Disintegration of Waste Activated Sludge via Thermo-Chemical Pre-Treatment

Abstract

The rate limiting step in the digestion of the waste active sludge is hydrolysis the stage. Thermal pre-treatment and chemical sludge disintegration methods can be used to shorten the biochemical hydrolysis process and increase the digester capacity. In this study, the disintegration of waste activated sludge via thermal pre-treatment, chemical oxidation using potassium permanganate and thermo-chemical disintegration method (which is a simultaneous combination of thermal pre-treatment and chemical oxidation) was investigated. Optimizations of these methods were carried out depend on the increases in chemical oxidation demand, carbohydrate and protein concentrations in the dissolved phase. In addition, biochemical methan production tests were performed under the optimized conditions in order to determine the influences of these methods on biogas production. On the other hand, the change in dewaterability of waste sludge was investigated by parameters of turbidity and capillary suction time (CST). As a result, the optimum temperature for thermal pre-treatment is 100 °C and the optimum concentration for chemical oxidation with KMnO₄ is 1000 mg l^-1; the optimum conditions for the thermo-chemical pre-treatment method were determined to be a concentration of 250 mg l^-1 potassium permanganate and a temperature of 100 °C. In these conditions, the thermo-chemical pre-treatment was found to increase biogas production by 38% and methane production by 34% compared to anaerobic digestion of the raw (unpre-treated) sludge. As a result, thermo-chemical pre-treatment has been found to solubilize the sludge more efficiently and to improve the anaerobic digestion of sludge even at lower chemical doses compared to chemical oxidation method.

 

Keywords

• Chemical oxidation,Potassium permanganate,Sludge disintegration,Thermal pre-treatment,Waste activated sludge

TERMOKİMYASAL ÖN İŞLEM İLE ATIK AKTİF ÇAMURUN PARÇALANMASI

Abstract

Atık aktif çamurun çürütülmesinde hız sınırlayan aşama, hidroliz aşamasıdır. Biyokimyasal bir süreç olan hidroliz aşamasını kısaltmak ve çürütücü kapasitesini arttırabilmek için, ısıl işlem ve kimyasal çamur parçalama metotları kullanılabilmektedir. Bu çalışmada, atık aktif çamurun ısıl işlem, potasyum permanganat ile kimyasal oksidasyon ve bu metodun eş zamanlı kombinasyonu olan termokimyasal metot ile parçalanması araştırılmıştır. Proses optimizasyonları çözünmüş fazdaki kimyasal oksidasyon ihtiyacı, karbonhidrat ve protein konsantrasyonlarındaki artışa bağlı olarak yapılmıştır. Bu parametrelere bağlı olarak belirlenen optimum şartların anaerobik çamur çürütmeye etkileri ise biyokimyasal metan üretim testi ile incelenmiştir. Ayrıca, çamurun su verme özelliklerindeki değişim, bulanıklık ve kapiler emme süresi parametreleri ile araştırılmıştır. Sonuç olarak, ısıl işlem için optimum sıcaklık 100 °C ve KMnO₄ ile kimyasal oksidasyon için optimum konsantrasyon 1000 mg l^-1belirlenmiş iken; termokimyasal ön arıtma metodu için optimum şartlar, 250 mg l^-1’lik potasyum permanganat konsantrasyonu ve 100 °C sıcaklık olarak belirlenmiştir. Bu şartlarda termokimyasal ön arıtmanın, anaerobik çürütmede ham çamura kıyasla, biyogaz üretimini % 38 ve metan gazı üretimini ise % 34 oranında arttırdığı belirlenmiştir. Sonuç olarak termokimyasal ön arıtmanın, diğer metotlara kıyasla daha yüksek verimle çamur parçaladığı ve daha düşük kimyasal dozlarında bile çamur çürütmeyi geliştirdiği belirlenmiştir.  

Keywords

• Atık aktif çamur,çamur parçalama,ısıl işlem,kimyasal oksidasyon,Potasyum permanganat

References

1. APHA/AWWA/WEF, in: Clesceri LS, Greenberg AE, Eaton AD. Standard Methods for The Examination of Water and Wastewater (21st ed.). American Public Health Association, American Water Works Association, and Water Environment Federation, Washington DC, 2005.
2. Carrère, H., Dumas, C., Battimelli, A., Batstone, D.J., Delgenès, J.P., Steyer, J.P., Ferrer, I. (2010) Pretreatment methods to improve sludge anaerobic degradability: A review, Journal of Hazardous Materials, 183, 1–15.
3. Demir, Ö. (2016) Potasyum Permanganatın çamur dezentegrasyonu üzerine etkileri ve ultrasonik ön arıtımla geliştirilmesi, Uludağ Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Dergisi, 21, 2, 189 – 200.
4. Dubois, M., Gilles, K.A., Hamilton, J.K., Rebers, P.A., Smith, F. (1956) Colorimetric method for determination of sugars and related substances, Analytical Chemistry, 28, 350–356.
5. Eskicioglu, C., Terzian, N., Kennedy, K.J., Droste, R.L., Hamoda, M. (2007) Athermal microwave effects for enhancing digestibility of waste activated sludge, Water Research, 41, 2457–2466.
6. Ferrer, I., Ponsá, S., Vázquez, F., Font, X. (2008) Increasing biogas production by thermal (70 °C) sludge pre-treatment prior to thermophilic anaerobic digestion, Biochemical Engineering Journal, 42, 186–192.
7. Lowry, O.H., Rosbrough, N.J., Farr, A.L., Randall, R.J. (1951) Protein measurement with the Folin phenol reagent Journal of Biological Chemistry, 193, 265-275.
8. Sahinkaya, S., Sevimli, M.F., (2013) Sono-thermal pre-treatment of waste activated sludge before anaerobic digestion, Ultrasonics Sonochemistry, 20 (1) 587 – 594.

9. Vlyssides, A.G., Karlis, P.K. (2004) Thermal-alkaline solubilization of waste activated sludge as a pre-treatment stage for anaerobic digestion, Bioresource Technology, 91, 201–206.
10. Wilson, C.A., Novak, J.T. (2009) Hydrolysis of macromolecular components of primary and secondary wastewater sludge by thermal hydrolytic pretreatment, Water Research, 43, 4489–4498.
11. Wu, C., Zhang, G., Zhang, P., Chang, C.C. (2014) Disintegration of excess activated sludge with potassium permanganate: Feasibility, mechanisms and parameter optimization, Chemical Engineering Journal, 240, 420–425
12. Zhang, X., Lei, H., Chen, K., Liu, Z., Wu, H., Liang, H. (2012). Effect of potassium ferrate (K2FeO4) on sludge dewaterability under different pH conditions, Chemical Engineering Journal, 210, 467–474.