Kinetyka procesu mokrego utleniania nadmiernego osadu ściekowego po wstępnej termohydrolizie

• Autorzy: Mucha J. , Urbaniak M.

Warianty tytułu

EN

Wet oxidation kinetics of excess sewage sludge after preliminary thermohydrolisis

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Proces mokrego utleniania nadmiernego osadu ściekowego należy do technik zaawansowanego utleniania w temperaturze 150+350°C, pod ciśnieniem tlenu 1,5+16,0 MPa i odbywa się najczęściej z jednoczesnym procesem termohydrolizy. Podczas tego procesu następuje konwersja związków organicznych zawartych w masie reaktywnej w małocząsteczkowe związki organiczne, wodę i CO2. W literaturze przedmiotu najczęściej nie rozdziela się obu procesów. Autorzy zaproponowali inny sposób analizy tego złożonego procesu poprzez oddzielenie termohydrolizy prowadzącej do rozdzielenia zawiesiny osadu ściekowego na hydrolizat -produkt stały i hydrolizat - produkt ciekły od zasadniczego procesu mokrego utleniania obu produktów. Wykonano badania kinetyki mokrego utleniania w różnych temperaturach obu produktów na podstawie pomiaru TOC (całkowitego węgla organicznego) w czasie procesu z zastosowaniem wysokociśnieniowego reaktora typu PARR. Jednocześnie zaproponowano równanie kinetyczne opisujące proces mokrego utleniania hydrolizatu ciekłego i stałego. Rozkład produktu ciekłego prowadzi do powstania nierozkładalnego produktu końcowego oraz gazowego, rozkład produktu stałego poprzez pośredni produkt ciekły również prowadzi do powstania produktu końcowego oraz gazowego. Otrzymane rozwiązanie równań kinetycznych opisujące zależność względnego stężenia węgla organicznego od czasu dobrze opisują wyniki doświadczalne. Na podstawie dopasowania krzywych teoretycznych do wyników eksperymentów (za pomocą programu OriginLab Origin) wyznaczono parametry kinetyczne procesu: stałe szybkości kolejnych reakcji i energie aktywacji procesów, zakładając rzędy reakcji procesów n = 1 i m = 0 względem stężenia tlenu (który występuje w procesie w ilości nadmiarowej). W przypadku produktu ciekłego stałe szybkości reakcji prowadzącej do produktów końcowych są wyższe niż do produktów gazowych. Z kolei energia aktywacji procesów utleniania do produktów gazowych jest wyższa niż do produktów końcowych. Energia aktywacji procesu powstawania z fazy stałej produktów gazowych jest niższa od energii aktywacji powstawania produktów gazowych z fazy ciekłej. Wynika to z faktu, że związki organiczne z tej fazy najłatwiej ulegające rozkładowi przeszły do fazy gazowej w pierwszej kolejności. W przypadku procesu mokrego utleniania produktu stałego założono, że w etapie drugim rozpadu ciekłego produktu pośredniego stałe szybkości są takie same jak uprzednio otrzymane dla produktu ciekłego. Pozwoliło to na wyznaczenie stałych szybkości reakcji prowadzących do wytworzenia produktów gazowych i ciekłego produktu pośredniego powstałych z rozkładu produktu stałego. W tym etapie następuje szybszy spadek TOC produktu stałego i rozpuszczanie produktów reakcji w wodzie (zmniejszenie masy cząsteczkowej związków organicznych). Zachodzi gwałtowny wzrost stężenia węgla organicznego w fazie ciekłej (co jest zgodne z niezależnymi wynikami doświadczalnymi).

EN

Wet oxidation process is one of the advanced oxidation techniques which is carried out at temperatures 150+350°C, under pressure of 1.5+16.0 MPa and procceds due to contact of gas phase (containing oxidant) with the sewage sludge. During the process, organic compounds from the reactive mass are oxidized and in the effect CO2, water and some low molecular organic acids are created. More often the process is carried out together with thermohydrolysis. Authors have proposed another way of analysis of the complicated process by dividing of thermohydrolysis process (leading to solid and liquid products) from main reaction of wet oxidation process of both products. The study of wet oxidation process of excess activated sludge after preliminary thermohydrolysis was carried out. The results of wet oxidation (TOC - total organic carbon versus time) obtained at various temperatures have shown that both products - solid and fluid separated after thermohydrolysis oxidize at various rates. However solid product degrades in two steps, first to the fluid product and then to the final and gaseous products. Kinetic models of wet oxidation process for both products were proposed. It was found well fitting of model equations to experimental results. The kinetic parameters of wet oxidation process: rate constants and activation energies if reaction order equal 1 is taken are determined. In the case of liquid product, rate constants of wet oxidation reaction leading to end products are higher than to the gas products. The activation energy of oxidation process of the first reaction leading to end products is lower than ones leading to gas products. For solid products the activation energy of wet oxidation leading to gas products has lower value than that of liquid products. It results from the fact that most unstable organic compounds from solid phase convert to gas phase very early. In the case of wet oxidation of solid product it was assumed that in the second step of decomposition of liquid intermediate product, rate constants are the same as was calculated for liquid product. It allows to determine rate constants of decomposition reactions of solid product leading to gas and intermediate liquid product. This step follows the fast decrease of TOC of solid products and dissolution of reaction products in water (decreasing of molecular mass of organic compounds). It also follows the fast increase of TOC in liquid phase (in agreement with independent experimental results).

Słowa kluczowe

PL

przetwarzanie osadów ściekowych; mokre utlenianie; kinetyka mokrego utleniania; parametry kinetyczne procesu

EN

activated sludge treatment; wet oxidation; wet oxidation kinetics; kinetic parameters

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2005
• Tom: T. 8, nr 1
• Strony: 55--72
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz.

Twórcy

autor

Mucha J.

• Instytut Przemysłu Skórzanego, ul. Zgierska 73, 91-462 Łódź

autor

Urbaniak M.

• Politechnika Łódzka, Wydział Budownictwa, Architektury i Inżynierii Środowiska, al. Politechniki 6, 90-924 Łódź

Bibliografia

• [1] Strehlenert R.W., Swedish Patent, 34, 941, 1911, US Patent 1, 149, 420, 1915.
• [2] Zimmermann F.J., New Waste Disposal Process, Chem. Eng. 1958, 25, 117-120.
• [3] Seiler CS., Sludge Manage. 1987, 17, 100.
• [4] Devlin H.R., Harris, Iestyn J., Mechanism of the Oxidation of Aqueous Phenol with Dissolved Oxygen, Ind. Eng. Chem. Fundam. 1984, 23, 387-392.
• [5] Debellefontaine H., Chakchouk M., Foussard J.N., Tisso D., Striolo P., Treatment of Organic Aqueous Wastes, Wet Air Oxidation and Wet Peroxide Oxidation., Environ. Pollut. 1996, 92, 2, 155-164.
• [6] Debellefontaine H., Crispel S., Reilhac P., Perie F., Foussard J.N., Wet air oxidation (WAO) for treatment of industrial wastewater and domestic sludge. Design of bubble column reactors, Chem. Eng. Sci. 1999, 54, 4953-4959.
• [7] Duprez D., Delanoe F., Barbier Jr J., Isnard P., Blanchard G., Catalytic oxidation of organic compouns in aqueous media, Catalysis Today 1996, 29, 317-322.
• [8] Khan Y., Anderson G. K., Elliott D.J., Wet oxidation of activated sludge, Water Res. 1999, 33/7, 1681-1687.
• [9] Schmidt A.S., Thomsen A.B., Optimization of Wet Oxidation Pretreatment of Wheat Straw, Bio-resource Technology 1998, 64/2,139-151.
• [10] Joglekar H.S., Samant S.D., Joshi J.B., Kinetics of Wet Oxidation of Phenol and Substituted Phenols, Water Res. 1991, 25, 2,135 -145.
• [11] Luck F., Wet air oxidation, past, present and future, Catalysis Today 1999, 53, 81-9.
• [12] Mucha J., Zarzycki R., Imbierowicz M., Zastosowanie katalizatorów miedziowych i manganowych do mokrego utleniania nadmiernych osadów ściekowych, Cieplne Maszyny Przepływowe 2001, 120,139-150.
• [13] Mucha J., Zarzycki R., Imbierowicz M., Porównanie skuteczności mokrego utleniania nadmiernych osadów ściekowych z oczyszczalni regionu łódzkiego, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2002, 5, 3-4, 245-251.
• [14] Li L., Chen P., Gloyna E.F., Generalized kinetic model for wet oxidation of organic compounds, AlChe Journal 1991,37, 11, 1687-1697.
• [15] Zhang Q., Chuang K.T., Lumped kinetic model for catalytic wet oxidation of organic compound in industrial wastewater, AIChE Journal 1999, 45, 1, 145-150.
• [16] Knops P.C., Bowers D.L., Krielen A.F., Romano F.J., The start-up and operation of a commercial below-ground aqueous phase oxidation system for processing sewage sludge, VerTech Treatment Systems Technical Documentation, 1993.
• [17] Zarzycki R., Imbierowicz M., Zawadzka A., Badanie efektywności mokrego utleniania nadmiernego osadu czynnego. Materiały konferencyjne IV Międzynarodowej Konferencji Zaopatrzenie w wodę, jakość i ochrona wód, Kraków 2000.
• [18] Mucha J., Utylizacja nadmiernego osadu ściekowego metodą mokrego utleniania, Praca doktorska, Wydział Inżynierii Procesowej i Ochrony Środowiska, Politechnika Łódzka, Łódź 2004.