The effects of sonication on gravity separation of waste activated sludge

• Autorzy: Kamizela T. , Kowalczyk M. , Malińska K

Warianty tytułu

PL

Efekty grawitacyjnej separacji sonifikowanego osadu czynnego

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Sonication applied to different phases of wastewater and sewage sludge treatment can be beneficial in many respects. The work reported in the literature is mostly focused on sonication as a disintegration process. However, sonication is also used for conditioning of biological sludge. Disintegrating and conditioning effects of ultrasonic waves depend on the value of specific energy. The aim of the presented work was to perform the analysis of solid/liquid separation of waste activated sludge that was subjected to sonication. The properties and structure of activated sludge changed due to the exposure to ultrasounds. This resulted in some changes in the process dynamics of sedimentation and compression. The results showed that sonication accelerated the process of settling and enhanced compression of the particles. However, thickened sludge obtained by gravity separation showed low dewaterability. Gravitational separation of activated sludge subjected to sonication caused a problem with contamination of the obtained supernatant. The increase in the ultrasounds specific energy resulted in cyclical deterioration in the quality of the supernatant. The concentration of organic substance was as high as for municipal wastewater. As a result the liquid with significant quantities of solid particles can be used as growing medium for microorganisms due to increased biodegradability. Moreover, due to the sonication a layer of suspended sludge is formed. This layer consists of a large number of particles that are not subject to sedimentation. Also, this layer sustains biological activity of living organisms. It is proposed to use activated sludge sonication within separate technological system of gravitational separation. The supernatant and thickened sludge obtained from gravity separation can be considered as valuable products. The observed effects of sonication depended on the following variables: the amplitude of ultrasonic wave and specific energy. It was found that generally there are no significant differences in the observed effects of sonication for different amplitudes required to maintain stable values of specific energy. Sonication effects can be described by mathematical functions (linear regression) that allow the control of ultrasonic treatment.

PL

Dotychczasowe doświadczenia laboratoryjne wskazują, że proces sonifikacji można wykorzystywać niemalże na każdym etapie oczyszczania ścieków i przeróbki osadów. W większości przypadków sonifikację traktuje się jako metodę dezintegracji, w tym dezintegracji osadów nadmiernych kierowanych do komór fermentacyjnych. Sonifikacja może być również wykorzystana jako czynnik kondycjonujący osady ściekowe. Dezintegracyjne bądź kondycjonujące oddziaływanie fali ultradźwiękowej jest silnie uzależnione od energii wprowadzonej do sonifikowanego medium. Celem przedstawionej pracy była analiza efektywności separacji grawitacyjnej sonifikowanej zawiesiny osadu czynnego. Widocznym efektem nadźwiękawiania osadu czynnego było rozbicie struktury kłaczków. Rezultatem sonifikacji były również silne zmiany w dynamice procesu sedymentacji oraz kompresji cząstek. Odnotowano znaczące zwiększenie prędkości sedymentacji cząstek oraz skrócenie czasu zagęszczania. Uzyskane osady zagęszczone charakteryzowały się jednak ograniczoną podatnością na odwadnianie. Kolejną wadą rozdziału grawitacyjnego sonifikowanych zawiesin było pogorszenie jakości cieczy nadosadowych. Stężenia zanieczyszczeń w cieczy nadosadowej odpowiadały charakterystyce jakościowej dopływających do oczyszczalni ścieków komunalnych. Zdaniem autorów uzyskane produkty rozdziału grawitacyjnego można rozpatrywać jako łatwobiodegradowlane substraty dla biocenozy osadu czynnego. Ciecze nadosadowe można scharakteryzować jako łatwo biodegradowalny substrat organiczny. Ponadto cząstki stałe pozostające w cieczy nadosadowej tworzą stan zawieszonego osadu czynnego. Powstaje w ten sposób specyficzna warstwa filtracyjna, zachowująca aktywność biologiczną. Miejsce zastosowania niskoenergetycznej sonifikacji, takiej jak w zrealizowanych badaniach, widzi się jako proces prowadzony w wydzielonym ciągu technologicznym opartym na zagęszczaczu osadów sonifikowanych. Uzyskane produkty rozdziału grawitacyjnego o wysokiej podatności na biodegradację, tj. ciecze nadosadowe oraz osady zagęszczone, można dozować do reaktorów osadu czynnego. Obserwowane efekty oddziaływania fali ultradźwiękowej zależały od badanych parametrów operacyjnych, tj. amplitudy drgań oraz właściwej energii sonifikacji. Stwierdzono, że na ogół nie ma znaczących różnic w zaobserwowanych efektach w zależności od wielkości zastosowanej amplitudy przy stałej wielkości energii sonifikacji wprowadzonej do osadów. Drugi wniosek wypływający z analizy matematycznej dotyczy możliwości opisu zmian wartości badanych parametrów w funkcji zwłaszcza właściwej energii sonifikacji za pomocą regresji liniowej.

Słowa kluczowe

EN

activated sludge; gravity separation; sonication

PL

osad czynny; separacja grawitacyjna; sonifikacja

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2015
• Tom: T. 18, nr 2
• Strony: 155--167
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz.

Twórcy

autor

Kamizela T.

• Czestochowa University of Technology, Faculty of Environmental Engineering, and Biotechnology, Institute of Environmental Engineering, Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa

autor

Kowalczyk M.

• Czestochowa University of Technology, Faculty of Environmental Engineering, and Biotechnology, Institute of Environmental Engineering, Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa

autor

Malińska K

• Czestochowa University of Technology, Faculty of Environmental Engineering, and Biotechnology, Institute of Environmental Engineering, Brzeźnicka 60a, 42-200 Częstochowa

Bibliografia

• [1] Zawieja I., Wolny L., Wolski P., Influence of excessive sludge conditioning on the efficiency of anaerobic stabilization process and biogas generation, Desalination 2008, 222, 374-381.
• [2] Martín M.A., Gonzalez I., Serrano A., Siles J.A., Evaluation of the improvement of sonication pre-treatment in the anaerobic digestion of sewage sludge, Journal of Environmental Management 2015, 147, 330-337.
• [3] Braguglia C.M., Gianico A., Mininni G., Laboratory-scale ultrasound pre-treated digestion of sludge: Heat and energy balance, Bioresource Technology 2011, 102, 7567-7573.
• [4] Mohammadi A.R., Mehrdadi N., Bidhendi G.N., Torabian A., Excess sludge reduction using ultrasonic waves in biological wastewater treatment, Desalination 2011, 275, 67-73.
• [5] Gogate P.R., Kabadi A.M., A review of applications of cavitation in biochemical engineering/biotechnology, Biochemical Engineering Journal 2009, 44, 60-72.
• [6] Feng X., Lei H., Deng J., Yu Q., Li H., Physical and chemical characteristics of waste activated sludge treated ultrasonically, Chemical Engineering and Processing 2009, 48, 187-194.
• [7] Gonze E., Pillot S., Valette E., Gonthier Y., Bernis A., Ultrasonic treatment of an aerobic activated sludge in a batch reactor, Chemical Engineering and Processing 2003, 42, 965-975.
• [8] Laurent J., Casellas M., Pons M.N., Dagot C., Flocs surface functionality assessment of sonicated activated sludge in relation with physico-chemical properties, Ultrasonics Sonochemistry 2009, 16, 488-494.
• [9] Zhang G., Zhang P., Gao J., Chen Y.Y., Using acoustic cavitation to improve the bio-activity of activated sludge, Bioresource Technology 2008, 99, 1497-1502.
• [10] Yu J.J., Chen H., Ji Y.X., Zhang J., Ma C., Jin R.C., Mechanisms of ultrasound irradiation for enhancing the ANAMMOX process, Separation and Purification Technology 2014, 130, 141- 146.
• [11] Kidak R., Wilhelm A.M., Delmas H., Effect of process parameters on the energy requirement in ultrasonical treatment of waste sludge, Chemical Engineering and Processing 2009, 48, 1346- -1352.
• [12] Bougrier C., Carrere H., Delgenes J.P., Solubilisation of waste-activated sludge by ultrasonic treatment, Chemical Engineering Journal 2005, 106, 163-169.
• [13] Tchobanoglous G., Burton F.L., Stensel H.D., Wastewatwer engineering. Treatment, disposal, reuse, Metcalf and Eddy. Inc., McGraw Hill 1991.
• [14] APHA, AWWA, WPCF, Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 20th ed., American Public Health Association, Washington, 1998.
• [15] Talmadge W.P., Fitch E.B., Industrial and Engineering Chemistry 1955, 47, 38-41.
• [16] Yetilmezsoy K., A new empirical model for the determination of the required retention time in hindered settling, Fresenius Environmental Bulletin 2007, 16, 6, 674-684.