Nutrient recovery from source separated human urine and the treatment of the residual urine with anaerobic processing and ion exchange/adsorption
Kaynakta ayrılmış idrardan nutrient geri kazanımı ve kalıntı idrarın anaerobik yollarla ve iyon değişimi/adsorpsiyon ile arıtımı
- Tez No: 730204
- Danışmanlar: PROF. DR. AYŞE BİLSEN BAYKAL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2022
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 188
Özet
Mevcut durumda 9,2 milyar olan küresel nüfusun 2050 yılına kadar 9,7 milyara ulaşacağı tahmin ediliyor. Hızlı nüfus artışına bağlı olarak mevcut kaynakların tükenme tehlikesi bulunmaktadır. Gıda üretiminin sürdürülebilirliği büyük ölçüde gübre üretimine bağlıdır. Azot, fosfor ve potasyum gübre üretimi için temel besin maddeleridir. Atmosferde bol miktarda bulunan azot, yüksek enerji tüketimine gereksinim duyan Haber-Bosch prosesi ile gübre üretiminde kullanılmak üzere işlenir. Birçok canlı faaliyetinin gerçekleşmesi için hayati önem taşıyan fosfor, sınırlı kaynaklara sahiptir ve fosfor kaynaklarının dünya üzerinde dağılımı homojen değildir. Atıksuların karışık bir şekilde tek bir boru hattı ile toplanması yöntemine dayanan mevcut atık su yönetimine göre, atıksular arıtıldıktan sonra herhangi bir geri kazanım olmaksızın alıcı su kütlelerine deşarj edilmektedir. Mevcut durumda uygulanan atıksu yönetimi ile atık sudaki değerli materyaller geri kazanılamamaktadır. Bu nedenle alternatif bir yöntem oluşturulması gerekmektedir. Her bir akımda bulunan değerli materyallerin geri kazanımının mümkün olması için evsel atıksuyun farklı fraksiyonlara ayrılması gerekmektedir. ECOSAN, atık suyun atık değil, yeniden değerlendirilmesi gereken bir kaynak olduğunu savunan alternatif bir atıksu yönetim konseptidir. Bu kapsamda her bir akım üretim kaynağında ayrı olarak toplanır ve değerli materyallerin geri kazanılması/yeniden kullanılması için kullanım amacına göre değerlendirilir. ECOSAN, farklı evsel atıksu akımlarının sarı su, gri su ve kahverengi su olmak üzere üç akıma ayrılması esasına dayanmaktadır. Esas olarak kaynağından ayrılmış insan idrarından oluşan sarı su, makro bitki besin maddeleri (N, P, K) açısından değerli bir akımdır. Sarı su, hacimce konvansiyonel evsel atık suyun sadece %1'ini oluşturmasına rağmen evsel atıksuda bulunan azotun %80'den fazlasını, fosfor ve potasyumun ise %50'den fazlasını içermektedir. Bu zengin besin içeriği idrarı potansiyel bir gübre kaynağı yapmaktadır. Kaynağında ayrılmış insan idrarını tarımda gübre olarak iki farklı şekilde uygulanabilir; (i) doğrudan uygulama ve (ii) dolaylı uygulama. İnsan idrarının gübre olarak doğrudan uygulanması, insan idrarının toplandıktan sonra depolanmasına ve ardından depolanan idrarın gübre olarak toprağa doğrudan uygulanması esasına dayanmaktadır. İnsan idrarının gübre olarak dolaylı uygulanması, kullanımdan önce idrarın farklı yöntemler ile işlenmesidir. İdrar, struvit çöktürme, amonyak sıyırma/absorpsiyon ve iyon değişimi/adsorpsiyon ile gübre üretme amaçlı işlenebilir. Daha sonra, elde edilen gübreler tarımda kullanılabilir. Kaynağında ayrılmış idrardan besin maddelerinin geri kazanımı literatürde geniş çaplı araştırılmıştır. Besin geri kazanımı sonrasında oluşan kalıntı sıvı fazın makul miktarda organik madde ve azot içermesi nedeniyle çevresel açıdan zararsız hale getirilmesi için uygun bir şekilde arıtılması gerekir. Literatürde kalıntı idrarın ele alınmasıyla ilgili çalışmalar oldukça azdır. Bu çalışmanın amacı, kaynağında ayrılmış idrardan besin maddelerinin geri kazanımı ve kalıntı sıvı fazın anaerobik yollarla ve ikinci kademe iyon/değişimi adsorpsiyon yöntemiyle arıtımını incelemektir. Bu çalışmada, organik maddenin farklı aşamalardaki akıbeti sıkı bir şekilde takip edilmiştir. Bu çalışma kapsamında, idrar iki adet idrar ayıran tuvalet ile bir adet pisuardan toplanarak, ürenin amonyuma dönüşümünün gerçekleşmesi için depolanmıştır. Depolanmış idrardan besin geri kazanımı için klinoptilolit kullanılarak iyon değişimi/adsorpsiyon yöntemi uygulanmıştır. Kalıntı sıvı fazın, anaerobik yollarla ve ikinci aşama iyon değişimi ile arıtımı incelenmiştir. Kalıntı sıvı fazın organik madde içeriğini azaltmak ve olası biyogaz üretimini irdelemek için anaerobik arıtma önerilmiştir. İkinci aşama iyon değişimi, kalıntı sıvı fazın organik madde içeriğini azaltmak ve depolanan idrardan besin maddelerinin giderimini amaçlamaktadır. Elde edilen sonuçlar depolamanın idrardan organik madde giderimi için önemli bir süreç olduğunu göstermiştir. İdrarın depolanması esnasında %25 ile %39 arasında KOİ giderim verimi elde edilmiştir. 15 mg NH4+/g klinoptilolit başlangıç yüklemesi ile birinci kademe iyon değişimi ile amonyumun %82'si, KOİ'nin ise %28'i giderilmiştir. Nütrientlerin idrardan uzaklaştırılmasından sonra kalan kalıntı sıvı fazda hala makul miktarda organik madde ve azot ve yüksek tuzluluk bulunduğu tespit edilmiştir. Besin maddelerinin geri kazanım deneylerinde 5 dakikalık temas süresi ile 16 günde amonyumun %99'u ve fosforun %94'ü nütrient yüklü klinoptilolitin yüzeyinden geri kazanılmıştır. 300 dakika temas süresi ile gerçekleştirilen nütrient geri kazanım deneylerinde 35 gün sonra, azotun %63'ünün fosforun ise %100'nün geri kazanıldığı tespit edilmiştir. Nütrient geri kazanım sürecinde her iki temas süresi için de klinoptilolit yüzeyinden KOİ salınımı olmamıştır. Buna dayanarak, su ile temas etmesi halinde klinoptilolitin yüzeyinden organik maddenin salınmadığı söylenebilir. Bu durum, nütrient yüklü klinoptilolitin tarımda gübre olarak uygulanmasında organik maddenin salınması gibi bir tehlike oluşturmadığını göstermektedir. Esas olarak şeker endüstrisi atık suyunun arıtımında kullanılan anaerobik granüler çamuru, ilerleyen süreçte yüksek oranda tuzluluk içeren insan idrarı ile besleneceği için sentetik idrar ile yüksek tuzluluğa adapte edilmiştir. Adaptasyon sırasında tuzluluk ve organik madde miktarının organik madde giderimi üzerindeki etkisi irdelenmiştir. Sabit KOİ'de yüksek tuzluluk seviyelerine adaptasyon sırasında, elektriksel iletkenlik kademeli olarak 14000 µs/cm'den 32000 µs/cm'ye yükseltildiğinde organik madde giderim verimi %90'dan %85'e düşmüştür. Bu durum da organik madde gideriminin tuzluluktan önemli ölçüde etkilenmediğini göstermektedir. Sabit tuzlulukta farklı KOİ konsantrasyonları için, KOİ 2000 mg/L'den 750 mg/L'ye düşürüldüğünde organik madde giderim verimi %83'ten %53'e düşmüştür. Bu durum organik madde giderim veriminin KOİ konsantrasyonundan büyük ölçüde etkilendiğini göstermektedir. Kalıntı idrarın arıtımında, arıtma prosesi seçiminin büyük ölçüde kalıntı idrarda bulunan KOİ'ye bağlı olduğu tespit edilmiştir. Kalıntı idrarda KOİ yüksekse, anaerobik arıtmanın daha iyi bir seçenek olduğu görülmüştür. Kalıntı idrarda KOİ'nin düşük olması durumunda, ikinci kademe iyon değişimi/adsorpsiyon yönteminin daha uygun olduğu görülmüştür. Kalıntı idrarın anaerobik yolla arıtılmasının faydası biyogaz üretim potansiyelinin bulunmasıdır. Kalıntı idrarın anaerobik yollarla arıtılması yoluyla teorik olarak 0.2 ile 0.46 L CH4/L metan elde edilebilir. Anaerobik proses ile amonyum giderimi yapılamazken, ikinci kademe iyon değişimi/adsorpsiyon prosesi ile amonyumun tamam giderilmiştir. Bu çalışmada önerilen işlemlerin sıralı uygulanması, bir taraftan idrardan besin maddelerinin geri kazanımını olanak sağlarken diğer taraftan kalıntı idrarın arıtımını sağladığı gösterilmiştir. Kalıntı idrar için arıtma yönteminin seçimi durum özelinde değerlendirilmelidir.
Özet (Çeviri)
Global population is continuously increasing with a predicted increase to 9.7 billion by 2050. On the other hand, resources are facing with extinction. Sustainable food production greatly depends upon fertilizer production, which has nitrogen, phosphorus and potassium as key elements. Nitrogen, which is abundant in the air, is fixated by Haber-Bosch process, which consumes enormous amounts of energy, to be used in the fertilizer production. Phosphorus, which is a vital element, has limited resources, which is distributed unevenly around the world. The current domestic wastewater management, which adopts mixed collection of wastewater, is based on“treat”and“discard”. Valuable materials in wastewater cannot be recovered with the current management practices. Therefore, an alternative way is needed to be generated. Segregation of domestic wastewater into different streams at the source of generation is suggested to get benefit from each stream. ECOSAN is an alternative sanitation concept that claims wastewater is not waste to be discarded but a source to be revaluated. Within this context, each stream is separately collected at the source and is processed for the recovery/reuse of valuable materials. ECOSAN is based on the separation of different domestic wastewater streams into three streams as yellow water, grey water and brown water. Yellow water, which is mainly source separated human urine, is a valuable waste stream in terms of macro plant nutrients (N, P, K). Yellow water constitutes only 1 % of conventional domestic wastewater by volume; however, it contains over 80% of nitrogen, over 50% of phosphorus and over 50% of potassium. This rich nutrient content makes urine a potential source of fertilizers. There are two routes to use source separated human urine as fertilizer in agriculture; (i) direct application and (ii) indirect application. Direct application of human urine as fertilizer is based on the collection of human urine, followed by transport (if required), storage of human urine to destruct pathogens and direct application of stored urine onto soil as fertilizer. Indirect use of human urine as fertilizer necessitates processing urine before intended use. Urine is frequently processed to produce urine-based fertilizers through struvite precipitation, ammonia stripping/absorption and ion exchange/adsorption. Nutrient removal/recovery from source separated human urine was widely investigated in literature. After nutrient removal, the residual liquid phase needs to be handled in an appropriate way as it still contains appreciable amounts of organic matter and nutrients. However, studies on the handling of residual urine are scarce. This study aims the investigation of nutrient recovery from source separated human urine by ion exchange/adsorption on one hand, while investigating organic matter and nitrogen removal from the residual urine by anaerobic processing and ion exchange/adsorption. The behavior of organic matter was closely monitored during different phases of the investigation. Within the scope, urine was collected from two urine diverting toilets and a urinal, and then it was stored for the conversion of urea to ammonium, which is the desired form of nitrogen for ion exchange. Ion exchange/adsorption was employed for nutrient removal from stored urine. The residual urine was processed with anerobic processing and second stage ion exchange/adsorption. Anaerobic processing was suggested to reduce organic matter content of the residual urine and to investigate possible production of biogas. Second stage ion exchange/adsorption was employed to reduce organic matter content of the residual urine and to maximize nutrient removal from the residue. The results of this study revealed that storage was a crucial step not only for urea hydrolysis but also for organic matter removal as between 25% to 39% of COD in urine was removed during storage. Through ion exchange/adsorption for nutrient removal/recovery with the initial loading of 15 mg NH4+/g clinoptilolite, 82% of ammonium and 28% of COD were removed from stored urine. The residual urine still contained appreciable amounts of COD and ammonium, and a high level of salinity for which a special care should be taken. During nutrient recovery, 99% of ammonium and 94% of phosphorus were recovered from the surface of nutrient enriched clinoptilolite upon contact with tap water with the contact time of 5 min in 16 days. 63% of ammonium and 100% of phosphorus were recovered with the contact time of 300 min in 35 days. The COD release from the surface was not considerable for both contact times, indicating that organic matter is not released appreciably from the surface of the clinoptilolite upon contact with water. This is beneficial from the standpoint of pollution prevention when nutrient enriched clinoptilolite is applied as fertilizer in agriculture. Anaerobic granular sludge from a confectionery industry was adapted to highly saline human urine using synthetic urine as feed in attempt to control adaptation conditions. During adaptation the effect of salinity and COD concentration on the removal of organic matter were investigated. During adaptation to high salinity levels at constant COD, organic matter removal efficiency was decreased from 90% to 85% when electrical conductivity was gradually increased from 14000 to 32000 µs/cm, indicating that organic matter removal was not considerably affected by salinity. For different COD concentrations at constant salinity, organic matter removal efficiency was decreased from 83% to 53% when COD was reduced from 2000 mg/L to 750 mg/L, indicating that organic matter removal efficiency was greatly affected by COD concentration. The results showed that selection of the treatment process for residual urine was case specific. Anaerobic processing seems to be a better option for organic matter removal in case of higher COD in residual urine. However, second stage ion exchange/adsorption seems to be a better choice for the treatment of residual urine in case of lower COD concentrations. Anaerobic processing has a potential of a calculated biogas production between 0.2 to 0.46 L CH4/L urine. However, not all of this could be collected under the conditions of the experiments in this work. Second stage ion exchange/adsorption, on the other hand, was advantageous in terms of complete removal of ammonium from residual urine. This study showed that the suggested processing layout was applicable for simultaneous recovery of nutrients and treatment of residual urine. For residual urine, process selection should be evaluated based on the conditions of specific cases to be handled.
Benzer Tezler
- Anaerobic processing of and nutrient recovery from source separated human urine
Kaynakta ayrılmış idrarın anaerobik yollarla işlenmesi ve nutrient geri kazanımı yolu ile değerlendirilmesi
MUSTAFA NAWZAD TAHER TAHER
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE BİLSEN BAYKAL
- Kaynakta ayrılmış idrardaki nütrientlerin klinoptilolitle geri kazanımı ve tarımda uygulanabilirliğinin incelenmesi
Removal of nutrients from separately collected human urine with clinoptilolite and their recovery for agricultural reuse
NAZLI PELİN KOCATÜRK
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLSEN BELER BAYKAL
- İdrarın gübre olarak değerlendirilmesinde klinoptilolit ile iyon değişiminin yeri
The use of clinoptilolite for the recovery of fertilizer material from seperately collected human urine
SERRA BAYRAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2005
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BİLSEN BELER BAYKAL
- İnsan idrarındaki azot ve fosforun kimyasal çöktürme ile giderimi ve geri kazanımı
Removal and recovery of nitrogen and phosphorus in human urine by chemical precipitation
BURAK SERTAÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. IŞIK KABDAŞLI
- Nutrient recovery from source-separated human urine
Kaynağında ayrılmış insan idrarından nutrientlerin geri kazanılması
SİBEL BAŞAKÇILARDAN KABAKÇI
Doktora
İngilizce
2005
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. NURSEN İPEKOĞLU
PROF. DR. İLHAN TALINLI