Disintegrating Influence of Sonication on the Excess Sludge Liquification and their Microbiological Indicator

• Autorzy: Zawieja Iwona , Brzeska Kinga

Warianty tytułu

PL

Dezintegrujący wpływ sonifikacji na upłynnienie osadów nadmiernych oraz ich wskaźniki mikrobiologiczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The rate of decomposition of organic matter during methane fermentation is limited by the speed of the first phase of this process, called hydrolysis, during which liquefaction process of organic compounds takes place. For the pre-treatment of sludge before methane fermentation, disintegration techniques are used, which depending on the type of energy supplied to the system, can be divided into four groups: chemical, thermal, mechanical, biological methods. An effective method of mechanical disintegration of sewage sludge is the technology associated with the use of ultrasound. The impact of ultrasonic waves distorts the state of balance in the system, leads to better spatial packing of molecules, changing the structure of sewage sludge and their physico-chemical properties. The aim of the study was to determine the disintegrating influence of sonication on the excess sludge liquification expressed as the increase in the soluble chemical oxygen demand (SCOD) value of the modified excess sludge as well as estimating of the microbiological indicators of sonicated sludge. The process of disintegration of excess sludge with the ultrasonic field was carried out with the use of a disintegrator type UD-20 with a vibration frequency of 22 kHz and a maximum output power of 180W. Microbiological analyzes performed for non-modified and disintegrated sludge concerned the number of mesophilic and psychrophilic microorganisms, Salmonella spp bacteria and Escherichia coli type bacteria, which is a pathogenic species. Periodic methane fermentation of excess sludge was carried out for 10 days, in the temperature of 37°C. As a result of subjecting the excess sludge to disintegration with an ultrasonic field, an increase in the degree of liquefaction of sludge was noted, expressed as an increase in the value of soluble chemical oxygen demand (SCOD). For the vibration amplitude of 16μm and sonication time of 300 s about 5-fold increase of SCOD values in relation to initial values was obtained. The highest degree of elimination of the studied groups of microorganisms was noted on the 10th day of the methane fermentation process of modified excess sludge.

PL

Szybkość rozkładu substancji organicznych podczas fermentacji metanowej jest ograniczona szybkością pierwszej fazy tego procesu zwanej hydrolizą, podczas której następuje upłynnienie związków organicznych. W celu wstępnej modyfikacji osadów przed fermentacją metanową stosuje się techniki dezintegracji, które w zależności od rodzaju energii dostarczanej do układu można podzielić na cztery grupy: chemiczne, termiczne, mechaniczne, biologiczne. Skuteczną metodą mechanicznej dezintegracji osadów ściekowych jest technologia związana z zastosowaniem ultradźwięków. Oddziaływanie fal ultradźwiękowych zakłóca stan równowagi w układzie, prowadzi do lepszego przestrzennego upakowania cząsteczek, zmieniając przy tym strukturę osadów ściekowych oraz ich właściwości. Celem badań było określenie dezintegrującego wpływu sonikacji na upłynnienie osadów nadmiernych wyrażone wzrostem wartości rozpuszczonego chemicznego zapotrzebowania na tlen (ChZT_rozp.), a także oszacowanie wskaźników mikrobiologicznych sonifikowanych osadów. Proces dezintegracji osadów nadmiernych polem ultradźwiękowym przeprowadzono przy użyciu dezintegratora typu UD-20 o częstotliwości drgań 22 kHz i maksymalnej mocy wyjściowej 180 W. Analizy mikrobiologiczne przeprowadzone dla osadów niemodyfikowanych i dezintegrowanych dotyczyły określenia liczebności mikroorganizmów mezofilnych i psychrofilnych, bakterii Salmonella spp i bakterii typu Escherichia coli, która jest gatunkiem patogennym. Okresową fermentację metanową osadów nadmiernych prowadzono przez 10 dób, w temperaturze 37°C. W wyniku poddania osadów nadmiernych modyfikacji za pomocą pola ultradźwiękowego odnotowano wzrost stopnia upłynnienia osadów, wyrażony wzrostem wartości rozpuszczonego chemicznego zapotrzebowania na tlen. Dla amplitudy drgań 16 μm i czasu sonikacji 300 s uzyskano około 5-krotny wzrost wartości ChZT_rozp. w stosunku do wartości początkowych. Najwyższy stopień eliminacji badanych grup mikroorganizmów odnotowano w 10 dobie procesu fermentacji metanowej modyfikowanych osadów nadmiernych.

Słowa kluczowe

EN

excess sludge; ultrasonic field disintegration; soluble chemical oxygen demand; SCOD; methane fermentation; microbiological indicators

PL

osady nadmierne; dezintegracja ultradźwiękowa; rozpuszczone chemiczne zapotrzebowanie na tlen; ChZT; fermentacja metanowa; wskaźniki mikrobiologiczne

• Wydawca: Politechnika Koszalińska
• Czasopismo: Rocznik Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2019
• Tom: Tom 21, cz. 1
• Strony: 456--471
• Opis fizyczny: Bibliogr. 27 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Zawieja Iwona

• Czestochowa University of Technology, Poland

autor

Brzeska Kinga

• Czestochowa University of Technology, Poland

Bibliografia

• 1. Bień, J., Zawieja, I., Wolski, P. (2005). Pozyskiwanie biogazu z osadów ściekowych – metody intensyfikacji. Konferencja Naukowo-Techniczna Zintegrowane, inteligentne systemy wykorzystania energii odnawialnej, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa – Podlesice, 12, CD-ROM.
• 2. Bień, J., Szparkowska, I. (2004). Wpływ dezintegracji ultradźwiękowej osadów ściekowych na przebieg procesu stabilizacji beztlenowej. Inżynieria i Ochrona Środowiska, 7 (3-4), 341-352.
• 3. Cichowicz, K. (2007). Dezintegracja ultradźwiękowa osadów ściekowych, Oczyszczanie ścieków i przeróbka osadów ściekowych. Zeszyty Naukowe Uniwersytetu Zielonogórskiego, Wydawnictwo Uniwersytetu Zielonogórskiego, 13, 133-138.
• 4. Gonze, E., Pillot, S., Valette, E., Gonthier Y., Bernis A. (2003). Ultrasonic treatment of an aerobic activated sludge in a batch reactor. Chemical Engineering & Processing: Process Intensification, 42(12), 965-975.
• 5. Gronroos, A., Kyllonen, H., Korpijarvi, K., Pirkonen, P., Paavola, T., Jokela, J., Rintala, J. (2005) Ultrasound assisted method to increase soluble chemical oxygen demand (SCOD) of sewage sludge for digestion. Ultrason. Sonochem., 12, 115-120.
• 6. Hogan, F., Mormede, S., Clark, P., Crane, M. (2004) Ultrasonic sludge treatment for enhanced anaerobic digestion. Water Sci. Technol., 50, 25-32.
• 7. Kidak, R., Wilhelm, A.M., Delmas, H. (2009). Effect of process parameters on the energy requirement in ultrasonical treatment of waste sludge. Chemical Engineering and Processing, 48, 1346-1352.
• 8. Lehne, G., Müller, J., Schwedes, J. (2001). Mechanical disintegration of sewage sludge. Water Sci. Technol., 43, 19-26.
• 9. Müller, J., Lehne, G., Schwedes, J., Battenberg, S., Näveke, R., Kopp, J., Dichtl, N., Scheminski, A., Krull, R., Hempel, D. C. (1998). Disintegration of sewage sludges and influence on anaerobic digestion. Water Sci. Technol. 38, 425-433.
• 10. Nanzai, B., Okitsu, K., Takenaka, N., Bandow, H., Tajima, N., Maeda, Y. (2009). Effect of reaction vessel diameter on sonochemical efficiency and cavitation dynamics. Ultrasonics Sonochemistry, 16, 163-168.
• 11. Penaud V., Delgenes J., Moletta R. (1999). Thermo-chemical pretreatment of a microbial biomass: influence of sodium hydroxide addition on solubilization and anaerobic biodegradability. Enzyme and Microbial Technology, 25, 258-263.
• 12. Pietraszek, P., Podedworna, J. (1990). Ćwiczenia laboratoryjne z technologii osadów ściekowych. Wydawnictwo Politechniki Warszawskiej, Warszawa.
• 13. Podedworna, J., Umiejewska, K. (2008). Technologia osadów ściekowych. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa.
• 14. Polish Standards (PN-EN ISO 7027) Publishing Standards, Warsaw.
• 15. Polish Standards (PN-EN-12879), Publishing Standards, Warsaw.
• 16. Stępniak, L. (2006). Zastosowanie pola ultradźwiękowego do wspomagania procesu koagulacji w uzdatnianiu wody, seria Monografie nr 112, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa.
• 17. Tiehm, A, Nickel, K., Neis, U. (1997). The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge. Water Science and Technology, 36(11), 121-128.
• 18. Wójtowicz, A. (2006). Dezintegracja – wprowadzenie do zagadnienia. Forum Eksploatatora, 1(22), 34-38.
• 19. Wolny, L., Kamizela, T. (2003). Technika dezintegracji ultradźwiękowej w technologii ścieków i osadów ściekowych. Ekologia i Technika, 1(61), 3-7.
• 20. Wolski, P. (2016). Support of the final thickening and dewatering of sludge. Rocznik Ochrona Środowiska, 18, 730-742.
• 21. Wolski, P., Małkowski, M. (2014). Dewatering of excess sludge submitted anaerobic stabilization assisted conditioning process. Rocznik Ochrona Środowiska, 16, 93-104.
• 22. Wolski, P., Wolny, L. (2011). Wpływ dezintegracji i fermentacji na podatność osadów ściekowych do odwadniania. Rocznik Ochrona Środowiska, 13(2), 1697-1706.
• 23. Woszczyk-Cierzyńska, K., Bień, J., Kacprzak, M. (2007). The Effect of Sewage Sludge Sonification on Sanitary Factors and Pathogenic Fungi. Environment Protection Engineering, 33(2), 241-248.
• 24. Zhang, G., Zhang, P., Yang, J., Chen, Y. (2007). Ultrasonic reduction of excess sludge from the activated sludge system. Journal of Hazardous Materials, 145, 515-519.
• 25. Zielewicz-Madej, E., Fukas-Płonka, Ł. (2002). Dezintegracja ultradźwiękowa jako metoda intensyfikacji procesu fermentacji metanowej. Konferencja Naukowo-Techniczna, Woda – ścieki – odpady w środowisku, Oczyszczanie ścieków – nowe trendy, Wydawnictwo Uniwersytetu Zielonogórskiego, Zielona Góra, 225-232.
• 26. Zielewicz, E., Sorys, P., Janik, M., Fukas-Płonka, Ł. (2008). Dezintegracja hybrydowa jako metoda poprawy efektów stabilizacji osadu. Inżynieria i Ochrona Środowiska, 11(3), 397-409.
• 27. Zielewicz-Madej E. (2001). Zastosowanie dezintegracji ultradźwiękowej do intensyfikacji produkcji lotnych kwasów tłuszczowych z osadu wtórnego, Konferencja Naukowo- Techniczna, Osady ściekowe – problem aktualny, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa – Ustroń, 154-160.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).