Microaeration in the anaerobic digestion of organic substrates: impacts on methane production, stability, and microbial dynamics

Abstract

Anaerobic digestion (AD) is a well-established technology for treating organic wastes and wastewaters while recovering energy through biogas production. However, its efficiency and stability may be limited by slow hydrolysis, accumulation of metabolic intermediates, and the complexity of anaerobic microbial interactions, particularly under high organic loading rates and short hydraulic retention times (HRT). In this context, microaeration (MA), defined as the controlled addition of small amounts of oxygen to anaerobic systems, has emerged as a promising strategy to improve substrate degradation and process resilience. Nevertheless, its mechanisms remain incompletely understood, and its effectiveness depends on substrate characteristics and operating conditions. This thesis investigated the application of MA in the anaerobic digestion of different organic substrates through an integrated approach combining evidence synthesis, controlled experiments, and continuous reactor operation to evaluate its effects on methane production, degradation kinetics, process stability, and microbial community dynamics. Initially, a systematic review and meta-analysis of the literature on MA in anaerobic digestion was conducted. The results showed increasing scientific interest in the technology, with studies mainly focused on laboratory-scale batch systems. The quantitative synthesis demonstrated that the effects of MA on methane production are substrate- and process-dependent, with the greatest improvements observed for specific substrates under mesophilic conditions and intermediate volatile solids concentrations, highlighting the need for tailored operating strategies. Subsequently, MA was evaluated as a pretreatment for swine wastewater in biochemical methane potential (BMP) assays using experimental design, response surface methodology, and kinetic modelling. MA increased methane production by up to 31.9% compared with conventional anaerobic digestion. Kinetic analysis showed increases of up to 28% in the methane production rate constant and up to 85% in the maximum methane production rate, indicating faster degradation. The optimal condition, 45 mL air g VS1 for 2 days, maximised methanogenic performance and demonstrated the potential of MA for process intensification. Finally, continuous MA was assessed in a continuously stirred tank reactoroperated under progressively more challenging conditions, including reduced HRT and increased organic loading rate. HRT reduction destabilised the process, increasing volatile fatty acid accumulation approximately fifteen-fold and reducing organic matter removal. Under these conditions, continuous MA promoted process recovery by reducing metabolic intermediate accumulation by up to 60%, mitigating fluctuations in biogas production, and stimulating the functional reorganisation of the microbial community. Microbial analyses indicated that MA favoured syntrophic populations and enhanced hydrogenotrophic methanogenesis, contributing to greater process resilience under operational stress. Overall, the results demonstrate that MA is a multifunctional strategy for anaerobic digestion, enhancing methane production while improving degradation pathways, operational stability, and microbial interactions. By integrating evidence synthesis, experimental optimisation, kinetic modelling, and microbial ecology, this thesis advances the understanding of MA mechanisms and provides a scientific basis for developing more efficient and resilient anaerobic treatment processes for organic wastes and wastewaters.A digestão anaeróbia (DA) é uma tecnologia consolidada para o tratamento de resíduos orgânicos e águas residuárias, permitindo a recuperação de energia na forma de biogás. Entretanto, sua eficiência e estabilidade podem ser limitadas pela lenta hidrólise da matéria orgânica, pelo acúmulo de intermediários metabólicos e pela complexidade das interações entre os microrganismos anaeróbios, especialmente sob elevadas cargas orgânicas e baixos tempos de retenção hidráulica (TRH). Nesse contexto, a microaeração (MA), definida como a adição controlada de pequenas quantidades de oxigênio aos sistemas anaeróbios, tem se destacado como uma estratégia promissora para aumentar a degradação da matéria orgânica e a resiliência do processo. Contudo, seus mecanismos de atuação ainda não são completamente compreendidos e sua eficiência depende das características do substrato e das condições operacionais. Assim, esta tese investigou a aplicação da MA na digestão anaeróbia de diferentes substratos orgânicos por meio de uma abordagem integrada, envolvendo síntese de evidências, experimentação controlada e operação de reatores contínuos, visando avaliar seus efeitos sobre a produção de metano, a cinética de degradação, a estabilidade do processo e a dinâmica da comunidade microbiana. Inicialmente, foi realizada uma revisão sistemática com meta-análise da literatura sobre MA aplicada à digestão anaeróbia. Os resultados evidenciaram o crescente interesse científico pela tecnologia, com predominância de estudos em sistemas descontínuos em escala laboratorial. A síntese quantitativa demonstrou que os efeitos da MA sobre a produção de metano dependem do substrato e das condições operacionais, sendo os maiores ganhos observados para determinados substratos sob condições mesofílicas e concentrações intermediárias de sólidos voláteis, reforçando a necessidade de estratégias específicas para cada aplicação. Em seguida, a MA foi avaliada como pré-tratamento de águas residuárias da suinocultura em ensaios de potencial bioquímico de metano (PBM), utilizando planejamento experimental, metodologia de superfície de resposta e modelagem cinética. A MA aumentou a produção de metano em até 31,9% em relação à digestão anaeróbia convencional. A análise cinética revelou incrementos de até 28% na constante de produção de metano e de até 85% na taxa máxima de produção, indicando aceleração das etapas limitantes da degradação. A condição ótima, correspondente à aplicação de 45 mL de ar g SV1 durante dois dias, maximizou o desempenho metanogênico. Por fim, a aplicação contínua da MA foi investigada em um reator de mistura completa operado sob redução progressiva do TRH e aumento da carga orgânica. A redução do TRH desestabilizou o processo, promovendo aumento de aproximadamente quinze vezes na concentração de ácidos graxos voláteis e redução da eficiência de remoção da matéria orgânica. Nessas condições, a MA favoreceu a recuperação do sistema, reduzindo em até 60% o acúmulo de intermediários metabólicos, diminuindo as oscilações na produção de biogás e promovendo a reorganização funcional da comunidade microbiana. As análises microbiológicas indicaram favorecimento de populações sintróficas e da metanogênese hidrogenotrófica, aumentando a resiliência do processo sob estresse operacional. De forma geral, os resultados demonstram que a MA constitui uma estratégia multifuncional para a digestão anaeróbia, aumentando a produção de metano e melhorando as rotas de degradação, a estabilidade operacional e as interações microbianas. Ao integrar síntese de evidências, otimização experimental, modelagem cinética e ecologia microbiana, esta tese amplia a compreensão dos mecanismos da microaeração e fornece bases científicas para o desenvolvimento de processos anaeróbios mais eficientes e resilientes para o tratamento de resíduos orgânicos e águas residuárias.