Effect of microwave pretreatment on fate of antimicrobials and conventional pollutants during anaerobic sludge digestion and biosolids quality for land application
Anaerobik çamur çürütme prosesinde uygulanan mikrodalga dezentegrasyon işleminin antimikrobiyallerin ve konvansiyonel kirleticilerin akıbetine ve arazi uygulaması için biyokatı kalitesine etkisi
- Tez No: 543055
- Danışmanlar: PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyoteknoloji, Mühendislik Bilimleri, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, Engineering Sciences, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- 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: 270
Özet
Nüfusun ve çevre bilincinin artmasıyla birlikte atıksu arıtma tesislerinin sayısı gün geçtikçe artmakta ve buna bağlı olarak arıtma tesislerinde oluşan arıtma çamuru miktarı da artış göstermektedir. Çamur yönetimi, yüksek çamur işleme/bertaraf maliyetleri ve ulusal/uluslararası düzeyde artan, sıkı yasal düzenlemeler nedeniyle hala çözülmesi gereken acil konulardan biridir. Dünyada arıtma çamur miktarının en aza indirilmesi için, uygun maliyetli ve sürdürülebilir teknolojilerin araştırılması ve geliştirilmesi hususunda büyük bir çaba sarf edilmektedir. Arıtma çamurlarının içeriğindeki besin elementleri ve organik maddeler, çamurun gübre ya da toprak iyileştirici olarak arazide kullanımına olanak tanımaktadır. Bu nedenle, azot ve fosfor içeriği zengin olan biyokatıların (işlenmiş arıtma çamuru) arazi ve tarım uygulamaları, arıtma çamurlarının düzenli depolanmasının ve yakılmasının aksine en çok tercih edilen ekonomik, sürdürülebilir ve çevre dostu nihai bertaraf yöntemi olarak bilinmektedir. Arıtma çamurlarının araziye uygulanması yoluyla bertarafı yapılacaksa, nihai uzaklaştırma öncesinde oluşabilecek problemlerin en aza indirilmesi için çamur stabilize edilmelidir. Anaerobik (havasız) çürütme prosesi, arıtma çamurunu stabilize ederek; yüksek organik madde içeriğini azaltması, çevreye zararsız, kolaylıkla susuzlaştırılabilen, faydalı son ürün olan biyokatı eldesinin yanı sıra yenilenebilir enerji kaynağı olarak bilinen biyogaz ürettiği için, özellikle orta ve büyük ölçekli atıksu arıtma tesislerinde en çok tercih edilen çamur stabilizasyon yöntemlerinden biridir. Fakat atık aktif çamurun kompleks yapısından dolayı konvansiyonel (klasik) çürütme proseslerinde bazı limitasyonlar yaşanmaktadır. Bu limitasyonları ortadan kaldırmak, çürüme prosesinde hız sınırlayıcı adım olarak bilinen hidroliz prosesini hızlandırmak, daha stabil bir çamur eldesi ile daha küçük tank hacimlerinde, daha fazla miktarda biyogaz eldesine olanak tanımak için anaerobik çürütme prosesi öncesinde ön işlem olarak farklı çamur dezentegrasyon metotları uygulanmaktadır. Çamur dezentegrasyonu; termal ısıtma (konvansiyonel ve mikrodalga), mekanik (karıştırıcı bilyeli değirmenler, yüksek basınçlı homojenizatörler, vurgulu elektrik alan ve ultrasonikasyon), kimyasal (asit/alkali, ozonlama, ileri oksidasyon), biyolojik (enzim, iki-kademeli sistemler) ve bu metotların farklı kombinasyonlarda uygulanması şeklinde gerçekleştirilmektedir. Çamur dezentegrasyon işlemiyle, çamura uygulanan gerilmeler sayesinde çamurun flok yapısı bozulmakta, mikroorganizma hücre duvarları parçalanmakta ve böylelikle hücre içeriğinde bulunan organik bileşenler sıvı faza geçmektedir. Termal (ısıl) dezentegrasyon yöntemi, etkili çamur susuzlaştırma ve patojen giderimi ile diğer metotlara göre üstünlük sağlamaktadır. Laboratuvar-ölçekli uygulamaların yanı sıra, enerji verimliliği açısından gerçek-ölçekli atıksu artırma tesislerinde çürütme prosesi öncesinde sıklıkla tercih edilen bir ön işlem yöntemidir. Konvansiyonel ısıtmaya alternatif olarak mikrodalga (MD) ile ışınlama yöntemi; yukarıda bahsedilen faydaların yanı sıra ilave birçok advantajı (örn. hızlı ısıtma, kompaktlık, reaksiyon sürelerinde azalma) ile günümüzde cazip hale gelerek, literatürde sıklıkla çalışılmıştır. Anaerobik çamur çürütme prosesindeki teknolojik ilerlemelere (örn. ileri anaerobik çürütme sistemleri) rağmen, farklı evsel ve endüstriyel faaliyetlerden kaynaklanan“öncelikli kirleticiler”in varlığı (örn. antimikrobiyal maddeler), biyokatıların toprakta ve tarımda yararlı geri kullanımı durumunda çevre ve insan sağlığı açısından büyük riskler yaratmaktadır. Öncelikli kirleticiler; günlük hayatta birçok ürünün (ilaçlar, hormon takviyeleri, kişisel bakım ve temizlik ürünleri, böcek ilaçları, vb.) içerisinde bulunan, yapısal özellikleri birbirlerinden oldukça farklı, arıtılabilirlik açısından ise genellikle sorunlu kimyasallardır. Sayıları gün geçtikçe artan bu tip kirleticiler doğada çok düşük konsantrasyonlarda bulunmalarına rağmen, endokrin bozucu etkiler göstererek, canlıları ve çevreyi olumsuz yönde etkilemektedir. Atıksu arıtma tesisleri karbon, azot, fosfor ve patojen içerikli maddelerin düzenli ve etkili arıtımına yönelik tasarlandığı için, birçok farklı sınıf öncelikli kirletici uygulanan bu konvansiyonel prosesler ile etkin bir şekilde giderilememektedir. Arıtılamayan bu kirleticilerin bir kısmı çıkış suyu ile alıcı ortamlara karışırken, bir kısmı da oluşan arıtma çamurlarında depolanarak bertaraf edilmektedir. Triklosan (TCS) ve triklokarban (TCC), çoğunlukla dezenfeksiyon ve sanitasyon amaçlı (genellikle“antibakteriyel' ibaresi ile) sayısız ticari üründe çok amaçlı antimikrobiyal ürün olarak kullanılan poliklorlu aromatik bileşenlerdir. Bu maddeler günlük hayatta birçok kişisel bakım ürünlerinde (örn. sabun, duş jeli, şampuan, diş macunu, cilt bakım kremleri gibi kozmetik ürünler, vb.) ve ev gereçlerinde (örn. halı, mobilya, tekstil, okul & mutfak gereçleri, vb.) aktif bileşen olarak sıklıkla kullanılmaktadır. TCS ve TCC'ın sudaki düşük çözünürlükleri, hidrofobik ve uçucu olmayan yapıları nedeniyle arıtma çamurlarında biyoakümülasyona müsait olmaları, bu kirleticilerin ve/veya onların dönüşüm ürünlerinin katı matrislerdeki (örn. arıtma çamuru, biyokatılar ve toprak vb.) akıbetiyle ilgili endişeyi arttırmaktadır. Amerikan Gıda ve İlaç Kurumu (U.S. Food and Drug Administration), 2016 yılının Eylül ayında çıkardığı karar ile TCS ve TCC dahil 19 spesifik aktif bileşeni içeren antibakteriyel sabunların ve juş jellerinin, normal yıkama ürünlerine göre daha etkili bir koruma sağlamadığı gerekçesiyle, yasaklandığını bildirmiştir. Fakat TCS veya TCC sayısız ticari üründe halen çok amaçlı antimikrobiyal ürün olarak kullanılmaya devam edilmektedir. Bir başka endişe konusu ise, bu maddelerin biyokatıların arazide uygulanması yoluyla çevresel ortamlara, hatta besin zincirine taşınımı ve endokrin bozucu özellikleri ile çevreye zarar vermesidir. Yapılan birçok araştırma, bu iki antimikrobiyal kirleticinin karasal ve sucul ortamlarda yüksek konsantrasyonlarda bulunması halinde, hayvan (balık, su kurbağası, fare, tavşan, toprak solucanı vb.), akuatik canlılar (farklı tür algler vb.) ve insan sağlığına zararlı etki gösterebileceğini kanıtlamıştır. Ayrıca bazı çalışmalar, anne sütünde, idrarda ve kan örneklerinde dahi bu maddelerin varlığını ortaya koyarak, bu kimyasallara uzun süre maruz kalınması halinde anne karnında gelişmekte olan bebeğe bile zarar verilebileceğini de göstermektedir. Literatür incelendiğinde, geçtiğimiz on yıla kadar, öncelikli kirleticilerin atıksu arıtma tesislerinde sıvı (atıksu) ve katı (çamur) fazlarda nispeten düşük konsantrasyonlarda bulunmaları, çamur yapısının karmaşıklığı, enstrümantal ölçümler öncesi zahmetli/zaman alıcı ön-işlem (numune hazırlama, ekstraksiyon, saflaştırma vb.) adımlarının olması gibi nedenlerden dolayı, bu kirleticilerin katı matrislerde hassas ve sistematik bir şekilde izlenmesine olanak tanımamıştır. Bu nedenle, antimikrobiyaller gibi öncelikli kirleticilerin arıtma çamurlarında varlığı ve akıbeti üzerine yeterli sayıda çalışma olmadığı görülmektedir. Yapılan araştırmalarda genellikle kirleticilerin sıvı fazdaki akıbetine odaklanıldığı anlaşılmaktadır. Ancak atıksu arıtma tesislerinde kirletici madde giderimi/akıbeti bazında oluşturulacak kütle dengesi hesabında, muhtemel yanlış değerlendirmeyi ortadan kaldırmak için sıvı ve katı faz mutlaka birlikte ele alınmalıdır. Ayrıca, arıtma çamurlarının tarımda ve arazide kullanımı sözkonusu olduğunda, bu maddelerin katı fazda değerlendirilmesi gerekliliği de açıkça görülmektedir. Diğer taraftan, arıtma çamurlarının kullanıldığı dezentegrasyon uygulamalı laboratuvar- ve gerçek-ölçekli anaerobik çürütme proseslerinde, genellikle organik madde giderimi, metan gazı üretimi, patojen giderimi ve susuzlaştırma gibi konvansiyonel performans parametrelerinin iyileştirilmesine yönelik çalışmalara odaklanılmıştır. Yalnızca bazı araştırmalar antimikrobiyal maddelerin (örn. TCS ve TCC) konvansiyonel anaerobik çürütme sistemlerindeki davranışlarını incelerken, neredeyse yok denecek kadar az çalışma ise, bu kirleticilerin dezentegrasyon uygulamalı anaerobik çürütücülerdeki akıbetini araştırmıştır. Sonuç olarak, bugüne kadar literatürde minimizasyon uygulamalı anaerobik çürütücülerde bu maddelerin arıtma çamurlarındaki varlığına ve kontrolüne yönelik çalışmaların kısıtlı olduğu görülmüştür. Gerçekleştirilen bu çalışmanın amacı, anaerobik çamur çürütme prosesinde uygulanan MD dezentegrasyon işleminin; arıtma çamurunda sıklıkla rastlanan TCS ve TCC'ın akıbeti ve ayrıca sistem performansı (konvansiyonel kirleticiler) ile biyokatı kalitesi üzerindeki etkisini araştırmaktır. Öncelikli kirletici olarak TCS ve TCC'ın seçilmesinin başlıca nedenleri olarak; arıtma çamurlarında sıklıkla & yüksek konsantrasyonlarda bulunmaları ve çevre & insan sağlığı açısından kalıcı, biyoakümülatif ve toksik (PBT yaklaşım) özelliklerinin olması verilebilir. Bu amaç çerçevesinde tez çalışması: 1) seçilen ana kirleticilerin ve onların dönüşüm ürünlerinin çamur ve biyokatı numunelerinde çevresel konsantrasyonlarının tespiti için ileri enstrümantal analiz metodunun geliştirilmesini, 2) MD dezentegrasyon uygulamalı anaerobik çürütme proseslerinde (başka bir deyişle; ileri anaerobik çürütme) bu maddelerin akıbetlerinin araştırılmasını, 3) ileri anaerobik çürütücülerin performanslarının ve oluşan biyokatıların kalitesinin değerlendirilmesini, 4) MD dezentegrasyon uygulamalı gerçek-ölçekli anaerobik çürütücülerin uygulanabilirliğini değerlendirmek için MD dezentegrasyon uygulamalı laboratuvar-ölçekli anaerobik çürütücülerin net enerji üretiminin araştırılmasını kapsamaktadır. Farklı MD koşullarının etkileri, karışık çamurla beslenen toplam on adet laboratuvar-ölçekli anaerobik çürütücünün termofilik ve mezofilik işletme koşullarında farklı çamur bekletme sürelerinde (SRT) çalıştırılarak değerlendirilmiştir. Termal dezentegrasyon, 2,450 MHz frekansta çalışan programlanabilir laboratuvar-ölçekli MD çürütme sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Dezentegrasyon işlemi sırasında, enerji tüketimini en aza indirgemek ve net enerji üretimini en üst düzeye çıkarmak için, MD işlemi yüksek katı madde konsantrasyonundaki susuzlaştırılmış atık aktif çamuruna uygulanmıştır. Susuzlaştırılmış çamur numuneleri, sabit düşük ısıtma hızında (2.25°C/dk); düşük ve yüksek sıcaklıkta dezentegrasyon koşullarını temsilen, sırasıyla 80 ve 160°C'lik nihai sıcaklıklara kadar MD işlemine tabi tutulmuştur. İstenen bu nihai sıcaklıklara erişildikten sonra, numuneler hızlı ve yavaş dezentegrasyon koşullarını temsilen, 30 veya 1 dakika bekletme süresi boyunca MD işlemine tabi tutulmuştur. Dört farklı koşulda MD işlemi uygulanmış atık aktif çamur (ikincil çamur), daha sonra fermente edilmiş ham birincil çamur ile karıştırılarak karışık çamur olarak çürütücülere beslenmiştir. Çalışmanın ilk bölümünde, farklı koşullarda MD işlemine tabi tutularak hazırlanmış karışık çamurların kontrol çamuruna (MD işlemi yapılmayan ham ikincil çamur ve ham birincil çamurun karışımı) göre parçalanma ve çözünürlüğünü değerlendirmek için; toplam ve çözünmüş fazda kimyasal oksijen ihtiyacı ve biyopolimer (protein, hümik asit, şeker) analizleri yapılmıştır. Elden edilen sonuçlara göre, seçilen nihai MD sıcaklığı ve bekleme süresi arttığında çamur çözünürlüğünün de doğru orantılı olarak arttığı görülmüştür. Fakat, çamur çözünürlüğü üzerine MD sıcaklığının bekleme süresine kıyasla istatistiksel olarak daha fazla etkisi olduğu sonucuna varılmıştır. Laboratuvar-ölçekli anaerobik çürütücülerin kurulması için gereken termofilik ve mezofilik aşılar bir yıldan fazla süredir aynı laboratuvarda, aynı tip karışık çamur ile işletilen reaktörlerinden temin edilmiştir. Kurulan toplam 10 adet çürütücülere beslenecek olan yoğunlaştırılmış atık aktif çamur ve fermente edilmiş birincil çamur numuneleri, Kelowna şehrinde (British Columbia, Kanada) bulunan evsel nitelikli bir atıksu arıtma tesisinden iki haftada bir düzenli olarak temin edilmiştir. Aklimasyon aşamasının tamamlanmasının ardından, yarı-sürekli olarak beslenen (günde bir kez, haftada 7 gün) çürütücüler; 20, 12 ve 6 gün SRT'lerde sırasıyla 1.45 ± 0.13, 2.50 ± 0.21 and 5.18 ± 0.31 g UKM/L/gün olan organik yükleme hızları ile işletilmiştir. Çürütücülerin 5 tanesi termofilik (55 ± 1°C), diğerleri ise mezofilik (35 ±1 °C) sıcaklıklarda çalıştırılmıştır. Çürütücüler ilk olarak 20 gün olan konvansiyonel SRT ile işletilmeye başlanmış, kararlı hal koşulları sağlandıktan sonra 67 gün boyunca çalıştırılmaya devam edilmiştir. Bu periyodun tamamlanmasının ardından, her bir çürütücünün SRT'si 12 güne düşürülmüş, kararlı koşulda 49 gün boyunca işletilmiştir. Son olarak, SRT 6 güne indirilmiş ve çürütücüler 32 gün boyunca çalıştırılmıştır. Tüm çürütücüler en düşük SRT'de bile kararlı hale ulaşmış, bu durum artan organik yükleme hızlarının (değerlendirilen aralıklar içinde) minimum %45 uçucu katı madde giderim verimliliği ile proses performansını etkilemediğini göstermiştir. Farklı SRT'lerinde işletilen farklı anaerobik çürütme proseslerinde, günlük spesifik biyogaz miktarları, termofilik ve mezofilik sıcaklıklarda sırasıyla 485 - 580 mL ve 501 - 590 mL/g UKMbeslenen aralığındadır. Üretilen biyogazın metan içeriği; 20, 12 ve 6 gün SRT'leri için sırasıyla %70 ± 2, 68 ± 1, ve 65 ± 1 olarak bulunmuştur. Konvansiyonel çürütücülere (kontrol) göre MD dezentegrasyon uygulamalı anaerobik çürütücülerden elde edilen biyogaz miktarındaki artış dikkate alındığında, nihai MD sıcaklığı mezofilik koşullarda istatistiksel olarak belirgin bir etkiye sahipken, termofilik koşullarda ise MD bekletme süresinin önemli bir rol oynadığı saptanmıştır. Farklı sıcaklıklarda ve uzun bekletme sürelerinde (30 dk) MD işlemine tabi tutulan çamurla beslenen termofilik çürütücülerde uçucu yağ asitlerinin birikimi en düşük SRT'de (6 gün) artmıştır. MD işlemine daha uzun süre maruz kalan bu çürütücülerden elde edilen biyogaz miktarlarında ilgili kontrol göre herhangi bir biyogaz miktarı artışı gözlenmemiştir. Bu durumun kolay ayrışmayan, azda olsa inhibisyon yaratabilen ve/veya anaerobik olarak çürütülmesi zor olan kompleks bileşiklerin oluşumundan kaynaklanabileceği düşünülmektedir. Öte yandan, mezofilik koşullar altında, en yoğun MD koşuluna (160°C - 30 dk) tabi tutulan çamur ile beslenen çürütücü, aynı koşulda termofilik sıcaklıkta işletilen çürütücü çiftine kıyasla, oldukça düşük uçucu yağ asitleri konsantrasyonu ile organik maddeleri etkin bir şekilde biyogaza dönüştürmüştür. MD dezentegrasyon uygulamalı anaerobik çürütme proseslerinde uçucu katı madde (organik) giderim verimliliğinde %21'e varan artış sağlanmıştır. Üretilen biyogaz miktarları ve uçucu katı madde giderimindeki artış sonuçlarına dayanarak, MD dezentegrasyon uygulamalı çürütme proseslerin (SRT 6 gün) ilgili kontrol reaktörlerine kıyasla yaklaşık %15 - 20 daha yüksek yükleme hızlarını tolere edebildiği sonucuna varılabilir. Bu durum, atıksu arıtma tesislerinde gerçek-ölçekli çürütücülerin daha yüksek yükleme hızlarında ve daha küçük hacimlerde çalışması anlamına gelmektedir. MD dezentegrasyon işleminin çürütme prosesi sırasında TCS ve TCC'nin akıbetine etkisi (çevresel konsantrasyonlarda), anaerobik çürütücülerin çıkış (kontrol ve dezentegrasyon uygulamalı digestatlar) ve giriş akımlarından (ham ve MD-ön-işlemden geçirilmiş karışık çamur) alınan numuneler ile değerlendirilmiştir. Karışık çamur numuneleri, ultra-yüksek performanslı sıvı kromatografisi ve triple quadrupole kütle spektrometresi (UHPLC-MS/MS) kullanılarak toplam ve sulu (süpernatant) fazlarda ölçülmüştür. MD dezentegrasyon işlemi, arıtma çamurundan kalıcı antimikrobiyal TCC'nin giderilmesini %29 ila 64 oranında arttırmıştır. Fakat çamur dezentegrasyon işlemi sırasında, MD nihai sıcaklığı ve MD bekletme süresi TCS'nin giderilmesinde belirgin bir etki yaratmamıştır. Mevsimsel sıcaklık farklılıklarının, atıksu arıtma tesislerinde biyolojik arıtma prosesleri sırasında antimikrobiyal TCC ve TCS'nin giderilmesinde etkili olduğu düşünülmektedir. TCC ve TCS, ileri anaerobik çürütme prosesi (MD dezentegrasyon işlemi ve anaerobik çürütme prosesi) çıkışında farklı konsantrasyon aralıklarında saptanmış ve farklı giderim verimleri sergilemiştir. Termofilik ve mezofilik sıcaklıklarda, en yoğun MD dezentegrasyon koşullarına (160°C - 30 dk) tabi olan çamurla beslenen çürütücüler, her bir SRT periyodunda daha yüksek TCC giderim verimi sergilemiştir. Yüksek sıcaklıkta (160°C) MD dezentegrasyon işlemi görmüş karışık çamurla beslenen ileri çürütücülerde, TCC'nin biyokatılardaki konsantrasyonları, hem thermofilik hem de mezofilik koşullar altında düşük sıcaklıklarda (80°C) işletilen özdeş çürütücülere göre önemli ölçüde daha düşük bulunmuştur. TCC'nin indirgeyici son dehalojenasyon ürünü olan carbanilide (NCC), literatürde ilk kez konvansiyonel ve ileri anaerobik çürütücülerin çıkış akımında tespit edilmiş ve ölçülmüştür. Yüksek sıcaklıkta (160 °C) ve uzun bekletme süresinde (30 dk) MD'ye tabi olan çamurla beslenen termofilik çürütücülerin çıkış akımlarında (özellikle 12 gün SRT), diğer koşullara kıyasla en düşük TCS konsantrasyon değerleri elde edilmiştir. Termofilik sıcaklıklarda işletilen (her SRT'de) tüm anaerobik çürütücülerden daha yüksek TCS giderim verimleri elde edilmiştir. Bu araştırma, MD dezentegrasyon uygulamalı ileri anaerobik çürütücülerin, çamur ve biyokatılarda yaygın olarak bulunan TCC ve TCS'nin çevresel konsantrasyonlarını gidermek için kullanılabileceğini göstermiştir. Bu çalışmada, farklı koşullarda çürütülmüş arıtma çamurlarının arazide yararlı kullanımı için, MD dezentegrasyon işleminin eser elementlerin (ağır metaller), patojenlerin ve vektörlerin varlığı ile ilişkili biyokatı kalitesine olan etkisi de değerlendirilmiştir. Patojen limitleri açısından, indikatör mikroorganizma olarak fekal koliform bakteri grubu incelenmiş, ilgili yönetmelik ve mevzuatlarda belirtilen ”A ve B sınıfı biyokatı" kriterleri dikkate alınmıştır. Tüm termofilik çürütücüler A sınıfı biyokatı üretirken (fekal koliform miktarları hesaplanan metot limit değerlerin altında < 825 ± 89 koloni oluşturan birim/gram katı madde), mezofilik çürütücüler ise B sınıfı biyokatı üretmiştir. Mezofilik koşullar altında, MD işlemi uygulanmış çürütücüler ise ilgili kontrol çürütücüsüne göre; artan MD nihai sıcaklığı ve bekletme süresiyle doğru orantılı olarak gram kuru madde başına daha düşük fekal koliform miktarlarına (%37 - 58 daha düşük) sahip olmuştur. İlgili yönetmelikte yer alan 11 ağır metal konsantrasyon değerleri dikkate alındığında, termofilik ve mezofilik koşullarda çürütülmüş hemen hemen tüm çürütücülerden elde edilen biyokatıların; A sınıfı kriterleri karşılayarak, arazi uygulaması için uygun olduğu görülmüştür. Ayrıca, tüm çürütücülerde %38'den fazla uçucu katı madde giderim verimliliği ile arazi uygulaması için kabul edilir vektör (hastalık taşıyıcı) çekimi azaltma gereksinimi de sağlanmıştır. Atıksu arıtma tesislerinde gerçek-ölçekli ileri anaerobik çürütücülerin uygulanabilirliğini değerlendirmek için, kontrol (konvansiyonel çürütücüyü temsilen) ve MD dezentegrasyon uygulamalı ileri çürütücülerden elde edilen metan gazı miktarları dikkate alınarak net enerji (elektrik ve ısı açısından) analizi yapılmıştır. MD işlemine tabi tutulan ikincil çamurun katı madde konsantrasyonunun, sistemde ihtiyaç duyulan enerji sarfiyatının belirlenmesinde oldukça büyük öneme sahip olduğu görülmüştür. Yüksek sıcaklıkda (160°C) dezentegrasyon uygulamalı çürütücüler, birleşik ısı-güç sistemi (kojenerasyon) ile atıksu arıtma tesisi içinde ve/veya dışında kullanılabilecek yüksek miktarda atık (ilave) ısı üretmiştir. Ancak, ileri anaerobik çürütücülerde üretilen metan gazından elde edilen enerji, MD işlemi sırasında tüketilen elektrik enerjisini karşılamak için yeterli gelmemiştir.
Özet (Çeviri)
Sludge management in wastewater treatment plants is still one of the most pressing issues due to dramatic increases in sludge production, high sludge handling/disposal costs and increasing stringent regulatory restraints. There is a substantial effort to explore and develop cost-effective and sustainable strategies and technologies for reduction and minimization of excess sludge production all over the world. Agricultural use of stabilized municipal wastewater sludge is known as the most economically and environmentally accepted disposal option because of providing essential nutrients and organic matter back to the soil. Anaerobic digestion is one of the most widely used sludge stabilization methods. However, slow and limited solubilization of waste activated sludge during the hydrolysis step (the rate-limiting) is the bottleneck of conventional anaerobic digestion with longer retention time requirements and lower organic degradation efficiencies. To overcome this limitation, several studies have focused on different sludge pretreatment technologies to disintegrate the complex structure of sludge floc and enhance the rate of methane production in smaller bioreactors. As an effective thermal pretreatment method, microwave (MW) irradiation has become attractive by boosting anaerobic digestion of waste sludge, improving pathogen destruction and digestate dewaterability as well as having additional advantages (e.g. rapid heating, compactness, reduction in reaction times) over other sludge pretreatment options. Despite the technological advancements in anaerobic sludge digestion process (e.g. pretreatment prior to anaerobic digestion), presence of“contaminants of emerging concern”such as antimicrobials is creating a potential human and environment health threat against the beneficial reuse of biosolids. Triclosan (TCS: 5-chloro-2-(2,4-dichlorophenoxy)phenol) and triclocarban (TCC: 1-(4-chlorophenyl)-3-(3,4-dichlorophenyl)urea) are broad-spectrum polychlorinated aromatic antimicrobials, mostly used for disinfection and sanitation. They are commonly used as active ingredients in many personal care products (e.g. soap, shower gels, shampoos, toothpastes, cosmetics) as well as household consumables (e.g. plastic additives, carpets, textiles) in daily life. Partial degradation of triclosan and triclocarban during treatment processes is led to the formation of new transformation products in wastewater treatment plants. There has been an increasing concern about the high concentrations of these antimicrobials in sludge due to their high lipophilicity and poor biodegradability. When biosolids are applied to land, existing and potential endocrine-disrupting effects of triclosan and triclocarban and/or their transformation products are another area of concern. There is limited knowledge of the occurrence and behavior of antimicrobials in solid matrices, as most of the researches to date has focused on the identification and quantification of these compounds in aqueous matrices due to the complex composition of sludge and the limited analytical methods for solid matrices. Even though MW irradiation has been studied extensively on sludge disintegration and performance of anaerobic sludge digestion, no previous studies have been conducted to investigate the effectiveness of MW irradiation on the fate of multi-purpose antimicrobials particularly triclosan and triclocarban, during advanced anaerobic sludge digestion. The aim of this study is to investigate the effect of MW pretreatment on transformation of triclocarban and triclosan during anaerobic sludge digestion as well as performance of anaerobic digesters and biosolids quality for land application. The effects of MW final temperature and holding time configurations were studied employing by ten bench-scale anaerobic digesters fed with mixed sludge under thermophilic (55 ± 1°C) and mesophilic (35 ± 1°C) conditions at different sludge retention times (SRTs: 20, 12, and 6 days). MW irradiation was applied to the dewatered waste activated sludge at high solids concentration for minimizing energy consumption during pretreatment and maximizing net energy generation. The focus of the preliminary studies was to evaluate the effects of MW pretreatment intensity on the degree of disintegration/solubilization of four different mixed sludge samples. Dewatered sludge samples were irradiated to desired final temperatures of 80 and 160°C which represented the low- and high-temperature pretreatment conditions, respectively. After reaching the desired final temperatures at a constant heating ramp rate of 2.25°C/min, samples were held for 1 or 30 minutes which indicated fast and slow thermal pretreatment, respectively, to assess the effect of both MW pretreatment temperature and holding time. Un-pretreated or pretreated thickened waste activated sludge samples were mixed with raw fermented primary sludge to obtain the different mixed sludge samples before fed to digesters. Increasing MW final temperature and holding time enhanced the particulate chemical oxygen demand and biopolymers (i.e. protein, humic acids and sugar) solubilization of mixed feed sludge. MW final temperature had significantly higher effect on solubilization than holding time. Ten bench-scale anaerobic digesters (5 thermophilic and 5 mesophilic) were set-up with the inocula from existing bench-scale digesters utilizing the mixed municipal sludge from wastewater treatment plant located in Kelowna, British Columbia, Canada. Upon completion of acclimation stage, the digesters were operated in a semi-continuously fed mode (once a day, 7 days/week) at SRTs of 20, 12 and 6 days, under the corresponding organic loading rates of 1.45 ± 0.13, 2.50 ± 0.21 and 5.18 ± 0.31 g volatile solids/L/day, respectively. The operation of ten digesters was first started at a conventional SRT of 20 days and continued for a period of 67 days after the steady-state conditions established. Then, the SRT of each digester was reduced to 12 days, and finally reduced to 6 days, respectively. All digesters showed stable performance even at the lowest SRT indicating that increasing organic loading rates did not affect anaerobic digestion performance within the evaluated range with volatile solids removals above 45%. During the anaerobic digestion operations, daily specific biogas volume were in the range of 485 - 580 mL and 501 - 590 mL/g VSfed, respectively for thermophilic and mesophilic temperatures. The methane contents in all digesters' headspace were 70 ± 2, 68 ± 1 and 65 ± 1% for SRTs of 20, 12 and 6 days, respectively. Regarding biogas production, the final MW temperature had a statistically significant effect on biogas improvement for mesophilic temperature, whereas MW holding time played a statistically significant role under thermophilic temperature. At different MW temperatures, longer holding time increased volatile fatty acid (VFA) accumulation in thermophilic digesters at the shortest SRT of 6 days. No enhancement in biogas production (over the respective control) was observed from the thermophilic digesters which were pretreated for longer exposure durations (30 min). It is probable that the extreme pretreatment combinations applied to sludge can cause the formation of complex compounds which can be refractory & slightly inhibitory and/or hard to digest anaerobically. This condition may finally cause to generate less biogas potential/VFA accumulation even under relatively stable operation. On the other hand, under mesophilic temperature, methane formers in digester with pretreated at the most intensive condition (160°C-30 min) were still able to convert organics into biogas more effectively with low total VFAs concentrations compared to thermophilic counterparts. Up to 21% higher improvements in volatile solids removal was achieved by MW pretreatment followed by anaerobic digestion. Based on the improvement results in specific biogas yield and volatile solids removal, it can be concluded that anaerobic digestion systems combined with MW pretreatment were able to tolerate 15 - 20% higher loading rates compared to control digesters for the SRT of 6 days. This situation may allow full-scale digestion facilities to operate at higher loading rates with smaller digester volume requirements while reaching the same or better organic removal efficiency. The effect of MW pretreatment was evaluated on environmental concentrations of TCC, TCS and their transformation products in digester effluent streams (un-pretreated and MW-pretreated digestates) as well as digester influent streams (raw and MW-pretreated mixed sludge). All sludge samples were quantified in total (sorbed and aqueous) and aqueous (supernatant) phases using ultra-high performance liquid chromatography combined with an electrospray ionization probe and a triple quadrupole mass spectrometer (UHPLC-MS/MS). MW pretreatment enhanced the removal of persistent antimicrobial TCC from treatment sludge by 29 to 64%. However, neither MW final temperature nor duration had discernible impact on persistent TCS removal during sludge pretreatment. TCC and TCS showed different occurrence and behaviour patterns during the advanced anaerobic digestion coupled with MW pretreatment. Under both thermophilic and mesophilic conditions, the effluent concentrations of TCC in the advanced digesters fed with high-temperature pretreated mixed sludge (160°C), were significantly lower than that of in low-temperature (80°C), especially at SRT of 12 days. Reductive dehalogenation product (carbanilide) of TCC was detected and quantified for the first time during advanced anaerobic sludge digestion. On the other hand, the highest reduction in concentration of TCS was obtained from advanced digester, which was pretreated at high temperature (160°C) and long exposure duration (30 min), at SRT of 12 days, under thermophilic temperature. This research demonstrated that advanced anaerobic digestion using MW pretreatment could be used to remove environmental concentrations of TCC and TCS, which are commonly found in the sludge and biosolids. The effect of MW pretreatment was evaluated on digested biosolids quality which is associated with the presence of trace elements (heavy metals), pathogens and vectors before used as agricultural or reclaimed-land soil amendment. In terms of pathogen limits, thermophilic digesters produced Class A biosolids with less restriction for land application. Digestates from the mesophilic digesters was able to obtain Class B classification with pretreated digesters resulting in lower fecal coliform densities than the control. Almost all thermophilic & mesophilic digestates meet Class A criteria based on metal contents for land application. Acceptable vector attraction was also attained in all digesters with volatile solids removals more than 38%. An energy analysis was performed for the control (representing conventional digestion) and MW-pretreated digesters, in terms of net energy as electricity and heat to evaluate the feasibility of MW pretreatment for full-scale application. Sludge concentration subjected to MW pretreatment was found to have a substantial impact on total input energy. High-temperature MW pretreatment produced the high amount of extra heat with a combined heat and power system that can be utilized within/outside the plant. However energy recovered from the enhanced methane production was not sufficient to cover the electrical energy consumed by MW.
Benzer Tezler
- Kömürün yağ aglomerasyonuna mikrodalga ısıl ön işleminin etkisi
The effect of microwave pretreatment on the oil agglomeration of coal
KÜBRA İNAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Maden Mühendisliği ve MadencilikKonya Teknik ÜniversitesiMaden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SELMA DÜZYOL
- Mikrodalga ile kurutma ön işlemi uygulamasının endüstriyel şeftali çekirdekleri atıklarının piroliz karakteristiklerine ve kinetiğine etkisi
Effect of applicati̇on of microwave drying pretreatment on pyrolysis characteristics and kineticsof industrial peach stone wastes
FATMA AÇACAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Kimya MühendisliğiYalova ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖZDE GÖZKE AÇIKALIN
DR. ÖĞR. ÜYESİ KORKUT AÇIKALIN
- Odunun mikrodalga ön muamele ile emprenye edilebilirliğini yükseltmek ve teknolojik özelliklerini belirlemek
Increasing of imprengnability on wood by microwave pre-treatment and determining its technological properties
BARIŞ ÇAYIR
Doktora
Türkçe
2021
Ağaç İşleriKarabük ÜniversitesiMobilya ve Dekorasyon Eğitimi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAMİYET ŞAHİN KOL
- Arıtma çamurlarının pirolizinde uçucu metal bileşiklerin kontrolü
Control of volatile metal compounds during waste sludge pyrolysis
HİLAL ÖZEK SADIKOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Çevre Mühendisliğiİstanbul ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ATAKAN ÖNGEN
- Application of aerobic sludge stabilization supported with different pretreatment techniques
Farklı ön arıtma teknikleriyle desteklenmiş çamurun aerobik stabilizasyon uygulaması
UTKU ALBAYRAK
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Çevre MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Bölümü
PROF. DR. AYŞE FİLİBELİ