Biovalorization of food wastes by anaerobic acidification processes

Abstract

Biodegradation is an eco-friendly option for the disposal and recovery of organic waste, including food waste (FW). These residues can be treated and recovered through anaerobic digestion processes, thereby reducing their pollutant content and, at the same time, producing high value-products such as volatile fatty acids (VFA). These compounds resulting from acidogenic fermentation are the preferred carbon sources for the production of added-value products, namely polyhydroxyalkanoates (PHA) or bioenergy, in the form of methane or hydrogen. In this work, it was studied the acidogenic fermentation of several organic residues, such as the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW), waste from the tomato processing industry (TW), coffee grounds waste (CG) and waste activated sludge (WAS) from a wastewater treatment plant. The assays were performed in batch and semi-continuous reactors, either in mono- or co-digestion assays, in order to assess and optimize its potential for VFA production. In these tests, the effects of various parameters, such as 1) total solids (TS) content in the reactor, 2) alkalinity addition, 3) organic loading rate (OLR) applied and 4) carbon-nitrogen ratio (C:N) were studied. In the mono-digestion assays, a very distinct behavior was observed in the four substrates studied, with a substantially higher acidification rate for TW (49 %) and OFMSW (41 %) than for CG (10 %) and WAS (6 %). It was also observed that in the co-digestion assays, the assay with the highest percentage of TW (75 %) and GC (25 %) showed the highest acidification degree (57 %), confirming the synergy that occurred with this mixture. Out of the three kinetic models used to study the co-digestion performance between the two major residues in Cape Verde (OFMSW and WAS), the model that presented the best correlation to obtain the methanogenic potential was exponential Curve factor model. The values for the methanogenic rate constant increased with the increase of OFMSW in the mixture, with the maximum experimental value of kM (0.27 d-1) obtained in the 75 % OFMSW assay. It was also found that, despite the low biodegradability of WAS, this substrate promoted the stability of the OFMSW digestion process in this assay, thus avoiding the inhibition of methane production due to low pH values and high concentrations of VFA, as verified experimentally in the OFMSW mono-digestion test. Thus, the kinetic study provided a simple and useful tool to predict reactor performance with respect to methane production, taking into account the proportions of each of the co-substrates, and under the conditions applied. Analyzing the results of the response surfaces obtained for the OFMSW digestion assays, it has been demonstrated that the increase in the TS reactor content led to a decrease in the acidification degree whereas the increase in the alkalinity addition led to the increase of the degree of acidification. Therefore, the highest degree of acidification (78 %) was obtained at the lowest TS reactor content (5 %) and the highest alkalinity addition (50 gCaCO3.L-1). However, depending on the ultimate use of the produced VFA mixture, the conditions presenting the highest VFA content (99 %) with high propionic acid concentration (VFA mixture more suitable for the production of high quality PHA), were the intermediate TS reactor content (8 %). From the response surfaces obtained, it was also observed that all response variables under study (VFA production, degree of acidification and effluent quality) presented a higher dependency on TS reactor content than on initial alkalinity addition. The FORSU acidogenic fermentation process was further developed in a semi-continuous CSTR reactor, which was operated under long-term and several operational conditions (organic load between 3.0 - 6.5 g COD L-1 and alkalinity between 2.0 - 5.0 g CaCO3L-1).The operational condition correspondent to of 6.0 g COD L-1d-1 and the alkalinity of 2.5 g CaCO3 L-1, was the condition where the highest degree of acidification (59 %), the best effluent quality In terms of VFA (66 %), and a good odd-to-even ratio in VFA (0.44) were achieved. In general, the increase on the organic load applied led to the increase of VFA, with acetic, propionic and butyric acids being always the predominant species in all experimental stages. The acidified effluent in the anaerobic process was then used as substrate in SBR reactors operated for the selection of mixed microbial cultures with high capacity for PHA accumulation, where it was applied a regime of dynamic feeding (feast/famine) under aerobic conditions. Three organic loads and two C:N ratios were studied, in order to evaluate the enrichment potential of the microbial mixed culture. During the process, all tested conditions showed a COD removal efficiency higher than 80 % with a PHA accumulation capacity between 17 % and 53 %. In PHA accumulation studies carried out in fed-batch reactors, three different pH values, between 7 and 8.5 were studied, where PHA accumulation was more favorable at neutral pH, , resulting in a PHA content of 25 % (w/w). The HB monomer was the main compound of the polymer synthesized from acidified OFMSW. Based on these results, it can be concluded that organic waste from food sources can be treated by biological processes, as a conventional waste treatment, and at the same time can be converted into value-added materials.

A biodegradação constitui uma opção ecológica e sustentável para a eliminação e valorização de resíduos orgânicos, nomeadamente de origem alimentar. Estes resíduos podem ser tratados e valorizados através de processos de digestão anaeróbia, reduzindo assim o seu teor poluente e ao mesmo tempo produzir compostos intermediários valorizáveis, como os ácidos orgânicos voláteis (AOV). Estes compostos resultantes da fermentação acidogénica são fontes de carbono preferenciais para a obtenção de produtos de valor acrescentado, nomeadamente polihidroxialcanoatos (PHA) ou bioenergia, sob a forma de metano ou hidrogénio. Neste trabalho estudou-se a fermentação acidogénica de vários resíduos orgânicos, em mono ou co-digestão, nomeadamente a fração orgânica de resíduos sólidos urbanos (FORSU), resíduos da indústria de processamento de tomate (RT), borras de café (BC) e lamas ativadas prevenientes de uma estação de tratamento de águas residuais domésticas (LA), em reatores descontínuos e semi-contínuos, a fim de avaliar o seu potencial de produção de AOV. Nestes ensaios foram estudados os efeitos de vários parâmetros, nomeadamente a 1) concentração de sólidos totais (ST) no interior do reator, 2) a alcalinidade, 3) a carga orgânica (CO) e 4) a relação carbono-azoto (C:N). Nos ensaios de mono-digestão, verificou-se um comportamento muito distinto nos quatro substratos estudados, com um grau de acidificação substancialmente superior para o RT (49 %) e FORSU (41 %) do que para as borras de café (10 %) e lamas ativadas (6 %). Observou-se também que nos ensaios de co-digestão, o ensaio com a percentagem mais elevada de RT (75 %) e BC (25 %) apresentaram o mais elevado grau de acidificação (57 %), confirmando a sinergia que ocorreu com esta mistura. Dos três modelos cinéticos utilizados para estudar o desempenho da co-digestão entre os dois resíduos maioritários em Cabo Verde (FORSU e LA), o modelo que apresentou a melhor correlação para obtenção do potencial metanogénico foi o modelo de exponencial (com Curve factor). Os valores para a constante de velocidade metanogénica aumentaram com o aumento de FORSU na mistura, com o valor experimental máximo de kM (0.27 d-1) obtido no ensaio com 75% de FORSU. Verificou-se também que apesar da baixa biodegradabilidade das LA, este substrato promoveu a estabilidade do processo de digestão da FORSU neste ensaio, evitando assim a inibição da produção de metano devido a valores baixos de pH e a concentrações elevadas de AOV, conforme verificado experimentalmente no ensaio de mono-digestão da FORSU. Assim, o estudo cinético forneceu uma ferramenta simples e útil para prever o desempenho do reator no que diz respeito à produção de metano, tendo em conta as proporções de cada um dos co-substratos nas condições aplicadas. Recorrendo à modelação dos resultados obtidos na digestão da FORSU, através de superfícies de resposta, demonstrou-se que o aumento do teor de ST no digestor induziu uma diminuição do grau de acidificação, enquanto que o aumento da concentração de alcalinidade adicionada conduziu ao aumento do grau de acidificação. Por conseguinte, o maior grau de acidificação obtido foi de 78% com a combinação de ST mais baixo estudado (5 %) e a alcalinidade adicionada mais elevada (50 gCaCO3.L-1). No entanto, e dependendo da utilização final dos AOV que são produzidos, as condições que apresentaram elevado teor de AOV (99 %), com uma concentração elevada de ácido propiónico na sua composição (mais adequado para a produção de PHA de elevada qualidade), foram os teores de ST intermédios (8 %). A partir das superfícies de resposta obtidas observou-se também que todas as variáveis de resposta estudadas (produção de AOV, grau de acidificação e qualidade do efluente) apresentaram uma dependência maior do teor em ST do que da adição de alcalinidade. O processo de fermentação acidogénica da FORSU foi posteriormente desenvolvido em modo semi-contínuo num reator CSTR, que operou a longo prazo. De todas as condições testadas (carga orgânica entre 3.0–6.5 g COD L-1 e alcalinidade entre 2.0-5.0 g CaCO3 L-1), a condição onde se obteve o maior grau de acidificação (59 %), a melhor qualidade de efluente em termos de AOV (66 %), e uma boa razão impar-par em AOV (0.44), foi o ensaio com carga orgânica de 6,0 g CQO L-1d-1 e alcalinidade de 2,5 g CaCO3 L-1. O aumento da carga orgânica levou ao aumento de AOV, sendo os ácidos acético, propiónico e butírico as espécies predominantes em todas as fases do processo. O efluente acidificado no processo anaeróbio foi então usado como substrato em reatores SBR operados para seleção de culturas microbianas mistas com capacidade para acumular PHA, nos quais foi aplicado um regime de alimentação dinâmica (fartura/fome) em condições aeróbias. Foram estudadas três cargas orgânicas e duas razões C:N para avaliar o potencial de enriquecimento da cultura. Durante o processo, todas as condições testadas apresentaram uma eficiência de remoção de CQO superior a 80 %, com uma acumulação de PHA entre 17 % e 53 %. Em estudos de acumulação de PHA efetuados em reatores semi-contínuos foram estudados três valores de pH, entre 7 e 8.5, em que a acumulação de PHA foi mais favorável a pH neutro, resultando num teor de PHA de 25% (w/w). O monómero HB foi o principal composto do polímero sintetizado a partir de FORSU acidificada. Com base nestes resultados, pode concluir-se que os resíduos orgânicos de origem alimentar podem ser tratados por processos biológicos, com tratamento convencional de resíduos, e ao mesmo tempo podem ser convertidos em materiais de valor acrescentado.