Application of different strategies to improve aerobic granular sludge process performance for treatment of municipal wastewater
Kentsel atıksu arıtımında aerobik granüler çamur prosesinin arıtma performansını iyileştirmek için farklı stratejilerin uygulanması
- Tez No: 766757
- Danışmanlar: DOÇ. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Tez Türü: Doktora
- 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: 128
Özet
Aerobik granüler çamur (GAÇ) prosesi, geniş yer kaplayan ve enerji ihtiyacı yüksek konvansiyonel aktif çamur (KAÇ) prosesi ile karşılaştırıldığında enerji verimliliği açısından alternatif bir biyolojik atıksu arıtma prosesidir. KAÇ prosesinde, 0,2 mm'den büyük floklar granül olarak ifade edilmektedir. Floklar ve granüller, boyutlarına göre kolaylıklar sınıflandırılmakta olup organik madde ve nütrient giderimlerine göre ayırt edilmektedir. Granül yüzeyi porlu yapıya sahiptir ve bu granülün iç tabaklarına substrat geçişini kolaylaştırdığı gibi oksijen difüzyonunu da sağlamaktadır. Oksijenin difüzyonu, granülün porlu yapısı nedeniyle eşzamanlı karbon ve nütrient gideriminde sınırlayıcı rol oynamaktadır. Granül çoğunlukla kompakt ve yoğun bir yapıya sahiptir ve bu durum oksijenin granülün iç tabakalarına transferini sınırlamaktadır; doğal olarak denitrifikasyonda ve fosfor gideriminde iyileşme sağlanmaktadır. Bazı durumlarda granülün çekirdek kısmı iyi şekilde gelişmediğinden, granül amorf bir şekle sahiptir. Bu durumda, granülün morfolojisine bağlı olarak substrat giderimi yetersiz kalmaktadır. Aerobik granüllerin aktif çamur sisteminde oluşan floklardan daha ağır olduğu, bu nedenle daha hızlı çökeldikleri tespit edilmiş ve bu durumun çamurun çökelebilirliği artırdığı belirtilmiştir. Bu sebeple GAÇ prosesinde geniş yer kaplayan çökeltim tanklarına ihtiyaç bulunmamaktadır. Aerobik, anoksik ve anaerobik biyolojik aktiviteler tek bir granülün içinde gerçekleştiği için GAÇ prosesi, konvansiyonel aktif çamur sistemleri ile karşılaştırıldığında, %25-75 daha az alan ihtiyacı ve %20-50 daha az enerji tüketimi söz konusudur. Nitrifikasyon havalandırma fazı esnasında granülün üst tabakasında, denitrifikasyon ise granülün iç tabakalarında anoksik koşullar altında meydana gelmektedir. Fosfor giderimi granülün çekirdek kısmında bulunan polifosfatı biriktiren mikroorganizmalar (PAO) tarafından gerçekleşmektedir. Denitrifikasyondan sorumlu olan bakteriler ve PAO'lar heterotrofik organizmalar olup, her iki bakteri türü karbon kaynağı (substrat) açısından rekabet halindedir. Bu nedenle, azot ve fosforun giderilmesi için yeterli miktarda substratın bulunması gerekmektedir. PAO'lar granülün iç tabakalarında bulunduğu için bu mikroorganizmalar yalnızca çözünmüş formdaki organik maddeyi kullanabilmektedir. Kentsel atıksulardaki organik madde partiküler ve çözünmüş formdadır. Partiküler madde varlığında N ve P giderim verimlerinin sırasıyla %40 ve %46'ya kadar azaldığı ifade edilmiştir. Partiküler organik madde, hücre dışı polimerik maddelerin (EPS) varlığında çözünmüş forma dönüştürülür ve hidrolize edilir. Hidroliz işlemi anaerobik faz esnasında partiküler maddenin granül yüzeyinde hidrolize ile olmasıyla son bulmaktadır ve çözünmüş formdaki madde PAO'lar ile denitrifikasyon bakterileri tarafından bünyelerine alınmaktadır. Çözünmüş organik madde bu türler tarafından tüketilemezse, granülün yüzeyindeki aerobik heterotrofik bakteriler tarafından tüketilir ve bu da filamentli mikroorganizmaların aşırı büyümesine neden olur. Bu durum amorf yapının oluşmasına ve sonrasında da granülün parçalanmasına yol açmaktadır. Tez çalışmasında, GAÇ prosesi ile kentsel atıksuların farklı koşullar altında arıtılabilirliği incelenmiştir. Tez kapsamında dört ayrı çalışma gerçekleştirilmiştir: Birinci çalışmada, iki farklı çamur kaynağı aşı çamuru olarak kullanılmış ve GAÇ sisteminin arıtma performansı incelenmiştir: (a) ileri biyolojik atıksu arıtma tesisi geri devir çamuru; (b) pilot ölçekli yüksek yüklemeli aktif çamur (HRAS) sistemi geri devir çamuru. Çalışma iki aşamada gerçekleştirilmiştir: İlk aşamasında ileri biyolojik atıksu arıtma tesisinden alınan geri devir çamuru ile GAÇ sistemi işletilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında ise ileri biyolojik atıksu arıtma tesisinden alınan geri devir çamuru ile HRAS sistemi geri devir çamuru hacimce eşit oranlarda (1:1) karıştırılarak aşı çamuru olarak kullanılmış ve GAÇ sistemi işletilmiştir. Bu çalışma, floküler çamurda bulunan mikroorganizmaların granülasyona olan katkılarını incelemek adına gerçekleştirilmiştir. HRAS sistemi çamuru çok hızlı çökmektedir ve bu iki çamurun karışımlarının aşı çamuru olarak kullanılması durumunda granüler çamurun çökelme karakteristiğini geliştireceği ve aynı zamanda arıtma performansını iyileştireceği beklenmektedir. Reaktör işletmeye alındıktan kısa süre sonra sistemden çamur atımı gerçekleşmiştir; HRAS sistemi çamurunun ağır ve çok hızlı çöktüğü bilindiğinden biyolojik çamurun sistemden atıldığı düşünülmektedir. Bu duruma bağlı olarak denitrifikasyon bakterilerinin sistemden uzaklaştığı ve GAÇ sistem performansının olumsuz yönde etkilendiği gözlemlenmiştir. Bu çalışmadan elde edilen bulgulara dayanarak ileri biyolojik atıksu arıtma tesisinden alınan geri devir çamurunun aşı çamuru olarak kullanılmasının GAÇ sistem performansını olumlu yönde etkilediği tespit edilmiş ve tezin sonraki çalışmalarında aerobik granülasyonun elde edilmesinde aşı çamuru olarak kullanılmasına karar verilmiştir. İkinci çalışmada, ileri biyolojik atıksu arıtma tesisinden alınan geri devir çamuru aşı çamuru olarak kullanılmıştır. Çalışma iki aşamada gerçekleştirilmiştir: (a) GAÇ sistemi kentsel atıksuyu temsil eden sentetik atıksu ile beslenmiştir; (b) GAÇ sistemi 30 dk çöktürülmüş sentetik kentsel atıksu ile beslenmiş ve tam-ölçekli atıksu arıtma tesislerinde (AAT) bulunan ön çökeltim işlemi temsil edilmiştir. Ön çökeltim işleminin uygulanması ile partiküler maddenin çökeceği ve GAÇ sistemine çözünmüş organik madde girişinin olacağı öngörülmüştür. GAÇ sistemi anaerobik faz esnasında beslendiği için organik maddenin PAO'lar ve denitrifikasyon bakterileri tarafından bünyelerine alınmasını sağlayacağından nütrient giderim veriminin iyileşmesini sağlayacaktır. Ön çökeltim işlemi ile partiküler maddenin %60 kadar giderildiği ve sonuç olarak karbon/azot (C/N) oranının %20 azalmasına bağlı olarak GAÇ sistemi arıtma performansının kötüleştiği gözlemlenmiştir. Bu durumda ön çökeltim ve GAÇ prosesi konfigürasyonunun GAÇ sistem performansını olumlu yönde geliştirmediği görülmüştür. Üçüncü çalışmada ileri biyolojik atıksu arıtma tesisinden alınan geri devir çamuru ile GAÇ sistemi üç aşamada işletilmiştir: (a) GAÇ sistemi doğrudan ham kentsel atıksu ile beslenmiş; (b) GAÇ sistemi, pilot ölçekli HRAS sisteminin çıkış suyu (arıtılmış su) ile beslenmiş; (c) GAÇ sistemi bu iki giriş debisinin karışımı (kentsel atıksuyu (%20) ve HRAS prosesi çıkış suyu (%80)) ile beslenmiştir. Çalışmanın ilk aşamasında kentsel atıksu ile beslenerek aerobik granülasyon elde edilmiş ve ardından sistem sadece HRAS prosesi çıkış suyu ile beslenerek GAÇ sistemi arıtma performansı takip edilmiştir. HRAS prosesi çıkış suyu ile besleme yapıldığı durumda, granül stabilitesinin korunduğu ancak C/N oranının azalmasıyla beraber GAÇ sistemi performansının olumsuz yönde etkilendiği gözlenmiştir. Hem GAÇ sisteminin arıtma performansını iyileştirmek hem de HRAS prosesini GAÇ prosesi öncesi ön arıtma alternatifi olarak uygulamak adına çalışmanın üçüncü aşamasında kentsel atıksu ve HRAS prosesi çıkış suyu hacimce belli oranda karıştırılarak GAÇ prosesine beslenmiştir. Bir önceki çalışmada beslenen giriş atıksuyu ile karşılaştırıldığında, C/N oranında %20 oranında artışın GAÇ sistemi arıtma performansını iyileştirdiği gözlenmiştir. Üç çalışmanın sonunda HRAS prosesi ile GAÇ prosesi en uygun konfigürasyon olarak tespit edilmiştir. Dördüncü çalışmada, tez kapsamında gerçekleştirilen üçüncü çalışmadan elde edilen GAÇ çamuru ile ileri biyolojik atıksu arıtma tesisi geri devir çamuru (aktif çamur) çürütülebilirlik açısından karşılaştırılmıştır. GAÇ prosesi çamurunun çürütülebilirliğinin, ileri biyolojik atıksu arıtma tesislerinden alınan geri devir çamuruna göre düşük olduğu bilinmektedir. Organik maddenin çözünürlüğünü artırarak çamur çürütülebilirliğini geliştirmek adına her iki çamura da ultrasonikasyon uygulanmıştır. Aerobik granüller, mikroorganizmaların biraraya gelmesiyle oluşmaktadır floküler çamur ile kıyaslandığında kompakt yapıya sahiptir. Aerobik granüller, floklar ile karşılaştırıldığında boyut açısından daha büyük olduklarından granül içerisinde farklı biyolojik aktivitelere imkan sunan mikroorganizma çeşitliliğine sahiptir. Floklardaki mikroorganizmalar ise nadiren bir araya gelmektedir ve granüllerde olduğu gibi kompakt bir yapı oluşturmamaktadır. İki çamur arasındaki bu önemli fark araştırma konusunu oluşturmaktadır. Ultrasonikasyon ile kümelenmiş haldeki mikrobiyal yapının çözünmüş forma geçmesi; bu durumda çamurdan çözünmüş maddelerin geri kazanımının mümkün olduğu düşünülmektedir. Ultrasonikasyon ile her iki çamurda da uçucu yağ asitleri (UYA), protein ve karbonhidratlar çözünür forma geçmiş ve partikül boyutlarında azalma gözlemlenmiştir. Ayrıca, ultrasonikasyon yoğunluğu ile organik bileşikler, amonyum, fosfor ve ağır metal salınımı arasında bir ilişki olduğu tespit edilmiştir. Sonuç olarak bu tez çalışmasında, kentsel atıksuların GAÇ prosesi ile arıtılmasında aşı çamuru ve besleme stratejileri geliştirilerek kapsamlı bir araştırma yapılmıştır. Bununla birlikte, GAÇ çamuru ile aktif çamur ultrasonikasyon metodunun uygulanması yönünden karşılaştırılmıştır. Bu tez çalışması aşı çamuru ve besleme (substrat) stratejilerinin GAÇ prosesi performansı üzerindeki etkileri üzerine literatüre önemli bir bilgi birikimi katkısı sağlamıştır. Ayrıca tez kapsamında tam ölçekli GAÇ prosesi uygulamaları için yararlı ve kullanılabilir sonuçlar elde edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Aerobic granular sludge (AGS) process is an energy-efficient alternative biological wastewater treatment process to the conventional activated sludge (CAS) process which requires high energy and big space. In CAS systems, flocs sized above 0.2 mm are referred as granule. So far flocs and granules could be easily differentiated by size clustering as well as their capabilities of removal for organic matter and nutrients. Surface of the granule has porous morphology, and this allows the substrate penetration and as well as oxygen diffusion into the inner layers of the granule. The diffusion of oxygen is somehow can be a limiting factor for the simultaneous carbon and nutrient removal due to structure of the granule. In many cases, granule has a compact and dense structure that limits the oxygen transfer to the inner core layers of the granule which improves the denitrification and allows better phosphorus (P) removal within the granule. Whereas in some situations, granules have amorphous structure which do not improve any core inside the granule so affects the removal of substrate. Aerobic granules are heavier than flocs formed in waste sludge, so they settle faster, and this improves the settleability of the sludge which further allows to operate in one reactor. For this reason, large sedimentation tanks are not required in AGS systems. Since aerobic, anoxic and anaerobic biological activities take place inside the granule, AGS process offers 25-75% less space and consumes 20-50% less energy compared to conventional activated sludge plants. Nitrification takes place on the surface of the granule during aeration phase and denitrification occurs in the inner layers of the granule under anoxic conditions. P removal is maintained by polyphosphate accumulating organisms (PAOs) that are located in the core part of the granule. PAOs and denitrifiers which are responsible for the denitrification are both heterotrophic organisms and compete for the carbon sources as substrate. For this reason, it is important to have sufficient amount of organic matter for nitrogen (N) and P removal. Since PAOs are located in the inner layer of the granule they are only capable of using organic that are in dissolved form. In municipal wastewater, organic matter is particulate and dissolved forms. Particulate matter reduces N and P removal up to 40% and 46% respectively. Particulate organic matter is turned into dissolved form in the presence of extracellular polymeric substances (EPS) which are hydrolyzing them further. Hydrolysis ends up in anaerobic phase when the attached particulate matter on the surface of the granules hydrolyzed and it is uptaken by PAOs and denitrifiers. If dissolved organic matter cannot be consumed by these species, then it would be consumed by the aerobic heterotrophic bacteria on the surface of the granule which further causes filamentous microorganisms' overgrowth. This leads to amorphous structure and disintegration of the granule. In this thesis, the treatability municipal wastewater by AGS process was investigated under different circumstances. Four separate studies were conducted within the scope of this study. In the first study, two different sludge were comparatively investigated as inoculum: (a) waste activated sludge (WAS) taken from the return activated sludge line of an advanced biological wastewater treatment plant (WWTP), (b) WAS taken from the return activated sludge line of a pilot scale high-rate activated sludge (HRAS) system. This study was conducted in two stages: AGS system was seeded with the WAS taken from the return activated sludge line of an advanced biological wastewater treatment plant in the first stage; in the second stage, AGS system was seeded with the mixture of WAS taken from the return activated sludge line of an advanced biological WWTP and WAS of pilot scale HRAS process as volume in proportion of 1:1. This study was performed to reveal the contribution of microorganisms found in the flocculent sludge to the granulation process. Since HRAS process sludge has high settleability and the mixture of WAS with HRAS process as inoculum was expected to enhance the settling properties of granular sludge as well as achieving good treatment performance. Although at the start-up period sludge wash-out occurred and mainly fluffy waste sludge wasted, HRAS process sludge settles faster, and it remained in the reactor. So, in this case especially denitrifiers were mostly washed out of the system which deteriorated system performance compared to the AGS system operated solely with WAS. At the end of this study, WAS waste sludge was chosen as seed sludge for the further studies to obtain aerobic granulation based upon AGS system treatment performance. In the second study, WAS taken from the return activated sludge line of an advanced biological WWTP was used as seed sludge. Study was conducted in two stages: (a) AGS system was fed directly with the synthetic municipal wastewater, (b) AGS system was fed with the pre-settled synthetic municipal wastewater (30 min of settling) to simulate pre-sedimentation tanks in the full-scale wastewater treatment plants (WWTPs). With pre-settling application, it was proposed that particulate matter would settle so mainly dissolved organic matter could be introduced to the AGS system. Since AGS system is anaerobically fed, this would improve the nutrient removal by allowing the uptake of organic matter easily by PAOs and denitrifiers. It was shown that up to 60% of particulate matter was removed by settling and as a result carbon/nitrogen (C/N) ratio decreased 20% lead deterioration of the AGS system treatment performance. It was apparent that a combination of pre-sedimentation in AGS process didn't improve the system. In the third study, AGS system was operated in three different stages continuously following each other without having different start-up periods: (a) AGS system was fed directly with raw municipal wastewater, (b) AGS system was fed with the pilot scale HRAS system's effluent (treated wastewater), (c) AGS system was fed with the mixture these two flows: raw municipal wastewater (20%) and HRAS process effluent (80%). Waste sludge taken from the return activated sludge line of an advanced biological wastewater treatment plant was used as inoculum. Firstly, aerobic granulation was maintained by introducing municipal wastewater than HRAS process effluent fed to the system and AGS system performance was followed thoroughly. It was shown that the granule stability remained somehow same, but AGS system performance was affected by decreased C/N ratio. AGS system was fed with the mixture the raw municipal wastewater and HRAS process effluent to improve the system performance. As a result, AGS system performance was improved with the increase in C/N ratio (20% increase compared to feeding with only HRAS process effluent). Thus, HRAS process integration with AGS process was found to be energy efficient configuration. Both systems comparably occupy less space than conventional treatment systems and their integration will definitely improve the effluent quality. In the fourth study, digestibility of AGS which was obtained from the third study was compared to the WAS taken from the return activated sludge line of an advanced biological wastewater treatment plant. It is known that AGS process sludge has low digestibility than WAS. Thus, ultrasonication was applied to improve the solubilization of organic matter for increasing sludge digestibility. Since aerobic granules are clusters of microorganisms that are attached together, they are bigger in size and more compact than WAS flocs. Therefore, relying on their physical differences, it was assumed that ultrasonication would enhance digestibility of the AGS. It was shown that ultrasonication as pre-treatment method led to solubilization for both sludge sources in terms of volatile fatty acids (VFAs), protein and carbohydrates besides causing decrease in particle size. A direct relation found between the release of organic compounds, ammonium, phosphorus and heavy metals with the increase in ultrasonication intensity. Overall results obtained from this thesis showed a comprehensive approach to treat municipal wastewater by AGS process while improving the treatment performance by focusing on inoculum source as well as feeding strategy. Besides, sludge from AGS process was evaluated in terms of soluble products release by applying ultrasonication process compared to the WAS. This thesis would enhance the knowledge on AGS technology in terms of seeding and feeding regimes beneath giving clues for full-scale AGS process applications.
Benzer Tezler
- Application of different strategies to improve anaerobic digestion for organic fraction of municipal solid waste
Kentsel katı atıkların organik fraksiyonunun anaerobik çürütme performansını iyileştirmek için farklı stratejilerin uygulanması
YAĞMUR KABAKCI
Doktora
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN ATİLLA ARIKAN
PROF. DR. FEHMİ GÖRKEM ÜÇTUĞ
- Türkiye sağlık sektöründe rekabet stratejileri: Hastaneler üzerine bir araştırma
Competition strategies in turkey health sector: A study on hospitals
MAHMUT AKBOLAT
- Asembiyotik bakteriyel diazotrofların topraklardaki etkilerinin ve mevcut mikrobiyolojik özellikler ile etkileşimlerinin incelenmesi
Investigation of the effects of asembiotic bacterial diazotrophs in soil and its interactions with indigenous microbiological properties
SEVDE AYYILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
ZiraatEge ÜniversitesiToprak Bilimi ve Bitki Besleme Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN HÜSNÜ KAYIKÇIOĞLU
- Development of cathode and interlayer materials for high performance lithium sulfur batteries
Yüksek performanslı lityum sülfür pillerin katot ve seperatör kısmında malzeme geliştirmeleri
MMARYAM SADAT KİAİ
Doktora
İngilizce
2020
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiNanobilim ve Nanoteknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN KIZIL