Anaerobic digestion of agricultural wastes: Studies of temperature, co-digestion and potential inhibitors

Abstract

The high global generation of residue that derives from the activity of the agricultural sector makes of its efficient treatment an issue of capital importance. The treatment of wastes through biological pathways, such as anaerobic digestion (AD), is increasingly being encouraged. However, a successful performance of AD is yet to be fully achieved. AD is a microbiological process that takes place in the absence of oxygen leading to organic substrate consumption and biogas production. The waste valorization is thus twofold: energetic, as biogas combustion can be used for electricity or heat production; and agricultural, due to the feasible production of compost from the waste after AD. The agricultural wastes herein employed were chosen attending to their worldwide relevance and their role in the economic activity of Navarre (Spain). These are: artichoke, asparagus, carrot, bean, pea, green bean, cabbage, sloe and malt. Additionally, manure was assessed as result of the international stay in the Technical University of Denmark. As temperature has shown to be a determinant condition in the process, this project has covered different operation temperatures, namely mesophilic (35 °C), intermediate (42 °C) and thermophilic (55 °C) ranges. Also, anaerobic co-digestion (AcoD) of several types of agricultural wastes has been studied throughout the whole study. Firstly, as preliminary assessments, the use of a nutrient solution in AcoD was evaluated. Results clearly showed that the use of it was beneficial for the performance of the reactor and, therefore, was implemented in the following studies. The next step was the AD of lignocellulosic substrates, artichoke and asparagus, whose composition makes of them little accessible for the microbial community. Single-stage (at the three aforementioned temperatures) and two-phased anaerobic digestion (TPAD; thermophilic and mesophilic phases) were compared. The following stage of the project has been to approach the microbiology underlying the anaerobic process. To this aim, bacterial identification of AD reactors treating thermally pretreated and non-pretreated substrates (sloe and malt) was performed. Further microbiological studies based on 16S rRNA were carried out on continuous anaerobic reactors treating manure and subjected to biogas upgrading through H2 addition. These allowed confirming that biodiversity within reactors is enriched as the process progresses. Finally, this dissertation has also addressed potential inhibitors arising from the substrate. Two commonly used pesticides were added in anaerobic reactors. Scale-up has also been carried out with pesticides and further studies are recommended to be pursued. Overall results showed that mesophilic range provides the most stable operation but thermophilic range yields more efficacious removals and shorter processes. Also, AcoD leads to higher improvements than TPAD on specific substrates. Lastly, the presence of pesticides has positive effects on general performance.

La alta generación de residuos a nivel mundial que se deriva de la actividad del sector agrícola hace de su tratamiento eficiente una cuestión de capital importancia. El tratamiento de desechos a través de vías biológicas, como la digestión anaerobia (DA), se fomenta cada vez más. Sin embargo, el proceso óptimo de DA está todavía por alcanzar. La DA es un proceso microbiológico que tiene lugar en ausencia de oxígeno e implica el consumo de un sustrato orgánico y la producción de biogás. La valorización del residuo es, por tanto, doble: energética, ya que la combustión de biogás puede utilizarse para producir electricidad o calor; y agrícola, debido a la posible producción de compost a partir del residuo tras su tratamiento anaerobio. Los residuos agrícolas aquí empleados se eligieron atendiendo a su relevancia mundial y a su papel en la actividad económica de Navarra (España). Estos son: alcachofa, espárrago, zanahoria, haba, guisante, judía verde, col de bruselas, endrina y malta. Además, se trabajó con estiércol a raíz de la estancia internacional en la Universidad Técnica de Dinamarca. La temperatura ha demostrado ser una condición determinante en el proceso y es por ello que este proyecto ha estudiado diferentes temperaturas de operación, a saber, mesófila (35 °C), intermedia (42 °C) y termófila (55 °C). Además, se investigó la codigestión de varios tipos de desechos agrícolas a lo largo de todo el estudio. En primer lugar, como análisis preliminar, se evaluó el uso de una solución de nutrientes en codigestión. Los resultados claramente mostraron que el uso de la misma fue beneficioso para el rendimiento del reactor y, por lo tanto, fue implementada en los siguientes estudios. El siguiente paso fue el tratamiento de sustratos lignocelulósicos, alcachofa y espárrago, cuya composición los hace poco accesibles para la comunidad microbiana. Se comparó la DA en una sola etapa (a las tres temperaturas mencionadas anteriormente) y en dos fases (DAFT, fases termofílica y mesofílica). La siguiente etapa del proyecto abordó la microbiología subyacente al proceso anaerobio. Con este objetivo, se realizó la identificación bacteriana en reactores anaerobios que trataban sustratos pretratados y no pretratados térmicamente (endrina y malta). También se llevaron a cabo otros estudios microbiológicos basados en ARNr 16S en reactores anaerobios continuos que trataban estiércol y que acoplaban un proceso de “biogas upgrading” mediante la adición de H2. Esto permitió confirmar que la biodiversidad dentro de los reactores se enriquece a medida que avanza el proceso. Finalmente, este proyecto también abordó los potenciales inhibidores que surgen del sustrato. Se agregaron en reactores anaerobios dos pesticidas de uso común. El escalado del proceso también se llevó a cabo con pesticidas y se recomienda una investigación más amplia al respecto. Los resultados generales mostraron que el rango mesofílico proporciona un proceso más estable, mientras que el rango termófilico acarrea eliminaciones más eficaces y procesos más cortos. Además, la codigestión conduce a mayores mejoras que la DAFT en sustratos específicos. Por último, la presencia de pesticidas tiene efectos positivos en los rendimientos generales.