Study on the gaseous emissions during the biological treatment of sewage sludge. Characterization of VOCs and odour emissions

Abstract

La gestió dels fangs generats durant el tractament de les aigües residuals a les estacions depuradores d’aigües residuals (EDARs) és un dels grans reptes als quals s’enfronten les autoritats Europees, estatals i locals, alhora que els gestors de plantes industrials de tractament d’aquests residus. La producció anual d’aquest residu als països Europeus supera els 7.5 milions de tones (matèria seca), essent necessari el seu tractament per tal de minimitzar o evitar els impactes mediambientals negatius associats. El compostatge i el bioassectage de fangs d’EDAR són dos processos de tractament similars amb objectius diferents. Per una banda, amb el compostatge es busca reduir tant el volum com l’activitat biològica del material per obtenir un producte que pugui ser emprat com a fertilitzant o esmena orgànica. Per altra banda, el bioassectatge de fangs promou la disminució de la humitat present per mitjà del calor metabòlic generat durant la degradació biològica de la matèria orgànica juntament amb l’aplicació d’alts cabals d’aeració per obtenir un producte final que pugui ser emprat com a biocombustible. Tot i això, ambdues tecnologies tenen associats impactes mediambientals i socials ineludibles, dels quals destaquen les emissions gasoses i odoríferes que deriven de la degradació biològica de la matèria orgànica. Entre tots els compostos gasosos que poden estar presents en aquestes emissions gasoses, l’amoníac, el sulfur d’hidrogen i els compostos orgànics volàtils (COVs) mereixen una menció especial quant a la seva contribució a l’olor generat, mentre que el metà i l’òxid nitrós són els principals compostos d’efecte hivernacle. En aquesta tesi, l’estudi de les emissions gasoses i odoríferes generades durant el tractament biològic de fangs d’EDAR s’ha centrat en una planta industrial de compostatge de llots d’EDAR i en una planta pilot de bioassecatge de llots d’EDAR. Primerament, es va avaluar l’influencia del temps de compostatge sobre les emissions gasoses i odoríferes i sobre l’estabilitat biològica assolida pel material a una planta real de compostatge de fangs d’EDAR. El procés de compostatge es divideix en dues fases principals, una primera de descomposició de la matèria orgànica duta a terme en canals de compostatge dinàmics amb un temps de residència de 4 dies, seguida d’una segona fase de maduració en piles trapezoïdals d’una duració de 30 dies. A l’augmentar el temps de residència del material als canals dinàmics de 4 a 14 dies, la degradació biològica de la matèria orgànica va millorar substancialment, mentre que les emissions gasoses i odoríferes generades durant la fase de maduració es van veure reduïdes. A més, es va realitzar una caracterització completa dels COVs, mostrant que els compostos organosulfurats, les cetones i els terpens són els grups de COVs predominants a les emissions gasoses generades durant aquest procés de compostatge. Finalment, es va operar un reactor de bioassecatge de llots d’EDAR a escala pilot per monitorar i caracteritzar completament les emissions gasoses i odoríferes d’aquest procés, proporcionant el primer inventari d’emissions d’amoníac, sulfur d’hidrogen, COVs totals i específics, olors, metà i òxid nitrós. Els resultats obtinguts es van comparar amb la bibliografia existent referent a emissions gasoses i odoríferes en processos de compostatge de fangs d’EDAR, mostrant que, de forma general, les emissions gasoses i odoríferes generades al llarg del procés de bioassecatge són menors que les associades als processos de compostatge de llots d’EDAR. A més de l’interès científic, aquesta tesi ajuda a incrementar l’expertesa dels grups d’investigació GICOM, GENOCOV i BETA en relació a les metodologies de mostreig i anàlisi d’emissions gasoses i odoríferes.

La gestión de los lodos generados durante el tratamiento de las aguas residuales en las estaciones depuradoras de aguas residuales (EDARs) es uno de los grandes retos a los cuales se enfrentan las autoridades europeas, estatales y locales, al igual que los gestores de plantas industriales. La producción anual de este residuo en los países europeos supera los 7.5 millones de toneladas (materia seca), siendo necesario su tratamiento con tal de minimizar o evitar los impactos medioambientales negativos asociados. El compostaje y el biosecado de lodos de EDAR son dos procesos de tratamiento similares con objetivos diferentes. Por un lado, con el compostaje se busca reducir tanto el volumen como la actividad biológica del material para obtener un producto que pueda ser utilizado como fertilizante o enmienda orgánica. Por otro lado, el biosecado de lodos promueve la disminución de la humedad del material por medio del calor metabólico generado durante la degradación biológica de la materia orgánica junto con la aplicación de altos caudales de aireación para obtener un producto que pueda ser utilizado como biocombustible. Sin embargo, ambas tecnologías presentan impactos medioambientales y sociales ineludibles, de los cuales destacan las emisiones gaseosas y odoríferas asociadas a la degradación biológica de la materia orgánica. Entre todos los compuestos gaseosos que pueden estar presentes en dichas emisiones, el amoníaco, el sulfuro de hidrógeno y los compuestos orgánicos volátiles (COVs) merecen una mención especial en cuanto a su contribución al olor generado, mientras que el metano y el óxido nitroso son los principales compuestos con efecto invernadero. En esta tesis, el estudio de las emisiones gaseosas y odoríferas generadas durante el tratamiento biológico de lodos de EDAR se ha centrado en una planta industrial de compostaje de lodos de EDAR y en una planta piloto de biosecado de lodos de EDAR. En primer lugar, se evaluó la influencia del tiempo de compostaje sobre las emisiones gaseosas y odoríferas y sobre la estabilidad biológica alcanzada por el material en una planta industrial de compostaje de lodos de EDAR. El proceso de compostaje se divide en dos fases principales, una primera de descomposición de la materia orgánica llevada a cabo en canales de compostaje dinámicos con un tiempo de residencia de cuatro días, seguida de una segunda fase de maduración en pilas trapezoidales con una duración de 30 días. Al aumentar el tiempo de residencia del material en los canales dinámicos de 4 a 14 días, la degradación biológica de la materia orgánica mejoró sustancialmente, mientras que las emisiones gaseosas y odoríferas generadas durante la fase de maduración se vieron reducidas. Además, se realizó una caracterización completa de los COVs, mostrando que los compuestos organosulfurados, las cetonas y los terpenos son los grupos de COVs predominantes en las emisiones de este proceso. Finalmente, se operó un reactor de biosecado de lodos de EDAR a escala piloto para monitorizar y caracterizar completamente las emisiones gaseosas y odoríferas de este proceso, proporcionando el primer inventario de emisiones de amoníaco, sulfuro de hidrógeno, COVs totales y específicos, olores, metano y óxido nitroso. Los resultados obtenidos se compararon con la bibliografía existente referente a emisiones gaseosas y odoríferas en procesos de compostaje de lodos de EDAR, mostrando que, de forma general, las emisiones gaseosas y odoríferas generadas durante el proceso de biosecado son menores que las asociadas a los procesos de compostaje de lodos de EDAR. Además del interés científico de esta tesis, esta ayuda a incrementar el conocimiento de los grupos de investigación GICOM, GENOCOV y BETA en relación a las metodologías de muestreo y análisis de emisiones gaseosas y odoríferas generadas en procesos a escala piloto e industrial.

Sewage sludge management is one of the main challenges pointed out by the European and local authorities, together with plant managers, in the past years. Its annual production in the European countries is over the 7.5 million Mg in dry basis, which must be treated to minimize or avoid its negative environmental impacts. Sewage sludge composting and biodrying processes are two similar treatment processes seeking different objectives. On one hand, sewage sludge composting aims at reducing both the volume and the biological activity of the material to obtain a product that can be used as fertilizer or soil amendment. On the other hand, sewage sludge biodrying seeks to remove moisture by using both the metabolic heat generated during the biodegradation of organic matter and high aeration rates to obtain a final product that can be used as biofuel. However, both technologies present unavoidable environmental and social impacts among which gaseous and odorous emissions derived from the biological degradation of organic matter stand out. Among all the gaseous compounds that can be present in these emissions, special mention is deserved for ammonia, hydrogen sulphide and volatile organic compounds (VOCs) as the main odour contributors and for methane and nitrous oxide as the main greenhouse gases. In this thesis, the study of the gaseous and odorous emissions generated during the treatment of sewage sludge has been focused on a full-scale sewage sludge composting process and on a bench-scale sewage sludge biodrying process. Firstly, the influence of the composting time on the gaseous and odorous emissions and on the biological stability achieved was assessed in a full-scale sewage sludge composting plant. The composting process was divided into two main phases, a first organic matter biodegradation phase performed in dynamic windrows with a retention time of 4 days, followed by a curing step performed in trapezoidal piles lasting about 30 days. By increasing the dynamic windrow retention time to 14 days, the organic matter biodegradation was enhanced, while the gaseous and odorous emissions generated during the curing phase were reduced. In addition, a full VOCs characterization was done, showing that organosulphur compounds, ketones and terpenes were the main VOC groups present in the gaseous emissions generated during the composting process. Finally, a bench-scale bioreactor for the sewage sludge biodrying was operated to monitor and fully characterize the gaseous and odorous emissions derived from this process, providing the first inventory of ammonia, hydrogen sulphide, total and specific VOCs, odour, methane and nitrous oxide emissions for this sewage sludge treatment technology. To put the obtained results into context, the gaseous and odorous emissions generated during the sewage sludge biodrying process performed were compared with gaseous and odorous emissions from sewage sludge composting literature, showing that, in general, lower gaseous and odorous emissions were generated during the biodrying process. In addition to the scientific interest of this thesis, it helps to increase the GICOM, GENOCOV and BETA research groups expertise on the sampling and analytical methodologies for gaseous and odorous emissions generated in bench and full-scale sewage sludge treatment facilities.