Optimization of anaerobic membrane bioreactors for sludge treatment
Anaerobik membran biyoreaktörler ile çamur arıtımı optimizasyonu
- Tez No: 828370
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN, PROF. DR. EVELİNE VOLCKE
- Tez Türü: Doktora
- 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: 189
Özet
Atık su arıtımı yüksek miktarlarda enerji gerektiren bir süreçtir. Anaerobik çamur çürütme, özellikle birincil çamur çürütme, atıksu arıtımında enerji dengesini olumlu yönde etkiler. Biyolojik reaktörlerden önce birincil arıtımın dahil edilmesi, ham atık suyun doğrudan arıtılmasına kıyasla daha yüksek toplam çamur üretimi ile sonuçlanır. Konvansiyonel anaerobik çamur çürütücüler, ileri katı dönüşümü ve reaktördeki metanojenik aktiviteyi sürdürmek için uzun katı bekletme sürelerinde (KBS) çalıştırılan tam karışımlı reaktörler olarak tasarlanmıştır. Sonuç olarak, anaerobik çürütücüler, uçucu katıların yeterli şekilde indirgenmesini sağlamak için genellikle büyük hacimlerde inşa edilir (Xu ve diğerleri, 2011). Anaerobik membran biyoreaktör (AnMBR) ise çamur çürütme için konvansiyonel anaerobik çürütücülere gelecek vaadeden bir alternatiftir. AnMBR'ler, fiziksel membran ayrımını da kullanır ve hidrolik bekletme süresinden (HBS) bağımsız olarak uzun KBS'lerde çalıştırılır. Böylece, yavaş büyüyen metanojenik biyokütle reaktörde daha uzun süre tutulabilir ve bu da metan üretiminin artmasına neden olur. Ayrıca, HBS akının manipüle edilmesiyle kontrol edilebildiğinden, AnMBR'ler daha küçük karbon ayak izi oluştururlar. Bu çalışmanın kapsamını anlamak için, Bölüm 1'de atık su arıtımındaki enerji tüketimi ve enerjinin atık su arıtma tesisinde (AAT) dağılımı hakkında kısa bir açıklama sunulmaktadır. Konvansiyonel AAT'deki organik madde giderim mekanizması açıklanmaktadır. Organik madde giderimi için yenilikçi proses konfigürasyonları sunulmaktadır. Anaerobik çürütme işlemi ve anaerobik çürütücünün tasarım parametreleri de açıklanmıştır. Çamur arıtımı için AnMBR kullanmanın avantajları tanımlanmıştır. Bu bölüm, bir araştırma açığı önerisi ve tezin ana hatlarıyla sona ermektedir. AnMBR ile çamur arıtımı teknolojisinin mevcut durumu ve perspektifleri, Bölüm 2'de kritik bir şekilde gözden geçirilmiştir. Bu bölümde, çamur arıtımı için AnMBR'ün tarihsel gelişimi ve literatürde bildirilen AnMBR performansını etkileyen faktörler tartışılmaktadır. KBS, HBS ve sıcaklık gibi çalışma koşullarının metan üretimi ve çıkış suyu kalitesi üzerinde gözle görülür bir etkisi bulunmaktadır. Çamur arıtımı sırasında uçucu yağ asitleri (UYA) eş zamanlı olarak geri kazanılabilir ve bu geri kazanım da AAT'nin ekonomisine katkıda bulunabilir. Bununla birlikte, çamur yönetimi için AnMBR teknolojisinin benimsenmesini engelleyen membran kirlenmesi gibi sorunlar ve çamur arıtma için AnMBR'lerin kullanılmasının ekonomik faydalarını gösteren çalışmaların eksikliği hala mevcuttur. Çamur arıtımında zorlukların üstesinden gelmeyi ve AnMBR'ün optimizasyonunu amaçlayan araştırma perspektifi için öneriler sunulmaktadır. Bu tezin amacı, enerji pozitif AAT'ler açısından AnMBR'ün çamur arıtımı için uygulanabilirliğini araştırmaktır. Bu tezin amaçlarına dört farklı çalışma ile ulaşılmıştır. Bölüm 3, bu çalışmalar sırasında kullanılan materyali ve izlenen yöntemleri açıklamaktadır. Bu çalışmaların sonuçları Bölüm 4'te açıklanmış ve tartışılmıştır. Organik madde yakalamayı en üst düzeye çıkarmak ve böylece atık sudan enerji geri kazanımını en üst düzeye çıkarmak için, birincil çökeltmeye alternatif olarak A kademesi ve CEPT dahil olmak üzere yeni konfigürasyonlar önerilmiştir. Bununla birlikte, entegre sistemlerin ekonomik fizibilitesini etkileyebilecek olan bu konfigürasyonların çamur özelliklerini ne ölçüde etkilediği araştırılmalıdır. Bu nedenle, ilk çalışma, bu birincil arıtma yöntemlerinin çamur özellikleri ve çürütülebilirliği üzerindeki etkisine ve atık su arıtmanın tesis genelindeki ekonomisine odaklanmaktadır. Birincil çökeltme (birincil çamur), A kademesi arıtma (A-çamuru) ve CEPT'den elde edilen çamurun ayrıntılı karakterizasyonu, önemli ölçüde farklı çamur özellikleri göstermiştir. Birincil çamurdaki organik bileşikler, esas olarak %40 karbonhidrat, %23 lipid ve %21 proteinden oluşmaktadır. A-çamuru yüksek miktarda protein (%40) ve orta miktarda karbonhidrat (%23) ve lipid (%16) ile karakterize edilirken, CEPT çamurunda organik bileşikler esas olarak %26 protein, %18 karbonhidrat, %18 lignin ve %12 lipid olarak karakterize edilmiştir. Biyometan potansiyeli testi, birincil çamurun ve A-çamurunun en yüksek metan verimine (sırasıyla 347 ve 333 mL CH4/g VS) sahip olduğunu, CEPT çamurunun metan veriminin ise daha düşük (245 mL CH4/g VS) olduğunu gösterdi. Üç sistem için tesis çapında yapılan ekonomik değerlendirmede CEPT ile en yüksek enerji fazlasının kazanıldığı görülmüştür. A kademesinin dahil edildiği senaryo, A kademesinin havalandırmadaki yüksek enerji tüketimi nedeniyle en düşük pozitif net enerjiye sahipti. Üç sistemin çıkış suyu kalitesi göz önüne alındığında, CEPT en yüksek kaliteyi sağlamış, ardından da A kademesi gelmiştir. Genel olarak, mevcut atık su arıtma tesislerinde birincil arıtma yerine CEPT veya A kademesinin entegrasyonu, atık su kalitesini ve enerji geri kazanımını iyileştirme potansiyeline sahiptir. AnMBR'ler, konvansiyonel atık su arıtma tesislerinde çamur arıtmında kullanılan konvansiyonel anaerobik çürütücüler için kompakt alternatifler olarak uygulanmaktadır. Ancak, birincil çökeltim yerine A kademesi entegresinin AnMBR'de çamur çürütme üzerindeki etkisi hakkında literatürde bir çalışma yoktur. İkinci çalışma, hem birincil çamurun hem de A-çamurunun çürütülmesinde arıtma ve filtrasyon performansları açısından laboratuvar ölçekli AnMBR'lerin performansını inceler. Sonuçlar, A-çamurunun anaerobik çürütülmesinin birincil çamura kıyasla AnMBR'de daha fazla metan üretimine ve metanojenik aktiviteye sebep olduğunu göstermiştir. A-çamuruyla beslenen AnMBR'ün süzüntü suyunda, A-çamurunun daha yüksek azot ve çözünmüş fosfor konsantrasyonlarına sahip olması nedeniyle daha yüksek azot ve fosfor konsantrasyonları gözlemlenmiştir. Süzüntü sularında koliform madde tespit edilmemştir; bu da hijyen açısından süzüntü suyunun doğrudan sulama amacıyla kullanılma potansiyeline sahip olduğunu göstermektedir. A-çamurunun çürütülmesi sırasında birincil çamura kıyasla daha yüksek bir EPS konsantrasyonu gözlenmiştir. Yüksek EPS de membran yüzeyinde birikerek transmembran basıncında (TMP) ve filtrasyon direncinde artışa neden olmuştur. Tesis genelinde değerlendirildiğinde, birincil çökeltim yerine A kademesi entegrasyonu, atık sudan metan gazı şeklinde geri kazanılan organik madde (KOİ) miktarını, birincil çökeltime sahip bir AAT konfigürasyonuna kıyasla yaklaşık %15 arttırmıştır. Anaerobik çürütücüler, mezofilik (35°C) veya termofilik (55°C) koşullarda çalıştırılır. Genel olarak, termofilik koşullarda çalıştırılan çürütücülerden daha yüksek biyokimyasal reaksiyon hızları nedeniyle daha yüksek miktarlarda biyogaz üretildiği bilinmektedir. Ancak sıcaklığın, A-çamuru çürütülen AnMBR'lerin performansı üzerindeki spesifik etkisi henüz değerlendirilmemiştir.Bu nedenle üçüncü çalışma, laboratuvar ölçekli AnMBR'ün mezofilik ve termofilik koşullar altında arıtma ve filtrasyon performanslarını değerlendirmektedir. Termofilik koşullar altında mezofilik koşullara göre sırasıyla %23 ve %47 daha yüksek biyogaz ve UYA üretildiği gözlemlenmiştir. Ayrıca membran, termofilik koşullar altında daha düşük TMP'de çalıştırılabilir. Bununla birlikte, enerji tüketimi ve üretimi dikkate alındığında, AnMBR'ün mezofilik koşullar altında çalıştırılması, termofilik koşullar altında çalıştırılmasına göre üç kattan daha fazla net enerji üretimine neden olurken, termofilik koşullar altında fazla enerji geri kazanımı, ek enerji tüketiminden daha az olmuştur. Bu nedenle, termofilik koşulların avantajlarına rağmen, AnMBR'ü çamur çürütme için mezofilik koşullar altında işletmek, AAT'lerdeki enerji dengesini iyileştirmek için daha yüksek bir potansiyele sahiptir. İnceleme sırasında da (Bölüm 2) görüldüğü üzere, AAT'de çamur arıtımı için AnMBR'lerin kullanılmasının ekonomik faydalarını gösteren çalışmaların eksikliği vardır. Bu nedenle, konvensiyonel bir AAT'de çamur (birincil ve atıkla aktifleştirilmiş çamur) arıtımı için AnMBR'ün fizibilitesi dördüncü çalışmada birim proses ve tesis genelinde matematiksel modelleme ve simülasyon yoluyla değerlendirilmiştir. Kontrol kolları olarak HBS ve KBS'nin AnMBR'ün performansı üzerindeki etkisi değerlendirilmiştir. Metana dönüştürülen KOİ miktarı, KBS'yi artırarak veya HBS'yi düşürerek artırılabilir; burada, KBS'yi arttırmanın daha yüksek bir pozitif etkisi vardır. Süzüntüdeki azot ve fosfor yükü, KBS'ni artırarak veya HBS'ni düşürerek artarken, süzüntüdeki KOİ konsantrasyonunun neredeyse hiç etkilenmediği gözlemlenmiştir. Enerji dengesine gelince, KBS'ni artırmak, HBS'ni düşürmekten daha etkiliydi. Nitekim, KBS'nin arttırılması enerji üretiminde önemli bir artışa neden olurken, HBS'nin düşürülmesi enerji tüketimini sadece biraz azaltmış ve enerji üretimini etkilememiştir. Tesis çapında bir seviyede, anaerobik çürütücü yerine bir AnMBR'ün entegrasyonu, AAT'nin işletme maliyetlerini %27 oranında azaltmış ancak atık su kalitesinin daha kötü olmasına yol açmıştır. Çıkış suyu kalitesinin düşmesi, süzüntünün ileri arıtıma tabi tutulmasıyla önlenebilir; örneğin, süzüntüden struvit geri kazanımı ve kısmi nitritasyon/anammox yöntemi kullanılarak azot giderimi etkili bir yöntem olabilir. Aynı zamanda bu yöntem işletme maliyetlerini geleneksel bir AAT'ye kıyasla %35 daha da düşürür. Genel olarak, çamur arıtımı için AnMBR'ün uygulanması ve eş zamanlı olarak süzüntü suyuna ileri arıtım uygulanması, AB yönetmeliklerini karşılayan atık su kalitesi sağlar ve atık su arıtımı işletme maliyetlerinde önemli miktarda tasarruf sağlar. Son olarak Bölüm 5, önceki bölümlerin ana bulgularını özetlemekte ve daha ileri araştırmalar için perspektifler sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
Wastewater treatment is an energy intensive process. The energy balance is positively affected by anaerobic sludge digestion, especially primary sludge. The inclusion of a primary clarifier before the biological reactors results in a higher sludge total production compared to the direct treatment of raw wastewater. Conventional anaerobic digesters for sludge treatment are designed as completely mixed reactors operated at long solid retention times (SRTs) for enhanced solids conversion and to maintain the methanogenic activity in the reactor. Consequently, anaerobic digesters are commonly built with large volumes to ensure sufficient reduction of volatile solids (Xu et al., 2011). Anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) is a promising alternative to conventional anaerobic digesters for sludge digestion. AnMBRs are operated at long SRTs independent from hydraulic retention time (HRT) by means of physical separation of the membrane. Thus, slow growing methanogenic biomass can be kept longer in the reactor, resulting in enhanced methane production. Moreover, a smaller footprint of the anaerobic reactor can be achieved since the HRT can be controlled by manipulating the flux. To understand the rationale behind the thesis, Chapter 1 presents a brief description about the energy consumption for wastewater treatment and its distribution in the wastewater treatment plant (WWTP). The organic matter removal mechanism in the conventional WWTP is explained. Novel process configurations for organics capture are presented. Anaerobic digestion process and the design parameters of the anaerobic digester are explained as well. The advantages of using AnMBR for sludge treatment are defined. The chapter ends with research gap and an outline of the thesis. The current status and perspectives of the AnMBR technology for sludge treatment are critically reviewed in Chapter 2. It discusses the historical development of the AnMBR for sludge treatment, and factors influencing the AnMBR performance reported in the literature. The operational conditions such as SRT, HRT and temperature have a noticeable effect on the methane production and permeate quality. Volatile fatty acids (VFAs) can be recovered simultaneously during sludge treatment, which can improve the economics of the WWTP. However, there are still problems, such as membrane fouling, which hinder the adoption of AnMBR technology for sludge management, as well as a lack of studies demonstrating the economic benefits of using AnMBRs for sludge treatment. Suggestions for research perspective are given, aiming for overcoming the challenges and for optimization of the AnMBR for sludge treatment. The aim of this thesis was to investigate the applicability of the AnMBR for sludge treatment in the view of energy-positive WWTPs. The objectives of this thesis were met through four different studies. Chapter 3 explains the material used and methods followed during these studies. The results of these studies are explained and disscussed in Chapter 4. In order to maximize organic capture and thus energy recovery from wastewater, novel configurations including an A-stage and CEPT have been proposed as alternatives to primary settling. However, it remains to be investigated to which extent these configurations affect the sludge characteristics, which may affect the economic feasibility of the integrated systems. Therefore, the first study focuses on the effect of these primary treatment methods on sludge characteristics and digestibility, and on plant-wide economics of wastewater treatment. A detailed characterization of sludge obtained from primary settling (primary sludge), A-stage treatment (A-sludge) and CEPT showed significantly different sludge characteristics. The organic compounds in primary sludge consisted mainly of 40% carbohydrates, 23% lipids, and 21% proteins. A-sludge was characterized by a high amount of proteins (40%) and a moderate amount of carbohydrates (23%), and lipids (16%), while in CEPT sludge, organic compounds were mainly 26% proteins, 18% carbohydrates, 18% lignin, and 12% lipids. The biomethane potential test showed that primary sludge and A-sludge had the highest methane yield (347 and 333 mL CH4/g VS, respectively), while methane yield of CEPT sludge was lower(245 mL CH4/g VS). A plant-wide economic evaluation for the three systems, indicated that energy surplus was the highest with CEPT. The inclusion of an A-stage had the lowest positive net energy due to the relatively high energy consumption in aeration. Considering the effluent quality of the three systems, CEPT had the highest benefits, followed by A-stage. Overall, integration of CEPT or A-stage, instead of primary clarification in existing wastewater treatment plants, has the potential to improve the effluent quality and energy recovery. AnMBRs have been applied as compact alternatives for anaerobic digesters for sludge treatment in conventional WWTPs. However, there is no information about the impact of integrating an A-stage, instead of primary clarifier, on sludge digestion in an AnMBR. The second study examines the performance of lab-scale AnMBRs, in terms of treatment and filtration performances, for both digestion of primary sludge and A-sludge. The results showed that anaerobic digestion of A-sludge yielded more methane and improved methanogenic activity in the AnMBR compared to primary sludge. The permeate of the AnMBR fed with A-sludge contained higher nitrogen and phosphorous concentrations due to higher nitrogen and dissolved phosphorous concentrations of A-sludge. No coliforms were detected in the permeates, which showed that from the hygienic point of view, the permeate had the potential to be directly used for irrigation purposes. A higher EPS concentration was observed during the digestion of A-sludge compared to the primary sludge, which accumulated on the surface of the membrane and caused an increase in transmembrane pressure (TMP) and filtration resistance. On a plant-wide level, the integration of an A-stage increased the amount of organic matter (COD) recovered from wastewater in the form of methane gas by about 15% compared to a WWTP configuration with a primary clarifier. Anaerobic digesters are operated at either mesophilic (35°C) or thermophilic (55°C) conditions. In general, it is known that higher amounts of biogas are produced from digesters operated at thermophilic conditions because of higher biochemical reaction rates. However, the specific effect of temperature on AnMBR performance for A-sludge digestion has not yet been assessed. Therefore, the third study evaluates the treatment and filtration performances of lab-scale AnMBR under mesophilic and thermophilic conditions. Higher biogas and VFAs were produced under thermophilic conditions, which were 23% and 47% higher than those under mesophilic one, respectively. Besides, the membrane could be operated at lower TMP under thermophilic conditions. However, taking into account the energy consumption and production, operating the AnMBR under mesophilic conditions would result in a more than three-fold higher net energy production than operating under thermophilic conditions, whereas surplus energy recovery under thermophilic conditions was less than the additional energy consumption. Therefore, despite the advantages of thermophilic conditions, operating AnMBR for sludge digestion under mesophilic conditions has a higher potential to improve the energy balance in the WWTPs. As found during the review (Chapter 2), there is a lack of studies demonstrating the economic benefits of using AnMBRs for sludge treatment in the WWTP. Therefore, the feasibility of the AnMBR for sludge (primary and waste activated sludge) treatment in a conventional WWTP is evaluated in the fourth study, through mathematical modeling and simulation, on unit process and plant-wide levels. The impact of HRT and SRT as control handles on the performance of the AnMBR was assessed. The amount of COD converted into methane could be increased by increasing the SRT or lowering the HRT, the former having a higher positive impact. The nitrogen and phosphorous load in the permeate increased by increasing the SRT or lowering the HRT, while the COD concentration in the permeate was hardly affected. As for the energy balance, increasing the SRT was more efficient than lowering the HRT. Indeed, increasing the SRT caused a significant increase in energy production while lowering the HRT only slightly reduced the energy consumption and did not affect the energy production. On a plant-wide level, the integration of an AnMBR instead of the anaerobic digester decreased the operational costs of the WWTP by 27%, but led to a worse effluent quality. The latter could be remedied by post-treatment of the permeate by struvite recovery and nitrogen removal through partial nitritation/anammox, at the same time further decreasing the operational costs - with 35% compared to a conventional WWTP. Overall, applying AnMBR for sludge treatment combined with post-treatment of the permeate provides effluent quality that meets the EU regulations and implies significant operational cost savings for wastewater treatment. Finally, Chapter 5 summarizes the main findings of the previous chapters and gives perspectives for further research inspired from the thesis.
Benzer Tezler
- Investigation of textile industry wastewater treatment using laboratory and pilot scale submerged membrane bioreactors (MBR)
Tekstil atıksularının laboratuvar ve pilot ölçekli membran biyoreaktörler ile arıtılabilirliği
MERVE ERGÜL
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Sulardaki ilaç kalıntılarının aerobik ardışık kesikli reaktörlerle gideriminin optimizasyonu
Optimization of removal of drug residues in waters by aerobic sequencing batch reactors
TOLGA BAHADIR
Doktora
Türkçe
2021
Çevre MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANİFE BÜYÜKGÜNGÖR
PROF. DR. MUSTAFA IŞIK
- Katı atık sızıntı sularının batık elektro-membran biyoreaktör sistemi ile arıtılabilirliğinin araştırılması
Investigation of solid waste leachate treatability by submerged membrane electro-bioreactor system
GÜLİZAR KURTOĞLU AKKAYA
Doktora
Türkçe
2018
Çevre MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET SİNAN BİLGİLİ
- Membran biyoreaktörü (MBR) ile evsel atıksu arıtımı
Domestic wastewater treatment with membrane bioreactor (MBR)
NEVZAT ÖZGÜ YİĞİT
Doktora
Türkçe
2007
Çevre MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. MEHMET KİTİŞ
DOÇ.DR. ÖZER ÇINAR
- Nitro-aromatik ve nitro-heterosiklik organik kirleticilerin ultrases destekli anaerobik membran biyoreaktörde arıtımı
Treatment of nitro-aromatic and nitro heterocyclic organic pollutans in ultrasound assisted anaeorobic membrane bioreactor
ENDER KARA
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Çevre MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EBUBEKİR YÜKSEL