Agricultural residues and lignocellulosic materials (such as manure and plant residues) are important resources due to their abundance. Their extended usage in anaerobic digestion (AD), at which organic matter (OM) is degraded in the absence of oxygen to produce biomethane, is important in the effort to increase both Sweden’s biomethane production towards 10 TWh by 2030 and reaching EUs goal of 350 TWh by 2030. Agricultural residues are known to be hard to degrade in AD processes, therefore exploring new ways to improve their degradation is strategic to expand biogas production, mainly consisting of biomethane and carbon dioxide. AD has many applications, such as nutrients recovery in waste management, biofuel production, renewable heating and electricity generation, and production of green chemicals and fodder. Promoting the use of AD processes is an important step towards the establishment of sustainable waste handling of organic residues as well as industrial and agricultural activities.

In this thesis, novel approaches are evaluated to enhance the biogas production from agricultural residues. The thesis focuses on post-processing of residues from AD, so called digestate, to harness biogas potentials from organic resources rich in lignocellulose that are currently underutilized. The potential for improving the degradation of residual OM through post-treatment and post-digestion was investigated through several long-term studies using semi-continuously fed stirred reactors and a batch study. For the first study semi-continuous-stirred tank reactors were used to evaluate moderate thermal treatment (70 °C, 1 h) on different types of digestate from full-scale biogas plants (food waste, agricultural waste and mainly manure-based agricultural waste) to target residual OM. In the second study the solid fraction of phase-separated agricultural digestate was post-digested with starch in batch to determine if a priming effect (i.e., increased turnover of OM due to the addition of easily degradable carbon) could be obtained. In the third experimental study priming was investigated in a semi-continuous system and a main digester and post-digester were operated using a substrate mix of agricultural waste and manure. Starch was added every other day to evaluate if a priming effect was detected. In the final study, the effects on recirculation of digestate were evaluated to stabilize a perturbed system consisting of a main digester and post-digester operating on plant based agricultural waste, highlighting the advantages of a post-digester for a perturbed system. For all studies biogas and biomethane production was evaluated, in addition to process parameters such as pH, total solids, volatile solids, and ammonium-nitrogen concentrations. Microbial communities were analyzed to investigate if any structural community changes occurred when a priming agent was added, and how the microbial community changed during process disturbances.

The results showed that moderate thermal treatment efficiency varied depending on the type of digestate origin. Food waste digestate showed the highest improvement (21-22 %) in biomethane production, followed by the plant based agricultural waste (9 %). The manure and agricultural digestate gave inconclusive results due to process disturbances. A significant increase in the dissolved organic carbon due to thermal treatment was observed for all three digestate types (110-200, 24-92 and 4-73 % for food waste, agricultural waste, and manure-based agricultural waste, respectively). Priming effects, due to small share of starch amendment, could be observed both in batch and semi-continuous systems which had a positive impact on the rate of the process as well as the overall biogas production and specific methane production. Starch addition led to a shift in the microbial community structure, which likely benefited lignocellulolytic activities as an increased degradation of cellulose, hemicellulose and total sugar were detected. Finally, recirculation of whole digestate from the post-digester was proved to stabilize the perturbed AD process by increasing the pH, ammonium-nitrogen concentration, and alkalinity in the main digester. Mechanistically, the post-treatments can be related to increased dissolution of organic matter (thermal treatment), increased hydrolytic, fermentative, and methanogenic activity (priming) and recirculation of nutrients and biomass as well as increased solids content (recirculation).

The thesis highlights the advantages that post-treatments and post-digestion can provide, both for increased degradation of residual organic structures but also overall stabilization for agricultural processes. All the post-treatments investigated relate to current processes such as hygienization, redirection of substrates and digestate management which highlights their opportunities for further applications in full-scale.

Jordbruksrester och material av lignocellulosa (som växtrester och gödsel) är viktiga resurser och finns i stor omfattning. En ökad användning av dessa material som substrat vid anaerob rötning, nedbrytning av organiskt material i frånvaro av syre, för att producera biometan är centralt i strävan att öka både Sveriges biometanproduktion mot 10 TWh år 2030 och att nå EU:s mål om 350 TWh år 2030. Jordbruksrester är rika på lignocellulosa och kända för att vara svårnedbrytbara i rötningsprocesser. Att hitta nya sätt för att förbättra nedbrytningen av dessa substrat är därför strategiskt viktigt för att möta behovet av en utökad biogasproduktion. Rötningsprocesser har många tillämpningar, som återvinning av näringsämnen vid avfallshantering, produktion av fordonsbränsle, förnybar värme och elproduktion samt produktion av gröna kemikalier och foder. Att främja rötningsprocesser är dessutom viktigt för etablering av hållbar avfallshantering, industri- och jordbruksverksamhet.

I denna avhandling undersöks nya tillvägagångssätt för att förbättra biogasproduktion från jordbruksrester. Avhandlingen fokuserar på efterbehandlingar av rötrester innehållande lignocellulosa följt av efterrötning med syfte att realisera outnyttjade biogaspotentialer. Ett flertal långtidsförsök med hjälp av semi-kontinuerliga biogasreaktorer samt en batch-studie har nyttjats för experimentella studier. För den första studien drevs semi-kontinuerligt matade tank reaktorer för att utvärdera måttlig värmebehandling (70 °C, 1 h) på rötrester från tre olika fullskaliga biogasanläggningar (matavfall, jordbruksrester och gödsel kombinerat med jordbruksrester) med syfte att bryta ned organiska reststrukturer. I den andra studien efterrötades den fasta fraktionen av fasseparerad rötrest tillsammans med stärkelse i batch-försök för att utröna om en priming-effekt (ökad omsättningen av organiskt material på grund av tillsats av lättnedbrytbart kol) kunde erhållas. I den tredje experimentella studien undersöktes priming i ett kontinuerligt system med en huvudrötkammare och efterrötkammare som rötade en substratblandning av jordbruksavfall och gödsel. Stärkelse (priming substrat) tillsattes varannan dag för att utvärdera om en priming-effekt kunde observeras. I den slutliga studien utvärderades effekterna av recirkulering av rötrest i ett försök att stabilisera ett stressat system bestående av en huvudrötkammare och en efterrötkammare som rötade växtbaserade jordbruksrester. Studien påvisade fördelarna med en efterrötkammare för ett stressat system med ihållande process-störningar.  

För samtliga studier utvärderades biogas- och biometanproduktion, samt processparametrar som pH, torrsubstans, organiskt innehåll och koncentrationer av ammonium-kväve. Mikrobiella analyser genomfördes för att undersöka om strukturella mikrobiella förändringar skedde när en priming-effekt erhölls, samt för att klargöra hur det mikrobiella samhället förändrades vid process-störningar.

Resultaten visade att måttlig värmebehandling av rötrest varierar mellan vilken typ av substrat rötresten härrör från. Matavfalls-rötrest gav den bästa förbättringen i biometanproduktionen (21-22 %), följt av växtbaserade jordbruksrester (9 %). Rötrest från en blandning av gödsel och jordbruksrester gav osäkra resultat med anledning av process-störningar. En signifikant ökning av löst organiskt kol på grund av måttlig värmebehandling observerades för samtliga tre rötrester (110-200, 24-92 och 4-73 % för matavfall, växtbaserade jordbruksrester samt en blandning av jordbruksrester och gödsel). Priming-effekter kunde observeras både i batch- och i semi-kontinuerliga system vilka hade en inverkan på processens hastighet (gaskinetik) såväl som den totala biogas- och specifika biometanproduktionen. Mindre tillsats av stärkelse ledde till en förändring i den mikrobiella samhällsstrukturen, vilket sannolikt gynnade lignocellulolytiska aktiviteter eftersom en ökad nedbrytning av cellulosa, hemicellulosa och totalt socker samtidigt erhölls i semi-kontinuerliga system. Slutligen visade det sig att recirkulering av rötrest från efterrötare till huvudrötare kunde stabilisera ett stressat system genom att öka dess pH, koncentration av ammonium-kväve och alkalinitet. Mekanismerna bakom efterbehandlingarna kan kopplas till ökad lösningsgrad av organiskt material (värmebehandling), ökad hydrolytisk, fermentativ och metanogen aktivitet (priming) och recirkulering av näringsämnen och biomassa samt ökad torrsubstanshalt (recirkulering).

Avhandlingen belyser de fördelar som efterbehandling och efterrötning kan bidra till, avseende ökad nedbrytning av svårnedbrytbart organiskt material och övergripande process-stabilisering vid rötning av jordbrukssubstrat. Alla undersökta efterbehandlingar relaterar till aktuella processer såsom hygienisering, dirigering av substrat och rötresthantering vilket lyfter fram att det finns vidare möjligheter för applicering i fullskaliga anläggningar.