos efluentes hace que se puedan considerar para la co-digestión con efluentes más difíciles de tratar, como las aguas ricas en lignina. Claramente la lignina obstaculiza la producción de metano, tal y como indica la correlación lineal negativa encontrada entre el contenido de lignina y el rendimiento de metano. La co-digestión del efluente rico en lignina con el condensado de evaporadores de pulpa semi-química de sulfito ha demostrado mejorar la productividad de metano en el tratamiento de aguas residuales de la planta. Además, la adición de hidrotalcitas (HT) como catatlizadores contribuye hacia un aumento en la producción de metano, tasas de producción más rápidas y una mayor eliminación de lignina. Con HT calcinadas se han obtenido rendimientos bajos, lo que sugiere que las ventajas de la adición de HT provienen de su estructura laminar. Finalmente, además de establecer el potencial de metano que existen en los efluentes de P&P, la evaluación de la productividad de metano de diferentes fibras de pulpa y sus productos ha demostrado ser una nueva alternativa energética para explorar. El uso de pulpa blanqueada, sin blanquear y deslignificada con oxígeno muestran biodegradabilidades de hasta 90% y rendimientos de metano de hasta 380 mLCH4/gVS. Con la cambiante bioeconomía actual, este último enfoque estimula la exploración de usos alternativos y novedosos para productos de plantas de pulpa química.