Utilization of Food Waste via Anaerobic Digestion

151 Pages·2017·3.58 MB·English

Tampere University of Technology

Utilization of Food Waste via Anaerobic Digestion

Citation
Tampio, E. (2016). Utilization of Food Waste via Anaerobic Digestion: From Feedstock to Biogas and Fertilizers.
(Tampere University of Technology. Publication; Vol. 1405). Tampere University of Technology.
Year
2016
Version
Publisher's PDF (version of record)
Link to publication
TUTCRIS Portal (http://www.tut.fi/tutcris)
Take down policy
If you believe that this document breaches copyright, please contact [email protected], and we will remove access to
the work immediately and investigate your claim.
Download date:18.11.2018
Elina Tampio
Utilization of Food Waste via Anaerobic Digestion
From Feedstock to Biogas and Fertilizers
Julkaisu 1405 • Publication 1405
Tampere 2016
Tampereen teknillinen yliopisto. Julkaisu 1405
Tampere University of Technology. Publication 1405

Elina Tampio

Utilization of Food Waste via Anaerobic Digestion
From Feedstock to Biogas and Fertilizers

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy to be presented with due permission for
public examination and criticism in Festia Building, Auditorium Pieni Sali 1, at Tampere
University of Technology, on the 10th of September 2016, at 12 noon.

Tampereen teknillinen yliopisto - Tampere University of Technology
Tampere 2016
Supervisor: Professor Jukka Rintala
Department of Chemistry and Bioengineering
Tampere University of Technology
Tampere, Finland

Reviewers: Dr. Hélène Carrère
Research Director
Laboratory of Environmental Biotechnology
French National Institute for Agricultural Research INRA
Narbonne, France

Professor Fabrizio Adani
Department of Agricultural and Environmental Sciences
University of Milan
Milan, Italy

Opponent: Dr. Henrik Bjarne Møller
Senior Researcher
Department of Engineering
Aarhus University
Tjele, Denmark

ISBN 978-952-15-3792-9 (printed)
ISBN 978-952-15-3798-1 (PDF)
ISSN 1459-2045
Abstract
Food waste is a renewable resource that can be utilized as both energy and nutrients through anaerobic
digestion to increase nutrient recycling and fertilizer self-sufficiency and promote the mitigation of
greenhouse gas emissions. Anaerobic digestion of food wastes has, however, faced challenges due to
the waste’s characteristics, e.g., high protein content, which is why the organic loading rates with food
waste digestion are usually kept low to achieve a stable process. The digestate produced during
digestion contains all of the nutrients from the food waste feedstock and can be used as a fertilizer in
agriculture, where the availability of nutrients, the stability of organic matter, and biosecurity define
its agronomic value. In this thesis, the aim was to analyze the potential of using anaerobic digestion
for food waste utilization. The anaerobic digestion of food waste, feedstock pretreatment, and
processing and utilization of the digestate for fertilizer use were studied.
This study shows the potential of food waste as feedstock for anaerobic digestion without dilution,
with a total solids content of 20–25%. A high organic loading rate of 6 kgVS/m3d (VS, volatile solids)
was achieved with methane yields 400–430 m3/kgVS in continuous food waste digestion while the
optimum loading rate was 3 kgVS/m3d, yielding around 480 m3/kgVS of methane. Trace element
supplementation enabled a stable long-term operation and gradual increase of loading rates without the
accumulation of acids. The autoclave pretreatment (160°C and 6.2 bars) of the food waste affected the
characteristics – and subsequently, the anaerobic digestion performance, where the formation of
protein-based hardly biodegradable compounds led to a 10% lower methane yield during digestion,
decreased hydrogen sulfide content in the biogas, and 50% decreased ammonium nitrogen
concentration within the digestate. The decreased availability of proteins and hydrogen sulfide
formation due to the pretreatment reduce the risk of ammonia inhibition during anaerobic digestion
and enable easier biogas cleaning and security.
The food waste digestates shows potential as a nutrient source in crop fertilization independently and
after post-treatment. The studied digestates were considered suitable for fertilizer use, as they showed
good agronomic value in terms of nutrient content and usability, as well as biosecurity. Food waste
digestates produced around 5 to 30% higher ryegrass yield compared with a mineral fertilizer in pot
experiments, and the majority (50–70%) of the nitrogen and phosphorus were in the soluble and plant-
available forms. The integration of anaerobic digestion and digestate post-treatment technologies
enabled the processing of the digestate liquid into concentrated nutrient products rich in nitrogen and
potassium. With the combination different processing technologies such as evaporation, stripping, and
reverse osmosis, nutrient products with optimal composition can be produced to correspond with the
fertilizer demand. Overall, due to the high energy potential of the food waste, the integration of the
i
anaerobic digestion with heat-demanding digestate liquid post-treatment processes (e.g., stripping
and/or evaporation) was possible.
In conclusion, anaerobic digestion has high potential for the utilization of food waste, as food waste
produces high methane yields in optimized conditions. The food waste digestate was also shown to be
a suitable nutrient (especially nitrogen) source in crop fertilization independently and after post-
treatment.
ii
Tiivistelmä
Ruokajätteet ovat uusiutuva resurssi, joita voidaan hyödyntää biokaasuprosessissa tuottaen sekä
energiaa että ravinteita, lisätä ravinteiden kierrätystä ja omavaraisuutta sekä vähentää
kasvihuonekaasupäästöjä. Ruokajätteen käyttö biokaasuprosessin raaka-aineena voi kuitenkin olla
haasteellista korkean proteiinipitoisuuden vuoksi, mikä on vaikuttanut siihen, että orgaanisen aineksen
kuormitus pidetään reaktoreissa usein melko matalana stabiilin prosessin saavuttamiseksi.
Biokaasuprosessissa syntyvä käsittelyjäännös sisältää kaikki ruokajätteen sisältämät ravinteet, jotka
voidaan hyödyntää maataloudessa lannoitteena, jossa sekä ravinteiden saatavuus, orgaanisen aineksen
stabiilisuus sekä turvallisuus määrittelevät käsittelyjäännöksen lannoitearvon. Tässä
väitöstutkimuksessa tavoitteena oli analysoida biokaasuprosessin potentiaalia ruokajätteen käsittelyssä.
Työssä tutkittiin sekä ruokajätteen biokaasuprosessia, syötemateriaalin esikäsittelyä sekä muodostuvan
käsittelyjäännöksen prosessointia ja käsittelyä lannoitteeksi maatalouteen.
Tuloksena tässä tutkimuksessa saatiin näyttöä ruokajätteen potentiaalista biokaasuprosessin raaka-
aineena sellaisenaan, ilman laimennusta, kun jätteen kuiva-ainepitoisuus oli 20–25 %.
Laimentamattomalla ruokajätteellä oli mahdollista saavuutta korkea kuormitus (6 kgVS/m3d) ja
metaanisaanto (400–430 m3/kgVS) jatkuvatoimisessa biokaasuprosessissa, jossa optimikuormitus oli 3
kgVS/m3d metaanisaannolla 480 kgVS/m3d. Hivenaineiden lisäys prosessiin mahdollisti pitkäaikaisen
stabiilin prosessin, sekä asteittaisen kuormituksen noston ilman happojen kertymistä prosessiin.
Esikäsittelynä ruokajätteen autoklavointi (160 °C ja 6.2 bar) vaikutti jätteen koostumukseen ja sitä
kautta myös biokaasuprosessiin, jossa heikosti biohajoavien proteiinipohjaisten yhdisteiden
muodostuminen johti 10 % alhaisempaan metaanisaantoon biokaasuprosessissa, alentuneeseen
rikkivedyn määrään biokaasussa sekä 50 % alhaisempaan ammoniumtyppikonsentraatioon
käsittelyjäännöksessä. Esikäsittelyn aikaansaama alentunut proteiinien saatavuus biokaasuprosessin
hajottajamikrobeille sekä alentunut rikkivetypitoisuus biokaasussa vähentävät riskiä
ammoniumtypestä aiheutuvalle inhibitiolle ja mahdollistavat sekä helpomman että turvallisemman
kaasunpuhdistuksen ja -käsittelyn.
Ruokajäteperäiset käsittelyjäännökset osoittivat potentiaalia ravinteiden lähteenä viljelyskasvien
lannoituksessa sekä sellaisenaan että jatkokäsittelyprosessien jälkeen. Tutkitut käsittelyjäännökset
soveltuivat lannoitekäyttöön niiden hyvän lannoitearvon vuoksi, mikä perustui jäännösten
ravinnepitoisuuksiin, ravinteiden käyttökelpoisuuteen sekä tuotteiden turvallisuuteen.
Ruokajäteperäiset käsittelyjäännökset tuottivat mineraalilannoitetta 5–30 % korkeamman nurmisadon
astiakokeissa, ja suurin osa (50 – 80 %) jäännösten sisältämästä typestä ja fosforista oli liukoisessa ja
kasveille käyttökelpoisessa muodossa. Biokaasuprosessin ja käsittelyjäännöksen nestejakeen
jatkokäsittelyteknologioiden integrointi mahdollisti nestejakeen prosessoinnin konsentroiduiksi,
iii
runsaasti typpeä ja kaliumia sisältäviksi, ravinnetuotteiksi. Erilaisten käsittelyteknologioiden,
esimerkiksi haihdutuksen, strippauksen ja käänteisosmoosin, yhdistelmillä voidaan tuottaa
optimaalisen koostumuksen omaavia ravinnetuotteita vastaamaan lannoitteiden tarvetta. Yleisesti
ottaen ruokajätteen korkea energiapotentiaalin vuoksi biokaasulaitoksen ja käsittelyjäännöksen
nestejakeen jatkokäsittelyprosessien yhdistäminen on mahdollista myös silloin, kun kyseessä ovat
paljon lämpöä kuluttavat käsittelyprosessit, kuten strippaus ja haihdutus.
Johtopäätöksenä voidaan todeta, että biokaasuprosessilla on merkittävä potentiaali ruokajätteen
käsittelyprosessina, koska ruokajäte optimoiduissa olosuhteissa tuottaa korkean metaanisaannon.
Ruokajäteperäinen käsittelyjäännös soveltuu ravinteiden, etenkin typen, lähteeksi viljelyskasvien

lannoitukseen sekä sellaisenaan että jäännöksen jatkokäsittelyn jälkeen.

iv
Preface
The experimental work for this thesis was mainly carried out at the Natural Resources Institute
Finland (Luke, previously MTT Agrifood Research Finland) within the EU FP7 funded VALORGAS
project during the years 2011–2013. The last part of this thesis was written with funding from the
Fortum Foundation, and it was mainly completed at the Department of Chemistry and Bioengineering
at the Tampere University of Technology (TUT). I wish to thank Luke/MTT, TUT, the Fortum
Foundation, and Maa- ja vesitekniikan tuki ry, for the funding and support in my studies and travels
for international conferences. I wish to thank my past and present team members, co-workers and
superiors, especially Ilkka Sipilä, Teija Paavola and Saija Rasi, at the Luke/MTT for making my
studies and this thesis possible.
I am grateful to my supervisor, Prof. Jukka Rintala, for his guidance and active support during the
years, and for introducing me to the world of anaerobic digestion. I want to thank all my co-authors –
Satu Ervasti, Teija Paavola, Sonia Heaven, Charles Banks, Tapio Salo, and Sanna Marttinen – for their
valuable collaboration, comments, and advice during the projects and preparation of the manuscripts.
Additionally, Dr. Hélène Carrére and Prof. Fabrizio Adani are acknowledged for the pre-examination
of this thesis. The TUT-group – Sanna, Viljami, Tiina, Marja, Susanna, Maarit and Outi – also deserve
my thanks for the peer support with my manuscripts. I am very grateful to the Luke/MTT laboratory
personnel, especially the Animale-building lab in Jokioinen, for their excellent analysis services and
help with all kinds of practical issues in the lab. My sincerest thanks goes also to Teemu Ala-Kleme
and Johanna Nikama for their help with the reactor experiments, to Mirva Ceder for the hygiene
analyses, and also to Lucia Blasco and Minna Kahala for teaching me about microbiology research.
For the endless hours in the lab, scientific (and not-so-scientific) conversations, and precious
carpooling help, I wish to thank Satu Ervasti. I probably still owe you some gas money for the trips
from various places to Jokioinen. For all the most memorable trips and events, as well as coffee/lunch
sessions, I want to thank the “youngsters” from Luke/MTT: Satu, Petra Tuunainen, Erja Koivunen,
Laura Ventto, Heidi Leskinen, Piia Kairenius, Mikko Räsänen and Mari Kukkola. Without you, the
years in Jokioinen would have felt far too long.
I want to thank my family for their support and trust during these years of work and study. Also, my
friends Päivi, Suvi, and Niina deserve my thanks; you provided the most needed refreshing non-
academic moments. Last but not the least, I want to express my gratitude to Eero; my language- and
IT-support, co-PhD student, and love.
Tampere, July 2016 Elina Tampio
v