Flow characteristics of primary and digested sewage sludge

Summary

Rheological study of sewage sludge is useful for the design, operation and control of sewage treatment plants. The rheology is highly dependent on physical, chemical and biological characteristics of the sludge. A pipeline rheometer is described in this paper for measurement of rheological properties of the sludge. Primary sewage sludge is a complex flocculated suspension having no fixed particle dimension, shape, size distribution or surface characteristics. The information available so far on rheology of sewage sludge is not suitable for application in design because of the lack of data on physico-chemical characteristics of this sludge.

Primary and digested sewage sludge are non-Newtonian in character. Both exhibit yield stress and while primary sludge is shear-thinning in nature, digested sludge has been found to be shear-thickening. Parabolic and yield-power law models have been used to express the experimental data obtained for sludges at various concentrations and temperatures. Yield stress of primary sludge varies exponentially with concentration and linearly with temperature within the short temperature range studied. Primary sludge is found to be antithixotropic at low shear stress. Digested sludge does not exhibit time dependency.

Zusammenfassung

Die rheologische Untersuchung von Abwasserschlamm ist von Bedeutung für die Planung, den Betrieb und die Überwachung von Abwasser-Kläranlagen. Die rheologischen Eigenschaften hängen aber in starkem Maße von den physikalischen, chemischen und biologischen Kennzeichen des Schlammes ab. Es wird ein Rohrrheometer beschrieben, das für die Messung der rheologischen Eigenschaften von Schlämmen geeignet ist. Frischer Abwasserschlamm ist eine komplexe ausgeflockte Suspension ohne einheitliche Größe, Form, Größenverteilung und Oberflächenbeschaffenheit der Teilchen. Die bisher vorliegenden Kenntnisse über die Rheologie von Abwasserschlämmen sind nicht geeignet für die Erfordernisse der Planung, weil die physiko-chemischen Kenndaten der betreffenden Schlämme fehlen.

Frischer und gefaulter Abwasserschlamm sind nicht-newtonsche Systeme und weisen eine Fließgrenze auf. Während frischer Schlamm aber Scherentzähung zeigt, findet man bei Faulschlamm Scherverzähung. Sowohl die Approximation durch eine parabolische Beziehung als auch durch ein Herschel-Bulkley-Modell sind geeignet für die Beschreibung der experimentellen Ergebnisse, die für Schlämme mit verschiedener Konzentration und bei verschiedener Temperatur erhalten wurden. Die Fließspannung von frischem Schlamm hängt exponentiell von der Konzentration und linear von der Temperatur ab, zum mindesten innerhalb des untersuchten kurzen Temperaturintervalls. Frischer Schlamm erweist sich bei kleinen Schubspannungen als anti-thixotrop, wohingegen bei Faulschlamm kein zeitabhängiges Verhalten festzustellen ist.