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
- Tez No: 741363
- Danışmanlar: PROF. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, 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 Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 147
Özet
İnsanlar için vazgeçilmesi mümkün olmayan ihtiyaçların sürdürülebilir ve güvenilir bir şekilde temin edilmesi, toplumların sağlığı açısından son derece önemlidir. Gelişmekte olan ülkeler kategorisinde bulunan Türkiye'de, son yıllarda nüfustaki hızlı artışa paralel olarak artan ihtiyaçların karşılanabilmesi için; başta gıda ve tekstil sektörleri olmak üzere, tüm endüstriyel tesislerde gerçekleşen üretim miktarları da hızla artmaktadır. Endüstrilerin üretim miktarlarındaki artış, aynı zamanda bu sektörlerde ortaya çıkan atıksu miktarlarının da artmasına neden olmaktadır. Çevre kirliliği üzerindeki olumsuz etkileri oldukça yüksek olan endüstriyel atıksuların arıtılmaları sırasında farklı türde çamur ortaya çıkmakta ve bu çamurların mümkün olan en iyi yöntemler ile stabilize edilmeleri gerekmektedir. Bu bağlamda, arıtma sonrasında ortaya çıkan ürünün yenilenebilir bir enerji türü olan biyogaza dönüşümünü sağlamak,“Atıktan Enerjiye”teknolojilerinin en temel hedeflerden biridir. Özellikle yüksek miktarda kolay bozunur madde içeren endüstriyel atıklar, yüksek biyogaz (30 ila 500 m3/ton) potansiyeline de sahiptir. Ancak, farklı endüstriyel atık türlerinin birleştirilmesi sayesinde çok daha yüksek biyogaz verimleri elde edilebilmekte; özellikle büyük kapasiteli merkezi biyogaz tesislerinde, birlikte anaerobik çürütme (co-digestion) ile farklı endüstrilerden kaynaklanan çeşitli arıtma çamurları başarılı ve sürdürülebilir bir şekilde stabilize edilebilmektedir. Ayrıca, farklı endüstrilerden kaynaklanan atıksu çamurlarının bazı özellikleri, bu atıkların anaerobik arıtımını zorlaştırmaktadır. Bunlar arasında; makro ve mikro besin maddeleri (nutrientler), C/N oranı, pH, biyolojik olarak ayrışabilir organik maddeler ile ağır metal vb. inhibitör ve toksik bileşikler sayılabilir. Örneğin, tekstil tedarik zincirinde en önemli kirletici ortaya çıkaran alt sektör boyamadır. Sentetik boyarmaddeler ve kimyasallar içeren bu atıksular, diğer sektörlerde oluşan atıksularla karşılaştırıldığında, tüm sektörler içinde en çok kirliliğe yol açan zehirli maddeleri içermektedir. Endüstrilerde ortaya çıkan ağır metallerin de biyolojik sistemlerde zehirli etki gösterdikleri bilinmektedir. Özellikle; bakır, nikel, çinko, kadmiyum ve civa gibi ağır metallerin 1.0 mg/L'den daha düşük konsantrasyonları bile anaerobik mikroorganizmalar için inhibe edici olmaktadır. Ağır metal toksisitesinin önlenmesinde en etkili yol, bu maddelerin kaynakta kontrol edilerek; atıksu akımı içerisine karışımının önlenmesidir. Bu kirleticiler büyük ölçüde, atıksuyun arıtımı sırasında oluşan çamurun içerisine geçerler. Bu sebeple, inhibe edici kirletici maddeler içeren bu çamurların; diğer çamur kaynaklarıyla birlikte çürütülmesi (örneğin, organik içeriği yüksek gıda endüstrisi çamurları), anaerobik proseslerin atık yönetimi çerçevesinde optimize edilmesine olanak sağlayacaktır. Ayrıca, farklı substratların ihtiva ettikleri farklı parametreler de karışık substrat içerisinde dengelenmiş/seyrelmiş olacaktır. Bu tez çalışması ile Türkiye'de özellikle gıda ve tekstil endüstrilerinden kaynaklanan atıksu çamurlarının sebep olduğu kirliliğin azaltılması ve/veya giderilmesine yönelik çözümler incelenecek; aynı zamanda, yenilenebilir bir enerji kaynağı olan biyogaz üretiminin, organize sanayi bölgeleri (OSB) gibi farklı endüstrilerin bir arada bulunduğu bölgelerde geliştirilmesine de olanak sağlanacaktır. Tez çalışması ile ayrıca, yüksek ve düşük organik içerikli atıksu çamurlarının havasız reaktörlerde birlikte çürütülmesinin, geri kazanılacak biyometanın katma değeri üzerindeki etkisi araştırılarak; bu atıkların enerji verimliliği gözetilerek bertarafına da imkân sağlanmış olacaktır. Bu kapsamda, organik içeriği yüksek atıkların arıtıldığı biyogaz tesislerinde havasız reaktörlerin işletme sıcaklıklarının sağlanması için gerekli toplam ısı ihtiyacının hemen hepsi bir CHP (kojenerasyon) ünitesi ile karşılanabilmekte; arta kalan fazla ısı ise tesiste diğer birimlerin ısı ihtiyacının karşılanması için kullanılabilmektedir. Ayrıca, ortaya çıkan fazla ısı ile OSB yakınlarında bulunan yerleşim bölgelerinin enerji ihtiyacının da önemli miktarda karşılanabileceği ve bu açıdan ülke ekonomisine pozitif katkıda bulunulacağı düşünülmektedir. Bu tez çalışması kapsamında işletilecek kesikli deney setlerinden elde edilecek sonuçlar ışığında; gıda ve tekstil atıksuyu çamurlarının birlikte çürütülebilirliğinin uygulanabilir olup olmayacağı belirlenebilecek; böylece gerçek ölçekli (full-scale) havasız reaktörlerde yenilenebilir bir enerji kaynağı olan biyogazın ne kadar geri kazanılabileceği daha temsil edici bir şekilde ortaya konmuş olacaktır. Bu tez kapsamında ilk olarak çalışmanın amaç, kapsam ve önemi tanımlanarak, bu çalışmanın neden yapıldığı vurgulanmıştır. İkinci bölümünde ise konu ile ilgili genel bilgiler verilerek, anaerobik biyoteknoloji, anaerobik arıtmanın aşamaları, birlikte havasız çürütme yönteminin tanımı ve avantajları, Türkiye'de gıda ve tekstil endüstrilerinin mevcut durumu ve bu endüstrilerden kaynaklanan atıksuların çevre üzerindeki etkileri ile bu atıksuların kontamine ettikleri çamurların yönetimi/arıtımı/uzaklaştırılması hakkında detaylı bilgi sunulmuştur. Ayrıca, daha önce konu ile ilgili yapılmış çalışmalardan örneklerin verildiği bir literatür araştırması bulunmaktadır. Bu genel bilgilendirme sonrasında, çalışmada kullanılan tüm materyaller ve yöntemler üçüncü bölümde detaylı olarak verilmiştir. Bu kapsamda, tez çalışmasında kullanılan substratlar (gıda ve tekstil endüstrilerinden kaynaklanan çamurlar) ile aşı olarak kullanılan havasız çamurun karekterizasyonları detaylı olarak açıklanmış olup; çalışma süresince kullanılan kesikli reaktörlerin tasarımları ve kurulum aşamaları ile işletme koşulları hakkında da detaylı bilgiler bulunmaktadır. Bu bölümde ayrıca, reaktörlerin performanslarının belirlenmesinde kullanılan tüm parametrelerin tanımlanması ile deneysel prosedür hakkında da bilgi sunulmuştur. Dördüncü bölüm olan 'Bulgular ve Değerlendirme' kısmında, havasız reaktörlerin işletilmeleri sırasında belirli aralıklarla alınan numunelerde yapılan analizlerin sonuçları detaylandırılarak verilmiştir. Bu kapsamda, kesikli sistemlerde öncelikle konvansiyonel parametrelerdeki (pH, alkalinite, toplam ve çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı ve ağır metaller ve giderimleri gibi) değişimler araştırılmıştır. Ayrıca, biyogaz üretimleri de sunulmakta olup; tüm veriler, çamurların tekil ve birlikte çürütüldüğü reaktör sonuçları ile kıyaslamalı bir şekilde değerlendirilmiştir. Çalışmanın son bölümü olan 'Sonuçlar ve Öneriler' kısmında ise tez çalışması kapsamında elde edilen sonuçlar özet halinde sunularak, gerekli değerlendirmeler yer almaktadır. Ayrıca, çalışma sonuçlarının ışığında, gıda ve tekstil çamurlarının birlikte çürütülmelerinin gerçek ölçekte uygulanabilirliği ile sürdürülebilir olup olmadığı da yine bu bölümde değerlendirilmiştir. Bu tez kapsamında, gıda ve tekstil çamurlarının, mezofilik (35±2 °C) koşulda işletilen anaerobik kesikli reaktörlerde hem birarada (birlikte çürütülmesi) hem de ayrı ayrı (tekil çürütülmesi) stabilizasyonu araştırılmıştır. Bu amaçla çamur numuneleri, yemeklik yağ üreten bir gıda endüstrisi ile dokuma kumaş üreten bir tekstil endüstrisinin mevcut atıksu arıtma tesislerinden alınmıştır. Çalışma üç set halinde gerçekleştirilmiş olup; iki farklı endüstriyel çamur kaynağının birlikte çürütülmesi sırasında elde edilen sonuçlar, çamur kaynaklarının tek olarak çürütülmesi sırasında elde edilen bulgular ile karşılaştırılmıştır. Böylece, farklı özellikteki substratların birlikte çürütülmesinin gerek reaktörlerin performansları gerekse biyogaz verimleri üzerindeki iyileştirici etkileri değerlendirilmiştir. Tez çalışmasına ait sonuçlar, bu çamurların havasız bir çürütücüde birlikte iyi çalıştığını ve önemli biyogaz üretim potansiyeline sahip olduğunu göstermiştir. Biyogaz verimleri Set 1, Set 2 ve Set 3'de en az sırasıyla 325, 420 ve 480 mL/g-UAKMbeslenen olarak elde edilmiş olup; endüstriyel çamurların tek başına çürütülmeleri sırasında çok daha düşük biyogaz üretimleri gözlenmiştir. Buna göre, gıda çamurunun tek başına çürütülmesi sırasında gözlenen biyogaz verimi 80 mL/g-UAKMbeslenen olarak elde edilmiştir. Anaerobik çürütmenin en önemli performans göstergeleri arasında yer alan KOİ giderim oranı, inkübasyon sonunda birlikte çürütme sırasında %80'den daha yüksek değerlere ulaşmıştır. Çamur kaynaklarının tek başına çürütülmeleri durumunda ise KOİ giderim oranları gıda ve tekstil çamurları için Set 3 çalışmasında sırasıyla %85 ve %36 olarak elde edilmiştir. Kesikli rektörlerde pH değerleri, hidroliz aşamasını takiben gerçekleşen asitleşme fazında her ne kadar bir miktar düşüş gösterse de inkübasyon sonunda tüm reaktörlerde pH değerleri 7.0'nin üzerinde elde edilmiştir. Alkalinite ise çalışma boyunca artış eğiliminde olup; reaktörlerde yeterli tamponlama kapasitesi elde edilmiştir. Ayrıca, ağır metal (alüminyum, demir, mangan, nikel ve çinko) konsantrasyonları %56 ile %80 arasında önemli ölçüde giderilmiş; TP giderimi ise çürütmeden sonra Set 1 ve Set 3 için sırasıyla %50 ve %56 olarak gözlenmiştir. Diğer taraftan, Set 3 çalışmasında kurşun, bakır ve krom konsantrasyonlarında önemli ölçüde azalma gözlenmiş; ancak başlangıçta zaten çok düşük değerlerde olan kadmiyum konsantrasyonunda tüm setlerde giderim sağlanamamıştır. Birlikte çürütme sonunda, çamurun katı fazında bir miktar ağır metal birikimi gerçekleşmiştir; bu sebeple, stabilize olmuş çamurun nihai uzaklaştırılması olarak arazi uygulaması yönteminin seçilmesi durumunda gerekli olan yaklaşım da bu tez çalışmasında değerlendirilmiştir. Bu tez çalışmasından elde edilen sonuçlar, birlikte havasız çürütmenin; yalnızca seçilen endüstrilerden kaynaklanan arıtma çamurlarının sebep olacağı çevre kirliliğini azaltmakla kalmayıp, aynı zamanda faydalı enerji geri kazanımına da olanak sağladığını göstermiştir. Sonuç olarak, birlikte çürütme, uygun endüstrilerin atıksu arıtma tesislerinde üretilen çamurlar için sürdürülebilir bir yönetim olarak önerilmektedir. Birlikte anaerobik çürütme ile aynı zamanda, birçok farklı endüstriden düşük miktarlarda ortaya çıkan arıtma çamurlarının, yakın bölgelerde daha yüksek miktarlarda çamur üreten endüstrilerde halihazırda mevcut olan kurulu anaerobik çürütücülerin kullanılmasına olanak sağlanacaktır. Ayrıca, çürütülmüş çamurun katı fazında bir miktar ağır metal birikimi olabileceğinden, nihai bertaraf alternatifi olarak arazi uygulamasının tercih edilmesi durumunda; stabilize çamur hem ağır metal hem de patojen içerikleri ile birlikte ilgili yönetmeliklere uygun olacak şekilde dikkatlice değerlendirilmelidir.
Özet (Çeviri)
It is vital for the people to provide their needs in a sustainable and reliable way. In devoloping countries like Turkey, in order to meet the increasing needs in parallel with the rapid increase in population in recent years; the amount of the products in all industrial facilities, especially in the food and textile sectors, is also growing rapidly with an increase in the generated wastewater volumes. On the other hand, different types of sludge are produced with different characteristics during the treatment of the effluents from these industries, which highly contribute to environmental pollution. Hence, these sludges must be stabilized with the most appropriate and sustainable methods. In this context, one of the primary goals of“Waste to Energy”(WtE) technologies is to convert the feedstocks into energy (e.g., anaerobic processes generating biogas as one of the renewable energy sources) during treatment. In particular, industrial wastes containing high amounts of easily degradable materials, generally have high biogas potentials (i.e., in the range from 30 to 500 m3/ton). However, much higher biogas yields can be achieved by combining different types of industrial wastes so called“co-digestion”. Especially in full-scale central biogas plants with larger capacities, various types of sludges from different industries can be stabilized successfully by co-digestion in a more sustainable way. Also, some characteristics of wastewater sludges originating from different industries make anaerobic treatment of these substrates difficult. Among them; macro and micro nutrients (nutrients), C/N ratio, pH, biodegradable organic substances, and inhibitory and toxic compounds like some heavy metals. For example, the most important pollutant is originated from the dyeing sub-sector in textile industries. These wastewaters with synthetic dyes and chemicals, contain the most polluting toxic substances when compared to the wastewaters generated in other industial sectors. It is known that heavy metals that occur in industries also have toxic effects in biological systems. Especially; heavy metals such as copper, nickel, zinc, cadmium, and mercury even at concentrations of less than 1 mg/L could be inhibitory for anaerobic microorganisms. The most effective way to prevent heavy metal toxicity is to control these substances at the source before mixed into municipal wastewater stream. These pollutants might also deposit in the treatment sludges at a large extent. For this reason, when wastewater sludges with such inhibitory pollutants are co-digested together with other sludge sources (e.g., food industry sludges with high organic content) would allow anaerobic processes to be operated at more steady-state conditions within the framework of successful waste management. Moreover, other parameters of different substrates would be balanced and/or diluted in the mixed substrate during co-digestion. With this thesis study, solutions for reducing and/or eliminating the pollution and possible inhibition caused by the treatment sludges originating from two different industrial facilities (i.e., food and textile industries) in Turkey were investigated by mono- and co-digestion in anaerobic batch reactors operated at mesophilic temperature. In the light of the results of the batch sets; it was determined whether the co-digestion of food and textile wastewater sludges would be applicable or not. Moreover, the findings of this thesis will also help to evaluate the biogas potentials of these industrial sectors. Since anaerobic treatment applications and biogas generations from such industrial wastewaters would be found out by the batch study; energy recovery from the full-scale facilities of the regions where different industries are located such as Organized Industrial Zones (OIZ) would be also represented. In addition, the effect of co-digestion of wastewater sludges with high (i.e., from food industry) and low (i.e., from textile industry) organic contents on biomethane recovery was investigated before ultimate disposal of these sludge sources by considering energy efficiency. In this context, almost all of the total heat requirement to maintain the operating temperatures of anaerobic reactors digesting high organic wastes could be met by a CHP (cogeneration) unit where the remaining excess heat could be used to meet the requirement of other treatment units of the facility. Also, the energy needs of the residential areas located near the OIZ might be provided with the excess heat, which would contribute to Turkey's economy. The first part of this thesis includes the 'Introduction' part containing the aim, the scope, and the significance of the study. The second part includes the 'Literature review' by presenting general information about the subject, anaerobic biotechnology, co-digestion and its advantages, characteristics of food (edible oil production) and textile (cotton and mixed fiber woven cloth finishing and woven fabric production) industries and their situation in Turkey, the impact of the wastewaters from these industrial sectors on environment, the treatment technologies and ultimate disposal methods for the sludges from these industries, current applications in order to suppress possible inhibition of heavy metals as well to improve biogas production in anaerobic systems. Moreover, the previous studies about the related subject are evaluated and basic findings are given in this part. Following this part, in the third section; 'Materials and the Methods' part is presented that includes the design features of anaerobic batch system used during this study in detail. Also, in this section, the characteristics of the substrates (i.e., industrial sludge sources), inoculum sludge, as well as the operating conditions and setting up of the bioreactors at the start-up stage. Additionally, the measured parameters and analytical procedure are also given in the third part of the thesis study. In the fourth 'Results and Discussion' section; the changes in the conventional parameters, such as pH, alkalinity, total chemical oxygen demand (tCOD), soluble COD (sCOD), total phosphorus (TP), heavy metals, and biogas productions are presented as three sets (i.e., Set 1, Set 2, and Set 3). Moreover, the effect of co-digestion on the performances of these bioreactors as well as on biogas generations is also investigated and the results are comparatively evaluated in this part. In the last 'Conclusion and Recommendations' part; the main findings/remarks obtained within the scope of this study are presented and necessary future works are recommended. In the scope of this thesis, anaerobic treatability and biogas production during anaerobic digestion of food sludge (FdS) and textile sludge (TxtS) together (co-digestion) as well as seperately (mono-digestion) by batch reactors operated at mesophilic condition (35±2 °C) was investigated. In this context, the sludges were taken from the existing wastewater treatment plants (WWTPs) of a food industry producing edible-oil and of a textile industry producing woven fabric and finishing cotton and mixed fiber woven cloth. The study was performed in three sets to evaluate whether co-digestion of these two different industrial sludge sources would improve reactor performance and biogas yield by comparing the findings of the reactors digesting single sludge source. According to the results; both of these sludge sources worked well and had substantial biogas production potential. Accordingly, biogas yields of Set 1, Set 2, and Set 3 were calculated at least about 325, 420, and 480 mL/g-VSSfed, respectively when food sludge (FdS) and textile sludge (TxtS) were co-digested together [i.e., in 1:1 (v/v) ratio]. On the other hand, when each industrial sludge source was digested alone; much lower biogas productions occurred in the anaerobic batch reactors, yielded only about 80 mL/g-VSSfed for the food sludge. The COD removal rate which is one of the best performance indicators of anaerobic digestion, reached to above 80% during co-digestion with the recovery in the pH values of more than 7.0 at the end of incubation for all sets. Alkalinity, on the other hand, provided sufficient buffering capacity in all batch reactors during the study. Also, heavy metal (aluminum, iron, manganese, nickel, and zinc) concentration was substantially reduced from 56% to 80% with about 50% and 56% TP removals after digestion in Set 1 and Set 3, respectively. Although lead, copper and chromium concentrations were significantly reduced in Set 3; no reduction was achieved in cadmium concentration which was already at very low concentrations at start-up in all sets. On the other hand, some heavy metal accumulation occurred in the solid phase of the digested mixed sludge [FdS+TxtS (1:1)] at the end of co-digestion. The results of this study showed that co-digestion not only helped to reduce the environmental pollution due to the sludge sources from the selected industries but also to recover useful energy.
Benzer Tezler
- Sivas atıksu arıtma tesisi arıtma çamurlarının farklı ek besi maddeleri kullanılarak anaerobik birlikte çürütülmesinin (Codigestion) araştırılması
Investigation of codigestion of Sivas wastewater treatment plant treatment sludges by using different cosubstrates
TURGAY BİŞGİN
Doktora
Türkçe
2019
Çevre MühendisliğiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELTEM SARIOĞLU CEBECİ
- Çevresel tesislerden kaynaklanan sera gazı emisyonlarının hesaplanması
Greenhouse gases calculations from enviromental facilities
MEHMET ERDOĞAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA SAİT YAZĞAN
- 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
2017
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK
- Havasız arıtmanın fizikokimyasal dengelerle modellenmesi
The Modelling of anaerobic digesters with physico-chemical equilibria
GÜLER DARTAN (DEMİR)
- Evsel organik katı atıklar ve arıtma tesisi çamurlarının birlikte anaerobik arıtımının modellenmesi
Modeling the codigestion of organic fraction of municipal solid waste and waste water treatment plant sludges
RECEP KAAN DERELİ