Geri Dön

Enhancing biomethane production and phosphorus recovery from aerobic granular sludge through a thermal alkali pretreatment

Termal alkali ön arıtma ile aerobik granüler çamurdan biyometan üretiminin ve fosfor geri kazanımının arttırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 868603
  2. Yazar: MERVE ATILĞAN
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. HALE ÖZGÜN ERŞAHİN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 91

Özet

Biyolojik atıksu arıtımı, atıksuda bulunan organik maddelerin mikroorganizmalar tarafından uygun şekilde parçalanması ve tüketimi esasına dayanmakta olup, organik maddelerin ve besi maddelerinin giderimi biyokimyasal işlemlerle gerçekleştirilmektedir. Konvansiyonel arıtma sistemleri; mikroorganizmaların askıda olduğu; aerobik, anoksik ve anaerobik şartların sağlandığı reaktörler ile son çökeltim tankı ve çamur geri devir hatlarından oluşmaktadır. Havalandırma havuzunda (aerobik reaktör) oluşan zayıf yapıdaki çamur flokları yer çekimi kuvvetinin de etkisiyle son çökeltim tankında su fazından ayrılmakta ve arıtma çıkışında duru bir faz elde edilmektedir. Yenilikçi bir atıksu arıtma teknolojisi olan aerobik granüler çamur (GAÇ) prosesinde; konvansiyonel sistemlerdeki floklar yerine, ardışık kesikli reaktör (AKR) içerisinde mikroorganizmaların bir araya gelerek daha yoğun, büyük ve ağır“granül”yapısı oluşturması sağlanmaktadır. GAÇ sistemi AKR prensibi ile işletilmekte olup, her döngü; besleme/deşarj, anaerobik faz, aerobik faz, çökelme fazı ve bekleme fazından oluşmaktadır. GAÇ prosesinde karbon ve besi maddesi (azot ve fosfor) giderimini gerçekleştiren aerobik, anoksik ve anaerobik biyolojik aktiviteler tek bir granülün içerisinde gerçekleşmektedir. GAÇ prosesinde reaktörler kesikli olarak işletilmekte olup; karbon, azot ve fosfor giderim mekanizmaları tek bir reaktörde gerçekleştirilebilmektedir. Tam ölçekli bir GAÇ tesisi, konvansiyonel tesislere göre %25-75 daha az yer kaplamakta ve %20-50 daha az enerji harcamaktadır. GAÇ prosesinden elde edilen granüler çamurun anaerobik çürütülmesi ile ısı ve elektrik formunda enerji geri kazanımı sağlanmaktadır. Anaerobik çürütme öncesinde uygulanan ön arıtma işlemi, biyogaz oluşumunu önemli ölçüde arttırabilmektedir. Ön arıtma uygulaması ile hücre duvarı parçalanarak hücre dışı polimerik madde (EPS)'lerin sıvı faza bırakılması sağlanmaktadır. Termal, fiziksel ve kimyasal gibi farklı ön arıtma yöntemleri uygulanabilir. Termal ön arıtma yönteminde, organik maddeyi parçalamak için sıcaklıktan yararlanılmaktadır. Kimyasal ön arıtma yönteminde; alkali ön arıtma yaygın olarak kullanılmaktadır. Alkali koşullar hidrolizin geliştirilmesine yağların, hidrokarbonların ve proteinlerin alifatik asitler, polisakkaritler ve amino asitler gibi daha küçük ve çözünür maddelere dönüştürülmesine olanak sağlamaktadır. Ön arıtma yöntemleri birlikte de kullanılabilmektedir (Örneğin; fiziko-kimyasal, termal-alkali vb.). Anaerobik çürütülmüş çamur fosfor geri kazanımı açısından oldukça yüksek bir potansiyele sahiptir. Strüvit çöktürmesi, anaerobik çürütülmüş çamurdan besi maddesi (azot ve fosfor) geri kazanımı için yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Strüvit çöktürmesi yöntemi ile geri kazanılan fosfor, doğrudan tarım arazilerinde gübre olarak kullanılabilmektedir. Dünyada rezervi hızla tükenmekte olan fosfor kaynaklarının strüvit gibi değerli bir mineral formunda geri kazanımı sürdürülebilirlik açısından son derece önemlidir. Bu çalışmanın amacı, kentsel atıksu arıtımında GAÇ sisteminin performansını değerlendirmek ve termal-alkali ön arıtma işlemi uygulanmış granüler çamurun biyometan üretim potansiyeli ile fosfor geri kazanım potansiyelini belirlemektir. Çalışma kapsamında, laboratuvar ölçekli GAÇ sistemi kararlı durum koşulları altında 56 gün boyunca AKR olarak işletilmiştir. GAÇ sisteminin bir döngüsü; besleme fazı 10 dk, anaerobik faz 45 dk, aerobik faz 100 dk, çökelme fazı 20 dk ve deşarj fazı 5 dk olacak şekilde 180 dk'dır. GAÇ sisteminin arıtma performansının belirlenmesi için çalışma sırasında atıksuda ve çıkış suyunda kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı (çKOİ), askıda katı madde (AKM), toplam azot (TN), toplam fosfor (TP) ve amonyum azotu (NH4-N) ölçülmüştür. GAÇ sisteminde elde edilen granüler çamurun biyometan potansiyelin iyileştirmek için 100 °C sıcaklıkta ve farklı pH değerlerinde (9, 10, 11 ve 12) termal alkali ön arıtma uygulanmıştır. Ön arıtma işlemi uygulanmış granüler çamur numuneleri için biyometan potansiyeli (BMP) testleri gerçekleştirilmiştir. Fosfor geri kazanım potansiyelinin belirlemek amacıyla, çürütülmüş granüler çamura farklı magnezyum/fosfor (Mg/P) molar oranlarında (1:1, 1,5:1 ve 2:1) ve farklı pH değerlerinde (8, 9 ve 10) fosfor geri kazanım testleri uygulanmıştır. Çalışma kapsamında ayrıca KOİ kütle dengesi ve ekonomik analiz çalışması yapılmıştır. GAÇ sisteminin arıtma performansı incelendiğinde; %80'in üzerinde KOİ ve AKM giderim verimleri tespit edilmiştir. Ortalama toplam azot ve fosfor giderim verimi ise sırasıyla %73,5 ± 1,3 ve %69,9 ± 1,1'dir. Sistemde yüksek NH4-N giderim verimi (>%99) sağlanmıştır. Termal alkali ön arıtma işlemi granül çamur partiküllerinin boyutunda azalmaya neden olmuştur. 0-20 µm aralığındaki partiküller S1, S2, S3, S4 ve S5'te sırasıyla %16,2, %16,7, %19,5, %13,6 ve %10,5 oranında ve 20-50 µm aralığındaki partiküllerde sırasıyla %30,1, %27,7, %36,6, %27,3 ve %29,2 oranındadır. Ön arıtma uygulamasının çamur numunelerinde çKOİ, protein ve karbonhidrat konsantrasyonlarını arttırdığı gözlenmiştir. pH 10, 11 ve 12 seviyelerinde ön arıtma uygulanmış çamur numunelerindeki çKOİ konsantrasyonunun ön arıtma uygulanmamış çamura göre yaklaşık iki kat daha yüksek olduğu bulunmuştur. Ayrıca, termal alkali ön arıtma yöntemi TN ve TP konsantrasyonlarında artışa sebep olmuştur. BMP test analizi sonuçlarına göre; en yüksek BMP değeri 100 °C sıcaklıkta ve pH 10'da termal ön arıtma işlemi uygulanmış granüler çamurda elde edilmiş olup, bu değer 216 ± 22 mL CH4/g UKM'dir. Bu değer, herhangi bir ön arıtma yöntemi uygulanmamış granüler çamur BMP değerine göre yaklaşık 1,3 katı daha yüksektir. Çalışmada elde edilen sonuçlar, termal alkali ön arıtma işleminin metan üretimi üzerinde olumlu bir etkisi olduğunu göstermiştir. Yapılan fosfor geri kazanım test sonuçlarına göre; Mg/P molar oranı 2:1 ve pH 10'da, %92,6 ± 0.8 değeriyle maksimum fosfor geri kazanım oranı elde edilmiştir. KOİ kütle dengesi sonuçları incelendiğinde; termal alkali ön arıtma işlemi ile giriş atıksuyundaki KOİ'nin %13,3'ünün metan gazına dönüştürülebileceği tespit edilmiştir. Ekonomik analiz sonuçlarına göre; strüvit üretimi birim maliyeti ve strüvit üretiminden elde edilecek birim fayda değerleri sırasıyla 3,40 $/ton ve 12,83 $/ton olarak hesaplanmıştır. Bu çalışma, termal alkali ön arıtma işlemi uygulamasının, kaynak geri kazanımı (enerji ve fosfor) üzerindeki etkisini ortaya koymaktadır. Termal-alkali ön arıtma uygulamasının, GAÇ prosesinde oluşan fazla çamurdan enerji ve fosfor geri kazanımını arttırma amaçlı sürdürülebilir bir yaklaşım olduğu kanıtlanmıştır.

Özet (Çeviri)

The development of aerobic granular sludge (AGS) technology offers a sustainable and efficient alternative for biological nutrient removal (BNR) systems. The anaerobic/anoxic/aerobic (A2O) process, the most widely used BNR process that removes carbon (C), nitrogen (N), and phosphorus (P), consists of anaerobic-anoxic-aerobic compartments with various redox potentials and a separate settling tank for liquid-solid separation. The BNR system requires a large footprint for multiple process units, including aeration and settling tanks, as well as high energy consumption and capital costs. The granular sludge is distinct from activated sludge with regard to compactness, particle size, settling velocity, matrix of extracellular polymer substances (EPS) and structure of microbial communities. The implementation of AGS technology can result in a significant reduction in land requirements (up to 75%), energy consumption (up to 50%), and capital and operational costs (up to 50%). Anaerobic digestion (AD) of the excess sludge from AGS process is an environmentally friendly and effective technology that recovers energy in the form of heat and electricity and stabilizes sludge. Various pretreatment methods have been employed to increase methane production and sludge digestibility in AD. These methods break down the complex structure of sludge, promote hydrolysis, and degrade organics, making them more accessible to microorganisms responsible for the digestion process. One widely used pretreatment method is thermal pretreatment, which utilizes temperature to break down organic matter and increase biogas production. Another effective pretreatment method is alkaline pretreatment, which involves adjusting the pH of the sludge by using alkaline substances. A combination of low-temperature thermal and alkaline pretreatment, known as low-temperature thermal-alkaline pretreatment, is also effective in improving the AD process. During AD, a significant amount of P is released into the supernatant, leading to higher phosphate concentrations in the effluent. Polyphosphate-accumulating organisms (PAOs) present in aerobic granules have the ability to take up phosphate from the supernatant. Moreover, struvite precipitation is considered as an ideal technique for P recovery due to its unique properties. Struvite is a slow-release fertilizer that releases nutrients at a slow rate, providing sustained nourishment to plants. The application of struvite precipitation enables the recovery of P from wastewater and its conversion into a valuable resource that can be used as slow-release fertilizer in agriculture. The aim of this study was to investigate the treatment performance of the AGS process and resource recovery potential (energy and P) of the granular sludge from AGS process. The laboratory scale AGS system was operated under steady-state conditions for 56 days. A low-temperature thermal-alkali (LTTA) pretreatment method was applied to the excess granular sludge from AGS process at 100 C and various pH values (9, 10, 11, and 12) in order to enhance methane production. To quantify biomethane production, a biomethane potential (BMP) test was performed on the LTTA pretreated sludge samples. The study also aimed to determine the P recovery potential at different magnesium/phosphorus (Mg/P) molar ratios (1:1, 1.5:1, and 2:1). A mass balance for chemical oxygen demand (COD) and economic analysis were conducted. According to the results of this study, high COD removal efficiency over 80% was obtained. Total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) removal efficiencies were approximately 73.5 ± 1.3% and 69.9 ± 1.1%, respectively. The highest methane yield with a value of 216 ± 22 mL CH4/g VS was observed in the LTTA pretreated sludge from the AGS process at pH 10 (S3), which was approximately 1.3 times higher compared of the sludge from the AGS system without any pretreatment method (S0). This finding highlights the significant impact of the pretreatment method on methane production. At a Mg/P molar ratio of 2.0:1.0 and pH 10, a maximum P recovery rate of 92.6 ± 0.8% was obtained. A COD mass balance was performed for S3, which showed that 13.3% of the COD could be converted to methane gas. Additionally, the unit cost and benefit for production of struvite was determined to be 3.40 $/ton sludge and 12.83 $/ton sludge, respectively. This study highlighted the role of the LTTA pretreatment method on resource recovery from the excess sludge of AGS process. The application of thermal-alkali pretreatment presents a promisingly cost-effective and sustainable approach, providing environmental benefits and enhancing energy and phosphorus recovery from excess sludge within the AGS process.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    850825

    High-rate activated sludge process for energy efficient wastewater treatment

    Enerji verimli atıksu arıtımı için yüksek yüklemeli aktif çamur prosesi

    HAZAL GÜLHAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK

  2. Tez No

    592913

    Pretreatment of sugar beet bagasse for enhance biogas production

    Biyogaz üretiminin artırılması için şeker pancarı küspesinin ön arıtımı

    LUIS ALFREDO CARMONA ARRIETA

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    EnerjiHacettepe Üniversitesi

    Yenilenebilir Enerji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞENUR UĞURLU

  3. Tez No

    878497

    Effect of hydrodynamic cavitation process on biomethane potential of waste activated sludge

    Hidrodinamik kavitasyon işleminin atık aktif çamurun biyometan potansiyeli üzerindeki etkisi

    SERRA NUR MERDOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Çevre MühendisliğiMarmara Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BARIŞ ÇALLI

    DR. ÖZGÜR DOĞAN

  4. Tez No

    371977

    Anaerobik biyogaz reaktör çıkış suyundan özel biyoreaktör konfigürasyonu ile enerji geri kazanımı

    Energy recovery with spesific bioreactor configuration from anaerobic biogas reactor's effluent

    GÜLİZAR ÇALIŞKAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Bilim ve TeknolojiEge Üniversitesi

    Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURİ AZBAR

  5. Tez No

    73337

    Enhancing EFL students reading comprehension through concioussness-raising training on contextual guesswork

    Kelime anlamlarını tahmin etme yöntemleri konusunda öğrencilerin bilinçlendirilmesiyle okuduklarını anlamalarını arttırma: Afyon Kocatepe Anadolu Lisesi lise II sınıf öğrencileriyle bir uygulama

    HÜSEYİN KAFES

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    1998

    Eğitim ve ÖğretimAnadolu Üniversitesi

    İngiliz Dili Eğitimi Bilim Dalı

    YRD. DOÇ. DR. ÜMİT DENİZ TURAN

Geri Dön