High-rate activated sludge process for energy efficient wastewater treatment
Enerji verimli atıksu arıtımı için yüksek yüklemeli aktif çamur prosesi
- Tez No: 850825
- Danışmanlar: PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK
- 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: 139
Özet
Atıksu arıtımında kullanılan konvansiyonel aktif çamur (KAS) prosesinin en önemli kısıtları yüksek enerji tüketimi ve alan ihtiyacıdır. KAS prosesi ile atıksuyun enerji içeriğinin %30'u karbon dioksit (CO2) olarak atmosfere kaybedilirken yaklaşık %33'ünü geri kazanabilir. Artan kentsel nüfus ve atıksu hacmi, İstanbul gibi nüfus yoğunluğunun yüksek olduğu yerleşim yerlerinde KAS sistemlerinin uygulanabilirliğini kısıtlamaktadır. Bu nedenle, alan gereksinimlerini en aza indiren ve enerji geri kazanımını en üst düzeye çıkaran yenilikçi arıtma prosesleri önem kazanmaktadır. Karbon yakalama olarak bilinen bu yaklaşım, anaerobik çürütücülerde proses çamurundan biyogaz üretimini artırmak için atıksudaki karbonu çamur hattına yönlendirmeye odaklanır. İki kademeli adsorpsiyon/biyo-oksidasyon (A/B) prosesinin A kademesi, atıksudaki karbonu mineralize edip CO2 olarak kaybetmektense, çamur hattına yönlendirerek anaerobik çamur çürütücülerde daha fazla biyogaz üretmeyi amaçlar. 1980'lerde geliştirilen yüksek yüklemeli aktif çamur (YYAÇ) sistemleri, A/B prosesinde A kademesi olarak tercih edilir ve atıksu arıtma tesislerindeki (AAT) birincil çökeltime bir alternatiftir. Yüksek organik yük ile işletilen YYAÇ prosesi oldukça kısa çamur yaşı ve hidrolik bekletme süresine (HBS) sahiptir. A/B prosesinin B kademesinde ise daha düşük organik yükleme hızlarında biyolojik oksidasyon yoluyla nütrient giderimi hedeflenir. YYAÇ prosesinin, karbon yakalama ve enerji geri kazanımı açısından KAS ve birincil çökeltim proseslerine göre üstün olduğu bilinmekle beraber, döngüsel ekonomi kapsamındaki su ve maddesel geri kazanım konularında literatür çalışması sınırlıdır. Döngüsel ekonomi, sürdürülebilir üretimi teşvik eden ve ulaşım maliyetlerini ve kaynak ticaretini de azaltarak iklim değişikliğinin etkilerini azaltmayı amaçlayan bir iş modelidir. Bu tez, YYAÇ prosesinin döngüsel ekonomi ilkeleriyle uyumlu bir şekilde sürdürülebilir atıksu arıtımındaki potansiyelini araştırmayı amaçlamaktadır. Literatürdeki çoğu çalışmada ve tam ölçekli uygulamalarda YYAÇ sistemlerindeki katı-sıvı ayrımı konvansiyonel çökeltim tankları ile sağlanmaktadır. Lamelli çökeltim tankları, konvansiyonel çökeltim tanklarına göre daha küçük alanda daha yüksek verimde katı-sıvı ayrımı sağlayabilmektedir. Bu nedenle YYAÇ prosesinde konvansiyonel yerine lamelli çökeltim tankı tercih edilerek prosesin ayak izi daha da azaltılabilir. Ancak literatürde lamelli çökeltim tankı ile katı-sıvı ayrımı yapan YYAÇ prosesi kapsamlı bir şekilde çalışılmamıştır. Bu tezde, sürdürülebilir atıksu arıtımında YYAÇ prosesinin potansiyelini beş ayrı alt çalışma ile araştırılmıştır: Çalışma 1, lamelli çökeltim tankı bulunan bir YYAÇ prosesi için optimum çalışma koşullarının belirlenmesi; Çalışma 2, gelecekteki YYAÇ prosesi uygulamaları için uygulamaya yönelik bir araç sağlamak üzere YYAÇ prosesinin matematiksel modellemesi; Çalışma 3, YYAÇ prosesi ve membran filtrasyonu entegrasyonu ile endüstriler için geri kazanılmış su üretiminin test edilmesi; Çalışma 4, YYAÇ prosesinin çıkış suyunun farklı prosesler ile arıtılıp sulama suyu elde edilmesi; ve Çalışma 5, YYAÇ prosesinin arıtma performansını ve döngüsel ekonomi kapsamında kaynak döngüselliğini artırmak için SAT çamurunun YYAÇ prosesinde yeniden kullanımının araştırılması. Bahsi geçen araştırma konuları, gerçek kentsel atıksu kullanılarak pilot ve laboratuvar ölçekte incelenmiştir. İstanbul'da tam ölçekli bir ön arıtma tesisinde lamelli çökeltim tankı bulunan pilot ölçekli bir YYAÇ tesisi inşa edilmiştir. Tesis, iki yıl boyunca çeşitli koşullar altında çalıştırılmıştır. Membran filtrasyonu ve kimyasal çökeltimi içeren laboratuvar ölçekli deneyler ise aynı atıksu ön arıtma tesisinden alınan gerçek kentsel atıksu ile gerçekleştirilmiştir. Çalışma 1 ile lamelli çökeltim tankı içeren pilot ölçekli YYAÇ sistemi için en uygun çalışma koşulları belirlenmiştir. Lamelli çökeltim tankı ile konvansiyonel çökeltim tankına göre daha az yer kaplayarak çıkış suyunda daha düşük konsantrasyonda askıda katı madde (AKM) elde edilmiştir. YYAÇ sisteminin optimum çalışma koşulu, 75 dk'lık HBS ve 0,5 mg/L'lik çözünmüş oksijen (ÇO) konsantrasyonu olarak belirlenmiştir. Bu koşulda, en iyi çıkış kalitesi elde edilmiş ve en yüksek oranda karbon çamur hattına yönlendirilmiştir. Ayrıca en fazla hücre dışı polimerik madde (extracellular polymeric substance (EPS)) üretimi de bu koşulda gözlenmiştir. Çalışma ile HBS'yi azaltmanın biyosorpsiyonu artırdığı ancak çıkış suyundaki kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ)'nı da artırdığı ortaya konmuştur. Düşük ÇO konsantrasyonlarının ise organik madde mineralizasyonunu azalttığı, ancak zayıf flok oluşumuna ve dolayısıyla çıkış suyunda yüksek partiküler KOİ (xKOİ) konsantrasyonuna sebep olduğu bulunmuştur. Daha yüksek ÇO konsantrasyonları KOİ oksidasyonunu artırmış ve çamur hattına yönlendirilen karbon miktarını azaltmıştır. YYAÇ prosesinin çıkış suyundaki azot ve fosfor içeriği bu akımın yeniden kullanımının özellikle tarımsal uygulamalar için faydalı olabileceğini işaret etmektedir. Atıksu arıtma sistemlerinin matematiksel modellemesi, AAT'lerin tasarımı ve optimizasyonunda çok önemli bir rol oynamaktadır. Modelleme çalışmalarında atıksudaki karbon ve nütrientlerin biyokimyasal dönüşümünü analiz edilerek, sistemin değişen koşullar altındaki performansı tahmin edilir. Mevcut YYAÇ proses modelleri aşırı derecede karmaşık veya adsorpsiyon gibi önemli prosesleri dikkate almayacak kadar basittir. Mevcut modellerde esas olarak karbon giderimine odaklanılmış ve modellerin doğruluğunun değerlendirilmesinde yaygın olarak kullanılan duyarlılık ile belirsizlik analizleri uygulanmamıştır. Çalışma 2'de, Aktif Çamur Modeli No. 1 ve 3 (AÇM1 ve AÇM3) modifiye edilerek, adsorpsiyon ve depolama proseslerini de içeren uygulamaya yönelik yeni bir YYAÇ modeli oluşturulmuştur. Model, pilot ölçekli YYAÇ tesisinden alınan dinamik veriler ile kalibre edilmiştir. Modelleme çalışması ile maksimum spesifik büyüme hızı (µ), büyüme verimi (YH), depolama verimi (YSTO), depolama hızı (kSTO), ölüm hızı (b), ve kolay ayrışabilir substrat yarı doygunluk sabiti (KS1) model parametrelerinin YYAÇ sistemi için etkili olduğu ortaya konmuştur. Böylelikle kalibrasyon adımında sadece önemli parametreler kalibre edilmiş ve işlem sadeleştirilmiştir. Kalibre edilen YYAÇ modeli, havalandırma tankındaki AKM konsantrasyonu ile çıkış suyundaki toplam toplam KOİ (tKOİ), çözünmüş KOİ (sKOİ), xKOİ, azot (TN), amonyum azotu (SNH), toplam fosfor (TP), çözünmüş TP (sTP) ve partiküler TP (xTP) konsantrasyonlarını %70'in üzerinde bir verimle oldukça iyi bir şekilde tahmin etmiştir. Ancak belirsizlik analizleri, modelin çıkış suyundaki sKOİ konsantrasyonunu daha yüksek tahmin ettiğini ortaya koymuştur. Ayrıca, belirsizlik analizi ile modelin çıkış suyundaki sTP konsantrasyonu tahminin, pilot ölçekli sistemden elde edilen verilere göre yeterince dinamik olmadığı gösterilmiştir. YYAÇ modeline dahil edilmeyen ama çıkıştaki sTP konsantrasyonunu etkileyebilen bazı atıksu karakterizasyon parametrelerinin buna neden olduğu düşünülmektedir. Bu parametreler, konvansiyonel atıksu karakterizasyon parametreleri olmadığı için modele dahil edilmemiştir. Bir başka neden ise çözünmüş fosforun atıksudaki başka maddelerle birleşerek çökelmesi prosesinin modele dahil edilmemesi olabilir. YYAÇ prosesi düşük enerji tüketimi ve çıkış suyundaki yüksek azot ve fosfor içeriği ile suyun yeniden kullanımına oldukça uygun olmasına rağmen, az yer kaplayan alternatiflerle suyun geri kazanılması hakkında yapılan çalışma sayısı azdır. Çalışma 3'te, endüstriyel kullanıma uygun su geri kazanımı için farklı arıtma konfigürasyonları deneysel ve maliyet analizleri ile karşılaştırılmıştır. Endüstriler genelde soğutma kulelerinde, işletme sırasında kaybedilen suyun telafisi için geri kazanılan su tercih etmektedir. Telafi suyunun kalitesi, soğutma kulesinin tasarımına bağlı olarak değişmektedir. Bu çalışmada, evsel atıksu, altı farklı arıtma konfigürasyonu ile arıtılarak soğutma kuleleri için telafi suyu üretimi hedeflenmiştir. Bu kapsamda, gerçek kentsel atıksu, üç farklı ön arıtma (mikrofiltrasyon (MF) ve ultrafiltrasyon (UF) ile direkt membran filtrasyonu (DMF) ve YYAÇ prosesi) ve iki farklı son arıtma alternatifinin (nanofiltrasyon (NF) ve ters ozmos (TO)) kombinasyonları ile arıtılmıştır. NF ve RO membranlarının arıtma performansı, her arıtma konfigürasyonunda geri kazanılan suyun soğutma kulesi telafi suyu için gerekli kalite standartlarını karşılamasını sağlamıştır. Ön arıtma alternatifleri karşılaştırıldığında, YYAÇ prosesinin çıkış suyundaki bulanıklığın, MF ve UF membranları ile DMF prosesine göre daha yüksek olduğu gözlenmiştir. Buna rağmen, maliyet analizi ile YYAÇ+NF konfigürasyonunun 0,38 €/m3'lük arıtma maliyetiyle en uygun maliyetli arıtmayı sunduğunu ortaya konmuştur. Bunun sebebi DMF prosesinin enerji maliyetinin YYAÇ prosesinin enerji maliyetinden daha yüksek olmasıdır. Çalışma 4'te, YYAÇ prosesinin çıkış suyundan sulama suyu elde etmek için dört farklı son arıtma alternatifi karşılaştırılmıştır. UF membran filtrasyonu, MF membran filtrasyonu, demir(III) klorür (FeCl3) ve alüminyum sülfat (alum) ile kimyasal çökeltim alternatifleri laboratuvar ölçekli sistemlerde karşılaştırılmıştır, her bir arıtma alternatifi sonunda ultraviyole (UV) dezenfeksiyonu ile patojen giderimi sağlanmıştır. Geri kazanılan su kalitelerini karşılaştırmak için Avrupa Birliği minimum su kalite kriterine uygun bir geri kazanılan su kalite indeksi (GSKİ) kullanılmıştır. GSKİ hesaplarına, tarım için faydalı olan arıtılmış suyun azot ve fosfor içeriği de dahil edilmiştir. Alternatifler arasında yalnızca UF membran filtrasyonu ve ardından UV dezenfeksiyonu ile en iyi kalitede sulama suyu (A Sınıfı) üretilmiştir. Diğer alternatifler ile ise B Sınıfı kalitede sulama suyu elde edilmiştir. Maliyet analizi ile UF+UV alternatifinin en yüksek, FeCl3 ile çökeltim+UV alternatifinin ise en düşük işletme maliyetine sahip olduğu bulunmuştur. Çalışmada hesaplanan birim enerji maliyetleri literatür ile uyumludur. Elde edilen bulgular, YYAÇ çıkış suyunun, KAS prosesi çıkış suyu ile karşılaştırılabilir maliyetlerde sulama suyu üretimi için kullanılabileceğini göstermiştir. Tam ölçekli YYAÇ proseslerinde koagülant yardımı ile partiküler madde ve fosfor giderimi iyileştirilmekte, ancak bu uygulama işletme maliyetlerini artırmaktadır. Su arıtma tesislerinde (SAT) ham sudaki partikülleri ve kolloidal maddeleri gidermek için çeşitli koagülantlar kullanılmakta ve bunun sonucu olarak inorganik içeriği yüksek çamur oluşmaktadır. Geleneksel olarak, bu çamur düzenli depolama alanlarında bertaraf edilmektedir. Ancak, döngüsel ekonomi modelinin ilkeleriyle uyumlu atıksu arıtma sektöründeki mevcut eğilim, kaynakların yeniden kullanımına odaklanmaktadır. Bu bağlamda, SAT çamurunun, AAT'lerde çeşitli uygulamalar için doğrudan veya dolaylı olarak kullanımı öne çıkmaktadır. Ancak bu çalışmaların çoğu uygulamanın AAT'nin arıtma verimini iyileştirdiğini laboratuvar ölçekli deneylerle göstermiştir ve AAT proses çamurunun anaerobik çürütülebilirliği üzerindeki etkisi genellikle göz ardı edilmiştir. Çalışma 5 ile SAT çamurunun YYAÇ sisteminde yeniden kullanılmasının arıtma verimi ve enerji geri kazanımı üzerindeki etkisi araştırmıştır. Jar test ile demir ve alum çamurunun YYAÇ prosesine etkisi karşılaştırılmış ve demir çamurunun partiküllerin giderilmesinde daha etkili olduğunu bulunmuştur. Ardından pilot ölçekli YYAÇ sistemine demir çamuru sürekli olarak ilave edilmiştir. SAT çamurunun eklenmesinin, YYAÇ prosesinin havalandırma tankındaki çamurun partikül boyutunu arttırdığı, çökelebilirliğini ve susuzlaştırılabilirliğini iyileştiği gözlenmiştir. Ancak çıkış suyu kalite indeksi (ÇSKİ) hesaplarına göre, SAT çamurunun yeniden kullanımı ile YYAÇ prosesi çıkış suyunda yalnızca %2'lik bir iyileşme olduğu bulunmuştur. Bunun sebebi, YYAÇ proses çamuruna dahil olacak SAT çamuru miktarını sınırlamak için SAT çamuru dozunun minimum tutulmasıdır. Çünkü SAT çamurunun organik içeriği çok düşüktür ve YYAÇ proses çamurundan geri kazanılacak enerji miktarını azaltması beklenir. Biyometan potansiyeli (BMP) testleri ile sınırlı miktarda SAT çamuru ilavesinin bile YYAÇ proses çamurunun BMP'sini azalttığını görülmüştür. Bununla birlikte, maliyet analizi ile SAT çamurunun YYAÇ tesisinde yeniden kullanılmasının, çamur transfer/bertaraf ve atıksu arıtma maliyetleri ile biyogaz üretiminden elde edilen enerji tasarrufunu kapsayan toplam maliyette %11'lik bir azalmaya yol açacağı tahmin edilmiştir. Bu çalışma ile su ve atıksu arıtma tesislerinin entegre edilmesi ve kaynak döngüselliğinin önünde maliyetin bir engel olmadığı ortaya konmuştur. Bu tez, YYAÇ prosesinin döngüsel ekonomi çerçevesinde enerjiye ek olarak su ve maddesel geri kazanıma katkıda bulunma potansiyelini vurgulamaktadır. Modelin sTP'yi tahmin etmedeki doğruluğunu arttırmak için fosfor çökelmesini simüle edilebilir. Ancak çökelme prosesinin modele tanımlanması, atık su özellikleri hakkında ek veri gerektirecek ve modelin karmaşıklığını artıracaktır. Su ve nütrient geri kazanımı için çeşitli arıtma kombinasyonlarının pilot ölçekte araştırılması daha kapsamlı bir ekonomik analiz yapılmasını sağlayabilir. Bu çalışmada, SAT çamuru YYAÇ prosesine doğrudan ilave edilmiş, bu da arıtma performansında sınırlı bir iyileşme ile sonuçlanmıştır. İleride, SAT çamurundan asidifikasyon gibi yöntemlerle geri kazanılan koagülantların YYAÇ prosesine ilave edilmesi pilot ölçekli olarak çalışılabilir. Böylelikle YYAÇ sistemine dahil olan inert çamur miktarı sınırlanır. Ancak SAT çamurundan koagülant geri kazanımı maliyeti de dikkate alınmalıdır. Böyle bir çalışma, su ve atıksu arıtma tesislerinin entegrasyonu ile maddeler döngüsellik konusuna ışık tutacaktır.
Özet (Çeviri)
The conventional activated sludge (CAS) process used in wastewater treatment is inefficient in terms of energy and requires a large space. CAS plants can only recover around 33% of the energy in wastewater, which is a significant drawback. The growing urban population and wastewater volume pose a challenge in land-constrained areas like Istanbul. Therefore, it is important to adopt innovative treatment processes that minimize land requirements, maximize organic matter capture, and reduce carbon dioxide (CO2) losses. This approach, known as carbon capture, redirection, or harvesting, focuses on diverting carbon from wastewater to the sludge line for biogas production in anaerobic digesters. High-rate activated sludge (HRAS) systems, developed in the 1980s, aim to redirect carbon from wastewater to anaerobic digesters for energy production, offering an alternative to primary sedimentation in wastewater treatment plants (WWTPs). They are operated at high organic loading rates and have short sludge retention times (SRTs) and hydraulic retention times (HRTs). In the B-stage, pollutant removal primarily occurs through biological oxidation at lower organic loading rates. The HRAS process has proven to be superior to CAS and primary sedimentation units with regard to carbon redirection and methane generation during anaerobic digestion. However, several areas for improvement have been identified based on existing literature. Firstly, there is a lack of information regarding the performance of HRAS systems when equipped with lamella clarifiers, which can enhance the performance of solid-liquid separation in WWTPs. Secondly, existing mathematical modeling studies of the HRAS process are either overly complex or overly simplistic, often overlooking important processes like adsorption and focusing primarily on carbon removal. Furthermore, sensitivity and uncertainty analyses, commonly employed to assess the robustness of models, have not been extensively applied to HRAS system models. Thirdly, despite its potential, there is a scarcity of literature on integrating the HRAS process into water reclamation practices, which could benefit from its smaller spatial footprint, lower energy consumption, and nutrient-rich effluent. Lastly, it is essential to address the fact that the use of coagulants in the HRAS process improves phosphorus removal efficiency while increasing operational costs. Limited research has been conducted on the impact of using water treatment plant (WTP) sludge on the anaerobic digestion of waste sludge in WWTPs and its influence on HRAS process performance and energy recovery. This thesis explores the potential of the HRAS process in sustainable wastewater treatment and investigates the following research topics: Study 1, optimum operational conditions for the HRAS process with a lamella clarifier, Study 2, mathematical modelling of the HRAS process to provide a practical tool for future implementations of HRAS plants, Study 3, integration of membrane filtration for reclaimed water production for industries, Study 4, post-treatment alternatives for HRAS process effluent for irrigation purposes, and Study 5, the reuse of WTP sludge to enhance treatment performance and resource circularity. These topics were investigated through pilot and laboratory scale studies using real municipal wastewater. A pilot-scale HRAS plant with a lamella clarifier was constructed in a full-scale preliminary WWTP (PWWTP) in Istanbul. The plant was operated under various conditions for two years to address the research topics. Laboratory-scale experiments involving membrane filtration and chemical precipitation were conducted using real municipal wastewater collected from the same PWWTP. Study 1 focused on determining the optimal operational conditions for the pilot-scale HRAS system coupled with a lamella clarifier. The study found that using a lamella clarifier resulted in lower total suspended solids (TSS) concentrations in the effluent and required a smaller footprint compared to a conventional clarifier. The optimum operational condition was identified as Stage 1, with an HRT of 75 minutes and a dissolved oxygen (DO) concentration of 0.5 mg/L. This condition demonstrated the best effluent quality, highest carbon capture, and highest production of extracellular polymeric substance (EPS). The study also found that reducing the HRT increased biosorption but led to increased chemical oxygen demand (COD) loss through the effluent. Lower DO concentrations promoted carbon redirection but resulted in weak floc formation and increased particulate COD (xCOD) loss. Meanwhile, higher DO concentrations enhanced COD oxidation but allowed more particles to escape through the effluent. Overall, the HRAS process with a lamella clarifier showed promising particulate matter removal efficiency and the potential for reclaimed water production. Studies 3 and 4 further investigated the inclusion of the HRAS process in reclaimed water production systems. Study 2 developed and calibrated a mathematical model for HRAS systems by integrating Activated Sludge Models No. 1 and 3 (ASM1 and ASM3), accounting for substrate adsorption and storage. The calibration utilized dynamic data from the pilot-scale HRAS plant and identified influential parameters like maximum specific growth rate (µ), growth yield (YH), storage yield (YSTO), storage rate (kSTO), decay rate (b), and readily biodegradable substrate half-saturation coefficient (KS1). The calibrated model demonstrated satisfactory efficiencies for mixed liquor suspended solids (MLSS), total COD (tCOD), soluble COD (sCOD), xCOD, total nitrogen (TN), ammonia nitrogen (SNH), total phosphorus (TP), soluble TP (sTP), and particulate TP (xTP), all above 70%. However, an uncertainty analysis exposed discrepancies in sCOD. The study also highlighted the potential to enhance sTP dynamic behavior estimation. The low model efficiency is likely due to variations in wastewater characteristics, especially the phosphorus (P) fractions, which were not dynamically considered in the model. Another reason could be the precipitation of phosphate salts, which was not included in the model. Overall, the study offers valuable insights into influential parameters and opportunities for refining the HRAS process modeling. Study 3 encompassed both experimental and cost analyses to evaluate different treatment configurations for water reclamation. Six configurations were examined, incorporating pre-treatment options like direct membrane filtration (DMF) via microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) membranes, and HRAS, and final treatment alternatives such as nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO). The performance of NF and RO membranes ensured that the reclaimed water from each scenario met the required quality standards for cooling tower makeup water. Despite HRAS producing effluent with higher turbidity compared to MF and UF membranes, the cost analysis revealed that the HRAS+NF configuration (C3) offered the most cost-effective treatment, with a cost of 0.38 €/m3 of wastewater. This cost advantage was due to the lower expenses associated with the HRAS process compared to MF and UF membranes. The study concluded that the C3 configuration has the potential to produce reclaimed water suitable for cooling towers, thereby reducing the water footprint of industries and promoting water circularity. Study 4 compared various post-treatment alternatives for generating irrigation water from the effluent of the HRAS process. UF membrane filtration showed the best treatment performance compared to MF membrane filtration, iron(III) chloride (FeCl3) coagulation, and aluminum sulfate (alum) coagulation. Ultraviolet (UV) disinfection was implemented in all options to ensure pathogen removal. The membrane filtration techniques effectively removed particulate matter, while coagulant doses were adjusted to achieve TSS concentrations below 10 mg/L in the supernatant. Among the alternatives, only UF membrane filtration followed by UV disinfection (referred to as A2) produced Class A quality reclaimed water, meeting the highest standards. However, A2 also had the highest operating cost. Alternatives A1, A3, and A4 produced Class B quality reclaimed water, with operating costs decreasing as the reclaimed water quality decreased. A3 (coagulation with FeCl3+UV disinfection) had the lowest operating cost. The energy consumption per unit volume was consistent with previous studies. The findings demonstrated that the HRAS process's effluent can be effectively utilized for irrigation water production with comparable costs to traditional CAS systems. Study 5 investigated the impact of using WTP sludge in a HRAS system. Jar tests compared the performance of iron sludge and alum sludge in terms of removal efficiency, with iron sludge proving more effective in removing particulates. Incorporating iron sludge into the HRAS system resulted in slight improvements in TSS and xCOD removal efficiencies. The environmental impact, measured by the effluent quality index (EQI), improved by 2% through WTP sludge use. Additionally, adding WTP sludge increased the particle size of sludge in the aeration tank, enhancing settleability and dewaterability, which reduces sludge treatment costs. However, biomethane potential (BMP) tests showed that the addition of iron sludge decreased the BMP of HRAS process sludge. Cost estimations were conducted for different sludge management scenarios, considering transfer, disposal, and wastewater treatment costs, along with energy savings from biogas production. Using WTP sludge in the HRAS plant led to an estimated 11% reduction in the total cost, indicating the potential for mutual benefits for WTPs and WWTPs in terms of finances and the environment. Integrating water and wastewater treatment plants can promote resource circularity and maximize resource utilization efficiency. This thesis highlights the potential of the HRAS process in contributing to water and material recovery in the circular economy. To enhance the model's accuracy in estimating sTP, simulating phosphate salt precipitation may be necessary. However, this improvement would necessitate additional data on wastewater characteristics and increase the model's complexity. To further explore water reuse and nutrient recovery, a more comprehensive economic analysis could be conducted, investigating various treatment combinations at the pilot scale. In this study, the direct integration of WTP sludge into the HRAS process resulted in limited improvement in treatment performance. Future research could be conducting pilot-scale tests to enhance this approach for increased treatment efficiency and biogas production, possibly through coagulant recovery processes like acidification. Such research would offer valuable insights into the circularity between water and wastewater treatment plants.
Benzer Tezler
- 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
ŞADİYE KOŞAR
Doktora
İngilizce
2022
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Application of high-rate activated sludge processes in municipal wastewater treatment
Evsel atıksu arıtımında yüksek hızlı aktif çamur proseslerin uygulanması
MUHAMMED NİMET HAMİDİ
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Energy efficient co-treatment of municipal wastewater and food waste
Kentsel atıksu ve yemek atıklarının enerji verimli birlikte arıtımı
HÜSEYİN GÜVEN
Doktora
İngilizce
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK
- 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
- Atık su arıtım tesislerinin model öngörmeli kontrolü
Model predictive control of wastewater treatment plants
EVRİM AKYÜREK
Yüksek Lisans
Türkçe
2009
Kimya MühendisliğiAnkara ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RIDVAN BERBER