Faculteit Bio-ingenieurswetenschappen Academiejaar 2012 – 2013 Valorisatie van geconcentreerd A-slib door middel van anaerobe vergisting Kristof Plovie Promotoren: Prof. dr. ir. Korneel Rabaey & Prof. dr. ir. Arne Verliefde Tutoren: ir. Jo De Vrieze & ir. Arnout D’Haese Masterproef voorgedragen tot het behalen van de graad van Master in de bio-ingenieurswetenschappen: milieutechnologie Auteursrechten Auteursrechten “De auteur en de promotor geven de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen ervan te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie.” “The author and the promoter give the permission to use this thesis for consultation and to copy parts of it for personal use. Every other use is subject to the copyright laws, more specifically the source must be extensively specified when using results from this thesis.” Universiteit Gent, 7 juni 2013 De promotoren, De auteur, Prof. Dr. ir. Korneel Rabaey Prof. Dr. ir. Arne Verliefde Kristof Plovie I Woord vooraf Woord vooraf Met het voltooien van dit werk, rond ik naast dit boeiende thesisjaar ook mijn vijfjarige academische loopbaan als student op ons geliefde Boerekot af, weliswaar met gemengde gevoelens. Enerzijds blij vanwege het beëindigen van mijn scriptie en langs de andere kant toch wat onwennig dat het mooie studentenleven er zo goed als opzit. Het realiseren van deze scriptie, gepaard met bijna 9 maanden onderzoek, kon natuurlijk niet zonder de bijstand van de talrijke mensen die het afleggen van deze weg vergemakkelijkten. Vandaar dat een korte bedanking hier wel op zijn plaats is. In de eerste plaats wil ik mijn dankwoord richten tot mijn twee promotoren, professor Rabaey en professor Verliefde. Elk van hen reikte met niet-aflatende enthousiasme, vanuit zijn eigen specifieke kijk op het onderwerp, een fris idee of oplossingen aan. Daarnaast stond professor Boon me bij met raad rond zijn stokpaardje, MRM. Bedankt hiervoor. Mijn tutoren, Jo en Arnout, waren een welkome helpende hand. Jo, je leerde me de kneepjes van het labowerk. Als expert in de anaerobe vergisting bracht je me waardevolle kennis bij en toonde me hoe bedreven een milieutechnoloog wel niet kan zijn in moleculair werk. Arnout, jouw IT-kennis en membraanknowhow bleken handig van pas te komen in het andere luik van mijn scriptie, vandaar een welgemeende bedankt! Daarnaast wil ik ook nog iedereen bij LabMET en Paint bedanken, in het bijzonder Tim Lacoere en Quenten Denon voor de hulp, het laboratorium voor analytische chemie en toegepaste ecochemie voor de gedane analyses en de collega thesisstudenten en mede-warmtekloppers van de K32 in het bijzondere. Bedankt voor de fijne tijd en hulp het afgelopen jaar. Tenslotte wil ik graag mijn mama, broer, familie en vrienden bedanken, voor de niet aflatende steun, leuke discussies en grappige noten tussendoor wanneer de zaken minder vlot verliepen. Misschien als allerlaatste nog een klein bedankje voor professor Verstraete die me twee jaar terug tijdens zijn laatste lessen enthousiasmeerde voor de talrijke microbiologische processen binnen de milieutechnologie en zo mijn verdere studierichting en scriptiekeuze beïnvloedde. II Samenvatting Samenvatting De huidige afvalwaterbehandeling schiet tekort op vlak van duurzaamheid en dreigt niet te kunnen instaan voor de toenemende globale waterconsumptie en afvalwaterproductie. Hierdoor is een nieuwe kijk op afvalwater als grondstof een vereiste. In het ZeroWasteWater concept wordt getracht een oplossing te bieden voor deze waterproblematiek uitgaande van een kringloopvisie. Afvalwater wordt zodoende een bron van drink-, irrigatie- en proceswater, nutriënten, waardevolle componenten en energie. Bij de maximalisatie van deze recuperatie, vertrekkend van afvalwater komen o.a. het Adsorptie/Bio-oxidatie (A/B) proces, membraanprocessen en anaerobe vergisting naar voren. Het maximaliseren van de slibproductie in een A-stage, het concentreren ervan in een filtratie/membraanunit en vervolgens het anaeroob vergisten van het A-slib, vielen binnen het studiegebied van deze scriptie. Elkeen van deze processen werd afzonderlijk verder geoptimaliseerd. De mogelijkheid om een A-stage, de 1e stap in het A/B proces, aan een vijf- tot tienmaal hogere totale vaste stof (17,47 g TS L-1) te lopen dan normaal, werd eerst onderzocht. Dit gebeurde a.d.h.v. een compleet gemengde reactor (CSTR; 10L) die gelopen werd als sequence batch reactor (SBR) met als inkomende stroom brouwerij afvalwater (5L cyclus-1; 4,60 g TS L-1). Zowel bezinking als centrifugatie volstonden echter niet om het actieve slib in de reactor te onderhouden aan een hoge TS-concentratie. Andere concentratiestappen dan bezinking en centrifugatie na adsorptie van het organisch materiaal in de A-stage, werden dan ook overwogen. Zo werd elektrofiltratie, als voorbehandelingsstap voor membraanprocessen zoals forward osmosis, toegepast op (reeds geconcentreerd) A-slib (3,01 ± 0,18 g TS L-1 tot 11,17 ± 1,00 g TS L-1) om een (nog) hoger TS-gehalte te verkrijgen. Preventie van membraanvervuiling en filterkoekvorming op het roestvrijstalen geweven filtergaas (50 µm opening) werd bereikt door het opleggen van een elektrisch veld (20 V cm-1). Steunend op de elektroforetische mobiliteit van het slib behoedde dit E-veld het filtratieproces gedeeltelijk van fluxdaling vanwege fouling. Het geconcentreerde A-slib (19,90 ± 0,15 tot 30,34 ± 3,10 g TS L-1) werd vervolgens vergist al dan niet samen met keukenafval of melasse in anaerobe fed-batch reactoren (CSTR, 800mL, 10 g VSS L-1) onder mesofiele omstandigheden (34°C). Additie van A-slib als co-substraat bij vergisting van keukenafval leverde nl. een hogere biogasproductie, processtabiliteit en mogelijkheid tot remediatie van reeds verzuurde anaerobe reactoren. Het stabiliserende effect van geconcentreerd A-slib kon niet gelinkt worden aan het hoge ijzergehalte van het A-slib of het steeds fed-batch gewijs ‘bij- III Samenvatting inoculuren’ van bepaalde micro-organismen aanwezig in het A-slib aan de reactoren op basis van de uitgevoerde experimenten. De verworven kennis en resultaten bekomen tijdens het onderzoek vormen, mits verder onderzoek, een brug naar de toekomstige, meer energieneutrale afvalwaterbehandeling. IV Abstract Abstract The current wastewater treatment seems insufficient to deal with the upcoming water problems such as water scarcity and water pollution. Mainly due to the low sustainability (energy demand, costs) there is a need for a different approach. The ZeroWasteWater concept (ZWW) tries to turn these current problems into future opportunities, while getting an added value out of the wastewater. The wastewater becomes in that way firstly a source of potable or process water and energy and on the other hand a renewable source of nutrients and other valuables. Key technologies within the ZWW concept are anaerobic digestion (AD), the two-phase ‘Adsorptions-Belebungs- verfahren’ or A/B activated sludge system and membrane processes. The maximization of the sludge production in an A-stage, concentration in a filtration unit and subsequently digestion of this sludge, were part of the research within this thesis. Each one of these processes was further optimized as such. An attempt was made to achieve an A-stage, the first step in the A/B process, at five to ten times the normal total solid amount (17,47 g TS L-1 ). The research was performed in a completely stirred tank reactor (CSTR; 10L) used as a sequence batch reactor (SBR) with brewery wastewater (5L cyclus-1; 4,60 g TS L-1) as the influent. Both settling and centrifugation were however not sufficient to maintain the activated sludge at this high concentration in the reactor. Other concentration techniques, besides settling and centrifugation, were considered after adsorption of the organic matter in an A-stage. Electrofiltration, a pretreatment step implemented before membrane processes, was tested, making use of (concentrated) high-rate activated sludge or A-sludge (3,01 ± 0,18 g TS L-1 to 11,17 ± 1,00 g TS L-1) to gain higher TS values. Prevention of membrane fouling and filter cake formation on the stainless steel finely-woven wire mesh (pore size: 50 µm) was obtained by applying an electric field (20 V cm-1). This E-field promoted a higher flux in the filtration process, based on the electrophoretic mobility of the sludge. The concentrated A-sludge (19,90 ± 0,15 to 30,34 ± 3,10 g TS L-1) was further digested, whether or not as co-substrate with kitchen waste or molasses, in anaerobic fed-batch digesters (CSTR, 800mL, 10 g VSS L-1) under mesophilic conditions (34°C). Co-digestion of kitchen waste with A-sludge provided more biogasformation and a more stable process, besides the possible remediation of failed reactors. The stabilization of AD by concentrated A-sludge could not be associated, based on these experiments, with the high iron content nor with the micro-organisms present in the A-sludge that was constantly fed to the reactors (re-inoculation). V Abstract The acquired knowledge and results of this thesis can, when subjected to further research, become essential to solve the puzzle of obtaining a more sustainable, energy-friendly, water treatment system. VI Inhoudsopgave Inhoudsopgave Lijst van afkortingen en symbolen ............................................................................................... XII Lijst van figuren ......................................................................................................................... XIV Lijst van tabellen ....................................................................................................................... XVI Deel I - Literatuurstudie ................................................................................................................ 1 1. Waterzuivering: een positieve balans..................................................................................... 1 1.1 Conventionele waterzuivering ................................................................................................ 1 1.2 ZeroWasteWater: het concept ................................................................................................ 4 2. Alternatief: het A/B proces .................................................................................................... 8 2.1. A/B proces: het concept .......................................................................................................... 8 2.2. A-stage ..................................................................................................................................... 9 2.3. B-stage ..................................................................................................................................... 9 2.4. Voor- en nadelen ................................................................................................................... 10 3. Membraantechnologie ........................................................................................................ 11 3.1. Algemeen .............................................................................................................................. 11 3.2. Voor- en nadelen van membraanprocessen ......................................................................... 13 3.3. Membraanreiniging ............................................................................................................... 14 3.4. Forward osmosis of directe osmose ..................................................................................... 14 4. Slibfiltratie in aanwezigheid van een elektrisch veld ............................................................. 16 4.1. Effecten ................................................................................................................................. 16 4.2. Elektrofiltratie ....................................................................................................................... 17 5. Valorisatie van componenten in afvalwater ......................................................................... 18 5.1. Anaerobe vergisting .............................................................................................................. 18 5.1.1. Algemeen ...................................................................................................................... 18 5.1.2. Microbiële processen .................................................................................................... 19 5.1.3. Procesparameters ......................................................................................................... 20 VII Inhoudsopgave 5.1.4. Reactortypes .................................................................................................................. 22 5.2. Co-vergisting .......................................................................................................................... 23 Doelstellingen ............................................................................................................................. 24 Deel II - Materiaal en methoden .................................................................................................. 25 1. Experimentele opstellingen .................................................................................................. 25 1.1. Inoculum en gebruikte afvalstromen .................................................................................... 25 1.1.1 Inoculum vergisters ....................................................................................................... 25 1.1.2 Gebruikte afvalstromen ................................................................................................. 25 1.2. Operatie A-stage als SBR aan een hoog TS-gehalte............................................................... 26 Experimentele opstelling en operatie ........................................................................................... 26 1.3. Concentratiestap met behulp van elektrofiltratie ................................................................. 27 1.3.1. Referentiesituatie: vergelijking van twee identieke EF-modules .................................. 27 1.3.2. Elektrische veld: vergelijking tussen waterflux bij aan- of afwezigheid van E-veld ...... 31 1.4. Valorisatie: anaerobe vergisting onder mesofiele omstandigheden .................................... 33 1.4.1. Fed-batch co-vergisting van A-slib met keukenafval of melasse................................... 33 1.4.2. Fed-batch vergisting van keukenafval met A-slib of ijzeradditieven ............................. 35 2. Algemene analytische methoden ......................................................................................... 37 2.1. (Elektro)chemische en fysische parameters .......................................................................... 37 2.1.1. pH................................................................................................................................... 37 2.1.2. Elektrische grootheden: stroom (I), potentiaalverschil (ΔV) ......................................... 37 2.1.3. TS, VS, TSS en VSS .......................................................................................................... 37 2.1.4. Chemische zuurstofvraag (COD) .................................................................................... 38 2.1.5. Stikstofbepalingen (TAN, TKN) ...................................................................................... 38 2.1.6. Vluchtige vetzuren (VVZ) ............................................................................................... 39 2.1.7. Fosfor- en IJzergehalte .................................................................................................. 39 2.1.8. Partikelgrootteverdeling ................................................................................................ 40 VIII