Disintegrating Influence of Sonication on the Excess Sludge Liquification and their Microbiological Indicator

The rate of decomposition of organic matter during methane fermentation is limited by the speed of the first phase of this process, called hydrolysis, during which liquefaction process of organic compounds takes place. For the pre-treatment of sludge before methane fermentation, disintegration techniques are used, which depending on the type of energy supplied to the system, can be divided into four groups: chemical, thermal, mechanical, biological methods. An effective method of mechanical disintegration of sewage sludge is the technology associated with the use of ultrasound. The impact of ultrasonic waves distorts the state of balance in the system, leads to better spatial packing of molecules, changing the structure of sewage sludge and their physico-chemical properties. The aim of the study was to determine the disintegrating influence of sonication on the excess sludge liquification expressed as the increase in the soluble chemical oxygen demand (SCOD) value of the modified excess sludge as well as estimating of the microbiological indicators of sonicated sludge. The process of disintegration of excess sludge with the ultrasonic field was carried out with the use of a disintegrator type UD-20 with a vibration frequency of 22 kHz and a maximum output power of 180W. Microbiological analyzes performed for non-modified and disintegrated sludge concerned the number of mesophilic and psychrophilic microorganisms, Salmonella spp bacteria and Escherichia coli type bacteria, which is a pathogenic species. Periodic methane fermentation of excess sludge was carried out for 10 days, in the temperature of 37°C. As a result of subjecting the excess sludge to disintegration with an ultrasonic field, an increase in the degree of liquefaction of sludge was noted, expressed as an increase in the value of soluble chemical oxygen demand (SCOD). For the vibration amplitude of 16μm and sonication time of 300 s about 5-fold increase of SCOD values in relation to initial values was obtained. The highest degree of elimination of the studied groups of microorganisms was noted on the 10th day of the methane fermentation process of modified excess sludge.

Szybkość rozkładu substancji organicznych podczas fermentacji metanowej jest ograniczona szybkością pierwszej fazy tego procesu zwanej hydrolizą, podczas której następuje upłynnienie związków organicznych. W celu wstępnej modyfikacji osadów przed fermentacją metanową stosuje się techniki dezintegracji, które w zależności od rodzaju energii dostarczanej do układu można podzielić na cztery grupy: chemiczne, termiczne, mechaniczne, biologiczne. Skuteczną metodą mechanicznej dezintegracji osadów ściekowych jest technologia związana z zastosowaniem ultradźwięków. Oddziaływanie fal ultradźwiękowych zakłóca stan równowagi w układzie, prowadzi do lepszego przestrzennego upakowania cząsteczek, zmieniając przy tym strukturę osadów ściekowych oraz ich właściwości. Celem badań było określenie dezintegrującego wpływu sonikacji na upłynnienie osadów nadmiernych wyrażone wzrostem wartości rozpuszczonego chemicznego zapotrzebowania na tlen (ChZTrozp.), a także oszacowanie wskaźników mikrobiologicznych sonifikowanych osadów. Proces dezintegracji osadów nadmiernych polem ultradźwiękowym przeprowadzono przy użyciu dezintegratora typu UD-20 o częstotliwości drgań 22 kHz i maksymalnej mocy wyjściowej 180 W. Analizy mikrobiologiczne przeprowadzone dla osadów niemodyfikowanych i dezintegrowanych dotyczyły określenia liczebności mikroorganizmów mezofilnych i psychrofilnych, bakterii Salmonella spp i bakterii typu Escherichia coli, która jest gatunkiem patogennym. Okresową fermentację metanową osadów nadmiernych prowadzono przez 10 dób, w temperaturze 37°C. W wyniku poddania osadów nadmiernych modyfikacji za pomocą pola ultradźwiękowego odnotowano wzrost stopnia upłynnienia osadów, wyrażony wzrostem wartości rozpuszczonego chemicznego zapotrzebowania na tlen. Dla amplitudy drgań 16 μm i czasu sonikacji 300 s uzyskano około 5-krotny wzrost wartości ChZTrozp. w stosunku do wartości początkowych. Najwyższy stopień eliminacji badanych grup mikroorganizmów odnotowano w 10 dobie procesu fermentacji metanowej modyfikowanych osadów nadmiernych.