Two stage anaerobic digestion of sewage sludge

Abstract

The work studies differences on the biogas producing performance of thermophilic (55°C) continuous anaerobic one-stage system and of hyperthermophilic-thermophilic (70 °C and 55 °C, respectively) two-stage continuous anaerobic system. Sewage sludge was used as substrate and continuous stirred tank reactors (CSTR) as reactor platform. Furthermore, the hydrogen producing potential of sewage sludge under hyperthermophilic (70 °C) anaerobic circumstances was investigated by using batch tests. Additionally, the effect of steam pre-treatment of the sludge on hydrogen and methane producing potentials, with and without additional acid treatment, under hyperthermophilic (70 °C) and thermophilic (55 °C) circumstances, were examined by using batch tests. The work includes a large experimental section, which has been done in Technical University of Denmark, Department of Environmental Engineering, Bio energy Research Group.

The comparison between the one-stage and the two-stage process showed that the average methane yield of the two-stage process was 44 % higher. This result demonstrates clear beneficial effect for methane production using sewage sludge as substrate, caused by extreme thermophilic processing prior to the actual methanogenic stage. Calculations made with information attained from Suomenoja wastewater treatment plant indicate that the 2-stage process would produce 2.3 times more surplus power than the 1-stage process if they were used in real-size wastewater treatment plant.

The best result for the hydrogen producing potential of untreated sewage sludge was 6.1 ml H₂ produced/g VS_addcd. The steam pre-treated sewage sludge samples without additional acid treatment reached the best hydrogen producing potential during this project, which was 15 ml H₂ produced/g VS_added. The hydrogen producing potentials were quite low, revealing that the sewage sludge is not alone a good substrate for biological hydrogen production.

Työ käsittelee biokaasutuotannon eroja yksiosaisen anaerobisen jatkuvatoimisen termofiilisen (55 °C) järjestelmän ja kaksiosaisen anaerobisen jatkuvatoimisen hypertermofiilisen-termofiilisen (70 °C ja 55 °C) järjestelmän välillä. Substraattina käytettiin yhdyskuntalietettä ja koealustana jatkuvatoimisia sekoitusreaktoreita. Lisäksi tutkittiin vedyn tuotannon mahdollisuutta yhteiskuntalietteestä hypertermofiilisissä (70 °C) olosuhteissa reaktorissa ja panoskokeilla sekä höyryesikäsittelyn vaikutuksia happokäsittelyn kanssa ja ilman happokäsittelyä biokaasun tuotantoon termofiilisissä (55 °C) olosuhteissa ja vedyn tuotantoon hypertermofiilisissä (70 °C) olosuhteissa panoskokeilla. Työssä on laaja kokeellinen osuus, joka on tehty Danmarks Tekniske Universitetin ympäristötekniikan osastolla Bioenergy - tutkimusryhmässä.

Yksiosaisen ja kaksiosaisen järjestelmän vertailu osoitti kaksiosaisen järjestelmän tuottavan metaania 44 % enemmän yksiosaiseen verrattuna. Tulos osoittaa hypertermofiilisen esimädätyksen parantavan huomattavasti metaaniin tuotantoa jälkimmäisessä termofiilisessä metaania tuottavassa vaiheessa. Laskelmat Suomenojan jätevesilaitokselta saatujen tietojen perusteella osoittavat kaksiosaisen järjestelmän tuottavan 2,3 kertaa enemmän ylimääräenergiaa verrattuna yksiosaiseen todellisen mittakaavan laitoksessa.

Paras tulos vedyn tuottoon esikäsittelemättömästä yhdyskuntalietteestä oli 6,1 ml H₂ tuotettu/g lisättyä haihtuvaa kiintoainetta. Paras tulos vedyn tuottoon yhteiskuntalietteestä saatiin höyryesikäsittelyistä näytteistä ilman happokäsittelyä, 15 ml H₂ tuotettu/g lisättyä haihtuvaa kiintoainetta. Vedyntuotanto yhteiskuntalietteestä jäi yleisesti alhaiseksi todistaen yhteiskuntalietteen yksinään käytettynä huonoksi substraatiksi biologiseen vedyn tuotantoon.