Pretreatment of eucalyptus kraft pulp mill waste activated sludge to enhance anaerobic digestion

Abstract

Pulp and paper (P&P) mills are currently one of the largest industrial water consumers and effluent generators worldwide. The biological effluent treatment processes currently in use generate a large volume of sludge (waste activated sludge – WAS), which requires great efforts and high costs to manage. An interesting option for sludge management is anaerobic digestion, a means of reducing sludge volume while generating renewable energy that can be used in the industrial processes. However, anaerobic technology needs to be improved, mainly due to the 30- to 40-day retention time required to digest pulp mill sludge in conventional anaerobic bioreactors. The thesis was structured in 3 chapters written as scientific papers. Chapter 1 presented a literature review about the potential of anaerobic digestion for sludge treatment in P&P mills and the application of pretreatment methods to enhance methane production, decrease the retention time and, ultimately, decrease the volume of the digesters. A case study examining the potential of integrating pretreatment and anaerobic sludge digestion in a Brazilian kraft pulp mill is also presented. The literature review resulted in 52 matches in which 16 articles were related to anaerobic digestion or co-digestion of P&P sludge without pretreatment and 20 articles had to do with anaerobic digestion of P&P sludge after pretreatment. A large discrepancy among the presented results made it difficult to assess the suitability of anaerobic digestion and the actual impacts of the sludge pretreatment on the viability of the system. Simulations were carried out using current data from a Brazilian kraft pulp mill and indicated the important role of sludge pretreatment in potential methane production. Chapter 2 aimed the application of thermal, thermal-alkaline and mechanical pretreatment methods in order to promote the solubilization of organic matter to enhance the anaerobic digestion. Chemical analyses showed an improvement in organic matter solubilization, with an increase greater than 1.2-fold for total COD, 7-fold for soluble COD and 4-fold for BOD 5 . In general, thermal-alkaline pretreatment showed the best results for all the evaluated parameters, with the advantage of requiring lower temperature and retention time when compared to thermal conditions. Chapter 3 aimed to evaluate the potential of methane production from the WAS of a bleached kraft pulp mill applying biochemical methane potential (BMP). After 30 days of testing, cumulative methane production increased from 90 mL CH 4 /gVS (raw sludge) to 181-194 mL CH 4 /gVS with thermally pretreated samples, and up to 203-204 mL CH 4 /gVS with samples which were pretreated using the thermo-alkaline technique. The pretreatment conditions of 175 °C for 15 min at pH 11 were sufficient to achieve both a high solubilization of WAS and a high methane production. The results showed that pretreatment could significantly enhance the anaerobic digestion of kraft pulp mill WAS, making this an attractive new option for sludge management in this sector. Keywords: Anaerobic digestion. Methane yield. Pretreatment. Pulp and paper mill. Secondary sludge.

O setor de produção de polpa celulósica e papel (P&P) é um dos maiores consumidores industriais de água e, em consequência, um dos maiores geradores de efluentes em todo o mundo. Nos processos de tratamento biológico aplicados aos efluentes, um grande volume de lodo biológico é gerado, o que resulta em altos custos de gerenciamento. Uma opção interessante para o gerenciamento do lodo é a digestão anaeróbia, capaz de reduzir o volume do lodo concomitantemente à geração de energia renovável que pode ser aproveitada nos processos industriais. No entanto, a digestão anaeróbia demanda melhorias tecnológicas e operacionais, principalmente devido ao elevado tempo de detenção hidráulica, da ordem de 30 a 40 dias, necessário para digerir o lodo de fábricas de P&P. A presente tese está dividida em 3 capítulos. O Capítulo 1 apresenta uma revisão da literatura sobre o potencial da digestão anaeróbia para o tratamento de lodos de fábricas de P&P, além da aplicação de métodos de pré- tratamento objetivando o aumento da produção de metano, a diminuição do tempo de detenção hidráulica e a diminuição do volume requerido aos digestores. É apresentado um estudo de caso, visando avaliar o potencial de integração das tecnologias de pré-tratamento e digestão anaeróbia de lodo biológico em uma típica fábrica de celulose kraft brasileira. A revisão da literatura resultou no encontro de 52 trabalhos publicados, sendo 16 artigos relacionados à digestão anaeróbia ou co-digestão de lodo de P&P sem pré-tratamento e 20 artigos relacionados à digestão anaeróbia de lodo de P&P após pré-tratamento. Foi verificada uma grande discrepância entre os resultados apresentados, o que dificultou nas avaliações e verificação dos reais impactos do pré-tratamento do lodo na viabilidade do sistema. Simulações foram realizadas usando dados atuais de uma fábrica de celulose kraft brasileira e demonstraram a grande influência do pré-tratamento na produção potencial de metano. O Capítulo 2 objetivou avaliar a aplicação de métodos de pré-tratamento térmicos, termo alcalinos e mecânicos, com o objetivo de promover a solubilização da matéria orgânica para potencializar a digestão anaeróbia. Os resultados demonstraram um ganho na solubilização, com um aumento superior a 1,2 vezes para DQO total, 7 vezes para DQO solúvel e 4 vezes para DBO 5 . As condições de pré-tratamento termo alcalinas apresentaram os melhores resultados para todos os parâmetros avaliados, com a vantagem de requererem menores temperaturas e tempos de retenção quando comparado às condições térmicas. O Capítulo 3 teve como objetivo avaliar o potencial de produção de metano a partir do lodo biológico de uma fábrica de celulose kraft branqueada aplicando testes BMP (potencial bioquímico de metano). Após 30 dias, a produção acumulada de metano aumentou de 90 mL CH 4 /gSV (lodo bruto) para 181-194 mLCH 4 /gSV (pré- tratamento térmico) e 203-204 mLCH 4 /gSV (pré-tratamento termo alcalino). A condição de pré-tratamento de 175 °C por 15 min em pH 11 foi suficiente para alcançar alta solubilização do lodo biológico e alta produção de metano. Os resultados demonstram que o pré-tratamento pode melhorar significativamente a digestão anaeróbia do lodo biológico da fábrica de celulose kraft, tornando a digestão anaeróbia uma opção atraente para o gerenciamento de lodo neste setor. Palavras-chave: Digestão anaeróbia. Metano. Pré-tratamento. Papel e celulose. Lodo biológico.