When and why is Pre-Treatment of Substrates for Anaerobic Digestion Useful?

126 Pages·2015·4.91 MB·English

DOCTORA L T H E S IS
Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering
Waste Science and Technology M
When and why is Pre-Treatment of
y

C
a
ISSN 1402-1544 rlss Substrates for Anaerobic Digestion Useful?
o
ISBN 978-91-7583-376-7 (print) n

ISBN 978-91-7583-377-4 (pdf) W
h
Luleå University of Technology 2015 e
n

a
n
d

w
h
y

i
s

P
r
e
-
T
r
e
a
t
m
e
n
t

o
f

S
u
b
s
t
r
a
t
e
s

f
o
r
A
n
a
e
r My Carlsson
o
b
i
c

D
i
g
e
s
t
i
o
n

U
s
e
f
u
l?

When and why is Pre-Treatment of
Substrates for Anaerobic Digestion Useful?
My Carlsson
Luleå University of Technology
Department of Civil, Environmental and Natural Resources Engineering
Waste Science and Technology
Printed by Luleå University of Technology, Graphic Production 2015
ISSN 1402-1544
ISBN 978-91-7583-376-7 (print)
ISBN 978-91-7583-377-4 (pdf)
Luleå 2015
www.ltu.se
Ingenting försvinner, allt finns kvar!
Tippen, SVT, 1993

Abstract
Anaerobic digestion (AD) plays a key role in the recovery of renewable energy, in the form of
biogas, and nutrients from waste materials. Pre-treatment of AD substrates has the potential to
improve process performance in terms of increased methane yield and solids reduction, but pre-
treatments are not yet widely implemented into full-scale AD systems. The aims of this thesis were
to identify conditions that determine when pre-treatment has a positive impact on an AD system and
ways to improve the practical utility of pre-treatment impact assessment. Key steps towards meeting
these aims were to determine and critically analyse effects of pre-treatments on AD, and current
evaluation schemes at three levels: AD substrate level – Direct effects on the substrate’s chemical
and physical characteristics and its biodegradability/bioavailability; Local AD system level –
Effects of pre-treatment on the AD process and its outputs, required inputs and (local) upstream and
downstream processes. System boundaries are “at the gate” of the AD plant and the system analysis
may consider energy and/or financial parameters; Expanded AD System level – Includes indirect
effects of pre-treatment, with system boundaries including external processes. The system analysis
may address environmental and/or economic effects.
Different substrate traits represent different types and degrees of limitations to optimal AD
performance that can be met by different pre-treatment mechanisms. Most importantly, potential
mechanical problems must be handled by dilution and/or homogenisation and unwanted
components, as generally found in source-sorted food waste from households (FW), must be
separated. These traits may hinder the actual operation of AD and the potential for recovery of
nutrients, which is often the motivation for biological waste treatment. When these practical barriers
are overcome, pre-treatment focus may be directed towards maximizing the conversion of organic
material to biogas, which is potentially limited by the rate and/or extent of hydrolysis.
Lignocellulosic structures and aerobically stabilised biological sludge represent significant barriers
to hydrolysis, which can be overcome by pre-treatment-induced solubilisation. Other particulates
are merely hydrolysis-limited by their size, which can be reduced by specific pre-treatments.
Finally, substrates may contain non-biodegradable organic compounds, which need to be
chemically transformed in order to be converted to biogas. The substrates considered for AD
incorporate these traits in varying degrees and even among substrates of the same category, such as
plant material and excess sludge from wastewater treatment (WWT), the potential effect of pre-
treatments may vary considerably.
Overcoming the substrate barriers via pre-treatment may potentially improve the AD system by
enhancing operational stability, increasing methane yields and solids reduction under similar
operating conditions to those without pre-treatment or by increasing methane productivity by
allowing reductions in hydraulic retention time without changing the methane yield. However, the
required inputs as well as the associated effects on related sub-processes must also be considered.
The ultimate usefulness of a pre-treatment in a specific system is determined by the mass- and
energy balance and the associated financial or environmental costs/values of inputs and outputs.
The accuracy and applicability of pre-treatment impact assessment is challenged by method
limitations and lack of transparency. A common measure of the pre-treatment effects is COD
solubilisation, but the interpretation is complicated by the application of different measurement
approaches. In addition, solubilisation of COD as a result of pre-treatment does not necessarily
i
translate into increases in operational methane yields. This is due to potential formation of
refractory compounds and the fact that hydrolysis is not necessarily rate limiting for all particulates.
Pre-treatments’ effects on biodegradability and degradation rates can be better assessed by BMP
tests (biochemical methane potential), provided that the test conditions are appropriate and the tests’
limitations are properly considered. However, extrapolation of BMP results to continuous processes
is complicated by the batch mode of the tests. On the other hand, results from continuous trials
allow assessments of methane yields in practical systems and the digestate’s physico-chemical
properties, but are inevitably tied to the specific process conditions tested. Thus, results from
multiple experimental conditions, possibly strengthened by computer simulations, are necessary for
generalisations of pre-treatment effects on AD process performance.
Pre-treatments have the potential to considerably improve AD systems, but their implementation
must to be guided by the actual improvement potential of the specific substrate and valued in their
specific context with respect to process design and framework conditions.

ii
Sammanfattning
Anaerob behandling/rötning spelar en viktig roll för återvinning av förnybar energi, i form av
biogas, och näringsämnen från avfallsmaterial. Förbehandling av biogassubstrat har potential att
förbättra rötningsprocessers prestanda i form av ökat metanutbyte och nedbrytning av organiskt
material, men förbehandlingar är ännu inte införda på bred front i fullskaliga biogassystem. Syftet
med denna avhandling var att identifiera förhållanden som avgör när förbehandling har en positiv
inverkan på ett biogassystem och hur den praktiska nyttan av förbehandlingsstudier kan förbättras.
Viktiga steg mot att uppfylla dessa mål var att bestämma och kritiskt analysera effekterna av
förbehandlingar på biogasprocessen samt utvärderingsmetoder på tre nivåer: Substratnivå - Direkta
effekter på substratets kemiska och fysiska egenskaper och dess nedbrytbarhet/biotillgänglighet;
Lokal systemnivå - Effekter av förbehandling på biogasprocessen och dess produkter, energiinsats
och (lokala) uppströms och nedströms processer. Systemgränsen är "vid grinden" av
biogasanläggningen och systemanalysen kan fokusera på energi och/eller ekonomiska aspekter;
Utvidgad systemnivå - Inkluderar indirekta effekter av förbehandling med systemgränser som
inkluderar externa processer. Systemanalysen kan fokusera på miljö- och/eller ekonomiska effekter.
Olika substrategenskaper representerar olika typer och grader av begränsningar för optimal
nedbrytning i biogasprocessen som kan motverkas av olika förbehandlingsmekanismer. Först och
främst måste potentiella mekaniska problem hanteras genom utspädning och/eller homogenisering
och oönskade komponenter, som i allmänhet finns i källsorterat matavfall från hushåll, måste
separeras. Dessa egenskaper kan störa driften av biogasprocessen och potentialen för återvinning av
näringsämnen, vilket ofta är motivet för biologisk behandling av avfall. När dessa praktiska hinder
har övervunnits kan förbehandlingsinsatserna fokusers på att maximera omvandlingen av organiskt
material till biogas, som potentiellt är begränsad av hastigheten och/eller graden av hydrolys.
Lignocellulosa-strukturer och aerobt stabiliserat biologiskt slam representerar betydande hinder för
hydrolys som kan övervinnas genom förbehandlingsinducerad solubilisering. Hydrolysen kan också
begränsas av partiklarnas storlek, som kan reduceras genom specifika förbehandlingar. Slutligen
kan substraten innehålla organiska föreningar som inte är (anaerobt) biologiskt nedbrytbara, som
måste ombildas kemiskt för att kunna omvandlas till biogas. Biogassubstrat har dessa egenskaper i
varierande grad och även bland substrat av samma kategori, såsom växtmaterial och överskottsslam
från avloppsreningsverk (WWT), kan den potentiella effekten av förbehandlingar variera avsevärt.
Biogassystemet kan potentiellt förbättras när substratbegränsningar övervinns med hjälp av
förbehandling, genom förbättrad processtabilitet, ökat metanutbyte och minskad mängd torrsubstans
i rötresten under liknande driftsförhållanden som de utan förbehandling eller genom att öka
metanproduktiviteten genom att möjliggöra rötning vid kortare hydraulisk uppehållstid utan att
ändra metanutbytet. Dock måste de nödvändiga insatserna i form av energi samt effekter på
relaterade processer också övervägas. Den slutliga nyttan av en förbehandling i ett specifikt system
avgörs av mass- och energibalansen och de ekonomiska eller miljömässiga kostnaderna/värdena av
energiinsatser och rötningsprodukter.
Utvärdering av förbehandlingseffekter och dess relevans utmanas av metodbegränsningar och brist
på transparens. Ett vanligt mått på förbehandlingseffekter är COD-solubilisering, men tolkningen av
dessa resultat försvåras av att olika mätningsmetoder tillämpas. Dessutom medför solubilisering av
COD till följd av förbehandling inte nödvändigtvis ett ökat metanutbyte. Detta är på grund av att det
potentiellt också bildas svårnedbrytbara föreningar och det faktum att hydrolys inte nödvändigtvis
iii
är hastighetsbegränsande för alla partiklar. Förbehandlingseffekter på biologisk nedbrytbarhet och
nedbrytningshastigheter bör hellre utvärderas med BMP-tester (biokemisk metanpotential), under
förutsättning att testförhållandena är lämpliga och att testets begränsningar tas med i beräkningarna.
Dock försvåras extrapolering av BMP-resultat till kontinuerliga processerförhållanden av att det är
ett satsvist test. Däremot kan resultat från kontinuerliga försök ge bedömningar av metanutbyten i
praktiska system liksom biogödselns fysikalisk-kemiska egenskaper, men resultaten är
oundvikligen knutna till de specifika processförhållanden som testats. Därför är resultat från flera
experimentella förhållanden, eventuellt kompletterade med datorsimuleringar, nödvändiga för
generaliseringar av förbehandlingseffekter på biogasprocessens prestanda.
Förbehandlingar har potential att avsevärt förbättra biogassystem, men varje implementering måste
motiveras av det specifika substratets faktiska förbättringspotential och värderas i dess specifika
sammanhang med avseende på processdesign och omgivningsförhållanden.
iv