Application of ultra-sonication, acid precipitation and membrane filtration for co-recovery of protein and humic acid from sewage sludge

Abstract

A novel method was applied to co-recover proteins and humic acid from the dewatered sewage sludge for liquid fertilizer and animal feed. The proteins in sewage sludge were first extracted using the processes of ultra-sonication and acid precipitation, and then the humic acid was recovered via membrane filtration. The extraction efficiency was 125.9 mg humic acid∙g⁻¹VSS volatile suspended solids (VSS) and 123.9 mg proteins∙g⁻¹ VSS at the optimal ultrasonic density of 1.5 W∙mL⁻¹. FT-IR spectrum results indicated that the recovered proteins and humic acid showed similar chemical characteristic to the natural proteins and humic acid. The acidic solution (pH 2) could be recycled and used more than 10 times during the co-recovery processes. In addition, the dewatered sludge could be easily biodegraded when the humic acid and proteins are extracted, which was essential for further utilization. These findings are of great significance for recovering valuable nutrient from sewage sludge.

Keywords

sewage sludge / co-recovery / proteins / humic acid / recycling / biodegradation rate

References

[1] Sheng G P, Yu H Q. Characterization of extracellular polymeric substances of aerobic and anaerobic sludge using three-dimensional excitation and emission matrix fluorescence spectroscopy. Water Research, 2006, 40(6): 1233–1239

[2] Lin H J, Xie K, Mahendran B, Bagley D M, Leung K T, Liss S N, Liao B Q. Sludge properties and their effects on membrane fouling in submerged anaerobic membrane bioreactors (SAnMBRs). Water Research, 2009, 43(15): 3827–3837

[3] Girones R, Ferrús M A, Alonso J L, Rodriguez-Manzano J, Calgua B, Corrêa A A, Hundesa A, Carratala A, Bofill-Mas S. Molecular detection of pathogens in water—The pros and cons of molecular techniques. Water Research, 2010, 44(15): 4325–4339

[4] Petzet S, Peplinski B, Cornel P. On wet chemical phosphorus recovery from sewage sludge ash by acidic or alkaline leaching and an optimized combination of both. Water Research, 2012, 46(12): 3769–3780

[5] Hwang J, Zhang L, Seo S, Lee Y W, Jahng D. Protein recovery from excess sludge for its use as animal feed. Bioresource Technology, 2008, 99(18): 8949–8954

[6] Zhang P, Zhang G, Wang W. Ultrasonic treatment of biological sludge: floc disintegration, cell lysis and inactivation. Bioresource Technology, 2007, 98(1): 207–210

[7] Wei L L, Wang K, Zhao Q L, Jiang J Q, Kong X J, Lee D J. Fractional, biodegradable and spectral characteristics of extracted and fractionated sludge extracellular polymeric substances. Water Research, 2012, 46(14): 4387–4396

[8] Nielsen P H, Frølund B, Keiding K. Changes in the composition of extracellular polymeric substances in activated sludge during anaerobic storage. Applied Microbiology and Biotechnology, 1996, 44(6): 823–830

[9] Wei L L, Zhao Q L, Hu K, Lee D J, Xie C M, Jiang J Q. Extracellular biological organic matters in sewage sludge during mesophilic digestion at reduced hydraulic retention time. Water Research, 2011, 45(3): 1472–1480

[10] Ni B J, Zeng R J, Fang F, Xu J, Sheng G P, Yu H Q. A novel approach to evaluate the production kinetics of extracellular polymeric substances (EPS) by activated sludge using weighted nonlinear least-squares analysis. Environmental Science & Technology, 2009, 43(10): 3743–3750

[11] Fonseca A C, Summers R S, Greenberg A R, Hernandez M T. Extra-cellular polysaccharides, soluble microbial products, and natural organic matter impact on nanofiltration membranes flux decline. Environmental Science & Technology, 2007, 41(7): 2491–2497

[12] Monique R, Elisabeth G N, Etienne P, Dominique L. A high yield multi-method extraction protocol for protein quantification in activated sludge. Bioresource Technology, 2008, 99(16): 7464–7471

[13] Jung J, Xing X H, Matsumoto K. Recoverability of protease released from disrupted excess sludge and its potential application to enhanced hydrolysis of proteins in wastewater. Biochemical Engineering Journal, 2002, 10(1): 67–72

[14] Adebayo O T, Fagbenro O A, Jegede T. Evaluation of Cassia fistula meal as a replacement for soybean meal in practical diets of Oreochromis niloticus fingerlings. Aquaculture Nutrition, 2004, 10(2): 99–104

[15] Jiang J, Zhao Q, Wei L, Wang K, Lee D J. Degradation and characteristic changes of organic matter in sewage sludge using microbial fuel cell with ultrasound pretreatment. Bioresource Technology, 2011, 102(1): 272–277

[16] Nakakubo T, Tokai A, Ohno K. Comparative assessment of technological systems for recycling sludge and food waste aimed at greenhouse gas emissions reduction and phosphorus recovery. Journal of Cleaner Production, 2012, 32: 157–172

[17] Li H, Jin Y, Nie Y. Application of alkaline treatment for sludge decrement and humic acid recovery. Bioresource Technology, 2009, 100(24): 6278–6283

[18] Dignac M F, Urbain V, Rybacki D, Bruchet A, Snidaro D, Scribe P. Chemical description of extracellular polymers: implication on activated sludge floc structure. Water Science and Technology, 1998, 38(8-9): 45–53

[19] Ni B J, Fang F, Xie W M, Xu J, Yu H Q. Formation of distinct soluble microbial products by activated sludge: kinetic analysis and quantitative determination. Environmental Science & Technology, 2012, 46(3): 1667–1674

[20] Souza T S, Hencklein F A, Angelis D F, Gonçalves R A, Fontanetti C S. The Allium cepa bioassay to evaluate landfarming soil, before and after the addition of rice hulls to accelerate organic pollutants biodegradation. Ecotoxicology and Environmental Safety, 2009, 72(5): 1363–1368

[21] Balba M T, Al-Awadhi N, Al-Daher R, Heitzer A. Bioremediation of oil-contaminated soil: microbiological methods for feasibility assessment and field evaluation. Journal of Microbiological Methods, 1998, 32(2): 155–164

[22] APHA. AWWA, WEF. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21th ed, APHA, Washington, DC, 2005

[23] Frølund B, Griebe T, Nielsen P H. Enzymatic activity in the activated-sludge floc matrix. Applied Microbiology and Biotechnology, 1995, 43(4): 755–761

[24] Sahinkaya S. Disintegration of municipal waste activated sludge by simultaneous combination of acid and ultrasonic pretreatment. Process Safety and Environmental Protection, available online <Date>April 18 2014</Date>: 

[25] Cheng J, Xia A, Su H B, Song W L, Zhou J H, Cen K F. Promotion of H₂ production by microwave-assisted treatment of water hyacinth with dilute H₂SO₄ through combined dark fermentation and photofermentation. Energy Conversion and Management, 2013, 73: 329–334

[26] Wang W, Luo Y X, Qiao W. Possible solutions for sludge dewatering in China. Frontiers of Environmental Science & Engineering, 2010, 4(1): 102–107

[27] Wang Z W, Wu Z C, Yin X, Tian L M. Membrane fouling in a submerged membrane bioreactor (MBR) under subcritical flux operation: membrane foulant and gellayer characterization. Journal of Membrane Science, 2008, 325(1): 238–244

[28] Wei L L, Zhao Q L, Xue S, Chang C C, Tang F, Liang G L, Jia T. Reduction of trihalomethane precursors of dissolved organic matter in the secondary effluent by advanced treatment processes. Journal of Hazardous Materials, 2009, 169(1-3): 1012–1021

[29] Pon-On W, Charoenphandhu N, Teerapornpuntakit J, Thongbunchoo J, Krishnamra N, Tang I M. Physicochemical and biochemical properties of iron-loaded silicon substituted hydroxyapatite (FeSiHAp). Materials Chemistry and Physics, 2013, 141(2-3): 850–860

[30] Maity J P, Kar S, Lin C M, Chen C Y, Chang Y F, Jean J S, Kulp T R. Identification and discrimination of bacteria using Fourier transform infrared spectroscopy. Spectrochimica Acta Part A, 2013, 116: 478–484

[31] Filip Z, Herrmann S, Kubat J. FT-IR spectroscopic characteristics of differently cultivated Bacillus subtilis. Microbiological Research, 2004, 159(3): 257–262

[32] Aiken G R. In: Aiken G R, MeKnight D M, Wershaw R L, McCarthy P, ed. Humic Substances in Soil, Sediment, and Water. New York: John Wiley, 1985: 363

[33] Selcuk H, Bekbolet M. Photocatalytic and photoelectrocatalytic humic acid removal and selectivity of TiO₂ coated photoanode. Chemosphere, 2008, 73(5): 854–858

[34] Valdemar I, Marta O, Armando C. Comparative characterization of humic substances from the open ocean, estuarine water and fresh water. Organic Geochemistry, 2009, 40(9): 942–950

[35] Wei L, Wang K, Zhao Q, Jiang J, Xie C, Qiu W. Organic matter extracted from activated sludge with ammonium hydroxide and its characterization. Journal of Environmental Sciences (China), 2010, 22(5): 641–647

Acknowledgements

This research was supported by National Nature Science Foundation of China (Grant No.51408159), State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment, Harbin Institute of Technology (No. 2013TS03), and the China Postdoctoral Science Foundation funded projects (Nos. 2013T60375 and 2012M520744).

RIGHTS & PERMISSIONS

2014 Higher Education Press and Springer-Verlag Berlin Heidelberg