Understanding the acidification risk of cheese whey anaerobic digestion under psychrophilic and mesophilic conditions

Abstract

Anaerobic digestion is a suitable technology to treat cheese whey (CW), a high-strength wastewater from cheesemaking. However, CW anaerobic digestion is limited by its high biodegradability, acidic pH, and lack of alkalinity. This publication evaluated the acidification risk of CW anaerobic digestion under psychrophilic and mesophilic conditions, aiming to improve digester design, operation, and decision-making when facing instability periods. To evaluate the acidification risk of CW anaerobic digestion, biochemical methane potential (BMP) tests were carried out at four different organic loads, each under psychrophilic (20 °C) and mesophilic (35 °C) conditions. Besides methane production, pH, soluble chemical oxygen demand, volatile fatty acid and alcohols were also monitored. Experimental results showed that CW can be successfully degraded under both temperature conditions, with methane yields of 389–436 mLCH4/gVS. The organic load had a greater impact on the accumulation of intermediate products than temperature, indicating that process inhibition by overloading is plausible under psychrophilic and mesophilic conditions. However, the degradation rate under mesophilic conditions was faster than under psychrophilic conditions. Experimental results also revealed a higher imbalance between fermentation and methanogenesis rate under psychrophilic conditions, which resulted in higher concentrations of intermediate products (volatile fatty acids and alcohols) and prolonged lower pHs. These results indicate that the degradation of intermediate products is less favourable under psychrophilic conditions compared to mesophilic conditions. This implies that psychrophilic digesters have a lower capacity to recover from process disturbances, increasing the risk of process underperformance or even failure under psychrophilic conditions. © 2024 The Authors

La digestión anaeróbica es una tecnología adecuada para tratar el suero de queso (CW), un agua residual de alta concentración procedente de la elaboración del queso. Sin embargo, la digestión anaeróbica CW está limitada por su alta biodegradabilidad, pH ácido y falta de alcalinidad. Esta publicación evaluó el riesgo de acidificación de la digestión anaeróbica de CW en condiciones psicrófilas y mesófilas, con el objetivo de mejorar el diseño, la operación y la toma de decisiones de los digestores ante períodos de inestabilidad. Para evaluar el riesgo de acidificación de la digestión anaeróbica de CW, se llevaron a cabo pruebas de potencial bioquímico de metano (BMP) en cuatro cargas orgánicas diferentes, cada una en condiciones psicrófilas (20 °C) y mesófilas (35 °C). Además de la producción de metano, también se controlaron el pH, la demanda química de oxígeno soluble, los ácidos grasos volátiles y los alcoholes. Los resultados experimentales mostraron que el CW se puede degradar con éxito en ambas condiciones de temperatura, con rendimientos de metano de 389 a 436 mlCH4/gVS. La carga orgánica tuvo un mayor impacto en la acumulación de productos intermedios que la temperatura, lo que indica que la inhibición del proceso por sobrecarga es plausible en condiciones psicrófilas y mesófilas. Sin embargo, la tasa de degradación en condiciones mesófilas fue más rápida que en condiciones psicrófilas. Los resultados experimentales también revelaron un mayor desequilibrio entre la tasa de fermentación y metanogénesis en condiciones psicrófilas, lo que resultó en mayores concentraciones de productos intermedios (ácidos grasos volátiles y alcoholes) y pH más bajos y prolongados. Estos resultados indican que la degradación de los productos intermedios es menos favorable en condiciones psicrófilas en comparación con condiciones mesófilas. Esto implica que los digestores psicrófilos tienen una menor capacidad para recuperarse de las alteraciones del proceso, lo que aumenta el riesgo de un rendimiento deficiente del proceso o incluso de fallas en condiciones psicrófilas. © 2024 Los Autores