Biological H2-mediated in-situ biogas upgrading

In the current context of global energy demand increasing, and developing countries population expansions, renewable energy generation has to grow due to its key role in reducing global greenhouse gas emissions and offering enormous potential for replacing fossil fuels. The recently proposed Power-to-Gas technology consists of the highly smart integration of such naturally fluctuant renewable (eolic/solar power) sources off-peaks to generate hydrogen via electrolysis that can be oxidized to methane and water. A quite recent process intensively investigated to achieve H2 methanation is the biological reaction of H2 and with external CO and CO2 sources into CH4. This technology represents also an innovative option method for biogas upgrading which seems to be cheaper/lower energivoros if compared to currently available biogas upgrading technologies on the market. The biological biogas process exploits a well-known archaeal methanogenic metabolism of the hydrogenotrophic methanogens, autotrophs that utilize CO2 for growth purpose and hydrogen as an electron donor, producing bio-methane. This process has been studied in two different set-ups, distinguished by where the H2 is provided with respect to the anaerobic digestion process: in-situ option, in which H2 is delivered directly inside the biogas digester and there biologically coupled with the endogenous CO2 produced by means of the autochthonous hydrogenotrophic methanogens; the ex-situ option, in which CO2 from external sources (e.g. biogas, CO2 storage, syngas) and H2 are injected together inside a reactor containing selected hydrogenotrophic cultures, resulting in their conversion to CH4. The general main goal of this PhD thesis was to deepen the study of the biological upgrading process by means of in-situ hydrogen injections. A first study aimed to provide fundamental elements to propose a simple protocol to measure the specific hydrogenotrophic methanogenic activity (SHMA), moving towards a standard activity measurement. Manometric batch tests assessing the specific hydrogenotrophic methanogenic activity of three anaerobic sludges taken from municipal full-scale digesters were assessed. Two different experimental set-ups were utilized for comparison: an automatic manometric device and a manual measurement system. Statistical analysis was carried out aimed at assessing the reproducibility of replicates for each sample of sludge performed with the two different apparatus. The SHMA standard measure will support the implementation of the process at full-scale in evaluating the initial substrate loads that can be treated and could allow to carry out toxicity tests with respect to certain substrates. The activity determinations were conducted at substrate concentration well above Ks value to ensure to operate in the zero order kinetics conditions. Both apparatus allowed measuring the SHMA but some constraints related to the automatic tightness were observed, further investigations are needed to test the reproducibility of another automatic system. A noteworthy major result is that the statistical non-reproducibility may not lead to an error in the estimation of the kinetics; vice versa statistically reproducible replicas can lead to errors in the estimation of the kinetic parameter. Further experimentation was focused on a rapid enrichment strategy capable of limiting the organic degradation unbalance and allowing a fast start-up phase of the in-situ biogas upgrading reactors, at pilot or full-scale. This fundamental theme has been perused with 2+1 control lab-scale CSTRs filled with anaerobic sludge collected from a full-scale WWTP. The experimentation lasted 50 days divided into 5 phases: the anaerobic digestion start-up followed by four H2 injection phases (H2/CO2 ranging from 1:1 to 4:1 on a molar basis). Despite a temporary slight increase in the total concentration of VFA during phase II (2.56 gHac·L-1), and in phase III a mild pH increment indicating the expected CO2 depletion (anyway below 7.4), the strategy proposed was effective. In the last phase, in the biogas, the methane content of about 80% was achieved, thus suggesting that the use of H2/CO2 above the stoichiometric value could further improve the biological biogas upgrading. An innovative biological upgrading set-up, called Hybrid, was designed and assessed in a continuous experiment lasted 4 months at DTU University (Denmark). This innovative design exploits the combination of the in-situ and the ex-situ processes in a combined configuration. The system consists of a double-stage reactor composed of a CSTR, working as a conventional anaerobic digester and where the H2 is injected (in-situ biogas upgrading), and an up-flow reactor, receiving the upgraded biogas from the CSTR, together with the unutilized H2. The overall objective of the work was to perform initial methane enrichment in the in-situ reactor, avoiding deterioration of the process due to elevated pH levels and subsequently to complete the biogas upgrading process in the ex-situ chamber. The CH4 content in the first stage reactor reached on average 87% and the corresponding value in the second stage was 91%, with a maximum of 95%. A remarkable accumulation of Volatile Fatty Acids (VFA) was observed in the first reactor (in- situ) after 8 days of continuous H2 injection reaching a concentration of 5.6 gTVFA/L. Nevertheless, after an adaptation period of one hydraulic retention time (HRT), the system started to recover from the stress and the VFA decreased to 2.5 g/L. No pH drop was recorded during the period characterized by increased VFA concentration mainly due to the consumption of the endogenous CO2 by hydrogenotrophic methanogenesis. Indeed, the bicarbonate contained in the liquid phase of the biogas reactor was coupled with the injected H2, and thus the pH was maintained within the range for optimal methanogenesis (i.e. slightly increased from 8.3 to 8.5) despite the high VFA accumulation. The effect of H2 injection on the microbial community in both reactors was analyzed by 16S rRNA gene amplicon sequencing which revealed an increment in the relative abundance of hydrogenotrophic methanogens and homoacetogens in in-situ reactors, while the microbial community in the ex-situ chamber was more simple dominated by hydrogenotrophic methanogens. Finally, based on results of previous experiments, biological in-situ biogas upgrading from sewage sludge and in continuous-mode was investigated during a period of more than 7 months with 2 parallel CSTRs (11L), fed on a mixture of sewage sludge at mesophilic conditions (OLR of 1.5 gCOD L-1d-1). H2 gas injections were progressively increased from 0:5:1 to 7:1 (H2/CO2 ratio) with pH controlled to 7.4. Maximum methane content of 83% and a minimum of 5% of CO2 and 91% of H2 utilization were achieved at 7:1 H2/CO2 ratio. A noteworthy ethanol accumulation, during the very first H2 Phase (H2/CO2 of 0.5:1) occurred (up to 2.5-3 gCOD L-1). Nonetheless, maintaining the H2 feeding, ethanol was rapidly depleted, thus indicating the system was able to withstand the new operative conditions. A significant alkalinity reduction due to CO2 depletion in the liquid phase of 50% and 17% in R1 and R2 was registered. Also in this work, the effect of H2 injection on the microbial community in both reactors was analyzed by 16S rRNA gene amplicon sequencing. Results revealed a new shape of the core microbial community able in co-operating to the parallel organic substrate degradation and CO2 conversion to extra methane. More in detail, the anaerobic consortia presented a slight variation of the bacterial community in which also homoacetogens were detected, and to an archaeal community mostly composed by hydrogenotrophic methanogenic and only one acetoclastic methanogenic species.

Nell'attuale contesto di aumento della domanda globale di energia e di espansione demografica dei paesi in via di sviluppo nei quali le energie fossili sono massivamente impiegate, la transizione verso la produzione di energia da fonti rinnovabili gioca un ruolo cruciale nella riduzione delle emissioni globali di gas serra. Recentemente è stata proposta la tecnologia del Power-to-Gas che consiste nel trasformare picchi di extra carico da fonti rinnovabili naturalmente fluttuanti, come energia eolica e solare, per generare idrogeno tramite elettrolisi dell’acqua il quale viene poi ulteriormente ossidato a metano e acqua. In letteratura è stato proposto e studiato un innovativo metodo per ottenere la metanazione dell'H2 attraverso una reazione biologica che sfrutta fonti esterne di CO e CO2. Questa tecnologia biologica rappresenta al contempo anche un metodo innovativo per compiere l’upgrading del biogas potenzialmente più economica e meno energivora rispetto alle tecnologie di purificazione attualmente disponibili sul mercato. Il processo biologico di upgrading del biogas sfrutta un noto metabolismo di archaea metanigeni idrogenotrofici, una biomassa chemoautotrofa che utilizza CO2 a scopo di crescita e idrogeno come donatore di elettroni per produrre metano. Questo processo se integrato nel campo della digestione anaerobica che fornisce quindi la CO2 è stato sin ora principalmente studiato alla scala di laboratorio in due diverse configurazioni, distinte rispetto a dove la fonte di l'H2 è fornita rispetto al processo di digestione anaerobica e produzione di biogas: l'opzione in-situ, in cui l'H2 è fornito direttamente all'interno del digestore del biogas e lì biologicamente accoppiato con la CO2 endogena prodotta per mezzo di metanogeni idrogenotrofici autoctoni; l'opzione ex-situ, in cui CO2 da fonti esterne (es. biogas, stoccaggio CO2, syngas) e H2 sono iniettati insieme in un reattore contenente colture idrogenotrofiche selezionate, con conseguente conversione in CH4. L'obiettivo generale di questa tesi di dottorato è stato quello di approfondire lo studio del processo di miglioramento biologico mediante iniezioni di idrogeno in-situ. Un primo studio mirava a fornire elementi fondamentali per proporre un semplice protocollo di misura dell'attività metanogenica idrogenotrofica specifica (SHMA), orientandosi verso uno standard di misura che nella comunità scientifica non è ancora stato stabilito. Per testare l’efficacia del test proposto, sono state compiute prove batch manometriche di attività metanogenica idrogenotrofica specifica di tre fanghi anaerobici prelevati da digestori municipali operanti a piena scala. Per il confronto sono state utilizzate due diverse configurazioni sperimentali: un dispositivo manometrico automatico e un sistema di misura manuale. Sono state inoltre eseguite analisi statistiche volte a valutare la riproducibilità delle repliche per ogni campione di fango eseguite con i due diversi apparecchi. La misura standard SHMA supporterà l'implementazione del processo su larga scala nella valutazione dei carichi iniziali del substrato che può essere trattato oltre a consentire di eseguire test di tossicità rispetto ad alcuni substrati. Le determinazioni dell'attività sono state condotte a concentrazioni di substrato ben al di sopra del valore specifico Ks per garantire di operare in condizioni cinetiche di ordine zero. Entrambe le apparecchiature hanno permesso di misurare la SHMA, ma sono stati osservati alcuni vincoli legati alla tenuta automatica; sono necessarie ulteriori indagini per testare la riproducibilità di un altro sistema automatico. Un risultato importante degno di nota è che la non riproducibilità statistica può non portare a un errore nella stima della cinetica; viceversa repliche statisticamente riproducibili possono portare ad errori nella stima del parametro cinetico. Lo studio successivo si è focalizzato sulla proposizione e test di una innovativa strategia di arricchimento rapida in grado al contempo di limitare lo squilibrio della degradazione organica e di consentire una rapida fase di avviamento dei reattori di potenziamento del biogas in-situ, su scala pilota o a piena scala. Questo tema di fondamentale importanza per uno scale-up è stato testato inoculando 2 CSTR a scala di laboratorio e 1 reattore di controllo riempiti con fanghi anaerobici prelevati da un impianto di depurazione su larga scala. La sperimentazione è durata 50 giorni suddivisi in 5 fasi: avvio della digestione anaerobica seguita da quattro fasi di iniezione H2 (H2/CO2 da 1:1 a 4:1 su base molare). Nonostante un leggero aumento temporaneo della concentrazione totale di VFA durante la fase II (2.56 gHac-L-1), e nella fase III un lieve incremento di pH che indica il previsto esaurimento di CO2 (comunque inferiore a 7.4), la strategia proposta è risultata essere efficace con un aumento del valore di SHMA in media di 3.5 volte. Nell'ultima fase, nel biogas, è stato raggiunto il contenuto di metano di circa l'80%, suggerendo così che l'uso di H2/CO2 al di sopra del valore stechiometrico sono da adottarsi per raggiungere tenori di metano maggiori a completamento dell’upgrading biologico del biogas. In seguito, un innovativo sistema di upgrading biologico, chiamato Hybrid, è stato progettato e valutato in un esperimento in continuo durato 4 mesi presso la DTU University (Danimarca). Questo design innovativo sfrutta la combinazione delle due configurazioni in-situ ed ex-situ. Il sistema è costituito da un reattore a doppio stadio in serie: un CSTR, che funziona come un digestore anaerobico convenzionale e dove viene iniettato l'H2 (upgrading del biogas in-situ), e da un reattore up-flow a valle, che riceve il biogas dal CSTR, insieme all'H2 non utilizzato. L'obiettivo generale del lavoro è stato quello di compiere un upgrading parziale nel reattore in-situ, evitando il deterioramento del processo dovuto ad elevati livelli di pH e successivamente di completare il processo di upgrading del biogas nella reattore ex-situ. Il contenuto di CH4 nel primo stadio del reattore ha raggiunto in media l'87% e un valore nel secondo stadio del 91%, con un massimo raggiunto del 95% di metano. Tuttavia, un notevole accumulo di acidi grassi volatili (VFA) è stato osservato nel primo reattore (in-situ) dopo 8 giorni di iniezione continua di H2, raggiungendo una concentrazione di 5.6 gTVFA/L. Tuttavia, dopo un periodo di adattamento pari ad un tempo ritenzione idraulica (HRT), il sistema ha iniziato a riprendersi dallo stress e la concentrazione di VFA è scesa a 2.5 g/L. Nessun calo di pH è stato registrato durante il periodo caratterizzato da un aumento della concentrazione di VFA dovuto principalmente al consumo della CO2 endogena da parte della metanogenesi idrogenotrofica. Infatti, il bicarbonato contenuto nella fase liquida del reattore di biogas è stato accoppiato con l'H2 iniettato, e quindi il pH è stato mantenuto all'interno del range di metanogenesi ottimale (è leggermente aumentato da 8.3 a 8.5) nonostante l'elevato accumulo di VFA. L'effetto dell'iniezione di H2 sulla comunità microbica in entrambi i reattori è stato analizzato dal sequenziamento di 16S rRNA gene amplicon che ha rivelato un incremento dell'abbondanza relativa di metanigeni idrogenotrofici e omoacetogeni nei reattori in-situ, mentre la comunità microbica nel reattore ex-situ era più semplice dominata da metanigeni idrogenotrofici. Infine, sulla base dei risultati di precedenti esperimenti, con lo scopo di ottimizzare il processo ed i principali parametri operativi nel campo di applicazione del biogas da fanghi di depurazione è stato studiato per un periodo di oltre 7 mesi l'upgrading biologico in-situ in continuo con 2 CSTR paralleli (11L), alimentati con una miscela di fanghi di depurazione in condizioni mesofile (OLR di 1.5 gCOD L-1d-1). Le iniezioni di H2 sono state progressivamente aumentate da 0:5:5:1 a 7:1 (rapporto H2/CO2) con pH controllato a 7.4. Il contenuto massimo di metano dell'83% e un minimo del 5% di CO2 e del 91% dell'utilizzo di H2 sono stati raggiunti con un rapporto 7:1 H2/CO2. Un notevole accumulo di etanolo, durante la primissima fase in presenza di H2 (H2/CO2 di 0.5:1) si è verificato (fino a 2.5-3 gCOD L-1). Tuttavia, mantenendo l'alimentazione H2, l'etanolo è stato rapidamente esaurito, indicando così che il sistema è stato in grado di modificare per lavorare alle nuove condizioni operative. Si è registrata una rilevante riduzione dell'alcalinità dovuta all'esaurimento di CO2 nella fase liquida del 50% e del 17% in R1 e R2. Anche in questo lavoro, l'effetto dell'iniezione di H2 sulla comunità microbica in entrambi i reattori è stato analizzato dal sequenziamento e amplificazione del gene 16S rRNA. I risultati hanno rivelato una nuova forma della comunità microbica di base in grado di cooperare alla parallela degradazione del substrato organico e conversione di CO2 in extra metano. Più in dettaglio, i consorzi anaerobici hanno presentato una leggera variazione della comunità batterica in cui sono stati rilevati anche omoacetogeni, e ad una comunità di archaea composta per lo più da metanigeni idrogenotrofi e da una sola specie di metanigeni acetoclasti.