Synergistic effect of biomass ash on two-stage anaerobic digestion of OFMSW for high-value biohythane production

Abstract

The aim of this thesis was to develop a cost-effective approach for the production of high-value biohythane (bioH₂ + bioCH₄) from the two-stage anaerobic digestion (AD) process of organic fraction of municipal solid waste (OFMSW), with a primary focus on optimizing the bioH₂ production stage. To achieve this goal, the study utilized biomass combustion ash as a supplement to the hydrogenogenic reactors. The thesis outlines various experimental works that were conducted to fulfill the specific objectives. The first work investigated the effects of adding biomass combustion fly ash (FA) and bottom ash (BA) to the dark fermentative bioH₂ production process of food waste. It was found that adding biomass combustion ash at different doses could effectively enhance bioH₂ generation, with the highest bioH₂ yield obtained by adding only 1 g/L of BA. In the second study, the Taguchi method was employed to determine the optimal conditions of the key process parameters in the dark fermentation process, aiming to maximize bioH₂ production in subsequent experiments supplemented with biomass combustion ash. The optimal setting of the process parameters was found to be a substrate concentration of 6 g volatile solids (VS)/L, inoculum-to-substrate mass ratio of 0.5, and a temperature of 55 °C. The third experiment evaluated the effect of adding ash from six types of locally available biomass on bioH₂ production from OFMSW. Adding 5 g/L of rice husk ash resulted in a remarkable increase (644%) in bioH₂ production compared to the control, making it the most effective supplementation strategy. The semi-continuous two-stage biohythane production process with this supplement demonstrated the highest bioH₂ production rate and yield at a 2-day HRT, and the highest bioCH₄ production rate and yield at a 12-day HRT in the subsequent methanogenic stage. The process successfully maintained a suitable pH range without the use of commercial reagents, and the resulting biohythane met the necessary criteria for a clean and efficient hythane fuel. In the fourth experiment, the effect of biomass ash particle size on sequential bioH₂ and bioCH4 production from OFMSW was studied using micro- and nano-sized biomass FA. The highest bioH₂ and bioCH₄ yields were observed in micro-sized and nano-sized FA-supplemented reactors, respectively. The integrated two-stage AD with nano-sized FA addition showed superiority over micro-sized FA supplementation in terms of organic matter conversion, energy yield, and the composition of biohythane obtained. Finally, the Doehlert technique was used to optimize the solid-state hydrogenogenic stage supplemented with biomass FA in a two-stage AD process for biohythane production from OFMSW. By utilizing the optimal conditions for total solids content (29.1%) and FA dosage (19.2 g/L), the experiment achieved optimal yields of bioH₂ and bioCH₄, resulting in an ideal biohythane composition. Overall, the proposed approach proved to be highly impactful, significantly promoting biohythane production, and presenting a promising pathway toward sustainable energy generation.

O objetivo desta tese foi desenvolver uma abordagem custo-efetiva para a produção de biohitano (bioH₂ + bioCH₄) de alto valor a partir do processo de digestão anaeróbia (AD) em dois estágios da fração orgânica de resíduos sólidos urbanos (FORSU), com foco principal na otimização da etapa de produção de bioH₂. Para atingir este objetivo, o estudo utilizou cinzas de combustão de biomassa como um suplemento aos reatores hidrogenogênicos. A tese descreve vários trabalhos experimentais que foram realizados para cumprir os objetivos específicos. O primeiro trabalho investigou os efeitos da adição de cinzas volantes (FA) e cinzas residuais (BA) da combustão de biomassa ao processo fermentativo escuro de produção de bioH₂ de resíduos alimentares. Verificou-se que a adição de cinzas de combustão de biomassa em diferentes doses pode efetivamente aumentar a geração de bioH₂, com o maior rendimento de bioH₂ obtido pela adição de apenas 1 g/L de BA. No segundo estudo, o método de Taguchi foi empregado para determinar as condições ótimas dos parâmetros-chave do processo de fermentação escura, visando maximizar a produção de bioH₂ em experimentos subsequentes suplementados com cinzas de combustão de biomassa. A configuração ideal dos parâmetros do processo foi uma concentração de substrato de 6 g de sólidos voláteis (VS)/L, razão de massa de inóculo para substrato de 0.5 e uma temperatura de 55 °C. O terceiro experimento avaliou o efeito da adição de cinzas de seis tipos de biomassa disponíveis localmente na produção de bioH₂ de FORSU. A adição de 5 g/L de cinza de casca de arroz resultou em um aumento notável (644%) na produção de bioH₂ em comparação com o controle, tornando-a a estratégia de suplementação mais eficaz. O processo semicontínuo de produção de biohitano em dois estágios com este suplemento demonstrou a maior taxa de produção de bioH₂ e rendimento em um tempo de retenção hidráulica (HRT) de 2 dias, e a maior taxa de produção de bioCH₄ e rendimento em um HRT de 12 dias no estágio metanogênico subsequente. Além disso, o processo manteve com sucesso uma faixa de pH adequada sem o uso de reagentes comerciais, e o biohitano resultante atendeu aos critérios necessários para um combustível de hitano limpo e eficiente. No quarto experimento, o efeito do tamanho de partícula de cinza de biomassa na produção sequencial de bioH₂ e bioCH₄ de FORSU foi estudado usando FA de biomassa de tamanho micro e nano. Os maiores rendimentos de bioH₂ e bioCH₄ foram observados em reatores suplementados com FA de tamanho micro e nano, respectivamente. A AD integrada de dois estágios com suplementação de FA de tamanho nano mostrou superioridade sobre a suplementação de FA de tamanho micro em termos de conversão de matéria orgânica, rendimento de energia e composição do biohitano obtido. Finalmente, a técnica de Doehlert foi usado para otimizar o estágio hidrogenogênico de estado sólido suplementado com biomassa FA em um processo AD de dois estágios para produção de biohitano a partir de FORSU. Utilizando as condições ótimas para teor de sólidos totais (29.1%) e dosagem de FA (19.2 g/L), o experimento alcançou rendimentos ótimos de bioH₂ e bioCH₄, resultando em uma composição ideal de biohitano. No geral, a abordagem proposta provou ser altamente impactante, promovendo significativamente a produção de biohitano e apresentando um caminho promissor para a geração de energia sustentável.