Organic Waste Pyrolysis and Its Integration with Anaerobic Digestion: Emissions, Pollutants, and Methane Production

Abstract

With population growth, urbanization and economic development comes an increasing amount of organic waste globally. Common waste disposal methods such as incineration and landfilling causes greenhouse gas emissions and can contribute to local air and water body pollution. Land application of sewage sludge faces increasingly stricter regulation, for example in the EU, due to concerns of emerging and persistent organic pollutants. Pyrolysis shows promise as a waste treatment method to reduce greenhouse gas emission through biochar carbon capture and to reduce pollutants in the biochar compared to the feedstock. Pyrolysis of biosolids from anaerobic digestion of sewage sludge yields sewage sludge biochar with low concentration of pollutants while retaining many of the inorganic nutrients from the feedstock, such as phosphorous and potassium.

This thesis explores the potential consequences of an anaerobic digestion (AD) and pyrolysis (Py) integration, focusing on the AD-Py-AD integration using an industrial sewage sludge AD plant as a case. The primary objective was to understand the implications of the pyrolysis products condensate and gas on biogas production and to investigate the fate and consequences of organic pollutants during this process.

Pyrolysis with condensation shows promise as a treatment for diverse organic wastes, including digested sewage sludge. Emissions of CO, CH4, Total Suspended Particulates and persistent organic pollutants (POPs) were found to be low, and lower than expected from incineration without pollution control. However, NOX and SO2 emissions from sludge feedstocks surpassed the EU emission limit values for waste incineration in this study, and will need optimized combustion systems and pollution control in an industrial case.

The mass yield of condensate from pyrolysis at 600°C of digested sewage sludge (DSS-1-600) corresponded to an organic loading rate of 0.4 g COD L-1 d-1, if all biosolids from the AD process was pyrolyzed and condensate recycled back to the initial AD process. This organic loading rate led to inhibition of the AD process when co-digesting with thermally hydrolyzed sludge fed at 6-8 g COD L-1 d-1. An initial simulation using anaerobic digestion model no 1 (ADM1) prior to laboratory experiments indicated inhibition on the system from free ammonia, however the laboratory experiments experienced additional inhibition from the pyrolysis condensate at 0.4 g COD L-1 d-1, even when free ammonia concentrations were low. The ADM1 simulation indicated that the pyrolysis gas could increase total methane production in the system.

Even though pyrolysis was effective in reducing the content of POPs like PCB-7 and PCDD/F-17 from the feedstocks, the majority of these condensed into the pyrolysis condensate. Because PAHs were produced during pyrolysis, the concentrations of these were so high in the condensates that they could be considered hazardous waste. This poses significant challenges for an Py-AD process and warrants careful consideration and monitoring when anaerobically digesting pyrolysis condensate. The potential release of these pollutants into water bodies or unprepared wastewater treatment plants could become an additional environmental concern.

In conclusion, while pyrolysis combined with anaerobic digestion offers a promising avenue for sewage sludge treatment, it is not without challenges. Pyrolysis effectively reduces the volume and mass of organic wastes and minimizes the content of certain pollutants. However, the accumulation of POPs in pyrolysis condensates poses significant challenges. As the research suggests, future endeavors should focus on improving the sustainability and efficiency of the AD-py integration. There is a need to optimize the conversion efficiency of pyrolysis condensate and to address the regulatory and environmental challenges associated with the release of POPs. The findings of this thesis lay a solid foundation, and with continued research and innovation, this work will pave the way for more sustainable and efficient organic waste treatment solutions in the future.

Med vekst i folkesetnad, urbanisering og økonomisk utvikling vert det aukande mengder organisk avfall globalt. Vanlege metodar for avfallshandsaming som forbrenning og deponering fører til utslepp av klimagassar og kan bidra til lokal ureining av luft og vassdrag. Bruk av kloakkslam som gjødsel på jordbruksland møter stadig strengare regulering, til dømes i EU, grunna uro knytt til nye og persistente organiske miljøgifter (POP-ar). Pyrolyse syner lovande resultat som metode for handsaming av organisk avfall. Metoden kan redusere klimagassutslepp gjennom biokolkarbonfangst (BCR) og redusere ureiningsnivået i biokolet samanlikna med råstoffet. Pyrolyse av biorest frå anaerob utråtning av kloakkslam gjev kloakkslam-biokol med låg konsentrasjon av POP-ar, samtidig som mange av dei uorganiske næringsstoffa frå råstoffet, som fosfor og kalium, blir bevarte.

Denne avhandlinga utforskar moglege konsekvensar av ein integrasjon mellom anaerob utråtning (AD) og pyrolyse (Py), med fokus på AD-Py-AD-integrasjon gjennom eit industrielt kloakkslam-AD-anlegg som døme. Hovudmålet var å forstå konsekvensane av pyrolyseprodukta kondensat og gass for biogassproduksjon og å undersøkje kva som skjer med organiske ureiningsstoff under denne prosessen.

Pyrolyse med kondensering viser lovande resultat for å handsame ymse organisk avfall, inkludert utråtna kloakkslam. Utslepp av CO, CH4, svevestøv og POP-ar var låge, og lågare enn forventa frå forbrenning utan kontrollsystem for å hindre utslepp til luft. Imidlertid oversteig utslepp av NOX og SO2 frå slamråstoff EU sine utsleppsgrenser for avfallsforbrenning i denne studien, som indikerer at industrielle tilfelle treng optimerte forbrenningssystem og nokre kontrollsystem for å hindre utslepp til luft.

Masseutbyttet av kondensat frå pyrolyse ved 600°C av utråtna kloakkslam (DSS-1-600) korresponderte til ei organisk belastning på 0,4 g kjemisk oksygenforbruk (KOF) L-1 d-1, dersom all biorest frå AD-prosessen vart pyrolysert og kondensat gjenbrukt i den første AD-prosessen. Denne organiske belastninga førte til inhibering av AD-prosessen ved utråtning saman med termisk hydrolysert slam tilført ved 6-8 g KOF L-1 d-1. Simulering med anaerob utråtningsmodell 1 (ADM1) før laboratorieforsøk indikerte inhibering frå fri ammoniakkgass. Imidlertid opplevde laboratorieforsøka ytterlegare inhibering frå pyrolysekondensatet ved 0,4 g COD L-1 d-1, sjølv når konsentrasjonane av fri ammoniakk var låge. ADM1-simuleringa indikerte at pyrolysegassen kunne auke den totale metanproduksjonen i systemet.

Medan pyrolyse var effektivt for å redusere innhaldet av POP-ar som PCB-7 og PCDD/F-17 frå råstoffa, kondenserte dei fleste av desse i pyrolysekondensatet. Sidan PAH-ar vart produserte under pyrolyse, var konsentrasjonane av desse så høge i kondensata at dei vart vurderte som farleg avfall. Dette utfordrar ein Py-AD-prosess og krev nøye vurdering og oppfylgjing ved anaerob utråtning av pyrolysekondensat. Det potensielle utsleppet av desse ureiningsstoffa til vassdrag eller avløpsrenseanlegg kan føre med seg nye miljøproblem.

For å konkludere er pyrolyse kombinert med anaerob nedbryting ein lovande metode forhandsaming av kloakkslam, men det er ikkje utan utfordringar. Pyrolyse reduserer volumet og massen av organisk avfall og minimerer innhaldet av visse ureiningsstoff. Likevel kan akkumulering av POP-ar i pyrolysekondensat vere utfordrande. Som forskinga tyder på, bør framtidige tiltak fokusera på å betre berekrafta og effektiviteten til AD-Py-integrasjonen. Det er behov for å auka konverteringseffektiviteten til pyrolysekondensat på høgare organisk belastning, og for å ta tak i dei regulatoriske og miljømessige utfordringane knytte til utslepp av POP-ar. Funna i denne avhandlinga legg eit solid grunnlag, og med vidare forsking og innovasjon vil dette arbeidet bana veg for meir berekraftige og effektive løysingar for organisk avfallsbehandling i framtida.