A comparative study of the influence of reactor configuration and process parameters on the production of volatile fatty acids from thermally pretreated secondary sludge

Sewage sludge is a challenging waste product from wastewater treatment plants. To enhance its value, hydrothermal carbonization (HTC) is employed as pretreatment to improve its dewaterability and biodegradability. HTC is a promising technology to treat sludge and produce value-added products, including hydrochar and a liquid fraction. This study investigates the impact of reactor configuration and process parameters on volatile fatty acid (VFA) production from HTC pretreated sludge. Key questions addressed in this research include how different reactor configurations and process parameters, specifically continuous stirred tank reactor (CSTR) and sequencing batch reactor (SBR), affect VFA production from HTC pretreated sludge. This study also investigates the extent to which varying temperatures and contact times during HTC can enhance sludge biodegradability. To explore these questions, biochemical methane potential and fermentation tests were conducted at the Laboratory of Environmental Engineering at Politecnico di Milano and B-Plas’ research site in Lugo, Ravenna. Five different reactor configurations, based on four CSTRs and an SBR, were compared. The experiments focused on evaluating VFA yields under different operational conditions, including hydraulic retention times (HRT) of 4 days vs. 8 days and the impact of upstream solid-liquid separation. The results showed that HTC significantly enhanced the potential for methane production from the treated sludge. CSTR reactors operated at 8-day HRT consistently achieved the highest VFA conversion rates. While the SBR configuration demonstrated the highest VFA productivity, no significant differences were observed in the overall acidification yields between the reactor types. Additionally, filtering the HTC liquid did not provide a significant advantage in terms of VFA production.

I fanghi di depurazione sono un prodotto di scarto problematico per gli impianti di trattamento delle acque reflue. Al fine di valorizzarli, la carbonizzazione idrotermica (HTC) viene impiegata come pretrattamento per migliorarne la disidratazione e la biodegradabilità. L'HTC è una tecnologia promettente per trattare i fanghi e produrre prodotti a valore aggiunto, tra cui una frazione solida, detta hydrochar, e una liquida. Questo studio analizza l'impatto della configurazione del reattore e dei parametri di processo sulla produzione di acidi grassi volatili (VFA) da fanghi trattati con HTC. Le domande chiave affrontate in questa ricerca includono il modo in cui le diverse configurazioni del reattore e i parametri di processo, in particolare il reattore a vasca agitata continua (CSTR) e il reattore batch sequenziale (SBR), influenzano la produzione di VFA dai fanghi pretrattati HTC. Questo studio analizza anche l’influenza della temperatura e dei tempi di contatto del processo HTC sul miglioramento della biodegradabilità dei fanghi. Per esplorare questi aspetti, sono stati condotti test biochimici di potenziale metanigeno e di fermentazione. Sono state confrontate cinque diverse configurazioni di reattori, basate su quattro CSTR e un SBR. Gli esperimenti si sono concentrati sulla valutazione dei rendimenti di produzione di VFA in diverse condizioni operative, compresi i tempi di ritenzione idraulica (HRT) di 4 giorni rispetto a 8 giorni e l'impatto della separazione solido-liquido a monte. I risultati hanno mostrato che l'HTC ha aumentato significativamente il potenziale di produzione di metano dei fanghi trattati. I reattori CSTR, operati con un HRT di 8 giorni, hanno ottenuto i tassi di conversione dei VFA più elevati. Mentre la configurazione SBR ha dimostrato la più alta produttività di VFA, non sono state osservate differenze significative nei rendimenti complessivi di acidificazione tra i tipi di reattore. Inoltre, la filtrazione del liquido HTC non ha fornito un vantaggio significativo in termini di produzione di VFA.