Effect of high process temperature on carbon and nutrient removal mechanisms in activated sludge system
Aktif çamur sistemlerinde yüksek proses sıcaklığının karbon ve besi maddesi giderim mekanizmaları üzerine etkisi
- Tez No: 485251
- Danışmanlar: PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 203
Özet
Evsel atıksu arıtma tesislerinde düşük ve yüksek sıcaklıklara (5-35°C) rastlamak mümkün olup sıcaklığın aktif çamur sistemleri üzerine olan etkisini araştıran, farklı iklim koşullarında matematiksel modellerin ve uygulamaların gereksinimlerini dikkate alan sistematik bir çalışma yürütülmesi gerekmektedir. Sıcaklık gibi çevresel koşullar mikroorganizmaların seçilimine, hayatta kalmasına ve büyümesine tesir ederek arıtma performansını oldukça fazla etkiler. Aktif çamur prosesleri öncelikli olarak ılıman iklim koşullarındaki ülkelerin evsel atıksularının arıtılması için geliştirilmiştir. Bu nedenle araştırmacılar ılıman sıcaklıklardaki (10-25°C) atıksuların arıtılmasına yönelmişlerdir. Bu çalışmalardan elde edilen veriler sıcak iklim koşullarından (30-40°C) kaynaklanan sıcak atıksuların arıtılmasında tam anlamıyla uygulanabilir değildir. Nüfus artışına paralel olarak atıksu arıtma tesislerine dünya genelinde artan talep, yüksek sıcaklık ve kuraklık ile karşı karşıya olan sıcak iklim koşullarındaki bilgi ihtiyacını ortaya koymuştur. Kuraklığın olduğu bölgelerde“sıfır deşarj”koşullarını sağlayacak alternatif proseslerin araştırılması hayati önem taşımaktadır. Gerçekleştirilmiş olan çalışmada, sıcak iklim koşullarının evsel atıksuların arıtılmasında kullanılan aktif çamur sistemlerinin proses performansı üzerine etkisi, pilot ölçekli biyolojik besi maddesi giderimine çalışan atıksu arıtma tesisinin ve laboratuvar ölçekli karbon giderimi ve nitrifikasyona çalışan kesikli reaktörlerin işletme sonuçları kullanılarak araştırılmıştır. Elde edilen deneysel ve modelleme sonuçları ışığında sıcaklık, atıksu karakteri, proses tasarım parametreleri ve işletme koşulları arasındaki temel ilişkiler ortaya konulmuştur. Çalışmada; kesikli testler ile karbon giderimi ve nitrifikasyon prosesleri üzerinde durulurken, pilot tesis verilerinin değerlendirilmesi ile simultane nitrifikasyon ve denitrifikasyon ve biyolojik fosfor giderim prosesleri üzerine yoğunlaşılmıştır. Çalışmanın ilk bölümünde, evsel atıksulardan besi maddesi giderimine çalışan pilot ölçekli membran biyoreaktörün (MBR) performans değerlendirmesi yapılmıştır. 500 günlük performans verisi yardımıyla sıcaklığın biyolojik fosfor giderimi üzerine olan etkisi araştırılmıştır. Nispeten yüksek sıcaklıklarda (24-41°C) işletilen MBR sisteminin verileri değerlendirildiğinde işletme süreci boyunca sıcaklığın 41 dereceden 24 dereceye düşmesiyle toplam fosfor gideriminin %50'den %95'e çıktığı gözlemlenmiştir. Yüksek sıcaklıklarda, anaerobik tanktaki uçucu yağ asitlerinin (UYA) depolanmasını düşük fosfor salınımı izlemiştir, bu da glikojen depolayan organizmaların (GAO) polifosfat depolayan organizmalarla (PAO) rekabet halinde olduğunu göstermektedir. Düşük çözünmüş oksijen seviyeleri ile birlikte yüksek atıksu sıcaklıkları, nitrifikasyonu fark edilir biçimde etkilememiştir ancak azot giderimini arttırmıştır. Membran tankta çözünmüş oksijenin 1,0 mgO2/L seviyelerinde olması, simültane nitrifikasyon ve denitrifikasyon (SNdN) prosesini etkinleştirerek 6-7 mgN/L'lik ilave denitrifikasyon kapasitesi sağlamıştır. Sonuç olarak MBR sisteminde azotun neredeyse tamamı giderilerek, çıkışta oldukça düşük azot değeri elde edilmiştir. MBR tankında 39°C sıcaklıkta 413L/m2-saat/bar spesifik geçirgenliğine karşılık gelen gros membran akısı 43L/m2-saat olarak bulunmuştur. Spesifik geçirgenlik 39°C sıcaklıkta 25°C sıcaklığa göre %43 oranında artmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünde, pilot ölçekli membran biyoreaktör (MBR) sisteminin performans değerlendirmesi dinamik modelleme yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Sıcaklığın 24-38°C arasındaki değişimi, biyolojik fosfor giderimini de %40 ila %95 arasında değiştirmiştir. Maksimum substrat alım hızı GAO'lar için 1,5 gKOİ_S/gKOİ_X.gün-1, PAO'lar için ise 4,7 gKOİ_S/gKOİ_X.gün-1 olarak hesaplanmıştır. Hesaplamada Arrhenius katsayıları PAO'lar ve GAO'lar için sırasıyla 1,06 ve 1,04 olarak belirlenmiştir. Bu parametrelerle 450 gün boyunca işletilen MBR sistemindeki çıkış PO4 seviyeleri doğru tanımlanabilmiştir. Ayrıca, mezofilik koşulların ve düşük giriş P/UYA seviyelerinin GAO'ların çoğalması üzerine olan etkisi dinamik modelleme koşullarında değerlendirilmiştir. Sıcaklık 38°C'lere ulaştığında nitrifikasyon prosesi geçici olarak zarar görmüştür. Simülasyon sonuçları, anoksik reaktörün toplam denitrifikasyon üzerine etkisinin %40 ile sınırlı olduğunu göstermiştir. SNdN prosesinin denitrifikasyona olan katkısı, aerobik ve MBR tanklarındaki çözünmüş oksijen seviyelerine bağlı olarak %40-50 aralığında değişmiştir. MBR sistemindeki yüksek MLSS viskozitesi (20-35 mPa.S), gaz/sıvı kütle transferinde kısıtlayıcı koşullara yol açarak SNdN prosesinin bu derecede etki etmesine yol açmıştır. 38°C sıcaklıkta 413 L/m2-saat/bar spesifik geçirgenliğine karşılık gelen membran akısı 43 L/m2-saat olarak belirlenmiştir. Üçüncü ve dördüncü bölümde ise, evsel atıksu eşdeğeri sentetik olarak hazırlanmış atıksuyun (pepton karışımı) artılmasında kullanılan laboratuvar ölçekli kesikli reaktörlerin performans değerlendirilmesi hem deneysel veriler hem de modelleme çalışmaları yardımıyla yapılmıştır. Reaktörler iki ayrı çamur yaşında (4 ve 12 gün) ve 4 ayrı sıcaklıkta (20-30-34-37°C) çalıştırılarak performans değerlendirmeleri yapılmıştır. Seçilen işletme koşullarına aklime edilmiş biyokütle kullanılarak hem kesikli hem de respirometrik testler ile kinetik ve stokiometrik katsayılar belirlenmiştir. Nitrifikasyon prosesinin değerlendirilmesinde kullanılan kesikli testler ana reaktördeki işletme koşullarında ve ilaveten nitrifikasyon inhibitörü kullanılan koşullarda gerçekleştirilmiştir. Farklı sıcaklık ve çamur yaşı için, oksijen tüketim hızı (OTH) profilini 14-15 saat boyunca belirleyen üçer respirometrik test yapılmıştır. Nitrifikasyon prosesi değerlendirildiğinde çamur yaşı 4 gün için, sadece 30 derece sıcaklıkta kısmı nitrifikasyon gözlemlendiği, 25 ve 37°C için ise nitrifikasyon prosesinin çalışmadığı anlaşılmıştır. Çamur yaşı 12 gün olan reaktörlerde 37°C sıcaklıkta işletilen reaktör hariç tüm reaktörlerde tam nitrifikasyon elde edilmiş ancak 37 derece reaktöründe ise kısmi nitrifikasyon gözlenmiştir. Deneysel veriler ve modelleme çalışması yardımıyla amonyak oksitleyen bakteriler (AOB) ve nitrit oksitleyen bakteriler (NOB) için ototrofik maksimum çoğalma hızları farklı sıcaklıklarda (20, 30, 34 ve 37°C) sırasıyla 0,48, 0,65, 0,75 ve 0,18/gün ve 0,24, 0,28, 0,11 ve 0,11/gün olarak elde edilmiştir. AOB ve NOB için yarı doygunluk katsayısı 1 mgN/L olarak bulunmuştur. Reaktörlerde AOB konsantrasyonu sıcaklıkla artış göstermiş, NOB konsantrasyonu ise sıcaklıkla yaklaşık sabit kalmış olup sadece 37°C'de nitrit oksitleyen bakteriler sistemden atılmıştır. 37 C'de NOB'lerin ölüm hızlarının daha yüksek olması NOB'lerin sistemden zamanla atılmasına neden olmuştur. Çamur yaşı 12 gün olan reaktörlerdeki nitrit ve nitrat konsantrasyonlarının toplamı göz önüne alındığında, en yüksek nitrifikasyon aktivitesinin 34°C sıcaklıkta olduğu sonucuna varılmıştır. Karbon giderimi açısından incelendiğinde maksimum heterotrofik çoğalma hızı, hızlı hidroliz olabilen KOİ'nin hidroliz hızı ve ölüm hızının sıcaklık artıkça arttığı görülmüştür. Dönüşüm oranının 25 ve 30°C için 0,58 g KOİ/gKOİ iken 34 ve 37°C için 0,49 g KOİ/gKOİ olarak azaldığı görülmüştür. Çamur yaşı 4 gün olan reaktörlerin KOİ giderim verimleri incelendiğinde, en düşük KOİ giderim veriminin kısmi nitrifikasyonun da gerçekleştiği 30°C reaktöründe olduğu görülmüştür. 12 gün çamur yaşında işletilen sistemlerde aerobik denitrifikasyonun gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Aerobik denitrifikasyon hızının (g.UAKM.saat başına indirgenen azot) sıcaklık artışıyla azaldığı sonucuna varılmıştır. Ototrofik büyüme hızlarının sıcaklık bağlantısının 34°C üzerinde sadeleştirilmiş Arrhenius fonksiyonu ile ifade edilemeyeceği sonucuna varılarak, genişletilmiş Arrhenius fonksiyonu büyüme hızı ve sıcaklık arasındaki ilişkiyi tanımlamak amacıyla uygulanmıştır.
Özet (Çeviri)
This study investigated the effect of hot climate conditions on the process performance of an activated sludge system treating domestic wastewaters by means of a pilot-scale treatment operational data and batch lab-scale experimental data. Fundamental relationships between high temperatures, wastewater characteristics, process design parameters and plant operating conditions were established. Specific emphasis was given to carbon removal and nitrification on batch tests and, to simultaneous nitrification- denitrification (SNdN) and biological excess phosphorus removal was given on pilot plant tests. The first part of the study involved performance evaluation of a membrane bioreactor system treating municipal wastewater for nutrient removal for a period of 500 days, emphasizing the impact of high temperature on enhanced biological phosphorus removal (EBPR). The data of the MBR system operated at relatively high temperatures (24-41°C) were collected. During the operational period, the total phosphorus (TP) removal gradually increased from 50% up to 95% while the temperature descended from 41 to 24°C. At high temperatures, anaerobic volatile fatty acid (VFA) uptake occurred with low phosphorus release implying the competition of glycogen accumulating organisms (GAOs) with polyphosphate accumulating organisms (PAOs). Low dissolved oxygen conditions associated with high wastewater temperatures did not appreciable affected nitrification but enhanced nitrogen removal. Dissolved oxygen levels around 1.0 mgO2/L in membrane tank provided additional denitrification capacity of 6-7 mgN/L by activating simultaneous nitrification and denitrification. As a result, nearly complete removal of nitrogen could be achieved in the MBR system, generating a permeate with no appreciable nitrogen content. The gross membrane flux was 43 LMH corresponding to the specific permeability (K) of 413 LMH/bar at 39°C in the MBR tank. The specific permeability increased by the factor of 43% at 39°C compared to that of 25°C during long-term operation. The second part of the study involved process performance evaluation of the MBR operated on municipal sewage at high temperatures by dynamic modeling. The enhanced biological phosphorus removal (EBPR) performance varied from 40% to 95% with process temperature ranging from 24 to 38°C. The respective maximum substrate uptake rate (qPHA) was estimated at 1.5 gCODS/gCODX.day-1 for Glycogen Accumulating Organisms (GAO) and 4.7 gCODS/gCODX.day-1 for Phosphate Accumulating Organisms (PAO) with Arrhenius coefficients (q) for GAOs and PAOs of 1.06 and 1.04 respectively. With these parameters the effluent PO4 levels of the MBR operated for 450 days could be well described. In addition, the impact of mesophilic conditions and low influent P/VFA levels on GAO proliferation were evaluated under dynamic process conditions. Nitrification process was temporarily impaired by at high temperatures around 38°C. Simulations revealed that the role of the anoxic reactor in the total overall denitrification was limited to 40%. The contribution of simultaneous nitrification and denitrification (SNdN) process to the denitrification was around 40-50% depending upon dissolved oxygen levels in aerobic and MBR tanks. The large contribution of SNdN was due to gas/liquid mass transfer limitation conditions mediated by high mixed liquor viscosities (20-35 mPa.S) in MBR system. The membrane flux was 43 LMH corresponding to the specific permeability (K) of 413 LMH/bar at 38°C. The third part of the study involved performance evaluation of lab-scale reactors treating synthetically prepared substrate (peptone mixture). The reactors run in two different sludge ages (4 and 12) and four different temperatures (20-30-34-37°C). The reactors were used to provide initial biomass seeds acclimated to the relevant sludge age and related temperature for the batch tests. Batch tests for assessing nitrification process were conducted in the main reactors and in the reactors with the presence of nitrification inhibitor for each temperature. There were three run of respirometric tests for each temperature and sludge age, monitoring OUR (Oxygen Uptake Rate) profile for 14-15 hours. The assessment of nitrification for the two sludge age showed that for SRT=4, only partial nitrification occurred at T=30°C. T=25°C and T=37°C reactors showed no sign of nitrification. All of the SRT=12 reactors had nitrification during the operation period however T=37°C reactor had a partial nitrification throughout the whole operation. COD removal results displayed the lowest values at SRT=4-T=30°C reactor. This reactor however was the only reactor nitrification occurred at this sludge age. N conversion batch tests concluded that aerobic denitrification was possible within the all SRT=12 reactors. Nitrite reduction occurred on all sets, nitrate reduction occurred at 25 and 34°C reactors where nitrate was already present at the initial conditions. The results shows that NOx reduction was adversely affected by temperature increase. Aerobic denitrification rate calculated per gVSS.h was also decreased with temperature rise. The fourth part of the study involved model-based evaluation of the lab-scale reactors. Maximum specific growth rate for AOB's and NOB's were estimated by the model calibration of lab-scale experimental data. The modeling results showed that the temperature rise up to 34°C has led to increased growth and decay rates for both AOB and NOB, conversely lowered growth rates at 37°C. Observed nitrite accumulation verified that nitrite oxidizing bacteria (NOB) have higher decay rate at 37°C and eventually washed-out of the system. NOx formation in the reactors confirmed the maximum nitrifying bacteria activity was at T=34°C. For the resolution of temperature relevancy of autotrophic growth rate, the simplified Arrhenius expression was not proper above the temperatures of 34°C. Therefore, extended Arrhenius function was applied to define the relationship between growth rate and temperature.
Benzer Tezler
- Biyolojik yöntemle üretilmiş gümüş nanopartikül bağlı aktif karbonun karakterizasyonu ve adsorpsiyon özelliklerinin incelenmesi
Characterization and adsorption properties of biologically synthesized silver nanoparticle attached activated carbon
ŞEYDA KORKMAZ
Doktora
Türkçe
2019
Kimya MühendisliğiYalova ÜniversitesiKimya ve Süreç Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ HİKMET OKKAY
- 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
- Formaldehyde and iso-propanol treatment in an anaerobic fluidized bed reactor and kinetic evaluations
Havasız akışkan yataklı bir reaktörde formaldehit ve iso-propanol arıtımı ve kinetik değerlendirmeler
MOİZ ELNEKAVE
- Improving raceway reactor productivity via vortex induced vibrations for cost effective microalgae production
Maliyet etkin mikroyosun üretimi için girdap kaynaklı titreşimlerle alg havuzu performansının artırılması
MEHMET SADIK AKCA
Doktora
İngilizce
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BULENT İNANC
- Birincil çamur fermentasyon ürünlerinin besi maddesi gideren aktif çamur sistemlerine etkisinin incelenmesi
Effect of primary sludge fermentation products on biological nutrient removal process
SEDA OKTAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2003
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMİNE UBAY ÇOKGÖR