Process development for anaerobic codigestion of agro-industrial wastewaters with sewage sludge from biological wwtp and by-products utilization

Abstract

Sewage sludge is an inevitable byproduct in a wastewater treatment plant (WWTP).As the quantities of produced sewage sludge were continuously increased, thedisposal of this waste became problematic.Nowadays, approaches taken for sludge management are moving in reutilizing it as anenergy source (Tyagi and Lo, 2013). In this aspect, anaerobic digestion is an efficientmethod of treating sewage sludge since it can reduce the quantities of sludge, recoverenergy from the organic matter in the form of biogas, and contribute to the removal ofpathogens so as sludge should be disposed of. The biogas that is produced can beupgraded and injected into the natural gas grid or can be transferred directly intoCombined Heat Power units for co-generation of heat and electricity (Taherzadeh andKarimi, 2008). In other words, the waste can be transformed to heat, electricity andfertilizer.Based on these benefits, many studies tried to improve sludge digestibility andanaerobic digestion performance as well, in order to get even more energy out of thebiomass. A main category of studies focused on the improvement of substratecharacteristics via co-digestion with other industrial or agricultural wastes orpretreatment methods (mechanical, thermal, chemical or biological). Others aimed tothe enhancement of biogas production by improving the process design and operation(biomass retention time, two-phase, multi-step). This Ph.D study focused on findingthe adequate co-substrates, the optimal proportions and the optimal operationconditions.More precisely, in pilot-scale experiments, process performance and biogasproduction of a cascade of two methanogenic continuously stirred tank reactors(CSTR) connected in series was compared to a conventional one-step CSTR reactortreating thickened sewage sludge. Retention times between 12.3 and 19.7 days wereexamined for both systems that were operated in mesophilic conditions. In order toutilize co-digestion benefits, several co-substrates were added to sewage sludge suchas Olive Mill Wastewater (OMW), glycerol derived from biodiesel production andcheese whey. The objectives were to evaluate the use of these co-substrates on theimprovement of biogas production, to study the system stability after their addition insewage sludge and to determine the optimum hydraulic retention time that provides anoptimized biodegradation rate and methane production.As a result, this thesis can be divided into four parts. At the first part, both systemswere continuously fed with secondary thickened sludge. Results showed that the serialconfiguration could improve biogas production by 9.5 - 40.1%. Moreover, bothsystems had good effluent quality, with VFA concentrations below the detection limit.In terms of volatile suspended solids reduction, values ranged between 31.5% and33.8% for the one-step process and between 36.2% and 40.7% for the cascade. Duringthe second experimental cycle, feed mixtures of sewage sludge supplemented with2%, 3% and 4% (v/v) glycerol were investigated. The first two feed mixturesimproved biogas production 3.8-4.7 times with biodegradability higher than 88%while by adding 4% of glycerol the system failed due to overloading. The thirdexperimental part deals with the addition of OMW to the sewage sludge. Feedmixtures of 30% and 40% OMW were tested. The addition of 30% OMW improvedbiogas production by 139.6-211.2%. The average removal of sCOD ranged between64 and 72% while the reduction in the volatile suspended solids ranged between 27and 30%. In terms of biogas selectivity, values of 0.6 L biogas/g tCODremoved and 1.1lbiogas/ g TVSremoved were measured. A 40% addition in HRT lower or equal to 16.4d resulted in system breakdown. Finally, at the fourth part, a single stage CSTR wasfed with sewage sludge and cheese whey. The proportions that were tested were 10%,20%, 30% and 40% at HRTs 16.4d and 19.7d. Higher proportion of cheese whey inthe feed mixture as well as lower HRT led the system to unstable conditions. In allcases results show that the addition of cheese whey improves biogas production ofsludge by 28-303%.

Η ενεργός ιλύς είναι ένα αναπόφευκτο παραπροϊόν που παράγεται σε μια ΜονάδαΕπεξεργασίας Υγρών Αποβλήτων (Μ.Ε.Υ.Α.). Καθώς οι ποσότητες της παραγόμενηςιλύος αυξάνονται διαρκώς, η διάθεσή της έχει καταστεί προβληματική.Στις μέρες μας, οι ενέργειες για την διαχείριση της ιλύος στρέφονται στηνεπαναχρησιμοποίησή της ως πηγή ενέργειας (Mossakowska et al., 1998). Υπό αυτήτην προοπτική, η αναερόβια χώνευση είναι μια αποτελεσματική μέθοδος για τηνεπεξεργασία της ιλύος καθώς μπορεί να μειώσει τις ποσότητες της παραγόμενηςιλύος, να ανακτήσει ενέργεια από την οργανική ύλη υπό μορφή βιοαερίου αλλά καινα σκοτώσει τους παθογόνους μικροοργανισμούς ώστε να μπορεί να διατεθεί σεαποδέκτες. Το παραγόμενο βιοαέριο μπορεί στη συνέχεια να αναβαθμιστεί και νατροφοδοτηθεί στους αγωγούς φυσικού αερίου ή να μεταφερθεί σε ένα σύστημασυμπαραγωγής θερμότητας και ηλεκτρισμού (Taherzadeh & Karimi, 2008). Με άλλαλόγια η ιλύς από απόβλητο μπορεί να αντιμετωπιστεί ως θερμότητα, ηλεκτρισμός καιλίπασμα.Βάσει όλων αυτών των χρήσιμων χαρακτηριστικών, γίνονται πολλές έρευνες για τηβελτίωση της ικανότητας χώνευσης της ιλύος και της λειτουργίας της αναερόβιαςχώνευσης ώστε να παράγεται ακόμη περισσότερη ενέργεια από το απόβλητο. Η κύριακατηγορία των ερευνών εστιάζεται στη βελτίωση των χαρακτηριστικών τωνυποστρωμάτων που υφίστανται την χώνευση μέσω της συνεπεξεργασίας τους μεάλλα απόβλητα ή με τη βοήθεια μεθόδων προεπεξεργασίας (μηχανικές, θερμικές,χημικές ή βιολογικές). Άλλες έρευνες στρέφονται στην ενίσχυση της παραγωγής τουβιοαερίου μέσω της βελτίωσης των λειτουργικών συνθηκών της χώνευσης (χρόνοςπαραμονής, συστήματα δύο φάσεων, συστήματα δύο σταδίων). Η παρούσαδιδακτορική διατριβή επικεντρώνεται στην ανεύρεση των κατάλληλωνσυνυποστρωμάτων για χώνευση, των βέλτιστων ποσοστών ανάμιξής τους καθώς καιτων βέλτιστων λειτουργικών συνθηκών.Συγκεκριμένα, σε πειράματα που πραγματοποιήθηκαν σε πιλοτική κλίμακαμελετήθηκε η λειτουργία και η παραγωγή βιοαερίου από την χώνευση δευτερογενούςιλύος σε μια συστοιχία δύο μεθανιογενών αντιδραστήρων συνεχούς ροής πλήρουςαναμίξεως οι οποίοι ήταν συνδεδεμένοι σε σειρά. Τα αποτελέσματα συγκρίθηκαν μετα αντίστοιχα που προέκυψαν από έναν συμβατικό ενός σταδίου αντιδραστήρασυνεχούς ροής πλήρους αναμίξεως. Οι χρόνοι παραμονής που μελετήθηκαν και σταδύο συστήματα -τα οποία λειτουργούσαν υπό μεσόφιλες συνθήκες- ήταν μεταξύ 12,3και 19,7 ημέρες. Προκειμένου να υπάρξουν τα οφέλη της αναερόβιας συν-επεξεργασίας αποβλήτων, προστέθηκαν διάφορα συν-υποστρώματα στην ιλύ όπωςαπόβλητο ελαιοτριβείου, γλυκερόλη που αποτελεί παραπροιόν κατά την διαδικασίαπαραγωγής βιοντίζελ καθώς και απόβλητο τυροκομείου. Σκοπός της έρευνας ήταν νααξιολογηθεί η αύξηση στην παραγωγή βιοαερίου από την χρήση των συν-υποστρωμάτων, να μελετηθεί η σταθερότητα του συστήματος μετά την προσθήκητους στην ιλύ και να βρεθεί ο βέλτιστος υδραυλικός χρόνος παραμονής που θααποδώσει τον βέλτιστο ρυθμό βιοαποικοδόμησης ή/ και παραγωγής μεθανίου.Η παρούσα διατριβή διαιρείται σε τέσσερα τμήματα. Στο πρώτο τμήμα, και τα δυοσυστήματα τροφοδοτούνταν συνεχώς με δευτερογενή ιλύ. Τα αποτελέσματα έδειξανότι το σύστημα της συστοιχίας μπορεί να βελτιώσει την παραγωγή βιοαερίου κατά9,5- 40,1%. Επιπλέον, και τα δύο συστήματα είχαν καλή ποιότητα εκροής και ησυγκέντρωση των πτητικών λιπαρών οξέων βρέθηκε κάτω από τα όρια ανίχνευσης.Σε όρους μείωσης των πτητικών αιωρούμενων στερεών, οι τιμές κυμάνθηκαν μεταξύ31,5% και 33,8% για το σύστημα ενός σταδίου και μεταξύ 36,2% και 40,7% για τησυστοιχία. Κατά τον δεύτερο κύκλο πειραμάτων, κάθε ένα από τα δύο συστήματατροφοδοτούνταν με ιλύ στην οποία είχε προστεθεί 2%, 3% και 4% (v/v) γλυκερόλη.Τα δύο πρώτα μείγματα βελτίωσαν την παραγωγή βιοαερίου 3,8-4,7 φορές και ηβιοαποικοδόμηση ξεπέρασε σε κάθε περίπτωση το 88%. Αντίθετα, με την προσθήκη4% γλυκερόλης στην ιλύ το σύστημα υπερφορτίστηκε και κατέρρευσε. Το τρίτοτμήμα της παρούσας έρευνας περιλαμβάνει την προσθήκη ελαιουργικού αποβλήτουστην ιλύ. Τα μίγματα που δοκιμάστηκαν ήταν 30% και 40% ελαιουργικό απόβλητο.Η προσθήκη 30% ελαιουργικού αποβλήτου βελτίωσε την παραγωγή βιοαερίου κατά139,6-211,2%. Η μέση απομάκρυνση του διαλυτού COD κυμάνθηκε μεταξύ 64 και72% ενώ η μείωση των πτητικών αιωρούμενων στερεών εκτιμήθηκε μεταξύ 27 και30%. Σε όρους εκλεκτικότητας βιοαερίου, μετρήθηκαν 0,6 λίτρα βιοαερίου ανάγραμμάριο ολικού COD που απομακρύνθηκε και 1,1 λίτρα βιοαερίου ανά γραμμάριοολικών πτητικών στερεών που απομακρύνθηκαν. Προσθήκη 40% ελαιουργικούαποβλήτου σε χρόνο παραμονής μικρότερο ή ίσο με 16,4 ημέρες οδήγησε σεκατάρρευση του συστήματος. Τέλος, στο τέταρτο πειραματικό κομμάτι το σύστηματης συστοιχίας εγκαταλείφτηκε λόγω υψηλού λειτουργικού κόστους. Το σύστημαενός σταδίου τροφοδοτήθηκε με ιλύ και τυροκομικό απόβλητο. Τα μείγματα πουδοκιμάστηκαν ήταν 10%, 20%, 30% και 40% σε υδραυλικούς χρόνους παραμονής16.4 και 19.7 ημέρες. Υψηλότερο ποσοστό τυροκομικού αποβλήτου στην ιλύ καθώςκαι χαμηλότερος χρόνος παραμονής οδήγησε το σύστημα σε μη σταθερές συνθήκες.Σε όλες τις περιπτώσεις τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η προσθήκη του τυροκομικούαποβλήτου ενίσχυσε την παραγωγή βιοαερίου της ιλύος κατά 28-303%.