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Thermal hydrolysis and thermal alkaline pretreatment of waste activated sludge: comparison of effects on biogas yield, dewaterability, sludge liquor and cost-benefit analysis
Toutian, Vahid
Aim of this dissertation was to investigate effect of process conditions (T, pH) of thermal alkaline pretreatment (TAP) and thermal hydrolysis (TH) of waste activated sludge (WAS) on biogas yield increase, dewatering potential of digestate, return load increase and refractory COD using same sludge. Moreover, it was intended to compare economic viability of TAP and TH for an individual wastewater treatment plant (WWTP) with fully comparable conditions.
Higher initial anaerobic biodegradability of WAS leads to lower increase in biogas after pretreatment. Based on WAS initial biodegradability, 22-97% increase in biogas can be expected. Treatment temperatures below 100°C can be as effective as temperatures above 100°C in terms of biogas increase. Alkali dosage and resulting initial pH play a significant role on biogas increase. It is recommended to keep NaOH dosage in range of 40-60 mg per g total solids (TS) in sludge. Treatment time of 1.5-5.0 h suffices, and longer treatment times show no extra positive impact on biogas yield. Effects of TAP on dewatering potential and polymer consumption are still ambiguous and more systematic investigations using standard methods or full-scale dewatering equipment are needed.
Low temperature TAP of WAS in pilot-scale showed a sinusoidal trend for biogas production throughout the year. Biogas yield increased maximum +42% in summer and minimum +3% in winter resulting an average yearly increase of +20% (by digestion of primary sludge+WAS). Ammonium and orthophosphate in sludge dewatering liquor increased by +34.6%, and +17.0%, respectively. Dewatering potential showed no improvement in terms of TS of centrifuged digested sludge. Aerobic biodegradability test of sludge dewatering liquor showed 30.3% increase in refractory COD. Modeling via data from six WWTPs in Berlin showed that TAP leads to 0.8-1.1 mg per L increase in effluent COD.
TH of WAS in temperature range of 130-170°C in lab-scale showed an increase of 17-27% in biogas. Dewatering potential tests via lab-scale centrifugation demonstrated 12-30% relative increase in TS of dewatered cake (+4% in absolute TS). Test of aerobic biodegradability indicated that refractory COD in sludge dewatering liquors can increase by 50-200%. It was shown that with reducing temperature from 170 to 160°C, refractory COD is halved, while 19% increase in biogas and 20% relative increase in TS of dewatered cake is still achievable. Modeling via data of six WWTPs in Berlin showed that effluent COD increase of 2-15 mg per L after TH is expected.
Mass and energy balances of an individual WWTP showed TH results in increase of digestion capacity, while TAP has no effect on it. Furthermore, TH results in a slightly higher total biogas production than TAP. On the other hand, increase of refractory COD and consequently increase of effluent COD of WWTP is higher by TH and low to negligible by TAP. Moreover, TH results in higher reduction of disposal costs than TAP due to improvement of dewatering potential. On the contrary, polymer costs increase by TH. TAP and TH both enhance electricity and heat balance of WWTP. Capital costs of TH are 4-5 times higher than TAP. Both TAP and TH yield high revenues due to reduction of total operating costs. Specially for lower biogas increase, TAP yields higher revenue than TH. With increase of biogas potential due to pretreatment, TH slightly surpasses TAP in yielding revenue. Finally, TAP and TH are both profitable and other key factors such as capital costs, refractory COD formation, digestion capacity increase or simplicity of process can be considered by decision making.
Ziel dieser Dissertation war die Untersuchung des Einflusses der Prozessparameter (T, pH) bei thermisch-alkalischer Hydrolyse (TAH) und Thermo-Druck-Hydrolyse (TDH) von Überschussschlamm (ÜS), speziell auf Anstieg des Biogasertrags, Entwässerungsgrad des ausgefaulten Schlamms sowie Anstieg der Rückbelastung und des refraktären CSB. Darüber hinaus wurde die Wirtschaftlichkeit von TAH und TDH für ein spezifisches Klärwerk mit vollständig vergleichbaren Bedingungen untersucht.
Bei guter anaerober Abbaubarkeit des unbehandelten ÜS führt die Vorbehandlung nur zu geringem Anstieg des Biogasertrags. Relativ zum unbehandelten ÜS wurde ein Anstieg von 22-97% im Biogasertrag gefunden. Temperaturen unter 100°C sind ebenso effektiv wie Temperaturen über 100°C in puncto Biogasertrag. Die Alkalidosis und der resultierende pH-Wert spielen eine signifikante Rolle für den Anstieg des Biogasertrags. Es wird empfohlen, eine Dosis im Bereich von 40-60 mg NaOH pro g Trockenrückstand (TR) des Schlamms anzuwenden. Eine Vorbehandlungszeit von 1,5-5,0 h genügt, da längere Retentionszeiten keine weitere Steigerung des Biogasertrags bringen. Die Effekte der TAH auf Entwässerungsgrad und Polymerverbrauch sind immer noch unklar, und weitere systematische Untersuchungen mittels standardisierter Methoden oder Entwässerungsaggregate im Großmaßstab sind erforderlich.
Die TAH des ÜS bei niedriger Temperatur zeigte im Pilotbetrieb einen sinusförmigen Trend bezüglich des Biogasertrags im Verlauf eines Jahres. Der Biogasertrag stieg maximal +42% im Sommer und minimal +3% im Winter an, die mittlere Steigerung lag bei +20% für das gesamte Jahr bei Faulung von Primärschlamm und ÜS. Ammonium und Orthophosphat im Schlammwasser wiesen jeweils einen Anstieg von +34,6% and +17,0% auf. Der Entwässerungsgrad zeigte keine Verbesserung im TR des zentrifugierten ausgefaulten Schlamms auf. Im aeroben Bioabbaubarkeitstest des ausgefaulten Schlammwassers wurde ein Anstieg von 30,3% beim refraktären CSB ermittelt. Eine Modellierung mit Daten der sechs Klärwerke Berlins zeigte auf, dass die TAH dort zu einem Anstieg von 0,8-1,1 mg pro L CSB im Klärwerksablauf führen würde.
Die TDH des ÜS im Temperaturbereich von 130-170°C zeigte im Laborversuch einen Anstieg des Biogasertrags um 17-27%. Beim Test des Entwässerungsgrads mittels Laborzentrifuge wurde ein relativer Anstieg von 12-30% beim TR des ausgefaulten zentrifugierten Kuchens ermittelt, das entspricht +4% im absoluten TR. Darüber hinaus wurde im aeroben Bioabbaubarkeitstest ein Anstieg des refraktären CSB um 50-200% im Schlammwasser aufgezeigt. Mit einer Reduzierung der Temperatur von 170°C auf 160°C kann die Bildung des refraktären CSB halbiert werden. Mit 160°C kann noch ein Anstieg des Biogasertrags um 19% und ein relativer Anstieg von 20% beim TR des Dickschlamms erreicht werden. Hier zeigte die Modellierung für sechs Klärwerke Berlins einen Anstieg um 2-15 mg pro L CSB im Klärwerksablauf nach TDH.
Die Massen- und Energiebilanzierung eines individuellen Klärwerks zeigt, dass die TDH die Kapazität des Faulturms erhöht, während die TAH hier keinen Einfluss hat. Darüber hinaus erreicht die TDH leicht höhere Biogasproduktion als die TAH. Andererseits ist der Anstieg des refraktären CSB and daraus resultierend auch der CSB im Klärwerksablauf höher bei TDH, während dieser Effekt bei TAH sehr gering ist. Des Weiteren führt TDH zu deutlich geringeren Schlammentsorgungskosten als TAH aufgrund des verbesserten Entwässerungsgrads. Andererseits werden mit TDH die Polymerkosten erhöht. TDH und TAH verbessern beide die Strom- und Wärmebilanz des Klärwerks. Die Kapitalkosten der TDH sind 4-5 mal so hoch wie für TAH. TDH und TAH erwirtschaften beide positive Erträge aufgrund reduzierter Betriebskosten. Besonders wenn der Anstieg des Biogasertrags niedrig ist, erwirtschaftet TAH mehr Erträge als TDH. Wenn der Anstieg des Biogasertrags nach Vorbehandlung hoch ist, erwirtschaftet TDH leicht höhere Erträge als TAH. Letztlich sind TAH und TDH beide wirtschaftlich zu betreiben. Damit sind auch andere Schlüsselfaktoren wie Kapitalkosten, Bildung von refraktärem CSB, Erhöhung der Kapazität der Faulung und Einfachheit des Verfahrens bei der Auswahl des passenden Verfahrens zu berücksichtigen.
