Thesis:

Influence of micronutrients concentration on sludge anaerobic digestion

The management of secondary sludge is complicated point by being a costly matter in wastewater treatment plants. Before their final disposal, normally it is treated inside anaerobic reactors to reduce the total amount of biosolids and therefore their management cost. Any improvement of this process with low cost strategies is an important research item to reduce the energy demand and the cost balances in these plants. In the first part of this master thesis the thermoelectric fly ash was used as a source of micronutrients for anaerobic microorganisms. It was found that it was possible to triplicate the methane generation rate in thermal pre-treated (120 ºC) sludge with ash supply; while in case of no addition, the methane generation rate was 1.4 ml/d while with 150 mg of ash per liter this generation changes to 4.48 ml/l. Also the hydrolytic matter degradation kinetic was obtained in both cases using batch reactors; for the case of no addition the first order kinetic parameter was 0.019±0.002d-1, when ashes were added this value was 0.046±0.000 d-1. Therefore, the addition of these compounds is able to improve the methane generation and hydrolytic kinetics together. In the second part of this master thesis how to reduce de sampling time of this assays was studied by combination of advanced statistical methods with the background experiment reported in this assays. These experimental tests are the analytical key techniques to assess the implementation and optimization of anaerobic biotechnologies. This chapter develops a mathematical strategy using sensitivity functions for early prediction of first-order methane generation model parameters. The minimum testing time for early parameter estimation showed a potential correlation with the substrate degradation kinetic constant rate: (i) slowly biodegradable substrates (k ≤ 0.1 d-1) with minimum testing times of at least 15 days, (ii) moderately biodegradable substrates (0.1 < k < 0.2 d-1) with minimum testing times between 8 and 15 days, and (iii) rapidly biodegradable substrates (k ≥ 0.2 d-1) with testing times lower than 7 days.

El manejo de lodos secundarios es un punto complicado por ser un asunto costoso en las plantas de tratamiento de aguas residuales. Antes de su disposición final, normalmente se tratan dentro de reactores anaerobios para reducir la cantidad total de biosólidos y por lo tanto su costo de manejo. Cualquier mejora de este proceso con estrategias de bajo costo es un elemento de investigación importante para reducir la demanda de energía y los balances de costos en estas plantas. En la primera parte de esta tesis de maestría se utilizaron cenizas volantes termoeléctricas como fuente de micronutrientes para microorganismos anaerobios. Se encontró que era posible triplicar la tasa de generación de metano en lodos pretratados térmicamente (120 ºC) con suministro de cenizas; mientras que en caso de no adición, la tasa de generación de metano fue de 1,4 ml/d mientras que con 150 mg de ceniza por litro esta generación cambia a 4,48 ml/l. También se obtuvo la cinética de degradación de la materia hidrolítica en ambos casos utilizando reactores discontinuos; Para el caso de no adición, el parámetro cinético de primer orden fue de 0,019 ± 0,002 d-1, cuando se añadieron cenizas, este valor fue de 0,046 ± 0,000 d-1. Por lo tanto, la adición de estos compuestos puede mejorar la generación de metano y la cinética hidrolítica en conjunto. En la segunda parte de esta tesis de maestría, se estudió cómo reducir el tiempo de muestreo de estos ensayos mediante la combinación de métodos estadísticos avanzados con el experimento de fondo reportado en estos ensayos. Estas pruebas experimentales son las técnicas analíticas clave para evaluar la implementación y optimización de las biotecnologías anaeróbicas. Este capítulo desarrolla una estrategia matemática utilizando funciones de sensibilidad para la predicción temprana de los parámetros del modelo de generación de metano de primer orden. El tiempo mínimo de prueba para la estimación temprana de parámetros mostró una correlación potencial con la tasa constante cinética de degradación del sustrato: (i) sustratos lentamente biodegradables (k ≤ 0,1 d-1) con tiempos mínimos de prueba de al menos 15 días, (ii) sustratos moderadamente biodegradables (0,1 < k < 0,2 d-1) con tiempos mínimos de prueba entre 8 y 15 días, y (iii) sustratos rápidamente biodegradables (k ≥ 0,2 d-1) con tiempos de prueba inferiores a 7 días.