Comparison of the mesophilic, thermophilic and temperature-phased anaerobic digestion of sewage sludge

Abstract

Anaerobic digestion (AD) is currently spread all over the world for sewage sludge stabilisation, volume reduction and green energy production. Its implementation contributes to turn a wastewater treatment plant (WWTP) into a resource recovery facility. AD processes at WWTP are studied quite well, however, there are still some issues that are open for further investigation. In this PhD Thesis, three different AD configurations were studied with regard to the following operational and functional issues: - Digested sludge quality, dewaterability and pathogenic safety; - AD efficiency in terms of mixing equipment and its operational regime; - Life cycle assessment (LCA) of sludge and wastewater treatment. Though TPAD has already been studied, a comprehensive study on the simultaneous operation of several AD systems fed with the same substrate and comparing not only the main operational AD parameters such as organic matter degradation and methane production rate, but also digested sludge quality in terms of dewaterability, pathogenic safety and energetic value, considering its final disposal step, is still missing. Thus, one of the objectives of this PhD Thesis was to compare the mesophilic anaerobic digestion (MAD), thermophilic anaerobic digestion (TAD) and TPAD digested sludges and define the best alternatives for final disposal. The complex parameter of dewaterability was tested by two methods, centrifugation and mechanical pressing. Applying both methods, the experimental results showed that TAD and TPAD overcome MAD performance. The AD efficiency depends on many factors, including the mixing system and its operational regime. A mixing system and its operational regime are of high practical interest, as the stirring process can affect the AD efficiency significantly, both positively and negatively. Hence, there are several studies that investigate the effectiveness of the AD process in terms of mixing efficiency. However, most of them focus on certain factors (like microbial diversity or organic matter degradation efficiency) under a single temperature regime and configuration without a parallel comparison of several AD systems. Thus, in this PhD Thesis two different types of mixing mechanisms with two rotational regimes were selected. These mixing equipment alternatives were tested simultaneously on three laboratory AD systems with three different temperature regimes (mesophilic, thermophilic and temperature-phased) and two configurations (single- and double-stage AD) and afterwards modelled. The experiments showed that the simplest mixing mechanism at slow mixing velocity affected the AD efficiency in a better way than the more complicated mixing system at higher rotational speed. Another issue studied was a short HRT of the first stage of the TPAD system. It was found out that even at two days of HRT at TPAD1 methane content and volume can be reached in the fermenter and maintained a at significant amount at the second stage (TPAD2). These findings were proved by the microbiological analysis of samples taken from both stages of TPAD systems. Finally, the same three alternative anaerobic digestion systems (TAD, MAD and TPAD) were compared to determine which system may have the best environmental performance. Two life cycle assessments were performed considering: the whole WWTP (for a functional unit (FU) of 1 m3 of treated wastewater), and the sludge line (SL) alone (for FU of 1 m3 of produced methane). The data for the LCA were obtained from previous laboratory experimental work in combination with full-scale WWTP and literature. According to the results, the best AD alternative was TAD concerning all environmental impact categories, except for Climate change and Human toxicity.

La digestión anaeróbica (DA) está actualmente extendida por todo el mundo para la estabilización de lodos de depuradora, reducción de volumen y producción de energía verde. Su implementación contribuye a convertir una planta de tratamiento de aguas residuales (EDAR) en una instalación de recuperación de recursos. Los procesos de DA en las depuradoras se han estudiado bastante, sin embargo, todavía hay algunos temas que están abiertos a la investigación. En esta Tesis Doctoral, se estudiaron tres configuraciones de DA diferentes con respecto a los siguientes problemas operacionales: - Calidad del lodo digerido, deshidratación y presencia de patógenos; - Eficiencia de la DA en términos de equipo de agitación y su régimen de operación; - Análisis del ciclo de vida (ACV) del tratamiento de lodos y aguas residuales. Aunque el sistema de doble etapa (TPAD) ya ha sido estudiado, faltan datos experimentales operando simultáneamente varios sistemas de DA alimentados con el mismo sustrato y comparando no solo los principales parámetros operativos de la DA como la degradación de la materia orgánica y la tasa de producción de metano, sino también la calidad de los lodos digeridos en términos de deshidratación, presencia de patógenos y valor energético, considerando también su disposición final. Así, uno de los objetivos de esta Tesis Doctoral fue comparar la digestión anaeróbica mesofílica (MAD), la digestión anaeróbica termofílica (TAD) y la TPAD, y definir las mejores alternativas para la disposición final de los lodos. El complejo parámetro de capacidad de deshidratación se probó mediante dos métodos, centrifugación y prensado mecánico. Aplicando ambos métodos, los resultados experimentales mostraron que TAD y TPAD superan el rendimiento del sistema MAD. La eficiencia de la DA depende de muchos factores, incluido el sistema de mezcla y su régimen de operación. Un sistema de mezcla y su régimen de operación son de gran interés práctico, ya que la agitación puede afectar significativamente la eficiencia del proceso de DA, tanto positiva como negativamente. Por lo tanto, hay varios estudios que han investigado la efectividad del proceso de DA en términos de eficiencia de mezcla. Sin embargo, la mayoría de los estudios se enfocan en ciertos factores (como la diversidad microbiana o la eficiencia de degradación de la materia orgánica) bajo una única configuración y régimen de temperatura, pero sin una comparación paralela de varios sistemas de DA. Así pues, en esta Tesis Doctoral se compararon dos tipos de agitadores con dos regímenes de rotación. Estas alternativas se probaron simultáneamente en tres sistemas de DA de laboratorio con tres regímenes de temperatura diferentes (TAD, MAD y TPAD) y dos configuraciones (DA en una y dos etapas) y posteriormente se modelaron. Los experimentos mostraron que el agitador más simple a una velocidad de mezcla lenta afectaba en mayor medida la eficiencia de la DA que el agitador más complicado a una velocidad de rotación más alta. Otro tema estudiado fue un HRT breve de la primera etapa del sistema TPAD. Se descubrió que incluso a los dos días de HRT en el TPAD1, pueden alcanzarse un cierto contenido y volumen de metano en el fermentador y mantenerse en una cantidad significativa en la segunda etapa (TPAD2). Estos hallazgos fueron comprobados mediante el análisis microbiológico de muestras tomadas de ambas etapas de los sistemas TPAD. Finalmente, se compararon los mismos tres sistemas TAD, MAD y TPAD para determinar qué sistema podría tener el menor impacto ambiental. Se realizaron dos análisis de ciclo de vida considerando: la depuradora completa (WWTP) y solo la línea de lodos (SL). Los datos para el ACV se obtuvieron en los trabajos experimentales de laboratorio previos, complementados con datos de depuradoras reales y de la literatura. Según los resultados, a mejor alternativa de DA fue TAD en todas las categorías de impacto ambiental, excepto Cambio climático y Toxicidad humana.