Hydrothermal Processing of Sewage Sludge for Phosphorus Recovery

Abstract

Maailman väestön ja kaupungistumisen kasvu on lisännyt jätevesien käsittelyn tarvetta sekä huolia jätevesilietteen loppusijoituksen vaikutuksista. Samalla ravinteiden talteenotto on tullut tärkeämmäksi ruokapulan ja fossiilisiin polttoaineisiin perustuvien lannoitteiden käytön vuoksi. Puhdistamoliete sisältää suuria määriä fosforia, jota voidaan ottaa talteen ja käyttää lannoitteena. Lietteen hyödyntämiseen liittyy haasteita sen korkean kosteuspitoisuuden ja sen sisältämien epäpuhtauksien vuoksi. Hydroterminen prosessointi tarjoaa kestävän vaihtoehdon, sillä se kuluttaa vähemmän energiaa kuin pyrolyysi ja poltto.

Tässä väitöskirjassa tutkitaan hydrotermisen prosessoinnin soveltuvuutta jätevesilietteen käsittelyyn, keskittyen fosforin talteenottoon ja mikromuovien hajoamiseen. Kun hydrotermistä käsittelyä verrattiin polttoon ja pyrolyysiin, hydrotermisesti tuotetusta hiilestä saatiin uutettua 80 % fosforista rikkihapon avulla 60 min ajassa, kun taas pyrolyysilla ja poltolla tuotetuille hiilille sama tulos vaati 360 min käsittelyajan. Fosforin liukeneminsessa diffuusio oli pääasiallinen liukenemista rajoittava tekijä. Fosforin talteenottoa tehostettiin käyttämällä happo- ja emäsesikäsittelyä ennen hydrotermistä prosessia. Kun tehtiin esikäsittely orgaanisella hapolla, fosforista saatiin talteen yli 90 % ja hieman vähemmän käytettäessä emästä esikäsittelyssä. Raskasmetallien liukeneminen pysyi alle 10 % niiden kokonaispitoisuudesta, kun tehtiin esikäsittely emäksellä, mikä oli 5-15 kertaa vähemmän kuin happoa käytettäessä. Uuttoliuosta voitiin kierrättää vähentäen kemikaalikulutusta. Hydrotermisessä käsittelyssä mikromuovit alkoivat hajota 240 °C asteessa ja niiden hajoamisnopeus kasvoi nelinkertaiseksi kun lämpötilaa nostettiin 300 °C asteeseen. Vaikutus havaittiin sekä vettä että metalliliuosta käytettäessä. Tutkituista metalleista Fe katalysoi mikromuovien hajoamista lisäten niiden hajoamisnopeutta.

Tämä tutkimus osoittaa hydrotermisen käsittelyn potentiaalin jätevesilietteen hallinnassa ja resurssien talteenotossa ja osoittaa, että korkealaatuista fosforia voidaan ottaa talteen samalla hajottaen mikromuoveja. Orgaanisella hapolla tehdyn esikäsittelyn integrointi hydrotermiseen käsittelyyn ja fosforin uttamiseen hiilestä tukee kiertotaloutta ja kestävää resurssien talteenottoa. Tulevaisuudessa tulisi keskittyä prosessiolosuhteiden optimointiin talteenoton tehokkuuden parantamiseksi ja ympäristövaikutusten vähentämiseksi.

The rapid growth of the global population and urbanization has increased the demand for effective wastewater treatment, alongside rising concerns about the disposal of sewage sludge. Simultaneously, nutrient recovery has become crucial due to food scarcity and the increasing demand for fertilizers. Sewage sludge, which contains one of the highest phosphorus (P) levels among biomass wastes, offers a viable pathway for P recovery and fertilizer production. Nevertheless, sewage sludge utilization remains challenging due to its high moisture content and the presence of organic and inorganic contaminants. Hydrothermal processing (HTP) offers a sustainable alternative, addressing these issues with lower energy consumption compared to pyrolysis and incineration.

This dissertation presents a comprehensive study on the feasibility of HTP for managing sewage sludge, focusing on low impurity P extraction and the degradation of microplastics. First, HTP was compared with pyrolysis and incineration for P extraction. Hydrochars from HTP achieved P leaching efficiencies of around 80% using H2SO4 within 60 min, while pyrolysis and incineration derivatives required 360 min for similar efficiency. The P extraction mechanism revealed product layer diffusion being the primary rate-limiting step. Subsequently, organic acid-assisted hydrothermal treatment was employed to enhance P extraction under both acidic and alkaline conditions. Over 90% P extraction was achieved with H2SO4, while NaOH yielded slightly lower efficiencies; notably, heavy metal release remained below 10%, representing a 5–15-fold reduction compared to H2SO4. In addition, the recirculation of P leachate demonstrated the potential for P condensation with reduced chemical consumption. In the final stage, the degradation of microplastics during HTP was studied. Microplastics started to be degraded at 240 °C, with degradation rates accelerating approximately 4 times as temperatures rose to 300 °C in both water and metallic medias due to thermal hydrolysis. Notably, Fe3+ acted as a catalyst, accelerating the degradation process.

This research highlights the potential of HTP for sewage sludge management, providing experimental evidence for efficient P extraction with low impurity and microplastic degradation. The integration of organic acid assisted hydrothermal treatment and wet- chemical extraction aligns with circular economy principles, promoting a cost-effective and sustainable approach to resource recovery. Future studies should focus on optimizing process conditions to enhance recovery efficiency while reducing environmental impact.