Zastosowanie wstępnej hybrydowej hydrolizy osadu czynnego dla zwiększenia efektywności dwustopniowej fermentacji metanowej

• Autorzy: Grubel K. , Kuglarz M. , Mrowiec B. , Suschka J.

Warianty tytułu

EN

Use of hybrid pre-hydrolysis of activated sludge to increase the efficiency of two-stage anaerobic digestion

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem przeprowadzonych badań w skali laboratoryjnej było określenie wpływu wstępnej hydrolizy osadu czynnego - na drodze hybrydowego procesu dezintegracji - na zwiększenie produkcji biogazu. Zastosowany proces hybrydowy polegał na połączeniu alkalizacji osadu czynnego z procesem mechanicznym, wykorzystującym zjawisko kawitacji hydrodynamicznej. Proces alkalizacji osadu prowadzi do zniszczenia struktury kłaczków osadu czynnego, a następnie zachodzi destrukcja ściany komórkowej mikroorganizmów. Wstępne „zmiękczenie” osadu przed kolejnym mechanicznym procesem dezintegracji przyczynia się do uwolnienia materii organicznej z fazy stałej do fazy ciekłej. Wynikiem procesu hybrydowego jest synergistyczny wzrost wartości rozpuszczonego (uwolnionego) uChZT z 105 do 2330 mg O 2 /l. Uwolnienie tak dużej ilości uChZT jest znaczące w odniesieniu do efektywności zastosowania tych procesów dezintegracji oddzielnie. Zaprezentowana metoda synergistyczna jest łatwa w zastosowaniu, tania i cechująca się dużą elastycznością, pozwalającą uzyskać różny stopień dezintegracji. W pracy zaprezentowano ponadto znaczenie i potencjał prowadzenia dwuetapowej fermentacji metanowej osadu wraz z dodatkiem osadu dezintegrowanego. Pierwszy etap procesu fermentacji prowadzono w warunkach mezofilowych w czasie 12 dni, a drugi etap - po zmianie warunków termicznych - prowadzono w warunkach termofilowych w czasie 13 dni. Oceny wpływu dawki osadu dezintegrowanego hybrydowo na proces fermentacji dwustopniowej dokonano w aspekcie zwiększenia ilości produkowanego biogazu oraz minimalizacji ilości osadów pozostających do zagospodarowania. Na podstawie badań stwierdzono, że udział objętościowy osadu dezintegrowanego: 10, 20 i 30% objętościowych przyczynia się do intensyfikacji produkcji biogazu średnio o około 39, 48 i 57%.

EN

The aim of lab-scale investigation was combined effective process of waste activated sludge (WAS) pre-hydrolysis. It was based on soft alkaline sludge conditioning before partial hydrodynamic disintegration, as the pre-treatment procedure. The alkaline sludge pretreatment leads to the partial dissolution or destruction of flock structure, swelling, and subsequent solubilisation of cell walls. Alkalization and hydrodynamic disintegration of WAS result in organic matter release and polymer transfer from the solid phase to the liquid phase. These pre-treatments caused an increase of COD value from 105 to 2330 mg/l. This release of COD was significantly higher compared to the use of each method alone. Disruption of bacterial cells by the combination of alkaline and hydrodynamic cavitation pre-treatment has a positive effect and upgrades the effectiveness of anaerobic sludge digestion in terms of biogas production and sludge quantity minimization. Anaerobic digestion of WAS with addition of Waste Activated Sludge after Disintegration (WASD) by hybrid method - chemically and mechanically - was conducted under two stages - mesophilic/ thermophilic conditions. The mesophilic reactor was operated during solids retention time 12 days, while the thermophilic process was operated during 13 days. Evaluation of performance was in terms of biogas (methane) generation. Production of methane and the yield of biogas was observed after the addition of different volume of WASD. The addition of WASD (10, 20 and 30% of volume) to fermentation processes resulted in an improvement of biogas production about 39, 48 and 57%, respectively.

Słowa kluczowe

PL

osad czynny; dezintegracja hybrydowa; fermentacja dwustopniowa; biogaz

EN

waste activated sludge; hybrid disintegration; two-stage anaerobic digestion; biogas

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2014
• Tom: T. 17, nr 2
• Strony: 255--268
• Opis fizyczny: Bibliogr. 33 poz.

Twórcy

autor

Grubel K.

• Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Instytut Ochrony i Inżynierii Środowiska, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała

autor

Kuglarz M.

• Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Instytut Ochrony i Inżynierii Środowiska, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała

autor

Mrowiec B.

• Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Instytut Ochrony i Inżynierii Środowiska, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała

autor

Suschka J.

• Akademia Techniczno-Humanistyczna w Bielsku-Białej, Instytut Ochrony i Inżynierii Środowiska, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biała

Bibliografia

• [1] Kiyohara Y., Miyahara T., Mizuni O., Noike T., Ono K., A comparative study of thermophilic and mesophilic sludge digestion, Water Environ. J. 2000, 14, 2, 150-154.
• [2] Song Y.-Ch., Kwon S.-J., Woo J.-H., Mesophilic and thermophilic temperature co-phase anaerobic digestion compared with single-stage mesophilic and thermophilic digestion of sewage sludge, Water Res. 2004, 38, 1653-1662.
• [3] Roberts R., Son L., Foster C.F., Thermophilic/mesophilic dual digestion system for treating waste activated sludge, J. Chem. Technol. Biotechnol. 1999, 74, 445-450.
• [4] Han Y., Dague R.R., Laboratory studies on the temperature-phased anaerobic digestion of domestic wastewater sludge, Wat. Env. Res. 1997, 69, 6, 1139-1143.
• [5] Dogan I., Sanin F.D., Alkaline solubilization and microwave irradiation as a combined sludge disintegration and minimization method, Water Res. 2009, 43, 8, 2139-2148.
• [6] Eskicioglu C., Prorot A., Marin J., Droste R.L., Kennedy K.J., Synergetic pretreatment of sewage sludge by microwave irradiation in presence of H2O2 for enhanced anaerobic digestion, Water Res. 2008, 42, 18, 4674-4682.
• [7] Kowalczyk M., Parkitna K., Kamizela T., Wpływ kondycjonowania osadów ściekowych polem ultradźwiękowym wspomaganym substancjami chemicznymi na efektywność procesu odwadniania, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2011, 14(1) 87-94.
• [8] Barański M., Zawieja I., Wpływ termicznej hydrolizy na zmiany struktury osadów nadmiernych poddanych stabilizacji beztlenowej, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2010, 13(2) 85-91.
• [9] Kim T.-H., Kim T.-H., Yu S., Nam Y.K., Choi D.-K., Lee S.R., Lee M.-J., Solubilization of waste activated sludge with alkaline treatment and gamma ray irradiation, J. Ind. Eng. Chem. 2007, 13, 7, 1149-1153.
• [10] Salsabil M.R., Prorot A., Casellas M., Dagot C., Pre-treatment of activated sludge: Effect of sonication on aerobic and anaerobic digestibility, Chem. Eng. J. 2009, 148, 2-3, 327-335.
• [11] Tyagi V.K., Lo S-L., Application of physic-chemical pretreatment methods to enhance the sludge disintegration and subsequent anaerobic digestion: an up-to-date review, Reviews in Environmental Science and Biotechnology 2011, 10, 215-242.
• [12] Lin J.G., Chang C.N., Chang S.C., Enhancement of anaerobic digestion of waste activated sludge by alkaline solubilization, Bioresource Technol. 1997, 62, 85-90.
• [13] Lin Y., Wang D., Wu S., Wang Ch., Alkali pretreatment enhances biogas production in the anaerobic digestion of pulp and paper sludge, J. Hazard. Mater. 2009, 170, 366-373.
• [14] Navia R., Soto M., Vidal G., Bornhardt C., Diez M.C., Alkaline pretreatment of kraft mill sludge to improve its anaerobic digestion, Bull. Environ. Contam. Toxicol. 2002, 69, 869-876.
• [15] López Torres M., Espinosa Lloréns M.C., Effect of alkaline pretreatment on anaerobic digestion of solid wastes, Waste Manage. 2008, 28, 2229-2234.
• [16] Grübel K., Machnicka A., Use of hydrodynamic disintegration to accelerate anaerobic digestion of surplus activated sludge, Water Environ. Res. 2009, 81, 12, 2420-2426.
• [17] Chen Y., Jiang S., Hongying Y., Zhou Q., Gu G., Hydrolysis and acidification of waste activated sludge at different pHs, Water Res. 2007, 41, 683-689.
• [18] Neyens E., Baeyens J., Dewil R., De Heyder B., Advanced sludge treatment affects extracellular polymeric substances to improve activated sludge dewatering, J. Hazard. Mater. 2003, 106B, 83-92.
• [19] Tanaka S., Kobayashi T., Kamiyama K., Bildan M.N., Effects of thermochemical pretreatment on the anaerobic digestion of waste activated sludge, Water Sci. Technol. 1997, 35, 8, 209-215.
• [20] Vlyssides A.G., Karlis P.K., Thermal-alkaline solubilization of waste activated sludge as a pretreatment stage for anaerobic digestion, Bioresource Technol. 2004, 91, 2, 201-206.
• [21] Rabinowitz B., Stephenson R., Effect of microsludge on anaerobic digester performance and residuals dewatering at La County's JWPCP, Proceedings of the Water Environment Federation, WEFTEC 2006: Session 1 through Session 10, 490-505.
• [22] Grübel K., Machnicka A., Infrared wave analysis of activated sludge after cavitation destruction, Journal of Environmental Science and Health, Part A 2014, 49, 1, 101-107.
• [23] Eaton A.D., Clesceri L.S., Rice E.W., Greenberg A.E., Franson M.A., Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21st Edition, American Public Health Association, Washington 2005.
• [24] Cai M., Liu J., Wei Y., Enhanced biohydrogen production from sewage sludge with alkaline pretreatment, Environ. Sci. Technol. 2004, 38, 3195-3202.
• [25] Li H., Jin Y., Mahar R.B., Wang Z., Nie Y., Effects and model of alkaline waste activated sludge treatment, Bioreources Technol. 2008, 99, 5140-5144.
• [26] Xiao B., Liu J., Study on treatment of excess sludge under alkaline conditions Environ. Sci. 2006, 27, 319-323 (in Chinese).
• [27] Şahinkaya S., Sevimli M.F., Synergistic effects of sono-alkaline pretreatment on anaerobic biodegradability of waste activated sludge, J. of Ind. and Eng. Chem. 2013, 19, 197-206.
• [28] Kim J., Park C., Kim T.-H., Lee M., Kim S., Kim S.-W., Lee J., Effects of various pretreatments for enhanced anaerobic digestion with waste activated sludge, J. Biosci. and Bioeng. 2003, 95, 271-275.
• [29] Lakshmi M.V., Merrylin J., Kavitha S., Kumar S.A., Banu J.R., Yeom I.-T., Solubilization of municipal sewage waste activated sludge by novel lytic bacterial strains, Environ. Sci. Pollut. Res. 2014, 21, 2733-2743.
• [30] Bhattacharya S.K., Madura R.L., Walling D.A., Farrell J.B., Volatile solids reduction in twophase and conventional anaerobic sludge digestion, Water Res. 1996, 30, 5, 1041-1048.
• [31] Borowski S., Szopa J.S., Experiences with the dual digestion of municipal sewage sludge, Bioresource Technol. 2007, 98, 1199-1207.
• [32] Bragulia C.M., Gianico G., Mininni G., Laboratory-scale ultrasound pretreated digestion of sludge: heat and energy balance, Bioresource Technol. 2011, 102, 7567-7573.
• [33] Rani R.U., Kumar S.A., Kaliappan S., Yeom I.-T., Banu J.R., Enhancing the anaerobic digestion potential of dairy waste activated sludge by two step sono-alkalization pretreatment, Ultrason. Sonochem. 2014, 21, 1065-1074.