Co-fermentation of sewage sludge and food waste with high concentration of salt and oil
Resumo
Resumo: Co-fermentação de lodo de esgoto e resíduo alimentar apresenta muitas vantagens em relação ao tratamento desses resíduos separadamente nos processos tradicionais de mono-fermentação, por isso, torna-se um tópico em desenvolvimento recente na área de tratamento e gerenciamento de resíduos. A composição dos resíduos alimentares se difere pela localidade, por exemplo, na China, têm-se concentrações maiores de sal e de óleo, as quais influenciam na degradação química-biológica do substrato. O presente estudo avaliou os efeitos da alta concentração de sal e de óleo no resto alimentar através da co-digestão com lodo de esgoto. O resíduo alimentar foi preparado em laboratório para simular a fração orgânica de resíduos sólidos urbanos da China, enquanto o lodo de esgoto foi coletado da estação de tratamento de esgoto do Institute for Sanitary Engineering, Water Quality and Solid Waste Management na cidade de Stuttgart (Alemanha). Parâmetros de processo e produção de biogás foram avaliados durante 3 meses de experimento, os quais foram divididos em Experimento Parte I (avaliação variando a concentração de sal), Período de Reabilitação (estabilização do biorreator) e Experimento Parte II (avaliação variando a concentração de óleo). O experimento foi conduzido em um reator tanque agitado contínuo em semi-escala de 210L com 21 dias de tempo de retenção hidráulica e faixa mesofílica (35ºC). Uma composição especificada de proteínas, carboidratos e lipídios foi estabelecida para manter uma taxa de carga orgânica constante (2,3 g SV/L.d) na alimentação manual do digestor semicontínuo diariamente. A produção de biogás foi determinada diariamente assim como os testes em laboratório para analisar o processo através de parâmetros como, por exemplo, medidas do pH para amostras de entrada e saída do reator, concentração de amônia, condutividade para determinar a concentração de sal, sólidos totais, sólidos voláteis do efluente do reator e valores de FOS/TAC. Os resultados mostraram que a co-digestão de lodo de esgoto e resíduo alimentar produziu maior volume de biogás e rendimento de metano em comparação com a mono-digestão de lodo de esgoto somente. Além disso, o processo de cofermentação pode ser inibido com maior concentração de sal, medido no digestor (1,2 g/L), enquanto maior teor de gordura no resíduo alimentar (42%) aumenta a produção volumétrica de biogás e metano. As análises dos parâmetros de processo mostraram que a estabilidade é maior degradando substrato de alto teor de óleo (Experimento Parte II) do que material com alta concentração de sal (Experimento Parte I). Contudo, a degradação de substrato com alto teor de óleo gerou um período de atraso na produção de biogás, enquanto que com alta concentração de sal não houve período de retardo, embora sua taxa tenha sido menor. Para concluir, o processo de co-digestão representa uma possibilidade para o tratamento da fração orgânica de resíduos sólidos urbanos, uma vez que a biodegradabilidade do processo alcançou 97% e portanto, poderia tornar-se uma alternativa para aumentar a eficiência da produção de energia renovável na estação de tratamento de efluente. Abstract: Co-fermentation of sewage sludge and food waste presents many advantages over the treatment of these wastes separately in the traditional monofermentation process, which makes it a recent and developing topic regarding waste management and treatment. Food waste composition differs depending on the location, for example, in China it has a higher salt and oil content, which influences the chemical-biological degradation of the substrate. The present study assesses the effects of high salt concentration and oil content in the food waste through the co-digestion with sewage sludge. The fed food waste was prepared in the lab to simulate the organic fraction of municipal solid waste from China whereas the sewage sludge was collected from the wastewater treatment plant from the Institute for Sanitary Engineering, Water Quality and Solid Waste Management in Stuttgart city (Germany). Process parameters and biogas production has been evaluated over 3 months of experiments, which were divided as Part I Experiment (assessment with changing salt concentration), Rehabilitation period (stabilization of the bioreactor) and Part II Experiment (assessment with changing oil concentration). The experiment was conducted in a semi-scale continuous-stirred-tank-reactor (CSTR) of 210 L with 21 days of hydraulic retention time and mesophilic range (35ºC). An established composition of protein, carbohydrate and lipids were determined to set a constant organic load rate (2,3 g VS/L.d) to feed manually the semi-continuous digester daily. Biogas production was determined daily as well as lab tests to assess the process through parameters such as pH measurements with the input and output samples from the reactor, ammonium concentration, conductivity to determine the salt concentration, total solids, volatile solids of the reactor's effluent and the FOS/TAC values. The results showed that the co-digestion of sewage sludge and food waste produced higher biogas volume and methane yield in comparison with digestion of only sewage sludge. Furthermore, the co-fermentation process can be inhibited with a higher concentration of salt, measured in the digester (1,2 g/L), while higher fat content in the food (42%) enhances volumetric biogas and methane production. Analysis of the process parameters showed a more stable degradation using a high oil content substrate (Part II Experiment) than with high salt concentration material (Part I Experiment). However, the degradation of substrates with high oil content caused the appearance of a lag period in the biogas production while with high salt concentration no lag period could be observed although its rate was lower. To conclude, the co-digestion process represents a possibility for the treatment of organic fraction of municipal solid waste since biodegradability of the process achieved 97%, thus it would be an alternative to enhance the efficiency of renewable energy production in the wastewater treatment plant.
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