Ultrasonic disintegration of sewage sludge

Abstract

Biyolojik atıksu arıtma tesisleri için atık çamur en önemli sorunlardan biridir. Biyolojik atıksu arıtma tesisileri için atık çamurun arıtımı ve bertarafı arıtma tesisi toplam işletim masrafının % 50- 60'ını oluşturacak kadar yüksek maliyetler gerektirmektedir. (Metcalf ve Eddy, 2004; Egemen ve diğerleri, 2001) Anaerobik çürüme ile atık çamurun biyolojik arıtımı biyolojik ayrışma için yaygın bir metottur. Anaerobik çürüme arıtma tesisi çamurlarında stabilizasyon ve katı azaltımı için yaygın olarak kullanılmaktadır. Anaerobik çürüme çamur indirgenmesi hız sınırlayıcı adımı olan hidroliz aşaması nedeniyle yavaş bir prosestir. Entegre et tesisi atıksuları gibi yağ ve yüksek organik madde içeriğine sahip atıksuların arıtımından kaynaklanan çamurlarda bu dezavantaj daha da öne çıkmaktadır. Hidroliz aşamasını ve anaerobik çürüme işlemini geliştirmek, anaerobik çürümeyi hızlandırmak ve stabilizasyon derecesini yükseltmek için, çamur ön arıtma prosesi olarak dezentegrasyon yöntemi geliştirilmiştir. (Bougrier, 2005)_x000B_Bu tezin temel amacı, ultrasonik ön arıtımın düşük ultrasonic frekans (20 kHz) ile değişik spesifik enerji değerlerinde atık çamur dezentagrasyonunun etkilerinin araştırılmasıdır. Organik madde ve yağ içeriği yüksek olan et işleme tesisi çamur numuneleri kullanılarak yapılan deneysel çalışmalarda, çamurun dezentegrasyon performansının belirlenmesi için Dezentegrasyon Derecesi (DD) ana parametre olarak kullanılmıştır. Toplam katı madde, toplam organik katı madde, askıda katı madde ve uçucu askıda katı madde ölçümleri ile ultrasonic ön arıtma ile katı madde indirgenmesi izlenmiştir. Ayrıca ultrasonic dezentegrasyonun et işleme çamuru üstsuyu karakteristiğine olan etkileri incelenmiştir. Ultrasonik ön arıtımın anaerobik biyolojik indirgenme üzerindeki indikator etkisinin izlenmesi amacıyla biyokimyasal metan potansiyeli deneyleri (BMP) gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, ham ve ön arıtımdan geçmiş çamur örneklerinde kapiler emme süresi (KES) ölçüm değerlerine dayanarak ultrasonic ön arıtımın çamur filtrelenebilirliği üstündeki etkisi değerlendirilmiştir._x000B_Elde edilen deneysel sonuçlar, et işleme çamurunun dezentegrasyonunda 30000 kJ/kgTS spesifik enerji değerinin verimli olduğunu göstermiştir. 30000 kJ/kgTS spesifik enerji değerinden daha yüksek spesifik enerji değerleri solibilizasyon olayını takiben mineralizasyon olayının gerçekleşmesine sebep olduğundan dezentegrasyon derecesi (DD) düşmüştür. Protein deneyi sonuçları ise, ultrasonic ön arıtım esnasında çamur katı maddesinin hidroliz olduğunu göstermiştir. Bu çalışmada elde edilen biyokimyasal metan potansiyeli ölçüm sonuçları, ultrasonik ön arıtmanın biyolojik çamurların anaerobik parçalanmasını ön arıtım uygulanmamış olan biyolojik çamurlara göre önemli derecede geliştirdiğini göstermiştir. Maksimum metan üretimi 30000 kJ/kgTS spesifik enerji değeri için bulunmuş ve 40 günlük inkübasyon periyodu sonunda ham çamura göre ultrasonik ön arıtımdan geçmiş çamurun biogaz üretiminin % 136 daha yüksek değerde olduğu belirlenmiştir. Ultrasonik ön arıtma ayrıca çamur üstsuyu özelliklerini de etkilemiştir. 30000 kJ/kgTS specifik enerji değeri için, çamur üstsuyunda kimyasal oksijen ihtiyacı, çözünmüş organik karbon, toplam azot, toplam fosfor değerleri sırasıyla %487, %290, %3230 ve %870 yükselmiştir. KES değerlerine göre ise çok düşük spesifik enerji değerlerinde ultrasonic ön arıtım, çamur filtrelenebilirliği üzerinde olumsuz etki göstermiştir. The production of excess sludge is one of the most serious challenges in biological wastewater treatment plants. Treatment and disposal of excess sludge in a biological wastewater treatment system requires high cost which has been estimated to be 50?60% of the total expense of wastewater treatment plant (Metcalf & Eddy, 2004; Egemen et. al., 2001). A common method for the biodegradation of excess sludge is biological treatment by anaerobic digestion. Anaerobic digestion is commonly used for stabilization and solid reduction of treatment plant sludges. Anaerobic digestion is a slow process because of the hydrolysis stage which is the rate-limiting step of the sludge degradation. That disadvantage is prominanced for the treatment of excess sludge which is the final product of the treatment of meat processing sludge due to its high oil and high organic material contents. In order to improve hydrolysis and anaerobic digestion performance, disintegration was developed as the pretreatment process of sludge to accelerate the anaerobic digestion and to increase degree of stabilization (Bougrier et. al., 2005)_x000B_The main purpose of this thesis was to investigate the effects of ultrasonic pre-treatment on excess sludge disintegration at different specific energy inputs with low ultrasound frequency (20 kHz). Meat processing sludge containing high organic materials and oil content was chosen as sludge sample for the experimental studies which disintegration degree (DD) that used as the main parameter for evaluation of disintegration performance of sludge. Solid reductions with the ultrasonic pre-treatment were monitored total solids (TS), total organic solids, suspended solids (SS), and volatile suspended solids (VSS) measurements. Effects of ultrasonic disintegration on supernatant characteristics on meat processing industry sludges were also investigated. Biochemical methane potential (BMP) assay was carried out in order to monitor methane production as the indicator of improvement anaerobic biological degradation preceding ultrasonic treatment. In addition, the effect of ultrasonic pre-treatment on sludge filterability was evaluated depending on CST measurements of raw and pre-treated sludge samples._x000B_The experimental results showed that 30000 kJ/kgTS of supplied energy is efficient for disintegration of meat processing sludge. Higher specific energy inputs then 30000 kJ/kgTS led to a mineralization phenomenon preceding a solubilization phenomenon and because of that disintegration degree (DD) decreased. The protein results showed that sludge solids were hydrolyzing during the ultrasonic pre-treatment. Biochemical methane potential (BMP) results obtained in this study suggest that ultrasonic pre-treatment significantly enhanced the biodegradability of biological sludge than sludges that not pre-treated. Maximum methane production was observed for 30000 kJ/kgT and 136% higher biogas production in pre-treated sludge was obtained comparing to the raw sludge at the end of the 40 days of incubation period. Sludge?s supernatant characteristics were also affected by the ultrasonic pre-treatment. For 30000 kJ/kgTS, the soluble chemical oxygen demand (SCOD), dissolved organic carbon (DOC), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) in sludge?s supernatant increased by 487%, 290%, 3230%, and 870%, respectively. Depending on CST data, there was a negative effect of ultrasonic pre-treatment on sludge filterability even for very low specific energy levels.