upgrading of the fenton and electrochemicalcombined reactor (fered-fenton) for optimumwaste-activated sludge stabilization and energy consumption

[ ' i n t r o d u c t i o n r n a c t i v a t e d s l u d g e p r o c e s s i s o n e o f t h e m o s t c o m m o n m e t h o d s u s e d i n w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t s . r e g a r d i n g t h e l a r g e v o l u m e o f s l u d g e o b t a i n e d f r o m s u c h b i o l o g i c a l w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p r o c e s s e s a n d c o n s i d e r a b l e c o s t s o f i t s t r e a t m e n t a n d d i s p o s a l ' , ' e x t e n s i v e r e s e a r c h h a s b e e n a n d i s b e i n g d o n e o n n o v e l e f f e c t i v e m e t h o d s o f s l u d g e s t a b i l i z a t i o n . i n p r e v i o u s i n v e s t i g a t i o n s r e s e a r c h g r o u p i n t r o d u c e d f e r e d ' , ' f e n t o n r e a c t o r a s a n o v e l e f f i c i e n t s y s t e m f o r w a s t e ' , ' a c t i v a t e d s l u d g e s t a b i l i z a t i o n . r e a c t i o n s ( 1 ) a n d ( 2 ) a r e t h e m o s t i m p o r t a n t a n d e f f e c t i v e r e a c t i o n s o c c u r i n g i n t h i s s y s t e m s o t h a t h y d r o x y l r a d i c a l w h i c h i s t h e m a i n o x i d a t i o n f a c t o r o f o r g a n i c s b e p r o d u c e d . r n x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 ( 1 ) r n x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 ( 2 ) r n i n t h i s s t u d y r e e n g i n e e r i n g ' , ' o p t i m i z i n g a n d u p g r a d i n g o f t h e r e a c t o r i n s t a b i l i z i n g w a s t e ' , ' a c t i v a t e d s l u d g e o b t a i n e d f r o m u r b a n w a s t e w a t e r t r e a t m e n t ( c a s e s t u d y : w a s t e ' , ' a c t i v a t e d s l u d g e i n s h a h i d m a h a l l a t i t r e a t m e n t p l a n t ) i s f o c u s e d o n b y i n v e s t i g a t i n g e f f e c t i v e f u n c t i o n a l p a r a m e t e r s i n c l u d i n g e l e c t r o d e s m a t e r i a l ' , ' i n f l o w o r g a n i c c o n c e n t r a t i o n s ' , ' i n t e r e l e c t r o d e d i s t a n c e ' , ' n u m b e r o f f e n t o n & a p o s ; s r e a g e n t i n j e c t i o n ' , ' s o d i u m s u l f a t e c o n c e n t r a t i o n s ( t h e f a c t o r o f e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y g e n e r a t i o n i n t h e m e d i u m ) ' , ' a n d t h e r a t i o o f e l e c t r o d e s s u r f a c e t o s y s t e m v o l u m e . b e s i d e s ' , ' d u e t o t h e i m p o r t a n t r o l e o f e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n i n e l e c t r o c h e m i c a l i s s u e s a n d t h e e f f o r t s t o m i n i m i z e i t ' , ' a n a l y s i s a n d e s t i m a t i o n o f e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n i n t h e s y s t e m a n d i t s c o m p a r i s o n t o s l u d g e a e r o b i c d i g e s t i o n i s d i s c u s s e d . r n m a t e r i a l s a n d m e t h o d s r n p i l o t s t u d i e s w e r e c o n d u c t e d i n 2 0 1 4 . e x c e s s s l u d g e s a m p l e s w e r e p r o v i d e d f r o m r e t u r n a c t i v a t e d s l u d g e s i t e o f s h a h i d m a h a l l a t i w a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n t . p i l o t r e a c t o r w a s a p l e x i g l a s c y l i n d e r o f 0 . 9 l i t e r ' , ' e m b e d d i n g t w o a n o d e s a n d t w o c a t h o d e s . e l e c t r o d e s m a t e r i a l w a s s e l e c t e d o f i r o n ' , ' s t a i n l e s s s t e e l a n d g r a p h i t e . e l e c t r o d e s d i m e n s i o n s ' , ' s e t t i n g d e p t h i n s l u d g e a n d c o n t a c t s u r f a c e o f e a c h e l e c t r o d e w i t h s l u d g e a r e 1 4 0 6 0 1 ' , ' 1 0 0 a n d 1 0 0 6 0 m m ' , ' r e s p e c t i v e l y . i n t e r e l e c t r o d e d i s t a n c e v a r i e d . s t i r r i n g i n r e a c t o r w a s d o n e b y u s i n g a n e l e c t r i c a l e n g i n e ( z h e n g ' , ' z s – r i ' , ' 6 ( v ) d c ' , ' 3 6 6 r p m ) . u s i n g m a g n e t i c s t i r r e r w a s r e l i n q u i s h e d b e c a u s e o f i t s n e g a t i v e e f f e c t o n i r o n i o n a n d i t s c a t a l y t i c f u n c t i o n i n f e n t o n p r o c e s s . t o a d j u s t r e c t o r a m p e r a g e ' , ' d i g i t a l p o w e r s u p p l y ( m p s ' , ' d c – 3 0 0 3 d ' , 0 , ' 3 ( a ) ' , 0 , ' 3 0 ( v ) ) w a s u s e d . c h e m i c a l s i n c l u d i n g f e r r o u s s u l f a t e a n d h y d r o g e n p e r o x i d e ( f e n t o n & a p o s ; s r e a g e n t ) ' , ' s u l f u r i c a c i d a n d s o d i u m h y d r o x i d e ( t o a d j u s t p h ) ' , ' s o d i u m s u l f a t e ( t o g e n e r a t e e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y ) ' , ' a n d f i l t e r p a p e r s ( n o . 4 2 ) w e r e p r o v i d e d f r o m m e r c k a n d w h a t m a n c o m p a n y ' , ' r e s p e c t i v e l y . r n r n p r i m a r i l y ' , ' s l u d g e p h w a s a d j u s t e d b y s u l f u r i c a c i d a n d s o d i u m h y d r o x i d e . t h e n a n i n i t i a l s a m p l e o f 5 0 c c w a s t a k e n t o m e a s u r e i n i t i a l v s s . n e x t ' , ' f e r r o u s s u l f a t e a n d h y d r o g e n p e r o x i d e w e r e i n j e c t e d t o t h e r e a c t o r . e l e c t r o d e s w e r e s e t i n t h e r e a c t o r a f t e r c o n n e c t i n g t o t h e p o w e r s u p p l y a n d c u r r e n t i n t e n s i t y w a s t h e n a d j u s t e d . a f t e r 2 4 0 m i n u t e s ' , ' a s e c o n d a r y s a m p l e w a s t a k e n f r o m r e a c t o r d e p t h o f 8 0 m m a n d v o l t a g e w a s m e a s u r e d d u r i n g t h e e x p e r i m e n t . a l l t h e e x p e r i m e n t s w e r e c o n d u c t e d a c c o r d i n g t o s t a n d a r d m e t h o d a n d e a c h s e t o f e x p e r i m e n t s w e r e r e p e a t e d t h r e e t i m e s t o c o n t r o l e r r o r s . r n r n * c o r r e s p o n d i n g a u t h o r : t e l : + 9 8 9 1 2 1 4 3 0 2 0 9 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 x a 0 e ' , ' m a i l : g . b a d a l i a n s @ y a h o o . c o m r n x a 0 r n d i s c u s s i o n o f r e s u l t s r n r e g a r d i n g t h e c o n d u c t e d e x p e r i m e n t s a n d i n v e s t i g a t i o n s ' , ' t h e f o l l o w i n g r e s u l t s h a s b e e n o b t a i n e d : ' , ' a s c o n c e n t r a t i o n s o f i n f l o w o r g a n i c s i n c r e a s e s ' , ' r e a c t o r e f f i c i e n c y r i s e s g e n t l y ; t h u s o n l y a f o u r ' , ' p e r c e n t r i s e i s o b t a i n e d i n t h e r a n g e o f 3 5 0 0 ' , ' 5 0 0 0 m g / l i t . ' , ' d u e t o t h e h i g h e s t r e a c t o r e f f i c i e n c y ' , ' b e i n g e n v i r o n m e n t a l l y f r i e n d l y ' , ' l e a v i n g n o r e s i d u a l i n m e d i u m a n d t h u s c a u s i n g n o m e d i u m c o n t a m i n a t i o n ' , ' a v a i l a b i l i t y ' , ' r e a s o n a b l e o p e r a t i o n c o s t ' , ' n o t b e i n g c o r r o d e d a n d t h e r e f o r e a p p r o p r i a t e f o r l o n g u s e ' , ' g r a p h i t e i s s e l e c t e d t h e b e s t e l e c t r o d e m a t e r i a l a m o n g e l e c t r o d e s o f s t a i n l e s s s t e e l ' , ' i r o n a n d g r a p h i t e . ' , ' i n t e r e l e c t r o d e d i s t a n c e w a s e x p e r i m e n t e d i n t h e r a n g e o f 0 . 5 ' , ' 2 . 2 5 c m . t h e e f f e c t o f i n t e r e l e c t r o d e d i s t a n c e o n r e a c t o r e f f i c i e n c y i s a d o w n w a r d q u a d r a t i c e q u a t i o n w h i c h t h e h i g h e s t r e a c t o r e f f i c i e n c y i s o b t a i n e d a t 1 . 5 c m . ' , ' t h e n u m b e r o f f e n t o n & a p o s ; s r e a g e n t i n j e c t i o n h a s b e e n e x p e r i m e n t e d u p t o 6 s t a g e s . a s t h e n u m b e r o f i n j e c t i o n s t a g e s i n c r e a s e s ' , ' r e a c t o r e f f i c i e n c y r i s e s t h u s t h e h i g h e s t e f f i c i e n c y w a s o b t a i n e d a t s t a g e 5 ; h o w e v e r ' , ' m o r e i n c r e a s e i n i n j e c t i o n s t a g e s d o e s n o t i n c r e a s e v s s r e m o v a l e f f i c i e n c y a n d r e a c t o r e f f i c i e n c y r e m a i n s c o n s t a n t . ' , ' g e n e r a t i n g e l e c t r i c a l c o n d u c t i v i t y ' , ' a d d i n g a s l i g h t a m o u n t o f s o d i u m s u l f a t e p o s i t i v e l y a f f e c t s r e a c t o r e f f i c i e n c y r i s e a n d t h i s t r e n d c o n t i n u e s u p t o 0 . 1 1 1 m o l e / l i t ' , ' h o w e v e r m o r e a d d i t i o n c o n d u c e s t o n o t i c e a b l e r e d u c t i o n i n e f f i c i e n c y . ' , ' t h e r a t i o o f e l e c t r o d e s s u r f a c e t o s y s t e m v o l u m e w a s i n v e s t i g a t e d i n t h e r a n g e o f 0 ' , ' 2 6 6 c m 2 / l i t . a s e l e c t r o d e s s u r f a c e i n c r e a s e s i n t h e r a n g e o f 0 ' , ' 6 6 c m 2 / l i t ' , ' s y s t e m e f f i c i e n c y s t e e p l y r i s e s f r o m 2 2 % t o 7 9 % ( 5 7 % r i s e i n s y s t e m e f f i c i e n c y ) ' , ' h o w e v e r i n t h e r a n g e o f 6 6 ' , ' 1 0 0 c m 2 / l i t a m u c h m o r e g e n t l e s l o p e i s n o t i c e d ( 7 % r i s e i n s y s t e m e f f i c i e n c y ) a n d e v e n t u a l l y i n t h e r a n g e o f 1 0 0 ' , ' 2 0 0 c m 2 / l i t s y s t e m e f f i c i e n c y r i s e s o n l y 2 p e r c e n t . i n c r e a s i n g e l e c t r o d e s s u r f a c e m o r e t h a n 2 0 0 c m 2 / l i t h a s n o e f f e c t i n s y s t e m e f f i c i e n c y ( f i g . 1 . ) . r n x a 0 r n f i g . 1 . t h e r e l a t i o n b e t w e e n v s s r e m o v a l e f f i c i e n c y a n d t h e r a t i o o f e l e c t r o d e s s u r f a c e t o r e a c t o r v o l u m e r n ( p h = 3 ' , ' f e 2 + / h 2 o 2 = 0 . 5 8 ' , ' c u r r e n t i n t e n s i t y : 6 5 0 m a ' , ' r e t e n t i o n t i m e : 2 4 0 m i n u t e s ' , ' h y d r o g e n p e r o x i d e c o n c e n t r a t i o n s : 1 5 6 8 m g / l i t ' , ' e l e c t r o d e s m a t e r i a l : g r a p h i t e ' , ' i n t e r e l e c t r o d e d i s t a n c e : 1 . 5 c m ' , ' n u m b e r o f f e n t o n & a p o s ; s r e a g e n t i n j e c t i o n : 5 ' , ' s o d i u m s u l f a t e c o n c e n t r a t i o n s : 0 . 1 1 1 m o l e / l i t ) ' , ' v o l t a g e s l o p e s t e e p l y d e c r e a s e s i n f i r s t 9 0 m i n u t e s o f e x p e r i m e n t ; t h e n f r o m 9 0 t o 2 1 0 m i n u t e s a f t e r t h e r u n ' , ' t h e s l o p e b e c o m e s m o r e g e n t l e a n d f i n a l l y i n l a s t 3 0 m i n u t e s b e c o m e s s t a b l e ; h o w e v e r ' , ' e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n i n c r e a s e s d u r i n g t h e e x p e r i m e n t . ' , ' i n c r e a s i n g c o n c e n t r a t i o n s o f i n f l o w o r g a n i c s r e s u l t s i n i n c r e a s e o f p o w e r s u p p l y v o l t a g e b u t d e c r e a s e o f e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n f o r r e m o v a l o f 1 k g v s s ( w h i l e t o t a l e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n i n c r e a s e s ) . ' , ' e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n i s d i r e c t l y a n d l i n e a r l y r e l a t e d t o i n t e r e l e c t r o d e d i s t a n c e . ' , ' a s s o d i u m s u l f a t e c o n c e n t r a t i o n s i n c r e a s e s ' , ' e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n d e c r e a s e s . i n i t i a l a d d i t i o n o f s o d i u m s u l f a t e d e c r e a s e s a g r e a t d e a l o f e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n ( c o n s u m e d e l e c t r i c a l e n e r g y d e c r e a s e s 1 . 6 3 k w h f o r r e m o v a l o f 1 k g v s s ) . i n c r e a s i n g c o n c e n t r a t i o n s o f s o d i u m s u l f a t e m o r e t h a n a c e r t a i n a m o u n t ; h o w e v e r ' , ' m a k e s d e c r e a s i n g s l o p e o f e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n b e c o m e v e r y m u c h m o r e g e n t l e ( c o n s u m e d e l e c t r i c a l e n e r g y d e c r e a s e s 0 . 3 6 k w h f o r r e m o v a l o f 1 k g v s s ) . ' , ' e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n i s d i r e c t l y a n d l i n e a r l y r e l a t e d t o t h e r a t i o o f e l e c t r o d e s s u r f a c e t o r e a c t o r v o l u m e ( f i g . 2 . ) . r n x a 0 r n f i g . 2 . t h e r e l a t i o n b e t w e e n v o l t a g e a n d e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n a n d t h e r a t i o o f e l e c t r o d e s s u r f a c e t o r e a c t o r v o l u m e r n ( p h = 3 ' , ' f e 2 + / h 2 o 2 = 0 . 5 8 ' , ' c u r r e n t i n t e n s i t y : 6 5 0 m a ' , ' r e t e n t i o n t i m e : 2 4 0 m i n u t e s ' , ' h y d r o g e n p e r o x i d e c o n c e n t r a t i o n s : 1 5 6 8 m g / l i t ' , ' e l e c t r o d e s m a t e r i a l : g r a p h i t e ' , ' i n t e r e l e c t r o d e d i s t a n c e : 1 . 5 c m ' , ' n u m b e r o f f e n t o n & a p o s ; s r e a g e n t i n j e c t i o n : 1 ' , ' s o d i u m s u l f a t e c o n c e n t r a t i o n s : 0 . 1 1 1 m o l e / l i t ) ' , ' s i n c e a t e l e c t r o d e s s u r f a c e o f 1 0 0 a n d 2 0 0 c m 2 / l i t ' , ' t h e r e i s n o p r o m i n e n t d i f f e r e n c e i n s y s t e m e f f i c i e n c y ( a t w o ' , ' p e r c e n t s y s t e m e f f i c i e n c y i n c r e a s e ' , ' o n l y ) ( f i g . 1 . ) ' , ' b u t t h e r e a r e l a r g e d i f f e r e n c e o f e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n a n d e l e c t r o d e s s u r f a c e a r e a ( 1 . 7 k w h / ( k g v s s r e m o v a l ) d i f f e r e n c e i n e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n a n d 1 0 0 c m 2 / l i t d i f f e r e n c e i n c o n s u m e d e l e c t r o d e s u r f a c e a r e a ) ( f i g . 2 . ) ; i t & a p o s ; s l o g i c a l t o i g n o r e t w o p e r c e n t r i s e i n e f f i c i e n c y t o l e s s e n t h e c o n s u m p t i o n o f e l e c t r i c a l e n e r g y a n d e l e c t r o d e s s u r f a c e a r e a a n d c o n s e q u e n t l y l o w e r c o s t s . t h e r e f o r e e l e c t r o d e s s u r f a c e o f 1 0 0 c m 2 / l i t i s a d o p t e d f o r r e a c t o r o p e r a t i o n i n w h i c h c o n d i t i o n s y s t e m e f f i c i e n c y a n d e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n a r e 8 6 p e r c e n t a n d 1 . 6 k w h / ( k g v s s r e m o v a l ) ' , ' r e s p e c t i v e l y . t h i s d e m o n s t r a t e s t h a t f e r e d ' , ' f e n t o n p r o c e s s i s t w i c e a s e f f i c i e n t a s s l u d g e a e r o b i c d i g e s t i o n ( o n e o f t h e t r a d i t i o n a l s l u d g e s t a b i l i z a t i o n p r o c e s s e s ) w h i l e c o n s u m e s h a l f o f i t s r e q u i r e d e l e c t r i c a l e n e r g y . r n x a 0 r n c o n c l u s i o n s r n f o l l o w i n g p r e v i o u s r e s e a r c h e s w h i c h i n t r o d u c e d f e r e d ' , ' f e n t o n r e a c t o r a s o n e o f t h e e f f e c t i v e n o v e l m e t h o d s f o r s l u d g e s t a b i l i z a t i o n ' , ' t h i s s t u d y h a s b e e n d o n e t o r e e n g i n e e r ' , ' o p t i m i z e a n d u p g r a d e o f t h e r e a c t o r . i n t h i s s t u d y e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n i s a l s o a n a l y z e d ' , ' e s t i m a t e d a n d c o m p a r e d t o s l u d g e a e r o b i c d i g e s t i o n w h i c h i s a t r a d i t i o n a l s l u d g e s t a b i l i z a t i o n m e t h o d . t h e s e i n v e s t i g a t i o n s d e m o n s t r a t e d t h a t u n d e r o p t i m i z e d c o n d i t i o n s ' , ' % 8 6 o f v s s r e m o v a l e f f i c i e n c y w i t h e l e c t r i c a l e n e r g y c o n s u m p t i o n o f a b o u t 1 . 6 k w h / ( k g v s s r e m o v a l ) i s o b t a i n e d w h i c h i n d i c a t e t h a t f e r e d ' , ' f e n t o n p r o c e s s i s t w i c e a s e f f i c i e n t a s s l u d g e a e r o b i c d i g e s t i o n w h i l e c o n s u m e s h a l f o f i t s r e q u i r e d e l e c t r i c a l e n e r g y . t h i s i m p l i e s t h e a p p l i c a t i o n o f f e r e d ' , ' f e n t o n s y s t e m i n a c t i o n a n d a t t h e s a m e t i m e b e i n g h i g h l y e f f i c i e n t . ' ]