comparison of wastewater sludge drying processes: solar...

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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

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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 / 7

TINOS  2015  

TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 8

TINOS  2015  

It’s here

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 / 32

TINOS  2015  

Conclusion

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