Comparison of wastewater sludge drying processes: solar, thermal and reed beds. Impact on organic matter characteristics

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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 TINOS TINOS 1

2 Waste Production (per year / inhabitant) 354 kg 46 kg 25 kg Mt 1,6 1,5 1,4 1,3 1,2 1,1 1,0 0,9 0,8 Sludge production in France TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 2

3 Sewage sludge disposal Annual amount: 1.5 M tons / year in France 9% 72% Incineration Land farming 19% Landfill TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 3

4 Sewage sludge disposal Annual amount: 1.5 M tons / year in France 9% 72% Incineration Land farming 19% 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 Landfill TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 4

5 If we don t want to be submerged. Drying process Reduce the volume TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 5

6 If we don t want to be submerged. Drying process Reduce the volume Aim of the study : Characterise the biomass -> Understand impact of drying processes on sludge organic matter (OM) characteristics -> Propose elements to optimise disposal and / or re-use of WWS TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 6

7 TINOS 2015 TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 7

8 It s here TINOS 2015 TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 8

9 Thermal drying It s here Solar drying Reed beds drying TINOS 2015 TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 9

10 Large WWTP : > 100,000 PE LF- 0 LF- 85 pellets LF- 120 Fer@lizer Thermal drying hours TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 10

11 Large WWTP : > 100,000 PE LF- 0 LF- 85 pellets LF- 120 Fer@lizer Thermal drying hours Solar drying Medium WWTP : > 2,000 PE Solar- 0 Solar- 2w Solar- 4w month Amendment TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 11

12 Large WWTP : > 100,000 PE pellets LF- 0 LF- 85 LF- 120 Fer@lizer Thermal drying hours Medium WWTP : > 2,000 PE Solar- 0 Solar- 2w Solar- 4w Amendment Solar drying month Small WWTP RB- 0 RB- 1 RB- 2 RB- 3 RB- 4 Reed beds drying years Amendment TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 12

13 OM characterisation Bulk scale Sampling 1. Elemental analysis (C, H, N) 2. Infra-red spectroscopy (ATR-FTIR) Centrifugation 3. Thermal differential analysis (TDA) Freeze drying OM fractionation Lipids, Fulvic acids, Humic acids, Humin Analysis Molecular scale 1. Double shot pyrolysis (Py-GC/MS) TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 13

14 ATR-FTIR ν O-H, ν N-H ν C-H ν C=O ν C=C δ C-O Absorbance 0,35 0,30 0,25 0,20 0,15 0,10 0, cm , 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 / 14

15 ATR-FTIR C-O/C-H ratio 4,0 Thermal Drying 4,5 Solar Drying 4,5 Reed beds Drying 3,5 3,0 4,0 3,5 3,0 4,0 3,5 3,0 2,5 2,5 2,5 2,0 0,5 LF- 0 1,5 LF- 85 2,5 LF ,5 2,0 0,5 Solar- 0 1,5 Solar- 2w 2,5 Solar- 4w 3,5 2, Reduction process Biological oxidation? TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 15

16 ATR-FTIR C-O/C-H ratio 4,0 Thermal Drying 4,5 Solar Drying 4,5 Reed beds Drying 3,5 3,0 4,0 3,5 3,0 4,0 3,5 3,0 2,5 2,5 2,5 2,0 0,5 LF- 0 1,5 LF- 85 2,5 LF ,5 2,0 0,5 Solar- 0 1,5 Solar- 2w 2,5 Solar- 4w 3,5 2, Reduction process Biological oxidation? TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 16

17 ATR-FTIR C-O/C-H ratio 4,0 Thermal Drying 4,5 Solar Drying 4,5 Reed beds Drying 3,5 3,0 4,0 3,5 3,0 4,0 3,5 3,0 2,5 2,5 2,5 2,0 0,5 LF- 0 1,5 LF- 85 2,5 LF ,5 2,0 0,5 Solar- 0 1,5 Solar- 2w 2,5 Solar- 4w 3,5 2, Reduction process Biological oxidation? TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 17

18 Organic matter fractionation Sludge OM Lipids CH 2 Cl 2 /MeOH HCl Humic-like Substances «Fulvic acids» NaOH «Humin» «Humic Acids» TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 18

19 OM fractionation Thermal Drying 100% 80% Solar Drying 100% 80% 100% 80% Reed beds Drying 60% 60% 60% 40% 40% 40% 20% 20% 20% 0% LF-0 LF-85 LF-120 0% Solar-0 Solar-2w Solar-4w 0% RB-0 RB-1 RB-2 RB-3 RB-4 OM weakening Humin Humic acids Fulvic acids Lipids 2w: OM complexification 4w: biodegradation? TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 19

20 OM fractionation Thermal Drying 100% 80% Solar Drying 100% 80% 100% 80% Reed beds Drying 60% 60% 60% 40% 40% 40% 20% 20% 20% 0% LF-0 LF-85 LF-120 0% Solar-0 Solar-2w Solar-4w 0% RB-0 RB-1 RB-2 RB-3 RB-4 OM weakening Humin Humic acids Fulvic acids Lipids 2w: OM complexification 4w: biodegradation? TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 20

21 OM fractionation 100% Thermal Drying 100% Solar Drying Reed beds Drying 100% 80% 80% 80% 60% 60% 60% 40% 40% 40% 20% 20% 20% 0% LF-0 LF-85 LF-120 0% Solar-0 Solar-2w Solar-4w 0% RB-0 RB-1 RB-2 RB-3 RB-4 OM weakening Humin Humic acids Fulvic acids Lipids 2w: OM complexification 4w: biodegradation? TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 21

22 Double Shot Thermochemolysis (Py-GC/MS) 1 st shot : Warm 2 nd shot : Hot Trapped compounds are desorbed Polymers degrade into volatile molecules GC-MS TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 22

23 First Shot Warm TDA Temperature Difference ( C/mg) 0,6 0,5 350 C Fatty acids Stanols/sterols 0,4 0,3 0,2 0,1 0-0, Temperature ( C) Pyrogram at 350 C of sludge TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 23

24 Fatty acids C 16 2,5 C 15 * C 18 2,4 2,3 2,2 2,1 LF-0 LF-85 LF Plants * Bacterial origin TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 24

25 Fatty acids C 16 2,5 C 15 * C 18 2,4 2,3 2,2 2,1 LF-0 LF-85 LF Thermal drying : decrease inhibi@on of bacterial ac@vity * Bacterial origin TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 25

26 Fatty acids C 16 2,5 C 15 * C 18 2,4 2,3 2,2 2,1 LF-0 LF-85 LF Thermal drying : decrease Solar drying : stable inhibi@on of bacterial ac@vity * Reed beds drying : stable Bacterial origin TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 26

27 Steroids 5,0 4,9 4,8 4,7 4,6 4,5 4,4 4,3 4,2 LF-0 LF-85 LF Sterol Reduc@on Stanol TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 27

28 Steroids Stanols/ Sterols 5,0 4,9 4,8 4,7 4,6 4,5 4,4 4,3 4,2 LF-0 LF-85 LF Thermal drying: increase inhibi@on of bacterial ac@vity TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 28

29 Steroids Stanols/ Sterols 5,0 4,9 4,8 4,7 4,6 4,5 4,4 4,3 4,2 LF-0 LF-85 LF Thermal drying: increase inhibi@on of bacterial ac@vity Solar drying: stable Reed beds drying: stable TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 29

30 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 TDA Temperature Difference ( C/mg) Hot 600 C Second Shot Lignin 0-0, Temperature ( C) Pyrogram at 600 C of sludge Monomers originating from biopolymers degradation Protein-like TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 30

31 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 TDA Temperature Difference ( C/mg) Hot 600 C Second Shot Lignin 0-0, Temperature ( C) Pyrogram at 600 C of sludge Monomers originating from biopolymers degradation No change induced by drying processes Protein-like TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 31

32 Conclusion TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 32

33 Conclusion 1. Thermal drying : 4 hours heating process - weakening of organic matter - inhibition of bacterial activity - stable but biodegradable OM better as fertilizer TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 33

34 Conclusion 1. Thermal drying : 4 hours heating process - weakening of organic matter - inhibition of bacterial activity - stable but biodegradable OM better as fertilizer 2. Solar drying : 1 month in a greenhouse process - 0-2w complexification of organic matter (Hu increased) - 2-4w biodegradation (lipid decreased) - humified OM suitable for amendment TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 34

35 Conclusion 1. Thermal drying : 4 hours heating process - weakening of organic matter - inhibition of bacterial activity - stable but biodegradable OM better as fertilizer 2. Solar drying : 1 month in a greenhouse process - 0-2w complexification of organic matter (Hu increased) - 2-4w biodegradation (lipid decreased) - humified OM suitable for amendment 3. Reed beds drying : years outdoor process - surface sampling : characteristics close than of acrivated sludge - perspectives : sample an older reed beds drying process TITRE DE LA PRÉSENTATION / DATE / 35

36 Conclusion 1. Thermal drying : 4 hours heating process - weakening of organic matter - inhibition of bacterial activity - stable but biodegradable OM better as fertilizer 2. Solar drying : 1 month in a greenhouse process - 0-2w complexification of organic matter - 2-4w biodegradation - humified OM suitable for amendment 3. Reed beds drying : years outdoor process - surface sampling : characteristics close than of activated sludge - perspectives : sample an older reed beds drying process Thank you for your attention TITRE DE LA PRÉSENTATION July / DATE 2015 / 36