Raporty IChTJ. Seria B nr 1/2023
THE USE OF IONIZING RADIATION IN SEWAGE SLUDGE TREATMENT FOR HYGIENIZATION AND DISINTEGRATION
(Wykorzystanie promieniowania jonizującego w obróbce osadów ściekowych w celu ich higienizacji oraz dezintegracji)
Marcin Sudlitz
Plik do pobrania (PDF 531 KB)
Amounts of sewage sludge (SS) produced every year have a tendency to increase due to developing urbanization and rising number of people all over the world. SS is a waste product obtained in wastewater purification process conducted in wastewater treatment plants (WWTPs) as the effect of sedimentation in primary settlers and aerobic purification process in activated sludge tank. As a source of nutrients, it can be utilized as a feedstock for biogas fermentation process or as a fertilizer, and forms of SS disposal, such as incineration or landfilling, not only can be considered as tremendous waste but also are disadvantageous for the environment. Nevertheless, as the SS is the product originated from municipal wastewater, it contains variety of pathogents such as parasitic worms ova, protozoa, pathogenic bacteria, viruses, pathogenic fungi, etc. Therefore certain steps must be taken to eliminate mentioned threats before any agricultural use. Also before feeding SS into anaerobic digester to produce biomethane, hygienization process has to be performed while methane fermentation does not guarantee the removal of pathogens and waste from methane fermentation – the digestate is later distributed on the fields as an organic fertilizer. Introducing pathogens into the soil intended for agriculture may cause entering these threats to crops and subsequently infecting humans and animals. The amounts of chosen pathogens, which are Salmonella spp. and viable ova of three species of helminths: human roundworm (Ascaris sp.), carnivorous animal roundworm (Toxocara sp.), and human whipworm (Trichuris sp.), are regulated by the EU law as well as internal regulations of member states, including Poland. One of the possible ways to remove pathogenic organisms from SS is irradiation, as it can interact with DNA of living cells, damaging it, or interact with water molecules, leading to water radiolysis which produces highly reactive radical species. These species can also damage DNA or cell membranes, leading to cell death. An irradiation dose required to remove pathogens from SS can range from 3-4 to 15 kGy. Irradiation of sewage sludge brings one more profit which is disintegration – the effect causing the release of easily soluble organic nutrients from solid to liquid phase. Biomass processed in this way can be digested more easily, so methane fermentation process can be conducted more efficiently.
Ilości wytwarzanych corocznie osadów ściekowych wzrastają ze względu na postępującą urbanizację i rosnącą liczbę ludności na całym świecie. Osady ściekowe są produktem odpadowym powstającym w procesie oczyszczania ścieków w oczyszczalniach ścieków jako efekt sedymentacji w osadnikach wstępnych oraz tlenowego procesu oczyszczania w zbiornikach osadu czynnego. Będąc źródłem składników odżywczych mogą być wykorzystywane jako surowiec w procesie fermentacji biogazu lub jako nawóz, a formy unieszkodliwiania osadów ściekowych, takie jak spalanie czy składowanie, nie tylko mogą być uznane za ogromne marnotrawstwo, ale są również niekorzystne dla środowiska. Osady ściekowe zawierają różnorodne patogeny, takie jak: jaja robaków pasożytniczych, pierwotniaki, bakterie chorobotwórcze, wirusy, grzyby chorobotwórcze itp., które należy usunąć, jeżeli omawiane osady mają być wykorzystane w rolnictwie w jakiejkolwiek formie. Również przed wprowadzeniem osadów ściekowych do komory fermentora w celu wytworzenia biometanu należy przeprowadzić proces higienizacji, gdyż fermentacja metanowa nie gwarantuje usunięcia patogenów, a odpad z fermentacji metanowej – poferment – jest później kierowany na pola uprawne jako nawóz organiczny. Wprowadzenie patogenów do gleb przeznaczonych na cele rolnicze może spowodować przedostanie się ich do upraw, a następnie zarażenie ludzi i zwierząt. Ilości wybranych patogenów, którymi są Salmonella sp. i żywe jaja trzech gatunków robaków: glisty ludzkiej (Ascaris sp.), glisty zwierząt mięsożernych (Toxocara sp.) i włosogłówki ludzkiej (Trichuris sp.), regulowane są zarówno przez prawo UE, jak i wewnętrzne rozporządzenia krajów członkowskich, w tym Polski. Jednym z możliwych sposobów usuwania organizmów chorobotwórczych z osadów ściekowych jest napromieniowanie, ponieważ może ono oddziaływać na DNA żywych komórek, uszkadzając je, lub wchodzić w interakcje z cząsteczkami wody, prowadząc do radiolizy wody, w wyniku której powstają wysoce reaktywne rodniki. Te indywidua chemiczne również mogą uszkadzać DNA lub błony komórkowe, co prowadzi do śmierci komórek. Dawka promieniowania wymagana do usunięcia patogenów waha się od kilku (3-4) do 15 kGy. Napromieniowanie osadów ściekowych daje jeszcze jedną korzyść, jaką jest dezintegracja – efekt powodujący uwolnienie łatwo rozpuszczalnych organicznych składników pokarmowych z fazy stałej do ciekłej. Tak przetworzona biomasa łatwiej ulega fermentacji, dzięki czemu proces fermentacji metanowej jest wydajniejszy.