comparison of wastewater sludge drying processes: solar...
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TINOS 2015 TINOS 2015 1
Comparison of wastewater sludge drying processes:
solar, thermal and reed beds
Impact on organic matter characteristics
Marie Collard, Benoit Teychené, Laurent Lemée
University of Poi<ers, France
CNRS UMR 7285 (IC2MP), Water Geochemistry Health Team
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 2
TINOS 2015
Waste Production
(per year / inhabitant)
354 kg
46 kg
25 kg 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 1,6
2003 2007 2005 2006 2007 2012
Mt
Sludge production in France
2004
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 3
TINOS 2015
9%
19%
72%
Land farming
Landfill
Incineration
Annual amount: 1.5 M tons / year in France
Sewage sludge disposal
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 4
TINOS 2015
Changes in European law will induce :
1. Increase in production of sludge
(13 M tons expected in Europe in 2020)
2. End to unsustainable recovery methods
9%
19%
72%
Land farming
Landfill
Incineration
Annual amount: 1.5 M tons / year in France
Sewage sludge disposal
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 5
TINOS 2015
Reduce the volume
If we don’t want to be submerged ….
Drying process
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 6
TINOS 2015
Reduce the volume
If we don’t want to be submerged ….
-> Understand impact of drying processes on sludge organic matter (OM)
characteristics
-> Propose elements to optimise disposal and / or re-use of WWS
Aim of the study : Characterise the biomass
Drying process
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 9
TINOS 2015
It’s here
Thermal drying
Reed beds drying
Solar drying
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 10
TINOS 2015
Thermal drying
LF-‐85 LF-‐120
pellets
Fer@lizer
hours
LF-‐0
Large WWTP : > 100,000 PE
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 11
TINOS 2015
Solar drying
Thermal drying
LF-‐85 LF-‐120
pellets
Fer@lizer
hours
month
Solar-‐0 Solar-‐2w Solar-‐4w
Amendment
LF-‐0
Large WWTP : > 100,000 PE
Medium WWTP : > 2,000 PE
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 12
TINOS 2015
Reed beds drying
Solar drying
Thermal drying
LF-‐85 LF-‐120
pellets
Fer@lizer
hours
month
years
Solar-‐0 Solar-‐2w Solar-‐4w
Amendment
RB-‐0 RB-‐1 RB-‐2
Amendment
RB-‐3 RB-‐4
LF-‐0
Large WWTP : > 100,000 PE
Medium WWTP : > 2,000 PE
Small WWTP
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 13
TINOS 2015
OM characterisation
Sampling
Centrifugation
Freeze drying
Analysis
Bulk scale
1. Elemental analysis (C, H, N) 2. Infra-red spectroscopy (ATR-FTIR) 3. Thermal differential analysis (TDA) OM fractionation Lipids, Fulvic acids, Humic acids, Humin Molecular scale 1. Double shot pyrolysis (Py-GC/MS)
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 14
TINOS 2015
ATR-FTIR
0,00
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
650 1150 1650 2150 2650 3150 3650
Absorbance
cm-‐1
ν O
-H ,
ν N
-H
ν C=
C
ν C=
O
ν C-
H
δ C-
O
Iden@fica@on of bands in OM as sample fingerprints
Monitoring of transforma@on of OM such as aroma@sa@on (C=C), oxida@on (C-‐O)
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 15
TINOS 2015
ATR-FTIR
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0,5 1,5 2,5 3,5 LF-‐0 LF-‐85 LF-‐120
Thermal Drying
Reduction process
C-O/C-H ratio
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0,5 1,5 2,5 3,5
Solar Drying
Solar-‐0 Solar-‐2w Solar-‐4w 2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0 2 4 6
Biological oxidation ?
Reed beds Drying
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 16
TINOS 2015
ATR-FTIR
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0,5 1,5 2,5 3,5 LF-‐0 LF-‐85 LF-‐120
Thermal Drying
Reduction process
C-O/C-H ratio
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0,5 1,5 2,5 3,5
Solar Drying
Solar-‐0 Solar-‐2w Solar-‐4w 2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0 2 4 6
Biological oxidation ?
Reed beds Drying
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 17
TINOS 2015
ATR-FTIR
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
0,5 1,5 2,5 3,5 LF-‐0 LF-‐85 LF-‐120
Thermal Drying
Reduction process
C-O/C-H ratio
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0,5 1,5 2,5 3,5
Solar Drying
Solar-‐0 Solar-‐2w Solar-‐4w 2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
0 2 4 6
Biological oxidation ?
Reed beds Drying
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 18
TINOS 2015
Organic matter fractionation
« Humin »
« Humic Acids »
« Fulvic acids »
Lipids
Sludge OM
Humic-like
Substances
CH2Cl2/MeOH
HCl
NaOH
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 19
TINOS 2015
2w: OM complexification 4w: biodegradation
OM fractionation
0%
20%
40%
60%
80%
100%
LF-0 LF-85 LF-120
Thermal Drying
OM weakening
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Solar-0 Solar-2w Solar-4w 0%
20%
40%
60%
80%
100%
RB-0 RB-1 RB-2 RB-3 RB-4
?
Reed beds Drying Solar Drying
Lipids Fulvic acids Humic acids Humin
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 20
TINOS 2015
OM fractionation
0%
20%
40%
60%
80%
100%
LF-0 LF-85 LF-120
OM weakening
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Solar-0 Solar-2w Solar-4w 0%
20%
40%
60%
80%
100%
RB-0 RB-1 RB-2 RB-3 RB-4
?
Reed beds Drying Solar Drying Thermal Drying
Lipids Fulvic acids Humic acids Humin
2w: OM complexification 4w: biodegradation
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 21
TINOS 2015
2w: OM complexification 4w: biodegradation
OM fractionation
0%
20%
40%
60%
80%
100%
LF-0 LF-85 LF-120
OM weakening
0%
20%
40%
60%
80%
100%
Solar-0 Solar-2w Solar-4w 0%
20%
40%
60%
80%
100%
RB-0 RB-1 RB-2 RB-3 RB-4
Reed beds Drying
?
Solar Drying Thermal Drying
Lipids Fulvic acids Humic acids Humin
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 22
TINOS 2015
Double Shot Thermochemolysis (Py-GC/MS)
Trapped compounds are desorbed Polymers degrade into volatile molecules
1st shot : Warm 2nd shot : Hot
GC-MS
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 23
TINOS 2015
First Shot
Fatty acids
Stanols/sterols
-‐0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 200 400 600 800 1000
Temperature Difference (°C/mg)
Temperature (°C)
TDA
Pyrogram at 350°C of sludge
Warm
350 °C
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 24
TINOS 2015
Fatty acids
C16
C18 C15
Bacterial origin
*
*
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
0 1 2 3 4 LF-0 LF-85 LF-120
Plants
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 25
TINOS 2015
Fatty acids
Bacterial origin
*
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
0 1 2 3 4 LF-0 LF-85 LF-120
Thermal drying : decrease
inhibi@on of bacterial ac@vity
C16
C18 C15
*
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 26
TINOS 2015
Fatty acids
Bacterial origin
*
2,1
2,2
2,3
2,4
2,5
0 1 2 3 4 LF-0 LF-85 LF-120
Thermal drying : decrease
inhibi@on of bacterial ac@vity
Solar drying : stable
Reed beds drying : stable
C16
C18 C15
*
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 27
TINOS 2015
Steroids
Stanol
4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5,0
0 1 2 3 4 LF-0 LF-85 LF-120
Sterol Reduc@on
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 28
TINOS 2015
Steroids
4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5,0
0 1 2 3 4 LF-0 LF-85 LF-120
Thermal drying: increase
inhibi@on of bacterial ac@vity
Stanols/ Sterols
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 29
TINOS 2015
Steroids
4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8 4,9 5,0
0 1 2 3 4 LF-0 LF-85 LF-120
Thermal drying: increase
inhibi@on of bacterial ac@vity
Solar drying: stable
Reed beds drying: stable
Stanols/ Sterols
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 30
TINOS 2015
Second Shot
Lignin
Monomers originating from biopolymers degradation
Protein-like
-‐0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 200 400 600 800 1000
Temperature Difference (°C/mg)
Temperature (°C)
TDA
Pyrogram at 600°C of sludge
Hot
600 °C
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 31
TINOS 2015
Second Shot
Lignin
Monomers originating from biopolymers degradation
No change induced by drying processes
Protein-like
-‐0,1
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0 200 400 600 800 1000
Temperature Difference (°C/mg)
Temperature (°C)
TDA
Pyrogram at 600°C of sludge
Hot
600 °C
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 33
TINOS 2015
1. Thermal drying : 4 hours heating process - weakening of organic matter
- inhibition of bacterial activity
- stable but biodegradable OM better as fertilizer
Conclusion
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 34
TINOS 2015
1. Thermal drying : 4 hours heating process
2. Solar drying : 1 month in a greenhouse process
- weakening of organic matter
- inhibition of bacterial activity
- stable but biodegradable OM better as fertilizer
- 0-2w complexification of organic matter (Hu increased)
- 2-4w biodegradation (lipid decreased)
- humified OM suitable for amendment
Conclusion
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 35
TINOS 2015
1. Thermal drying : 4 hours heating process
2. Solar drying : 1 month in a greenhouse process
3. Reed beds drying : years outdoor process
- weakening of organic matter
- inhibition of bacterial activity
- stable but biodegradable OM better as fertilizer
- 0-2w complexification of organic matter (Hu increased)
- 2-4w biodegradation (lipid decreased)
- humified OM suitable for amendment
- surface sampling : characteristics close than of acrivated sludge
- perspectives : sample an older reed beds drying process
Conclusion
TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 36
TINOS 2015
1. Thermal drying : 4 hours heating process
July 2015
2. Solar drying : 1 month in a greenhouse process
3. Reed beds drying : years outdoor process
- weakening of organic matter
- inhibition of bacterial activity
- stable but biodegradable OM better as fertilizer
- 0-2w complexification of organic matter
- 2-4w biodegradation
- humified OM suitable for amendment
- surface sampling : characteristics close than of activated sludge
- perspectives : sample an older reed beds drying process
Conclusion
Thank you for your attention