Tesis Doctorado
Operational and environmental performance assessment of sewage sludge anaerobic digestion including ultrasound - thermal pre-treatment
Evaluación del desempeño operacional y ambiental de la digestión anaerobia de lodos provenientes del tratamiento de aguas servidas incluyendo pre-tratamiento mediante ultrasonido e hidrólisis térmica;
Operatiónal and environmental performance assessment of sewage sludge anaerobic digestión including ultrasound - thermal pre-treatment;
evaluación del desempeño operacional y ambiental de la digestión anaerobia de lodos provenientes del tratamiento de aguas servidas incluyendo pre-tratamiento mediante ultrasonido e hidrólisis térmica
Autor
Vidal Sáez, Gladys Cecilia
UNIVERSIDAD DE CONCEPCION
Institución
Resumen
Sewage treatment represents a cornerstone for public heath protection and conservation of aquatic ecosystems integrity. However, current treatment technologies represent a growing source of sewage sludge, which in the case of activated sludge facilities could be of 7 – 8 kg/inhab-year. Due to its source and related physic-chemical and microbiological characteristics, sludge management represents an important economical and environmental issue, representing up to 50% of the operational costs of sewage treatment plants (STP) and with potential impacts over soils, water bodies and population health.
Anaerobic digestion is a biological stabilization technology that allows energy recovery through the transformation of organic matter into CO2 and CH4 (biogas). However, hydrolysis rates during digestion limits the process and its applicability in smaller STP (<50,000 equivalent inhabitants), and therefore there are only 6 sewage sludge digestion plants currently in Chile. In this scenario, different pre-treatment strategies have been proposed to hydrolyze sludge previous to anaerobic digestion, which results in process intensification and increased biogas production. In particular, the use of processes that involves the action of different hydrolysis mechanisms has gained notoriety, mainly due to its synergistic effects over sludge solubilization and methane yield during digestion.
In this thesis, the influence of a sequential pre-treatment using ultrasound and thermal hydrolysis (55°C) over sewage sludge characteristics and the operational and environmental performance of anaerobic digestion was assessed. The objective of the process is sludge solubilization through physical and biological phenomena, which is expected to increase organic matter conversion and biogas production during anaerobic digestion. In order to asses if pre-treatment implementation results in trade-offs between the environmental impacts of the different steps of sludge management, an environmental performance evaluation of the process was done using a Life Cycle Assessment (LCA) perspective.
Batch assays of pre-treatment were performed under different operational conditions, including application of ultrasound with specific energies (SE) of 500 – 30500 kJ/kgTS and 3 – 13 h (T) of thermal treatment at 55°C. Organic matter solubilization was assessed in terms of proteins, carbohydrates and chemical oxygen demand (COD). Moreover, the process influence on Volatile Fatty Acids (VFA) presence and endogenous protease and amylase activity in sludge was evaluated. The performance of anaerobic digestion after pre-treatment was assessed through kinetic and biodegradability batch assays, as well as during the operation of semi-continuous digesters (6 L reaction volume) under 3 operational conditions, corresponding to solids retention times (SRT) of 30, 15 and 7.5 days. The experimental period of the semi-continuous systems was of 303 days, including a biomass acclimation phase of 96 days. During this period, stability parameters of digestion (pH, alkalinity, VFA concentration, oxidation-reduction potential, NH4+-N concentration) were monitored, as well as the methane yield (mLCH4/gVS), COD, total solids (TS) and volatile solids (VS) removals and the transformation of organic matter associated to the hydrolysis, acidogenesis and methanogenesis phases. Moreover, COD balances for all experimental conditions were calculated. The influence of pre-treatment over digestate was assessed in terms of dewaterability (through centrifugation assays), the concentration of N, P, As, Cu, Hg, Ni, Pb, Se and Zn in digestate solids and supernatant, and the presence and logarithmic removal (logrem) of total coliforms, fecal coliforms and somatic coliphages. The LCA of the process was performed based on the results of digesters operation and operational data from the Biobío STP of Concepción (36° 48' S, 73° 08' W) for year 2015. The functional unit (FU) selected for the study was the treatment of 1 ton of sludge (dry basis), and the assessment of 6 potential impact categories was included: climate change (kgCO2eq), abiotic depletion (kgSbeq), acidification (molcH+eq) and eutrophication in terrestrial (molNeq), marine (kgNeq) and freshwater (kgPeq) ecosystems. It was supposed that after anaerobic stabilization, digestate was used as replacement of commercial fertilizers in wheat crops, and the results were compared to reference scenarios based on sludge alkalinization and disposal in landfill.
Sequential pre-treatment to significant solubilization of organic matter, with increases in the soluble concentration of proteins (252 – 674%), carbohydrates (458 – 1030%) and COD (ƒ = 3.5 – 17.1%), besides 1.6 – 3.8 higher amylase and 1.8 – 4.3 higher protease activities in the soluble phase. COD solubilization was influenced by sludge concentration and the studied operational conditions (SE and T). Sequential pre-treatment led to increases in anaerobic digestion kinetics and sludge biodegradability, with increases of 30 – 80% in the maximum methane production rate (mLCH4/gVS-d) and 16 – 50% in the specific methane yield (mLCH4/gVS).
During semi-continuous evaluation, increases of 19 – 29% in the specific methane yield were observed due to pre-treatment implementation, without affecting the process stability and with NH4+-N and NH3-N concentrations under the inhibitory threshold for all experimental conditions (≤1.8 gNH4+-N/L y ≤53 mgNH3-N/L). The highest increase in methane production was observed at 7.5 days SRT (3.6 gVS/L-d), associated with the higher kinetics of degradation during digestion. Organic matter balances showed that the increased methane production was proportional to solubilization during pre-treatment, which suggests that this is the main mechanism involved in the observed effects over anaerobic digestion operational performance. Both pre-treatment and SRT affected water recovery during digestate centrifugation, with 4.2% and 13.3 – 20.5% lower values associated to pre-treatment implementation and reduced SRT from 30 to 15 days, respectively. The pre-treatment/anaerobic digestion system showed 2.8 logrem for coliforms (total and fecal) and 1.5 logrem for somathic coliphages, besides increases of up to 58% in the concentration of As, Cu, Hg and Zn in the solids fraction of digestate.
The environmental performance of anaerobic digestion including the sequential pre-treatment was similar to conventional digestion. The main differences were associated with a decrease in climate change potential and an increase in abiotic depletion potential, related to energy recovery from sludge and transport requeriments fro digestate. Both scenarios showed lower impacts in all studied categories compared to the reference scenarios. The results are dependent on the presence of fossil carbon in CO2 emissions and valorization of heat coming from the co-generation of biogas, and it was observed that parameters such as digestion SRT and sludge application rate in soil could have a bigger influence over the environmental performance of sludge management than the incorporation of pre-treatment. El tratamiento de aguas servidas representa un pilar fundamental para la protección de la salud pública y la conservación de la integridad de los ecosistemas acuáticos. Sin embargo, las tecnologías de tratamiento utilizadas actualmente representan una fuente creciente de lodos sanitarios, que en caso de los lodos activados puede llegar a 7 – 8 kg/hab-año. Debido a su origen y características físicoquímicas y microbiológicas, la gestión de lodos implica un importante problema económico y ambiental, llegando a representar hasta el 50% de los costos operacionales en las plantas de tratamiento de aguas servidas (PTAS) y con potenciales impactos sobre suelos, cuerpos de agua y la salud de la población.
La digestión anaerobia es una tecnología de estabilización biológica que permite la recuperación de energía a partir del lodo a través de la transformación de la materia orgánica en CH4 y CO2 (biogás). Sin embargo, las tasas de hidrólisis durante la digestión limitan el proceso y su aplicabilidad en PTAS de menor tamaño (<50,000 personas equivalentes), debido a lo cual sólo 6 instalaciones existen actualmente en Chile. En este escenario, distintas estrategias de pre-tratamiento han sido propuestas para hidrolizar el lodo en un paso previo a la digestión anaerobia, lo que permite intensificar el proceso e incrementar la producción de biogás. En particular, el uso de procesos que integran diferentes mecanismos de hidrólisis ha sido reportado como una alternativa de interés, debido principalmente a los efectos sinérgicos observados sobre la solubilización del lodo y el rendimiento de metano durante la digestión.
En esta tesis, se evaluó el efecto de un pre-tratamiento secuencial mediante ultrasonido e hidrólisis térmica (55°C) sobre las características del lodo sanitario y el desempeño operacional y ambiental de su digestión anaerobia. El objetivo de dicho proceso es la solubilización del lodo mediante fenómenos físicos y biológicos, lo que se espera resulte en una mejora en la conversión de materia orgánica y la producción de biogás durante la digestión anaerobia. Además, para evaluar si la incorporación del pre-tratamiento resulta en compromisos entre los impactos ambientales asociados a las distintas etapas de la gestión del lodo, se realizó una evaluación del desempeño ambiental del proceso mediante un enfoque basado en Análisis de Ciclo de Vida (ACV).
Se realizaron ensayos batch de pre-tratamiento bajo distintas condiciones operacionales, incluyendo la aplicación de ultrasonido con energías específicas (EE) de 500 – 30500 kJ/kgST y 3 – 13 horas (T) de tratamiento térmico a 55°C. La solubilización de materia orgánica causada por el pre-tratamiento fue evaluada en términos de proteínas, carbohidratos y la demanda química de oxígeno (DQO). Además, se determinó la influencia del proceso sobre la presencia de ácidos grasos volátiles (AGV) y la actividad endógena de proteasas y amilasas en el lodo. El desempeño de la digestión anaerobia después del pre-tratamiento fue evaluada mediante ensayos batch de cinética y biodegradabilidad anaerobia, así como durante la operación de digestores semi-continuos (6 L volumen de reacción) bajo 3 condiciones operacionales, correspondientes a tiempos de retención de sólidos (TRS) de 30, 15 y 7.5 días. El periodo experimental de los sistemas semi-continuos fue de un total de 303 días, incluyendo una fase de aclimatación de la biomasa de 96 días. Durante este periodo, se monitorearon parámetros de estabilidad del proceso (pH, alcalinidad, concentración de AGV, potencial de óxido-reduccion, concentración de NH4+-N), además del rendimiento de metano (mLCH4/gSV), la eliminación de DQO total, sólidos totales (ST) y sólidos volátiles (SV) y la conversión de materia orgánica asociada a las fases de hidrólisis, acidogénesis y metanogénesis. Además, se establecieron balances de DQO para todas las condiciones experimentales. La influencia del pre-tratamiento sobre las características del digestado fue evaluada en términos de la deshidratabilidad (a través ensayos de centrifugabilidad), la concentración de N, P, As, Cu, Hg, Ni, Pb, Se y Zn en el sólido y sobrenadante del digestado, y la presencia y eliminación logarítmica (logrem) de coliformes totales, coliformes fecales y colifagos somáticos. El ACV del proceso fue realizado en base a los resultados obtenidos durante la operación de los digestores y datos operacionales de la PTAS Biobío de Concepción (36° 48' S, 73° 08' O) durante el año 2015. La unidad funcional (UF) seleccionada para el estudio fue el tratamiento de 1 ton de lodo (base seca), y se incluyó la evaluación de 6 categorías de impactos ambientales potenciales: cambio climático (kgCO2eq), agotamiento de recursos abióticos (kgSbeq), acidificación (molcH+eq) y eutrofización en suelos (molNeq), ecosistemas marinos (kgNeq) y ecosistemas dulceacuícolas (kgPeq). Se supuso que después de la estabilización anaerobia el digestado es utilizado como reemplazo de fertilizantes comerciales en cultivos de trigo, y los resultados fueron comparados con escenarios de referencia basados en alcalinización y disposición del lodo en rellenos sanitarios.
El pre-tratamiento secuencial resultó en una solubilización significativa de la materia orgánica, con incrementos en la concentración soluble de proteínas (252 – 674%), carbohidratos (458 – 1030%) y DQO (ƒ = 3.5 – 17.1%), además de 1.6 – 3.8 mayor actividad de amilasa y 1.8 – 4.3 mayor actividad de proteasa en la fase soluble. La solubilización de DQO se vio influenciada tanto por la concentración del lodo como por las condiciones operacionales evaluadas (EE y T). El pre-tratamiento secuencial resultó en incrementos en la cinética de la digestión anaerobia y la biodegradabilidad del lodo, con incrementos de 30 – 80% en la tasa máxima de producción de metano (mLCH4/gSV-d) y 16 – 50% en el rendimiento específico de metano (mLCH4/gVS).
Durante la evaluación semi-continua, se observaron incrementos de 19 – 29% en el rendimiento específico de metano debido a la incorporación del pre-tratamiento, sin afectar la estabilidad del proceso y manteniendo concentraciones de NH4+-N y NH3-N bajo los rangos de inhibición en todas las condiciones experimentales (≤1.8 gNH4+-N/L y ≤53 mgNH3-N/L). El mayor incremento en la producción de metano fue observado a un TRS de 7.5 días (3.6 gSV/L-d), asociado con la mayor cinética de degradación. Los balances de materia orgánica mostraron que el incremento en la producción de metano resulta proporcional a la solubilización de DQO durante el pre-tratamiento, lo que sugiere que este es el principal mecanismo involucrado en los efectos observados sobre el desempeño operacional de la digestión anaerobia. Tanto el pre-tratamiento como el TRS influenciaron la recuperación de agua durante la centrifugación del digestado, con valores 4.2% y 13.3 – 20.5% menores debido a la incorporación del pre-tratamiento y la reducción del TRS desde 30 a 15 días, respectivamente. El sistema pre-tratamiento/digestión anaerobia permitió obtener logrem de 2.8 para coliformes (totales y fecales) y 1.5 para colifagos somáticos, y se observaron incrementos de hasta un 58% en la concentración de As, Cu, Hg y Zn en la fracción sólida del digestado.
El desempeño ambiental de la digestión anaerobia incorporando el pre-tratamiento secuencial fue similar al de la digestión convencional. Las principales diferencias se asociaron con una disminución en el potencial de cambio climático y un aumento en el potencial de agotamiento de recursos abióticos, relacionados con la recuperación de energía a partir del lodo y los requerimientos de transporte del digestado. Ambos escenarios resultaron en menores impactos en todas las categorías estudiadas comparado con los escenarios de referencia. Los resultados obtenidos resultan dependientes de la presencia de carbono fósil en las emisiones de CO2 y la valorización de la energía térmica generada durante la co-generación del biogás, y se observó que parámetros tales como el TRS y la tasa de aplicación del lodo al suelo pueden tener una mayor influencia sobre el desempeño ambiental de la gestión del lodo que la incorporación del pre-tratamiento.