Get 20M+ Full-Text Papers For Less Than $1.50/day. Start a 14-Day Trial for You or Your Team.

Learn More →

Dissolved methane in anaerobic effluent: Emission or recovery?

Dissolved methane in anaerobic effluent: Emission or recovery? Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(4): 54 https://doi.org/10.1007/s11783-022-1537-4 PERSPECTIVE Dissolved methane in anaerobic effluent: Emission or recovery? Xiaoyuan Zhang1, Jun Gu2, Shujuan Meng3, Yu Liu ( )1,4 1 Advanced Environmental Biotechnology Centre, Nanyang Environment & Water Research Institute, Nanyang Technological University, Singapore 637141, Singapore 2 Department of Environmental Science and Engineering, School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China 3 School of Space and Environment, Beihang University, Beijing 100191, China 4 School of Civil and Environmental Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 639798, Singapore  The Author(s) 2022. This article is published with open access at link.springer.com and journal.hep. com.cn such, increasing effort has been devoted to developing Abstract    Various  anaerobic  processes  have  been dissolved  methane  recovery  methods,  e.g.  mechanical explored for the energy-efficient treatment of municipal degassing  (Gu et al., 2017),  membrane  contactors  (Li wastewater.  However,  dissolved  methane  in  anaerobic et al., 2019; Rongwong et al., 2018) etc. It should also be effluent appears to be a barrier towards the energy and aware that the assessments of various recovery methods carbon neutrality of wastewater treatment. Although several are  primarily  motivated  by  the  energy  recovery  and dissolved methane recovery methods have been developed, consumption, without a thorough consideration of their their engineering feasibility and economic viability have environmental sustainability and economic viability. In not  yet  been  assessed  in  a  holistic  manner.  In  this this  perspective,  we  intend  to  offer  additional  insights perspective, we thus intend to offer additional insights into into  the  cost-benefit  of  dissolved  methane  recovery the cost-benefit of dissolved methane recovery against its against its emission. emission. Given  an  anaerobic  effluent  with  dissolved  methane concentration of 21 g/m3 (solubility of methane at 25 °C) Keywords    Anaerobic treatment, Municipal wastewater, (Li et al., 2019; Liu et al., 2014), without proper recovery, Dissolved methane, Methane recovery, Carbon emission the dissolved methane will inevitably be released into the environment.  In  consideration  of  a  short  lifetime  of methane, its 20-year global warming potential has been With the fast-evolving global climate change, the energy recommended by the Intergovernmental Panel on Climate and  carbon  neutral  municipal  wastewater  treatment  is Change  (IPCC)  to  be  84−87  folds  of  carbon  dioxide. under  the  spotlight.  Different  from  the  conventional Thus,  this  amount  of  dissolved  methane  will  cause activated  sludge  process  and  its  variants  which  are a carbon emission of (21 g/m3) × 84=1.76 kg CO e/m3 primarily based on the concept of biological oxidation, wastewater  treated,  while  compromising  the  overall anaerobic  processes  have  been  actively  explored  for energy recovery efficiency. In fact, such a carbon emission direct  COD  capture  from  municipal  wastewater,  while is  equivalent  to  the  carbon  emission  from  generating maximizing the energy recovery and minimizing waste (1.76 kg CO e/m3)/(0.99 kg CO e/kWh)=1.78 kWh/m3 sludge  generation  (Liu et al., 2019;  Zhang et al., 2022). 2 2 of  electricity  through  coal  combustion,  with  a  factor However,  it  should  be  noted  that  anaerobic  effluent of  0.99  kg  CO e/kWh  of  electricity  produced  from contains considerable amount of dissolved methane whose 2 coal  (U.S.-Energy-Information-Administration, 2020).  It release  into  the  environment  (Liu et al., 2014)  would is obvious that dissolved methane in anaerobic effluent is seriously compromise the energy recovery potential and becoming a barrier towards the energy- and carbon-neutral contribute  to  significant  greenhouse  gas  emission.  As   municipal wastewater treatment if a proper measure is not in place for its recovery. Received December 31, 2021; Revised February 10, 2022; Accepted So  far,  several  methods  have  been  developed  for February 20, 2022; Available online March 28, 2022 dissolved  methane  recovery.  For  example,  an  average ✉ Corresponding author dissolved  methane  concentration  of  17.1  g/m3  was E-mail: cyliu@ntu.edu.sg observed  in  an  anaerobic  effluent  at  30  °C,  of  which 2 Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(4): 54 nearly 90% could be recovered by means of a mechanical (200,000 m3/d) × (21 g/m3)/(0.8 g/(m2·h))= 218,750 m2, degasser at an energy cost of 0.12 kWh/m3 (Gu et al., indicating a significant increase in the captital investment 2017).  Therefore,  the  recoverable  energy  could  be and  maintenance  cost.  In  addition,  membrane  wetting, calculated  to  be  (15.4  g/m3)/(16  g/mol)  ×  22.4  L/mol fouling  and  concentration  polarization  will  make  the ×37.8 MJ/m3 (methane energy content) × 35% (electricity operation  of  membrane  contactors  more  challenging conversion  efficiency)/(3.6  MJ/kWh)  =  0.079  kWh/m3 (Crone et al., 2016).  Moreover,  the  energy  required  for wastewater  treated.  Thus,  the  net  energy  utilized  for upgrading and compressing recovered dissolved methane degassing was estimated to be 0.041 kWh/ m3 wastewater should also be considered, which had been reported to be treated,  which  could  lead  to  a  carbon  emission  by about  0.011  kWh/m3  (Crone et al, 2016).  Obviously, (0.041  kWh/  m3)  ×  (0.99  kg  CO e/kWh)  =  40.6  g without the consideration of these factors, the energy- CO /m3,  with  coal  as  the  fuel  for  electrical  energy based assessment as currently reported in the literature, to production.  On  the  other  hand,  the  residual  dissolved a great extent, is misleading. methane  after  recovery  eventually  resulted  in  a  direct As  illustrated  in  Fig. 1,  a  multiple-dimensional carbon emission of (1.71 g/m3)×84 =144 g CO e/m3. As assessment  framework  of  techniques  for  dissolved such,  the  overall  carbon  emission  associated  with methane  recovery  should  be  exercised.  For  example, dissolved methane after recovery could be determined to compared to membrane contactors, mechanical degasser be 185 g CO e/m3 wastewater treated which was only would not reach the energy-neutral recovery of dissolved about 13% of that in the scenario of the business-as-usual methane,  but  it  has  the  advantages  of  chemical-free, (i.e. without dissolved methane recovery: 17.1 g/m3 × 84 simple  structure,  very  low  capital  investment  and =1436 g CO e/m3). operation cost with a smaller footprint. Lastly, it should In another study by Li et al. (2019), an omniphobic be noted that the dissolved methane recovery technologies membrane process was proposed for harvesting dissolved are still at the infant stage, further research is needed to make them more technologically feasible, economically methane  from  anaerobic  effluent  with  a  saturated viable and environmentally sustainable. dissolved methane concentration of 16.4 g/m3 at 35°C. Approximately  0.04  MJ/m3  of  energy  was  needed  for achieving recovery efficiencies beyond 90%, equivalent to 0.01 kWh/m3, which was close to the theoretical value reported for membrane-based methane recovery (Crone et al., 2017; Velasco et al., 2021). In this case, the energy recovered from dissolved methane could easily offset the processing energy, i.e. a net energy gain of (16.4 g/m3) × 90%/ (16 g/mol) × 22.4 L/mol × 37.8 MJ/m3 × 35%/(3.6 MJ/kWh)–0.01  kWh/m3  =  0.066  kWh/m3,  which  was equivalent to a carbon offsetting of (0.066 kWh/m3) × (0.99 kg CO e/kWh) = 65.3 g CO e/m3. However, the 2 2 residual methane after 90% of recovery could contribute to (1.64 g/m3) × 84 = 138 g CO e/m3, suggesting a net methane-associated  carbon  emission  of  72.7  CO e/m3 which was only about 5.3% of that in the case where Fig. 1    Multi-dimensional  assessment  of  techniques  for  dissolved dissolved  methane  recovery  was  not  practiced  (i.e. methane recovery methods. 16.4 g/m3 × 84 = 1378 g CO e/m3). In addition, methane     solubility  is  inversely  related  to  effluent  temperature, Open Access    This  article  is  licensed  under  a  Creative  Commons indicating  that  the  methane  recovery  would  be  more Attribution  4.0  International  License,  which  permits  use,  sharing, necessary at lower temperature. adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long It  should  be  realized  that  chemicals  are  generally as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, required during membrane degassing, e.g. alkaline in the provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes omniphobic membrane process (Li et al., 2019), and the were made. The images or other third party material in this article are included  in  the  article’s  Creative  Commons  licence,  unless  indicated potential  increases  in  the  capital  and  operation  costs otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the associated  with  membrane  degassing  should  also article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted be taken into a serious account in assessing the environ- by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain mental sustainability and economic viability. In fact, the permission  directly  from  the  copyright  holder.  To  view  a  copy  of  this licence, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/. dissolved methane recovery rate of membrane contactors had been reported to be 0.05 mol methane/(m2·h) (i.e. 0.8 g  methane/(m2·h))  at  a  recovery  efficiency  of  96% (Velasco et al., 2021).  For  a  middle-sized  anaerobic References process treating 200,000 m3/d of municipal wastewater Crone B C, Garland J L, Sorial G A, Vane L M (2016). Significance of with a 21 g/m3 dissolved methane at 25°C, the membranes needed  for  dissovled  methane  recovery  would  be dissolved methane in effluents of anaerobically treated low strength Xiaoyuan Zhang et al. Dissolved methane in anaerobic effluent: Emission or recovery? 3 wastewater  and  potential  for  recovery  as  an  energy  product:  A of  hollow  fiber  membrane  contactors  for  recovery  of  dissolve   review. Water Research, 104: 520–531 methane from anaerobic membrane bioreactor effluent. Journal of Gu J, Xu G, Liu Y (2017). An integrated AMBBR and IFAS-SBR Membrane Science, 554: 184–194 process for municipal wastewater treatment towards enhanced energy U.S. Energy Information Administration (2020). How much carbon recovery,  reduced  energy  consumption  and  sludge  production. dioxide is produced per kilowatt-hour of U.S. electricity generation?   Water Research, 110: 262–269 Availiable  onine  at  https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=74 Li  X,  Dutta  A,  Dong  Q,  Rollings-Scattergood  S,  Lee  J  (2019). &t=11 Dissolved  methane  harvesting  using  omniphobic  membranes  for Velasco P, Jegatheesan V, Thangavadivel K, Othman M, Zhang Y anaerobically treated wastewaters. Environmental Science & Techno- (2021). A focused review on membrane contactors for the recovery   logy Letters, 6(4): 228–234 of  dissolved  methane  from  anaerobic  membrane  bioreactor Liu Y, Gu J, Zhang M (2019). AB processes: Towards Energy Self- (AnMBR) effluents. Chemosphere, 278: 130448   sufficient Municipal Wastewater Treatment. London: IWA Publishing Zhang X, Gu J, Liu Y (2022). Necessity of direct energy and ammonium Liu Z H, Yin H, Dang Z, Liu Y (2014). Dissolved methane: A hurdle recovery for carbon neutral municipal wastewater reclamation in for  anaerobic  treatment  of  municipal  wastewater.  Environmental an innovative anaerobic MBR-biochar adsorption-reverse osmosis   Science & Technology, 48(2): 889–890 Rongwong W, Goh K, Bae T H (2018). Energy analysis and optimization process. Water Research, 211: 118058 http://www.deepdyve.com/assets/images/DeepDyve-Logo-lg.png Frontiers of Environmental Science & Engineering Springer Journals

Dissolved methane in anaerobic effluent: Emission or recovery?

Download PDF
3 pages

Loading next page...
 
/lp/springer-journals/dissolved-methane-in-anaerobic-effluent-emission-or-recovery-fmckpacI87

References (8)

Publisher
Springer Journals
Copyright
Copyright © The Author(s) 2022
ISSN
2095-2201
eISSN
2095-221X
DOI
10.1007/s11783-022-1537-4
Publisher site
See Article on Publisher Site

Abstract

Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(4): 54 https://doi.org/10.1007/s11783-022-1537-4 PERSPECTIVE Dissolved methane in anaerobic effluent: Emission or recovery? Xiaoyuan Zhang1, Jun Gu2, Shujuan Meng3, Yu Liu ( )1,4 1 Advanced Environmental Biotechnology Centre, Nanyang Environment & Water Research Institute, Nanyang Technological University, Singapore 637141, Singapore 2 Department of Environmental Science and Engineering, School of Energy and Environment, Southeast University, Nanjing 210096, China 3 School of Space and Environment, Beihang University, Beijing 100191, China 4 School of Civil and Environmental Engineering, Nanyang Technological University, Singapore 639798, Singapore  The Author(s) 2022. This article is published with open access at link.springer.com and journal.hep. com.cn such, increasing effort has been devoted to developing Abstract    Various  anaerobic  processes  have  been dissolved  methane  recovery  methods,  e.g.  mechanical explored for the energy-efficient treatment of municipal degassing  (Gu et al., 2017),  membrane  contactors  (Li wastewater.  However,  dissolved  methane  in  anaerobic et al., 2019; Rongwong et al., 2018) etc. It should also be effluent appears to be a barrier towards the energy and aware that the assessments of various recovery methods carbon neutrality of wastewater treatment. Although several are  primarily  motivated  by  the  energy  recovery  and dissolved methane recovery methods have been developed, consumption, without a thorough consideration of their their engineering feasibility and economic viability have environmental sustainability and economic viability. In not  yet  been  assessed  in  a  holistic  manner.  In  this this  perspective,  we  intend  to  offer  additional  insights perspective, we thus intend to offer additional insights into into  the  cost-benefit  of  dissolved  methane  recovery the cost-benefit of dissolved methane recovery against its against its emission. emission. Given  an  anaerobic  effluent  with  dissolved  methane concentration of 21 g/m3 (solubility of methane at 25 °C) Keywords    Anaerobic treatment, Municipal wastewater, (Li et al., 2019; Liu et al., 2014), without proper recovery, Dissolved methane, Methane recovery, Carbon emission the dissolved methane will inevitably be released into the environment.  In  consideration  of  a  short  lifetime  of methane, its 20-year global warming potential has been With the fast-evolving global climate change, the energy recommended by the Intergovernmental Panel on Climate and  carbon  neutral  municipal  wastewater  treatment  is Change  (IPCC)  to  be  84−87  folds  of  carbon  dioxide. under  the  spotlight.  Different  from  the  conventional Thus,  this  amount  of  dissolved  methane  will  cause activated  sludge  process  and  its  variants  which  are a carbon emission of (21 g/m3) × 84=1.76 kg CO e/m3 primarily based on the concept of biological oxidation, wastewater  treated,  while  compromising  the  overall anaerobic  processes  have  been  actively  explored  for energy recovery efficiency. In fact, such a carbon emission direct  COD  capture  from  municipal  wastewater,  while is  equivalent  to  the  carbon  emission  from  generating maximizing the energy recovery and minimizing waste (1.76 kg CO e/m3)/(0.99 kg CO e/kWh)=1.78 kWh/m3 sludge  generation  (Liu et al., 2019;  Zhang et al., 2022). 2 2 of  electricity  through  coal  combustion,  with  a  factor However,  it  should  be  noted  that  anaerobic  effluent of  0.99  kg  CO e/kWh  of  electricity  produced  from contains considerable amount of dissolved methane whose 2 coal  (U.S.-Energy-Information-Administration, 2020).  It release  into  the  environment  (Liu et al., 2014)  would is obvious that dissolved methane in anaerobic effluent is seriously compromise the energy recovery potential and becoming a barrier towards the energy- and carbon-neutral contribute  to  significant  greenhouse  gas  emission.  As   municipal wastewater treatment if a proper measure is not in place for its recovery. Received December 31, 2021; Revised February 10, 2022; Accepted So  far,  several  methods  have  been  developed  for February 20, 2022; Available online March 28, 2022 dissolved  methane  recovery.  For  example,  an  average ✉ Corresponding author dissolved  methane  concentration  of  17.1  g/m3  was E-mail: cyliu@ntu.edu.sg observed  in  an  anaerobic  effluent  at  30  °C,  of  which 2 Front. Environ. Sci. Eng. 2022, 16(4): 54 nearly 90% could be recovered by means of a mechanical (200,000 m3/d) × (21 g/m3)/(0.8 g/(m2·h))= 218,750 m2, degasser at an energy cost of 0.12 kWh/m3 (Gu et al., indicating a significant increase in the captital investment 2017).  Therefore,  the  recoverable  energy  could  be and  maintenance  cost.  In  addition,  membrane  wetting, calculated  to  be  (15.4  g/m3)/(16  g/mol)  ×  22.4  L/mol fouling  and  concentration  polarization  will  make  the ×37.8 MJ/m3 (methane energy content) × 35% (electricity operation  of  membrane  contactors  more  challenging conversion  efficiency)/(3.6  MJ/kWh)  =  0.079  kWh/m3 (Crone et al., 2016).  Moreover,  the  energy  required  for wastewater  treated.  Thus,  the  net  energy  utilized  for upgrading and compressing recovered dissolved methane degassing was estimated to be 0.041 kWh/ m3 wastewater should also be considered, which had been reported to be treated,  which  could  lead  to  a  carbon  emission  by about  0.011  kWh/m3  (Crone et al, 2016).  Obviously, (0.041  kWh/  m3)  ×  (0.99  kg  CO e/kWh)  =  40.6  g without the consideration of these factors, the energy- CO /m3,  with  coal  as  the  fuel  for  electrical  energy based assessment as currently reported in the literature, to production.  On  the  other  hand,  the  residual  dissolved a great extent, is misleading. methane  after  recovery  eventually  resulted  in  a  direct As  illustrated  in  Fig. 1,  a  multiple-dimensional carbon emission of (1.71 g/m3)×84 =144 g CO e/m3. As assessment  framework  of  techniques  for  dissolved such,  the  overall  carbon  emission  associated  with methane  recovery  should  be  exercised.  For  example, dissolved methane after recovery could be determined to compared to membrane contactors, mechanical degasser be 185 g CO e/m3 wastewater treated which was only would not reach the energy-neutral recovery of dissolved about 13% of that in the scenario of the business-as-usual methane,  but  it  has  the  advantages  of  chemical-free, (i.e. without dissolved methane recovery: 17.1 g/m3 × 84 simple  structure,  very  low  capital  investment  and =1436 g CO e/m3). operation cost with a smaller footprint. Lastly, it should In another study by Li et al. (2019), an omniphobic be noted that the dissolved methane recovery technologies membrane process was proposed for harvesting dissolved are still at the infant stage, further research is needed to make them more technologically feasible, economically methane  from  anaerobic  effluent  with  a  saturated viable and environmentally sustainable. dissolved methane concentration of 16.4 g/m3 at 35°C. Approximately  0.04  MJ/m3  of  energy  was  needed  for achieving recovery efficiencies beyond 90%, equivalent to 0.01 kWh/m3, which was close to the theoretical value reported for membrane-based methane recovery (Crone et al., 2017; Velasco et al., 2021). In this case, the energy recovered from dissolved methane could easily offset the processing energy, i.e. a net energy gain of (16.4 g/m3) × 90%/ (16 g/mol) × 22.4 L/mol × 37.8 MJ/m3 × 35%/(3.6 MJ/kWh)–0.01  kWh/m3  =  0.066  kWh/m3,  which  was equivalent to a carbon offsetting of (0.066 kWh/m3) × (0.99 kg CO e/kWh) = 65.3 g CO e/m3. However, the 2 2 residual methane after 90% of recovery could contribute to (1.64 g/m3) × 84 = 138 g CO e/m3, suggesting a net methane-associated  carbon  emission  of  72.7  CO e/m3 which was only about 5.3% of that in the case where Fig. 1    Multi-dimensional  assessment  of  techniques  for  dissolved dissolved  methane  recovery  was  not  practiced  (i.e. methane recovery methods. 16.4 g/m3 × 84 = 1378 g CO e/m3). In addition, methane     solubility  is  inversely  related  to  effluent  temperature, Open Access    This  article  is  licensed  under  a  Creative  Commons indicating  that  the  methane  recovery  would  be  more Attribution  4.0  International  License,  which  permits  use,  sharing, necessary at lower temperature. adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long It  should  be  realized  that  chemicals  are  generally as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, required during membrane degassing, e.g. alkaline in the provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes omniphobic membrane process (Li et al., 2019), and the were made. The images or other third party material in this article are included  in  the  article’s  Creative  Commons  licence,  unless  indicated potential  increases  in  the  capital  and  operation  costs otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the associated  with  membrane  degassing  should  also article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted be taken into a serious account in assessing the environ- by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain mental sustainability and economic viability. In fact, the permission  directly  from  the  copyright  holder.  To  view  a  copy  of  this licence, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/. dissolved methane recovery rate of membrane contactors had been reported to be 0.05 mol methane/(m2·h) (i.e. 0.8 g  methane/(m2·h))  at  a  recovery  efficiency  of  96% (Velasco et al., 2021).  For  a  middle-sized  anaerobic References process treating 200,000 m3/d of municipal wastewater Crone B C, Garland J L, Sorial G A, Vane L M (2016). Significance of with a 21 g/m3 dissolved methane at 25°C, the membranes needed  for  dissovled  methane  recovery  would  be dissolved methane in effluents of anaerobically treated low strength Xiaoyuan Zhang et al. Dissolved methane in anaerobic effluent: Emission or recovery? 3 wastewater  and  potential  for  recovery  as  an  energy  product:  A of  hollow  fiber  membrane  contactors  for  recovery  of  dissolve   review. Water Research, 104: 520–531 methane from anaerobic membrane bioreactor effluent. Journal of Gu J, Xu G, Liu Y (2017). An integrated AMBBR and IFAS-SBR Membrane Science, 554: 184–194 process for municipal wastewater treatment towards enhanced energy U.S. Energy Information Administration (2020). How much carbon recovery,  reduced  energy  consumption  and  sludge  production. dioxide is produced per kilowatt-hour of U.S. electricity generation?   Water Research, 110: 262–269 Availiable  onine  at  https://www.eia.gov/tools/faqs/faq.php?id=74 Li  X,  Dutta  A,  Dong  Q,  Rollings-Scattergood  S,  Lee  J  (2019). &t=11 Dissolved  methane  harvesting  using  omniphobic  membranes  for Velasco P, Jegatheesan V, Thangavadivel K, Othman M, Zhang Y anaerobically treated wastewaters. Environmental Science & Techno- (2021). A focused review on membrane contactors for the recovery   logy Letters, 6(4): 228–234 of  dissolved  methane  from  anaerobic  membrane  bioreactor Liu Y, Gu J, Zhang M (2019). AB processes: Towards Energy Self- (AnMBR) effluents. Chemosphere, 278: 130448   sufficient Municipal Wastewater Treatment. London: IWA Publishing Zhang X, Gu J, Liu Y (2022). Necessity of direct energy and ammonium Liu Z H, Yin H, Dang Z, Liu Y (2014). Dissolved methane: A hurdle recovery for carbon neutral municipal wastewater reclamation in for  anaerobic  treatment  of  municipal  wastewater.  Environmental an innovative anaerobic MBR-biochar adsorption-reverse osmosis   Science & Technology, 48(2): 889–890 Rongwong W, Goh K, Bae T H (2018). Energy analysis and optimization process. Water Research, 211: 118058

Journal

Frontiers of Environmental Science & Engineering – Springer Journals

Published: Apr 1, 2022

Keywords: Anaerobic treatment; Municipal wastewater; Dissolved methane; Methane recovery; Carbon emission

There are no references for this article.