Impact of the co-treatment of food waste and municipal wastewater on the performance of an aerobic granular sludge system
Yemek atıkları ve evsel atıksuların birlikte arıtılmasının aerobik granüler çamur sisteminin performansı üzerinde etkisi
- Tez No: 863591
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HALE ÖZGÜN ERŞAHİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- 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: 79
Özet
Atıksu arıtma yaklaşımında alıcı ortamın kalitesini korumak için belirlenmiş olan deşarj standartlarını sağlamak yıllardır birincil öncelik olmuştur. Ancak son yıllarda atıksu arıtma tesislerinde (AAT) enerji verimliliği ve kaynak geri kazanımı da arıtma kalitesi kadar önemli hale gelmiştir. Aerobik granüler çamur (GAÇ) teknolojisi, düşük enerji tüketimi ve az alan gereksinimi ile yenilikçi bir atıksı arıtma teknolojisidir. GAÇ prosesinde, konvansiyonel aktif çamur prosesinde kullanılan floklar yerine, ardışık kesikli reaktör (AKR) içerisinde mikroorganizmaların bir araya gelerek daha yoğun, büyük ve ağır granüler yapı oluşturması sağlanmaktadır. Granüler yapı çamurun çökelebilirliğini arttırmakta olup, GAÇ prosesinde geniş yer kaplayan çökeltim tanklarına ihtiyaç duyulmamaktadır. Aerobik granüller, gevşek ve düzensiz yapıdaki aktif çamur floklarından daha büyük ve ağır olduğundan, granüllerin çökelme hızı aktif çamur floklarının çökelme hızının yaklaşık 3-4 katıdır. GAÇ sistemi AKR prensibi ile işletilmekte olup, her döngü; besleme/deşarj, anaerobik faz, aerobik faz, çökelme fazı ve bekleme fazından oluşmaktadır. GAÇ prosesinde karbon, azot ve fosfor giderimini gerçekleştiren aerobik, anoksik ve anaerobik biyolojik aktiviteler tek bir granülün içerisinde gerçekleşmektedir. GAÇ prosesinin uygulandığı reaktörler kesikli olarak işletildiğinden; karbon, azot ve fosfor giderim mekanizmaları tek bir reaktörde gerçekleştirilebilmektedir. GAÇ sistemi ayrıca yüksek organik yükleme hızı (OYH)'na ve toksik şoklara karşı dirençlidir. Ganüler yapı, hücrelerin agrega oluşturmasıyla meydana gelmekte olup, birçok faktörden etkilenmektedir. Bu faktörler; çökelme süresi, hidrodinamik kuvvetler, OYH ve hidrolik bekletme süresi (HBS) gibi işletme koşullarıdır. Bir diğer önemli faktör iki farklı substratın birlikte beslenmesidir. İki farklı substratın birlikte kullanılmasında en yaygın olarak uygulanan yemek atığı, yüksek miktarda biyobozunur madde içermektedir. Mutfaklardan ve evlerden kaynaklanan yemek atıkları, tipik katı atık toplama sistemleri aracılığıyla AAT'lere gönderilebilir. Evlere monte edilen mutfak öğütücüleri ile organik katı atığın AAT'lere aktarılması sağlanabilir. Bu çalışmada, GAÇ sisteminde kentsel atıksuyun ve yemek atığının birlikte arıtılmasının sistemin performansı ve granül morfolojisi üzerindeki etkisi araştırılmaktadır. Bu çalışmada; laboratuvar ölçekli GAÇ sistemi iki kademede işletilmiştir. 1. kademede günlük kapasitesi 600000 m3/gün olan tam ölçekli bir kentsel AAT'den alınan atıksu ile GAÇ sistemi beslenmiştir. 2. kademede ise GAÇ reaktörü kentsel atıksu ve yemek atığının karışımı ile beslenmiştir. Çalışma kapsamında, laboratuvar ölçekli GAÇ sistemi AKR olarak işletilmiştir. Bu çalışmada bir döngü; besleme fazı 3 dk, deşarj fazı 20 dk, anaerobik faz 65 dk, aerobik faz 120 dk, çökelme fazı 30 dk ve bekleme fazı 2 dk olacak şekilde toplam 240 dk'dır. GAÇ reaktörünün yükseklik-çap (H/D) oranı 16:1'dir. Çalışma sırasında ölçülecek parametreler; askıda katı madde (AKM), uçucu askıda katı madde (UAKM), kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), pH, toplam azot (TN), toplam fosfor (TP) ve amonyum azotu (NH4-N)'dur. 1. ve 2. kademede, AGS sistemi benzer OYH'ler ile işletilmiş olmuş, 1. ve 2. kademedeki ortalama OYH değerleri sırasıyla 0,97 ± 0,03 ve 0,96 ± 0,02 kg KOİ/m3∙gün'dür. GAÇ sisteminin arıtma performansı incelendiğinde; her iki kademede, %80'in üzerinde KOİ giderim verimi elde edilmiştir. TP giderim verimi ise 1. ve 2. kademede sırasıyla, %60 ± 2 ve %71 ± 2'dir. 1. ve 2. kademede elde edilen TN giderim verimi değerleri sırasıyla %63 ± 2 ve %75 ± 2 olup, 1.kademe ile karşılaştırıldığında, 2. kademede TN ve TP giderim verimlerinin daha yüksek olduğu görülmüştür. Her iki kademede yüksek NH4-N giderim verimi (>%99) sağlanmıştır. Her iki kademede giriş ve çıkış suyunda nitrit azotu (NO2-N) konsantrasyonları 0,05 mg NO2-N/L'den düşüktür. 1. kademe çıkış suyundaki nitrat azotu (NO3-N) konsantrasyonu 15,4 ± 1,1 mg NO3-N/L iken, 2. kademede bu değer 9,9 ± 0,8 mg NO3-N/L'dir. 1. kademe çıkış suyunda daha yüksek azot konsantrasyonu gözlenmesinin sebebi denitrifikasyon bakterilerinin ihtiyacından daha az karbonun sisteme beslenmesidir. 1. kademede sisteme beslenen atıksuyun KOİ/TN oranı 6,98 ± 0,22'dir. 2. kademede ise KOİ/TN oranı 9,65 ± 0,57'dir. Karbon/Azot (C/N) oranı azot gideriminde denitrifikasyon bakterileri için oldukça önemlidir. Bu oran yeterince yüksek olmadığında denitrifikasyon karbon yetersizliği nedeniyle tamamlanamaz ve çıkış suyunda yüksek konsantrasyonda nitrat ölçümüne neden olur. AAT'lerin enerji açısından kendi kendine yeterliliğini arttırmak için en sık kullanılan yaklaşım sisteme anaerobik çamur çürütme uygulamalarının entegrasyonudur. Bu nedenle, 1. ve 2. kademede oluşan fazla çamurun biyometan potansiyeli (BMP) ölçülmüştür. 1. ve 2. kademedeki BMP değerleri sırasıyla 173 ± 16 mL CH4/g UKM ve 195 ± 17 mL CH4/g UKM'dir. Granüllerin morfolojisini incelemek amacıyla Enerji Dağılımlı X-Işınları Mikroanaliz (EDX) Spektrometresi destekli Taramalı Elektron Mikroskobu (Scanning Electron Microscope) (ESEM) kullanılmıştır. ESEM görüntüleri incelendiğinde; 1. kademeye göre 2. kademedeki granüllerin daha kompakt bir yapıya sahip olduğu gözlenmiştir. EDX sonuçlarına göre, her iki aşamada granüler çamurdaki element dağılımın büyük ölçüde birbirine benzediği tespit edilmiştir. 1. kademede ortalama granül çapı 1,42 mm iken, 2.kademede bu değer 1,54 mm'dir. Granül çaplarının dağılımları incelendiğinde; 0,5-1 mm, 1-2 mm ve 2 mm'den büyük granüllerin sırasıyla 1. kademe %91, %5 ve %4 oranlarında, 2. kademede ise %74, %22 ve %4 oranlarında olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, aerobik granüllerin yüzeyindeki fonksiyonel grupların benzerliğini ortaya koyan Fourier dönüşümlü kızılötesi (FTIR) spektroskopi analizi yapılmıştır. FTIR spektrum analizleri sonuçları incelendiğinde; 1. ve 2. kademelere ait piklerin benzer olduğu gözlenmiştir. FTIR spektrum analizi sonuçlarına göre; aerobik granüllerin yüzeylerinde protein ve polisakkarit türü yapıların bulunduğu tespit edilmiştir. Hücre dışına salınan polimerik maddeler (EPS) granüllerin daha kompakt yapıya sahip olmaları yoluyla granülasyona katkı sağlamaktadır. EPS; protein veya karbonhidrat kökenli olabilmektedir. 1. kademeye ait protein ve karbonhidrat kökenli EPS'ler sırasıyla 51,7 ± 0,8 mg/g UAKM ve 62,6 ± 1,9 mg/g UAKM olarak ölçülmüştür. 2. kademeye ait PN ve PS değerleri ise 14,7 ± 0,5 mg/g UAKM ve 16,4 ± 0,3 mg/g UAKM olarak ölçülmüştür. Bu çalışma sonucunda elde edilen bulgular, GAÇ sisteminde yemek atıkları ile kentsel atıksuyun birlikte arıtılmasının, sistemin arıtma performansı ve granül morfolojisi üzerinde olumlu etkileri olduğunu ortaya koymuştur.
Özet (Çeviri)
Due to the improvement in urbanization and industrialization, the assimilation capacity of the environment is decreasing. Municipal wastewater includes a significant amount of organics and nutrients that can be hazardous to the ecosystem. Hence, the treatment of wastewater is vital for public health. Biological treatment is the most frequent method in wastewater treatment to remove pollutants discharged into the aquatic environment. Biological nutrient removal (BNR) systems are widely used to remove nutrients from wastewater. Among the BNR processes, the anaerobic/anoxic/aerobic (A2O) process has a wide range of uses in wastewater treatment to remove nitrogen and phosphorus. However, due to the high footprint and energy requirement, the need for novel technologies become important. The main objective of wastewater treatment plants (WWTPs) is to maintain sustainability by reaching a neutral/positive energy balance without compromising discharge standards. In this regard, aerobic granular sludge (AGS) technology provides an efficient treatment performance with low energy consumption and less footprint requirement compared to the A2O process. AGS process is designed to produce granules that contain both autotrophic and heterotrophic microorganisms to simultaneously remove chemical oxygen demand (COD), nitrogen, and phosphorus in a single granule. The purpose of this study was to investigate the impact of co-treatment of municipal wastewater and food waste (FW) on the treatment efficiency, settling behavior of the granules, and granule morphology. Additionally, the energy recovery potential of excess sludges from the AGS process, both fed solely with municipal wastewater and fed with a mixture of municipal wastewater and FW, was investigated. Two different stages were applied in this study. At Stage 1, the reactor was fed with sole municipal wastewater taken from a full-scale municipal WWTP having a daily capacity of 600000 m3/day, whereas a mixture of municipal wastewater and FW was fed to the reactor at Stage 2. In this study, the reactor was operated with a cycle time of 4 h, consisting of 3 min of feeding, 30 min of settling, 120 min of aeration, 65 min of anaerobic phase, 2 min of idle phase, and 20 min of decanting. At each stage, more than 80% of COD removal efficiencies were achieved. Higher total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) removal efficiencies were achieved at Stage 2 in comparison to Stage 1. An environmental scanning electron microscopy (ESEM) combined with an energy dispersive X-ray (EDX) spectroscopy was applied to examine the morphology of granules. It is observed that aerobic granules have a more uniform and compact structure at Stage 2 compared to Stage 1. According to the EDX results, aerobic granules at each stage contain a higher percentage of carbon and nitrogen, indicating a higher organic content of granular sludge. Similar peaks were observed in fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), which explained the similar functional groups on the surface of aerobic granules. Additionally, excess sludge from AGS process fed with the mixture of municipal wastewater and FW demonstrated a slightly higher methane (CH4) yield than excess sludge from the AGS process fed with solely municipal wastewater. The findings obtained from this study highlighted the importance of integration of FW as a co-substrate in the AGS process in enhancing the energy recovery and quality of effluent.
Benzer Tezler
- 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
MELEK ŞEBNEM TEMEL
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ
- Evaluation of co-substrate alternatives for co-digestion of sewage sludge: Coupling plant-wide modelling with life cycle analysis
Arıtma çamurunun birlikte çürütülmesi için ilave substrat alternatiflerinin değerlendirilmesi: Tesis bazlı modelleme ve yaşam döngüsü analizinin birlikte kullanılması
EMİRCAN KARA
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
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
- Yemekhane ve hayvansal kaynaklı farklı organik katı atıkların birlikte termofilik ve aşırı termofilik ortamda havasız arıtımının incelenmesi
The co-digestion of kitchen waste and cattle manure at thermophilic and extreme thermophilic conditions
BAHAR DİCLE
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ FUAT AYDIN
- Unlocking sustainability in wastewater denitrification through waste-derived volatile fatty acids
Atıktan kaynaklanan uçucu yağ asitleri yoluyla atıksu denitrifikasyonunda sürdürülebilirlik kilidinin açılması
TUĞBA WIKSTRÖM
Doktora
İngilizce
2024
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER
PROF. DR. MOHAMMAD J TAHERZADEH