Acidogenic fermentation has been emerging in recent years as a process for carbon recovery from organic wastes and industrial side streams of different origins. The process consists in limiting the anaerobic degradation process to the first steps of hydrolysis, acidogenesis/acetogenesis aiming at the production of volatile fatty acids (VFA), which have numerous industrial applications, and which are normally produced from non-renewable raw materials. Indeed, the use of VFA as a substrate for subsequent biological processes of interest makes VFA biosynthesis particularly promising. This work is mainly focused on sewage sludge as feedstock for acidogenic fermentation. Indeed, sewage sludge constitutes an extremely significant flow produced from wastewater treatment, with a European production in 2020 of 9 Mt of dry matter, from which valuable resources are to be mined, in line with the need of progressively converting wastewater treatment plants (WWTP) into wastewater recovery facilities (WWRF), thus contributing to the circular economy. In addition, within this work, cheese whey, the main by-product of dairy processing, was also investigated as a significant waste flow of interest, given its highly degradable organic content and the relevance of cheese production industrial sector. During the development of this thesis, a full-scale fermenter located at the Sesto San Giovanni WWTP (northern Italy, operated by CAP Evolution), with a volume of 315 m³ was started and monitored during approximately 4 years. The operational conditions of the fermenter varied substantially over the monitoring time; the organic load of the reactor was 5 – 15 kg VS/(m³ d), the hydraulic residence time 3 – 8 d, and the internal temperature varied within 20 and 35 °C. Fermentation yield in the range of 0.15 – 0.25 g VFA-COD/g VS,in) and a concentration of VFA in the fermented sludge of 5 – 14 gVFA-COD/L were obtained. For a better understanding of the biological process, namely the influence of temperature and organic loading rate, lab-scale fermentation tests were also carried out. The fermentation process was modeled using Modelica modeling language starting from the IWA-ADM1 model, obtaining a calibrated fermentation model satisfactorily fitting the experimental data, namely total and single VFAs concentrations, soluble chemical oxygen demand, ammonium and pH in the fermented sludge. The influence of hydrothermal carbonization (HTC) as a pretreatment for the sewage sludge prior to fermentation was then evaluated at the laboratory scale. A pretreatment at a temperature of 170 °C (i.e. at the boundary between the temperature range of thermal and HTC processes) and with a residence time of 30 minutes was proven effective in promoting a stable fermentation process producing VFAs with an increased content in longer chain acids. Furthermore, the HTC process liquid showed an improved acidification yield (0.59 ± 0.05 g COD-VFA/g CODin) compared to the whole untreated sludge (0.28 ± 0.06 g COD-VFA/g CODin, with a volumetric productivity of 1.6 ± 0.5 g COD-VFA/(L d). Finally, biomethane potential tests (BMP) evidenced a high degradability of the hydrochar fraction. Overall, the HTC pretreatment was proven to enable improved conversion efficiencies in view of valorizing the liquid product for VFA synthesis and the hydrochar for biomethane production. In the second part of the thesis, valorization alternatives for the VFAs were investigated. Among the possible applications of VFA, their use as an external carbon source for denitrification and denitritation was first considered. By performing batch tests at laboratory scale, different VFAs and their mixtures were investigated for their capacity to support denitrification/denitritation kinetics of the activated sludge bacteria. The fermented liquor from the full-scale fermenter showed denitrification/denitritation kinetics that were on average better than the sole acetate (up to 134%). The effect of fermented liquor dosage on nitrogen removal performances in the activated sludge section was then computed by nitrogen mass balances. Furthermore, the fermentate has proven to be an effective substrate for denitritation, in the context of a via-nitrite process (SCENA) for nitrogen removal that was operated within the same full-scale WWTP for the treatment of supernatants from the anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid wastes. A known alternative for valorizing VFAs is the production of polyhydroxyalkanoates (PHAs), polyesters of biological origin of considerable interest for the synthesis of bio-based and biodegradable bioplastics. In this work, a halotolerant mixed microbial culture capable of synthesizing PHAs from VFAs produced by fermenting cheese whey was selected and tested at laboratory scale. A more efficient mixed microbial community (MMC) could be selected compared to previously reported experimentations in similar operating conditions (real fermented cheese whey and salinity of 30 gNaCl/L). Indeed, a maximum PHA content in the biomass of 62% (wt basis) and a specific productivity equal to 0.45 gPHA/(g biomass h) were obtained. Overall, the applicability of acidogenic fermentation for the production of VFAs from sewage sludge has been demonstrated at full-scale and over a long operational period. The biological process was investigated in more depth with the support of a fermentation model to be used for process optimization. The VFA produced proved to be effective for the biological removal of nitrogen and for the production of PHA, also considering different substrates such as cheese whey in challenging conditions (high salinity).

La fermentazione acidogenica è emersa recentemente come un processo promettente per il recupero del carbonio dai rifiuti organici e da sottoprodotti industriali di diversa origine. Il processo consiste nel limitare la digestione anaerobica ai primi stadi di idrolisi, acidogenesi/acetogenesi, con l'obiettivo di produrre acidi grassi volatili (VFA). I VFA hanno numerose applicazioni industriali e sono tradizionalmente prodotti da materie prime non rinnovabili. L'uso dei VFA come substrato per processi biologici successivi di interesse rende quindi particolarmente promettente la biosintesi dei VFA. Questo lavoro si concentra principalmente sui fanghi di depurazione come materia prima per la fermentazione acidogenica. Infatti, i fanghi di depurazione costituiscono un flusso estremamente significativo prodotto dal trattamento delle acque reflue, con una produzione europea di 9 milioni di tonnellate di sostanza secca nel 2020. In linea con la necessità di promuovere l'economia circolare per il riuso delle risorse, gli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP) stanno progressivamente evolvendo in impianti di recupero risorse delle acque reflue (WWRF). Inoltre, in questo lavoro è stata studiato anche il siero di latte, il principale sottoprodotto della lavorazione lattiero-casearia, come flusso di scarto significativo di interesse, dato il suo contenuto organico altamente degradabile e la rilevanza del settore industriale della produzione di prodotti caseari. Durante lo sviluppo di questa tesi, è stato avviato e monitorato un fermentatore a scala reale situato presso l’impianto di depurazione delle acque reflue di Sesto San Giovanni (nord Italia, gestito da CAP Evolution), con un volume di 315 m³ per circa 4 anni. Le condizioni operative del fermentatore sono variate sostanzialmente durante il monitoraggio: il carico organico del reattore è stato mantenuto nell'intervallo 5 – 15 kgVS/(m³ d), il tempo di residenza idraulico nel range 3 – 8 giorni, mentre la temperatura interna è variata tra 20 e 35 °C. È stata ottenuta una resa di fermentazione compresa tra 0,15 e 0,25 g VFA-COD/gVS,in e una concentrazione di VFA nel fango fermentato di 5 – 14 g VFA-COD/L. Per una migliore comprensione del processo biologico, in particolare per valutare l'influenza della temperatura e del carico organico, sono stati effettuati anche test di fermentazione a scala di laboratorio. Inoltre, il processo di fermentazione è stato modellato utilizzando il linguaggio di modellazione Modelica partendo dal modello IWA-ADM1, ottenendo un modello di fermentazione calibrato che si adatta in modo soddisfacente ai dati sperimentali, simulando accuratamente le concentrazioni di VFA singoli e totali, COD solubile, azoto ammoniacale e pH nel fango fermentato. È stata poi valutata, a scala di laboratorio, l'influenza della carbonizzazione idrotermale (HTC) come pretrattamento del fango prima della fermentazione. Un pretrattamento effettuato ad una temperatura di 170 °C e con un tempo di residenza di 30 minuti si è dimostrato efficace nel promuovere un processo di fermentazione stabile producendo VFA con un contenuto maggiore di acidi a catena più lunga. Inoltre, il liquido del processo HTC ha mostrato una migliore resa di acidificazione (0,59 ± 0,05 g COD-VFA/g CODin) rispetto al fango non trattato (0,28 ± 0,06 g COD-VFA/g CODin), con una produttività volumetrica di 1,6 ± 0,5 g COD-VFA/(L d). Infine, i test di potenziale di produzione di biometano (BMP) hanno evidenziato un’elevata degradabilità della frazione di hyrochar. Nel complesso, il pretrattamento HTC si è dimostrato in grado di migliorare l'efficienza di conversione in vista della valorizzazione del prodotto liquido per la sintesi di VFA e di hydrochar per la produzione di biometano. Nella seconda parte della tesi, sono state indagate alternative per la valorizzazione dei VFA. Tra le possibili applicazioni, è stato considerato innanzitutto il loro utilizzo come fonte di carbonio esterna per la denitrificazione e la denitritazione. Svolgendo test in batch a scala di laboratorio, è stato indagato il potenziale di denitrificazione dei diversi VFA e le loro miscele per la biomassa a fanghi attivi. Il liquido fermentato prodotto dal fermentatore a scala reale ha mostrato ratei specifici di denitrificazione/denitritazione mediamente migliori rispetto al solo acetato (fino al 134%). L’effetto del dosaggio del liquido fermentato sulle prestazioni di rimozione dell’azoto nella sezione di fanghi attivi è stato poi dimostrato alla piena scala tramite bilanci di massa dell’azoto. Inoltre, il fermentato si è dimostrato un efficace substrato per la denitritazione, nel contesto di un processo via-nitrito (SCENA) operato nello stesso depuratore per il trattamento dei surnatanti della digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani. Una promettente via di valorizzazione per i VFA ottenuti tramite fermentazione acidogenica è la produzione di poliidrossialcanoati (PHA), poliesteri di origine biologica di notevole interesse per la sintesi di plastiche biodegradabili. In questo lavoro, è stata selezionata e testata a scala di laboratorio una coltura microbica mista alotollerante in grado di sintetizzare PHA dai VFA prodotti dalla fermentazione del siero di latte. La comunità microbica ottenuta è risultata più efficiente rispetto a sperimentazioni precedenti in condizioni operative simili (siero di latte fermentato e salinità di 30 g NaCl/L). Infatti, è stato ottenuto un contenuto massimo di PHA nella biomassa del 62% (in peso) e una produttività specifica pari a 0,45 g PHA/(g biomassa h). Nel complesso, l'applicabilità della fermentazione acidogenica per la produzione di VFA dai fanghi di depurazione è stata dimostrata a piena scala per un lungo periodo di operatività impiantistica. Il processo biologico è stato inoltre indagato con il supporto di un modello di fermentazione sviluppato a partire dal modello IWA ADM1. I VFA prodotti a partire dalla fermentazione di scarto e sottoprodotti si sono dimostrati efficaci per la rimozione biologica dell'azoto e per la produzione di PHA, anche in particolari condizioni operative quali l'alta salinità.

Fermentation-based carbon valorization and nutrients removal from wastewater

GRANA, MATTEO
2024/2025

Abstract

Acidogenic fermentation has been emerging in recent years as a process for carbon recovery from organic wastes and industrial side streams of different origins. The process consists in limiting the anaerobic degradation process to the first steps of hydrolysis, acidogenesis/acetogenesis aiming at the production of volatile fatty acids (VFA), which have numerous industrial applications, and which are normally produced from non-renewable raw materials. Indeed, the use of VFA as a substrate for subsequent biological processes of interest makes VFA biosynthesis particularly promising. This work is mainly focused on sewage sludge as feedstock for acidogenic fermentation. Indeed, sewage sludge constitutes an extremely significant flow produced from wastewater treatment, with a European production in 2020 of 9 Mt of dry matter, from which valuable resources are to be mined, in line with the need of progressively converting wastewater treatment plants (WWTP) into wastewater recovery facilities (WWRF), thus contributing to the circular economy. In addition, within this work, cheese whey, the main by-product of dairy processing, was also investigated as a significant waste flow of interest, given its highly degradable organic content and the relevance of cheese production industrial sector. During the development of this thesis, a full-scale fermenter located at the Sesto San Giovanni WWTP (northern Italy, operated by CAP Evolution), with a volume of 315 m³ was started and monitored during approximately 4 years. The operational conditions of the fermenter varied substantially over the monitoring time; the organic load of the reactor was 5 – 15 kg VS/(m³ d), the hydraulic residence time 3 – 8 d, and the internal temperature varied within 20 and 35 °C. Fermentation yield in the range of 0.15 – 0.25 g VFA-COD/g VS,in) and a concentration of VFA in the fermented sludge of 5 – 14 gVFA-COD/L were obtained. For a better understanding of the biological process, namely the influence of temperature and organic loading rate, lab-scale fermentation tests were also carried out. The fermentation process was modeled using Modelica modeling language starting from the IWA-ADM1 model, obtaining a calibrated fermentation model satisfactorily fitting the experimental data, namely total and single VFAs concentrations, soluble chemical oxygen demand, ammonium and pH in the fermented sludge. The influence of hydrothermal carbonization (HTC) as a pretreatment for the sewage sludge prior to fermentation was then evaluated at the laboratory scale. A pretreatment at a temperature of 170 °C (i.e. at the boundary between the temperature range of thermal and HTC processes) and with a residence time of 30 minutes was proven effective in promoting a stable fermentation process producing VFAs with an increased content in longer chain acids. Furthermore, the HTC process liquid showed an improved acidification yield (0.59 ± 0.05 g COD-VFA/g CODin) compared to the whole untreated sludge (0.28 ± 0.06 g COD-VFA/g CODin, with a volumetric productivity of 1.6 ± 0.5 g COD-VFA/(L d). Finally, biomethane potential tests (BMP) evidenced a high degradability of the hydrochar fraction. Overall, the HTC pretreatment was proven to enable improved conversion efficiencies in view of valorizing the liquid product for VFA synthesis and the hydrochar for biomethane production. In the second part of the thesis, valorization alternatives for the VFAs were investigated. Among the possible applications of VFA, their use as an external carbon source for denitrification and denitritation was first considered. By performing batch tests at laboratory scale, different VFAs and their mixtures were investigated for their capacity to support denitrification/denitritation kinetics of the activated sludge bacteria. The fermented liquor from the full-scale fermenter showed denitrification/denitritation kinetics that were on average better than the sole acetate (up to 134%). The effect of fermented liquor dosage on nitrogen removal performances in the activated sludge section was then computed by nitrogen mass balances. Furthermore, the fermentate has proven to be an effective substrate for denitritation, in the context of a via-nitrite process (SCENA) for nitrogen removal that was operated within the same full-scale WWTP for the treatment of supernatants from the anaerobic digestion of the organic fraction of municipal solid wastes. A known alternative for valorizing VFAs is the production of polyhydroxyalkanoates (PHAs), polyesters of biological origin of considerable interest for the synthesis of bio-based and biodegradable bioplastics. In this work, a halotolerant mixed microbial culture capable of synthesizing PHAs from VFAs produced by fermenting cheese whey was selected and tested at laboratory scale. A more efficient mixed microbial community (MMC) could be selected compared to previously reported experimentations in similar operating conditions (real fermented cheese whey and salinity of 30 gNaCl/L). Indeed, a maximum PHA content in the biomass of 62% (wt basis) and a specific productivity equal to 0.45 gPHA/(g biomass h) were obtained. Overall, the applicability of acidogenic fermentation for the production of VFAs from sewage sludge has been demonstrated at full-scale and over a long operational period. The biological process was investigated in more depth with the support of a fermentation model to be used for process optimization. The VFA produced proved to be effective for the biological removal of nitrogen and for the production of PHA, also considering different substrates such as cheese whey in challenging conditions (high salinity).
RIVA, MONICA
CANZIANI, ROBERTO
CATENACCI, ARIANNA
FRISON, NICOLA
TUROLLA, ANDREA
20-nov-2024
Fermentation-based carbon valorization and nutrients removal from wastewater
La fermentazione acidogenica è emersa recentemente come un processo promettente per il recupero del carbonio dai rifiuti organici e da sottoprodotti industriali di diversa origine. Il processo consiste nel limitare la digestione anaerobica ai primi stadi di idrolisi, acidogenesi/acetogenesi, con l'obiettivo di produrre acidi grassi volatili (VFA). I VFA hanno numerose applicazioni industriali e sono tradizionalmente prodotti da materie prime non rinnovabili. L'uso dei VFA come substrato per processi biologici successivi di interesse rende quindi particolarmente promettente la biosintesi dei VFA. Questo lavoro si concentra principalmente sui fanghi di depurazione come materia prima per la fermentazione acidogenica. Infatti, i fanghi di depurazione costituiscono un flusso estremamente significativo prodotto dal trattamento delle acque reflue, con una produzione europea di 9 milioni di tonnellate di sostanza secca nel 2020. In linea con la necessità di promuovere l'economia circolare per il riuso delle risorse, gli impianti di trattamento delle acque reflue (WWTP) stanno progressivamente evolvendo in impianti di recupero risorse delle acque reflue (WWRF). Inoltre, in questo lavoro è stata studiato anche il siero di latte, il principale sottoprodotto della lavorazione lattiero-casearia, come flusso di scarto significativo di interesse, dato il suo contenuto organico altamente degradabile e la rilevanza del settore industriale della produzione di prodotti caseari. Durante lo sviluppo di questa tesi, è stato avviato e monitorato un fermentatore a scala reale situato presso l’impianto di depurazione delle acque reflue di Sesto San Giovanni (nord Italia, gestito da CAP Evolution), con un volume di 315 m³ per circa 4 anni. Le condizioni operative del fermentatore sono variate sostanzialmente durante il monitoraggio: il carico organico del reattore è stato mantenuto nell'intervallo 5 – 15 kgVS/(m³ d), il tempo di residenza idraulico nel range 3 – 8 giorni, mentre la temperatura interna è variata tra 20 e 35 °C. È stata ottenuta una resa di fermentazione compresa tra 0,15 e 0,25 g VFA-COD/gVS,in e una concentrazione di VFA nel fango fermentato di 5 – 14 g VFA-COD/L. Per una migliore comprensione del processo biologico, in particolare per valutare l'influenza della temperatura e del carico organico, sono stati effettuati anche test di fermentazione a scala di laboratorio. Inoltre, il processo di fermentazione è stato modellato utilizzando il linguaggio di modellazione Modelica partendo dal modello IWA-ADM1, ottenendo un modello di fermentazione calibrato che si adatta in modo soddisfacente ai dati sperimentali, simulando accuratamente le concentrazioni di VFA singoli e totali, COD solubile, azoto ammoniacale e pH nel fango fermentato. È stata poi valutata, a scala di laboratorio, l'influenza della carbonizzazione idrotermale (HTC) come pretrattamento del fango prima della fermentazione. Un pretrattamento effettuato ad una temperatura di 170 °C e con un tempo di residenza di 30 minuti si è dimostrato efficace nel promuovere un processo di fermentazione stabile producendo VFA con un contenuto maggiore di acidi a catena più lunga. Inoltre, il liquido del processo HTC ha mostrato una migliore resa di acidificazione (0,59 ± 0,05 g COD-VFA/g CODin) rispetto al fango non trattato (0,28 ± 0,06 g COD-VFA/g CODin), con una produttività volumetrica di 1,6 ± 0,5 g COD-VFA/(L d). Infine, i test di potenziale di produzione di biometano (BMP) hanno evidenziato un’elevata degradabilità della frazione di hyrochar. Nel complesso, il pretrattamento HTC si è dimostrato in grado di migliorare l'efficienza di conversione in vista della valorizzazione del prodotto liquido per la sintesi di VFA e di hydrochar per la produzione di biometano. Nella seconda parte della tesi, sono state indagate alternative per la valorizzazione dei VFA. Tra le possibili applicazioni, è stato considerato innanzitutto il loro utilizzo come fonte di carbonio esterna per la denitrificazione e la denitritazione. Svolgendo test in batch a scala di laboratorio, è stato indagato il potenziale di denitrificazione dei diversi VFA e le loro miscele per la biomassa a fanghi attivi. Il liquido fermentato prodotto dal fermentatore a scala reale ha mostrato ratei specifici di denitrificazione/denitritazione mediamente migliori rispetto al solo acetato (fino al 134%). L’effetto del dosaggio del liquido fermentato sulle prestazioni di rimozione dell’azoto nella sezione di fanghi attivi è stato poi dimostrato alla piena scala tramite bilanci di massa dell’azoto. Inoltre, il fermentato si è dimostrato un efficace substrato per la denitritazione, nel contesto di un processo via-nitrito (SCENA) operato nello stesso depuratore per il trattamento dei surnatanti della digestione anaerobica della frazione organica dei rifiuti solidi urbani. Una promettente via di valorizzazione per i VFA ottenuti tramite fermentazione acidogenica è la produzione di poliidrossialcanoati (PHA), poliesteri di origine biologica di notevole interesse per la sintesi di plastiche biodegradabili. In questo lavoro, è stata selezionata e testata a scala di laboratorio una coltura microbica mista alotollerante in grado di sintetizzare PHA dai VFA prodotti dalla fermentazione del siero di latte. La comunità microbica ottenuta è risultata più efficiente rispetto a sperimentazioni precedenti in condizioni operative simili (siero di latte fermentato e salinità di 30 g NaCl/L). Infatti, è stato ottenuto un contenuto massimo di PHA nella biomassa del 62% (in peso) e una produttività specifica pari a 0,45 g PHA/(g biomassa h). Nel complesso, l'applicabilità della fermentazione acidogenica per la produzione di VFA dai fanghi di depurazione è stata dimostrata a piena scala per un lungo periodo di operatività impiantistica. Il processo biologico è stato inoltre indagato con il supporto di un modello di fermentazione sviluppato a partire dal modello IWA ADM1. I VFA prodotti a partire dalla fermentazione di scarto e sottoprodotti si sono dimostrati efficaci per la rimozione biologica dell'azoto e per la produzione di PHA, anche in particolari condizioni operative quali l'alta salinità.
File allegati
File Dimensione Formato  
PhD thesis Grana_rev.pdf

solo utenti autorizzati a partire dal 11/11/2025

Descrizione: PhD thesis Grana
Dimensione 5.74 MB
Formato Adobe PDF
5.74 MB Adobe PDF   Visualizza/Apri

I documenti in POLITesi sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.

Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/229955