Valorization of deinking sludges from wastepaper recycling: Biogas production and calcium carbonate recovery
Creators: name: Ogun, Moses Kolade
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2024
Subjects: subject: wastepaper
subject: recycling
subject: deinking sludge
subject: biogas
subject: digestate
subject: calcium carbonate
classificationCode: 620
subject: Engineering and Applied Operations

description: Deinking sludges are residues generated from deinking operation during wastepaper recycling. The common treatment option in Europe includes dewatering steps followed by incineration. Incineration of deinking sludge is capital intensive and not sustainable hence it was investigated if it can be valorized energetically by anaerobic digestion and materially by calcium carbonate recovery. Investigations were carried out by characterisation of substrates and execution of experiments. The dry matter of deinking sludges depends on the dewatering stage in treatment plant and is in the range of 2 to 40% fresh mass. The pre-dewatered deinking sludge has a dry matter content of 5 - 16% fresh mass. The organic dry matter of deinking sludges is in the range of 29 to 33% DM. Calcium carbonate and ash contents have the highest fraction of dry matter in deinking sludges and are 47 - 52% DM and 67 - 71% DM respectively. Deinking sludges showed good digestibility with common inocula and their biogas yield was observed to be about half of that of cellulose under similar anaerobic conditions. Pre-dewatered deinking sludge from the mixture of high and medium wastepaper grades showed the highest specific biogas yield (417 ± 0 NL/kg·oDM) followed by those with a mixture of medium wastepaper grades (275 ± 14 NL /kg·oDM) and lastly those from ordinary wastepaper grades (250 ± 21 NL /kg·oDM). A carbon to nitrogen ratio in the range of 29 and 34 is recommended to improve the efficiency of a semi-continuously operated anaerobic digestion of deinking sludge. Within the scope of this study, a hydraulic retention time of 19 days which corresponds to an organic loading rate of 1.6 ± 0.42 kg oDM/m3·d was observed as optimal for anaerobic digestion of deinking sludge using a semi-continuous system. Deinking sludge settles quickly in bioreactors, hence an efficient mixing mechanism during semi-continuous process is recommended. The two-step first order kinetics showed the best fitting for the anaerobic digestion of raw and pre-dewatered deinking sludges from ordinary wastepaper grades. The modified Gompertz model showed the best fit for pre-dewatered deinking sludges from high and medium wastepaper grades. The ashes of deinking sludges and its digestates are rich in calcium carbonate and contain some elements found in portland cement but in different proportion. The ashes contribute to flexural and compressive strength which make them suitable as supplementary building materials. Results obtained from the study show that biogas production from deinking sludges combined with calcium carbonate recovery is a sustainable approach.
description: Deinkingschlämme sind Rückstände aus dem Deinkingprozess beim Altpapierrecycling. Die gängige Behandlungsoption in Europa ist die Entwässerung und anschließende Verbrennung. Da die Verbrennung von Deinkingschlämmen kapitalintensiv und nicht nachhaltig ist, wurde untersucht, ob sie durch anaerobe Vergärung energetisch und durch Rückgewinnung von Calciumcarbonat stofflich verwertet werden können. Die Untersuchungen wurden durch die Charakterisierung der Substrate und die Durchführung von Experimenten durchgeführt. Der Feststoffgehalt von Deinkingschlämmen hängt von der Entwässerungsstufe in der Aufbereitungsanlage ab und liegt zwischen 2 und 40% Frischmasse. Vorentwässerter Deinkingschlamm hat einen Feststoffgehalt von 5 bis 16% DM. Der organische Feststoffgehalt von Deinkingschlämmen liegt zwischen 29 und 33% DM. Der Calciumcarbonat- und der Aschegehalt machen mit 47 - 52% DM bzw. 67 - 71% DM den größten Anteil am Feststoffgehalt von Deinkingschlämmen aus. Der Deinkingschlamm zeigte eine gute Verdaulichkeit mit üblichen Inokula und die Biogasausbeute war etwa halb so hoch wie die von Zellulose unter ähnlichen anaeroben Bedingungen. Der vorentwässerte Deinkingschlamm aus der Mischung von besseren und mittleren Altpapiersorten zeigte die höchste spezifische Biogasausbeute (417 ± 0 NL/kg-oDM), gefolgt von dem aus der Mischung mittlerer Altpapiersorten (275 ± 14 NL/kg-oDM) und schließlich dem aus den unteren Altpapiersorten (250 ± 21 NL/kg-oDM). Ein Kohlenstoff-Stickstoff-Verhältnis zwischen 29 und 34 wird empfohlen, um die Effizienz der halbkontinuierlichen anaeroben Vergärung von Deinkingschlamm zu verbessern. In dieser Studie wurde eine hydraulische Verweilzeit von 19 Tagen beobachtet, was einer optimalen organischen Belastung von 1,6 ± 0,42 kg oDM/m³-d für den anaeroben Abbau von Deinkingschlamm in einem halbkontinuierlichen System entspricht. Deinkingschlamm setzt sich in Bioreaktoren schnell ab, daher wird ein wirksamer Rührmechanismus während des halbkontinuierlichen Verfahrens empfohlen. Die zweistufige Kinetik erster Ordnung erwies sich als am besten geeignet für den anaeroben Abbau von rohem und vorentwässertem Deinkingschlamm aus gewöhnlichem Altpapier. Das modifizierte Gompertz-Modell zeigte die beste Anpassung für vorentwässerte Deinkingschlämme aus besseren und mittleren Altpapiersorten. Die Aschen von Deinkingschlämmen und deren Gärresten sind reich an Calciumcarbonat und enthalten einige Elemente, die im Portlandzement vorkommen, jedoch in unterschiedlichen Anteilen. Die Aschen tragen zur Biege- und Druckfestigkeit bei, was sie zu geeigneten Zusatzbaustoffen macht. Die Ergebnisse der Studie zeigen, dass die Erzeugung von Biogas aus Deinkingschlämmen in Kombination mit der Rückgewinnung von Calciumcarbonat ein nachhaltiger Ansatz ist.