Strategies to optimize anaerobic co-digestion of organic wastes

Abstract

Atualmente, os processos de digestão anaeróbica apresentam-se como uma tecnologia madura com várias aplicações à escala mundial, incluindo tecnologias complexas e diversificadas de tratamento de resíduos e produção de energia. No entanto, algumas dessas ainda podem ser otimizadas. A codigestão anaeróbia, que consiste na mistura de dois ou mais substratos com características complementares, equilibrando os parâmetros operacionais, é uma das abordagens mais promissoras e viáveis a ser implementada para reduzir a dependência dos combustíveis fósseis. A Diretiva de Energias Renováveis (2009/28/CE, RED) e a recente crise energética causada pelo conflito Ucrânia-Rússia podem ser vistos como os incentivos decisivos para uma mudança definitiva do paradigma energético e na transição para os biocombustíveis renováveis. Como Portugal tem quantidades significativas de biorresíduos disponíveis, tais como os provenientes da agricultura e da indústria agroalimentar, isto deve ser visto como uma oportunidade para implementar e explorar os processos de digestão anaeróbia em todo o país. Por conseguinte, esta tese estudou a implementação de estratégias para otimizar a codigestão anaeróbia de resíduos orgânicos. Em primeiro lugar, a metodologia para determinar o potencial bioquímico de metano (BMP) dos resíduos foi investigada e otimizada. Para tal, estudou-se a influência de certos parâmetros na determinação do BMP, tais como o tipo de inóculo, o pré-consumo do substrato residual, subtraindo a produção endógena de metano e diferentes razões de volume de headspace por volume de trabalho nos ensaios em branco. Em seguida, a codigestão de resíduos orgânicos foi otimizada. A produção de biogás a partir de subprodutos da produção de cerveja foi aumentada em 40 % com a adição de glicerol bruto (cGly). Foi realizado um estudo estatístico, baseada no método Central Composite Design Circumscribed, para determinar a proporção da mistura de lamas de ETAR (estação de tratamento de águas residuais) com cGly ou óleos alimentares usados que maximiza a produção de metano num processo de codigestão. Mais ainda, uma mistura de lamas de ETAR e macroalgas foi codigerida com cGly num sistema semi-contínuo para verificar a melhor estratégia de adição (de forma contínua ou intermitente). A adição contínua de cGly demonstrou ser uma abordagem mais robusta e estável ao mesmo tempo que aumentou a produção de metano. Finalmente, o processo de codigestão anaeróbia provou ser adequado para a produção de ácidos orgânicos. Uma mistura de resíduos alimentares, salmoura de uma indústria de conservas de peixe e águas residuais derivadas de uma instalação de produção de biodiesel atingiram rendimentos de acidificação até 46 %. Este processo seria ainda mais apropriado para aplicações industriais se os rendimentos em ácidos orgânicos pudessem ser melhorados. Em conclusão, a implementação da codigestão demonstrou ser uma estratégia economicamente vantajosa, sendo capaz de melhorar a eficiência energética de uma instalação existente, tratando subprodutos/resíduos sem um investimento capital significativo.

Nowadays, anaerobic digestion processes present a mature technology with several full-scale applications worldwide, including complex and diverse waste treatment systems and energy production. Nevertheless, some of those can still be optimized. Anaerobic co-digestion, which consists of the mixture of two or more substrates with complementary characteristics, balancing the operational parameters, is one of the most promising and viable approaches to be implemented to reduce the fossil fuels dependency. The Renewable Energy Directive (2009/28/EC, RED) and the recent energetic crisis caused by the Ukrainian- Russian conflict are being seen as the decisive incentives for a definitive change of the energetic paradigm and the switch to renewable biofuels. As Portugal has significant amounts of bio‐wastes, such as the ones from the agriculture and agro‐food industries, this should be seen as an opportunity to implement and explore AD processes around the country. Therefore, this thesis studied the implementation of strategies to optimize the anaerobic co-digestion of organic wastes. First, the methodology to determine waste's biochemical methane potential (BMP) was investigated and optimized. For that, the influence on the BMP determination of several operation parameters, such as inocula type, pre-consumption of the residual substrate, subtracting the endogenous methane production, and different headspace volume to working volume ratios in the blank assays was accessed. Then, the co‐digestion of organic wastes was optimized. The biogas production from brewery by-products was increased by 40 % with the addition of crude glycerol (cGly). A statistical approach, based on a Central Composite Design Circumscribed method, was used to determine the ratio mix of sewage sludge with cGly or waste frying that improved the methane production in a co-digestion process. Thus, a mixture of SS and macroalgae was co-digested with cGly in a semicontinuous system to verify the best strategy for adding it (continuously or intermittently). The continued addition of cGly demonstrated a very robust and stable process while increasing methane production. Finally, the anaerobic co-digestion process proved suitable for organic acids production. A mixture of food waste, brine from a fish-canning industry, and wastewater derived from a biodiesel production facility reached acidification yields up to 46 %. This process would be even more appropriate for industrial applications if organic acid yields could be improved. In conclusion, the implementation of co-digestion was shown to be an advantageous strategy, and it should be able to improve the energy efficiency of an existing facility, treating by-products/wastes without the need for significant cost investment.