Anaerobic digestion of sedimented fiber from pulp industry for hydrolysis and biogas production

Abstract

Sedimented fiber is the accumulated waste from pulp and paper industry from the time before wastewater treatment. In this case, it consists mainly of wood fibers that left the pulping process in the effluent waters and sedimented at the bottom of the receiving waterbody. As the old industrial sites are rehabilitated, large quantities, in this case 1.5 million m3, of sedimented fiber require treatment. Anaerobic digestion is one option to stabilize the sediment while utilizing its energy content. Biogas produced in anaerobic digestion can be utilized in heat and power production of upgraded into vehicle fuel. Anaerobic digestion produces also digestate. Digestate can be utilized in soil amendment or construction as long as it does not consist harmful substances. After promising results from previous research, this study was carried out to examine more efficient ways and different technologies of anaerobic treatment of the material. The continuous anaerobic mono-digestion of sedimented fiber was studied in a CSTR and hydrolysis in LBRs. In the anaerobic digestion in a CSTR (OLR=2.5 kg VS/(m3 d) and HRT=48 d), high concentrations of VFAs (13 g/L SCOD) and SCOD (14 g/L) were produced, yet methanogenesis was struggling. Methane production was highest (240 m3 CH4/t VS), when inoculation was still stabilizing the process. Even with buffering and nitrogen supplementation, the methane production decreased to 43–100 m3 CH4/t VS by the end of operation. The failure of the process was most likely due to inadequate buffering and imbalance between the hydrolyzing/acidogenic and methanogenic microbial groups. The OLR was possibly too high for the methanogens, and the accumulation of propionic acid further inhibited methanogenesis. Recovery of the process was visible after one month, yet degradation of propionic acid in particular was slow. Higher buffering (> 0.57 g bicarbonate/(L d)) as well as possibly lower OLR or higher HRT is required. Two-stage reactor configuration may allow better optimization of the anaerobic digestion process. One option is to treat sedimented fiber in an LBR, where hydrolysis and acidogenesis take place. After that, the leachate that has the sub-products, such as VFAs, can be directed to a high-rate liquid digester, where methanogenesis takes place. Increase in temperature from mesophilic to thermophilic range, recirculation of the leachate, and inoculation or nitrogen supplementation had a positive effect on hydrolysis. Total SCOD production was 42 g SCOD/kg VS at the maximum. The total volume of the material decreased during the treatment in LBRs due to compaction of the material and leachate extraction. All in all, sedimented fiber is a novel feedstock for anaerobic digestion. It is a promising feedstock due to its methane potential, capability to produce high concentrations of VFAs, large quantities of the biodegradable material available, and the emerging need for the rehabilitation of the old pulp and paper mill sites. Further research is required on long-term stability of the anaerobic digestion of sedimented fiber and optimization of the buffering of the process. Pretreatment could be considered in order to improve the hydrolysis for optimized VFA production. Methanogenesis of the hydrolyzed leachate from the sedimented fiber LBRs, or possibly also the digestate of CSTR with high VFA concentrations, ought to be studied further.

Sedimentoitunut kuitu on sellu- ja paperiteollisuuden jätevesien mukana vesistöön päässyttä kiinteää jätettä, joka on aikojen saatossa sedimentoitunut vesistön pohjaan. Tampereen Hiedanrannan tapauksessa sedimentoitunut kuitu koostuu pääosin puukuiduista ja on kertynyt järveen ennen jätevedenpuhdistuksen ottamista käyttöön. Kun vanhojen metsäteollisuuden toimipaikkojen ympäristöä kunnostetaan esimerkiksi muunnettaessa tehdasalueita asumiskäyttöön, kunnostusta tarvitsevien sedimenttien määrät ovat suuria. Tässä tapauksessa sedimentoitunutta kuitua on arviolta 1,5 miljoonaa m3. Anaerobinen hajoaminen eli mädätys on yksi mahdollisuus, jolla sedimentoitunut kuitu voidaan stabiloida. Mädätyksessä muodostunutta biokaasua voidaan käyttää lämmön ja sähkön tuotantoon tai se voidaan jalostaa liikennepolttoaineeksi. Prosessi tuottaa lisäksi mädätejäännöksen, jota voidaan käyttää tuotteen laadusta riippuen esimerkiksi lannoitteena tai maanrakentamisessa. Aiempien tutkimusten lupaavien tulosten pohjalta tämän tutkimuksen tavoitteena oli tutkia tehokkaampia tapoja ja teknisiä vaihtoehtoja sedimentoituneen kuidun anaerobiseen käsittelyyn. Sedimentoituneen kuidun anaerobista käsittelyä tutkittiin jatkuvatoimisella täyssekoitteisella reaktorilla (CSTR). Lisäksi materiaalin anaerobista hydrolyysiä tutkittiin suotovesireaktoreilla (LBR). CSTR-kokeessa mädätteen VFA- ja SCOD-pitoisuudet olivat korkeat (VFA 13 g/L SCOD ja SCOD 14 g/L), kun reaktoria oli ajettu yli kaksi kuukautta OLR:n ollessa 2,5 kg VS/(m3 d) ja HRT:n 48 d. Metanogeneesissä oli ongelmia kokeen edetessä. Metaanintuotanto oli korkeinta (240 m3 CH4/t VS) kokeen alussa, kun ympin suuri osuus stabiloi prosessia. Metaanintuotanto laski 43–100 m3 CH4/t VS tasolle kokeen loppua kohden, vaikka reaktoriin lisättiin typpeä ja puskuria. Prosessin ongelmat johtuivat todennäköisesti riittämättömästä puskuroinnista ja siitä seuranneesta epätasapainosta osaprosessien (hydrolyysin/asidogeneesin sekä metanogeneesin) välillä. OLR saattoi lisäksi olla liian korkea metanogeneesille. Alhainen pH suosi hydrolyysiä ja VFA:iden, kuten metanogeneesiä inhiboivan propionihapon muodostumista. Syötön lopettamisen jälkeen prosessi alkoi palautua noin kuukaudessa, mutta varsinkin propionihapon hajottaminen oli hidasta. Prosessin stabiilius edellyttää suurempaa puskurointia (> 0,57 g bikarbonaattia/(L d)) sekä mahdollisesti OLR:n alentamista ja HRT:n pidentämistä. Kaksivaiheisessa käsittelyssä prosessiolosuhteita voidaan paremmin optimoida anaerobisen hajottamisen osaprosesseille erikseen. Eräs kaksivaiheisen prosessin sovellus on käyttää LBR-reaktoria hydrolyysiin ja asidogeneesiin. Tämän reaktorin suotovedet, joiden VFA- ja SCOD-pitoisuudet ovat korkeat, voidaan johtaa edelleen metaanintuotantoreaktoriin. Tässä tutkimuksessa havaittiin, että sedimentoituneen kuidun hydrolyysiä LBR-reaktoreissa voidaan tehostaa nostamalla lämpötilaa mesofiiliseltä tasolta termofiiliselle, kierrättämällä suotovettä sekä lisäämällä hydrolysoivaan reaktoriin ymppiä tai typpeä. Korkeimmillaan SCOD:n tuotto oli 42 g SCOD/kg VS. Sedimentoituneen kuidun tilavuus pieneni LBR-kokeissa materiaalin tiivistymisen ja suotoveden poistamisen myötä. Sedimentoituneen kuidun anaerobista hajotusprosessia on tutkittu vasta vähän. Se on kuitenkin kiinnostava syöte, sillä sen metaanipotentiaali on hyvä, siitä voidaan tuottaa korkeita VFA-pitoisuuksia tässä tutkimuksessa kuvailluissa olosuhteissa, materiaalia on saatavilla suuria määriä ja anaerobista käsittelyä voidaan käyttää osana vanhojen metsäteollisuuden tehdasalueiden kunnostusta. Tutkimusta tarvitaan kuitenkin lisää sedimentoituneen kuidun anaerobisen hajotuksen pitkäaikaisesta stabiiliudesta ja puskuroinnin optimoinnista. Hydrolyysiä voitaisiin edelleen tehostaa tutkimalla kuidun esikäsittelyä. Suotovesien ja VFA-pitoisen mädätteen metanogeneesiä tulisi myös tutkia edelleen.