Resource recovery and life cycle assessment in co‐treatment of organic waste substrates for biogas versus incineration value chains in Poland and Norway

Present waste management policies are characterized by some main shifts compared to previous practices; such as increased focus on resources recovery, banning of landfilling of organic waste fractions, waste-to-energy value chains optimization, and environmental life cycle impact optimization. In order to comply with such new policies there is a need for research on methodological and empirical aspects of LCA for value chains for co-treatment and resource recovery from organic waste substrates; including processes from generation, treatment, energy conversion and final use of products and byproducts. This study examines two generic value chains (aiming at what are common solutions) for co-treatment of selected organic waste substrates, converted to energy, in Norway and Poland. The waste substrates that are studied are sewage sludge (46% dry matter), organic fractions of municipal solid waste (27.1%), and fat (26.9), in different combinations of quantity mix. Chemical properties for these substrates are gathered from a newly executed state-of-the-art analysis in addition to comprehensive laboratory experiments to find methane yield characteristics of different co-treatment substrate mix situations. Technologies examined in this study include pretreatment, anaerobic digestion, biogas upgrading to CHP-generation or to biofuel for use in transport, bioresiduals separation or upgrading to compost for use in agriculture or as soil amendment, all as part of an anaerobic route, compared to waste incineration with energy recovery to CHP-generation as alternative to the anaerobic route. Products and byproducts of both treatment options are substituting mineral fertilizers, fossil fuels and electricity grid mixes common of today, by system expansion, to determine possible avoided impacts when comparing alternative technologies. The LCA model is based on input from a feedstock-driven and mass-balance consistent MFA model that estimates the life cycle inventory. This provides increased flexibility and accuracy regarding system and technology assumptions, on the basis of a given set of transfer coefficients and parameters that can be altered according to what value chain and technologies are to be examined. This study presents LCA results from two defined and alternative value chains, based on what are typical assumptions and input variable values for applications in a Norwegian and in a Polish setting. The study account for the differences in technologies and practices in the typical waste systems, the typical energy systems and the typical transportation systems in each country, where the main differences between the two systems are that bioresidual is used as fertilizer in Norway and not in Poland additional to the different electricity mixes. LCA calculations are performed using different mix ratios of incoming waste substrates (sewage sludge, organic waste, fat), and assessing the corresponding energy recovery efficiency, nutrient recovery efficiency, and the associated impacts affected by applied technologies, transport distances, carbon capture potential, as well as estimating direct emissions for CH4, N2O and NH3, according to chosen end-use practices within the systems. The study shows what are the main important system processes and elements and what turn to be the critical variables and assumptions in the LCA modeling. It also gives recommendations for what factors to focus when trying to improve the resource recovery for energy and nutrients and the life-cycle environmental impacts of organic waste-to-energy value chains

Circular Economy in Wastewater Treatment Plant–Challenges and Barriers

The urban wastewater treatment plants can be an important part of circular sustainability due to integration of energy production and resource recovery during clean water production. Currently the main drivers for developing wastewater industry are global nutrient needs and water and energy recovery from wastewater. The article presents current trends in wastewater treatment plants development based on Circular Economy assumptions, challenges and barriers which prevent the implementation of the CE and Smart Cities concept with WWTPs as an important player. WWTPs in the near future are to become “ecologically sustainable” technological systems and a very important nexus in SMART cities

THE THEORETICAL CONTEXT OF INSTRUCTIONAL DESIGN E-LEARNING COURSES

Learning technologies offer new opportunities to meet the rapidly growing demand for new, constructivist ways of learning (such as competency-based, collaborative or adaptive learning). The article discusses the fundamentals of use educational theory (behaviorism, constructivism, humanistic psychology, cognitivism) in instructional design e-learning courses. The author presents the role of pedagogical aspects of interaction design in online asynchronous distance education

Wykorzystanie zaawansowanych metod utleniania (AOP) do oczyszczania odcieków składowiskowych

Formation of leachate poses a problem closely related to the use of landfill sites. Landfill leachate is a wastewater, which as a result of permeation elutes mineral and organic compounds from a bed. Due to its diverse composition, both physical and chemical, it is necessary to purify the leachate before its discharge into drains or a natural receiver. The following article shows that there is a variety of pollutants in municipal landfill leachate. It also presents the dependency existing between the age of a landfill site, and the concentration of pollutants in leachate, as well as how it affects biodegradation of contaminants. There were discussed various methods to purify leachate and the physical, chemical, physico- -chemical and biochemical processes were compared. Comparing these processes, many factors were taken into account: the efficiency and effectiveness of the processes, their side effects, the costs, the amount of energy that is required for a process to take place, reaction dynamics, and more. A successful purification of leachate with use of a single process unit is not possible. Therefore, there are used hybrid systems that combine biological methods of physico-chemical processes, especially the advanced oxidation processes. The most important among the chemical processes used for treatment of leachate are Advanced Oxidation Processes - AOP. Advanced oxidation processes are divided into chemical and photochemical oxidation. The most commonly used methods include oxidation with ozone and hydrogen peroxide and Fenton's reagent oxidation. Processes using ozone are usually employed as the third stage of landfill leachate treatment. This process allows discharge of the leachate into a receiver. The largest decreases in the number of pollutants are obtained using combined processes. Some of the best effects were observed after employment of oxidation both with ozone and hydrogen peroxide, helping to additionally enhance this process photocatalytically. AOP proved to be the most effective method of treatment of waste water that contains organic products (waste water from chemical and agrochemical industries, textiles, paints, dyes). More conventional techniques cannot be used to treat such compounds because of their high chemical stability and low biodegradability. There was also performed a literature review in the field of biological, physical and chemical purification methods of landfill leachate.Problemem ściśle związanym z użytkowaniem składowiska odpadów komunalnych jest powstawanie odcieków oraz konieczność ich oczyszczania. Odcieki składowiskowe są wodami odpadowymi, które w wyniku przenikania przez złoże wymywają z niego związki mineralne i organiczne. Ze względu na różnorodny skład zarówno fizyczny, jak i chemiczny istnieje konieczność ich oczyszczenia przed odprowadzeniem do odbiornika naturalnego bądź kanalizacji. Liczba i różnorodność związków chemicznych, jakie występują w odciekach, jest ogromna, a ich pełna identyfikacja praktycznie niemożliwa. W artykule omówiono zależność, jaka występuje między wiekiem składowiska a stężeniem zanieczyszczeń w odciekach, a także, jak powyższa zależność wpływa na biodegradację zanieczyszczeń. Do oczyszczania odcieków z młodych składowisk można stosować metody biologiczne z uwagi na znaczne stężenie zanieczyszczeń podatnych na biodegradację. Do usuwania zanieczyszczeń trudno rozkładalnych, znajdujących się w odciekach ze składowisk ustabilizowanych, zastosowanie znajdują różnorodne metody fizyczne i chemiczne. Przy doborze odpowiedniej metody oczyszczania odcieków ze składowisk odpadów komunalnych należy przeprowadzić wnikliwą analizę ich właściwości fizycznych i chemicznych. Należy ponadto rozpatrzyć technologie składowania odpadów, rodzaje składowanych odpadów, jakość i ilość odcieków, jakie powstają, oraz wielkość składowiska. Trzeba również uwzględnić przewidywany czas eksploatacji składowiska, jak również wymogi prawne, pozwalające na odprowadzenie uprzednio oczyszczonych odcieków do odbiornika. Prowadzone od wielu lat badania ukazują, iż niemożliwe jest dobre oczyszczenie odcieków, kiedy stosuje się jeden proces jednostkowy. Zwykle wykorzystuje się do tego celu układy hybrydowe, które łączą metody biologiczne z procesami fizyczno-chemicznymi: procesy zaawansowanego utleniania, metody membranowe bądź procesy sorpcji na węglu aktywnym. Coraz większą uwagę skupia się na wykorzystaniu zaawansowanych procesów utleniania - AOP (Advanced Oxidation Processes) do oczyszczania ścieków o niewielkiej podatności na biodegradację. Cechą, która wyróżnia te procesy, jest czynnik utleniający. Czynnikami utleniającymi są bardzo reaktywne rodniki hydroksylowe. Posiadają one wysoki potencjał utleniająco- redukcyjny, dzięki czemu są zdolne do utleniania związków organicznych. Procesy AOP prowadzą do mineralizacji zanieczyszczeń, polegającej na utlenieniu zanieczyszczenia do dwutlenku węgla, wody i nieorganicznych związków. Zastosowanie AOP jako obróbki wstępnej, wspomagającej oczyszczanie biologiczne, powoduje, że procesy te są efektywne i opłacalne z punktu widzenia ekonomicznego. Do najczęściej stosowanych metod chemicznych zaliczamy utlenianie ozonem, nadtlenkiem wodoru oraz utlenianie odczynnikiem Fentona. Ozonowanie stosuje się najczęściej jako trzeci stopień oczyszczania odcieków wysypiskowych. Metody zaawansowanego utleniania wydają się obiecującą alternatywą dla konwencjonalnych sposobów postępowania z odciekami ze składowisk odpadów komunalnych. Niemniej jednak wysoki koszt technologii AOP oraz nie do końca poznany mechanizm reakcji chemicznych i fizycznych wymaga wciąż prowadzenia dodatkowych badań naukowych

Circular Economy in Wastewater Treatment Plant–Challenges and Barriers

The urban wastewater treatment plants can be an important part of circular sustainability due to integration of energy production and resource recovery during clean water production. Currently the main drivers for developing wastewater industry are global nutrient needs and water and energy recovery from wastewater. The article presents current trends in wastewater treatment plants development based on Circular Economy assumptions, challenges and barriers which prevent the implementation of the CE and Smart Cities concept with WWTPs as an important player. WWTPs in the near future are to become “ecologically sustainable” technological systems and a very important nexus in SMART cities

The treatment of fiberboard manufacturing wastewater in UASB reactor

Najważniejszym wyzwaniem w ramach procesu oczyszczania ścieków z produkcji płyt pilśniowych jest zmniejszenie zawartości w nich związków organicznych, zawiesin oraz intensywności barwy. W ostatnich latach wzrosło zainteresowanie technologiami beztlenowymi w oczyszczaniu tego rodzaju ścieków. Za stosowaniem systemów anaerobowych przemawia: mniejsza produkcja osadów ściekowych, możliwość oczyszczania ścieków wysokoobciążonych ładunkiem zanieczyszczeń, wytwarzanie energii w postaci metanu. W pracy przedstawiono wyniki badań nad możliwością zastosowania reaktora UASB w oczyszczaniu ścieków z produkcji płyt pilśniowych. Badania prowadzone były w skali laboratoryjnej w warunkach mezofilowych przy stałym hydraulicznym czasie zatrzymania, wynoszącym 3 doby, i obciążeniu substratowym w przedziale 1,3 ÷ 2,5 kgChZT/m³d. Efektywność procesu oczyszczania oceniono na podstawie stopnia usunięcia ChZT oraz produkcji biogazu. Najlepsze wyniki uzyskano przy obciążeniu substratowym reaktora wynoszącym 2 kgChZT/m³d. Dla podanych warunków prowadzenia procesu odnotowano 66% usunięcie ChZT oraz produkcję biogazu na poziomie 0,38 dm³/gChZTus d.The effluent from fiberboard manufacturing (FBM) is a specific kind of wastewater with the COD value of over 20 000 mg/l and a suspended solids content of more than 1500 mg/l. The organic components of the effluent include cellulose, lignin and resin acids. The high COD content present in this wastewater makes it suitable for anaerobic treatment however the presence of toxic or recalcitrant substances implies an additional challenge for developing a reliable biological process. Increased gas production and reduced excess sludge generation significantly improve the economics of anaerobic digestion. The concept of the Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) reactor is very simple. The reactor consists of a chamber in which the wastewater flows upward through an anaerobic sludge bed and passes in contact with the micro-organisms. In result and anaerobic degradation of the wastewater organic matter occurs. The produced biogas causes hydraulic turbulence as it moves upward through the reactor, providing adequate mixing within the system and eliminating the need for mechanical mixing. The presence of a three-phase separator at the top of the reactor, allows separation of the water phase from sludge solids and gas. In this study the treatment of fiberboard manufacturing (FBM) wastewater was carried out in a laboratory scale UASB rector. Bioreactor performance was evaluated by COD removal efficiency and biogas yield. The aim of the work was to determine the optimal organic loading rate (ORL) for a hydraulic retention time (HRT) of 3 days. The ORL range from 1.3 to 2.5 kgCOD/m³d was studied. 66% of COD removal efficiency and biogas yield of 0.38 m³biogas/kgCODremovedd were obtained in the anaerobic reactor operating at 37°C when OLR was equal to 2 kgCOD/m³d

Pretreatment methods as a means of boosting methane production from sewage sludge and its mixtures with grease trap sludge

The main objective of this study was to determine the applicability of the selected pretreatment methods as a means of intensification of methane production from sewage sludge as well as its mixtures with grease trap sludge. The addition of the fat rich material to the digester treating sewage sludge resulted in an increased methane yield as well as volatile solids (VS) removal of up to 36% (from 134.75 mL/g VS to 182.84 mL/g VS). Furthermore, thermochemical pretreatment of the co-digestion mixture resulted in an approximately 76% higher methane yield as compared to the untreated sewage sludge. The energy balance showed that, for both materials ultrasonic pretreatment and thermochemical pretreatment has an energy self-sufficiency. All of the tested models fit the experimental data with coefficients of determination higher than 0.96

Initial experiments of the landfill leachate pretreatment by Fenton method

Proces Fentona to jedna z zaawansowanych metod utleniania, stosowana do oczyszczania wielu różnych rodzajów ścieków. W pracy oceniono możliwość jego zastosowania do oczyszczania odcieków pochodzących ze składowiska odpadów komunalnych. Badania miały na celu dobór najkorzystniejszej dawki reagentów na podstawie stopnia obniżenia ChZT oraz OWO. Ponadto, w ściekach oznaczono następujące wskaźniki: BZT5, LKT, azot amonowy oraz zasadowość. W ramach badań oceniono wpływ na stopień usunięcia wymienionych zanieczyszczeń następujących dawek reagentów (siarczan żelaza/nadtlenek wodoru): 1) 0,5/0,75 g/dm3, 2) 0,75/1,0 g/dm3, 3) 1/1,25 g/dm3, 4) 1,25/1,5 g/dm3. Proces Fentona realizowano w temperaturze pokojowej 22 ÷ 25°C przy pH równym 2,5. Przeprowadzone badania potwierdzają możliwość zastosowania procesu Fentona do oczyszczania odcieków składowiskowych. W porównaniu do odcieków surowych w ściekach oczyszczonych odnotowano 65 i 55% obniżenie się odpowiednio ChZT i OWO. Najwyższą efektywność procesu uzyskano dla najwyższych dawek zastosowanych reagentów. Jednak wciąż wysokie stężenia analizowanych wskaźników wskazują, że proces Fentona można zastosować do wstępnego oczyszczania odcieków składowiskowych, podczas gdy do ich pełnego oczyszczenia konieczne jest wykorzystanie innych procesów fizykochemicznych lub biochemicznych.Fenton process is one of the Advanced Oxidation Processes used for the treatment of many different types of sewage. The article rated the possibility of using this process for the treatment of leachate from the municipal landfill. Research aimed at selecting the best dose reagents based on the degree of reduction COD and TOC. Furthermore in sewage was determined following indicators: BOD5, VFA, ammonia nitrogen and alkalinity. For this study evaluated effect the following doses of reagents (iron sulphate / hydrogen peroxide) on the degree removal these pollutants: 1) 0.5/0.75 g/dm3, 2) 0.75/1.0 g/dm3, 3) 1/1.25 g/dm3, 4) 1.25/1.5 g/dm3. Fenton process was carried out at room temperature 22 ÷ 25°C at the pH 2.5. The research confirmed possibility of using the Fenton process for the treatment of landfill leachate. In comparison to the raw leachate in the treated wastewater was recorded 65 and 55% reduction respectively the COD and TOC. The highest efficiency of the process were obtained for the highest doses of the reagents. Still, high concentrations of the analyzed indicators show that the Fenton process can be used for the initial purification of landfill leachate, while for their full purification is necessary to use other physico-chemical or biochemical processes

BMP test in the assessment and modeling of biogas production from organic substrates: review

Współczynnik produkcji biogazu jest jednym z najważniejszych parametrów oceny efektywności procesu fermentacji. Jednym z narzędzi pozwalających na jego oszacowanie, a tym samym określenie potencjału metanogennego badanych materiałów, są testy BMP (ang. biochemical methane potential). W literaturze znaleźć można szereg procedur przeprowadzania testów. Różnorodność schematów badawczych rodzi szereg pytań dotyczących czynników wpływających na ich wynik, powtarzalność, a w dalszej kolejności na możliwość porównywania rezultatów testów wykonywanych w różnych laboratoriach. W artykule szczegółowo przedstawiono główne grupy czynników wpływających na wynik testów BMP, omówiono między innymi wpływ inoculum, medium fermentacyjnego, rodzaju substratu, a także przedstawiono zakresy parametrów operacyjnych stosowanych w testach. Dodatkowo zaprezentowano procedury badawcze stosowane do oszacowania produkcji metanu dla bardzo zróżnicowanych odpadów.Methane yield is one of the most important parameters to assess the efficiency of the anaerobic digestion process. The biochemical methane potential (BMP) assay has been widely used to determine the methane yield of organic substrates. First test method was described by Owen et al. in 1979. Since then, a variety of test procedures for determination of biochemical methane potential have been reported. Lack of standard protocol for carrying out measuring biochemical methane potential of various substrates limits the ability to compare results between laboratories. Additionally, there are many factors that may influence the anaerobic biodegradability of organic materials and a consequence on methane yield. This article discusses the impact of the following factors: type of substrate, particle size of the substrate, inoculum, anaerobic medium, inoculum and experimental conditions such as gas measurement systems, pH and alkalinity, temperature, reactor capacity, stirring, duration of the test. Many factors must be taken into account in the case of inoculum. It should take into account such factors as: the source of the sludge used as inoculum and its state of acclimation and adaptation to a test, inoculum activity, inoculum to substrate ratio (I/S or ISR). ISR is one of the most important parameters in batch tests. Inoculum / substrate ratio of 1 (VS basis) is usually used in the assessment of the biochemical methane potential. Nevertheless, in the case of more recalcitrant wastes, the rate of methane production in biochemical methane potential assays was optimized by increasing the I/S ratio to 2 g VS/g VS. The BMP results compiled in this article showed that BMP assay are a relatively simple and reliable method to obtain the biochemical methane potential and rate of organic matter conversion to methane. The major disadvantage of BMP tests is their duration. In summary, the data presented in the review indicate that each of the presented procedures have limitations, and currently there is no method for routine assessment of methane potential different substrates. It seems that at present one of the key research areas in the field of this subject is to extend initially outlined in the work of Angelidaki et al. [6] some basic guidelines for scientists studying this parameter. Posted at end of article, table lists the details of the procedures used to determine the biochemical methane potential different organic substrates