The course of the methane fermentation process of dry ice modified excess sludge

• Autorzy: Zawieja Iwona Ewa

Identyfikatory

DOI

10.24425/aep.2019.126421

Warianty tytułu

PL

Przebieg procesu fermentacji metanowej osadów nadmiernych modyfikowanych suchym lodem

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The essence of the methane fermentation course is the phase nature of changes taking place during the process. The biodegradation degree of sewage sludge is determined by the effectiveness of the hydrolysis phase. Excess sludge, in the form of a flocculent suspension of microorganisms, subjected to the methane fermentation process show limited susceptibility to the biodegradation. Excess sludge is characterized by a significant content of volatile suspended solids equal about 65 ÷ 75%. Promising technological solution in terms of increasing the efficiency of fermentation process is the application of thermal modification of sludge with the use of dry ice. As a result of excess sludge disintegration by dry ice, denaturation of microbial cells with a mechanical support occurs. The crystallization process takes place and microorganisms of excess sludge undergo the so-called “thermal shock”. The aim of the study was to determine the effect of dry ice disintegration on the course of the methane fermentation process of the modified excess sludge. In the case of dry ice modification reagent in a granular form with a grain diameter of 0.6 mm was used. Dry ice was mixed with excess sludge in a volume ratio of 0.15/1, 0.25/1, 0.35/1, 0.45/1, 0.55/1, 0.65/1, 0.75/1, respectively. The methane fermentation process lasting for 8 and 28 days, respectively, was carried out in mesophilic conditions at 37°C. In the first series untreated sludge was used, and for the second and third series the following treatment parameters were applied: the dose of dry ice in a volume ratio to excess sludge equal 0.55/1, pretreatment time 12 hours. The increase of the excess sludge disintegration degree, as well as the increase of the digestion degree and biogas yield, was a confirmation of the supporting operation of the applied modification. The mixture of reactant and excess sludge in a volume ratio of 0.55/1 was considered the most favorable combination. In relation to not prepared sludge for the selected most favorable conditions of excess sludge modification, about 2.7 and 3-fold increase of TOC and SCOD values and a 2.8-fold increase in VFAs concentration were obtained respectively. In relation to the effects of the methane fermentation of non-prepared sludge, for modified sludge, about 33 percentage increase of the sludge digestion degree and about 31percentage increase of the biogas yield was noticed.

PL

Istotą przebiegu fermentacji metanowej jest fazowy charakter przemian zachodzących w trakcie procesu. Stopień biodegradacji osadów ściekowych zależy od skuteczności fazy hydrolizy. Osady nadmierne występujące w postaci kłaczkowatej zawiesiny drobnoustrojów, poddawane procesowi fermentacji metanowej, wykazuje ograniczoną podatność na biodegradację. Osady nadmierne charakteryzują się znaczną około 65 ÷ 75% zawartością substancji organicznych. Obiecującym rozwiązaniem technologicznym pod względem zwiększenia efektywności procesu fermentacji jest zastosowanie modyfikacji osadów nadmiernych suchym lodu. W wyniku dezintegracji osadów nadmiernych suchym lodem zachodzi denaturacja komórek drobnoustrojów o podłożu mechanicznym. Zachodzi proces krystalizacji, a mikroorganizmy osadu nadmiernego ulegają tak zwanemu „szokowi termicznemu”. Celem badań było określenie wpływu dezintegracji osadów nadmiernych suchym lodem na przebieg procesu fermentacji metanowej modyfikowanych osadów. W przypadku modyfikacji suchym lodem zastosowano reagent w postaci granulatu o uziarnieniu 0,6 mm. Suchy lód zmieszano z osadem nadmiernym w stosunku objętościowym odpowiednio 0,15/1, 0,25/1, 0,35/1, 0,45/1, 0,55/1, 0,65/1, 0,75/1. Proces fermentacji metanowej trwający 8 i 28 dób prowadzono w warunkach mezofilowych w 37°C. W pierwszej serii zastosowano niepreparowane osady nadmierne, a w kolejnej mieszaninę suchego lodu i osadów nadmiernych w stosunku objętościowym wynoszącym 0,55/1, czas wstępnej obróbki 12 godzin. Uzyskany wzrost stopnia przefermentowania osadów i efektywności produkcji biogazu jest potwierdzeniem wspomagającego działania zastosowanej modyfikacji. Mieszaninę reagenta i osadów nadmiernych w stosunku objętościowym 0,55/1 uznano za najkorzystniejsze połączenie. W odniesieniu do niepreparowanych osadów nadmiernych, dla wybranych warunków dezintegracji uzyskano odpowiednio około 2,7- i 3-krotny wzrost wartości całkowitego węgla organicznego, rozpuszczonego chemicznego zapotrzebowania na tlen oraz 2,8-krotny wzrost stężenia lotnych kwasów tłuszczowych. W odniesieniu do efektów fermentacji metanowej niepreparowanych osadów nadmiernych, w przypadku osadów modyfikowanych odnotowano około 33% wzrost stopnia przefermentowania i około 31% wzrost wartości jednostkowej produkcji biogazu.

Słowa kluczowe

EN

methane fermentation; excess sludge; dry ice disintegration

PL

fermentacja metanowa; osad nadmierny; rozpad suchego lodu

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2019
• Tom: Vol. 45, no. 1
• Strony: 50--58
• Opis fizyczny: Bibliogr.30 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Zawieja Iwona Ewa

• Czestochowa University of Technology, Poland, Faculty of Infrastructure and Environment

Bibliografia

• 1. Appels, L., Degrčve, J., Van der Bruggen, B., Van Impe, J. & Dewil R. (2010). Influence of low temperature thermal pre-treatment on sludge solubilisation, heavy metal release and anaerobic digestion, Bioresource Technology, 101, pp. 5743-5748.
• 2. Bartoszewski, K. (1997). The issue of removal and utilization of sewage sludge in Poland and in the world, Przegląd Komunalny, 10(73), pp. 37-40. (in Polish)
• 3. Bougrier, C., Albasi, C., Delgenès, J.P. & Carrere, H. (2006). Effect of ultrasonic, thermal and ozone pre-treatments on waste activated sludge solubilisation and anaerobic biodegradability, Chemical Engineering and Processing - Process Intensification, 45, pp. 711-718.
• 4. Carta-Escobar, F., Alvarez-Mateos, P., Romero-Guzman, F. & Pereda Marin, J. (2002). Changes in the nutrients from a dairy wastewater in batch-reactor at high pH and organic load, Chemical and Biochemical Engineering Quarterly, 16(3), pp. 131-137.
• 5. Chen, Y, Jiang, J. & Zhao, Q. (2014). Freezing/thawing effect on sewage sludge degradation and electricity generation in microbial fuel cell, Water Science Technology, 70, pp. 444-449.
• 6. Climent, M., Ferrer, I., Baeza, M. D., Artola, A., Vazquez, F. & Font, X. (2007). Effects of thermal and mechanical pre-treatments of secondary sludge on biogas production under thermophilic conditions, Chemical Engineering Journal, 133, pp. 335-342.
• 7. Eastman, J.A. & Ferguson, J.F. (1981). Solubilization of particulate organic carbon during the acid phase of anaerobic digestion, Journal of the Water Pollution Control Federation, 53, pp. 352-366.
• 8. El-Kest, S.E. & Marth Elmer, H. (1992). Freezing of listeria monocytogenes and other microorganisms: A Review, Journal of Food Protection, 55, 8, pp. 639-648.
• 9. Gao, W. (2011). Freezing as a combined wastewater sludge pretreatment and conditioning method, Desalination, 268, pp. 170-173.
• 10. Grosser, A., Worwąg, M., Neczaj, E. & Kamizela, T. (2012). Co-digestion of organic fraction of municipal solid waste with different organic wastes: A review, Environmental Engineering, 4, pp. 231-242.
• 11. Grübel, K., Chrobak, E., Rusin, A. & Machnicka, A. (2013). Elimination of Clostridium perfringens during conditioning of excess sludge, Inżynieria Ekologiczna, 32, pp. 40-47. (in Polish)
• 12. Hong, S.G., Young, J.D., Chen, G.W., Chang, I.L., Hung, W.T. & Lee, D.J. (1995). Freeze/thaw treatment on waste activated sludge: a FTIR spectroscopic study, Journal of Environmental Science and Health, Part A, 30(8), pp. 1717-1726.
• 13. Jean, D.S., Lee, D.J. & Chan, C.Y. (2001). Direct sludge freezing using dry ice, Advances in Environmental Research 5, pp. 145-150.
• 14. Jędrczak, A. (2008). Biological treatment of waste, State Scientific Publishing House, Warsaw, 2008. (in Polish)
• 15. Kai, H., Jun-Qiu, J., Qing-Liang, Z., Duu-Jong, L., Kun, W.G. & Wei Q. (2011). Conditioning of wastewater sludge using freezing and thawing: Role of curing, Water Research, 45(18), pp. 5969-5976.
• 16. Montusiewicz, A., Lebiocka, M., Rozej, A., Zacharska, E. & Pawłowski, L. (2010). Freezing/thawing effects on anaerobic digestion of mixed sewage sludge, Bioresource Technology, 101 (10), pp. 3466-3473.
• 17. Nazari, L., Yuan, Z., Santoro, D., Sarathy, S., Ho, D., Batstone, D., Xu, C. & Ray, M.B. (2016). Low-temperature thermal pre-treatment of municipal wastewater sludge: Process optimization and effects on solubilization and anaerobic degradation, Water Research, 113, pp. 111-123.
• 18. Neczaj, E., Grosser, A. & Worwąg, M. (2013). Boosting production of methane from sewage sludge by addition of grease trap sludge, Environment Protection Engineering, 39, pp. 125-133.
• 19. Neumann, P., Pesante, S., Venegas, M. & Vidal, G. (2016). Developments in pre-treatment methods to improve anaerobic digestion of sewage sludge, Reviews in Environmental Science and Biotechnology, 15, pp. 173-211.
• 20. Nowicka, E. & Machnicka, A. (2013). Hygienisation surplus acivated sludge by dry ice, Proceedings of ECOpole, 7(2), pp. 673-678.
• 21. Örmeci B. & Vesilind, P.A. (2001). Effect of dissolved organic material and cations on freeze-thaw conditioning of activated and alum sludges, Water Research, 35(18), pp. 4299-4306.
• 22. Parker, P.J. & Collins, A.G. (1997). Unidirectional freezing of waste activated sludge: the presence of sodium chloride, Environmental Science & Technology, 37 (12), pp. 1512-1517.
• 23. Sapkaite, I., Barrado, E., Fdz-Polanco, F. & Pérez-Elvira, S.I. (2017). Optimization of a thermal hydrolysis process for sludge pre-treatment, Journal of Environmental Management, 192, pp. 25-30.
• 24. Thammavongsa, B., Poncetb, J.M., Desmasuresa, N., Guéguena, M. & Panoff, J.M. (2004). Resin straw as an alternative system to securely store frozen microorganisms, Journal ofMicrobiological Methods, 57, pp. 181-186.
• 25. Vinay Kumar, T. & Shang-Lien, L. (2011). Application of physico-chemical pretreatment methods to enhance the sludge disintegration and subsequent anaerobic digestion: an up to date review, Reviews in Environmental Science and Biotechnology, pp. 215-242.
• 26. Weemaes, M. & Verstraete, W. (1998). Evaluation of current wet sludge disintegration techniques, Journal of Chemical Technology & Biotechnology, 73, pp. 83-92.
• 27. Wolski, P. & Zawieja, I. (2012). Effect of ultrasound field on dewatering of sewage sludge, Archives of Environmental Protection, 38 (2), pp. 25-31.
• 28. Wolski, P. & Zawieja, I. (2014). Hybrid conditioning before anaerobic digestion for the improvement of sewage sludge dewatering, Desalinination and Water Treatment, 52, pp. 3725-3731.
• 29. Wolski, P. & Małkowski, M. (2014). Dewatering of initially conditioned excess sludge after fermentation, Desalination and Water Treatment, 52, pp. 3973-3978.
• 30. Zawieja, I. & Wolny, L. (2013). Ultrasonic disintegration of sewage sludge to increase biogas generation, Chemical and Biochemical Engineering Quarterly, 27 (4), pp. 491-497.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).