Wpływ procesu hydrolizy ultradźwiękowej na generowanie lotnych kwasów tłuszczowych w procesie kwaśnej fermentacji osadów nadmiernych

• Autorzy: Zawieja I. , Wolny L. , Wolski P.

Warianty tytułu

EN

The impact of ultrasonic hydrolysis on the VFA generation in the acid fermentation of excess sludge

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Kondycjonowanie osadów polem ultradźwiękowym (UD) wpływa na wzrost stopnia ich dezintegracji, wynikiem czego jest nie tylko mechaniczne rozdrobnienie cząstek fazy stałej osadów, mające miejsce w pierwszym etapie procesu kondycjonowania, lecz również szereg reakcji sonochemicznych, prowadzących do lizy komórek mikroorganizmów. Efektem zwiększenia podatności osadów na biochemiczny rozkład w warunkach beztlenowych, obserwowanym w wyniku ultradźwiękowej obróbki, jest intensyfikacja wytwarzania lotnych kwasów tłuszczowych w czasie fazy hydrolitycznej procesu fermentacji. Lotne kwasy tłuszczowe stanowią istotny produkt pośredni procesu stabilizacji beztlenowej, których wartość determinuje bezpośrednio intensywność produkcji biogazu. Celem badań była analiza wpływu kondycjonowania osadów nadmiernych polem ultradźwiękowym na generowanie LKT w procesie hydrolizy ultradźwiękowej (sonolizy) oraz w procesie hydrolizy biologicznej, stanowiącej pierwszą fazę procesu stabilizacji beztlenowej. Fermentacji kwaśnej poddano mieszaninę osadów nadmiernych (90%) pochodzących z Koniecpolskich Zakładów Płyt Pilśniowych oraz osadów przefermentowanych (10%), pełniących rolę zaszczepu z Centralnej Oczyszczalni Ścieków P.S.W. WARTA w Częstochowie. Badania prowadzono w kolbach szklanych, będących modelami komór fermentacyjnych w mezofilowym reżimie temperatur. Proces stabilizacji beztlenowej prowadzony był w warunkach statycznych. Podczas prowadzonego kondycjonowania, w wyniku zachodzącego procesu hydrolizy ultradźwiękowej, zaobserwowano wraz ze zwiększeniem czasu sonifikacji oraz amplitudy drgań istotny wzrost wartości ChZT oraz korelujący z nim przyrost wartości lotnych kwasów tłuszczowych. W przypadku najniższej stosowanej amplitudy drgań wynoszącej 15,3 µm w odniesieniu do wartości LKT przed procesem kondycjonowania uzyskano dla najkorzystniejszego czasu wynoszącego 240 s ok. 2-krotny przyrost wartości LKT. Natomiast w przypadku amplitudy 36,6 µm, uznanej za najkorzystniejszą, dla najlepszego czasu nadźwiękawiania wynoszącego 300 s otrzymano ok. 6-krotny wzrost wartości lotnych kwasów tłuszczowych w odniesieniu do wartości przed procesem dezintegracji. Podczas fermentacji kwaśnej osadów nadmiernych kondycjonowanych polem UD o amplitudzie 21,4 oraz 36,6 µm oraz czasie sonifikacji, wynoszącym odpowiednio 360 oraz 300 s, uzyskano, w odniesieniu do wartości maksymalnej LKT odnotowanej w 10 dniu procesu, ok. 1,5-krotny oraz 2,5-krotny przyrost LKT w porównaniu z wynikami otrzymanymi w procesie fermentacji osadów surowych.

EN

Sewage sludge conditioning with ultrasonic field (UF) impacts on the increase of its disintegration degree. In the first part of conditioning process the mechanical dispersion of sewage solid phase was observed as well as the sonochemical reactions which caused the lysis of microbes cells. As the result of the increase of sludge biochemical susceptibility in the anaerobic conditions the intensification of volatile fatty acid (VFA) increase in the hydrolythic phase of fermentation process is observed. VFA content in sludge liquid is the essential effect of stabilization process. VFA concentration determines the intensity of biogas generation. The aim of investigation was the analysis of the influence of excess sludge conditioning on VFA generation in the sonolysis process, as well as in the biological hydrolysis process which is the first phase of anaerobic stabilization process. The mixture of excess sludge (90%) from Koniecpolskie Zakłady Płyt Pilśniowych and digested sludge (10%), used as inoculum from WWTP in Częstochowa was tested in fermentation process. The investigations were conducted in laboratory bulbs, being models of fermentation chambers and in the mesophilic temperature regime of static conditions. As the result of hydrolysis during the conditioning process the essential increase of Chemical Oxygen Demand (COD) and VFA values in the sludge liquid was observed. In the case of the lowest value of UF amplitude (15.3 µm) and exposition time 240 s double increase of VFA, comparing to untreated sludge, was observed. For the most advantageous value of amplitude (36.6 µm) and exposition time of 300 s 6-times increase of VFA was obtained. During acid fermentation of excess sludge, conditioned with ultrasonic field amplitude of 21 and 36.6 µm and at time of sonification respectively 360 s and 300 s it was obtained, in comparing to the VFA maximum value determined through 10-day process, about 1.5 and 2.5 times increase of VFA.

Słowa kluczowe

PL

osady nadmierne; pole ultradźwiękowe; lotne kwasy tłuszczowe; zapotrzebowanie chemiczne na tlen; fermentacja kwaśna

EN

excess sludge; ultrasonic field; volatile fatty acid; COD; acid fermentation

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej
• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2009
• Tom: T. 12, nr 3
• Strony: 207--217
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz.

Twórcy

autor

Zawieja I.

autor

Wolny L.

autor

Wolski P.

• Politechnika Częstochowska, Instytut Inżynierii Środowiska

Bibliografia

• [1] Wybrane procesy jednostkowe w inżynierii środowiska, praca zbiorowa pod redakcją M. Janosz-Rajczyk, Wydawnictwa Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2004.
• [2] Biotechnologia ścieków, praca zbiorowa pod redakcją K. Mikscha, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2000.
• [3] Bień J., Matysiak B., Wystalska K., Stabilizacja i odwadnianie osadów ściekowych, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 1999.
• [4] Buraczewski G., Fermentacja metanowa, PWN, Warszawa 1989.
• [5] Graczyk M., Sadecka Z., Persystencja i toksyczność wybranych insektycydów w warunkach fermentacji metanowej, Seria Monografie nr 66, Wyd. WSI, Zielona Góra 1993.
• [6] Hartmann L., Biologiczne oczyszczanie ścieków, Wydawnictwo Instalator Polski, Warszawa 1996.
• [7] Elpiner I. E., Ultradźwięki, działanie fizykochemiczne i biologiczne, PWN, Warszawa 1968.
• [8] Tiehm A., Nikel K., Zellhorn M., Neis U., Ultrasonic waste activated sludge disintegration for improving anaerobic stabilization, Water Res. 2001, 35 (8), 2003-2009.
• [9] Tiehm A., Nickel K., Neis U., The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge, Wat. Sci. Technol. 1997, 36 (11), 121-128.
• [10] Kucharski B., Zastosowania ultradźwiękowej dezintegracji osadu czynnego nadmiernego, XIV Konferencja Naukowo-Techniczna Aktualne problemy gospodarki wodno-ściekowej, Wydawnictwo Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa-Ustroń 2004, 248-257.
• [11] Gonze E., Pillot S., Valette E., Gonthier Y., Bernie A., Ultrasonic treatment of an aerobic activated sludge in a batch reactor, Chem. Eng. Process 2003, 42, 965-975.
• [12] Tatsuo S., Kudo K., Nasu Y., Anaerobic waste activated sludge digestion - a bioconversion mechanism and kinetic model, Biotechnol. Bioeng. 1993, 41, 1082-1091.
• [13] Jorand F., Zartarian F., Thomas F., Block J. C., Bottero J. Y., Villemin G., Urbain V., Manem J., Chemical and structural (2D) linkage between bacteria within activated sludge flocks, Water Res. 1995, 29, 1639-1647.
• [14] Ying-Chin Chiu, Cheng-Nan Chang, Shwu-Jiuan Huang, Chao A., Effect of ultrasonic and alkaline pretreatment on WAS characterization, J. Chinese Inst. Env. Eng. 1997, 7 (1), 25-33.
• [15] Materiały informacyjne Koniecpolskich Zakładów Płyt Pilśniowych KZPP SA.