افزایش درجه تجزیه‌پذیری و حلالیت لجن ثانویه فاضلاب شهری ورودی به هاضم بی‌هوازی از طریق پیش‌تصفیه کاویتاسیون هیدرودینامیک

محورهای موضوعی : مقالات برگرفته از پایان نامه

الهه عباسی ¹ (دانش آموخته کارشناسی ارشد مهندسی عمران- گرایش مهندسی محیط زیست، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز، فارس، ایران)
سولماز سعادت ² (استادیار بخش مهندسی راه ساختمان و محیط زیست، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز، فارس، ایران)
ایوب کریمی جشنی ³ (دانشیار بخش مهندسی راه ساختمان و محیط زیست، دانشکده مهندسی، دانشگاه شیراز، فارس، ایران)
محمد هادی شفایی ⁴ (دانشجوی دکترای مهندسی هوافضا، بخش مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، فارس، ایران)

تاریخ دریافت : 1397/12/16 تاریخ پذیرش : 1399/04/21 تاریخ انتشار : 1399/05/01

کلید واژه: کاویتاسیون هیدرودینامیک, اوریفیس, اکسیژن خواهی شیمیایی محلول ( ), لجن ثانویه, پیش‌تصفیه,

چکیده مقاله :

به منظور افزایش درجه تجزیه‌پذیری و حلالیت لجن ثانویه، در جهت ارتقا عملکرد هضم بی‌هوازی لجن فاضلاب، روش‌های مختلف پیش‌تصفیه قبل از ورود به هاضم بی‌هوازی به‌ کار گرفته می‌شود. اخیرا کاویتاسیون هیدرودینامیکی، به عنوان یکی از روش‌های موثر جهت پیش‌تصفیه لجن ثانویه فاضلاب، مورد توجه محققین قرارگرفته است. در این مطالعه به بررسی آزمایشگاهی اثر به‌کار‌گیری اوریفیس به عنوان راکتور کاویتاسیون هیدرودینامیکی، بر روی اکسیژن خواهی شیمیایی محلول ، درجه تجزیه پذیری و دیگر پارامترها پرداخته شده است. قبلا هندسه اوریفیس مورد استفاده در سیستم پیش‌تصفیه، با هدف رسیدن به یک عدد کاویتاسیون معین ( ) که برای تخریب سلولی مطلوب می‌باشد، بهینه شده است. در این پژوهش بر اثر دقیقه پیش‌تصفیه کاویتاسیونی، میزان لجن ثانویه، از به میلی‌گرم بر لیتر افزایش یافت. آزمایش‌های انجام شده در این پژوهش مشخص کرد که کاویتاسیون، از طریق شکستن دیواره سلولی میکروارگانیسم‌ها و ورود مواد آلی به فاز محلول، سبب افزایش چشم‌گیر اکسیژن خواهی شیمیایی محلول ( ) و درجه تجزیه‌پذیری می‌شود.

چکیده انگلیسی:

One of the drawbacks of anaerobic digestion technique is the slow rate-limiting hydrolysis of organics. Different pretreatment techniques such as ultrasonic, chemical and thermal were applied to increase secondary sludge disintegration, in order to enhance sludge anaerobic digester performance. Hydrodynamic cavitation (HC) technique has fewer disadvantages compared to other pretreatment methods. Additionally, HC is simple and energy efficient. In this study, the effect of cavitation on sludge properties including soluble chemical oxygen demand (sCOD), turbidity, electrical conductivity, disintegration degree and other parameters downstream of orifice plate was investigated. The geometry of orifice plate had been optimized previously for specific cavitation number (0.2) which is desirable for cell disruption. SCOD rose from 857 mg/L to 5376 mg/L within 60 min pretreatment. By using cavitation pretreatment, degradation of cells occurred in several minutes instead of days. So it can be expected that anaerobic digestion performance will improve due to the release of intracellular substances and availability of enzymes for biological degradation. Experiments performed in this study indicated that cavitation causes the significant increase in sCOD and disintegration degree as a result of breaking up microorganisms’ cell walls and releasing organic substances into soluble phase. The turbidity of soluble phase also rose dramatically from 300 NTU to 5675 NTU within 60 min due to the collapse of cavitation bubbles and other effects of cavitation phenomena. Eventually, a linear relationship was derived for sCOD and turbidity of the soluble phase of pretreated sludge which can be applied to calculate one from another alternatively.

منابع و مأخذ:

1)        Yeneneh. A. M. “Study on performance enhancement of anaerobic digestion of municipal sewage sludge”. PhD Thesis. Curtin University.‏ (2014).

2)        Maeng, J. W., Lee, E. Y. and Bae, J. H. “Optimization of the Hydrodynamic Sludge Pre-Treatment System with Venturi Tubes”, Water Practice and Technology, 5(2), (2010).

3)        Machnicka, A., Grűbel, K., & Suschka, J. “The use of hydrodynamic disintegration as a means to improve anaerobic digestion of activated sludge”, Water SA, 35(1), pp. 129-132, (2009).

4)        Gogate, P. R. and Kabadi, A. M. “A review of applications of cavitation in biochemical engineering/biotechnology”, Biochemical Engineering Journal, 44(1), pp. 60–72, (2009).

5)        Müller, J., Lehne, G., Schwedes, J., Battenberg, S., Näveke, R., Kopp, J., Hempel, D. C. “Disintegration of sewage sludges and influence on anaerobic digestion”. Water Science and Technology, 38(8-9), pp. 425-433,‏ (1998).

6)        Dhar, B. R., Nakhla, G. and Ray, M. B. “Techno-economic evaluation of ultrasound and thermal pretreatments for enhanced anaerobic digestion of municipal waste activated sludge”, Waste Management. Elsevier Ltd, 32(3), pp. 542–549, (2012).

7)        Neumann, P., Pesante, S., Venegas, M., & Vidal, G. “Developments in pre-treatment methods to improve anaerobic digestion of sewage sludge”, Reviews in Environmental Science and Bio/Technology, 15(2), pp. 173-211,‏ (2016).

8)        Bougrier, C., Albasi, C., Delgenès, J. P., & Carrère, H, “Effect of ultrasonic, thermal and ozone pre-treatments on waste activated sludge solubilisation and anaerobic biodegradability”. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 45(8), pp. 711-718, (2006).

9)        Lee, I. and Han, J. I. “The effects of waste-activated sludge pretreatment using hydrodynamic cavitation for methane production. Ultrasonics Sonochemistry, 20(6), pp. 1450-1455, (2013).

10)     Lafitte-Trouqué, S. and Forster, C. F. “treatments for the anaerobic digestion of waste activated sludge at mesophilic and thermophilic temperatures”, Bioresource technology, 84(2), pp. 113–118, (2002).

11)     Anjum, M., Al-Makishah, N. H., & Barakat, M. A. “Wastewater sludge stabilization using pre-treatment methods”. Process Safety and Environmental Protection, 102, pp. 615-632, (2016).

12)     Habashi, N., Mehrdadi, N., Mennerich, A., Alighardashi, A., & Torabian, A. “Hydrodynamic cavitation as a novel approach for pretreatment of oily wastewater for anaerobic co-digestion with waste activated sludge”. Ultrasonics sonochemistry, 31, pp. 362-370,‏ (2016).

13)     Chavan, K., Bhingole, B., Raut, J., & Pandit, A. B. “Numerical Optimization of converging diverging miniature cavitating nozzles”. Journal of Physics: Conference Series. 656(1), pp. 012138,‏ (2015).

14)     Jung, K. W., Hwang, M. J., Yun, Y. M., Cha, M. J., & Ahn, K. H. “Development of a novel electric field-assisted modified hydrodynamic cavitation system for disintegration of waste activated sludge”. Ultrasonics sonochemistry, 21(5), pp. 1635-1640,‏ (2014).

15)     Duong, N. X. “Development of the Venturi Cavitation System for Sludge Solubilization to Improve Anaerobic Digestibility Development of the Venturi Cavitation System for Sludge Solubilization to Improve Anaerobic Digestibility”. PhD Thesis. Inha University, (2007).

16)     Grübel, K. and Suschka, J. “Hybrid alkali-hydrodynamic disintegration of waste-activated sludge before two-stage anaerobic digestion process”, Environmental science and pollution research international, 22(10), pp. 7258–7270, (2015).

17)     Petkovsek, M., Zupanc, M., Dular, M., Kosjek, T., Heath, E., Kompare, B., and Sirok, B. “Rotation generator of hydrodynamic cavitation for water treatment”. Separation and purification technology, 118, pp. 415-423, (2013).

18)     Abbasi, E., Shafaei, H., Saadat, S. Karimi Jashni, A. “optimization of cavitation reactor geometery using CFD in order to pretreat secondary sludge to anaerobic digester”.11^th International congress on civil engineering, (In Persian) (2018). 

19)     Carpenter, J., George, S., & Saharan, V. K. “Low pressure hydrodynamic cavitating device for producing highly stable oil in water emulsion: Effect of geometry and cavitation number”. Chemical Engineering and Processing: Process Intensification, 116, pp. 97-104,‏ (2017).‏

20)     Kumar, P. S., & Pandit, A. B. “Modeling hydrodynamic cavitation”. Chemical Engineering & Technology, 22(12), pp. 1017-1027, (1999). 

21)     Federation, W. E. and Association, A. P. H. “Standard methods for the examination of water and wastewater”, American Public Health Association (APHA): Washington, DC, USA. (2005).

22)     Metcalf & Eddy, B. and Tchobanoglous, G. “Wastewater Engineering: Treatment Disposal Reuse”. Central Book Company. (1980).

23)     Bougrier, C., Carrère, H. and Delgenès, J. P. “Solubilisation of waste-activated sludge by ultrasonic treatment”, Chemical Engineering Journal, 106(2), pp. 163–169, (2005). 

24)     Tiehm, A., Nickel, K. and Neis, U. “The use of ultrasound to accelerate the anaerobic digestion of sewage sludge”, Water Science and Technology, 36(11), pp. 121–128. (1997).

25)     Na, Seungmin, Young-Uk Kim, and Jeehyeong Khim. “Physiochemical properties of digested sewage sludge with ultrasonic treatment.” Ultrasonics sonochemistry 14(3) , pp. 281-285, (2007).

26)     Shah, Y. T., Pandit, A. B., & Moholkar, V. S. “Cavitation reaction engineering”. Springer Science & Business Media.‏ (2012). 

27)     Vichare, N. P., Gogate, P. R., & Pandit, A. B. “Optimization of hydrodynamic cavitation using a model reaction”. Chemical Engineering & Technology, 23(8), pp. 683-690,‏ (2000).

Machnicka, A., Grübel, K., & Mirota, K, “Considerations of impact of Venturi effect on mesophilic digestion”. Ecological Chemistry and Engineering S, 22(4), pp.  645-658, (2015).