Influence of Microwave Pre-Treatment on the Digestion and Higienisation of Waste Activated Sludge/Wpływ Dezintegracji Mikrofalowej Na Proces Fermentacji Oraz Higienizacji Nadmiernych Osadów Ściekowych

• Authors: Jolanta Bohdziewicz , Mariusz Kuglarz , Klaudiusz Grűbel
• Languages of publication: EN

Abstracts

EN

The article presents the results of determining the most appropriate conditions of microwave sludge pre-treatment (500-1200 W), prior to its anaerobic digestion in a continuous mode. The assessment of the pre-treatment conditions (microwave power, sludge temperature after pre-treatment) was based on: the release of organic (COD, protein) and inorganic (NH4+, PO43-) substances into liquid, the quantity of methane produced, sludge higienisation and the susceptibility of the pre-treated sludge to dewatering. The power of the microwaves applied did not play significant role on the pre-treatment effectiveness. Taking into account the fact that sludge pre-treatment by microwave irradiation requires the delivery of energy, the pre-treatment by microwaves of higher power (1200 W) and resulting in sludge temperature of 70°C was recommended for further experiments. Sludge pre-treatment by means of microwave irradiation as a pre-treatment step influenced the effectiveness of the subsequent anaerobic digestion, conducted in continuous conditions, in a positive way. The largest amount of biogas was obtained for HRT in the range of 15-20 days. As compared to the sludge which did not undergo pre-treatment, daily biogas production and biogas yield increased by 18-41% and 13-35% respectively. The combination of microwave pre-treatment and mesophilic anaerobic digestion ensured the elimination of pathogens (Salmonella spp., Escherichia coli).

PL

Celem badań przedstawionych w artykule było wyznaczenie najkorzystniejszych warunków prowadzenia procesu dezintegracji mikrofalowej (500-1200 W) osadów ściekowych przed ich przeróbką w warunkach beztlenowych (warunki ciągłe). Oceny efektywności procesu mikrofalowej dezintegracji osadów (moc mikrofal, temperatura) dokonano, kierując się stężeniem związków organicznych (ChZT, białka rozpuszczalne) uwolnionych do cieczy nadosadowych, wskaźnikami jakościowymi produkowanego biogazu, stopniem higienizacji oraz podatnością osadów przefermentowanych na odwadnianie. Na podstawie przeprowadzonych badań ustalono, iż moc zastosowanego promieniowania mikrofalowego nie wpłynęła w znaczący sposób na efektywność procesu dezintegracji. Biorąc pod uwagę efektywność oraz zapotrzebowanie energetyczne, ustalono, iż najkorzystniejsze warunki prowadzenia procesu dezintegracji mikrofalowej zapewnia zastosowanie mikrofal o mocy 1200 W oraz temperatury osadów wynoszącej 70°C. Dezintegracja mikrofalowa osadów ściekowych za pomocą promieniowania mikrofalowego wpłynęła korzystnie na efektywność procesu fermentacji metanowej prowadzonego w warunkach ciągłych. Najkorzystniejsze wskaźniki produkowanego biogazu uzyskano dla HRT wynoszącego 15-20 dni. W tych warunkach dobowa i jednostkowa produkcja biogazu wzrosły odpowiednio o 18-41% oraz 13-35%. Zastosowanie dezintegracji mikrofalowej przed procesem mezofilowej fermentacji zapewniło całkowitą eliminację mikroorganizmów patogennych (Salmonella spp., Escherichia coli).

Keywords

EN

microwave irradiation; sludge pre-treatment; anaerobic digestion; secondary sludge

PL

promieniowanie mikrofalowe; dezintegracja osadów; fermentacja metanowa; osady nadmierne

• Publisher: De Gruyter Open
• Journal: Ecological Chemistry and Engineering S
• Year: 2014
• Volume: 21
• Issue: 3
• Pages: 447-464

Dates

published

1 - 10 - 2014

online

10 - 10 - 2014

Contributors

author

Jolanta Bohdziewicz

• Institute of Water and Wastewater Engineering, Faculty of Energy and Environmental Engineering, Silesian University of Technology, ul. Konarskiego 18, 44-100 Gliwice, Poland

author

Mariusz Kuglarz

• Institute of Environmental Protection and Engineering, Faculty of Materials and Environmental Sciences, University of Bielsko-Biala, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biala, Poland

author

Klaudiusz Grűbel

• Institute of Environmental Protection and Engineering, Faculty of Materials and Environmental Sciences, University of Bielsko-Biala, ul. Willowa 2, 43-309 Bielsko-Biala, Poland

References

• [1] Stanbury PF, Whitaker A, Halls J. Principles of Fermentation Technology. Butterworth-Heinemann: Great Britain; 1995.
• [2] Mata-Alvarez J, Mace S, Llabres P. Bioresour Technol. 2000;74(1):3-16. DOI: 10.1016/S0960-8524(00)00023-7.[Crossref]
• [3] Tang B, Yu L, Huang S, Luo J, Zhuo Y. Bioresour Technol. 2010;101(14):5092-5097. DOI: 10.1016/j.biortech.2010.01.132.[Crossref][PubMed]
• [4] Tyagi VK, Lo S-L. Rev Environ Sci Biotechnol. 2011;10:215-242. DOI: 10.1007/s11157-011-9244-9.[Crossref]
• [5] Banik S, Bandyopadhyay S, Ganguly S. Bioresour Technol. 2003;87(2):155-159. DOI: 10.1016/S0960-8524(02)00169-4.[PubMed][Crossref]
• [6] Eskicioglu C, Terzian N, Kennedy KJ, Droste RL, Hamoda M. Water Res. 2007;41(11):2457-2466. DOI: 10.1016/j.watres.2007.03.008.[PubMed][Crossref]
• [7] Ahn J-H, Shin SG, Hwang S. Chem Eng J. 2009;153(1-3):145-150. DOI: 10.1016/j.cej.2009.06.032.[Crossref]
• [8] Eskicioglu C, Kennedy KJ, Droste RL. Desalination. 2009;248(1-3):279-285. DOI: 10.1016/j.desal.2008.05.066.[Crossref]
• [9] Doğan I, Sanin FD. Water Res. 2009;43(8):2139-2148. DOI: 10.1016/j.watres.2009.02.023.[PubMed][Crossref]
• [10] Eskicioglu C, Kennedy KJ, Droste RL. Water Res. 2006;40(20):3725-3736. DOI: 10.1016/j.watres.2006.08.017.[PubMed][Crossref]
• [11] Müller J. Water Sci Technol. 2000;41(8):123-139.
• [12] Müller J. Water Sci Technol. 2000;42(9):167-174.
• [13] Angelidaki I, Alves M, Bolzonella D, Borzacconi L, Campos L, Guwy A, et al. Water Sci Technol. 2009;(5):927-934. DOI:10.2166/wst.2009.040[Crossref]
• [14] Eaton AD, Clesceri LS, Rice EW, Greenberg AE, Franson MAH. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, Washington: APHA; 2005.
• [15] Project Routes (2011-2014), Novel processing routes for effective sewage sludge management. Innovative system solutions for municipal sludge treatment and management. Grant agreement n°265156. Methodology of detection and enumeration of spores of Clostridium perfringens in sludge, soils and organic fertilizers: Pour plate method for quantification. University of Barcelona (unpublished).
• [16] Yu Q, Lei H, Li H, Chen K, Zhang X, Liang R. Water Res. 2010;44(9):2841-2849. DOI: 10.1016/j.watres.2009.11.057.[Crossref][PubMed]
• [17] Park W-J, Ahn J-H, Hwang S, Lee C-K. Bioresour Technol. 2010;101(S1):13-16. DOI: 10.1016/j.biortech.2009.02.062.[Crossref]
• [18] Neyens E, Baeyens J. J Hazard Mater. 2003;98(1-3):51-67. DOI: 10.1016/S0304-3894(02)00320-5.[Crossref]
• [19] Marin J, Kennedy KJ, Eskicioglu C. Waste Manage. 2010;30(10):1772-1779. DOI: 10.1016/j.wasman.2010.01.033.[Crossref]
• [20] Peterson AA, Lachance RP, Tester JW. Ind Eng Chem Res. 2010;49(5):2107-2117. DOI: 10.1021/ie9014809.[Crossref]
• [21] Kuglarz M, Karakashev D, Angelidaki I. Bioresour Technol. 2013;134:290-297. DOI: 10.1016/j.biortech.2013.02.001.[Crossref]
• [22] Solyom K, Mato RB, Perez-Elvira SI, Cocero MJ. Bioresour Technol. 2011;102:10849-10854. DOI: 10.1016/j.biortech.2011.09.052.[PubMed][Crossref]
• [23] Mossel DAA, Corry JEL, Struijk CB, Baird RM. Essentials of the Microbiology of Foods - A Textbook for Advanced Studies. Chichester: John and Sons; 1995.
• [24] Watcharasukarn M, Kaparaju P, Steyer J-P, Krogfelt KA, Angelidaki I. Environ Microbiol. 2009;58:221-230. DOI: 10.1007/s00248-009-9497-9.[Crossref]
• [25] Moller HB, Lund I, Sommer SG. Bioresour Technol. 2000;74:223-229. DOI: 10.1016/S0960-8524(00)00016-X.[Crossref]
• [26] Yetilmezsoy K, Sapci-Zengin Z. J Hazard Mater. 2009;166:260-269. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2008.11.025.[Crossref]
• [27] Tchobanoglous G, Burton F, Stensel HD. Wastewater Engineering. Treatment, Disposal, Reuse. New York: Mc Gaw-Hill Inc.; 2003.
• [28] Gerardi MH. Wastewater Bacteria. New Jersey: Wiley-Interscience; 2006.
• [29] Boe K. Online Monitoring and Control of the Biogas Process. Copenhagen: Technical University of Denmark; 2006 (PhD Thesis).
• [30] Cheremisinoff NP. Handbook of Water and Wastewater Treatment Technologies. Woburn: Butterworth-Heinemann; 2002.
• [31] Callaghan FJ, Wase DAJ, Thayanithy K, Forster CF. Biomass Bioenergy. 2002;22(1):71-77. DOI: 10.1016/S0961-9534(01)00057-5.[Crossref]
• [32] Marti N, Ferrer J, Bouzas A. Water Res. 2008;42:4609-4618. DOI: 10.1016/j.watres.2008.08.012.[PubMed][Crossref]
• [33] Jędrczak A. Wastes Biological Treatment (in Polish). Warszawa: Wyd Nauk PWN; 2007.
• [34] Kampas P, Parsons SA, Pearce P, Ledoux S, Vale P, Churchley J, et al. Water Res. 2007;41(8):1734-1742. DOI: 10.1016/j.watres.2006.12.044.[Crossref]
• [35] Soares A, Kampas P, Maillard S, Wood E, Brigg J. Comparison J Hazard Mater. 2010;175:733-739. DOI: 10.1016/j.jhazmat.2009.10.070.[Crossref]
• [36] Bohdziewicz J, Kuglarz M. Desalin Water Treat. 2013;51:366-373. DOI: 10.1080/19443994.2012.715074.[Crossref]
• [37] Kuglarz M, Bohdziewicz J. Desalin Water Treat. 2013;51:4872-4880. DOI: 10.1080/19443994.2013.795346.[Crossref]
• [38] Dańczuk M, Łomotowski J. Environ Prot Eng. 2010;36(4):76-86.

Identifiers

DOI

10.2478/eces-2014-0033