Comparison of mesophilic, thermophilic and temperature phased anaerobic digestion of waste activated sludge

This study reports the findings of a lab-scale trial aimed at comparing mesophilic, thermophilic, and Temperature Phased Anaerobic Digestion (TPAD). The feedstock employed was thickened waste activated sludge (TWAS), and the systems operated at a hydraulic retention time of 13.5 d. Specifically, the acidogenic first step of TPAD was run under thermophilic regimes with 2 days retention time and followed by a mesophilic, methanogenic stage with 11.5 days of retention time. The volatile solids removal of the staged system was 34.7 ± 4.0 %, higher than 31.1 ± 4.1 %, and 30.1 ± 3.5 % of mesophilic and thermophilic, respectively. TPAD specific methane yield was 172 ln, CH4 per kilogram of volatile solids fed, which was higher than the 120 ln, CH4 /kgvs, fed shown by thermophilic even though it was only slightly better than the 166 ln, CH4 /kgvs, fed exhibited by mesophilic. The methane yied outcomes were supported by the COD balance which provided similar results. Indeed, TPAD achieved an average methane efficiency of 32.5 %, higher that the 31.7 %, and 23.9 % of the mesophilic and thermophilic single-stage systems, respectively. Besides, TPAD achieved a pathogen deactivation as high as thermophilic while exhibiting strong process stability comparable to the single-stage mesophilic reactor. The latter was established by the low volatile fatty acid concentrations and the consistently high acetic acid /propionic acid ratio. When it comes to dewaterability potential and supernatant liquor quality, TPAD stood in the middle between the single-stage systems, partially overcoming the drawbacks of mesophilic and thermophilic processes, respectively. Therefore, while high free ammonia concentrations and daily feeding of cold sludge hindered thermophilic anaerobic digestion, single-stage mesophilic and temperature phased anaerobic digestion showed an efficient and reliable behaviour. Yet, the latter was also able to tackle relevant shortcomings of mesophilic digestion, displaying enhanced performance in terms of dewaterability and pathogen removal.

Il presente studio riporta i risultati di una sperimentazione su scala di laboratorio finalizzata a confrontare i sistemi di digestione anerobica monostadio, in condizioni mesofile e termofile, con l’innovativa configurazione a fasi di temperatura. Ai reattori, alimentati con fanghi attivi di supero ispessiti, è stato garantito il medesimo tempo di residenza idraulica, pari a 13,5 giorni. Nello specifico, il primo stadio del sistema a fasi di temperatura è stato condotto in condizioni termofile con un tempo di residenza di due giorni. La fase successiva invece è stata progettata in maniera tale da operare in condizioni mesofile e con un tempo di residenza di 11,5 giorni. Il sistema a fasi di temperatura ha riportato ottime prestazioni in termini di stabilizzazione della sostanza organica, mostrando una riduzione dei solidi volatili pari al 34.7 ± 4,0 %, superiore al 31,1 ± 4,1 % esibito dal sistema monostadio mesofilo e al 30,1 ± 3,5 % esibito dal reattore termofilo. Anche relativamente alla produzione di metano, la nuova configurazione ha garantito risultati positivi rispetto ai processi monostadio con un rendimento pari a 172 ln, CH4 /kg SV, alimentati, superiore ai 120 ln, CH4 /kg SV, alimentati e ai 166 ln, CH4 /kg SV, alimentati rispettivamente garantiti dal sistema termofilo e mesofilo. Tale comportamento in termini di produzione di metano è stato confermato dal bilancio del COD. Il sistema a fasi di temperatura ha infatti riportato un’efficienza di conversione pari al 32,5 %, superiore al 31,7 % del mesofile e al 23,9 % mostrato dal reattore termofilo. Inoltre, il sistema a fasi separate ha mostrato un’igienizzazione dei fanghi paragonabile al processo termofilo garantendo allo stesso tempo la stabilità del processo tipica delle configurazioni mesofile. In particolare, quest’ultima caratteristica è stata definita osservando le basse concentrazioni di acidi grassi volatili che, dopo essere prodotti in grande quantità nella fase termofila, sono efficacemente degradati nel secondo stadio. A conferma di ciò anche il rapporto tra le concentrazioni di acido acetico e acido propionico è risultato elevato dimostrando l’assenza di accumuli di prodotti intermedi e dunque la prosperità delle reazioni sintrofiche. Pertanto, mentre le elevate concentrazioni di ammoniaca e l’alimentazione quotidiana di fanghi freddi hanno ostacolato le prestazioni del reattore termofilo, il sistema mesofilo e quello a fasi di temperatura hanno evidenziato un comportamento efficiente e affidabile. Inoltre, il processo a fasi di temperatura è stato anche in grado di superare alcune rilevanti limitazioni della digestione mesofila, quali la disidratabilità e l’igienizzazione garantendo, allo stesso tempo, maggiori produzioni di metano.