Tesis Doctorado
Influence of conventional and advanced anaerobic digestion on the composition and phytotoxicity of biosolids: towards beneficial use
Influencia de la digestión anaerobia convencional y avanzada sobre la composición y fitotoxicidad del biosólido: hacia un uso benéfico
Autor
Venegas-Vargas, María de los Ángeles
Institución
Resumen
The aim of this project was to evaluate the influence of conventional anaerobic digestion (CAD) and
advanced anaerobic digestion (AAD) of sewage sludge in the composition (i.e. physicochemical
and microbiological characteristics, and the concentration of micropollutants) and in the direct and
indirect phytotoxicity of the biosolids (BS) generated. The hypothesis was that the ADF produced
more favorable changes in the composition and phytotoxicity of the BS than those generated by
CAD, considering as a final purpose the beneficial application of the BS.
For 200 days, two laboratory-scale anaerobic reactors under mesophilic conditions were operated
at sludge retention time of 30 days. One was fed directly with sewage sludge (CAD) and the other
one was fed with the same sewage sludge but pre-treated (AAD). A sequential pre-treatment of
ultrasound followed by a thermal low temperature (55°C) stage was used. During the operation time
the performance of both reactors was evaluated by determining the total solid (TS) reduction,
organic matter estimated as chemical oxygen demand (COD) and the methane yield.
The BS generated by both reactors were used for different purposes. A fraction was used to perform
physicochemical characterizations such as determination of TS, volatile solids (VS), pH,
conductivity, humidity, metal content, nutrient content (nitrogen, phosphorus and potassium),
organic matter, among others. Another fraction was used to determined pathogens as total and
fecal coliforms. Another fraction of the BS was used for direct and indirect phytotoxicity assay. A
final fraction was used in the determination of microcontaminants (tonalide, galaxolide, triclosan,
butylated hydroxytoluene, phenanthrene, pyrene, 4-nonylphenol, tert-octylphenol, bisphenol A and
17β-ethinyl estradiol).
The anaerobic digestion performance improved with the incorporation of the sequential pre-
treatment of ultrasound followed by a low-temperature thermal stage. With COD and VS removals
12.89% and 4.25% higher than the CAD system. And the methane yield in AAD was 30.24% higher
than the CAD system. Regarding the physicochemical characteristics of the BS, the concentration
of total nitrogen, total phosphorus, ammonium, copper, zinc, and mercury; were between 1.05-1.58
20times higher in the BS from AAD compared to those from CAD. Behavior related mainly to the
solubilization of organic matter due to pre-treatment.
Considering the 10 microcontaminants determined, both systems resulted in the accumulation of 8
of the microcontaminants. Triclosan being the only compound removed during CAD and AAD, and
17β-ethinyl estradiol the compound that was not detected in either SS or BS. However, AAD
resulted in a decrease of 7 of the 9 compounds detected with respect to CAD.
The direct and indirect phytotoxicity of the BS and the parental SS, which was evaluated by two
dicotyledonous plants and one monocotyledonous; Lactuca sativa, Raphanus sativus, and Triticum
aestivum, respectively. The results showed the high phytotoxicity of sewage sludge, related to
putrescible organic matter, that is, the lack of stabilization. Indirect phytotoxicity of BS from CAD
caused positive effects in R. sativus and T. aestivum, but for L. sativa high toxicity was observed.
In the case of the BS from AAD, these showed a beneficial effect or the absence of phytotoxic
substances for the three plants tested. In the case of direct phytotoxicity, the BS from CAD was
slightly more beneficial than those from AAD, with increases between 4-20% in the germination
index of CAD compared to AAD and with an average EC 50 of 164 g/kg and 159 g/kg, for the BS
from CAD and AAD, respectively.
Therefore, the hypothesis is rejected. Although the application of sequential pre-treatment of
ultrasound followed by a low temperature treatment (55°C) improved the conversion of organic
matter, the methane production increased, the elimination of pathogens and microcontaminants
increased. The results of the direct and indirect phytotoxicity of the biosolids from conventional and
advanced anaerobic digestion, showed no significant differences. El objetivo de este proyecto fue evaluar la influencia de la digestión anaerobia convencional (DAC)
y la digestión anaerobia avanzada (DAA) de lodos sanitarios en la composición (es decir en las
características fisicoquímicas y microbiológicas, y en la concentración de microcontaminantes) y
en la fitotoxicidad directa e indirecta de los biosólidos (BS) generados. La hipótesis de investigación
fue que la DAA produciría un cambio más favorable en la composición y la fitotoxicidad de los BS
en comparación con los generados por DAC, considerando como finalidad la aplicación benéfica
de los BS.
Se operaron por aproximadamente 200 días, dos reactores anaerobios en condiciones mesofílicas
a escala de laboratorio operados con un tiempo de retención de lodos de 30 días. Uno en fue
alimentado directamente con lodos sanitarios (DAC) y el otro fue alimentado con el mismo lodo
sanitario pero pre-tratado (DAA). Se utilizó un pre-tratamiento secuencial de ultrasonido seguido
de una etapa térmica a baja temperatura (55°C). Durante el periodo de operación el desempeño
de ambos reactores fue evaluado mediante la determinación de la reducción sólidos totales (ST),
materia orgánica estimada mediante la demanda química de oxígeno (DQO) y el rendimiento de
generación de metano.
Los BS generados por ambos reactores fueron destinados para diferentes propósitos. Una fracción
fue utilizada para realizar caracterizaciones fisicoquímicas como determinación de ST, de sólidos
volátiles (SV), pH, conductividad, humedad, contenido de metales, contenido de nutrientes
(nitrógeno, fósforo y potasio), materia orgánica, entre otros. A otra fracción se le determinaron
agentes patógenos como coliformes totales y fecales. Otra fracción de los BS fue destinada a los
ensayos de fitotoxicidad directa e indirecta. Una última fracción fue utilizada en la determinación
de los microcontaminantes (tonalide, galaxolide, triclosán, hidroxitolueno butilado, fenantreno,
pireno, 4-nonilfenol, tert-octilfenol, bisfenol A y 17β-etinil estradiol).
El desempeño de la digestión anaerobia mejoró con la incorporación del pre-tratamiento
secuencial. Con remociones de DQO y SV un 12.89% y 4.25% mayores que el sistema de DAC.
El rendimiento de metano fue un 30.24% mayor en DAA que el sistema DAC. Respecto a las
características fisicoquímicas de los BS, la concentración de nitrógeno total, fósforo total, amonio,
18cobre, zinc y mercurio; fueron entre 1.05-1.58 veces mayores en los BS de DAA en comparación
con los procedentes de DAC. Comportamiento relacionado principalmente con la solubilización de
la materia orgánica debido al pre-tratamiento.
Considerando los 10 microcontaminantes determinados, ambos sistemas resultaron en la
acumulación de 8 de los microcontaminantes. Siendo el triclosán el único compuesto removido
durante la DAC y DAA y el 17β-etinil estradiol el compuesto que no se detectó ni en los lodos
sanitarios parentales, ni en los BS. Sin embargo, la DAA resultó en la disminución de 7 de los 9
compuestos detectados respecto a la DAC.
La fitotoxicidad directa e indirecta de los BS y de los lodos sanitarios parentales, fue evaluada
mediante dos plantas dicotiledóneas y una monocotiledónea, Lactuca sativa, Raphanus sativus y
Triticum aestivum, respectivamente. Los resultados mostraron la alta fitotoxicidad de los lodos
sanitarios, relacionada con la materia orgánica putrescible, es decir, la falta de estabilización. La
fitotoxicidad indirecta de los BS de DAC causaron efectos positivos en R. sativus y T. aestivum,
pero para L. sativa se observó una alta toxicidad. En el caso de los BS de DAA, estos mostraron
un efecto benéfico o la no presencia de sustancias fitotóxicas para las tres plantas testeadas. En
el caso de la fitotoxicidad directa los BS de DAC fueron ligeramente más benéficos que los BS de
DAA, con aumentos entre 4-20% en el índice de germinación de DAC en comparación a DAA y
con EC 50 promedio de 164 g/kg y 159 g/kg, para los BS de DAC y DAA respectivamente.
Por tanto, se rechaza la hipótesis planteada. Aunque la aplicación del pre-tratamiento secuencial
de ultrasonido seguido de un tratamiento térmico a baja temperatura (55°C) mejoró la conversión
de la materia orgánica, incrementó la producción de metano, aumentó la remoción de organismos
patógenos y de microcontaminantes. Los resultados de fitotoxicidad directa e indirecta de los
biosólidos procedentes de digestión anaerobia convencional y avanzada, no mostraron diferencias
significativas.