Birincil çamur fermentasyon ürünlerinin besi maddesi gideren aktif çamur sistemlerine etkisinin incelenmesi
Effect of primary sludge fermentation products on biological nutrient removal process
- Tez No: 142712
- Danışmanlar: DOÇ. DR. EMİNE UBAY ÇOKGÖR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2003
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 125
Özet
BİRİNCİL ÇAMUR FERMENTASYON ÜRÜNLERİNİN BESİ MADDESİ GİDEREN AKTİF ÇAMUR SİSTEMLERİNE ETKİSİNİN İNCELENMESİ ÖZET İyi bir besi maddesi giderimi aktif çamur sistemine giren karbonun tamamen kullanılmasını gerektirir. Besi maddesi giderimi için organik karbon dengesini tanımlayan temel stokiometri kavramsal ve deneysel olarak çalışılmıştır. Atıksuyun girişindeki karbonun stokiometrik ihtiyaçları karşılayıp karşılamadığını değerlendirmek için giriş KOİ/N ve KOİ/P oranları deneysel veri olarak kullanılır. Denitrifikasyon için kütle dengesi seçilen çamur yaşında gözlenen heterotrofik verim sabitine bağlı olarak KOİ/N oranının 4 ile 6 arasında olmasını gerektirir. Benzer kütle dengesi ifadeleri aşın biyolojik fosfor giderimini tanımlayan modellerde de kullanılmıştır. Azot ve fosfor gideren sistemlerde girişteki karbonu kullanmak için yapılan rekabet sistemi oldukça karmaşık hale getirir. Böyle sistemlerde giriş akımındaki karbonun sadece miktarı değil, yapısı ve biyolojik ayrışma oranı da verimli işletim için önemlidir. Aşırı biyolojik fosfor giderimi, fosfor salınımı için fermente olmuş sustrat (tercihen uçucu yağ asidi olarak) gerektirir ve bu tip kolay ayrışan bileşikler denitrifikasyonda kolayca kullanılır. Farklı ayrışma hızlarına sahip fraksiyonları tanımlayan KOİ bileşenleri, özellikle besi maddesi gideriminde substrat kullanımını anlama ve modellemede çok önemli bir yaklaşım olmuştur. Bu yaklaşıma göre, ayrışabilir madde; kolay ayrışabilir KOİ (Ss), hızlı hidroliz olabilen KOİ (SH) ve yavaş hidroliz olabilen KOİ (Xs) olmak üzere üçe ayrılır. Evsel atıksular içinde bu yavaş ayrışan kısım oldukça önemli bir oran oluşturmakta ve bu sebepten dolayı önemli bir bileşen olmaktadır. Yavaş ayrışan bu bileşen içinde de çökebilen özellikteki yavaş hidroliz olabilen KOİ (Xss) en önemli yüzdeyi oluşturmaktadır. Basit çöktürme çamurdan önemli miktarda mevcut iç karbon kaynağını giderir fakat bu karbon kendiliğinden yavaş ayrışabilir olduğundan, azot ve fosfor giderimi için etkili değildir. Bu gözlem, gerçekçi bir değerlendirmede besi maddesi giderimi için mevcut iç karbon miktarından çökelebilen KOİ miktarının çıkartılması gerektiğini belirtir. Ayrıca bu yolla kolay ayrışabilir KOİ miktarı da belirtilmiş olur. Biyolojik fermentasyon atıksu arıtma tesisinde üretilen çamurun anaerobik biyolojik asidifikasyonunun içeriğine bağlıdır. Birincil çamur fermentörleri zayıf atıksuları arıtan biyolojik besi maddesi giderim tesislerini geliştirmede kullanılmaktadır. Birincil çamur fermentasyonunun temel fonksiyonu, birincil çamurdaki kompleks organik maddeleri kısa zincirli yağ asitlerine, özellikle asetik ve propiyonik asite dönüştürmektir. Çözünmüş inert maddeler değişime uğramadan fermentasyon prosesinden girdiği gibi çıkarken, partiküler inert maddeler atık çamurla atılır. Toplam ayrışabilir KOİ'deki çözünmüş ayrışabilir KOİ mikroorganizmalar ıxtarafından yavaş ayrışabilir KOİ'den (XSı) daha hızlı kullanılır. Yavaş ayrışan maddelerin kolay ayrışabilir KOİ'ye (Ssı) dönüşmesi ile fermentördeki kısa zincirli yağ asitleri artar. Bu çalışmada biyolojik hidroliz/fermentasyon ile uçucu yağ asitleri gibi üretilen karbon kaynaklarının deneysel olarak değerlendirilmiştir. Birincil çamurun fermentasyonu (kontrollü ve kontrolsüz) ile kısa zincirli yağ asitlerinin üretimi labaratuar şartlarında ve kesikli deneyler ile incelenmiştir. Laboratuar ölçekli fermentörde Ataköy Arıtma Tesisi'nden alınan ön çöktürme çamurları üzerinde deneyler gerçekleştirilmiştir. Deneysel çalışmalar sabit sıcaklık (10, 15 ve 20 °C) ve oda sıcaklıklarında ve 2000- 25000 mg/1 arasında değişen çamur konsantrasyonlarında yürütülmüştür. Fermentasyon süresince kısa zincirli yağ asitlerinin oluşumu ve türleri incelenmiştir. Bütün çalışmalarda asidifikasyon fazının 3-6 gün sonra sona erdiği görülmüştür. Bu da uçucu yağ asiti konsantrasyonunun azaldığını gösterir. Elde edilen bulgular ışığında çamur tipine ve işletme parametrelerine bağlı olmaksızın birincil çamurdaki fermentasyon ürünleri genellikle asetik asit ve propionik asit türlerinden oluşmaktadır. Bu türlerin miktarı karışımın %85'inden daha fazladır ve uçucu yağ asitlerinin KOİ cinsinden eşdeğeri 1.3 mg KOİ/ mg UYA' dır. Bu sonuçlar literatür ile uyumludur. Birincil çamurun kontrolsüz fermentasyonunda başlangıç uçucu askıda katı maddenin %25 kadarı kolay ayrışabilir KOİ'ye dönüşmüştür ve çözülebilir KOİ'nin %85'i kısa zincirli yağ asitleri formundadır. Fermente çamurun üst fazının geri kazanılabilen kısmı, basit çöktürme çıkışındaki kolay ayrışabilir KOİ'yi %5 ve bu çıkıştaki kolay ayrışabilir KOİ oranını %30 arttırmaktadır. Yüksek UYA içeriği nedeni ile birincil çamurdaki KOİ bileşenleri ASM No: 1 ile belirlenememektedir. Bu model kolay ayrışabilir KOİ bileşeni olarak UYA miktarının sadece yarısını tanımlayabilmektedir. ASM No:3 ise depolama mekanizmasını içermesinden dolayı elde edilen kolay ayrışabilir KOİ ile ölçülen UYA değerleri birbirine çok yakın değerler vermektedir.
Özet (Çeviri)
EFFECTS OF PRIMARY SLUDGE FERMENTATION PRODUCTS ON BIOLOGICAL NUTRIENT REMOVAL PROCESS SUMMARY Effective nutrient removal requires full utilization of the internal carbon pool in the activated sludge. The basic stoichiometry defining the organic carbon balance for nutrient removal is well studied both conceptually and experimentally. The COD/N and COD/P ratios in the influent are often used as empirical indexes to evaluate whether the internal carbon potential of the wastewater satisfies the stoichiometric requirements. For denitrification, mass balance yields a COD/N ratio of around 4 to 6 depending on the observed heterotrophic yield coefficient applicable for the selected sludge age. Similar mass balance expressions are defined in models defining enhanced biological phosphorus removal. However, competitive demand for internal carbon in systems with simultaneous nitrogen and phosphorus removal is quite complex. In such systems, not only the magnitude but the nature and the resulting biodegradation rate of the available carbon in the influent become critically important for an efficient system operation. Enhanced biological phosphorus removal requires fermented substrate, preferentially as volatile fatty acids, (VFAs) for P release and this type of simpler biodegradable compounds are also easily consumed in denitrification. COD fractionation identifying fractions with different biodegradation rates has been a milestone in understanding and modeling the substrate utilization, especially in nutrient removal. This approach recognizes biodegradable and inert fractions in the available COD and differentiates at least two or three groups of biodegradable compounds subject to different biochemical mechanisms, namely, readily biodegradable COD, Ss, rapidly hydrolyzable COD, Sh and slowly biodegradable particulate COD, Xs. Recently, many researchers included primary sludge or settleable COD as another group in this fractionation as slowly biodegradable settleable COD, Xss, characterized with a significantly slower hydrolysis mechanism as compared to the rest of particulate suspended COD fraction, Xs. Primary settling removes from sewage a significant portion of the available internal carbon, but this portion is in reality not attractive for both N and P removal because it is by nature very slowly biodegradable. This observation indicates on the one hand that a realistic evaluation should exclude the settleable COD from the available internal carbon budget for nutrient removal, and on the other hand, it identifies the very same fraction as a pool to generate readily biodegradable COD. In fact, fermentation of this settled COD fraction either in sewers with long retention times or in the anaerobic zone of the wastewater treatment plant, or in a prefermenter is xirecognized as one of the cheapest ways of generating additional readily biodegradable COD. Biological fermentation is based on the concept of anaerobic biological acidification of sludge, which is produced in the wastewater treatment plants. Primary sludge fermenters are now routinely used to improve biological nutrient removal (BNR) plants treating low organic strength wastewaters. The principal function of the primary sludge fermenter is to anaerobically break down the complex organic material in primary sludge to form short chain volatile fatty acids (SCVFAs), mainly acetic and propionic acids. In terms of COD fractionation, the soluble inert substance passes through the prefermentation processes largely unchanged, and the particulate inert substance is mainly removed with the waste sludge. The soluble biodegradable COD in total biodegradable COD is used more rapidly than the slowly biodegradable COD, (Xsi) by organisms in biological treatment processes. The short chain volatile fatty acid (SCVFA) concentration is increased in a prefermenter with the solubilization of slowly biodegradable substance to readily biodegradable COD, (Ssi), and also the fermentation of Ssi to short chain VFA. The possibility of generating the carbon source such as volatile fatty acids by primary sludge hydrolysis/fermentation was experimentally evaluated in this thesis. The objective of the study was to evaluate the potential of short chain volatile fatty acid generation through simple (uncontrolled and controlled) fermentation of primary sludge. The investigations presented in this study were conducted with batch scale experiments under controlled laboratory conditions. Primary sludge to be fermented in a lab-scale fermentor was taken by 20 liter containers kept at 4°C from the Ataköy plant, a small wastewater treatment facility in Istanbul, Turkey. Experimental testing of SCVFA generation was carried out by operating batch-scale fermentors fed with primary sludge at 10, 15, 17, 20°C and room temperature. The VSS concentration in the feed was adjusted to different initial levels of between 5000-20000 mg/1 to approximate the actual range in the primary settler underflow. SCVFA species were monitored throughout the course of the fermentation. The acidification phase in the fermentation terminated after approximately 3-6 days for all the tests, evidenced by the decline of the VFA concentrations. The results clearly showed that the predominant fermentation products are always acetic and propionic acid, independent of the values of the operational parameters. Experimental assessment of the VFA types generated indicated the predominance of acetic and propionic acids constituting more than 85 % of the mixture: the COD equivalent of VFA was calculated as 1.3 mg COD/mg VFA. These results are in good agreement with similar studies reported in the literature. Uncontrolled fermentation of the primary sludge converted 25 % of the initial volatile suspended solids in the sludge into soluble biodegradable COD. More than 85 % of the soluble COD generated was associated with the formation of short chain volatile fatty acids. The recoverable fraction of the fermented sludge supernatant was calculated to have a potential of increasing the biodegradable COD content of the primary effluent by 5% and the readily biodegradable COD fraction in this effluent by 30%. Due to its high VFA content, the COD fractionation in the primary sludge could not be predicted by ASM1, which could identify only half of the measured VFA xiiconcentration as readily biodegradable COD fraction. This was attributed to the storage of VFA in the respirometer and the deficiency of ASM1 to recognize biochemical storage: Consequently, ASM3 provided a better interpretation of the oxygen uptake profile through initial storage of the VFAs in the sludge. xin
Benzer Tezler
- Potential of biopolymer production from apple wastewater through microbial processes
Mı̇krobı̇yal süreçler yoluyla elma atık suyundan biyopolimer üretim potansiyeli
ELİF ERENLER
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEVİN YAĞCI
DOÇ. DR. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI
- Anaerobik ön arıtılmış evsel atıksulardan ardışık kesikli reaktörde besin maddesi giderimi
Nutrient removal from anaerobically pre-treated domestic sewage by sequencing batch reactor system
ARZU TEMİZSOY
Doktora
Türkçe
2009
Çevre Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEMİHA ARAYICI
YRD. DOÇ. DR. GÜLSÜM YILMAZ
- Süt endüstrisi atıksuyu ve organik evsel katı atığın hammadde olarak kullanılmasıyla karışık kültürden polihidroksialkanoat (PHA) eldesi
Polyhydroxyalkanoate (PHA) production from mixed microbial culture by using dairy wastewater and food waste as raw materials
SELİN KARACA
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NEVİN YAĞCI
- Biohydrogen production from organic wastes using anaerobic membrane bioreactor
Organik katı atıklardan anaerobik membran biyoreaktörde biyohidrojen üretimi
AYSEL HASANOĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MAHMUT ALTINBAŞ
- Plant-wide process analysis targeting reliable estimation of biogas production from anaerobic sludge digestion
Anaerobik çamur çürütme prosesinden biyogaz üretiminin güvenilir tahminine yönelik tesis geneli proses analizi
GÖKŞİN ÖZYILDIZ
Doktora
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL