The effect of water treatment plant sludge addition to the performance of a pilot-scale high-rate activated sludge system
Su arıtma tesisi çamuru ilavesinin pilot ölçekli yüksek yüklü aktif çamur sisteminin performansına etkisi
- Tez No: 1024308
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HÜSEYİN GÜVEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Hızla artan nüfusun neden olduğu enerji talebindeki artış, atıksu arıtımında da diğer birçok sektörde olduğu gibi enerji verimli teknolojilerin benimsenmesini teşvik etmektedir. Atıksuların arıtılmasının temel amacı kirleticilerin giderilmesi olmakla birlikte, bazı prosesler atıksuda bulunan organik maddeden enerji geri kazanımını da mümkün kılarak sürdürülebilirliğe katkıda bulunmaktadır. Biyolojik atıksu arıtma yöntemleri arasında en çok tercih edilen proses, aktif çamur işlemidir. Konvansiyonel aktif çamur (KAÇ) prosesinde atıksudaki organik maddenin büyük bir kısmı yoğun havalandırma koşullarında karbondioksite dönüştürülmektedir. Bu dönüşüm, mikroorganizmalar için bir enerji kaynağı olarak hizmet eder veya aerobik koşullarda büyümelerine katkı sağlar. Sistemdeki fazla mikroorganizmalar, önceden belirlenmiş çamur yaşına bağlı olarak sistemden fazla çamur şeklinde uzaklaştırılır. Fazla çamurdaki organik madde ise anaerobik çürütücülerdeki mikroorganizmalar tarafından yaklaşık %60–70 oranında metan içeren biyogaza dönüştürülür. Biyogaz daha sonra gaz motorları aracılığıyla enerji üretiminde kullanılarak atıksudan enerji geri kazanımı sağlanır. Atıksu arıtımına enerji yönetimi açısından bakıldığında, KAÇ sistemlerinde organik maddenin aerobik mikroorganizmalar tarafından karbondioksite dönüştürülmesi, bu karbonun anaerobik çürütücülerde metana dönüştürülememesi nedeniyle enerji kaybı olarak kabul edilmektedir. Atıksudan maksimum enerji geri kazanımının sağlanabilmesi için, organik madde mümkün olan en kısa sürede fazla çamurda yoğunlaştırılmalı ve karbondioksite oksidasyonu minimum düzeyde tutulmalıdır. Yüksek yüklü aktif çamur (YYAÇ) prosesi bu koşulları sağlamaktadır; zira YYAÇ prosesinin tasarımı, atıksudaki organik maddenin büyük ölçüde mineralizasyona uğramaksızın adsorpsiyon ve depolama yoluyla tutulmasına dayanmaktadır. KAÇ sistemlerinde çamur yaşı 5 günün üzerinde, çözünmüş oksijen (ÇO) konsantrasyonu 2 mg/L'nin üzerinde ve hidrolik bekletme süresi (HBS) yaklaşık 8 saatken; YYAÇ sisteminde çamur yaşı 2 günün altında, ÇO seviyesi 1 mg/L'nin altında ve HBS 2 saatin altındadır. Bu koşullar, organik maddenin karbondioksite dönüşümünü azaltmak amacıyla tasarlanmıştır. İçeriğinde koagülantlar bulunması nedeniyle, su arıtma tesisi (SAT) çamuru potansiyel olarak değerli bir kaynak olarak değerlendirilmektedir. Artan düzenli depolama tesisi (DDT) bertaraf maliyetleri ve vergiler nedeniyle düzenli depolama sahalarına erişimin kısıtlanması ile birlikte sıfır atık hedefinin giderek daha fazla önem kazanması, SAT çamurlarının yönetiminde daha cazip ve değer yaratıcı yaklaşımların benimsenmesini teşvik etmektedir. Bu kapsamda, SAT çamurunun yeniden kullanımı ve geri dönüşümü gibi uygulamalar öne çıkmaktadır. Yanabilirliğinin ve organik madde içeriğinin düşük olması nedeniyle SAT çamurunun yakılması ya da çürütülmesi genellikle uygun yöntemler olarak ele alınmamaktadır. Bu nedenle, SAT çamurunun geri kazanımı ve yeniden kullanımı seçeneklerine yönelik araştırmalar son yıllarda önemli ölçüde ilgi görmüştür. Örneğin, çamurun çimento, seramik ya da hafif agregalara dönüştürülmesi olası bir yaklaşım olarak değerlendirilmektedir. Buna ek olarak, SAT çamurunun yapay sulak alanlarda alt tabaka malzemesi olarak kullanılması ya da atıksu arıtma tesislerinde (AAT) bir koagülant olarak değerlendirilerek katı madde gideriminin artırılması, çamur çökelmesinin iyileştirilmesi ve susuzlaştırma süreçlerinin kolaylaştırılması gibi alternatif uygulamalar da bulunmaktadır. Bu tez çalışmasının temel amacı, SAT çamurunun YYAÇ prosesinde düşük dozda koagülant olarak yeniden kullanımının uygulanabilirliğini kapsamlı bir şekilde araştırmaktır. Bu amacı gerçekleştirmek üzere, İstanbul'da bulunan tam ölçekli bir AAT'den alınan ön arıtılmış kentsel atıksuyu arıtmak için pilot ölçekli bir YYAÇ sistemi, SAT çamuru ilavesi ile ve ilavesiz olarak sürekli biçimde işletilmiştir. Laboratuvar koşullarında gerçekleştirilen jar (kavanoz) testlerinde kullanılmak üzere alum ve demir esaslı SAT çamuru örnekleri, tam ölçekli SAT tesislerinin çamur susuzlaştırma ünitelerinden temin edilmiş ve YYAÇ biyoreaktörüne ilave edilecek uygun SAT çamuru dozunun belirlenmesi amaçlanmıştır. Kavanoz testlerinde, %3 katı madde içeriğine seyreltilen alum ve demir esaslı SAT çamurları YYAÇ çamuruna litre başına 0,3 mL dozunda uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, SAT çamurunun YYAÇ sistemine ilave miktarı, fazla çamur üretimini yaklaşık %10'dan fazla artırmayacak şekilde sınırlandırılmıştır. Demir çamuru, SAT çamuru ilave edilmeyen duruma kıyasla askıda katı madde (AKM), kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) ve toplam fosfor (TP) giderimlerini sırasıyla %1,3±0,1, %2,6±1,4 ve %3,0±1,7 oranında artırmıştır. Buna karşılık, alum çamuru AKM için %1,0±0,1, KOİ için %0,4±1,0 ve TP için %0,6±0,9 oranlarında daha sınırlı iyileşmeler sağlamıştır. Demir çamuru, alum çamuruna kıyasla genel olarak daha yüksek giderim verimi göstermesi nedeniyle tercih edilmiştir. Bu doğrultuda, demir çamuru dozu YYAÇ çamurunun inorganik madde içeriğini artırmamak ve metan potansiyelini olumsuz etkilememek amacıyla litre atıksu başına 20,1±1,6 mg kuru madde ile sınırlandırılmıştır. Alınan çamurun ortalama katı madde oranı yaklaşık %30 olduğundan, pompajın kolaylaştırılması amacıyla musluk suyu ile yaklaşık %3'e kadar seyreltilmiş ve elde edilen karışım peristaltik pompa ile YYAÇ sisteminin biyoreaktörüne beslenmiştir. SAT çamurunun pilot ölçekli YYAÇ sistemine ilavesinin ardından, AKM, partikül kimyasal oksijen ihtiyacı (pKOİ) ve TP giderim verimlerinde sırasıyla %78,0±0,4, %75,2±2,3 ve %60,1±4,1'den %80,0±3,2, %81,3±0,9 ve %63,8±2,3'e kadar kısmi iyileşmeler gözlemlenmiştir. Ayrıca, SAT çamurunun ilavesi YYAÇ çamurunun bazı karakteristiklerini önemli ölçüde etkilemiştir. Özellikle, havalandırma tankındaki medyan partikül boyutu (D50) 96±3 µm'den 163±14 µm'ye yükselirken, çamur hacim indeksi (ÇHİ30) 38±6 mL/g'dan 32±4 mL/g'a düşmüştür. Bu değişimlerin, çamurun çökelme ve susuzlaştırma performansını artırarak potansiyel olarak çamur arıtma maliyetlerini azaltılması mümkündür. Bununla birlikte, biyometan potansiyeli (BMP) testleri, SAT çamuru ilavesinin YYAÇ çamurunun BMP'sinde %8,9 oranında azalmaya yol açtığını ve ortalama BMP değerinin 330 NmL CH₄/g uçucu katı madde (UKM)'den 301 NmL CH₄/g UKM'ye düştüğünü göstermiştir. İncelenen sistemin çevresel etkisi, çıkış suyu kalite indeksi (ÇKİ) kullanılarak değerlendirilmiş olup, ÇKİ değeri her iki aşamadan elde edilen ortalama çıkış AKM, KOİ, toplam azot (TN) ve TP konsantrasyonlarının literatüre dayalı ağırlıklandırma faktörleri kullanılarak hesaplanması sonucunda SAT çamuru ilavesi durumunda %2 oranında iyileşme göstermiştir. Çamur transferi, bertarafı ve arıtma maliyetleri ile biyogaz üretiminden elde edilen enerji geri kazanımı dikkate alınarak yapılan ve pilot ölçekli YYAÇ sistemine SAT çamuru ilavesi olan ve olmayan durumun ele alındığı farklı çamur yönetim senaryolarının analizinde, SAT çamurunun hipotetik bir YYAÇ tesisinde kullanımıyla SAT çamuru ilavesiz duruma kıyasla toplam maliyetin %11 oranında azaldığı belirlenmiştir. Bu analiz, hem SAT hem de YYAÇ çamurunun transfer ve bertaraf işlemlerini, ayrıca YYAÇ tesisinde kullanılan enerji ve kimyasal tüketimini kapsamaktadır. Elde edilen sonuçlar, SAT çamurunun AAT'lerde koagülant olarak yeniden kullanımının potansiyel faydalarını ortaya koymaktadır. Bu yaklaşım, SAT ve AAT'ler arasında simbiyotik bir ilişkiyi teşvik ederek döngüsel ekonomi modelinin geliştirilmesine ve kaynak döngüselliğinin artırılmasına katkı sağlamaktadır. Bu tez, SAT çamurunun YYAÇ prosesine entegrasyonunun arıtma performansında sınırlı düzeyde iyileşme sağladığını ortaya koymakla birlikte, gelecekte yapılacak çalışmalarda SAT çamuru ilavesinin arıtma verimi ve fazla çamurun biyogaz potansiyeli üzerindeki etkilerinin incelenmesi önem arz etmektedir. Ayrıca, asitlendirme gibi gelişmiş koagülant geri kazanım yöntemleri de bu kapsamda incelebilir. Bu yaklaşımın daha ileri taşınabilmesi için, SAT çamurunun kullanıldığı AAT'lerde işletme kararlılığın, ekonomik fizibilitenin ve çevresel sürdürülebilirliğin uzun vadeli performans analizleri ile değerlendirilmesi gerekmektedir. Gelecek çalışmalar ayrıca ayrıntılı proses optimizasyonu, farklı çamur karakteristiklerinin (örneğin demir ve alum çamuru) anaerobik çürütülebilirlik üzerindeki etkileri ve fayda-maliyet analizleriyle enerji geri kazanım potansiyelinin birlikte incelenmesini içermelidir. Bunun yanında, mevcut atıksu yönetimi mevzuatının gözden geçirilmesi ve SAT çamurunun yeniden kullanım uygulamalarının bölgesel ve ulusal atık yönetimi hedefleriyle ne derece örtüştüğünün değerlendirilmesi, yönetimsel zorlukların ve fırsatların belirlenmesine katkı sağlayacaktır. Tüm bu öneriler, su, atıksu ve atık yönetim sistemlerinin döngüsel entegrasyonuna ilişkin değerli bilgiler sunarak daha sürdürülebilir ve kaynak verimli uygulamalara geçişi destekleyecektir.
Özet (Çeviri)
The rising energy demand driven by rapid population growth has encouraged the adoption of energy-efficient technologies in wastewater treatment, as in many other sectors. While the primary goal of wastewater treatment is removing pollutants, certain processes also enable greater recovery of energy from the organic matter present in wastewater, therby contributing to sustainability. Among the range of biological wastewater treatment methods, the activated sludge process is highly favored. In the conventional activated sludge (CAS) process, most of the organic material in wastewater is converted into carbon dioxide under intensive aeration. This process serves as an energy source for microorganisms and also contributes to their growth. Excess microorganisms are removed from the system as waste sludge based on the predetermined sludge age. The organic material in this excess sludge can then be converted into biogas containing approxiamtely 60-70% methane through anaerobic digestion. Biogas is subsequently utilized for power generation in gas motors, enabling energy recovery from wastewater. From an energy management perspective in wastewater treatment, the conversion of organic matter to carbon dioxide by aerobic microorganisms in CAS systems represents an energy loss, as this carbon can no longer be converted to methane in anaerobic digestion. To maximize energy recovery from wastewater, organic matter should be concentrated in excess sludge as rapidly as possible while minimizing its oxidation to carbon dioxide. The high rate activated sludge (HRAS) process can provide these conditions, as the design of the HRAS process relies on adsorbing and storing organic matter from wastewater while minimizing mineralization. Unlike CAS systems, which typically operate with a sludge age exceeding 5 days, dissolved oxygen (DO) levels above 2 mg/L, and a hydraulic retention time (HRT) of around 8 hours, HRAS systems keep organic matter mineralization to a minimum. In HRAS systems, the sludge age is kept below 2 days, the DO concentration below 1 mg/L, and the HRT under 2 hours, all to minimize the conversion of organic matter to carbon dioxide. Due to the presence of coagulants in it, water treatment plant (WTP) sludge holds potential as a valuable resource. Reduced access to landfill sites due to rising landfill disposal costs, including taxes, together with the growing emphasis on zero-waste targets, are driving the adoption of more sustainable and resource-oriented approaches to sludge management, such as the reuse and recycling of WTP sludge. Due to its low combustibility and organic content, incineration and anaerobic digestion are generally considered as unsuitable methods for WTP sludge management. Consequently, the exploration of options for recycling and reusing WTP sludge has gained substantial attention. For instance, one viable approach involves transforming it into cement, ceramics, or lightweight aggregates. Additionally, alternative approaches include using WTP sludge as a bed layer material in constructed wetlands or as a coagulant in wastewater treatment plants (WWTPs) to enhance solids removal, improve sludge settling, and facilitate dewatering processes. The primary aim of this thesis was to comprehensively investigate the feasibility of reusing WTP sludge as a low-dose coagulant in the HRAS process. To achieve this goal, a pilot-scale HRAS system was continuously operated with and without WTP sludge addition to treat preliminary treated municipal wastewater received from a full-scale WWTP in Istanbul, Türkiye. Samples of alum and iron sludges were collected from the dewatering units of full-scale water treatment plants, and subsequent jar tests were conducted in the laboratory to determine the appropriate WTP sludge dose for addition to the bioreactor of the HRAS plant. Based on the jar tests conducted using seed sludge mixed with iron and alum WTP sludges diluted to 3% solids and applied at a dosage of 0.3 mL/L HRAS sludge, the amount of WTP sludge added to the HRAS system was limited to a level that would increase excess sludge generation by no more than approximately 10%. Iron sludge increased total suspended solids (TSS), chemical oxygen demand (COD), and total phosphorus (TP) removal by 1.3±0.1%, 2.6±1.4%, and 3.0±1.7%, respectively, compared to the without WTP sludge addition case. In contrast, alum sludge resulted in smaller improvements of 1.0±0.1% for TSS, 0.4±1.0% for COD, and 0.6±0.9% for TP. Iron sludge was selected because it demonstrated overall higher removal efficiencies compared to alum sludge. Accordingly, the iron sludge dose was restricted to 20.1±1.6 mg dry matter per liter of wastewater to avoid increasing the inorganic matter content of HRAS sludge and not to deteriorate its methane potential. Since the average solids content of the WTP sludge was around 30%, it was diluted with tap water to approximately 3% solids to facilitate pumping. This diluted mixture was then fed to the bioreactor of the HRAS system via a peristaltic pump. Following the addition of WTP sludge, modest improvements were observed in the removal efficiencies of TSS, particulate chemical oxygen demand (pCOD), and TP, increasing from 78.0±0.4%, 75.2±2.3%, and 60.1±4.1% to 80.0±3.2%, 81.3±0.9%, and 63.8±2.3%, respectively. Moreover, the addition of WTP sludge significantly influenced some sludge characteristics, particularly by increasing the median particle size (D50) in the aeration tank from 96±3 µm to 163 ±14 µm while reducing sludge volume index (SVI30) from 38±6 mL/g to 32±4 mL/g. These changes enhanced sludge settleability and dewaterability, potentially reducing sludge treatment costs. However, biomethane potential (BMP) tests showed that WTP sludge addition reduced BMP by 8.9%, decreasing the average BMP from 330 NmL CH₄/g volatile solids (VS) to 301 NmL CH₄/g VS. The environmental impact of the investigated system, assessed using the effluent quality index (EQI) calculated from the average effluent concentrations of TSS, COD, total nitrogen (TN), and TP from both stages with literature-based weighting factors, showed a 2% improvement in case of WTP addition. When different sludge management scenarios, namely adding and not adding WTP sludge to the HRAS pilot-scale system, were analyzed to compare the costs of using WTP sludge in a hypothetical HRAS plant considering sludge transportation, sludge landfilling, and treatment costs, along with energy recovery from biogas production, the results indicated a total cost reduction of approximately 11% compared to the not adding case. This analysis included the transportation and landfilling of both WTP and HRAS sludge, as well as the energy and chemical use in the HRAS plant. This result underscores the benefits of reusing WTP sludge as a coagulant in wastewater treatment. This approach promotes a symbiotic relationship between WTPs and WWTPs, contributing to the development of a circular economy and enhancing resource circularity. This thesis found that integrating WTP sludge into the HRAS process resulted in limited improvements in treatment performance; however, future research could explore ways to investigate the impact of WTP sludge addition on treatment efficiency and biogas production. Moreover, advanced options for coagulant recovery, such as acidification, could also be investigated in this context. Then, long-term performance assessments would be beneficial for evaluating the operational stability, economic feasibility, and environmental sustainability of WWTPs with different configurations utilizing WTP sludge. Key areas for future research also include detailed process optimization, investigation of the effects of WTP sludge characteristics (e.g., iron vs. alum sludge) on anaerobic digestibility, and comprehensive cost-benefit analyses that consider both expenses and energy recovery potential. Additionally, examining relevant regulatory frameworks for wastewater management and aligning sludge reuse practices with broader waste management policies could help identify institutional barriers and opportunities. Collectively, these future directions provide valuable insights into the circular integration of water, wastewater and waste management systems and support the transition toward more sustainable and resource-efficient practices.
Benzer Tezler
- Kentsel atıksu arıtma tesisi anaerobik çamur çürütücülerinin dinamik proses modelleme yaklaşımı ile analizi
Analysis with dynamic process modeling approach of anaerobic sludge digesters of the urban wastewater treatment plant
KERİM EKİCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
- Arıtma çamuru uygulamalarının açıkta biber yetiştiriciliğinde kullanım olanakları ile bitki besin ve ağır metal içeriği üzerine etkileri
Opportunities of use treatment sludge applications in pepper growing and the effects on plant nutrition and heavy metal content
ELİF TOTU GENÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
ZiraatMalatya Turgut Özal ÜniversitesiBahçe Bitkileri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÖZLEM ALTUNTAŞ
- Donma çözülmenin arıtma çamurları susuzlaştırılabilirliği üzerine etkileri
The Effects of freeze-thaw conditioning on the water and wastewater treatment sludges
NALAN SOYLU (YOLDAŞ)
- Effect of various type of sludge codisposal on the solid waste stabilization in landfills
Farklı türde çamur ilavesinin düzenli depolama alanlarında bulunan katı atığın ayrışmasına etkisi
SUNA ÇINAR
- The effect of peroxides on the ozonation of reactive dyebath effluent
Peroksitlerin reaktif boya banyo atıksularının ozonlanmasına etkisi
SHIMA FARASAT
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İDİL ARSLAN ALATON