Investigation of cod behavior by modelling of activated sludge system with a membrane module (MASM)
Modifiye edilmiş KOI davranışlarının membran modülü kullanılan aktif çamur sistemlerinde incelenmesi
- Tez No: 637949
- Danışmanlar: PROF. DR. SEVAL SÖZEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2020
- 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: 83
Özet
Aktif çamur sistemlerinin farklı konfigürasyonlarla modellenmesi, 1986 yılından bu yana atık su arıtma sistemleri için bir öngörü yöntemi olarak kullanılmaktadır. Aktif çamur proseslerinin davranış mekanizmasını ve kirleticilerin giderilme süreçlerini anlamak için farklı modelleme çalışmaları mevcuttur. Örneğin, organik bileşiklerin, azotun ve fosfor gibi bileşimlerin atıksudan uzaklaştırılması için farklı koşullarda çalışan sırasıyla ASM1, ASM2, ASM2d gibi modeller vardır. Günümüzde, tüm bu aktif çamur modelleri, membran kullanılarak modifiye edilebilir ve bu sayede geleneksel aktif çamur prosesleri bu yeni teknoloji ile iyileştirilebilir. Membranlar filtre şeklindeki yapısı sayesinde atıksudaki bileşikleri boyut büyüklüklerine göre ayırabilirler. Bu durum, geleneksel sistemlerde oluşabilen bazı temel sorunlara bir çözüm sağlar. Bu nedenle, membran filtrasyonu, standart aktif çamur sisteminde en büyük problemlerden biri kabul edilen çökelme tankındaki biyokütlenin çökelememe sorunu için bir çözüm oluşturur. Bu yenilik, atıksuyun arıtımı sonrasında yüksek kaliteli su oluşturup bu suyun tekrardan kullanıma uygun hale gelmesinin yanı sıra, reaktördeki biyokütle çökelmesi için sorun olan yerçekimi kısıtlamalarını hidrolik bekletme süresini (HRT) ve çamur yaşını (SRT) ayarlayarak daha düşük ayakiziyle sağlar. Atıksu arıtma sistemlerinde membran kullanılması, geliştirilen bu teknolojinin operasyonel ve kinetiksel mekanizmalarının detaylı şekilde incelenmesini gerektirmektedir. Bu arıtma sistemlerinnin davranış biçimerinin anlaşılması için en iyi yöntem Aktif Çamur Modellerinin (ASMs) kullanılmasıdır. Bu sebeple literatürde membran kullanılarak modifiye edilmiş aktif çamur sistemlerinin modellenmesiyle ilgili pek çok çalışma mevcuttur. Bu çalışma temel olarak performans değerlendirilme ve kontrolüne ihtiyaç duyan modifiye edilmiş yeni bir ASM1 modelini oluşturmayı hedef alır. Bu açıdan çalışmanın temel amacı membran modülü kullanılarak modifiye edilmiş MASM olarak adlandırdığımız bir aktif çamur sisteminin farklı proses konfigürasyonları için modifiye edilmiş KOİ fraksiyonları ve partiküler boyut dağılımı (PSD) üzerindeki etkilerinin yorumlanmasıdır. Biyolojik arıtılabilirlik deneylerini yanı sıra partiküler boyut dağılımı çalışmaları atıksu karakteri ile alakalı olarak önemli ve detaylı bilgiler sunmaktadır. Bu sebeple bu tezde biyolojik arıtılabilirlik çalışmalarıyla elde edilen konvansiyonal KOİ karakterizasyonu ve PSD analizlerinin yapıldığı çalışmalar tercih edilmiştir. Özellikle PSD analizi, çalışma mekanizmasının benzerliği itibariyle MBR modelinin araştırılması ve yorumlanması için öenm arz etmektedir. Bu çalışma için üç atıksu; evsel, tekstil ve deri atıksuları seçilmiştir. Atıksular hakkındaki detaylı tüm bilgiler biyolojik arıtılabilirlik ve PSD analizlerinin bir arada yapıldığı çalışmalardan alınmıştır. Bu noktda, geleneksel karakterizasyon atıksu içerisindeki partiküler ve çözülebilir maddeler hakkında, biyolojik arıtılabilirlik testleri ise hidroliz mekanizmasını baz alan respirometre yöntemi sayesinde, çözülebilir kısımla alakalı bilgi sağlar. PSD analizi ise kullanılan membran sayesinde kirleticileri boyutlarına göre ayırarak sınıflandırır. Bu bilgiler ışığında her biri eşit hacimli 3 reaktörden oluşan biri konvansiyonel ASM1 ve diğeri MASM olarak iki farklı model geliştirildi. ASM1 prosesi çökelebilir tank ile MASM sistemi ise modelde 'point seperator' olarak adlandırılan membran ile sonlanır. İki modelde de geri devir mekanizması kullanılmıştır. Konvansiyonel AS modelinde giriş, çıkış ve geri devir akımları 10.000 m3/gün olmakla beraber KOİ karakterizasyonu seçilen referanslar baz alınarak sisteme tanıtılmıştır. MASM sisteminde ise giriş ve çıkış akımları ASM1 ile aynı iken geri devir akımı 4 kat fazla olup 40.000 m3/gün'e tekabül eder. Bu modelde KOİ fraksiyonları boyut dağılımları da dikkate alınacak şekilde modele tanıtılmıştır. Bu sebeple MASM prosesinin giriş akımındaki KOİ fraksiyonları, membran por boyutundan büyük olup içeride tutulan KOİ fraksiyonlarını da kapsamaktadır. Membran biyoreaktör (MBR) kullanımı, bazı çözülebilir materyaller membrandan geçip çıkış akımında bulunurken, bazıları ise boyut büyüklüğü nedeniyle membran tarafından tutulur ve reaktörün içerisindeki KOİ konsantrasyonunu değişmesine sebep olur. Membran vasıtasıyla tutulan bu fraksiyonlar çıkış suyunda yer almayıp çamura karışacağından partiküler madde olarak kabul edilebilir. Bu durum ise çıkış suyundaki KOİ miktarının azalmasını sağlamış olur. Bu çalışmada tutulan KOİ ve çıkış suyu kalitesi 3 farklı atıksu için geleneksel ve MBR sistemlerinde operasyonel farklılıkları dikkate alınarak incelendi. Bu çalışmada, özellikle boyut dağılımı geniş aralıkta yereden (2-450 nm) toplam hızlı hidroliz olabilen KOİ, SHT, ve toplam çözülebilen inert KOİ, SIT, MBR kullanıldığında dikkate değer farklılıklar yarattığı için dikkate alınmıştır. MASM sisteminde SHT, membran tarafından tutulan SHC ve tutulamayıp çıkış suyunda gözlemlenen SHE, SIT ise SIC ve SIE fraksiyonlarına ayrılmıştır. Çalışmada reaktörlerin hacimleri ve sistemden atılan atılan çamur miktarları değiştirilerek farklı çamur yaşları için farklı konfigürasyonlar oluşturulmuştur. Daha sonra ASM1 ve MASM sistemleri SH, SI giderilmesi ve çıkış suyu kalitesi dikkate alınarak kıyaslanmıştır. Sonuçlar iki aşamada; AS konfigürasyonları (i) farklı ve (ii) aynı hidrolik bekletme süreleri (HRT) şeklinde değerlendirilmiş ve iki konfigürasyonda da SRT değeri 1'den 8 güne kadar olan süreler superfast (SF), high rate (HR) ve conventional olarak adlandırılmıştır. Birinci aşamada ASM1 sistemi MLSS konsantrasyonu 4.000 mg/L, küçük reaktör hacimlerinde çalışıldığı için MASM sisteminde 10.000 mg/L olarak seçilmiştir. İkinci aşamada ise reaktör içlerinde herhangi bir MLSS kısıtlaması olmadan modeller çalıştırılmıştır. Birinci aşamada (Step 1) iki temel sonuç gözlemlenmiştir; (i) evsel ve tekstil atıksuları için MASM sistemindeki SHE değerleri SRT değerinin 2 gün ve daha az olduğu SF koşullarında ASM1'e kıyasla daha düşüktür. Deri atıksuyu diğer iki atıksuya göre daha kuvvetli ve bu nedenle girişteki SH konsantrasyonları daha yüksek olduğu için minimum SRT değeri 4 gün olarak alınmıştır. Bu sebeple SF koşullarında çalıştırılmamaktadır. HR ve konvansiyonel SRT operasyonlarında SHE değeri iki atıksu için benzer sonuçlar vermiştir; HR koşullarında evsel için 3-5 mg/L, tekstil için 13-20 mg/L, konvansiyonel koşullarda sırasıyla 1-3 mg/L ve 4-8 mg/L KOİ değerlerine sahiptir. (ii) MASM sisteminde SH yüzdesi, başlangıçtaki SH0 fraksiyonundan SHC fraksiyonu çıkartılarak hesaplandığı için ASM1'e göre düşük kalmıştır. Step 1'deki koşullarıyla yüksek KOİ değerlerine sahip deri atıksuyu için 18 güne kadar çıkan SRT değerleri uygulansa bile yeterli arıtmı sağlayamamıştır. Step 1'de MASM sisteminde düşük giderim olması sebebiyle mıdifiye edilerek modeller Step 2'de tekrar uygulanmıştır. Step 2'nin sonuçlarına göre; (i) SF koşullarında MASM sistemi tüm atıksular için düşük SHE konsantrasyonu vermiştir. Örneğin Step 1'de tekstil atıksuyunun SRT değeri 1 gün iken ASM1 sisteminin SHE değeri 95 mg/L MASM sisteminin 33 mg/L iken Step 2'de bu değer ASM1 için aynı kalırken (95 mg/L) MASM'de 18 mg/L'ye düşmüştür. (ii) Deri atıksuyu model sonuçları ise Step 2 koşullarında daha iyi giderim sonuçları vermiştir. MASM sistemi SRT 4 gün koşulunda çalıştırıldığında Step 1'de SHE değeri 152 mg/L iken, Step 2'de bu değer 59 mg/L'ye düşmüştür. Ayrıca, aynı koşullarda ASM1 sisteminde sonuç veren 80 mg/L SHE değeri, Step 2'de %25 azalmıştır. Bununla beraber Step 2 koşullarında MASM SRT değeri 4 güne kadar ASM1'e göre daha iyi giderim performansı gösterirken, SRT değeri arttıkça MBR performansında düşüş gözlemlenmektedir. Bunun sebebi membran sayesinde reaktör içerisinde tutulan ve biriken kirleticilerin etkisi olabilir. Çeşitli operasyonel koşulların yarattığı farklı KOİ fraksiyonları çıkış suyu kalitesini farklı şekillerde etkileyebilir; özellikle biyodegredasyon sonrası oluşan çözülebilir KOİ, SP ve giriş suyunda yer alan çözülebilir inert KOİ, SI. Konvansiyonel ASM1 sisteminde inert KOİ hiç bir zaman reaksiyona girmediğinden her zaman çıkış suyunda bulunur. Bu açıdan membranın kullanıldığı MASM sistemleri bu KOI fraksiyonlarının tutulması açısından daha çok tercih edilirler. Örneğin, deri atıksuyundaki SIT değeri ASM1 sisteminde girişte olduğu gibi çıkış suyunda da 214 mg/L konantrasyonundadır. MASM sisteminde ise bu miktarın %45'I membran tarafından tutulur ve 118 mg/L'si çıkış suyunda gözlemlenir. Diğer bir taraftan, çıkış suyu kalitesi ASM1 ve MASM sistemleri için Step 1 koşullarında yaklaşık olarak aynı iken, Step 2 koşullarında bu durum değişir ve MASM sistemininde STE konsantrasyonu ASM1'e göre %16 azalmıştır. Gelecekte yapılması beklenen çalışmalara destekleyici olarak konvansiyonel ve MBR AS sistemlerinin farklı modifikasyonlarının çıkış suyu kalitesi açısından operasyonel olarak iyileştirilmesi; enerji ve oluşan çamur miktarının azaltılması için benzer modelleme çalışmalarının geliştirilmesi önerilmektedir.
Özet (Çeviri)
Modeling of activated sludge systems with different configurations is a prediction method for wastewater treatment systems since 1986. To understand the behavior of the activated sludge processes, the modeling studies were developed for different conditions that consider different types of processes such as removal of organic compounds (ASM1), nitrogen (ASM2), phosphorus (ASM2d). Nowadays, all these activated sludge models can be configurated with a membrane which is a ground-breaking milestone for the traditional activated sludge process. Membranes can separate the compounds according to their size threshold. This provides a solution to the main problems comparing to conventional systems. Therefore, it is a major leap which allowed to replace the always problematic gravity settling by membrane filtration of biomass. Aside from a high-quality effluent suitable for reuse, this innovation ended the restrictions of gravity settling on biomass concentration in the reactor, simply by uncoupling hydraulic retention time (HRT) and sludge age (SRT), in a much smaller footprint. Usage of membranes in wastewater treatment systems leads us to examine the operational and kinetical mechanisms of this technological development. To be able to do this, Activated Sludge Models (ASMs) can be used as again a perfect method to understand the behavior of this treatment system which should be investigated in lab-scale conditions before applying in real life. Therefore, many studies investigate the activated sludge models that are modified with membranes. According to this subject, this study focuses on creating a modified ASM1 as a new model that requires a model structure for performance evaluation and control. In this context, this study aims to define a new model, MASM for the activated sludge reactor with a membrane module and evaluate its implications based on modified COD fractionation and particle size distribution for different process configurations. Besides biological treatability experiments, particle size distribution analysis gives valuable information about wastewater characteristics. Therefore, the studies that combine the information obtained from conventional characterization with biodegradation experiments and PSD analysis are preferred for this study. Especially PSD analysis should be used by making assessments about MBR modeling researches because their operational mechanisms behave the same due to the separation of compounds according to their size ranges. Domestic, textile, and tannery wastewaters are the four wastewaters selected for this study. All information about the wastewaters is obtained from recent studies that include both biological treatment and PSD analysis. In this context, conventional characterization gives information about the amount of particulate and soluble substance in wastewater. The biological treatability analysis demonstrates the information about the soluble part of the wastewater by respirometry test which mainly focuses on the hydrolyzation mechanism. PSD analysis provides information about the size of pollutants by applying membranes with different size thresholds. With the light of all these informations, a conventional ASM1 and a MASM were set and they both consist of 3 bioreactors with the same volume. ASM1 system ends up with a point separator as a settling tank and included a recycling system where the MBR system ends up with a point separator as membrane also included a recycling system. The conventional AS model has inflow, outflow, and recycle flow as 10.000 m3/day and the COD characterizations were introduced to model directly based on selected references. Inflow and outflow of MASM are the same value with ASM1 but recycle flow MBR model is four times more than the inflow as 40.000 m3/day and the COD characterizations were introduced to the model according to their size ranges. Therefore, COD components in the influent stream of the MBR model includes captured COD if the COD parameter belongs to the size threshold larger than the membrane. Usage of MBR changes the COD concentration in the reactor because while some of the soluble compounds pass through the membrane and appear in the outflow, some of them captured by membrane due to their size thresholds larger than the pores of the MBR. This makes these captured soluble compounds can be considered as particulate matter because they could not pass through the membrane. This provides lower COD concentrations in the effluent. In this study, the captured COD and effluent quality were examined for three different wastewaters and a comparison of the conventional and MBR system investigated based on their operational differences. Total soluble hydrolyzable COD, SHT, and total soluble inert COD, SIT were taken into account because they have a wide range of sizes range between 2-450 nm in related wastewaters and creates reliable differences when MBR used. In MASM system SHT was subdivided as captured SHC and remaining effluent SHE. Similarly, SIT is separated as SIC and SIE. The model runs of both conventional AS and MBR based AS on different sludge retention times by changing the volumes of reactors and the amount of waste sludge. Then, the comparison of ASM1 and MASM models were done based on SH and SI removals and effluent quality. The results of the study were investigated in two steps; (i) AS configurations with different and (ii) same HRTs. Both steps include SRT values from 1 to 8 days indicates superfast, high rate and conventional operations. In the first step, the ASM1 model run with 4.000 mg/L MLSS while the MASM model run with 10.000 mg/L due to smaller volume while there was no limitation on the concentration of MLSS in the reactors of the second step. According to Step 1, two main observations were displayed based on ASM1 and MASM; (i) SHE values of MASM system were lower than ASM1 under superfast (SF) conditions while SRT is below 2 days for domestic and textile wastewaters. Tannery wastewater has quite a high SH load comparing those two wastewaters therefore minimum SRT value as 4 days were applied. In the results of the high rate (HR) and conventional operations, SHE remained similar for two wastewaters; for HR operation around 3-5 mg/L for domestic and 13-20 mg/L for textile, for conventional operation 1-3 mg/L and 4-8 mg/L respectively. (ii) SH removal rates were mostly lower for the MASM systems because it was calculated by excluded SHC fraction from initial SH0. The conditions of Step 1 are not proper for the treatment of tannery wastewater even high SRT levels were used; from 4 to 18 days. The outputs always display the usage of the MASM system has lower removal rates and require modification which was applied in Step 2. According to the results of Step 2; (i) MASM system under SF conditions resulted in lower SHE concentrations for all wastewaters. For example, in Step 1, SHE value of textile wastewater at SRT value of 1 day was 95 mg/L for ASM1 and 33 mg/L for MASM; in Step 2, the values are 95 mg/L and 18 mg/L respectively. (ii) Tannery wastewater has a great improvement in the results in Step 2 also. While the SHE result of MASM at SRT 4 days in Step 1 was 152 mg/L, it degreases to 59 mg/L in Step 2. Besides, this value is more than 25% lower than 80 mg/L obtained in the system operation of ASM1. On the other hand, in Step 2, the performance of MASM is better than ASM1 at SRT as 4 days. However, when SRT increases, the performance of MBR getting decreases. This might be the result of the effect of components that are captured and accumulated in the bioreactor throughout the membrane. Different COD fractions affect the effluent quality under different operational conditions; especially soluble residual COD fractions, SP, the influent soluble inert COD, SI1. In the ASM1 system, inert COD will appear always in the effluent. Therefore, the MASM system is more favorable in this aspect. For example, while SIT concentration of tannery wastewater is 214 mg/L will appear in the effluent of ASM1, in the MASM model, 45% of SIT will be captured by the membrane and 118 mg/L will stay in the effluent. On the other hand, the effluent quality of ASM1 and MASM systems are approximately the same in Step 1 while this ratio changes in Step 2, and the STE concentrations of MASM resulted in 16% less COD concentration than ASM1 system due to better operational conditions. As a future perspective, different modifications of conventional and MBR AS systems for better operational results on effluent quality of wastewater and efficient system runs considering used energy and sludge reduction may be developed by similar modeling studies.
Benzer Tezler
- Aktif çamurda çoklu substrat gideriminin modellenmesi
Modelling of multiple substrate removal in activated suludge process
GÜLEN EREMEKTAR
Doktora
Türkçe
1997
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OLCAY TÜNAY
- Effect of feeding patterns and sludge history on substrate storage under anoxic conditions
Anoksik koşullarda besleme şeklinin ve çamur geçmişinin depolama üzerindeki etkisi
ASLI SEYHAN ÇIĞGIN
- Experimental assessment of heterotrophic endogenous decay and denitrification kinetics using hydrolyzed carbon sources
İçsel solunum mekanizması ve denitrifikasyon kinetiğinin hidroliz kaynaklı karbon türleri için belirlenmesi
EBRU AVCIOĞLU
- Tam ölçekli kentsel atık su arıtma tesisilerinin bilgisayar programı kullanılarak modellenmesi ve arıtma performanslarının incelenmesi
Modellig of full scale municipal wastewater treatment plants and investigation of treatment performances using computer program
DÜNYAMİN GÜÇLÜ
Doktora
Türkçe
2007
Çevre MühendisliğiSelçuk ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ŞÜKRÜ DURSUN
- Tavuk çiftliği atıklarının havasız çamur yataklı reaktörde arıtılabilirliği
Treatability of poultry manure wastewater using anaerobic sludge bed reactor
KAAN YETİLMEZSOY
Doktora
Türkçe
2008
Çevre MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Bölümü
YRD. DOÇ. DR. SÜLEYMAN ŞAKAR
