Strategies to enhance microalgae anaerobic digestion in wastewater treatment systems : pretreatments and co-digestion

Abstract

Microalgae-based wastewater treatment systems are promising solutions to shift the paradigm from wastewater treatment to energy and resources recovery. In these systems, microalgae assimilate nutrients and produce oxygen which is used by bacteria to biodegrade organic matter improving water quality. Moreover, microalgae biomass can be harvested and reused to produce biofuels among other bioproducts. In this context, anaerobic digestion (AD) is one of the most consolidated and well-known technologies to convert organic waste generated in a wastewater treatment plant into bioenergy. However, microalgae AD is generally limited by their resistant cell wall, which lead to low methane potential (degradation extent) and conversion rate (degradation speed). Also, microalgae have high protein content, which can lead to ammonia nitrogen inhibition during the anaerobic digestion process. This PhD thesis aims to overcome these drawbacks and improve the technology by combining the use of pretreatments and the co-digestion. While pretreatments act disrupting or weakening the structure of microalgae cell wall, allowing the intracellular content to become more bioavailable, anaerobic co-digestion (i.e. the simultaneous digestion with two or more substrates) can contribute to improve microalgae AD performance by increasing methane potential, diluting inhibitory compounds or getting synergies between substrates (nutrients composition, rheology, etc.) in addition to the economic advantages derived from treating several wastes in a single facility. Firstly, co-digestion of harvested microalgae from high rate algal ponds (HRAP) used as secondary treatment for urban wastewater and primary sludge, which is produced in the same treatment process, is been investigated. Results have shown that the most suitable option to anaerobically digest microalgae from HRAPs would be the co-digestion with primary sludge at a 20-day hydraulic retention time (HRT), that leads to higher methane production (between 63% and 2.3-fold increase). The energy assessments conducted according to these results have revealed that microalgae co-digestion with primary sludge is a key technology for energy recovery in HRAPs, since the energy produced is up to 4-fold the energy consumed during the AD. Finally, potential reuse of microalgae digestates in agriculture has been investigated (including their co-digestion with primary sludge). all microalgae digestates have presented suitable properties for agricultural soils amendment, although digestate from co-digestion has presented the least phytotoxicity. Besides, co-digestion with storable agricultural wastes (i.e. wheat straw) is been evaluated. As it happens to microalgae, wheat straw AD is limited by hydrolysis step due to its lignocellulosic structure. Thus, their co-digestion with microalgae is also being investigated after a simultaneous thermo-alkaline pretreatment to both substrates. Results have shown that wheat straw co-digestion (50% VS) at 20-day HRT has increased microalgae methane yield by 77% as compared to microalgae mono-digestion (from 0.12 L CH4/g VS to 0.21 L CH4/gVS). On the other way around, pretreatment has only increased the methane yield by 15% as compared to untreated substrates co- digestion (0.24 L CH4/g VS). Thus, the co-digestion of microalgae and wheat straw is successful even without the pretreatment. Finally, when microalgae are used as tertiary treatment, waste activated sludge (WAS) results in abundant and available co-substrate. As a novelty, in this PhD thesis, microalgae and WAS co-digestion is investigated after applying a simultaneous autohydrolysis pretreatment at 55 °C to improve microalgae biodegradability by promoting inherent enzymes release from WAS. However, results have shown that WAS enzymes have not been effective at disrupting microalgae cell wall. Anyway, WAS co-digestion (80% VS) after pretreatment has increased microalgae mono-digestion methane yield up to 130%.

Els sistemes de tractament d'aigües residuals amb microalgues són solucions tecnològiques que permeten canviar el paradigma del tractament d'aigües residuals a la recuperació d'energia i recursos. En aquests sistemes, les microalgues assimilen nutrients i produeixen oxigen que utilitzen els bacteris per a la biodegradació de matèria orgànica, millorant així la qualitat de l'aigua. A més, la biomassa de microalgues es pot recol·lectar i reutilitzar per produir biocombustibles. En aquest context, la digestió anaeròbia és una de les tecnologies més establertes que permeten convertir els residus orgànics generats en una depuradora en bioenergia. No obstant això, la digestió anaeròbia de microalgues està generalment limitada per la seva resistent paret cel·lular, i per aquest motiu presenten un baix potencial de metà i una Baixa taxa de degradació (velocitat de degradació). A més, les microalgues tenen un elevat contingut en proteïnes, fet que pot conduir a la inhibició per amoníac durant el procés de digestió anaeròbia. Aquesta tesi doctoral pretén millorar la tecnologia de la digestió anaeròbica combinant l’aplicació de pretractaments amb la co-digestió. Mentre que els pretractaments actuen per alterar o debilitar l'estructura de la paret cel·lular de les microalgues, permetent que el contingut intracel·lular sigui biodisponible, la co-digestió (és a dir, la digestió simultània amb dos o més substrats) pot contribuir a millorar el rendiment de la digestió de les microalgues augmentant el potencial de metà, diluint compostos inhibidors o fomentant sinergies entre substrats (composició de nutrients, reologia, etc.), a més dels avantatges econòmics derivats del tractament de diversos residus en una única instal·lació. En primer lloc, s'ha investigat la co-digestió de les microalgues procedents de llacunes d’alta càrrega (LLAC), utilitzades com a tractament secundari per a aigües residuals urbanes, i fangs primaris, que es produeixen en el mateix procés de tractament. Els resultats obtinguts indiquen que l'opció més adequada per digerir microalgues és amb la codigestió amb fang primari en un temps de retenció hidràulica (TRH) de 20 dies. Els balanços energètics duts a terme d'acord amb aquests resultats han mostrat que l'energia produïda és fins a 4 vegades l'energia consumida durant la digestió anaeròbica. Finalment, s'ha investigat la possible reutilització dels efluents de la digestió de microalgues en l'agricultura (inclosa la seva co-digestió amb fang primari). Tots els digestats de microalgues han presentat propietats adequades per se utilitzats com esmena de sòls agrícoles, tot i que l’efluent procedent de la codigestió ha presentat la menor fitotoxicitat. Complementàriament, s'ha avaluat la codigestió amb residus agrícoles que puguin ser emmagatzemables (palla de blat). Com passa amb les microalgues, la digestió anaeròbia de palla de blat està limitada per hidròlisi a causa de la seva estructura lignocel·lulosica. Per tant, la seva codigestió ambles microalgues també s'ha investigant després d'un pretractament simultani a tots dos substrats (termoalcalí). Quan les microalgues s'han co-digerit amb palla de blat, el rendiment del metà ha augmentat des de 0,12 L CH4 / g VS fins a 0,21 L CH4 / gVS (augment del 77%), mentre que el pretractament només ha augmentat el rendiment del metà en un 15% en comparació amb la codigestió dels substrats no tractats (0,24 L CH4 / g VS). Per últim, s’ha investigat la codigestió de microalgues i fangs biològics després d'aplicar un pretractament simultani a ambdós substrats d'autohidròlisi (55 °C). L’objectiu d’aquesta estratègia és millorar la biodegradabilitat de les microalgues per mitjà de l'alliberament d'enzims inherents als fangs. Tot i que en els assajos s’ha vist que els enzims alliberats pels fangs no han estat eficaços degradant la paret cel·lular de les microalgues, la codigestió amb els fangs biològics després del pretractament ha permès permet augmentar la producció de metà de les microalgues fins a un 130%.