Advanced

Improvement of Wastewater Sludge Digestion

Recktenwald, Michael LU (2016)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Deponeringsavgifterna för slam utgör en betydande och stadigt stigande andel av driftkostnaderna för de kommunala reningsverken runtom i landet, inom EU och i resten av världen. Kostnaderna uppstår i samband med att slammet komposteras, körs till deponi eller till förbränning. Dessutom har det under de gångna årtiondena skett en drastisk omvärdering av reningsverksslam från farligt avfall till en möjligen värdefull resurs pga. dess innehåll av organiska och oorganiska substanser. Fosfat och kväve kan återvinnas som gödsel, innehållet av järn eller aluminium kan gå upp emot mellan 10 och 20 % och kan bli extraherat för återvinning i kemiska produkter, den organiska andelen kan tillgodogöras som... (More)
Popular Abstract in Swedish

Deponeringsavgifterna för slam utgör en betydande och stadigt stigande andel av driftkostnaderna för de kommunala reningsverken runtom i landet, inom EU och i resten av världen. Kostnaderna uppstår i samband med att slammet komposteras, körs till deponi eller till förbränning. Dessutom har det under de gångna årtiondena skett en drastisk omvärdering av reningsverksslam från farligt avfall till en möjligen värdefull resurs pga. dess innehåll av organiska och oorganiska substanser. Fosfat och kväve kan återvinnas som gödsel, innehållet av järn eller aluminium kan gå upp emot mellan 10 och 20 % och kan bli extraherat för återvinning i kemiska produkter, den organiska andelen kan tillgodogöras som energi i form av t.ex. metan. Alla processer för hantering av kommunala reningsverksslam syftar på reduktion av slammängden till kvittblivning och därmed reduktion av kostnader.



Nästan alla kommunala reningsverk har beroende på deras storlek en eller fler rötkammare som nästsista steg innan avvattningen. Den organiska andelen reduceras här från omkring 80 % till mellan 50 och 60 % vilket medför en drastisk reduktion i slammängden. Men det betyder också att fortfarande mer än hälften av slamvolymen inte är tillgänglig till metanproduktion och därmed till återvinning.



Det föreliggande arbetet har undersökt varför slammet motsätter sig en mera effektiv nedbrytning och hur man kan åtgärda problemet på ett ekonomiskt försvarbart sätt. Svaret ligger i slammets struktur som binder viktiga näringsämnen för metanproducerande mikrober. Mikroberna behöver näringsämnena i vattenlöslig form. Näringsämnena som kolhydrater, proteiner och fetter ligger bundna i slammet som vattenolösliga polymerkedjor i form av ett typ slem som är svårnedbrytbart. Slemmet gör också att slammet motsätter sig en effektiv avvattning i t.ex. centrifuger eller kammarfilterpressar.



En gängse metod för att bryta ner organiska polymerkedjor i en vattenrik matris och för att göra dem vattenlösliga är tillsatsen av enzymer. Denna princip används t.ex. i tvättmedel. Enzymer är naturligt förekommande organiska katalysatorer och väldigt specifika så att varje näringsämne kräver sitt eget enzym för nedbrytning. Inledande labförsök visade att man kan aktivera dessa näringsämnen med hjälp av en enzymblandning så att en hel del överfördes i vattenlöslig form som var dessutom lättillgänglig mat för mikroberna. Men mängden enzym var för hög och för dyr för att testa i industriell skala.



Grunden för den höga enzymkonsumtionen var att de enstaka enzymerna fastnade i den slemmiga strukturen, trasslade in sig och sedan avaktiverades. I en närmare analys av slemmets specifika struktur hittade man att den innehöll metaller som magnesium, calcium och järn som stabiliserande ämnen. Idén utvecklades att avlägsnandet av metallerna skulle destabilisera den slemmiga strukturen och till slut bidra till att lösa upp den. Så kallade komplexbindare är vanliga kemiska ämnen som uppfyller denna funktion och som, just som enzymer, används flitigt i t.ex. tvätt- eller rengöringsmedel för att lösa upp kalkavlagringar. Vidare labförsök visade att insatsen av komplexbindare för att öppna upp den slemmiga slamstrukturen signifikant förlängde livstiden på enzymerna i slammatrisen, vilket ledde också till en drastisk minskning av enzymbehovet. Doseringar och kostnader sänktes därmed till en bråkdel av den tidigare nivån.



Vidare fördelar med denna metod är enzymernas selektivitet. De bryter bara ner de selekterade ämnena och producerar nyttiga näringsämnen till mikroberna. Alla andra ämnena blir orörda. Dessutom är alla tillsatserna biologiskt nedbrytbara. De påverkar inte reningsverksprocessen varken upp- eller nedströms. Inte heller driftomläggningar behövs, så som det kan vara fallet för vissa andra fysikaliska och kemiska slambehandlingsmetoder som kräver större investeringar och kan släppa en del oönskade ämnen till vattenfasen som man sedan måste ta hand om.



Med hjälp av den kombinerade insatsen av komplexbindare och enzymer blev det lönsamt att köra försök i industriell skala på ett vanligt reningsverk i vardagsdrift. I en försöksserie över två år samlades data på slam- och gasproduktion som sedan jämfördes. Gasproduktionen steg med 16 % och slammängden till deponering sjönk med 13 % per år. Metoden är enkel och billig. Den ger mera energiutbyte och mindre driftkostnader. Med en finslipning av den identifierade mekanismen finns det säkert utrymme till vidare processoptimeringar för biogasanläggningar. (Less)
Abstract
The reduction of sludge volumes for disposal is a topic of high interest for wastewater treatment plants (WWTP) all over the world. Steadily increasing volumes for disposal create an economic, environmental, legislative and technological challenge. Researchers and process developers try to minimise the sludge during its genesis or in the downstream treatment. Due to rising costs and scarcity of fossil raw materials, the view on sludge streams are about to change. Efforts are made to reuse the valuable components and to put them back into a new lifecycle. Wastewater sludge contains a number of interesting compounds like carbon that can be converted to biogas as an energy carrier, as well as nitrogen and phosphorus that can be recycled as... (More)
The reduction of sludge volumes for disposal is a topic of high interest for wastewater treatment plants (WWTP) all over the world. Steadily increasing volumes for disposal create an economic, environmental, legislative and technological challenge. Researchers and process developers try to minimise the sludge during its genesis or in the downstream treatment. Due to rising costs and scarcity of fossil raw materials, the view on sludge streams are about to change. Efforts are made to reuse the valuable components and to put them back into a new lifecycle. Wastewater sludge contains a number of interesting compounds like carbon that can be converted to biogas as an energy carrier, as well as nitrogen and phosphorus that can be recycled as fertilisers.

Anaerobic digestion is a widespread method to stabilise the sludge by decreasing the carbon content in a downstream treatment step at WWTPs. Our studies showed that certain additives can increase the biogas potential. Wastewater sludge contains to a large extent extracellular polymeric substances (EPS) that are formed during the biological treatment steps and that consist of a polymeric network structure of mainly carbohydrates, proteins and humic substances that are interlinked with multivalent metal cations. The addition of a cation-binding agent like sodium citrate extracts the metal ions from this structure and solubilises the EPS. The former inertial compounds that passed the anaerobic digestion almost unchanged become accessible to microbial activity.

A combination of cation-binding agents and hydrolytic enzymes showed that the enzymes were protected from entrapment and deactivation in the sludge matrix. In lab-scale trials, the following factors were varied for the better understanding of the reaction mechanisms: Species and dosage of enzymes and cation-binding agents, total solids, reaction time, temperature and pH. Both the sludge solubilisation and enzymatic hydrolysis were found to increase by 40 % and over 80 % respectively depending on the chosen settings.

In a subsequent development step, this process was tested in industrial scale on two municipal WWTP in different setups. The settings had to be adapted to the industrial surroundings, which meant mainly going from batch to continuous setups, extended experimental times and decreased chemical dosages. The performance of the digesters was observed during the experimental time of several months up to two years. In an initial industrial trial over six months, two glycosodic enzymes were added to one digester in a setup of two. The results were then compared between the treated and the reference digester. In an advanced industrial trial over two years of chemical and enzymatic addition, a set of four hydrolytic enzymes together with sodium citrate as cation-binding agent was added to a complete digestion system in reduced dosages. For the evaluation of the results, the collected data from the year preceding the two-year trial period were selected as references.

In both cases, the biogas production and the sludge dry solids for disposal after the centrifuge were considerably improved. The lab model and the results from the lab-scale trials were confirmed by the experiments in industrial scale. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Professor Lali, Arvind M., DBT-ICT-Centre for Energy Biosciences, Mumbai, India
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
Anaerobic digestion, biogas, cation-binding agents, enzymes, enzymatic activity, extracellular polymeric substances (EPS), industrial scale trials, methanization, municipal sewage, sludge treatment, wastewater treatment plant
pages
146 pages
publisher
Lund University, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Department of Pure and Applied Biochemistry
defense location
Lecture hall B, Kemicentrum, Naturvetarvägen 16, Lund University, Faculty of Engineering LTH, Lund
defense date
2016-03-18 09:00
ISBN
978-91-7422-431-3
language
English
LU publication?
yes
id
51568851-50b5-4cf0-885e-8c798dfe4ce3 (old id 8726564)
date added to LUP
2016-02-23 09:17:41
date last changed
2016-09-19 08:45:07
@phdthesis{51568851-50b5-4cf0-885e-8c798dfe4ce3,
  abstract     = {The reduction of sludge volumes for disposal is a topic of high interest for wastewater treatment plants (WWTP) all over the world. Steadily increasing volumes for disposal create an economic, environmental, legislative and technological challenge. Researchers and process developers try to minimise the sludge during its genesis or in the downstream treatment. Due to rising costs and scarcity of fossil raw materials, the view on sludge streams are about to change. Efforts are made to reuse the valuable components and to put them back into a new lifecycle. Wastewater sludge contains a number of interesting compounds like carbon that can be converted to biogas as an energy carrier, as well as nitrogen and phosphorus that can be recycled as fertilisers.<br/><br>
Anaerobic digestion is a widespread method to stabilise the sludge by decreasing the carbon content in a downstream treatment step at WWTPs. Our studies showed that certain additives can increase the biogas potential. Wastewater sludge contains to a large extent extracellular polymeric substances (EPS) that are formed during the biological treatment steps and that consist of a polymeric network structure of mainly carbohydrates, proteins and humic substances that are interlinked with multivalent metal cations. The addition of a cation-binding agent like sodium citrate extracts the metal ions from this structure and solubilises the EPS. The former inertial compounds that passed the anaerobic digestion almost unchanged become accessible to microbial activity.<br/><br>
A combination of cation-binding agents and hydrolytic enzymes showed that the enzymes were protected from entrapment and deactivation in the sludge matrix. In lab-scale trials, the following factors were varied for the better understanding of the reaction mechanisms: Species and dosage of enzymes and cation-binding agents, total solids, reaction time, temperature and pH. Both the sludge solubilisation and enzymatic hydrolysis were found to increase by 40 % and over 80 % respectively depending on the chosen settings.<br/><br>
In a subsequent development step, this process was tested in industrial scale on two municipal WWTP in different setups. The settings had to be adapted to the industrial surroundings, which meant mainly going from batch to continuous setups, extended experimental times and decreased chemical dosages. The performance of the digesters was observed during the experimental time of several months up to two years. In an initial industrial trial over six months, two glycosodic enzymes were added to one digester in a setup of two. The results were then compared between the treated and the reference digester. In an advanced industrial trial over two years of chemical and enzymatic addition, a set of four hydrolytic enzymes together with sodium citrate as cation-binding agent was added to a complete digestion system in reduced dosages. For the evaluation of the results, the collected data from the year preceding the two-year trial period were selected as references.<br/><br>
In both cases, the biogas production and the sludge dry solids for disposal after the centrifuge were considerably improved. The lab model and the results from the lab-scale trials were confirmed by the experiments in industrial scale.},
  author       = {Recktenwald, Michael},
  isbn         = {978-91-7422-431-3},
  keyword      = {Anaerobic digestion,biogas,cation-binding agents,enzymes,enzymatic activity,extracellular polymeric substances (EPS),industrial scale trials,methanization,municipal sewage,sludge treatment,wastewater treatment plant},
  language     = {eng},
  pages        = {146},
  publisher    = {Lund University, Center for Chemistry and Chemical Engineering, Department of Pure and Applied Biochemistry},
  school       = {Lund University},
  title        = {Improvement of Wastewater Sludge Digestion},
  year         = {2016},
}