PhD Thesis UPC – Program on Environmental Engineering SEWAGE SLUDGE ANAEROBIC ...

242 Pages·2015·2.68 MB·English

PhD Thesis

UPC – Program on Environmental Engineering

SEWAGE SLUDGE ANAEROBIC DIGESTION
Study of synergies and operational strategies of co-digestion

Gracia Silvestre Tormo

Supervised by

Dr. August Bonmatí and Dr. Belén Fernández García

Barcelona, 2015 September

Als meus pares,
Mª Carmen i Manolo

“No es la especie más fuerte la
que sobrevive, ni la más inteligente,
si no la que responde mejor al
cambio”
Charles Darwin

AGRAÏMENTS
Després de 8 anys per fi puc dir que he finalitzat la meua tesis doctoral.
Ara retrocedint en el temps em venen al cap multituds de records, bons i
dolents, i experiències que m’ han enriquit com a persona, i com sempre la
tesis ha sigut una part important. Voldria agrair a totes aquelles persones,
que d’ una forma o altra ho han fet possible,
En primer lloc vuic donar les gràcies als meues directos de tesis. A August
Bonmatí per la seua direcció, paciència i recolzament durant aquestos
anys. A Belén Fernéndez per la seua ajuda, disponibilitat i recolzament.
Gràcies als dos per el vostre compromís i paciència per poder finalitzar la
tesis, ja que no ha sigut fàcil, distancia, temps…
A tota la gent del GIRO, en especial, al despatx de la tercera planta dreta
de l’ edifici de Mollet del Vallés (Ángela, Laura, Michele, Rim, Zviko) per els
bons moments passats i per totes les conversacions tan enriquidores
sobre digestió anaeròbia, religió, política, etc…aquelles interminables
reunions-debats del divendres durant tot el matí…vaig aprendre molt!!!
Gràcies també per l’ ajuda rebuda en la cura del meus reactors (R1&R2)
en els moments que jo no podia…Gràcies, en especial, a la Laura per la
seua paciència amb el meu desordre al laboratori, i sobretot per parar el
motor de l’agitador, que per poc m’ arranca el “monyo”…je,je...
A la resta del personal del GIRO (Xavier, Jordi, Marc, Miriam, Francesc,
Joan... ) per tot el que he après amb ells i totes les experiències viscudes.
Als meus companys de Ainia (Paz, Begoña, Mireia, Irene, Vicen, Rafa,
Vicente, Alfredo, Javier…) que d’ una forma o altra també han contribuït a
la finalització d’aquesta tesis, animant-me i motivant-me per acabar-la.
Moltes gràcies!!!
A Ivet Ferrer, responsable de que jo fes aquesta tesis al GIRO. Gràcies per
pensar amb mi i proporcionar-me l’ informació de la beca pre-doctoral per
a que poguera realitzar aquest treball.
Al meu amic Juanra, per tot el seu recolzament, des de el mateix moment
que vaig desembarcar a Barcelona fins al final...gràcies per animar-me,
motivar-me i pujar-me l’ autoestima...gràcies per els fantàstics terapeutics
sopars...gràcies per escoltar!!!
A tots els que ben segur m’ he descuidat...
A Juanan, per tots aquestos anys, que ha tingut que suportar-me quan
estava “farta” i ja no podia més, per entendre com d’ important era per mi
la finalització de la tesis….”deja que el tiempo pase y ya veremos que nos
trae…”
Als meus pares, Mª Carmen i Manolo, per donar-me la possibilitat de
poder estudiar i amb això que poguera realitzar la tesis doctoral. Ja no
tindré que dir mai més…”Vaig a fer tesis…” es farà “raro”!!

TABLE OF CONTENTS

INDEX OF FIGURES
INDEX OF TABLES
LIST OF ABBREVIATIONS..............................................................................II
RESUM................................................................................................................V
RESUMEN........................................................................................................VII
SUMMARY.........................................................................................................IX

CHAPTER 1. CONTEXT, OBJECTIVES AND THESIS OUTLINE............................12
1.1 CONTEXT.....................................................................................................3
1.2. OBJECTIVES...............................................................................................6
1.3. THESIS OULTLINE.....................................................................................7
1.4. REFERENCES..............................................................................................9
CHAPTER 2. SIGNIFICANCE OF ANAEROBIC DIGESTION AS A SOURCE
OF CLEAN ENERGY IN WASTEWATER TREATMENT PLANTS.....................11
2.1. INTRODUCTION.......................................................................................13
2.2. MATERIALS AND METHODS................................................................15
2.2.1 Wastewater treatment plants.....................................................................15
2.2.2 Energy and economic balance calculations..............................................17
2.2.3 Energy and substance flow analysis..........................................................19
2.3. RESULTS....................................................................................................20
2.3.1 Analysis of the WWTPs performance........................................................20
2.3.2 Energy balance of the WWTPs..................................................................21
2.3.3 Economic feasibility analysis....................................................................24
2.3.4 Energy and substance flow analysis of WWTP ........................................25
2
2.3.5 New approaches to optimize WWTP energy balance................................29
2.4 CONCLUSIONS..........................................................................................30
2.5 REFERENCES.............................................................................................31
CHAPTER 3.CO-DIGESTION AS STRATEGY TO OPTIMISE BIOGAS PRODUCTION
FROM SEWAGE SLUDGE: ADVANTAGES AND LIMITATIONS................................35
3.1 INTRODUCTION........................................................................................37
3.2. CO-SUBSTRATE SELECTION CRITERIA.............................................38
3.2.1. Economic feasibility.................................................................................39
3.2.2. Process stability.......................................................................................40
3.2.3. To sustain a stable biogas production rate..............................................43
3.2.4. To balance the nutrients composition of the feed.....................................43
3.2.5. To improve digestate dewaterability........................................................44
3.3. CO-DIGESTION IMPLEMENTATION....................................................46
3.3.1. Lab-scale studies......................................................................................46
3.3.2. Full scale trials.........................................................................................56
3.4. CONCLUSIONS.........................................................................................57
3.5 REFERENCES.............................................................................................79
CHAPTER 4. BIOMASS ADAPTATION OVER ANAEROBIC CO-DIGESTION OF
SEWAGE SLUDGE AND TRAPPED GREASE WASTE...............................................89
4.1 INTRODUCTION........................................................................................91
4.2 MATHERIAL AND METHODS................................................................92
4.2.1 Substrates..................................................................................................92
4.2.2 Analytical methods....................................................................................93
4.3.3 Anaerobic biodegradability test................................................................93
4.3.4 Continuous experiment..............................................................................94
4.3.5 Biomass adaptation assessment................................................................95
4.4. RESULTS AND DISCUSSION.................................................................95
4.4.1 Substrate characterization........................................................................95
4.4.2 Anaerobic biodegradability test................................................................96
4.4.3 Continuous experiment..............................................................................99
4.4.4 Biomass adaptation assessment..............................................................103
4.5 CONCLUSIONS........................................................................................108
4.6 REFERENCES...........................................................................................108