Effect of Thermal Disintegration of Excess Sludge on the Effectiveness of Hydrolysis Process in Anaerobic Stabilization

• Autorzy: Zawieja I. , Wolski P.

Warianty tytułu

PL

Wpływ termicznej dezintegracji osadów nadmiernych na efektywność procesu hydrolizy w stabilizacji beztlenowej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The factor which essentially affects sludge biodegradation rate is the degree of fluidization of insoluble organic polymers to the solved form, which is a precondition for availability of nutrients for microorganisms. The phases which substantially limit the rate of anaerobic decomposition include hydrolytic and methanogenic phase. Subjecting excess sludge to the process of initial disintegration substantially affects the effectiveness of the process of anaerobic stabilization. As a result of intensification of the process of hydrolysis, which manifests itself in the increase in the value and rate of generating volatile fatty acids (VFA), elongation of methanogenic phase of the process and increase in the degree of fermentation of modified sludge can be observed. Use of initial treatment of sewage sludge i.e. thermal disintegration is aimed at breaking microorganisms' cells and release of intracellular organic matter to the liquid phase. As a result of thermal hydrolysis in the sludge, the volatile fatty acids (VFA) are generated as early as at the stage of the process of conditioning. The obtained value of VFA determines the course of biological hydrolysis which is the first phase of anaerobic stabilization. The aim of the present study was to determine the effect of thermal disintegration of excess sludge on the effectiveness of the process of hydrolysis in anaerobic stabilization i.e. the rate of production of volatile fatty acids, changes in the level of chemical oxygen demand (COD) and increase in the degree of reduction in organic matter. During the first stage of the investigations, the most favourable conditions of thermal disintegration of excess sludge were identified using the temperatures of 50°C, 70°C, 90°C and heating times of 1.5 h - 6 h. The sludge was placed in laboratory flasks secured with a glass plug with liquid-column gauge and subjected to thermal treatment in water bath with shaker option. Another stage involved 8-day process of anaerobic stabilization of raw and thermally disintegrated excess sludge. Stabilization was carried out in mesophilic temperature regime i.e. at 37°C, under periodical conditions. In the case of the process of anaerobic stabilization of thermally disintegrated excess sludge at the temperature of 50°C and heating time of 6 h (mixture B) and 70°C and heating time of 4.5% (mixture C), the degree of fermentation of 30.67% and 33.63%, respectively, was obtained. For the studied sludge, i.e. mixture B and mixture C, maximal level of volatile fatty acids i.e. 874.29 mg CH3COOH/dm3 and 1131.43 mg CH3COOH/dm3 was found on the 2nd day of the process. The maximal obtained value of VFA was correlated on this day with maximal COD level, which was 1344 mg O2/dm3 for mixture B and 1778 mg O2/dm3 for mixture C.

PL

Za czynnik wpływający w istotny sposób na szybkość biodegradacji osadów uważany jest stopień upłynnienia nierozpuszczalnych polimerów organicznych do postaci rozpuszczonej, warukującej dostępność substancji odżywczych dla mikroorganizmów. Fazami ograniczającymi szybkość beztlenowego rozkładu są faza hydrolityczna i metanogenna. Poddanie osadów nadmiernych procesowi wstępnej dezintegracji znacząco wpływa na efektywność procesu stabilizacji beztlenowej. W wyniku intensyfikacji procesu hydrolizy, przejawiającej się wzrostem wartości oraz zwiększeniem szybkości generowania lotnych kwasów tłuszczowych (LKT), można zaobserwować wydłużenie fazy metanogennej procesu oraz wzrost stopnia przefermentowania modyfikowanych osadów. Zastosowanie wstępnej obróbki osadów ściekowych, tj. m.in. termicznej dezintegracji osadów, ma na celu rozbicie komórek mikroorganizmów oraz uwolnienie wewnatrzkomórkowej materii organicznej do fazy ciekłej. W wyniku zachodzącej hydrolizy termicznej osadów następuje już na etapie procesu kondycjonowania generowanie lotnych kwasów tłuszczowych (LKT). Uzyskana wartość LKT determinuje przebieg hydrolizy biologicznej, stanowiącej pierwszą fazę stabilizacji beztlenowej. Celem badań było określenie wpływu termicznej dezintegracji osadów nadmiernych na efektywność procesu hydrolizy w stabilizacji beztlenowej, tj. szybkość produkcji lotnych kwasów tłuszczowych, zmiany wartości ChZT oraz wzrost stopnia redukcji substancji organicznych. W pierwszym etapie badań dokonano określenia najkorzystniejszych warunków termicznej dezintegracji osadów nadmiernych stosując temperaturę 50°C, 70°C, 90°C i czas ogrzewania 1,5 h - 6 h. Osady umieszczone w kolbach laboratoryjnych, zamknięte szklanym korkiem z rurką manometryczną, poddano termicznej obróbce w łaźni wodnej z wytrząsaniem. W kolejnym etapie przeprowadzono 8-dobowy proces stabilizacji beztlenowej surowych oraz dezintegrowanych termicznie osadów nadmiernych. Stabilizacje prowadzono w mezofilowym reżimie temperatur tj. 37°C, w warunkach okresowych. W przypadku procesu stabilizacji beztlenowej termicznie dezintegrowanych osadów nadmiernych w temperaturze 50°C i czasie ogrzewania 6 h (Mieszanina B) oraz 70°C i czasie ogrzewania 4,5 h (Mieszanina C) uzyskano stopień przefermentowania wynoszący odpowiednio: 30,67% oraz 33,63%. Dla badanych osadów, tj. Mieszaniny B oraz C, maksymalną wartość lotnych kwasów tłuszczowych, tj. 874,29 mg CH3COOH/dm3 i 1131,43 mg CH3COOH/dm3, uzyskano w 2 dobie procesu. Z otrzymaną maksymalną wartością LKT korelowała odnotowana w ww. dobie procesu maksymalna wartość wskaźnika ChZT, wynosząca dla mieszaniny B 1344 mg O2/dm3, natomiast dla Mieszaniny C 1778 mg O2/dm3.

Słowa kluczowe

EN

excess sludge; thermal disintegration; hydrolysis; anaerobic stabilization; degree of sludge fermentation; volatile fatty acids; chemical oxygen demand

PL

osad nadmierny; rozkład termiczny; hydroliza; stabilizacja beztlenowa; stopień fermentacji osadów; lotne kwasy tłuszczowe

• Wydawca: Institute of Environmental Engineering, Polish Academy of Sciences
• Czasopismo: Archives of Environmental Protection
• Rocznik: 2012
• Tom: Vol. 38, no. 1
• Strony: 103--114
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz. tab., wykr.

Twórcy

autor

Zawieja I.

autor

Wolski P.

• Institute of Environmental Protection, Czestochowa University of Technology, Brzeźnicka 60 A, 42-200 Czestochowa, Poland,

Bibliografia

• [1].Bień J., E. Neczaj, M. Worwąg, K. Wystalska: Efektywność fermentacji metanowej osadów, Wodociągi-Kanalizacja, 2 (84), 22-24 (2011).
• [2].Bień J., M. Worwąg, K. Wystalska: Możliwości zwiększenia efektywności przeróbki i ostatecznego zagospodarowania osadów ściekowych, Forum Eksploatatora, 6 (45), 70-73 (2009).
• [3].Bień J., E. Neczaj, M. Worwąg, M. Kowalczyk: Intensyfikacja produkcji biogazu w procesie stabilizacji beztlenowej osadów przemysłowych, Gospodarka odpadami komunlanymi, Monografia pod red. K. Szymańskiego, 6, 211-218 (2010).
• [4].Bień J., L. Wolny, P. Wolski: Wpływ ultradźwięków na strukturę osadów ściekowych w procesie ich kondycjonowania, XII Konferencja Naukowo-Techniczna pod red. J. Bienia, Osady ściekowe - problem aktualny, Częstochowa, 40-50 (2001).
• [5].Zhang G., P. Zhang, J. Yang, H. Liu: Energy-efficient sludge sonification: Power and sludge characteristics, Bioresource Technology, 99, 9029-9031 (2008).
• [6].Bień J.B.: Osady ściekowe - teoria i praktyka, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2002.
• [7].Podedworna J., K. Umiejewska: Technologia osadów ściekowych, Oficyna wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2008.
• [8].Malej J.: Generowanie lotnych kwasów tłuszczowych ze strumienia ścieków surowych oraz niektóre problemy ścieków dowożonych taborem asenizacyjnym, Rocznik Ochrony Środowiska, 3, 103-128 (2001).
• [9].Karaczun Z. M., L. G. Indeka: Ochrona środowiska, Wydanie 2, Agencja Wydawnicza ARIES, Warszawa 1999.
• [10].Myszograj S.: Fermentacja metanowa osadów ściekowych hydrolizowanych termochemicznie, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, 10 (2), 141-152, Częstochowa (2007).
• [11].Skiadas I., H. Gavala, J. Lu, B. Ahring: Thermal pretreatment of primary and secondary sludge at 70°C prior to anaerobic digestion, 10-th World Congress on Anaerobic Digestion, Nat. Res., 1121-1124, Canada, Montreal (2004).
• [12].Neyens E., J. Baeyens: A review of thermal sludge pre-treatment processes to improve dewater ability, Journal of Hazardous Materials, B98, 51-67 (2003).
• [13].Wójtowicz A.: Dezintegracja - wprowadzenie do zagadnienia, Forum Eksploatatora 1 (22), 34-38 (2006).
• [14].Dąbrowska L., A. Rosińska, M. Janosz-Rajczyk: Heavy Metals and PCBs in sewage sludge during thermophilic digestion process, Archives of Environmental Protection, 37 (3), 3-13 (2011).
• [15].Polskie Normy (PN-9/C-04540/05), Wydawnictwo Normalizacyjne, Warszawa.
• [16].Polskie Normy (PN-EN-12879), Wydawnictwo Normalizacyjne, Warszawa.
• [17].Polskie Normy (PN-75/C-04616/04), Wydawnictwo Normalizacyjne, Warszawa.
• [18].Polskie Normy (PN-91/C-04540/05), Wydawnictwo Normalizacyjne, Warszawa.
• [19].International Measurements Standards ISO 7027.
• [20].Polskie Normy (PN-73/C-04576/10), Wydawnictwo Normalizacyjne, Warszawa.
• [21].Polskie Normy (PN-73/C-04576/02), Wydawnictwo Normalizacyjne, Warszawa.