Anaerobic digestion degradability of waste sludge after ultrasound and enzymic hydrolysis pretreatment

Sludge disposal is one of the highest expenses in the management of a wastewater treatment plant. It is common practice to take advantage the anaerobic digestion of sludges to produce biogas, which is a good resource of fossil carbon-free methane, to balance at least partially the energy needs for the sludge treatment. It is possible to enhance the sludge degradability, and therefore the biogas production, by pretreating the sludge before carring out the digestion, in order to speed up the limiting stage of the hydrolysis by physically or chemically disrupting the solid matrix. At present, a remarkable reserach effort is spent to compare the yield of all the treatments that may be used. The objective of this work is to present two pretreatments (ultrasounds and enzymic hydrolysis), and a combination of both, and to test their effectiveness at laboratory scale by implementing two rounds of biochemical methane potential tests at mesophilic conditions of a mixture of primary and secondary sludges. Results of the comparison between untreated and treated samples, though scattered, indicate an increase in biogas production (approx. +20% in volume), an overall higher degradability (better COD conversion and higher rate of destroyed volatile solids) and an improvement in the process kinetics (approx. +10% of the hydrolysis constant). An hypothetical plant scale energy analysis is also computed to assess the energetic and economic feasibility of the pretreatments. Moreover, the ultrasound and the enzymic hydrolysis treatments appear to have a very similar yield in biogas production, so that the choice of the most suitable treatment has to be taken considering other conditions, such as investment and management costs, plant conformation, reliability of the technology and others.

Lo smaltimento dei fanghi di supero è una delle spese più rilevanti nella gestione di un impianto di depurazione delle acque. È prassi comune implementare sistemi di digestione anaerobica dei fanghi per produrre biogas, una importante risorsa di metano che non contribuisce all'effetto serra, per poter bilanciare, almeno in parte, la richiesta di energia per il trattamento dei fanghi. È possibile aumentare la degradabilità dei fanghi, e di conseguenza la produzione di biogas, applicando pretrattamenti a monte della digestione, i quali distruggono la matrice solida del fango con lo scopo di accelerare l'idrolisi, che è la fase limitante di tutto il processo. Al momento è in corso un notevole lavoro di ricerca per confrontare il rendimento di tutti i trattamenti che è possibile utilizzare. L'obiettivo di questo lavoro è presentare due pretrattamenti possibili (ultrasuoni e idrolizi enzimica) e una applicazione congiunta di entrambi. Se ne testa inoltre l'efficacia implementando a scala di laboratorio due campagne di esperimenti per valutare il potenziale biochimico di metanizzazione in condizioni mesofile di fanghi misti primari e secondari. I risultati del confronto tra fanghi non pretrattati e pretrattati indicano un incremento della produzione di biogas (circa +20% in volume), una complessiva migliore degradabilità (in termini di conversione di COD e di distruzione di solidi volatili) e un miglioramento della cinetica del processo (la costante di idrolisi aumenta di circa 10%). È stato inoltre calcolato un bilancio energetico di un ipotetico impianto in cui siano implementati i pretrattamenti considerati. Infine, il trattamento a ultrasuoni e quello di idrolisi enzimica risultano avere una resa molto simile in quanto a produzione di biogas, e quindi la scelta del trattamento più adatto è da valutare considerando altri fattori, come costi di investimento e di gestione, la reale possibilità di implementazione in un impianto già esistente o l'affidabilità della tecnologia adoperata.