Microbial conversion of organic residues into acid rich process liquids and their use in bio-electrochemical systems

Abstract

In 2016, 2.01 billion tonnes of solid waste were generated worldwide. The volume of waste is expected to grow to 3.40 billion tonnes by 2050. Worldwide, most solid waste is disposed of in landfills or dumps. Due to improper treatment and disposal of solid waste, nearly 1.6 billion tonnes of CO2 equivalents of greenhouse gas emissions were generated worldwide in 2016. This amount is expected to rise to 2.6 billion tonnes of CO2 equivalents per year by 2050. It will therefore become increasingly important in the future not only to treat waste sustainably, but also to use it as an alternative to fossil fuels. Different waste-to-energy concepts are used, particularly for the treatment of OFMSW. As an alternative to the previously dominant biogas production, intensive research is currently being carried out into technologies for the recycling of organic residual materials, including so-called bio-electric systems (BES). In contrast to biogas production, this technology enables the treatment of a wide range of wastes to produce different end products, e.g. electrical energy, hydrogen or methane, can be preferred in BES depending on the selected process parameters. Despite numerous advances in research, considerable additional optimization is still required in order to be able to use the systems in large-scale power generation. In order to use solid organic waste in BES systems, fermentative digestion is required to convert the organic components into dissolved short-chain organic acids (Volatile Fatty Acids (VFA)) and alcohols. In the course of the investigations, the solid waste residues were first digested to acid-rich hydrolysate in a hydrolysis reactor at pH-values of 5.5 and 6.0. However, this hydrolysate also contains particles that are inert to a subsequent degradation step leading to technical process disturbances. These inert particles can be removed by means of a membrane filtration step; a particle-free permeate is produced, which can be fed to the BES reactors. Within the scope of the present work, the basics of the utilization of OFMSW via microbial digestion, membrane filtration and utilization in BES should be investigated. Lab-scale BES reactors were developed and batch tests were carried out. The vegetable waste residues from hydrolysis could be efficiently converted into hydrolysate. At a pH value of 6.0, higher organic acid concentrations were achieved than at pH 5.5. At pH 6.0, based on the added organic dry matter, these were approx. 350 g kg-1 (oDMadded) and at pH 5.5 approx. 215 g kg-1 oDMadded. Likewise, the concentration of chemical oxygen demand (COD) of the hydrolysate at pH 6.0 was 21.85 % higher than at pH 5.5. However, the COD degradation rates in the AF used were insufficient because the inert particles present in the hydrolysate could not be completely microbially degraded. The subsequent integration of ceramic cross-flow membrane filtration into the two-stage system produced a particle-free permeate and significantly the increased microbial degradability. Clear differences could be shown depending on the substrate used (plant waste and grass/maize silage). The filtration step resulted in a significant improvement of the specific methane yield of permeate by 40% (vegetable waste) and 24.5% (grass/maize silage) compared to hydrolysate; proof that inert particles were separated efficiently. Finally, the process liquids hydrolysate and permeate produced by the hydrolysis of maize silage and the subsequent membrane filtration were fed to the anode chamber of two mixed-culture BES reactors. The investigations showed that all organic acids in both process liquids could be completely degraded in the BES. The highest COD (87%) and TOC degradation rates (88%) were achieved with permeate. However, the hydrolysate with added acetic acid yielded the highest current density of 470 µA/cm². Increasing the pH-value of the process liquids from 5.75 to 6.8 also significantly improved the current production and degradation rates. In this batch studies, relatively low Coulomb efficiencies of less than 10% were achieved due to the use of a mixed cultures. The promising results show that at high pH-values (pH 6.0) in hydrolysis organic residues can be efficiently converted into a hydrolysate with high concentrations of organic acids and that the system can be further optimized by coupling membrane filtration. The utilization of the permeate in BES enables, a sustainable production of bioenergy and platform chemicals with permeate enables, depending on the BES reactor configuration. In summary, it was described for the first time that the combination of the fermentative biomass degradation process with filtration via ceramic membranes and the use of permeate in BES systems is possible.

Im Jahr 2016 fielen weltweit 2,01 Milliarden Tonnen an festen Abfällen an. Es wird erwartet, dass das Abfallaufkommen bis 2050 auf 3,40 Milliarden Tonnen anwächst. Weltweit werden die festen Abfälle überwiegend über Deponien oder Müllhalden entsorgt. Aufgrund unsachgemäßer Behandlung und Entsorgung wurden weltweit in 2016 nahezu 1,6 Milliarden Tonnen CO2-Äquivalente an Treibhausgasemissionen verursacht, mit weiter steigender Tendenz. Die nachhaltige Verwertung der Abfälle und deren Nutzung zur Energiegewinnung wird in Zukunft weiter an Bedeutung gewinnen. Insbesondere zur Behandlung der organischen Bestandteile des Hausmülls (Organic Fraction of Municipal Solid Waste (OFMSW)) kommen unterschiedliche Waste-to-Energy-Konzepte zum Einsatz. Alternativ zur bisher dominierenden Biogasgewinnung wird derzeit intensiv an neuen Technologien geforscht, u.a. an sogenannten bio-elektrischen Systemen (BES). In BES interagieren exo-elektrogene Mikroorganismen, die als Biofilm auf Elektroden aufwachsen, mit diesen und ermöglichen die Konversion gelöster organischer Verbindungen zu unterschiedlichen Endprodukten, z.B. elektrische Energie, Wasserstoff oder Methan. Trotz zahlreicher Fortschritte in der Forschung besteht noch erheblicher zusätzlicher Optimierungsbedarf, um die Systeme im technischen Maßstab einsetzen zu können. Um feste organische Abfälle in BES-Systemen einsetzten zu können, bedarf es zunächst eines fermentativen Aufschlusses zur Überführung der organischen Bestandteile in gelöste kurzkettige organische Säuren (VFA) und Alkohole. Dieses Hydrolysat enthält jedoch auch Partikel, die gegen einen nachfolgenden Abbauschritt inert sind und zu technischen Prozessstörungen führen können. Diese inerten Partikel können mithilfe eines Membranfiltrationsschritts entfernt werden; es entsteht ein partikelfreies Permeat, welches den BES-Reaktoren zugeführt werden kann. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit sollten die Grundlagen der Verwertung von OFMSW über mikrobiellen Aufschluss, Membranfiltration und Verwertung in BES untersucht werden. Dazu wurden BES-Reaktoren im Labormaßstab entwickelt und Batch-Tests durchgeführt. Die pflanzlichen Reststoffe konnten fermentativ effizient in Hydrolysat überführt werden. Bei einem pH-Wert von 6,0 wurde höhere organischen Säurekonzentrationen und -erträge erreicht als bei pH 5,5. Die gebildete Gesamtmasse der kurzkettigen organischen Säuren betrugen bei pH 6,0, bezogen auf die zugeführte organische Trockenmasse, ca. 350 g kg-1 (oDMadded) und bei pH 5,5 ca. 215 g kg-1 oDMadded. Ebenso war die Konzentration an Chemischem Sauerstoffbedarfs (CSB) des Hydrolysats bei pH 6,0 um 21,85 % höher als bei pH 5,5. Die CSB-Abbauraten im genutzten Festbettreaktor waren jedoch unzureichend, da die im Hydolysat enthaltenen inerten Partikel nicht vollständig mikrobiell abgebaut werden konnten. Durch die anschließende Integration einer keramischen Cross-Flow- Membranfiltration in das zweistufige System konnte ein partikelfreies Permeat erzeugt werden und die mikrobielle Abbaubarkeit erheblich gesteigert werden. Dabei konnten deutliche Unterschiede in Abhängigkeit des eingesetzten Substrats (Pflanzenabfälle und Gras-/Maissilage) aufgezeigt werden. Durch den Filtrationsschritt konnte eine signifikante Verbesserung der spezifischen Methanausbeute von Permeat um 40% (pflanzliche Abfälle) und 24,5% (Gras-/Maissilage) im Vergleich zu Hydrolysat erreicht werden; ein Beleg dafür, dass inerte Partikel effizient abgetrennt wurden. Schließlich wurden die aus Maissilage erzeugte Prozessflüssigkeit Hydrolysat und dass durch die Membranfiltration gewonnene Permeat der Anodenkammer zweier BES-Reaktoren, die mit einer Mischkultur angeimpft waren, zugeführt. Die Untersuchungen zeigten, dass alle organischen Säuren in beiden Prozessflüssigkeiten im BES vollständig abgebaut werden können. Die höchsten CSB- (87%) und TOC-Abbauraten (88%) wurden mit Permeat erreicht. Das Hydrolysat mit zugesetzter Essigsäure ergab hingegen die höchste Stromdichte von 470 µA/cm². Die Erhöhung des pH-Wertes der Prozessflüssigkeiten von 5,75 auf 6,8 verbesserte auch die Produktions- und Abbauraten deutlich. In diesen Batchstudien wurden aufgrund der Verwendung von Mischkulturen relativ niedrige Coulomb-Wirkungsgrade von weniger als 10% erreicht. Die vielversprechenden Ergebnisse zeigen, dass bei hohen pH-Werten von 6,0 in der Hydrolyse organische Reststoffe effizient in ein Hydrolysat mit hohen Konzentrationen an organischen Säuren überführt werden können und mit der Kopplung einer Membranfiltration das System weiter optimiert werden kann. Die Verwertung des Permeats in BES ermöglicht, je nach Konfiguration der Reaktoren, eine nachhaltige Erzeugung von Bioenergie- und Plattformchemikalien. Zusammenfassend wurde erstmalig beschrieben, dass die Kombination des fermentativen Biomasse-Abbauprozesses mit der Filtration über keramische Membranen und Nutzung des Permeats in BES-Systemen möglich ist.