Valorization of municipal wastewater and manure by circular bioeconomy approach
Kentsel atıksu ve hayvan dışkısının döngüsel biyoekonomi yaklaşımıyla değerlendirilmesi
- Tez No: 874214
- Danışmanlar: DOÇ. DR. MAHMUT ALTINBAŞ
- 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: 103
Özet
Günümüzde dünya ülkeleri politikalarını sürdürülebilir kaynaklardan enerji üretimine yöneltmektedir. Yenilenemeyen kaynakların hızla tükenmesi nedeniyle enerji güvenliği tüm dünyada önem kazandı. Yenilenemeyen kaynaklardan oluşan sera gazı emisyonları nedeniyle küresel ısınmanın hızlanması sonucu otoriteler yakıt üretiminde kullanılan hammaddeleri yenilebilir ve enerji ihtiyaçlarını karşılayabilecek alternatiflerle değiştirmeye odaklandı. Artan sürdürülebilir ve güvenli enerji arzı araştırmaları yenilenebilir enerji kaynaklarına yöneltti. Biyokütle enerjisi de diğer yenilenebilir enerji kaynakları gibi geçtiğimiz yıllarda önem kazandı. Atıksu arıtma çamuru, hayvan dışkısı ve mikroalg gibi biyokütle türleri literatürde enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır. Kentsel atıksu arıtımında büyük hacimlerde bertaraf edilmesi gereken arıtma çamuru oluşmaktadır. Buna ek olarak kentsel atıksu arıtma tesislerinin yüksek maliyet ve enerji ihtiyacı sistemin sürdürülebilirliğini olumsuz yönde etkilemektedir. Çamur hacmini azaltmak için uygulanan susuzlaştırma ve anaerobik çürütme gibi prosesler geleneksel olarak büyük çamur hacimlerini yönetmek için kullanılan yöntemler arasında gösterilebilir. Hayvan dışkısı ise genellikle arazi uygulamaları amacıyla kompostlaştırılmaktadır. Bu çalışmada geleneksel olarak kentsel atıksu, arıtma çamuru ve hayvan dışkısı için uygulanan arıtma proseslerinin kombinasyonundan oluşan alternatif bir yol önerilmiştir. Bunun yanında geleneksel olarak uygulanmakta olan, atıktan biyogaz ve kompost üretimine ek olarak biyodizel ve gliserol üretimi sağlanmıştır. Tasarım ve kütle dengesi hesapları teorik olarak yapılmıştır. Odak noktası deşarj edilecek fazla sıvı hacminin ileri bir arıtma ihtiyaç duyulmadan alıcı ortama deşarjının sağlanması ve her aşamada değerli bir son ürün kazanmaktır. Bu tasarımda atıksuyun ikincil arıtımı ortadan kaldırılmıştır. Alternatif olarak birincil arıtımı yapılmış atıksu (birincil atıksu), anaerobik çürütme ve mikroalg yetiştirme tesisleri arasında gerekli oranlarda bölüştürülmüştür. Atıksuyun birincil arıtımından kaynaklanan arıtma çamurunun (birincil çamur) ve bunun yanında hayali bir çiftlikten sağlanan büyükbaş hayvan dışkısının anaerobik çürütme işleminden geçirilmesi düşünülmüştür. Bu prosesten oluşan fermente ürünün susuzlaştırılmış katı kısmı arazi uygulamalarında kullanılmak amacıyla kompostlaştırılıp satılacaktır. Elde edilen sıvı fermente ürünün birincil atıksu ile seyreltildikten sonra mikroalg besini olarak açık havuzlara iletilmesi tasarlanmıştır. Mikroalg içeriğindeki yağlardan transesterifikasyon yoluyla biyodizel üretimi planlanmıştır. Yağ çıkarma işleminden sonra geride kalan mikroalg biyokütlesi anaerobik çürütme tesisi girişine geri döndürülecektir. Çalışma kapsamında seçilen mikroalg türü, literatürde yaygın kullanılan Chlorella vulgaris olarak belirlenmiştir. Chlorella vulgaris türünün yağ içeriği 37% olarak seçilmiştir. Chlorella vulgaris türünün açık havuzlarda 7 günlük yetiştirme süresi sonucunda 2.25 mg/L biyokütle konsantrasyonuna ulaşacağı kabul edilerek oluşacak biyokütle miktarına ulaşılmıştır. Hesaplar 4 farklı nüfusa sahip bölge için yapılmıştır (150,000; 22,000; 11,000; 5,000 kişi). Tasarım, bu nüfuslara sahip 4 hayali bölgenin tesis hacmi, gerekli atık miktarı ve beklenen ürün miktarını 4 vaka üzerinden gerçek boyutlu uygulamalarda kullanılacak şekilde yansıtmaktadır. Buna göre, tüm senaryolarda anaerobik çürütücüye giren atık miktarlarının ağırlıkça oranları yaklaşık olarak birincil çamur için %8, büyükbaş hayvan dışkısı için %28, mikroalg biyokütle kalıntıları için 4% ve birincil atıksu için %60'dır. Çürütme için seçilen bekletme süresi 30 gündür. Senaryo 1'de 28 m çapında ve 8.5 m yüksekliğinde 7 adet anaerobik çürütücü, Senaryo 2'de 22 m çapında ve 7 m yüksekliğinde 2 adet anaerobik çürütücü, Senaryo 3'te 21 m çapında ve 8 m yüksekliğinde 1 adet çürütücü ve Senaryo 4'te 15 m çapında ve 7 m yüksekliğinde 1 adet çürütücü tasarlanmıştır. Senaryo 1, Senaryo 2, Senaryo 3 ve Senaryo 4'te organik madde yüklemesi sırasıyla 2.67 kg UKM/m3.g, 2.70 kg UKM/m3.g, 2.66 kg UKM/m3.g ve 2.65 kg UKM/m3.g olacak şekilde ayarlanmıştır. Senaryo 1'de 27616 m3 birincil atıksu ve 859 m3 sıvı fermente ürün %3 seyreltme oranını sağlayacak şekilde açık havuzlara beslenmektedir. Senaryo 2'de 4051 m3 birincil atıksu ve 126 m3 sıvı fermente ürün, Senaryo 3'te 2025 m3 birincil atıksu ve 63 m3 sıvı fermente ürün ve Senaryo 4'te 920 m3 birincil atıksu ve 29 m3 sıvı fermente ürün yine %3 oranında karışarak açık havuzlara beslenmektedir. Sıvı fermente ürün ve birincil atıksuyun %3'lük karışımı sonucu mikroalg havuzuna gelen debideki toplam azot, toplam amonyak azotu, toplam fosfor ve KOİ değerleri Senaryo 1'de 163 mg azot/L, 127 mg amonyak azotu/L, 24 mg fosfor/L, 49 mg potasyum/L ve 389 mg KOİ/L; Senaryo 2'de 163 mg azot/L, 128 mg amonyak azotu/L, 24 mg fosfor/L, 49 mg potasyum/L ve 389 mg KOİ/L; Senaryo 3'te 163 mg azot/L, 127 mg amonyak azotu/L, 24 mg fosfor/L, 49 mg potasyum/L ve 390 mg KOİ/L; Senaryo 4'te 163 mg azot/L, 127 mg amonyak azotu/L, 24 mg fosfor/L, 49 mg potasyum/L ve 391 mg KOİ/L şeklindedir. Mikroalg yetiştirme tesisi için Senaryo 1'de 15 adet mikroalg havuzu; Senaryo 2'de 9 adet mikroalg havuzu; Senaryo 3'te 5 adet mikroalg havuzu ve Senaryo 4'te 13 adet mikroalg havuzu tasarlanmıştır. Sonuç olarak Senaryo 1, Senaryo 2, Senaryo 3 ve Senaryo 4'te sırasıyla günlük 15,082 L, 2,213 L, 1,106 L ve 503 L biyodizel ve 36,769 m3, 5,453 m3, 2,695 m3, 1,225 m3 biyogaz oluşması beklenmektedir. 1,288 L/g, 189 L/g, 94 L/g, 43 L/g gliserol ve 60.4 t/g, 9 t/g, 4.4 t/g, 2 t/g kompost ise oluşacak diğer ürünlerdir. Açık havuzlarda yetişen mikroalg biyokütlesinin hasat edilmesinden sonra arta kalan fazla sıvının alıcı ortama deşarj standartlarını sağladığı gösterilmiştir. Deşarj edilecek sıvıdaki toplam azot konsantrasyonunun Senaryo 1, Senaryo 2, Senaryo 3 ve Senaryo 4'te sırasıyla 18.5 mg/L, 19.2 mg/L, 18.8 mg/L ve 18.6 mg/L olacağı görülmüştür. Çözünmüş fosforun açık havuzlarda mikroalgler tarafından tamamen tüketileceği öngörülmüştür. Ancak burada fosfor konsantrasyonuna biyokütleden kaynaklanan bir katkı da olacaktır. Deşarj edilecek debide biyokütleden kaynaklanan fosfor da hesaba katıldığından fosfor konsantrasyonunun tüm senaryolarda 1.6 mg/L olacağı belirlenmiştir. Buna göre, azot ve fosfor konsantrasyonlarının alıcı ortama deşarj standartlarını sağladığı sonucuna ulaşılmıştır. Sonuç olarak çalışmada belirtilen tasarım proseslerinden geçen debinin, devamında başka bir işlem uygulanmadan, deşarjı gerçekleştirilebilir. Çalışma kapsamında seçilen anaerobik çürütme tesisinde oluşan biyogazın besleneceği motorlardan (büyük hacimli tesisten küçük hacimli tesise) sırasıyla 16054 Nm3/sa, 2443 Nm3/sa, 1112 Nm3/sa ve 458 Nm3/sa egzoz gazı oluşacaktır. Emisyonlar arasında bulunan karbon dioksit miktarının sırasıyla 2023 m3/g, 308 m3/g, 140 m3/g ve 58 m3/g olacağı bulunmuştur. Biyogazın yakılacağı motorlardan kaynaklanan emisyonlar içindeki karbondioksitin mikroalg yetiştirme havuzlarına iletileceği tasarlanmıştır. Eğer Chlorella vulgaris ototrofik koşullarda büyütülseydi, biyogaz motorlarından çıkan yanma gazları arasında bulunan karbondioksit, Senaryo 1, Senaryo 2, Senaryo 3 ve Senaryo 4'te mikroalg biyokütlesinin CO2 ihtiyacının yalnızca %77, %79, %72 ve %66'sını karşılayabilirdi. Chlorella vulgaris miksotrofik koşullarda büyütüleceği için karbondioksit ihtiyacının bir kısmı inorganik karbon tarafından sağlanırkan, bir kısmının da organik karbon tarafından sağlanması beklenmektedir. Sıvı fermente ürün ve birincil atıksu karışımının KOİ değerleri Senaryo 1, Senaryo 2, Senaryo 3 ve Senaryo 4 için sırasıyla 388.9 mg O2/L, 389.2 mg O2/L, 389.7 mg O2/L ve 390.8 mg O2/L olacağı hesaplanmıştır. 2.25 g/L olarak seçilen mikroalg konsantrasyonunun tüketeceği KOİ miktarının 340.7 mg O2/L olacağı bulunmuştur. Buna göre, mikroalg havuzlarından sonra çözünmüş KOİ miktarları Senaryo 1, Senaryo 2, Senaryo 3 ve Senaryo 4'te sırasıyla 48.5 mg O2/L, 49 mg O2/L, 50.1 mg O2/L ve 50.5 mg O2/L olacaktır. Bu hesaplarda açık havuzlarda meydana gelecek buharlaşma nedeniyle oluşacak konsantrasyon artışı göz önüne alınmıştır. Havuz çıkışında biyokütle miktarından dolayı KOİ konsantrasyonuna katkı olacağından gerçek koşullarda buradaki KOİ konsantrasyonunun daha fazla olacağı bilinmektedir. Biyokütleden kaynaklanan katkı, biyokütlenin hasat edilmesinden sonra geride kalan deşarj edilecek fazla sıvıdaki KOİ konsantrasyonlarını hesaplarken dikkate alınmıştır. Santrifüj dekantör veriminden dolayı deşarj edilecek sıvı içerisinde Senaryo 1, Senaryo 2, Senaryo 3 ve Senaryo 4'te sırasıyla 3.2 t/g, 0.5 t/g, 0.2 t/g ve 0.1 t/g biyokütlenin atılacağı belirlenmiştir. Deşarj edilecek sıvı içindeki biyokütlenin KOİ değerlerine katkısı Senaryo 1, Senaryo 2, Senaryo 3 ve Senaryo 4'te sırasıyla 125.9 mg O2/L, 126.4 mg O2/L, 127.8 mg O2/L ve 126 mg O2/L olacaktır. Sonuç olarak deşarj edilen sıvıdaki KOİ değerleri Senaryo 1'den Senaryo 4'e sırasıyla 174.4 mg O2/L, 175.4 mg O2/L, 177.9 mg O2/L ve 176.5 mg O2/L olarak hesaplanmıştır. Açık havuzlardan sonra santrifüj dekantörde ayrılan fazla sıvı fazın ileri bir arıtmaya gerek duyulmadan deşarj edilebileceği gösterilmiştir. Değerler 500 mg O2/L olarak belirtilen alıcı ortam deşarj standardı için uygun bulunmuştur. Çalışılan 4 senaryo, Türkiye'deki minimum ve maksimum mahalle nüfuslarına ve tüm mahalle nüfusları içinde 85'lik ve 50'lik dilimde bulunan nüfuslara sahip bölgelere gerçek boyutlu uygulanabilecek şekilde düzenlenmiştir. Senaryo 1, Senaryo 2, Senaryo 3 ve Senaryo 4 sırasıyla 150,000, 22,000, 11,000 ve 5,000 nüfuslu yerleşim yerlerini ve bu bölgelerden kaynaklanan sırasıyla 28266 m3/g, 4146 m3/g, 2073 m3/g ve 942 m3/g atıksu debisini temsil etmektedir. Belirtilen miktarlardaki atıksuyun birincil arıtımdan sonra mikroalg üretiminde değerlendirilmesi sağlanmıştır. Bu 4 farklı debideki atıksuyun birincil arıtımı sonucu oluşan sırasıyla günlük 85.1 ton, 12.5 ton, 6.2 ton ve 2.8 ton birincil çamurun stabilizasyonu sağlanacaktır (Senaryo 1, Senaryo 2, Senaryo 3 ve Senaryo 4). Çalışmada gerekli hayvan dışkısı miktarı ise günlük 300 ton, 45 ton, 22 ton ve 10 ton olarak belirlenmiştir. Bunun için sırasıyla 5369, 805, 394 ve 179 büyükbaş hayvanın bulunduğu yakında bulunan bir çiftlikten hayvan dışkısı temin edileceği tasarlanmıştır. Çalışmada anaerobik çürütücü tesisine giren diğer bir atık olan yağı çıkarılmış mikroalg biyokütlesi tesis içinde oluşacak bir atıktır ve anaerobik çürütme yapılarak değerlendirilmiştir. Bu çalışmada döngüsel biyoekonomi çerçevesinde bir tasarım oluşturularak geleneksel atıksu arıtımı yerine atıksuyun değerlendirildiği bir tasarım oluşturulmuştur. Bunun yanında belirtilen miktarlarda hayvan dışkısının stabilizasyonu yapılarak çevreye negatif etkisinin önüne geçilmiştir. Tesis içinde oluşan atıklar yine tesis içinde değerlendirilmiştir. Deşarjı yapılacak fazla sıvı miktarı içindeki azot, fosfor, KOİ ve AKM parametreleri alıcı deşarj standartlarına uyacak seviyelerde tutularak sürdürülebilir bir sistem tasarlanmıştır. Bu yönleriyle tasarım, döngüsel ekonomi konseptinin gereklerini yerine getirmektedir. Çalışmanın uygulanabilirlik açısından değerlendirilmesi için tesisin kurulum maliyeti ve üretilen ürünlerin getireceği gelir arasında bir maliyet analizi gerekmektedir. Üretilen biyodizelin fiyatı, bu biyoyakıtın diğer yakıtlar arasında yerini garanti etmesi önemli bir noktadır. Bunun yanında, çalışmanın fizibilitesinin yapılması ve gerçek boyutta faaliyete geçirilmesi için Yaşam Döngüsü Değerlendirme çalışması yapılmalıdır.
Özet (Çeviri)
Currently, countries are directing their policies towards energy production from sustainable resources. Energy security gained importance all around the world with the rapid depletion of non-renewable energy sources. Considering the acceleration of global warming with the greenhouse gas emissions from non-renewable energy sources, authorities agreed to replace the feedstocks of fuel production with renewable substitutes capable of meeting the energy needs of the world. The increasing demand for sustainable and secure energy led the research in the direction of renewable energy sources. Biomass energy, as well as the other renewable energy sources, rose in importance. Sewage sludge, animal wastes, microalgal biomass are among the biomass types used as energy sources in the literature. Sewage sludge is produced in large quantities that needs to be managed during wastewater treatment process. Additionally, wastewater treatment has high energy and cost requirements that is constraining the sustainability of the process. Thickening to minimize the volume of sludge and anaerobic digestion are processes used conventionally to manage the large quantities of sewage sludge. Animal wastes are generally composted for land application. In this study, an alternative pathway to the conventional systems is proposed with the combination of traditional treatment processes of wastewater, sewage sludge and animal manure. Furthermore, biodiesel and glycerol production is enabled besides the traditional biogas and compost production from wastes. The design and mass balance calculations are made theoretically. The focus point was the discharge of waste liquids without any further treatment and obtaining valuable products from every stage of design. In the design, secondary treatment of wastewater is eliminated. Alternatively, wastewater is divided between anaerobic digestion and microalgae cultivation processes. Anaerobic digestion of animal manure and sludge from primary treatment of wastewater is considered. The solid fraction of anaerobic digestate is composted to be sold for land application. The liquid fraction of anaerobic digestate obtained from this process is assumed to be diluted with primary wastewater and fed to microalgae in raceway ponds. The microalgae species is selected as Chlorella vulgaris which is commonly studied in the literaure. Biodiesel is planned to be produced from the microalgal lipids via transesterification. The residual microalgal biomass after lipid extraction is returned to the anaerobic digester entrance. The calculations are made according to 4 different populations applies for residential areas with 150,000, 22,000, 11,000 and 5,000 people. The design projects the facility volume, required waste amounts and expected amounts of products for real-scale application for such populations as 4 cases. As a result, it is predicted to obtain 15082 L, 2213 L, 1106 L, 503 L biodiesel and 36,769 m3, 5,453 m3, 2,695 m3, 1,225 m3 biogas daily from Case 1, Case 2, Case 3, and Case 4, respectively. Other products are expected to be 1288 L/d, 189 L/d, 94 L/d, 43 L/d of glycerol and 60.4 t/d, 9 t/d, 4.4 t/d, 2 t/d of compost for Case 1, Case 2, Case 3, and Case 4, respectively. The excess liquid from harvest of biomass is demonstrated to meet the discharge standarts to the receiving environment. The concentrations in discharged liquid is calculated to be 18.5 mg/L, 19.2 mg/L, 18.8 mg/L and 18.6 mg/L for total nitrogen in Case 1, Case 2, Case 3, and Case 4, respectively. Soluble phosphorus is predicted to be totally consumed by microalgae in raceway ponds. However, in the discharged liquid TP concentration is expected to be 1.6 mg/L in all cases due to phosphorus contribution of biomass. The carbondioxide balance is calculated considering the CO2 amount of exhaust gas from biogas powered generators and CO2 requirement of biomass. In this study, Chlorella vulgaris is planned to be cultivated in mixotrophic conditions, it will consume organic carbon as well as the inorganic carbon. It is shown that CO2 from the exhaust gas is able to supply only 77%, 79%, 72% and 66% of CO2 required for microalgal growth under autotrophic conditions in Case 1, Case 2, Case 3, and Case 4, respectively. Since CO2 requirement will be supplied by organic carbon during dark cycle, some portion of the COD is expected to be consumed. The COD values in the 3% diluted mixture of liquid digestate with primary wastewater are 388.9 mg O2/L, 389.2 mg O2/L, 389.7 mg O2/L and 390.8 mg O2/L in Case 1, Case 2, Case 3 and, Case 4, respectively. The selected biomass concentration of 2.25 g/L is detected to consume 340.7 mg O2/L COD in raceway ponds. It should be considered that there is also COD contribution from biomass in the outlet of raceway ponds, thus, the COD values are expected to be much higher than the difference between COD in prepared culture and COD consumed in this stage. The contribution of biomass is considered in the discharged liquid after harvest of biomass, since some portion of biomass is predicted to be discharged in the excess liquid. Evaporation losses from the open ponds are taken into account during calculation of COD in the outlet of raceway ponds, given that the concentrations are expected to increase slightly due to evaporation of water. The COD values in the discharged liquid are determined to be 174.4 mg O2/L, 175.4 mg O2/L, 177.9 mg O2/L ve 176.5 mg O2/L in Case 1, Case 2, Case 3 and, Case 4, respectively. The COD in excess liquid is demonstrated to meet the discharge standarts as the values above are lower than 500 mg/L. Consequently, the excess liquid is suitable for discharge to receiving environment without any further treatment. In the study, a sustainable design has been created considering the circular bioeconomy principles. The negative impact on the environment was prevented by stabilization of primary sludge and animal manure. Primary wastewater is evaluated in microalgae cultivation and anaerobic digestion. Microalgae remnants are produced and evaluated in anaerobic digestion, thus, the wastes generated in facility are managed on site. The SS, COD, TN and TP concentrations in discharged flowrate are kept in the levels that comply with discharge standarts to the receiving environment. With these aspects, the design fulfills the requirements of the circular bioeconomy concept.
Benzer Tezler
- 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
- Determination of gasification potential of municipal treatment plant sludge
Kentsel nitelikli arıtma çamurlarının gazlaştırma potansiyelinin belirlenmesi
ALİM GÜRGEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
Çevre MühendisliğiDokuz Eylül ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AZİZE AYOL
- Atık pillerin değerlendirilmesi
Recyling used batteries
HANİFE BANABAK
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. A. NURSEN İPEKOĞLU
- Türkiye'de katı atık yönetimi ve geri kazanım
Solid waste management and recycling in Turkey
KIZILTAN YÜCEİL
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LÜTFİ AKÇA
- Benzin ve metanol yakıtlı bazı ateşlemeli motorlarda performans ve emisyon karakteristiklerinin incelenmesi
Başlık çevirisi yok
İBRAHİM KORKMAZ