Geri Dön

Energy efficient co-treatment of municipal wastewater and food waste

Kentsel atıksu ve yemek atıklarının enerji verimli birlikte arıtımı

PDF İndir

  1. Tez No: 537860
  2. Yazar: HÜSEYİN GÜVEN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2018
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 234

Özet

Kentsel atıksu ve katı atık yönetimi ile ilgili son yıllarda özellikle büyük şehirlerde önemli çevresel sorunlar yaşanmaktadır. Hızlı şehirleşme, atıksu ve katı atık üretimini hızlı bir şekilde artırmakta ve bundan dolayı yerel yönetimler, çevresel altyapı tesislerinin uygun bir şekilde işletilmesinde zorluklar yaşamaktadır. Atıksu ve katı atık oluşumunun artmaya devam edeceği ve bunun çevresel yönetim maliyetlerini artıracağı beklenmektedir. Atıksu ve katı atık yönetimi ile ilgili sorunların çözümü ve gelecekteki ihtiyaçların karşılanabilmesi için sürdürülebilir bir yaklaşımın geliştirilmesi gerekmektedir. Atık ve atıksu yönetiminde enerji verimli seçeneklerin uygulanması sürdürülebilir bir atık ve atıksu yönetiminin başlıca özelliğidir. Atıksu arıtma tesislerinin (AAT) işletme giderleri incelendiğinde en yüksek işletme maliyetinin enerji tüketiminden kaynaklandığı görülmektedir. İlerleyen yıllarda Dünya genelindeki fosil enerji kaynaklarının tükeneceğinin beklenmesi ve enerji maliyetlerinin günden güne artması, AAT'lerin enerji verimli tesisler olarak tasarlanmasını ve işletilmesini önemli hale getirmektedir. Atıksuların arıtılmasında elektrik enerjisi kullanımına dair genel bir yaklaşımın ortaya konulup bu konuda değerlendirmeler yapılması, tesis içi enerji verimliliğini artırıcı ve işletme maliyetlerini azaltıcı önlemlerin araştırılması giderek önem kazanmaktadır. Bir asırdan fazla süredir kullanılmakta olan klasik aktif çamur prosesi kentsel atıksuların arıtılmasında en yaygın kullanılan arıtma yöntemidir. Güvenilirliği ve başarısı kanıtlanmış olmasına rağmen klasik aktif çamur prosesi yüksek enerji girdisine ihtiyaç duymakta ve bu yöntem ile atıksu bünyesindeki enerji içeriği yeteri kadar geri kazanılamamaktadır. Atıksu bünyesindeki enerjinin verimli şekilde geri kazanılması için atıksudaki organik maddelerin konsantre hale getirilmesi gerekmektedir. Bu amaçla çeşitli fiziksel, fizikokimyasal ve biyolojik prosesler uygulanabilir ve konsantre edilen organik maddeler biyokütle üzerinde tutulabilir. Bu sayede aktif çamur sisteminden atılan fazla çamurun organik madde içeriği zenginleştirilebilir ve anaerobik çürütme ile daha fazla enerji geri kazanımı sağlanması mümkün olabilir. Bu tez çalışmasının amacı kentsel atıksular ile yemek atıklarının birlikte arıtılmasını çeşitli açılardan ele almaktır. Proses konfigürasyonu olarak yüksek hızlı aktif çamur sistemi seçilmiş ve elde edilen sonuçlar çıkış suyu kalitesi, oluşan fazla çamurdan enerji geri kazanımı potansiyeli ve yaşam döngü analizi (YDA) bakımından değerlendirilmiştir. Çalışma kapsamında İstanbul'daki bir atıksu ön arıtma tesisinde pilot ölçekli bir yüksek hızlı aktif çamur sistemi işletilmiştir. Bu sistemde oluşan fazla çamur ise laboratuvar ölçekli bir çürütücüde çürütülmüştür. Anaerobik çürütme çalışmasında elde edilen sonuçlara göre bir fizibilite çalışması gerçekleştirilmiş ve yüksek hızlı aktif çamur prosesi, enerji geri kazanımı potansiyeli açısından farklı proses seçenekleri ile mukayese edilmiştir. Gerçekleştirilen YDA çalışması ile de yüksek hızlı aktif çamur prosesinin çevresel etkileri değerlendirilmiştir. Pilot tesis, çalışmanın ilk safhasında sadece kentsel atıksu ile beslenerek hidrolik bekletme süresinin (HBS) proses performansı üzerine etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda, pilot tesis sırasıyla 130, 95 ve 60 dakikalık HBS'lerde işletilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, 60 dakikalık HBS için yaklaşık %59'luk kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderimi gerçekleştiği ve sistem çıkışındaki askıda katı madde (AKM) konsantrasyonunun ortalama 90 mg/L olduğu görülmüştür. HBS azaldıkça deşarjdaki KOİ ve AKM konsantrasyonlarında düşüş sağlanmıştır. Çıkış suyu kalitesindeki iyileşme, çamurun flokülasyon ve çökelme özelliğinin HBS azaldıkça iyileştiğini göstermiştir. Çamur hacim indeksi (ÇHİ) değerlerinin 60 dakikalık HBS'de minimum olması bu sonucu doğrulamıştır. Yüksek hızlı aktif çamur sistemleri düşük çamur yaşlarında işletildiği için biyolojik yollarla gerçekleşen azot ve fosfor giderimi sınırlı oranda olmaktadır. Ancak biyokütlenin çoğalması için gerekli olan besi maddelerini atıksudan sağlaması sayesinde bir miktar azot ve fosfor giderimi gerçekleşmektedir. Bu çalışmadaki toplam azot ve toplam fosfor giderimi ise sırasıyla %20 ve %25 civarında olmuştur. Çalışma kapsamında ayrıca KOİ üzerinden kütle dengesi çıkarılmış ve HBS azaldıkça giriş atıksuyundaki KOİ'nin daha fazla oranda çamur fazına geçtiği görülmüştür. Pilot tesis ile yapılan çalışmaların ikinci safhasında ise kentsel atıksu ve yemek atıklarının birlikte arıtılması ile ilgili çalışmalar yapılmıştır. Pilot tesise katı atık ilavesi yapıldığı sürece HBS 60 dakikada tutulmuştur. Yemek atığı ilavesi giriş atıksu KOİ'sinde %10'luk bir artış sağlamıştır. Aynı süreçte partiküler KOİ'deki artış ise %18 olmuştur. Sisteme beslenen yemek atığı ağırlıklı olarak sebze ve meyve artıkları ile son kullanma tarihi geçmiş unlu mamullerden oluştuğu için, atık ilavesiyle giriş atıksuyundaki toplam azot ve toplam fosfor konsantrasyonları önemli bir değişiklik göstermemiştir. Çalışmanın son bölümünde ise, pilot tesise yapılan atık ilavesi sonlandırılmış ve pilot tesisin hidrolik sınırlarının test edilmesi maksadıyla sistemin HBS'si 30 dakikaya indirilmiştir. HBS'nin azaltılmasıyla partiküler KOİ giderimi artmış ancak çözünmüş KOİ giderimi ise azalmıştır. Atık ilavesinin giriş atıksuyundaki partiküler KOİ'yi artırması ve son çökeltme tankındaki çökeltme veriminin iyileştirilmesi ile daha fazla partiküler maddenin çamur akımına geçebileceği gösterilmiştir. Laboratuvar ölçekli yapılan çalışmalarda ise, pilot ölçekli yüksek hızlı aktif çamur sisteminde oluşan fazla çamurun mezofilik koşullarda çürütülebilirliği incelenmiştir. Bu kapsamda iki farklı substrat (fazla çamur) kullanılmıştır. Öncelikle pilot tesis sadece kentsel atıksu ile işletilirken oluşan fazla çamur çürütülmüştür. Bunun ardından, birlikte arıtma sırasında oluşan fazla çamur pilot tesisten toplanmış ve çürütücüye beslenmiştir. Atıksuya yemek atığı ilavesinin, fazla çamurun çürütülmesi ile elde edilen metan verimini yaklaşık %50 oranında artırdığı görülmüştür. Metan verimindeki artışın çeşitli etkilere (yemek atığı ilavesiyle giriş atıksuyundaki KOİ karakterizasyonunun değişimi ve fazla çamurun biyobozunurluğunun artması, biyokütle adaptasyonu, çürütücü stabilitesi vb.) bağlı olduğu düşünülmektedir. Daha sonra, laboratuvar çalışmalarında elde edilen sonuçlar doğrultusunda bir fizibilite çalışması gerçekleştirilmiştir. Ele alınan sistemin enerji verimliliğini daha detaylı değerlendirebilmek için benzer atıksu arıtma sistemleri de (klasik ön çökeltme, kimyasal destekli ön çökeltme, klasik aktif çamur prosesi) incelenmiş ve birbiriyle karşılaştırılmıştır. İncelenen sistemler giriş atıksuyundaki KOİ'nin arıtma sonundaki dağılımı ve enerji verimliliği bakımından mukayese edilmiştir. Buna göre, yüksek hızlı aktif çamur sistemine atık ilavesi yapılan senaryoda son çökeltme veriminin iyileştirilmesi halinde giriş KOİ'sinin %14'ünün metan olarak geri kazanılabileceği hesaplanmıştır. Söz konusu senaryonun enerji pozitif bir arıtma konfigürasyonu olduğu ve %70 enerji fazlasına sahip olduğu belirlenmiştir. Yapılan bu çalışma ile son çökeltmede katı-sıvı ayrımının yüksek verimle yapılması ve KOİ mineralizasyonunun sınırlı tutulması durumunda, yüksek hızlı aktif çamur sisteminin enerji verimliliği açısından tercih edilebilir bir proses olduğu görülmüştür. Yaşam döngü analizi (YDA) AAT'lerin çevresel etkilerinin değerlendirilmesinde ve farklı arıtma alternatiflerinin karşılaştırılmasında faydalı bir değerlendirme aracıdır. Tez kapsamında yapılan YDA çalışmasının amacı, İstanbul'da bulunan bir atıksu ön arıtma tesisinin farklı arıtma alternatifleri ile iyileştirilmesi halinde oluşacak çevresel etkilerin incelenmesidir. Pilot tesisin bulunduğu AAT, sadece mekanik arıtma birimlerinden (ızgara ve kum tutucu) oluşmakta olup mevcut AAT'nin klasik ön çökeltme (S1), yüksek hızlı aktif çamur sistemi (S2) ve bu sisteme atık ilavesi (S3) seçeneklerini de içeren farklı alternatifler ile modifiye edilmesi YDA bakımından ele alınmıştır. Elde edilen sonuçlar mevcut durum senaryosunun (S0) iklim değişikliği haricinde tüm kategorilerde gelecek senaryolarından (S1, S2 ve S3) daha olumsuz sonuç vereceğini göstermiştir. S2 ve S3 senaryoları, atıksuların biyolojik prosesler ile arıtılmasını öngördüğü için bu senaryolarda arıtma kaynaklı sera gazı oluşumu daha fazla gerçekleşmiştir. Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli (IPCC) yaklaşımına göre, biyolojik arıtmada açığa çıkan karbon dioksit sera gazı potansiyeline sahip değildir ancak iyi işletilen aerobik sistemlerde bile bir miktar metan gazı salımı gerçekleşmektedir. Metan gazı, küresel ısınmaya sebep olan gazların başında olup sera etkisi oluşturma potansiyeli karbon dioksite göre 25 kat fazladır. Bu nedenle, iklim değişikliği bakımından en olumsuz sonuç S2 senaryosu için elde edilmiştir. S3 senaryosunda yemek atıklarının atıksular ile birlikte arıtılması sayesinde atık bertaraf ve toplama emisyonlarından kazanç sağlanmış (diğer senaryolarda olduğu gibi emisyon oluşmamış), dolayısıyla iklim değişikliği bakımından en olumlu sonuç bu senaryo için elde edilmiştir. Atık bertaraf ve toplama tesislerinden sağlanan emisyon kazancı S3 senaryosunun karasal ekotoksisite kategorisinde de en iyi sonuca sahip olmasını sağlamıştır. Aynı senaryo karasal asidifikasyon ve fosil kaynakların tüketimi için de en iyi sonuca sahip olup çamur çürütme ile sağlanan enerji geri kazanımının bu sonuçta en önemli paya sahip olduğu görülmüştür. Gerçekleştirilen duyarlılık analizinde ise atıksuya yemek atığı ilavesinin %10'dan %50'ye çıkarılması incelenmiş (nüfusun %50'sinden kaynaklanan yemek atıklarının AAT'de arıtılması) ve özellikle iklim değişikliği kategorisinde önemli iyileşmeler kaydedilmiştir. Tez çalışması kapsamında ele alınan arıtma konfigürasyonunun (yüksek hızlı aktif çamur sistemi) özellikle deniz kıyısında bulunan yerleşim yerleri için ekonomik bir atıksu arıtma alternatifi olduğu düşünülmektedir. Çıkış suyunun derin deniz deşarjı (DDD) ile alıcı ortama verilmesinin ardından seyrelme etkisiyle içerisindeki kirletici parametrelerin istenen değerlere düşmesi beklenmektedir. Özellikle İstanbul Boğazı kıyısındaki atıksu ön arıtma tesisleri öngörülen sistem ile modifiye edilerek arıtılan atıksularını DDD ile boğaza deşarj edebileceklerdir. İstanbul Boğazı'ndaki mevcut akıntılar ile deşarj edilen atıksuların istenen derecede seyreleceği öngörülmektedir. Ayrıca bu sayede ileri arıtma yapılmaksızın evsel atıksuların daha düşük maliyet ile arıtılması sağlanacaktır. Böylelikle İstanbul ve İstanbul gibi deniz kıyısında bulunan yerleşim yerlerindeki su ve kanalizasyon idarelerinin önerilen sistemden büyük bir fayda sağlayacakları düşünülmektedir. Bunun yanı sıra, incelenen arıtma sisteminin azot ve fosfor parametreleri bakımından hassas olmayan bölgeler için de uygulanabilmesi mümkün olacaktır.

Özet (Çeviri)

Municipal wastewater and solid waste management are major environmental issues especially in big cities in the last decades. Rapid urbanization leads to a sudden increase in wastewater and solid waste generation, and thus, local authorities face difficulties to sustain environmental infrastructure properly. It is estimated that wastewater and solid waste generation will continue to increase, resulting in the increase of environmental management costs. A sustainable approach should be developed to solve the problems regarding these problematic issues and to meet future demand. Recently, energy scarcity has become an important issue globally and using renewable energy sources has gained importance due to limited fossil fuel reserves and increased concerns on climate change. In this regard, municipal wastewater is a remarkable energy source since a huge amount of wastewater is generated and treated all over the world every day. Conventional activated sludge (CAS) process, which has been in use for more than a century, is the most widely preferred treatment method for municipal wastewater. In spite of its reliability and proven success, the CAS process consumes a high amount of energy due to the intensive aeration demand. Moreover, it cannot sufficiently capture organic matter which is available in wastewater. In order to efficiently recover the energy present in wastewater, it is crucial to up-concentrate the organics in wastewater. Several physical, physicochemical, and biological processes can be employed for up-concentration of the organics and capturing them onto biomass. Adsorbing organic matter in sludge phase to a high degree allows improved energy recovery through anaerobic digestion. The main objective of this thesis was to investigate the applicability of co-treatment of municipal wastewater and food waste from various aspects. High-rate activated sludge (HRAS) process was selected for this purpose and the results were evaluated in terms of effluent quality, energy recovery potential from excess sludge, and life cycle assessment (LCA). A pilot-scale HRAS system was operated within the scope of the study which was located in a preliminary wastewater treatment plant (WWTP) in Istanbul. Generated excess sludge of the pilot-scale system was digested in a laboratory-scale digester. According to the results of the anaerobic digestion study, a feasibility study was carried out and the HRAS process was compared with different process configurations in terms of energy recovery potential. Moreover, the environmental performance of the HRAS process was investigated by conducting an LCA study. In the first part of the study, the pilot-scale HRAS system was fed with only municipal wastewater to investigate the effect of hydraulic retention time (HRT) on the process performance. Within this concept, the HRAS system was operated under three different HRTs which were 130, 95, and 60 min, respectively. The results revealed that 59% of chemical oxygen demand (COD) could be removed and total suspended solids (TSS) concentration of the effluent could be reduced to 90 mg/L at the HRT of 60 min. Effluent COD and TSS concentrations decreased with the decrease in HRT by means of enhanced flocculation and sedimentation, which was confirmed by the improvement of sludge volume index (SVI) values at lower HRTs. The calculated mass balance showed that more COD was diverted to sludge stream with the decrease in HRT. In the second stage of the study, the applicability of co-treatment of municipal wastewater and food waste in the pilot-scale HRAS system as well as the effect of the minimal HRTs of 60 and 30 min on the process performance were evaluated. Food waste addition to wastewater caused a 10% increase in total COD of influent at the HRT of 60 min. In the following stages, the pilot-scale system was operated with wastewater solely under the HRT of 60 and 30 min, respectively. With the decrease of the HRT, particulate COD removal increased; however, soluble COD removal decreased. The results demonstrated that when the settling process is optimized in final settling, more particulate matter can be transferred to sludge stream. Excess sludge from the pilot-scale HRAS system was digested under mesophilic conditions in order to investigate the digestability of excess sludge. Two different substrates (excess sludge) were used in the digestion study. At first, the digester was fed with the excess sludge that was generated during the operation of the pilot-scale HRAS system with only municipal wastewater. After that, the excess sludge which was generated during the co-treatment stage was collected and fed to the digester. The results revealed that food waste addition to wastewater enhanced methane yield of the excess sludge around 50% which may be attributed to some synergistic effects (i.e., the change of influent COD characterization through food waste addition and obtaining a more biodegradable excess sludge, biomass adaptation, digester stability). Thereafter, a feasibility study was carried out using the performance data obtained from the experimental studies. For a better understanding, several wastewater treatment configurations (i.e., conventional primary treatment, chemically enhanced primary treatment, CAS process) were also analyzed and compared with each other. The results showed that the HRAS process could be a preferable option when outstanding solids-liquid separation is employed in final settling and mineralization of influent COD is suppressed. Additionally, co-treatment of wastewater and food waste can increase methane yield and improve the energy balance of the WWTPs, and thus WWTPs can have a surplus in the energy budget thanks to proposed an integrated system in this study. LCA is a beneficial tool to evaluate the environmental performance of the WWTPs and to compare different upgrading options. The main objective of this assessment within the scope of this thesis was to investigate the environmental impacts of various upgrading options of a preliminary WWTP in Istanbul. The preliminary plant currently consists of mechanical treatment units (screens and grit chambers) and different upgrading options including conventional primary settling (S1) and HRAS process (S2) as well as the addition of food waste to wastewater (S3) were compared. The results showed that the baseline scenario (S0) had worse performance than all future scenarios (S1, S2, and S3) except for climate change. The scenario of adding food waste to wastewater (S3) had the best performance in climate change, terrestrial acidification, terrestrial ecotoxicity, and fossil depletion categories. Increased addition of food waste was also tested in the sensitivity analysis, and major improvements were obtained especially in the climate change category. The proposed treatment configuration within the scope of the thesis (high-rate activated sludge system) can be suggested as an affordable treatment alternative, especially in seaside settlements. Especially the preliminary WWTPs located by the Bosphorus can discharge their effluents through deep marine outfall systems when they are modified by the proposed system in this study. It is estimated that the currents in the Strait of Istanbul can dilute preliminary WWTP effluents sufficiently. Moreover, municipal wastewaters can be treated cost-effectively by this system without performing an advanced treatment. Thus, the water and sewerage administrations which serve in Istanbul and seaside settlements such in Istanbul can benefit significantly from the proposed system. In addition to this, the investigated system can also be applicable in the non-sensitive regions in terms of the parameters of nitrogen and phosphorus.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    863591

    Impact of the co-treatment of food waste and municipal wastewater on the performance of an aerobic granular sludge system

    Yemek atıkları ve evsel atıksuların birlikte arıtılmasının aerobik granüler çamur sisteminin performansı üzerinde etkisi

    NASTARAN RAHIMZADEH BERENJI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HALE ÖZGÜN ERŞAHİN

  2. Tez No

    878591

    Evaluation of co-substrate alternatives for co-digestion of sewage sludge: Coupling plant-wide modelling with life cycle analysis

    Arıtma çamurunun birlikte çürütülmesi için ilave substrat alternatiflerinin değerlendirilmesi: Tesis bazlı modelleme ve yaşam döngüsü analizinin birlikte kullanılması

    EMİRCAN KARA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN

  3. Tez No

    741363

    Anaerobic co-digestion of industrial wastewater sludges: An investigation on heavy metal contents and energy recovery

    Endüstriyel atıksu çamurlarının anaerobik şartlarda birlikte çürütülmesi: Ağır metal içerikleri ve enerji geri kazanımının araştırılması

    MELEK ŞEBNEM TEMEL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ

  4. Tez No

    66691

    Atık pillerin değerlendirilmesi

    Recyling used batteries

    HANİFE BANABAK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    1997

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. A. NURSEN İPEKOĞLU

  5. Tez No

    496400

    Yüksek hızlı aktif çamur sistemlerinden oluşan fazla çamurun mezofilik çürütülmesi

    Mesophilic digestion of high rate activeted sludge system excess sludge

    İSA IŞIK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK

Geri Dön