Performance of sequencing batch reactor for nutrient removal as functions of operating variables
İşletme değişkenlerinin fonksiyonu olarak nutrient giderimi için ardışık kesikli reaktörün performansı
- Tez No: 138887
- Danışmanlar: PROF. DR. FİKRET KARGI
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2003
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Dokuz Eylül Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 147
Özet
Ardışık zamanlı kesikli reaktörler (AZKR) atıksulardan Öncelikle KOİ ve fosfat giderimi için kullanılmışlardır. Doğal su sistemlerine yapılan nutrient deşarjlarındaki son düzenlemelerle KOİ ve fosfat giderimi yanında nitrifikasyon ve denitrifikasyon ile azot giderimi de zorunlu kılınmıştır. Ardışık zamanlı kesikli reaktörde arıtma, aynı reaktör içerisinde doldurma, reaksiyon, çökeltim, boşaltma ve dinlendirme basamaklarım içeren ardışık işletmeyi içerir. Biyolojik nutrient giderimi istenildiğinde, reaksiyon çevrimindeki basamaklar belli sayı ve sırada anaerobik, anoksik ve oksik fazlar sağlanarak gerçekleştirilir. Ardışık zamanlı kesikli işletmelerde biyolojik oksidasyon ve çökeltme için aynı reaktör kullanıldığından, yatırım ve işletme masrafları klasik aktif çamur sistemlerine göre daha düşüktür. Bu nedenle, ardışık zamanlı kesikli reaktör işletmeler kırsal alanlardaki küçük hacimli atıksularm arıtılması için daha avantajlı olabilir. Bu tez çalışması, AZKR'de biyolojik nutrient giderimi üzerine farklı basamak sayılarının, farklı hidrolik alıkonma süreleri (HAS), farklı çamur yaşlan (ÇY), farklı karbon kaynakları, farklı atıksu kompozisyonu ve farklı özgül nutrient yükleme hızlarının (ÖNYH) etkilerini araştıran altı ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde üç, dört ve beş basamak içeren üç farklı işletme kullamlarak, biyolojik nutrient giderme performansları karşılaştınlmıştır. Bu işletmeler sırasıyla üç basamaklı, anaerobik/ anoksik/ oksik ( An/ Axl Ox ) işletme; dört basamaklı, anaerobik/ anoksik/ oksik/ anoksik ( An/ Ax/ Ox/ An ) işletme ve beş basamaklı, anaerobik/ anoksik/ oksik/ anoksik/ oksik ( An/ Ax/ Ox/ An/ Ox ) işletmelerdir. İşletme basamaklarının, KOİ, azot (NH4-N, NO3-N) ve fosfat giderme (PO4-P) verimleri üzerine etkileri incelenmiştir. KOİ, azot ve fosfatın biyolojik giderimi 10VII günlük çamur yaşında gerçekleştirilmiştir. En iyi nutrient (azot ve fosfat) ve karbon giderim verimleri beş basamaklı işletme ( An/ Ax/ Ox/ Ax/ Ox ) kullanılarak elde edilmiştir. Beş basamaklı işletmede KOÎ, NH4-N ve P04-P giderim verimleri sırasıyla %94, % 90 ve % 57 olarak bulunmuştur. Çalışmanın ikinci kısmında, ardışık kesikli işletme ile sentetik atıksudan nutrient giderimi farklı hidrolik alıkonma sürelerinde (HAS) incelenmiştir. Bu aşamada beş basamaklı işletme kullanılmış çamur yaşı (ÇY) 10 günde sabit tutularak, her basamağın hidrolik alıkonma süreleri değiştirilmiştir. KOİ, azot (NH4-N, NO3-N) ve fosfat (PO4-P) giderme verimleri üzerinde her fazın hidrolik alıkonma sürelerinin etkileri araştırılmıştır. Her fazın hidrolik alıkonma süresi beş farklı seviyede değiştirilmiş ve maksimum nutrient giderme verimiyle sonuçlanan en uygun alıkonma süresi bulunmuştur. Gözlenen en yüksek KOÎ, azot (NH4-N ve NO3-N) ve fosfat (PO4-P) giderme verimleri sırasıyla 96%, 87%, 81% ve 90% olup An/ Ax/ Ox/ Ax/ Ox fazlan için 2/1/ 4.5/ 1.5/ 1.5 saatlik alıkonma sürelerinde elde edilmiştir. Üçüncü bölümdeki çalışmalarda ardışık kesikli işletme ile sentetik atıksudan nutrient giderme verimi üzerine çamur yaşının (ÇY) etkileri incelenmiştir. Kullanılan nutrient giderme prosesi beş basamaklı olup anaerobik, anoksik I, oksik I, anoksik II, oksik II ve çökeltme fazlarım içermektedir. Bahsedilen fazların hidrolik alıkonma süreleri ( HAS ) 2/ 1/ 4.5/ 1.5/ 1.5 saatlerde sabit tutulmuştur. Çökeltme fazı tüm deneylerde Vı saattir. Çamur yaşı 5 ile 30 gün arasında attı farklı seviyede değiştirilmiştir. KOİ, azot (NH4-N, NO3-N) ve fosfat (PO4-P) giderimi üzerinde çamur yaşının etkisi araştırılmış ve maksimum nutrient giderme verimiyle sonuçlanan optimum çamur yaşı deneysel olarak bulunmuştur. En yüksek KOÎ (%94), NH4-N (%84) ve P04-P (%70) giderme verimleri 10 günlük çamur yaşında elde edilmiştir. 15 günlük çamur yaşlarından daha büyük çamur yaşlarında, 10 günlük ya da 15 günlük çamur yaşlarına göre daha düşük nutrient giderme verimleri elde edilmiştir. On günlük çamur yaşında, minimum çamur hacim indeksi 55 mL/g' dır. Biomass (MLSS) konsantrasyonu 30 günlük çamur yaşında 3500 mg/L olup çamur yaşıyla yükselmiştir. Bu sonuçlara göre, 10 günlük çamur yaşı maksimumVIII nutrient giderme verimleri ve minimum çamur hacim indeksi veren en uygun çamur yaşı olarak bulunmuştur. Çalışmanın dördüncü kısmında, üç basamaklı ardışık kesikli işletme ile sentetik atıksudan nutrient (KOİ, NH4-N, PO4-P) giderimi için farklı karbonhidrat ve organik asit bileşikleri karbon kaynağı olarak kullanılmıştır. Anaerobik, anoksik ve oksik ( An/ Anok/ Ok ) fâzlardaki alıkonma süreleri 2/ 1/ 4.5 saat olarak ayarlanmıştır. Karbonhidrat kaynağı olarak glukoz, laktoz, sukroz, maltoz ve glukoz / maltoz (50/50) karışımı kullanılmış ve çamur yaşı 10 günde sabit tutulmuştur. Glukoz kullanıldığında KOÎ, NH4-N ve PO4-P giderme verimleri sırasıyla %96, %99 ve %94 olmuş ve glukozun en uygun karbonhidrat kaynağı olduğu bulunmuştur. Sakkaroz kullanıldığında elde edilen nutrient giderme verimleri glukozla elde edilen değerlere yakın bulunmuştur. Deneylerin ikinci kısmında, glukozla organik asitler, (asetik, sitrik, propiyonik ve butirik asitler) 50/50 oranında karıştırılarak sistemin nutrient giderme performansı incelenmiştir. Glukoz ve asetik asit 50/50 oranında karıştırıldığında KOÎ, NH4-N ve PO4-P giderme verimleri sırasıyla %93, %97 ve %96 olarak bulunmuştur. Glukoz-sitrik asit (50/50) karışımı da karşılaştırılabilir nutrient giderme verimleriyle sonuçlanmıştır. Farklı glukoz / asetik asit oranlarında sistemin nutrient giderme performansı daha düşük olmuştur. Çalışmanın beşinci kısmında, sentetik atıksudan nutrient giderimi beş basamaklı ardışık kesikli reaktörde nutrient ortamı kompozisyonunun bir fonksiyonu olarak incelenmiştir. Nutrient giderme prosesi anaerobik, anoksik, oksik, anoksik, oksik fazlan içermiştir. Adı geçen fazların hidrolik alıkonma süreleri (HAS) sırasıyla 2/1/ 4.5/ 1.5/ 1.5 saatlerde sabit tutulmuştur. Tüm deneylerde çamur yaşı (ÇY) ve çökeltme süresi sırasıyla 10 gün ve Vz saatte sabit tutulmuştur. Başlangıç kimyasal oksijen ihtiyacı (KOÎ) 1200 mg/L' de sabit tutularak nutrient ortamında KOÎ / N ve KOİ / P oranlan bağımsız değişkenler olarak dikkate alınmıştır. Box- Wilson istatistiksel deney tasannu kullanılarak KOÎ, NH4-N, PO4-P giderme verimleri üzerine bağımsız değişkenlerin etkileri incelenmiştir. Sonuçlar bir cevap fonksiyonu üe doğrulanarak gerekli katsayılar regresyon analizi ile hesap edilmiştir. MaksimumIX KOl, NH4-N ve PO4-P giderme verimleri, KOI / N / P oranının 100 / 2 / 0.54 olduğu durumda %95 KOI, %94 NH4-N ve %99 P04-P giderimi olarak elde edilmiştir. Çalışmanın son kısmında, ardışık zamanlı kesikli işletme (AZKR) ile sentetik atıksudan nutrient giderimi farklı özgül nutrient yükleme hızlarında (ÖNYH) incelenmiştir. Ardışık zamanlı kesikli reaktörde (AZKR) nutrient giderimi beş basamaklı, anaerobik ( An ), anoksik ( Anok), oksik ( Ok ), anoksik ( Anok ) ve oksik ( Ok ) fazları içeren prosesle gerçekleştirilmiş ve hidrolik alıkonma süreleri (HAS) sırasıyla 2/1/ 4.5/ 1.5/ 1.5 saatlerde sabit tutulmuştur. Tüm deneylerde, çökeltim süresi 45 dakikada sabit tutulmuştur. Başlangıç KOÎ konsantrasyonu 600 ile 4800 mg/L arasında sekiz farklı seviyede değiştirilmiş KOÎ / N / P oram 100 / 3.33 / 0.7' de sabit tutulmuştur. Nutrient giderme verimleri artan nutrient yükleme hızlarıyla azalmış ve çıkış nutrient değerleri buna karşılık artmıştır. En yüksek KOİ (%99), NH4-N (%99) ve P04-P (%97) giderme verimleri başlangıç KOÎ konsantrasyonunun 600 mg/L ve KOİ yükleme hızı yaklaşık 40 mg KOÎ/ g biomass.saat olduğunda elde edilmiştir. Ancak, çamur hacim indeksi (ÇHÎ), yaklaşık 86 mg KOÎ/g biomass.saat KOİ yükleme hızında, minimum 46 mL/g olarak bulunmuş ve ÇHÎ, artan KOÎ yükleme hızıyla azalmıştır. Biyokütle konsantrasyonu, 86 mg KOİ/g biomass.saat KOÎ yükleme hızında 3.84 g/L olarak bulunmuş ve artan özgül nutrient yükleme hızıyla yükselmiştir. özetle, sentetik atıksudan nutrient giderimi ardışık zamanlı kesikli reaktör kullanılarak ayrıntılı olarak incelenmiş; beş basamaklı işletme ve 10 günlük çamur yaşı en yüksek nutrient giderimi sağlayan en uygun işletme koşullan olarak bulunmuştur. Her basamağın hidrolik alıkonma süreleri, giriş atık suyun bileşimi ve özgül nutrient yükleme hızlarının nutrient giderim performansı üzerine etkileri incelenmiş ve nutrient gideriminin en yüksek olduğu şartlar bulunmuştur.
Özet (Çeviri)
Sequencing batch reactors were originally used for COD and phosphate removal from wastewaters. Recent regulations over nutrient discharges to natural water systems resulted in modifications in sequential batch reactor (SBR) systems to achieve nitrification, denitrification along with COD and phosphate removal. An SBR treatment system consists of a sequencing operation including the steps of fill, react, settle, decant, and idle in the same reactor. When biological nutrient removal is desired, the steps in the react cycle are adjusted to provide anaerobic, anoxic and aerobic phases in certain number and sequence. Since the same reactor is used for biological oxidation and sedimentation in SBR operations, capital and operating costs are lower than conventional activated sludge processes. Therefore, SBR operations may be more advantageous for treatment of small volume wastewaters in rural areas. In this respect, this thesis is composed of six main parts investigating different number of steps, different hydraulic retention times (HRT), different sludge ages, different carbon sources, different medium compositions and different specific nutrient loading rates (SNLR) on the biological nutrient removal from a synthetic wastewater. In the first part of this study, three different operations with different number of steps were used and their nutrient removal performances were compared. Those operations were a three-step operation consisting of anaerobic/ anoxic/ oxic( An/ Ax/ Ox ) phases; a four- step operation consisting of anaerobic/ oxic/ anoxic/ oxic ( An/ Ox/ Ax/ Ox ) phases and a five-step operation consisting of ( An/ Ax/ Ox/ Ax/ Ox ) phases. Effects of different operations on percent COD, nitrogen (NH4-N, NO3-N)Ill and phosphate removal (PO4-P) performances were investigated. The sludge age was constant at 10 days. The best percent nutrient ( nitrogen and phosphate ) and percent carbon removals were achieved when the five step operation was used. The highest percent COD, NH4-N and PO4-P removals obtained with the five-step operation were 94%, 90 %, and 57 %, respectively. In the second part of this study, nutrient removal from synthetic wastewater by a five-step sequencing batch operation was studied at different hydraulic retention times (HRT). The nutrient removal process consisted of anaerobic (An), anoxic (Ax), oxic (Ox), anoxic (Ax), oxic (Ox) and settling phases. Sludge age was kept constant at 10 days, while hydraulic retention times (HRT) of each phase was varied. Effects of hydraulic retention time of each phase on percent COD, nitrogen (NH4-N, NO3-N) and phosphate (PO4-P) removals were investigated. Hydraulic retention time of each phase was varied at five different levels and the the most suitable retention time resulting in maximum overall percent nutrient removal was determined. The highest observed percent COD, nitrogen (NH4-N and NO3-N) and phosphate (PO4-P) removals were 96%, 87%, 81% and 90%, respectively which were obtained with An/ Ax/ Ox/ Ax/ Ox phase retention times of 2/ 1/ 4.5/ 1.5/ 1.5 h. In the third part of the study, nutrient removal was studied at different sludge ages by using a five-step SBR operation at the pre-determined hydraulic retention times. The nutrient removal process consisted of anaerobic, anoxic I, oxic I, anoxic II, oxic II and settling phases. Hydraulic retention times (HRT) of the aforementioned phases were kept constant at 2/1/4.5/1.5/1.5 h. Settling phase was Vi h for all experiments. Sludge age was varied between 5 to 30 days at six different levels. Effects of sludge age on percent COD, nitrogen (NH4-N, NO3-N) and phosphate (PO4-P) removal were investigated and the optimal sludge age resulting in maximum percent nutrient removal was determined. The highest percent COD (94%), NH4-N (84%) and P04-P (70%) removals were obtained at the sludge age of 10 days, although a sludge age of 15 days resulted in slightly lower values. Sludge ages larger than 15 days resulted in lower percent nutrient removals as compared to those obtained at 10 or 15 days of sludge age. Sludge volume index (SVI) was also minimum (55 mL/g) at sludge ageIV of 10 days. Biomass(MLSS) concentration increased with sludge age resulting in MLSS concentration of 3500 mg/L at sludge age of 30 days. On the basis of these results, a sludge age of 10 days was found to be optimal resulting in maximum percent nutrient removals and minimum sludge volume index. In the fourth part of the thesis, a three-step sequencing batch operation was used for nutrient (COD, NH4-N, PO4-P) removal from synthetic wastewater by using different carbohydrates and organic acids as carbon sources. The operation consisted of anaerobic, anoxic and oxic ( An/ Ax/ Ox ) phases with durations of 2/ 1/ 4.5 h. Different carbohydrates glucose, lactose, sucrose, maltose and a mixture of glucose / maltose (50/50) were used as the sole carbon source in the first phase of experiments. Sludge age was kept constant at 10 days. Glucose was found to be the most suitable carbohydrate source with percent COD, NH4-N and PO4-P removals of 96%, 99% and 94%, respectively. Nutrient removals obtained with sucrose as the sole carbon source were close to those obtained with glucose. A mixture of glucose and organic acids (50/50) such as acetic, citric, propionic and butyric acid were used as carbon source in the second phase of the experiments. Percent COD, NH4-N and PO4-P removals were 93%, 97% and 96%, respectively when a mixture of glucose and acetic acid (50/50) was used. Glucose-citric acid (50/50) combination also resulted in comparable nutrient removals. Changing the ratio of glucose / acetic acid in the mixture did not improve the nutrient removal performance. In the fifth part of this study, nutrient removal from synthetic wastewater was studied as a function of nutrient medium composition using a five-step sequencing batch reactor (SBR). The nutrient removal process was consisted of anaerobic, anoxic, oxic, anoxic, oxic phases with hydraulic retention times (HRT) of 2/ 1/ 4.5/ 1.5/ 1.5 h. Sludge age and settling phase were 10 days and 14 hour, respectively in all experiments. Initial chemical oxygen demand (COD) concentration was constant at 1200 mg/L. COD/N and COD/P ratios in the nutrient medium were considered as independent variables. Box-Wilson statistical experiment design was used to determine the effects of independent variables on percent COD, NH4-N, PO4-P removals. The results were correlated by a response function and the coefficientswere determined by regression analysis. The COD/N/ P ratio resulting in maximum percent COD, NH4-N and PO4-P removals was determined to be 100 / 2 / 0.54 resulting in 95% COD, 94% NH4-N and 99% P04-P removals. In the last part of this study, nutrient removal from a synthetic wastewater by a five-step SBR operation was studied at different specific nutrient loading rates (SNLR ). The operation consisted of anaerobic (An), anoxic (Ax), oxic (Ox), anoxic (An) and oxic (Ox) phases with hydraulic retention times (HRT) of 2 / 1 / 4.5 / 1.5 / 1.5 h, respectively with a 45 minutes settling phase. Initial COD concentration was varied between 600 to 4800 mg/L at eight different levels with constant COD / N / P ratio of 100 / 3.33 / 0.7. Effects of specific nutrient loading rates (SNLR) on percent COD, NH4-N and PO4-P removal were investigated. Percent nutrient removals decreased and effluent nutrient levels increased with increasing nutrient loading rates. The highest percent COD (99%), NH4-N (99%) and PO4-P (97%) removals were obtained with the initial COD concentration of 600 mg/L at COD loading rate of nearly 40 mg COD/g biomass.h. However, the sludge volume index (SVI) decreased with increasing COD loading rate resulting minimum SVI of 46 mL/g at COD loading rate of nearly 86 mg COD/g biomass.h. Biomass concentration increased with increasing specific nutrient loading rate resulting in biomass concentration of 3.84 g/L at COD loading rate of 86 mg COD/g biomass.h. In summary, nutrient removal from a synthetic wastewater was extensively studied and a five-step SBR operation with 10 days sludge age was found to be the most suitable among the others tested. The effects of hydraulic retention times of each step, wastewater composition and the nutrient loading rates on the system performance were investigated and the optimum operational values were determined.
Benzer Tezler
- Simultaneous nutrient removal and solids reduction in OSA process
OSA prosesi ile besi maddesi giderimi ve çamur azaltmanın birlikte gerçekleştirilebilirliği
CEM CANTEKİN
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NEVİN YAĞCI
- Ardışık kesirli reaktörlerde azot giderimi
Nitrogen removal in sequencing batch reactors
CANAN DEMİRTUNA
- Model - based activated sludge systems analysis for carbon, nitrogen and phosphorus removal mechanisms
Aktif çamur sistemlerinde karbon, azot ve fosfor giderimi mekanizmalarının model destekli sistem analizi
GÜÇLÜ İNSEL
Doktora
İngilizce
2004
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DERİN ORHAN
PROF. DR. PETER VANROLLEGHEM
- Çamur minimizasyonununun ve azot gideriminin birlikte gerçekleştirilebilirliği
The possibility of nitrogen removal together with sludge minimization in the activated sludge process
EMİNE SİMGE TAYBUĞA
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NEVİN YAĞCI