Valorisation of biogas plant digestate using membrane systems within circular economy

Abstract

The valorisation of organic waste as a resource is crucial for advancing the circular economy, particularly in agriculture. Anaerobic digestion transforms organic waste streams, including agricultural residues, animal manure, food waste, and municipal sludge, into renewable biogas, generating digestate as a nutrient-rich by-product. While digestate presents a sustainable alternative to chemical fertilizers, its utilization is hindered by challenges such as variable composition, high water content, contaminant presence (e.g., pharmaceuticals), and logistical constraints. Furthermore, stringent environmental regulations necessitate innovative treatment strategies to mitigate nutrient leaching and pollution risks. This thesis addresses these challenges by developing an integrated processing system that enhances digestate management, improves cost-effectiveness, and minimizes environmental impacts. A pilot-scale membrane-based system was designed and implemented across three AD plants treating diverse organic waste streams, including mixed food residues, animal manure, and sewage sludge. The system integrates pressure-driven membranes (microfiltration, ultrafiltration, and reverse osmosis) with electrically driven selective electrodialysis (SED) to optimize nutrient recovery and contaminant removal. Results demonstrated effective solid-liquid separation, water recovery, and concentration of valuable nutrients, producing fertilizing products with enhanced agronomic value. The process successfully reduced digestate volume, yielding concentrated fractions such as ultrafiltration and reverse osmosis concentrates with lower transportation costs and higher nutrient concentrations. These fractions can be applied as soil amendments or reintroduced into anaerobic digestion systems to optimize solid-liquid ratios. Additionally, SED enabled the selective recovery of nutrient ions, facilitating the production of tailored fertilizers, such as ammonium sulphate and struvite, which offer advantages in terms of storage, transport, and application. Moreover, the produced water was free of pharmaceuticals and nutrients, making it suitable for irrigation or cleaning applications. A comprehensive study on nutrient recovery via SED revealed high separation efficiencies for monovalent and divalent ions, with variable recovery rates for trivalent ions such as phosphate. Ion concentration, valency, size, and membrane interactions significantly influenced separation performance, with higher ion concentrations enhancing migration rates. Optimal recovery conditions varied based on digestate composition, underscoring the need for process optimization to balance efficiency and energy consumption. Consecutive operational cycles demonstrated improved nutrient concentration in recovered products, though increased transport resistance and competition effects were observed, particularly for monovalent and trivalent ions. Membrane fouling analysis revealed distinct differences between new and used membranes. Used membranes exhibited surface roughness and discoloration, with scanning electron microscopy confirming irregular salt scaling, with calcium was identified as the primary scaling component. Fourier transform infrared spectroscopy indicated spectral modifications in both anion and cation exchange membranes due to fouling, which impacted ion exchange capacity and increased resistance. Further post-treatment of SED-derived products was also investigated to enhance their agronomic potential. The economic assessment highlighted that operational expenses constitute 89% of the total digestate processing costs, with SED representing the most significant capital expenditure component. The findings of this research demonstrate that the fertilizers produced through SED offer a viable alternative to conventional mineral fertilizers, providing a sustainable pathway for nutrient recovery and waste valorisation in agricultural systems.

Η αξιοποίηση των οργανικών αποβλήτων ως πόρος είναι ζωτικής σημασίας για την προώθηση της κυκλικής οικονομίας, ιδιαίτερα στη γεωργία. Η αναερόβια χώνευση μετατρέπει οργανικά απόβλητα, σε βιοαέριο, παράγοντας παράλληλα χωνεμένο υπόλειμμα ως παραπροϊόν, το οποίο είναι πλούσιο σε θρεπτικά συστατικά. Παρόλο που το χωνεμένο υπόλειμμα αποτελεί μια βιώσιμη εναλλακτική λύση έναντι των συνθετικών λιπασμάτων, η αξιοποίησή του παρεμποδίζεται από προκλήσεις όπως η μεταβλητή σύστασή του, η υψηλή περιεκτικότητα σε νερό, ο μεγάλος όγκος που παράγεται, αλλά και η παρουσία ρύπων, όπως οι φαρμακευτικές ενώσεις. Επιπλέον, οι αυστηροί περιβαλλοντικοί κανονισμοί απαιτούν καινοτόμες τεχνολογίες επεξεργασίας για τον περιορισμό της περιβαλλοντικής ρύπανσης. Η παρούσα διατριβή αντιμετωπίζει αυτές τις προκλήσεις μέσω της ανάπτυξης ενός ολοκληρωμένου συστήματος επεξεργασίας που βελτιώνει τη διαχείριση του χωνεμένου υπολείμματος και μειώνει τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις. Ένα σύστημα μεμβρανών πιλοτικής κλίμακας σχεδιάστηκε και εγκαταστάθηκε σε τρεις μονάδες αναερόβιας χώνευσης που επεξεργάζονται διαφορετικά οργανικά απόβλητα, συμπεριλαμβανομένων των υπολειμμάτων τροφίμων, των κτηνοτροφικών αποβλήτων και την ιλύ βιολογικού καθαρισμού. Το σύστημα συνδυάζει μεμβράνες υπό πίεση (μικροδιήθηση, υπερδιήθηση και αντίστροφη ώσμωση) με την ηλεκτρικά καθοδηγούμενη εκλεκτική ηλεκτροδιαπίδυση για την ανάκτηση θρεπτικών συστατικών, νερού και την απομάκρυνση των φαρμακευτικών ουσιών. Τα αποτελέσματα έδειξαν αποτελεσματικό διαχωρισμό στερεών-υγρών, ανάκτηση νερού και τη συγκέντρωση πολύτιμων θρεπτικών συστατικών, παράγοντας προϊόντα με βελτιωμένη αγρονομική αξία. Η διεργασία μείωσε επιτυχώς τον όγκο του χωνεμένου υπολείμματος, παράγοντας συμπυκνωμένα κλάσματα. Αυτά τα συμπυκνώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως εδαφοβελτιωτικά ή να επανεισαχθούν στη διαδικασία της αναερόβιας χώνευσης. Επιπροσθέτως, η εκλεκτική ηλεκτροδιαπίδυση επέφερε την εκλεκτική ανάκτηση θρεπτικών ιόντων, για την παραγωγή λιπασμάτων, όπως το θειικό αμμώνιο και τον στρουβίτη. Παράλληλα, το παραγόμενο νερό είναι απαλλαγμένο από φαρμακευτικές ουσίες και θρεπτικά συστατικά, καθιστώντας το κατάλληλο για άρδευση ή επαναχρησιμοποίηση. Η εκτενής μελέτη της ανάκτησης θρεπτικών μέσω της εκλεκτικής ηλεκτροδιαπίδυσης είχε ως αποτέλεσμα υψηλές αποδόσεις διαχωρισμού για τα μονοσθενή και δισθενή ιόντα, με μειωμένα ποσοστά ανάκτησης των τρισθενών ιόντων, όπως τα φωσφορικά. Η συγκέντρωση, το σθένος και το μέγεθος των ιόντων, αλλά και οι αλληλεπιδράσεις τους με τις μεμβράνες επηρέασαν σημαντικά την απόδοση διαχωρισμού με αποτέλεσμα οι βέλτιστες συνθήκες ανάκτησης να διαφέρουν ανάλογα με τον τύπο του χωνεμένου υπολείμματος. Η ανάλυση επικαθίσεων των μεμβρανών αποκάλυψε διακριτές διαφορές μεταξύ των νέων και χρησιμοποιημένων μεμβρανών. Οι χρησιμοποιημένες μεμβράνες εμφάνισαν τραχύτητα και χρωματισμό, με τη μικροσκοπία ηλεκτρονικής σάρωσης να επιβεβαιώνει την επικάθιση αλάτων, με το ασβέστιο να κυριαρχεί, ενώ η φασματοσκοπία υπερύθρων μετασχηματισμού Fourier έδειξε τροποποιήσεις τόσο στις ανιοντοανταλλακτικές όσο και στις κατιοντοανταλλακτικές μεμβράνες, επηρεάζοντας την ικανότητα ιοντοανταλλαγής τους. Η οικονομική ανάλυση του συστήματος κατέδειξε ότι τα λειτουργικά έξοδα αντιπροσωπεύουν το 89% του συνολικού κόστους επεξεργασίας του χωνεμένου υπολείμματος, με την εκλεκτική ηλεκτροδιαπίδυση να αποτελεί την κυριότερη κεφαλαιουχική δαπάνη. Τα ευρήματα της παρούσας έρευνας επιβεβαιώνουν ότι τα παραγόμενα λιπάσματα μέσω της εκλεκτικής ηλεκτροδιαπίδυσης μπορούν να αποτελέσουν μια βιώσιμη εναλλακτική λύση έναντι των συμβατικών ανόργανων λιπασμάτων, προσφέροντας έναν αειφόρο δρόμο για την ανάκτηση θρεπτικών συστατικών και την αξιοποίηση αποβλήτων στη γεωργία.