Application of high-rate activated sludge processes in municipal wastewater treatment
Evsel atıksu arıtımında yüksek hızlı aktif çamur proseslerin uygulanması
- Tez No: 797834
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- 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: 77
Özet
Atıksuların arıtılması son yüzyılda artan nüfus ve sanayileşme ile beraber oldukça önemli hale gelmiştir. Dünyadaki su kaynaklarının giderek kısıtlı hale gelmesi ve kirlenmesi atıksu arıtımının önemini her geçen gün arttırmaktadır. Döngüsel ekonomi ve sürdürülebilirlik konseptleri ile beraber atıksu arıtma tesislerinde (AAT) enerji verimliliği ve kaynak geri kazanımı da önem kazanmıştır. Atıksu arıtımı sırasında oluşan çamur artık bertaraf edilmesi gereken bir atık olarak değil, içerisindeki organik maddeden dolayı enerji kaynağı olarak görülmektedir. Organik madde içeriği yüksek çamurun anaerobik çürütücülerde stabilizasyonu ile açığa çıkan biyogazdan enerji üretilebilmektedir. Bu kapsamda dünya genelinde kendi enerjisini üretebilen, enerji nötr veya pozitif AAT konsepti önem kazanmaya devam etmektedir. Atıksulardan organik madde, azot ve fosfor gideriminde aktif çamur sistemleri dünya genelinde yaygın olarak uygulanmaktadır. Aktif çamur sistemlerinin yüksek enerji ihtiyacı ve fazla alan kaplaması düşük maliyetli atıksu arıtma teknolojilerinin geliştirilmesi ihtiyacını doğurmuştur. Adsorbsiyon-biyooksidasyon (AB) prosesi 1980'lerde ortaya çıkmıştır ve günümüzde enerji verimli atıksu arıtımını amaçlayan bir proses kombinasyonudur. İki kademeden oluşan AB prosesinde, A kademesi organik maddenin çamurda adsorbe olmasını ve organik madde giderimini gerçekleştirirken, B kademesi ise kalan organik maddeyi ve azotu giderebilmektedir. A kademesi aynı zamanda yüksek hızlı aktif çamur (YHAÇ) prosesi olarak da bilinmektedir. YHAÇ prosesi konvansiyonel aktif çamur prosesleri ile kıyaslandığında 20 kat daha fazla organik yükleme hızına sahiptir. YHAÇ prosesinde çamur bekletme süresi (ÇBS), hidrolik bekletme süresi (HBS) ve reaktördeki çözünmüş oksijen (ÇO) konsantrasyonu konvansiyonel aktif çamur sistemlerindekine göre oldukça düşüktür. YHAÇ prosesinde düşük ÇO konsantrasyonu gereksiniminden dolayı havalandırmada enerji ihtiyacı düşüktür. YHAÇ prosesinde, atıksudaki organik maddenin mümkün olduğunca az minerilizasyona uğraması ve biyosorpsiyon mekanizması ile çamurda adsorbsiyonunun arttırılması hedeflenir. Bu sayede anaerobik çürütücülerde üretilen biyogaz miktarı arttırılabilir. AB prosesi 1980'lerden sonra dünya üzerinde yaygınlaşmaya başlamıştır. İlk AB prosesi Almanya'daki Krefeld AAT'dir ve 1981 yılında işletmeye alınmıştır. Daha sonra Avrupa'da birçok AB prosesine sahip AAT işletmeye alınmıştır. Avusturya'da bulunan Strass AAT enerji pozitif olmasıyla AB prosesi ile işletilen tesisler açısından iyi bir örnek teşkil etmektedir. Literatürdeki birçok YHAÇ prosesi çalışmasında ve tam ölçekli YHAÇ prosesi uygulamalarında konvansiyonel çökeltim tankları kullanılmıştır. Lamelli çökeltim tankları, konvansiyonel çökeltim tanklarına kıyasla daha az alan kaplar ve daha fazla çökelme performansına sahiptir. Bu nedenle lamelli çökeltim tankı kullanılarak daha az alan kaplayan AAT'ler elde edilebilir. YHAÇ prosesinde azot ve fosfor giderim verimi organik madde giderim verimi kadar yüksek değildir. Bu nedenle YHAÇ prosesinde çıkış suyunda azot konsantasyonu konvansiyonel aktif çamur sistemleri çıkış sularına göre daha yüksektir. Azot giderim verimini iyileştirmek için YHAÇ prosesinden sonra B kademesinde, nitritasyon-denitritasyon veya nitritasyon-anammox gibi az enerji harcayan prosesler kullanılabilir. Bu tezin amacı, evsel atıksu arıtımında YHAÇ teknolojisi uygulamasının ve YHAÇ prosesinin optimum işletme koşullarının araştırılmasıdır. Bu çalışmada, tam ölçekli bir atıksu ön arıtma tesisinin havalandırmalı kum tutucu ünitesinin çıkış suyu, pilot ölçekli YHAÇ prosesine sürekli olarak beslenmiştir. YHAÇ prosesi farklı HBS ve ÇO konsantrasyonlarında işletilerek arıtma performansı ve çamurda karbon yakalanması incelenmiştir. Farklı HBS ve ÇO konsantrasyonu değerleri literatürdeki bilgiler doğrultusunda belirlenmiştir. Pilot tesis işletmeye alınırken tam ölçekli bir ileri biyolojik arıtma tesisinden alınan aşı çamuru kullanılmıştır. YYAÇ sistemi 4 kademe olarak işletilmiş olup, Kademe-1 ve Kademe-2'de 0,5 mg/L ÇO konsantrasyonunda, sırasıyla 75 ve 50 dk HBS denemeleri yapılmıştır. Bu çalışma sonucunda 75 dk HBS optimum olarak belirlenmiştir. Kademe-3 ve Kademe-4'te seçilen HBS'de (75 dk) sırasıyla 0,2 ve 0,8 mg/L ÇO konsantrasyonlarında denemeler yapılmıştır. YHAÇ sisteminde oluşan çamur lamelli çökeltim tankından geçirildikten sonra, çökelen çamurun bir kısmı atılmış bir kısmı ise reaktöre geri devredilmiştir. Bütün kademelerde sistem 0,5 gün çamur bekletme süresinde işletilmiştir. Arıtma performansı ve çamurda karbon yakalanması açısından Kademe-1'in optimum olduğu görülmüştür. Kademe-1'de elde edilen askıda katı madde (AKM), kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), toplam azot (TN), toplam amonyak azotu ve toplam fosfor (TP) giderim verimleri sırasıyla %80±5, %58±3, %32±6, %27±7 ve %58±10'dur. Çalışmada kurulan kütle dengesi sonucunda optimum kademe olarak belirlenen Kademe-1'de, giriş KOİ'sinin %41,7'sinin, giriş TN'nin %34'ünün ve giriş TP'nin %60'ının çamurda yakalandığı tespit edilmiştir. Bu çalışmanın sonucunda düşük HBS ve ÇO konsantrasyonunun karbonun çamurda tutulmasını arttırdığı ancak arıtma performansını azalttığı görülmüştür. HBS'nin 75 dk'den 50 dk'ye düşürülmesi minerilizasyonun azalmasına ve biyosorpsiyonun artmasına sebep olmuştur. Ancak HBS'nin azalması partiküler KOİ giderimini azaltmıştır ve çıkış suyunun kalitesini düşürmüştür. ÇO konsantrasyonundaki artış partiküler maddelerin daha fazla oksidasyonuna ve hidrolizine sebep olmuştur. Partiküler maddelerin hidrolizi sonucu atıksuda çözünmüş ve kolloidal KOİ konsantrasyonunda artış gözlenmiştir. Hücre dışı polimerik maddeler (EPS) çamurdaki flokları bir araya getirerek daha iyi çökelen çamur oluşumuna yardımcı olur. Bu çalışmada en fazla EPS üretimi Kademe-1'de gerçekleşirken, en az EPS üretimi Kademe-3'te gerçekleşmiştir. Kademe-3'te düşük EPS üretimi sebebiyle zayıf floklar oluşmuştur ve çıkış akımında daha fazla partiküler KOİ gözlenmiştir. Çalışma boyunca çamur hacim indeksinin (ÇHİ) 20-30 ml/g arasında olması, YHAÇ prosesi çamurunun iyi çökme özelliğine sahip olduğunu göstermiştir. Literatür ile kıyaslandığında, bu çalışmada elde edilen AKM giderim veriminin oldukça iyi olduğu ve bunun en önemli sebebinin lamelli çökeltim tankı olduğu görülmüştür. Bu tezden elde edilen sonuçlar kapsamında, 75 dk HBS ve 0,5 mg/L ÇO konsantrasyonunun YHAÇ prosesinde arıtma performansı ve biyosorpsiyon açısından optimum işletme koşulları olduğu görülmüştür. Ayrıca lamelli çökeltim tankının AKM ve bulanıklık giderim verimi üzerinde olumlu etkisi olmuştur. YHAÇ prosesi çıkış akımı, içeriğindeki yüksek azot ve fosfor konsantrasyonları sebebiyle tarımsal sulama amaçlı kullanılabilir. Ancak çıkış suyundaki partiküler maddeler ve evsel atıksuda bulunma ihtimali yüksek olan mikrokirleticiler sebebiyle çıkış suyu kalitesi iyileştirilmedir. Bu sebeple, YHAÇ prosesi çıkış suyunun tarımsal amaçlar için tekrar kullanımı üzerine araştırmalar yapılması gereklidir.
Özet (Çeviri)
Along with the circular economy and sustainability concepts, energy efficiency and resource recovery have become vital in wastewater treatment plants (WWTPs). Wastewater sludge is no longer considered as a waste to be disposed of but an energy source due to its organic matter. In anaerobic digesters, biogas can be produced from the process (or excess) sludge of WWTPs, which can be used to produce energy. By producing energy from the organic content of the wastewater, achieving energy neutral and/or positive WWTPs gained popularity throughout the world. Activated sludge systems, which biologically remove organic matter, nitrogen, and phosphorus from wastewater, have been widely applied worldwide in the last century. High aeration energy and large area requirements of the conventional activated sludge (CAS) processes led to the development of low-cost wastewater treatment technologies. One of these technologies is two-stage adsorption-bio-oxidation (AB) process. The purposes of A-stage and B-stage are removal of organic matter and nitrogen, respectively. One of the processes applied in A-stage of the AB process is the high-rate activated sludge (HRAS) process. HRAS process is a modificition of CAS process and has around 20 times higher organic loading rate compared to CAS process. Sludge retention time (SRT), hydraulic retention time (HRT), and dissolved oxygen (DO) concentration in the HRAS process are considerably lower than those in CAS process. The HRAS process aims to mineralize the organic matter in wastewater as minimum as possible and to increase carbon capture in the sludge with the biosorption mechanism. By this way, the amount of biogas produced from the excess sludge in anaerobic digesters can be increased. AB process has drawn considerable attention after the 1980s. The first AB process was established in Germany (Krefeld WWTP), which was taken into operation in 1981. Later, several AB processes have been established in Europe. Strass WWTP in Austria is one of the best examples of AB process since it achieves energy positivity. Most of the literature studies on HRAS process and full-scale HRAS process applications have conventional clarifiar. With lamella clarifiers, which have higher settling performance in a smaller footprint than conventional clarifiers, the footprint of the treatment plant can be further reduced. Nitrogen removal efficiency in HRAS process is not as high as the organic matter removal efficiency. For this reason, nitrogen concentration in the effluent of the HRAS process is higher than the effluent of CAS systems. In order to improve the nitrogen removal efficiency, low-cost nitrogen removal processes such as nitritation-denitritation or nitritation-anammox can be used in B-stage after HRAS process. The purpose of this thesis was to investigate the application of HRAS process including a lamella clarifier in municipal wastewater treatment and determine optimum operational conditions. In this study, the effluent of a grit chamber in a full-scale preliminary wastewater treatment plant was fed to a pilot-scale HRAS plant. Since HRT and DO concentrations are two important operational conditions, two HRTs (75 and 50 min) and three DO concentrations (0.2, 0.5, and 0.8 mg/L) were tested. The optimum conditions were determined based on the effluent quality and carbon capture. During the study, the system was operated with a SRT of 0.5 days. In the first part of the study, the optimum HRT was determined, while in the second part of the study the optimum DO concentration of the system was determined. Firstly, the pilot-scale HRAS system was operated with 75 and 50 min HRTs with the same DO concentration of 0.5 mg/L in Stage-1 and Stage-2, respectively. The optimum HRT was determined in terms of higher carbon capture and better effluent quality. Then, at the selected HRT, HRAS system was operated with DO concentrations of 0.2 and 0.8 mg/L in Stage-3 and Stage-4, respectively. It has been observed that Stage-1 (HRT: 75 min; DO: 0.5 mg/L) was the optimum operation condition. Total suspended solids (TSS), chemical oxygen demand (COD), total nitrogen (TN), ammonia nitrogen (NH4-N), and total phosphorus (TP) removal efficiencies of Stage-1 were 80±5%, 58±3%, 32±6%, 27±7%, and 58±10%, respectively. Based on a mass balance of the HRAS system, it was determined that 41.7% of the influent COD, 34% of the influent TN, and 60% of the influent TP were captured in the sludge in Stage-1. Comparison of different HRT and DO concentrations showed that low HRT and DO concentration increased carbon redirection. The reduction of HRT from 75 min to 50 min decreased COD lost via oxidation, which resulted in an increased biosorption. However, decrease in HRT worsened particulate matter caprute of the clarifier and caused a decrease in effluent quality. Increase in DO concentration caused further oxidation and hydrolysis of particulate matter. As a result, more soluble COD (SCOD) and colloidal COD (CCOD) were observed in the effluent. The extracellular polymeric substances (EPS) in sludge makes flocs come together and increase solid/liquid separation. While the highest EPS production was observed in Stage-1, the lowest EPS production was observed in Stage-3. Low EPS production in Stage-3 was the reason for weak flocs and particulate COD (PCOD) loss through effluent increase. Sludge volume index (SVI) was between 20-30 mL/g throughout the study, showing that HRAS process sludge had good settleability characteristics. Compared to the literature, TSS removal efficiency was quite high in the pilot-scale HRAS process, which may the effect of lamella clarifier. With HRAS process, capturing organic matter to the sludge would positively affect the biogas production in anaerobic digesters enabling energy efficient WWTP operation. Since nitrogen and phosphours are resources for agriculture, the presence of nitrogen and phosphorus in the effluent of HRAS process offers the possibility for use of the effluent for irrigation purposes. However, effluent quality should be improved due to particulate matter in the effluent and micropollutants that are likely to be found in domestic wastewater. Therefore, reuse of the effluent of HRAS process for irrigation purposes should be investigated.
Benzer Tezler
- Türkiye'de stabilizasyon havuzu uygulamaları için bilgisayar programı geliştirilmesi
Başlık çevirisi yok
HAKKI GÜLŞEN
Yüksek Lisans
Türkçe
1998
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ATİLLA ALTAY
- 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
- Management of phosphorus removal in municipal wastewater treatment plants
Kentsel atıksu artım tesislerinde fosfor gideriminin yönetimi
TOLGA TUNÇAL
Doktora
İngilizce
2008
Çevre MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiMühendislik Bilimleri Bölümü
PROF. DR. AYŞEGÜL PALA
- Brij30® noniyonik yüzey aktif maddesinin PS/UV ve H2O2/UV ileri oksidasyon yöntemleri ile arıtımı.
Treatment of Brij30® nonionic surfactant using PS/UV and H2O2/UV advanced oxidation processes.
ÇİSEM ECER UZUN
Doktora
Türkçe
2019
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NURAY IŞIK KABDAŞLI
- 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