Improvement of sludge dewaterability with modified cinder via affecting EPS

Abstract

The organic matters decreased during the conditioning with cinders.

The modified cinder could improve the dewaterability via affecting EPS.

Variation of EPS disintegrated sludge floc especially for ACMC addition.

ACMC promoted the reconstruction of sludge floc as skeleton builder via adsorption.

The reconstruction mechanisms included charge neutralization, adsorption bridging.

The relationship between the improvement of sludge dewaterability and variation of organic matters has been studied in the process of sludge pre-conditioning with modified cinder, especially for extracellular polymeric substances (EPS) in the sludge. During the conditioning process, the decreases of total organic carbon (TOC) and soluble chemical oxygen demand (SCOD) were obviously in the supernatant especially for the acid modified cinder (ACMC), which could be attributed to the processes of adsorption and sweeping. The reduction of polysaccharide and protein in supernatant indicated that ACMC might adsorb EPS so that the tightly bound EPS (TB-EPS) decreased in sludge. In the case of ACMC addition with 24 g·L⁻¹, SRF of the sludge decreased from 7.85 × 1012 m·kg⁻¹ to 2.06 × 1012 m·kg⁻¹, and the filter cake moisture decreased from 85% to 60%. The reconstruction of “floc mass” was confirmed as the main sludge conditioning mechanism. ACMC promoted the dewatering performance through the charge neutralization and adsorption bridging with the negative EPS, and provided firm and dense structure for sludge floc as skeleton builder. The passages for water quick transmitting were built to avoid collapsing during the high-pressure process.

Graphical abstract

Keywords

Sludge conditioning / Acid or alkali modified cinder / TB-EPS / Floc mass / Floc reconstruction

References

[1] Mowla D, Tran H N, Allen D G. A review of the properties of biosludge and its relevance to enhanced dewatering processes. Biomass and Bioenergy, 2013, 58(21): 365–378

[2] Raynaud M, Vaxelaire J, Olivier J, Dieudé-Fauvel E, Baudez J C. Compression dewatering of municipal activated sludge: effects of salt and pH. Water Research, 2012, 46(14): 4448–4456

[3] Chen Y, Chen Y S, Gu G. Influence of pretreating activated sludge with acid and surfactant prior to conventional conditioning on filtration dewatering. Chemical Engineering Journal, 2004, 99(2): 137–143

[4] Urbain V, Block J C, Manem J. Bioflocculation in activated sludge: an analytical approach. Water Research, 1993, 27(5): 829–838

[5] Li X Y, Yang S F. Influence of loosely bound extracellular polymeric substances (EPS) on the flocculation, sedimentation and dewaterability of activated sludge. Water Research, 2007, 41(5): 1022–1030

[6] Lee C H, Liu J C. Enhanced sludge dewatering by dual polyelectrolytes conditioning. Water Research, 2000, 34(18): 4430–4436

[7] Saveyn H, Pauwels G, Timmerman R, Van der Meeren P. Effect of polyelectrolyte conditioning on the enhanced dewatering of activated sludge by application of an electric field during the expression phase. Water Research, 2005, 39(13): 3012–3020

[8] Liu Y L, Wang L, Ma J, Zhao X D, Huang Z S, Mahadevan G D, Qi J Y. Improvement of settleability and dewaterability of sludge by newly prepared alkaline ferrate solution. Chemical Engineering Journal, 2016, 287: 11–18

[9] Wang L F, He D Q, Tong Z H, Li W W, Yu H Q. Characterization of dewatering process of activated sludge assisted by cationic surfactants. Biochemical Engineering Journal, 2014, 91: 174–178

[10] Qi Y, Thapa K B, Hoadley A F A. Benefit of lignite as a filter aid for dewatering of digested sewage sludge demonstrated in pilot scale trials. Chemical Engineering Journal, 2011, 166(2): 504–510

[11] Qi Y, Thapa K B, Hoadley A F A. Application of filtration aids for improving sludge dewatering properties –A review. ChemInform, 2011, 42(41): 373–384

[12] Benitez J, Rodriguez A, Suarez A. Optimization technique for sewage sludge conditioning with polymer and skeleton builders. Water Research, 1994, 28(10): 2067–2073

[13] Yu W, Yang J, Shi Y, Song J, Shi Y, Xiao J, Li C, Xu X, He S, Liang S, Wu X, Hu J. Roles of iron species and pH optimization on sewage sludge conditioning with Fenton’s reagent and lime. Water Research, 2016, 95: 124–133

[14] Shi Y F, Yang J K, Yu W B, Zhang S N, Liang S, Song J, Xua Q, Ye N. Synergetic conditioning of sewage sludge via Fe²⁺/persulfate and skeleton builder Effect on sludge characteristics and dewaterability. Chemical Engineering Journal, 2015, 270: 572–581

[15] Thapa K B, Qi Y, Clayton S A, Hoadley A F A. Lignite aided dewatering of digested sewage sludge. Water Research, 2009, 43(3): 623–634

[16] Skoglunda N, Bäfverc L, Fahlströmd J, Holméne E, Renströmc C. Fuel design in co-combustion of demolition wood chips and municipal sewage sludge. Fuel Processing Technology, 2016, 141(1): 196–201

[17] Yue X, Li X M, Wang D B, Shen T T, Liu X, Yang Q, Zeng G M, Liao D X. Simultaneous phosphate and COD_cr removals for landfill leachate using modified honeycomb cinders as an adsorbent. Journal of Hazardous Materials, 2011, 190(1-3): 553–558

[18] Tian W, Qiao K, Yu H, Bai J, Jin X, Liu Q, Zhao J. Remediation of aquaculture water in the estuarine wetlands using coal cinder-zeolite balls/reed wetland combination strategy. Journal of Environmental Management, 2016, 181: 261–268

[19] Huang R Y, Tian W J, Liu Q, Yu H B, Jin X, Zhao Y G, Zhou Y H, Feng G. Enhanced biodegradation of pyrene and indeno(1,2,3-cd)pyrene using bacteria immobilized in cinder beads in estuarine wetlands. Marine Pollution Bulletin, 2016, 102(1): 128–133

[20] Yang K L, Yue Q Y, Han W, Kong J J, Gao B Y, Zhao P, Duan L. Effect of novel sludge and coal cinder ceramic media in combined anaerobic–aerobic bio-filter for tetracycline wastewater treatment at low temperature. Chemical Engineering Journal, 2015, 277: 30–139

[21] Yang K L, Yue Q Y, Kong J J, Zhao P, Gao Y, Fu K F, Gao B Y. Microbial diversity in combined UAF–UBAF system with novel sludge and coal cinder ceramic fillers for tetracycline wastewater treatment. Chemical Engineering Journal, 2016, 285: 319–330

[22] Wang S, Yang J, Lou S J, Yang J. Wastewater treatment performance of a vermifilter enhancement by a converter slag–coal cinder filter. Ecological Engineering, 2010, 36(4): 489–494

[23] Baig S A, Zhu J, Tan L S, Xue X Q, Sun C, Xu X H. Influence of calcination on magnetic honeycomb briquette cinders composite for the adsorptive removal of As(III) in fixed-bed column. Chemical Engineering Journal, 2014, 257: 1–9

[24] Zhu J, Baig S A, Sheng T, Lou Z, Wang Z, Xu X. Fe₃O₄ and MnO₂ assembled on honeycomb briquette cinders (HBC) for arsenic removal from aqueous solutions. Journal of Hazardous Materials, 2015, 286: 220–228

[25] Chen C Y, Zhang P Y, Zeng G M, Deng J H, Zhou Y, Lu H F. Sewage sludge conditioning with coal fly ash modified by sulfuric acid. Chemical Engineering Journal, 2010, 158(3): 616–622

[26] Ye F X, Ji H Z, Ye Y F. Effect of potassium ferrate on disintegration of waste activated sludge (WAS). Journal of Hazardous Materials, 2012, 219–220(12): 164–168

[27] Wang S, Boyjoo Y, Choueib A. A comparative study of dye removal using fly ash treated by different methods. Chemosphere, 2005, 60(10): 1401–1407

[28] Pengthamkeerati P, Satapanajaru T, Chularuengoaksorn P. Chemical modification of coal fly ash for the removal of phosphate from aqueous solution. Fuel, 2008, 87(12): 2469–2476

[29] Lin B, Li S P, Hou X J, Li H Q. Preparation of high performance mullite ceramics from high-aluminum fly ash by an effective method. Journal of Alloys and Compounds, 2015, 623: 359–361

[30] Zhang B H, Wu D Y, Wang C, He S B, Zhang Z J, Kong H N. Simultaneous removal of ammonium and phosphate by zeolite synthesized from coal fly ash as influenced by acid treatment. Journal of Environmental Sciences (China), 2007, 19(5): 540–545

[31] Mikkelsen L H, Keiding K. Physico-chemical characteristics of full scale sewage sludges with implications to dewatering. Water Research, 2002, 36(10): 2451–2462

[32] Zhang W J, Cao B D, Wang D S, Ma T, Yu D H. Variations in distribution and composition of extracellular polymeric substances (EPS) of biological sludge under potassium ferrate conditioning: effects of pH and ferrate dosage. Biochemical Engineering Journal, 2016, 106: 37–47

[33] Chen Y, Yang H, Gu G. Effect of acid and surfactant treatment on activated sludge dewatering and settling. Water Research, 2001, 35(11): 2615–2620

[34] Xiang Y L, Wang L P, Jiao Y R. Disintegration of excess sludge enhanced by a combined treatment of gamma irradiation and modified coal fly ash. Radiation Physics and Chemistry, 2016, 120(March): 49–55

[35] Stellacci P, Liberti L, Notarnicol M, Bishop P L. Valorization of coal fly ash by mechano-chemical activation: Part II. Enhancing pozzolanic reactivity. Chemical Engineering Journal, 2009, 149(1–3): 19–24

[36] Liu Y, Fang H H P. Influences of extracellular polymeric substances (EPS) on flocculation, settling, and dewatering of activated sludge. Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 2003, 33(3): 237–273

[37] Wakeman R J. Separation technologies for sludge dewatering. Journal of Hazardous Materials, 2007, 144(3): 614–619

[38] Li W W, Yu H Q. Insight into the roles of microbial extracellular polymer substances in metal biosorption. Bioresource Technology, 2014, 160(2): 15–23

[39] Tang L, Li L Q, Chen R F, Wang C H, Ma W W, Ma X C. Adsorption of acetone and isopropanol on organic acid modified activated carbons. Journal of Environmental Chemical Engineering, 2016, 4(2): 2045–2051

[40] Sveegaard S G, Keiding K, Christensen M L. Compression and swelling of activated sludge cakes during dewatering. Water Research, 2012, 46(16): 4999–5008

[41] Christensen M L, Keiding K, Nielsen P H, Jørgensen M K. Dewatering in biological wastewater treatment: a review. Water Research, 2015, 82(3): 14–24

RIGHTS & PERMISSIONS

Higher Education Press and Springer–Verlag Berlin Heidelberg