Fermentacja metanowa osadów ściekowych hydrolizowanych termochemicznie

• Autorzy: Myszograj, S.

Warianty tytułu

EN

Anaerobic digestion of sewage sludge on thermo-chemical hydrolysis

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Enzymatyczna hydroliza (upłynnianie) nierozpuszczalnych polimerów organicznych do form rozpuszczalnych dostępnych dla mikroorganizmów limituje szybkość procesów biochemicznego rozkładu substratów organicznych. W procesie fermentacji metanowej fazami ograniczającymi szybkość beztlenowego rozkładu biofrakcji są faza hydrolizy i metanogeneza. Zastosowanie wstępnej obróbki osadów ściekowych przez wykorzystanie wysokich temperatur lub/i reagentów chemicznych do rozbicia pojedynczych i zgrupowanych komórek może powodować uwolnienie wewnątrzkomórkowej materii organicznej do fazy ciekłej i większą dostępność tych substancji dla bakterii. Ciecz hydrolizatu jest bogata w związki organiczne, ponieważ węglowodany i tłuszcze przechodzą w formy łatwo rozkładalne, a białka tracą ochronną strukturę enzymatyczną. Dzięki hydrolizie uzyskuje się wyższy stopień transformacji lotnych kwasów tłuszczowych (LKT) do metanu. Skrócenie czasu fazy hydrolizy powoduje intensyfikację oraz przyspieszenie zachodzących procesów w kolejnych fazach stabilizacji beztlenowej. Przeprowadzone badania miały na celu ocenę wpływu wstępnej termicznej, chemicznej i chemiczno-termicznej hydrolizy wstępnych osadów ściekowych na proces termofilowej fermentacji metanowej. Próbki osadu wstępnego poddawano wstępnej obróbce, stosując alkalizację z wykorzystaniem NaOH do pH równego 8, 9, 12 i w zakresie niskich temperatur (60, 70, 80, 90°C). Największy udział frakcji rozpuszczonej w ChZT całkowitym, wynoszący 44%, stwierdzono dla próbek osadu wstępnego poddanego wstępnej alkalizacji i obróbce termicznej (pH = 8,90°C). Wstępnie zhydrolizowane próbki poddano procesowi fermentacji termofilowej w temperaturze 55°C w czasie 15 dób. Stwierdzono wyższą efektywność procesu fermentacji metanowej dla wstępnej termochemicznej hydrolizy osadu wstępnego niż w przypadku rozdzielenia procesów na obróbkę termiczną i chemiczną. Dla próbki zhydrolizowanej w pH = 8 i 90°C uzyskano produkcję biogazu o 1,08 razy wyższą (ok. 0,9 m3/kg s.m.o.) i wzrost udziału metanu w biogazie o 1,44 razy w porównaniu z próbką niepoddawaną wstępnej obróbce. Dla pozostałych próbek zhydrolizowanych termochemicznie efektywność procesu fermentacji była bardzo zbliżona.

EN

Biochemical decomposition of organic substrates is limited by enzymatic hydrolysis of insoluble organic polymers to soluble forms available for microorganisms. During methane fermentation process, the hydrolysis phase and methanogenesis constitute phases that limit the rate of anaerobic decomposition of biofraction. Pretreatment of sewage sludge can result in release of intracellular organic matter to liquid phase and higher accessibility of these substances to bacteria. This process involves application of high temperatures or/and chemical reagents in order to decompose single and grouped cells. As a consequence, the cellular wall is destroyed. The hydrolysate liquid is rich in organic compounds, since carbohydrates and fats are transformed into easily decomposable forms, and proteins lose the protective enzymatic Structure. Thanks to such a hydrolysis, the higher degree of transformation of volatile fatty acids (VFA) to methane is achieved. Reducing time of hydrolysis phase results in intensification and acceleration of processes occurring in consecutive phases of anaerobic stabilisation. In this article, the results of research on the influence of thermal, chemical and thermo-chemical hydrolysis of sewage sludge on the process of thermophilic methane fermentation was discussed. The series of tests were carried out, where samples of primary sludge were subjected to pre-treatment in the course of alkalisation of samples using NaOH up to pH 8, 9,12 and within the rangy of low temperatures (60, 70, 80, 90°C). The highest contribution of dissolved fraction in total COD (Chemical Oxygen Demand) equal to 44% was obtained for samples of primary sludge subjected to initial alkalisation and thermal treatment (pH 8, temp. 90°C). The initially hydrolysed samples were then subjected to the process of thermophilic fermentation at the temperature of 55°C within the period of 15 days. The higher efficiency of methane fermentation process was observed for initial thermo-chemical hydrolysis of primary sludge than in the case of diving the processes into thermal and chemical treatment. For the sample hydrolysed at pH 8 and temp. 90°C, the higher biogas production by 1.08 (ca. 0.9 m3/kg VSS (Volatile Suspended Solids)) as well as the increase of methane contribution in biogas by 1.44 were obtained, in comparison to the sample not subjected to pretreatment. For remaining thermo-chemically hydrolysed samples, the efficiency of fermentation process was very similar.

Słowa kluczowe

PL

osad wstępny; hydroliza; proces stabilizacji beztlenowej; biogaz

EN

primary sludge; hydrolysis; anaerobic digestion; biogas

• Czasopismo: Inżynieria i Ochrona Środowiska
• Rocznik: 2007
• Tom: T. 10, nr 2
• Strony: 141-152
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz.

Twórcy

autor

Myszograj, S.

• Uniwersytet Zielonogórski, Instytut Inżynierii Środowiska, ul. Z. Szafrana 15, 65-246 Zielona Góra

Bibliografia

• [1] Eastman J.A., Ferguson J.F., Solubilization of particulate organic carbon during the acid phase of anaerobic digestion, Journal Water Pollution Control Federation 1981, 53, 352-366.
• [2] Penaud V., Delgenes J.P., Moletta R., Thermo-chemical pretreatment of a microbial biomass: influence of sodium hydroxide addition on solubilization and anaerobic biodegradability, Enzyme and Microbial Technology 1999, 25, 258-263.
• [3] Hiraoka M., Takeda N., Sakai S., Yasuda A., Highly efficient anaerobic digestion with thermal pretreatment, Wat. Sci. Tech. 1985, 17, 529-539.
• [4] Li Y.Y., Noike T., Upgrading of anaerobic digestion of waste activated sludge by thermal pretreatment, Wat. Sci. Tech. 1992, 26, 857-866.
• [5] Haug R.T., LeBurn T.J., Tortorici L.D., Thermal pretreatment of sludges - a field demonstration, Journal Water Pollution Control Federation 55, 23-34.
• [6] Brooks R.B., Heat treatment of sewage, Water Pollut., Control 1970, 69 (2), 221-231. Fisher R.A., Swanwick S.J., Hight temperature treatment of sewage sludges. Wat. Poll. Control, 1971,71(3),255-370.
• [7] Neyens E., Baeyens J., A review of thermal sludge pre-treatment processes to improve dewaterability, Journal of Hazardous Materials 2003, B98, 51-67.
• [8] Sawayama S., Inoue S., Tsukahara K., Yagishita T., Minowa T., Ogi T., Anaerobic treatment of liquidized organic wastes, Renewable Energy 1997, 16, 1094-1097.
• [9] Dohanyos M., Zabranska J., Jenicek P., Innovative technology for the improvement of the anaerobic methane fermentation, Wat. Sci. Tech. 1997, 36, 6-7, 333-340.
• [10] Schieder D., Schneider R., Bischof F., Thermal hydrolysis (TDH) as a pretreatment method for the digestion of organic waste, Wat. Sci. Tech. 2000, 41(3), 181-187.
• [11] Sawayama S., Inoue S., Yagishita T., Ogi T., Yokoyama S.-Y., Termochemical liquidization anaerobic treatment of dewatered sewage sludge, J. Ferment. Bioeng., 79, 300-302.
• [12] Lin J.-G., Ma Y.-S., Huang CH.-CH., Alkaline hydrolysis of the sludge generated from a high-strength, nitrogenous-wastewater biological treatment process, Bioresource Technology 1998, 65, 35-42.
• [13] Kim J., Effects of various pretreatments for enhanced anaerobic digestion with waste activated sludge, Journal of Bioscience and Bioengineering 2003, 95(3), 271-275.
• [14] Bień J., Zawieja I., Wpływ alkalicznego kondycjonowania osadów nadmiernych na intensyfikację produkcji biogazu w procesie stabilizacji beztlenowej, Inżynieria i Ochrona Środowiska 2005, 8(2), 201-210.
• [15] Kempa E., Sądecka Z., Toxicity and biodegradation of insecticides in methane sludge digestion, Anaerobic Digestion 2004: l0th World Congress, Montreal, Kanada, 2004, Vol. 1, 582-589.
• [16] Rajan R.V., Lin J., Ray B.T., Low-level chemical pre-treatment for enhanced sludge solubilization, Journal Water Pollution Control Federation 1989, 61, 1678-1683.
• [17] Kempa E., Sądecka Z., The impact of insecticides on anaerobic digestion of westwater sludge Resources from Sludge: forging new frontiers, Singapore 2004.