Behaviour of dolomite, olivine and alumina as primary catalysts in air-steam gasification of sewage sludge

Sewage sludge gasification assays were performed in an atmospheric fluidised bed reactor using air and air–steam mixtures as the gasifying agents. Dolomite, olivine and alumina are three well known tar removal catalysts used in biomass gasification processing. However, little information is available regarding their performance in sewage sludge gasification. The aim of the current study was to learn about the influence of these three catalysts in the product distribution and tar production during sewage sludge gasification. To this end, a set of assays was performed in which the temperature (750–850 °C), the in-bed catalyst content (0, 10 and 15 wt.%) and the steam–biomass ratio (SB) in the range of 0–1 were varied with a constant equivalence ratio (ER) of 0.3. The results were compared to the results from gasification without a catalyst. We show that dolomite has the highest activity in tar elimination, followed by alumina and olivine. In addition to improving tar removal, the presence of water vapour and the catalysts increased the content of H2 in the gases by nearly 60%.

Air-steam gasification of sewage sludge in a bubbling bed reactor: Effect of alumina as a primary catalyst

Numerous references can be found in scientific literature regarding biomass gasification. However, there are few works related to sludge gasification. A study of sewage sludge gasification process in a bubbling fluidised bed gasifier on a laboratory scale is here reported. The aim was to find the optimum conditions for reducing the production of tars and gain more information on the influx of different operating variables in the products resulting from the gasification of this waste. The variables studied were the equivalence ratio (ER), the steam-biomass ratio (SB) and temperature. Specifically, the ER was varied from 0.2 to 0.4, the SB from 0 to 1 and the temperature from 750 °C (1023 K) to 850 °C (1123 K). Although it was observed that tar production could be considerably reduced (up to 72%) by optimising the gasification conditions, the effect of using alumina (aluminium oxide, of proven efficacy in destroying the tar produced in biomass gasification) as primary catalyst in air and air-steam mixture tests was also verified. The results show that by adding small quantities of alumina to the bed (10% by weight of fed sludge) considerable reductions in tar production can be obtained (up to 42%) improving, at the same time, the lower heating value (LHV) of the gas and carbon conversion.

Sewage sludge gasification. Dolomite performance under different operating conditions

Gasification is a technology that can replace traditional management alternatives used up to date to deal with this waste (landfilling, composting and incineration) and which fulfils the social, environmental and legislative requirements. The main products of sewage sludge gasification are permanent gases (useful to generate energy or to be used as raw material in chemical synthesis processes), liquids (tars) and char. One of the main problems to be solved in gasification is tar production. Tars are organic impurities which can condense at relatively high temperatures making impossible to use the produced gases for most applications. This work deals with the effect of some primary tar removal processes (performed inside the gasifier) on sewage sludge gasification products. For this purpose, analysis of the gas composition, tar production, cold gas efficiency and carbon conversion were carried out. The tests were performed with air in a laboratory scale plant consisting mainly of a bubbling bed gasifier. No catalyzed and catalyzed (10% wt of dolomite in the bed and in the feeding) tests were carried out at different temperatures (750ºC, 800ºC and 850ºC) in order to know the effect of these parameters in the gasification products. As far as tars were concerned, qualitative and quantitative tar composition was determined. In all tests the Equivalence Ratio (ER) was kept at 0.3. Temperature is one of the most influential variables in sewage sludge gasification. Higher temperatures favoured hydrogen and CO production while CO2 content decreased, which might be partially explained by the effect of the cracking, Boudouard and CO2 reforming reactions. At 850ºC, cold gas efficiency and carbon conversion reached 49% and 76%, respectively. The presence of dolomite as catalyst increased the production of H2 reaching contents of 15.5% by volume at 850 °C. Similar behaviour was found for CO whereas CO2 and CnHm (light hydrocarbons) production decreased. In the presence of dolomite, a tar reduction of up to 51% was reached in comparison with no catalyzed tests, as well as improvements on cold gas efficiency and carbon conversion. Several assays were developed in order to test catalyst performance under more rough gasification conditions. For this purpose, the throughput value (TR), defined as kg sludge “as received” fed to the gasifier per hour and per m2 of cross sectional area of the gasifier, was modified. Specifically, the TR values used were 110 (reference value), 215 and 322 kg/h·m2. When TR increased, the H2, CO and CH4 production decreased while the CO2 and the CnHm production increased. Tar production increased drastically with TR during no catalysed tests what is related to the lower residence time of the gas inside the reactor. Nevertheless, even at TR=322 kg/h·m2, tar production decreased by nearly 50% with in-bed use of dolomite in comparison with no catalyzed assays under the same operating conditions. Regarding relative tar composition, there was an increase in benzene and naphthalene content when temperature increased while the content of the rest of compounds decreased. The dolomite seemed to be effective all over the range of molecular weight studied showing tar removal efficiencies between 35-55% in most cases. High values of the TR caused a significant increase in tar production but a slight effect on tar composition.

Flammability properties of dry sewage sludges

Dry sewage sludge are being considered as a possible energy source for direct firing. They have interesting properties to be used as an alternative fuel, but also other characteristics must be considered from the point of view of its safe operation: the most important are ignition sensitivity, explosion severity, thermal sensitivity and thermal stability. The aim of this study was to determine if sewage sludge have different characteristics due to different locations or seasons and how this influences their flammability properties. To study these characteristics sludge samples were selected from different locations in Spain, taken during different seasons. In addition, relationships between flammability parameters and chemical analysis were observed. Some parameters can be controlled during normal operation, such as granulometry or humidity, and may mean a decrease in the risk of explosion. Those relationships are well known for other dusts materials, like coal, but not yet for sewage sludge dusts. Finally, properties related to spontaneous combustion were determined (thermal susceptibility and stability). The addition of those properties to the study provides an overview of the thermal behavior of sewage sludge during their utilization, including transport and storage.

Carbon dioxide adsorption in chemically activated carbon from sewage sludge

In this work, sewage sludge was used as precursor in the production of activated carbon by means of chemical activation with KOH and NaOH. The sludge-based activated carbons were investigated for their gaseous adsorption characteristics using CO2 as adsorbate. Although both chemicals were effective in the development of the adsorption capacity, the best results were obtained with solid NaOH (SBAT16). Adsorption results were modeled according to the Langmuir and Freundlich models, with resulting CO2 adsorption capacities about 56 mg/g. The SBAT16 was characterized for its surface and pore characteristics using continuous volumetric nitrogen gas adsorption and mercury porosimetry. The results informed about the mesoporous character of the SBAT16 (average pore diameter of 56.5 Å). The Brunauer-Emmett-Teller (BET) surface area of the SBAT16 was low (179 m2/g) in comparison with a commercial activated carbon (Airpel 10; 1020 m2/g) and was mainly composed of mesopores and macropores. On the other hand, the SBAT16 adsorption capacity was higher than that of Airpel 10, which can be explained by the formation of basic surface sites in the SBAT16 where CO2 experienced chemisorption. According to these results, it can be concluded that the use of sewage-sludge-based activated carbons is a promising option for the capture of CO2. Implications: Adsorption methods are one of the current ways to reduce CO2 emissions. Taking this into account, sewage-sludge-based activated carbons were produced to study their CO2 adsorption capacity. Specifically, chemical activation with KOH and NaOH of previously pyrolyzed sewage sludge was carried out. The results obtained show that even with a low BET surface area, the adsorption capacity of these materials was comparable to that of a commercial activated carbon. As a consequence, the use of sewage-sludge-based activated carbons is a promising option for the capture of CO2 and an interesting application for this waste.

Characterization of spontaneous combustuion tendency of dried sewage sludge

The general purpose of this study was the determination of the safety conditions to avoid the presence of explosive atmospheres in the wastewater industry. Eight Spanish plants located in Madrid, Barcelona and Málaga were considered and several sludge samples were taken in different seasons. The base for the assessment of the spontaneous ignition behaviour of dust accumulations is the experimental determination of the self-ignition temperature under isothermal conditions. Self-ignition temperatures at four volumes were obtained for one sample of sewage sludge, allowing their extrapolation to large storage facilities. A simple test method, based also on an isothermal study of samples, is the UN classification of substances liable to spontaneous combustion. Two different samples were so tested, obtaining unlike results if transported in packages of different volumes. By means of thermogravimetric techniques it is possible to analyse the thermal susceptibility of dried sewage sludge. Apparent activation energy can be obtained from the rate of weight loss. It is also applied to the study of self-ignition susceptibility by modifying test conditions when oxygen stream is introduced. As a consequence of this oxidant contribution, sample behaviour can be very different during testing and a step drop or sudden loss of weight is observed at a characteristic temperature for every substance, associated to a rapid combustion. Plotting both the activation energy and the characteristic temperature, a map of self-ignition risk was obtained for 10 samples, showing different risk levels for samples taken in different locations and at different seasons. A prediction of the self-ignition risk level can be also determined.

Flammability properties of thermally dried sewage sludge

The treatment and disposal of sewage sludge is becoming an urgent need whereby different technologies were developed and integrated into the waste cycle all over the world. One of the most used technologies is the thermal drying of the sludge. Thermally dried sewage sludge has interesting properties that allow its use as an alternative fuel, but also needs some consideration from the point of view of its safe operation. The aim of this study was the research on the flammability properties of sewage sludge, including ignition sensitivity, explosion severity, thermal sensitivity and thermal stability. Furthermore relationships among those properties and composition parameters have been determined, added to the study of their variation depending on their origin or season. Finally, properties related to spontaneous combustion were determined. To study these relationships and characteristics sludge samples were selected from different locations in Spain and taken during different seasons.

Peri-conceptional changes in maternal exposure to sewage sludge chemicals disturbs fetal thyroid gland development in sheep

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Tratamento de esgoto sanitário em reator anaeróbio horizontal de leito fixo (RAHLF): escala piloto

Este trabalho apresenta as avaliações de desempenho, das demandas operacionais e dos fatores intervenientes no aumento da escala da unidade piloto do Reator anaeróbio Horizontal de Leito Fixo (RAHLF) no tratamento de esgoto sanitário após passagem por peneira com malha de 1 mm, durante dois anos de operação. O reator dispunha de volume total de 237,5 1, construídos com tubos comerciais de PVC de 14,5 cm de diâmetro (D), dispostos em cinco módulos horizontais em série de 2,88 m, perfazendo um comprimento total de (L) de 14,4 m e relação de total de L/D de 100. O suporte de imobilização de biomassa, espuma de poliuretano em matrizes cúbicas de 1 cm de aresta, mostrou-se adequado ao desenvolvimento do biofilme. Em partida, sem inoculação prévia, ocorreu a sua consolidação a partir de 70 dias, com predominância de morfologia semelhante a Methanosaeta sp. em relação a da Methanosarcina. Em torno de 90 dias com afluente de 350 mg/l de DQO, observe-se a melhor qualidade do efluente, com valor de 100 mg/l de DQO. Em longa operação ocorreu queda de rendimento e menor reprodutibilidade das previsões do projeto, atribuída aos constantes entupimentos e ineficácia das operações de limpeza, com o comprometimento de volume reacional verificados por estudos de hidrodinâmica. Da investigação das origens dos equipamentos observou-se tratar mais de um efeito local e qualitativamente relacionado à biomassa retida que propriamente quantitativo e extensivo ao longo de todo reator, com produção continuada de polímeros extracelulares, promovendo um efeito sinérgico com os predominantes organismos filamentosos e com os sólidos particulados retidos no leito. Diante das potencialidades desta configuração de reator apontam-se alternativas de mitigação dos entupimentos e o direcionamento dos estudos necessários para novo aumento de escala para o tratamento de esgoto sanitário.

Ocorrência e remoção dos protozoários patogênicos Giardia spp. e Cryptosporidium spp. em sistemas de tratamento de esgoto sanitário

O propósito do presente estudo foi investigar e monitorar a remoção de cistos de Giardia spp. e oocistos de Cryptosporidium spp. por diferentes processos de uma estação de tratamento de esgoto (ETE) em escala plena, composta basicamente por tratamento preliminar, reator UASB e flotador por ar dissolvido, e verificar a ocorrência desses protozoários no lodo do reator UASB e do flotador. Além disso, avaliou-se a remoção desses parasitos pelo processo de flotação por ar dissolvido em escala de bancada (equipamento Flotateste). Analisou-se a qualidade das amostras a partir de variáveis físicas e químicas, e pela detecção de microrganismos indicadores - E. coli, coliformes totais e Clostridium perfringens. Os métodos de detecção de protozoários se basearam nas etapas de concentração (tripla centrifugação ou filtração em membrana seguida de tripla centrifugação); purificação por separação imunomagnética (IMS); detecção por reação de imunofluorescência direta (RID). As recuperações de cistos variaram de 32,6 a 67,0 % dependendo do método adotado, já para os oocistos as recuperações estiveram na faixa de 5,6 a 12,0 %. Na ETE-Monjolinho foram detectadas significativas quantidades de cistos de Giardia spp. em 100% das amostras de esgoto analisadas, com concentração média de 1,89 x 104 e 2,35 x 102 cistos.L-1 no esgoto bruto e tratado, respectivamente. Já os oocistos de Cryptosporidium spp. foram detectados em 39,0 % das amostras de esgoto, com concentração média de 1,35 x 102 oocistos.L-1 no esgoto bruto e 5,87 oocistos.L-1 em esgoto tratado (após flotador). A remoção global da ETE para remoção de Giardia spp. foi em média 2,03 log. O lodo do reator UASB e lodo do flotador apresentaram altas quantidade de (oo)cistos, constatando-se a tendência desses sistemas em concentrar os (oo)cistos por seus processos físicos. Algumas correlações significativas foram encontradas, como correlação entre a concentração de cistos no lodo e a variável sólidos totais, a concentração de cistos no esgoto bruto e as variáveis cor aparente, DQO total e particulada, e a concentração de cistos no efluente UASB e o microrganismo Clostridium perfringens. Diferentemente do flotador em escala plena, o processo do flotação por ar dissolvido em escala de bancada alcançou elevadas remoções médias de cistos de Giardia spp., entre 2,5 e 2,7 log nas diferentes condições de floculação estudadas.

Avaliação de um sistema descentralizado de tratamento de esgotos domésticos em escala real composto por tanque séptico e wetland construída híbrida

A concentração demográfica e de sistemas coletivos de esgotamento sanitário dentro do perímetro urbano da maioria dos municípios brasileiros, dificulta a viabilização do fornecimento de serviços de tratamento de esgotos domésticos à habitações e núcleos habitacionais isolados situados em áreas periurbanas e rurais, intensificando os danos provocados pela poluição de origem antrópica ao meio ambiente e à preservação da saúde pública. Para contribuir no equacionamento deste problema, o presente estudo teve por finalidade avaliar uma wetland construída híbrida em escala real, composta por uma unidade com fluxo contínuo subsuperficial vertical seguida por uma unidade de fluxo contínuo subsuperficial horizontal, cultivadas com capim Vetiver, para o tratamento de efluente proveniente de tanque séptico. A presente configuração experimental busca uma solução de baixo custo e simplificada para o tratamento descentralizado de esgotos domésticos. A estação experimental de tratamento de esgotos, parte integrante e um dos produtos da Rede Nacional de Tratamento de Esgotos Descentralizados RENTED, foi construída no Centro Tecnológico de Hidráulica CTH / Escola Politécnica EPUSP, campus Butantã da USP, em São Paulo. O esgoto bruto foi proveniente do Conjunto Residencial da USP e do restaurante central da Cidade Universitária. As vazões média e máxima de esgoto bruto, respectivamente, de 640L.d-1 e 1600L.d-1, foram aplicadas à entrada do TS de 5.000L e deste escoaram por gravidade à entrada da wetland construída híbrida, com TDH total de 2,8d e 1,1d, respectivamente, sob aplicação das vazões média e máxima de projeto. O monitoramento do experimento em campo, incluindo o período inicial de partida, durou 6 meses consecutivos. Foram avaliados os parâmetros físico-químicos e microbiológicos do esgoto bruto e do efluente do tanque séptico e das câmaras da wetland construída híbrida durante 97 dias consecutivos. Os resultados indicaram que tanto as mudas jovens quanto as adultas de capim Vetiver adaptaram-se bem às condições ambientais. As eficiências médias de remoção no efluente tratado final quanto à matéria orgânica carbonácea foram de 96 por cento para DBO5,20 e 90 por cento para DQO, 40 por cento para N-total, 23 por cento para N-amoniacal total, 60 por cento para P-total, 52 por cento para P-PO4, 74 por cento para SST, 96 por cento para SSV, 75 por cento para sólidos sedimentáveis, 44 por cento para SDV, 88 por cento para sulfeto total, e 97 por cento para óleos e graxas totais, variando entre 73 por cento a 100 por cento . Cerca de 80 por cento da fração orgânica da matéria nitrogenada presente no esgoto bruto foi removida. A remoção de coliformes termotolerantes foi, em média, de 2 e 3 unidades log, e de Escherichia Coli, média de 1 e 3 unidades log, respectivamente, sob aplicação das vazões máxima e média, Giardia sp, média de 99,995 por cento , Cryptosporidium sp, média de 98,7 por cento , Enterovírus, média de 99,6 por cento , e Ascaris sp, média de 0,10 ovo/L. A remoção de sulfetos propiciou a geração de efluente tratado sem odores desagradáveis. A diminuição da vazão aplicada e a elevação do TDH influenciaram positivamente no desempenho do sistema com relação às remoções dos parâmetros físico-químicos e microbiológicos. Com base no presente estudo, ficou evidente o benefício da associação de wetlands construídas com fluxo vertical e horizontal no tratamento de efluente de tanque séptico. O capim Vetiver apresentou bom potencial de utilização em wetlands 8 construídas para tratamento de esgotos domésticos. O sistema experimental de tratamento apresentou flexibilidade operacional, mantendo bom desempenho inclusive nos períodos de sobrecarga. A qualidade do efluente tratado final obtido no presente estudo atende às exigências de lançamento e aos padrões de emissão de efluentes líquidos em corpos dágua e em sistemas públicos de esgotamento sanitário definidos na legislação ambiental federal e do Estado de São Paulo. A tecnologia de wetlands construídas híbridas associada ao tratamento de efluentes de tanque séptico apresentou bom potencial para o tratamento descentralizado de esgotos domésticos, inclusive em regiões com pouca disponibilidade de área livre.

Flotação aplicada ao pós-tratamento do efluente de reator anaeróbio de leito expandido tratando esgoto sanitário

Este trabalho apresenta e discute os resultados de um estudo amplo e aprofundado sobre os principais parâmetros operacionais da flotação por ar dissolvido, utilizada no pós-tratamento de efluentes de um reator anaeróbio de leito expandido (RALEx), tratando 10 m3/hora de esgoto sanitário. Foram realizados preliminarmente ensaios utilizando o flotateste, unidade de flotação em escala de laboratório, para identificar as melhores dosagens de coagulante (cloreto férrico), o polímero mais adequado, dentre os 26 testados, e sua respectiva dosagem, o pH de coagulação adequado, o tempo (Tf) e o gradiente de velocidade (Gf) de floculação mais apropriados e a quantidade de ar (S*) requerida. Para obtenção das condições operacionais adequadas para a unidade piloto de flotação, os valores de Tf e de Gf foram variados de zero a 24 minutos e de 40 a 100 s-1, respectivamente. As concentrações de cloreto férrico e de polímero sintético variaram de 15 a 92 mg/L e de 0,25 a 7,0 mg/L, respectivamente. S* variou de 2.85 a 28.5 gramas de ar por metro cúbico de efluente e a taxa de aplicação superficial na unidade de flotação abrangeu de 180 a 250 m3/m2/d. O desempenho da flotação durante a partida do reator anaeróbio também foi investigado. O uso de 50 mg/L de cloreto férrico, de Tf igual a 20 min e Gf de 80 s-1, de S* de 19,7 g de ar por m3 de efluente e taxa de 180 m3/m2/d produziu excelentes resultados nos ensaios com a instalação piloto de flotação, com elevadas remoções de carga de DQO (80,6%), de fósforo total (90,1%) e de sólidos suspensos totais (92,1%) e com turbidez entre 1,6 e 15,4 uT e residuais de ferro de 0,5 mg/L, com remoção estimada, na forma de lodo, de 77 gramas de SST por m3 de efluente tratado. Nestas mesmas condições, no sistema RALEx+FAD, foram observadas remoções globais de 91,6% de carga de DQO, de 90,1% de carga de fósforo e de 96,6% de carga de SST. O emprego da flotação por ar dissolvido (FAD) mostrou-se alternativa bastante atraente para o pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios. Se a coagulação estiver bem ajustada, o sistema composto de reator anaeróbio seguido de unidade de flotação consegue alcançar excelente remoção de matéria orgânica, redução significativa da concentração de fósforo e de sólidos suspensos, além de precipitação dos sulfetos dissolvidos, gerados no reator anaeróbio. Bons resultados foram alcançados mesmo quando o reator RALEx produziu efluentes de baixa qualidade durante seu período de partida. Nesse período, o sistema de flotação atuou como barreira eficaz, evitando a emissão de efluente de baixa qualidade do sistema.

Pós-tratamento físico-químico por flotação de efluentes de reatores anaeróbios de manta de lodo (UASB)

O emprego da flotação por ar dissolvido (FAD) para o pós-tratamento de efluentes de reatores anaeróbios aparenta ser atraente considerando algumas características desse processo físico-químico. A FAD é reconhecidamente um processo de alta taxa, particularmente eficiente na remoção de material particulado em suspensão e de flocos produzidos pela coagulação química de águas residuárias. Além disso, há produção de lodo espesso e provavelmente arraste de parcela de gases e de compostos voláteis, presentes nos efluentes anaeróbios. Entretanto, a concepção de sistemas de FAD deve ser precedida por ensaios em unidades de flotação em escala de laboratório, permitindo a determinação dos principais parâmetros do processo. Neste trabalho, são apresentados e discutidos os resultados obtidos em laboratório e em instalação piloto de flotação com escoamento contínuo recebendo efluente de reator anaeróbio de manta de lodo (UASB), com 18 m3 de volume, tratando esgoto sanitário. Os ensaios em unidade em escala de laboratório foram realizados utilizando diferentes dosagens de cloreto férrico (entre 30 e 110 mg/L) ou de polímero catiônico (entre 1,0 e 16,0 mg/L), atuando como coagulantes. Além disso, foram estudadas as condições de floculação (tempo de 15 e de 25 min, e gradiente médio de velocidade de floculação entre 30 e 100 s-1) e diferentes valores de quantidade de ar fornecido ao processo (S*, entre 4,7 e 28,5 g de ar por m3 de efluente). Com a instalação piloto de FAD foram realizados apenas ensaios preliminares variando-se a taxa de aplicação superficial (140 e 210 m3/m2/d) para diferentes valores de S* (14,8 a 29,5 g de ar por m3 de efluente). Com o emprego de dosagem de 65 mg/L de cloreto férrico, de tempo de 15 min e gradiente médio de velocidade de floculação de 80 s-1 e de 19 g de ar por m3 de efluente, foram observados excelentes resultados em laboratório, com elevadas remoções de DQO (89%), de fosfato total (96%), de sólidos suspensos totais (96%), de turbidez (98%), de cor aparente (91%), de sulfetos (não detectado) e NTK (47%). Considerando o sistema UASB e FAD, nos testes em laboratório, foram observadas remoções globais de 97,7% de DQO, de 98,0% de fosfato total, de 98,9% de SST, de 99,5% de turbidez, de 97,8% de cor aparente e de 59,0% de NTK. Nos ensaios com a instalação piloto de FAD, o sistema apresentou remoções de 93,6% de DQO, de 87,1% de SST, de 90% de sulfetos e de 30% de NTK.