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Publication
Evaluation of CO2 enrichment as a pretreatment strategy for sewage sludge prior to anaerobic digestion
| Name: | Description: | Size: | Format: | |
|---|---|---|---|---|
| 3.97 MB | Adobe PDF |
Abstract(s)
This study aimed to investigate the effects of carbon dioxide (CO₂) enrichment as a chemical pretreatment
strategy for fresh sewage sludge, with a view toward its future application in optimizing
anaerobic digestion (AD). The research was conducted through a systematic experimental approach,
focusing on the detailed physicochemical characterization of sludge before and after controlled CO₂
injection, under different operational conditions. Initially, comparative tests were performed in both
water and sludge using three types of microporous diffusers (SAIFILTER, REFRACTON, and
TOPTITECH) to evaluate CO₂ mass transfer efficiency. The diffuser selection and optimal flow rate (4
L/min) were based on real-time measurements of the volumetric mass transfer coefficient (kLa) and
dissolution efficiency. Subsequently, multiple enrichment trials were conducted using fresh sludge
collected weekly from a municipal wastewater treatment plant, under strictly standardized sampling
procedures to reduce variability. Chemical analyses included measurements of pH, oxidationreduction
potential (ORP), electrical conductivity (EC), total solids (TS), chemical oxygen demand
(COD and sCOD), the FOS/TAC ratio, and ammonium (NH₄⁺) concentration, both in raw and
centrifuged samples. The study also assessed the effects of sludge aging under refrigeration for up
to six days, with and without CO₂ enrichment, and included N₂ injection trials as a physical control.
Results showed that CO₂ enrichment did not significantly alter pH or soluble COD (which remained
between 6–7%), but consistently promoted a substantial increase in soluble NH₄⁺ concentrations—
up to +63% post-injection, and up to +110% when combined with aging. This suggests a mechanism
of physical desorption or shifts in ionic equilibrium within the sludge matrix. The kLa values in sludge
remained low (max. 0.0016 s⁻¹), limiting CO₂ solubilization efficiency. The data indicate that CO₂
functions as a chemical conditioning agent—rather than a conventional physical or biological pretreatment—
capable of modifying nitrogen speciation and redox balance without promoting
significant organic matter solubilization. This effect may contribute to improved startup stability of
anaerobic digesters, particularly in systems sensitive to ammonium variability.
Este trabalho teve como objetivo investigar os efeitos do enriquecimento com dióxido de carbono (CO₂) como estratégia de pré-tratamento químico do lodo de esgoto fresco, visando a sua aplicação futura na otimização da digestão anaeróbia (DA). A pesquisa foi conduzida por meio de uma abordagem experimental sistemática, com foco na caracterização físico-química detalhada do lodo antes e após a injeção controlada de CO₂, considerando diferentes condições operacionais.Inicialmente, foram realizados ensaios comparativos em água e lodo com três tipos de difusores microporosos (SAIFILTER, REFRACTON e TOPTITECH) para avaliar a eficiência da transferência de massa de CO₂. A seleção do difusor e da vazão ótima (4 L/min) foi baseada em coeficientes volumétricos de transferência de massa (kLa) e eficiência de dissolução, medidos em tempo real. Em seguida, conduziram-se múltiplos experimentos em lodo fresco, coletado semanalmente de uma estação de tratamento de águas residuais (ETAR), com controle rigoroso da amostragem para reduzir variabilidade. As análises químicas incluíram a medição de pH, potencial de oxirredução (ORP), condutividade elétrica (EC), sólidos totais (TS), demanda química de oxigênio (COD e sCOD), relação FOS/TAC e concentração de amônio (NH₄⁺), tanto em amostras brutas quanto centrifugadas. Avaliaram-se ainda os efeitos do envelhecimento do lodo refrigerado por até seis dias, com e sem enriquecimento, e realizaram-se ensaios com injeção de gás N₂ como controle físico.Os resultados indicaram que o enriquecimento com CO₂ não provocou variações significativas no pH ou no sCOD (mantendo-se entre 6–7%), mas promoveu um aumento consistente e significativo na concentração de NH₄⁺ solúvel (até +63% após a injeção e até +110% combinando com envelhecimento), sugerindo um mecanismo de dessorção física ou alteração no equilíbrio iônico da matriz do lodo. Os coeficientes de transferência de massa (kLa) em lodo permaneceram baixos (máx. 0.0016 s⁻¹), limitando a eficiência da solubilização de CO₂. Os dados apontam que o CO₂ atua como um agente de condicionamento químico — e não como um prétratamento físico ou biológico convencional —, sendo capaz de modificar a especiação nitrogenada e redox do lodo sem promover solubilização relevante de matéria orgânica. Isso pode contribuir para a estabilidade de reatores anaeróbios na fase de partida, sobretudo em sistemas sensíveis a variações de nitrogênio amoniacal.
Este trabalho teve como objetivo investigar os efeitos do enriquecimento com dióxido de carbono (CO₂) como estratégia de pré-tratamento químico do lodo de esgoto fresco, visando a sua aplicação futura na otimização da digestão anaeróbia (DA). A pesquisa foi conduzida por meio de uma abordagem experimental sistemática, com foco na caracterização físico-química detalhada do lodo antes e após a injeção controlada de CO₂, considerando diferentes condições operacionais.Inicialmente, foram realizados ensaios comparativos em água e lodo com três tipos de difusores microporosos (SAIFILTER, REFRACTON e TOPTITECH) para avaliar a eficiência da transferência de massa de CO₂. A seleção do difusor e da vazão ótima (4 L/min) foi baseada em coeficientes volumétricos de transferência de massa (kLa) e eficiência de dissolução, medidos em tempo real. Em seguida, conduziram-se múltiplos experimentos em lodo fresco, coletado semanalmente de uma estação de tratamento de águas residuais (ETAR), com controle rigoroso da amostragem para reduzir variabilidade. As análises químicas incluíram a medição de pH, potencial de oxirredução (ORP), condutividade elétrica (EC), sólidos totais (TS), demanda química de oxigênio (COD e sCOD), relação FOS/TAC e concentração de amônio (NH₄⁺), tanto em amostras brutas quanto centrifugadas. Avaliaram-se ainda os efeitos do envelhecimento do lodo refrigerado por até seis dias, com e sem enriquecimento, e realizaram-se ensaios com injeção de gás N₂ como controle físico.Os resultados indicaram que o enriquecimento com CO₂ não provocou variações significativas no pH ou no sCOD (mantendo-se entre 6–7%), mas promoveu um aumento consistente e significativo na concentração de NH₄⁺ solúvel (até +63% após a injeção e até +110% combinando com envelhecimento), sugerindo um mecanismo de dessorção física ou alteração no equilíbrio iônico da matriz do lodo. Os coeficientes de transferência de massa (kLa) em lodo permaneceram baixos (máx. 0.0016 s⁻¹), limitando a eficiência da solubilização de CO₂. Os dados apontam que o CO₂ atua como um agente de condicionamento químico — e não como um prétratamento físico ou biológico convencional —, sendo capaz de modificar a especiação nitrogenada e redox do lodo sem promover solubilização relevante de matéria orgânica. Isso pode contribuir para a estabilidade de reatores anaeróbios na fase de partida, sobretudo em sistemas sensíveis a variações de nitrogênio amoniacal.
Description
Keywords
CO2 enrichment sewage sludge pre-treatment waste-to-energy anaerobic digestion ammonium desorption sludge characterization Enriquecimento em CO2 Lodo de esgoto Pré-tratamento Digestão anaeróbica Dessorção de amônio Caracterização química