Plant-wide process analysis targeting reliable estimation of biogas production from anaerobic sludge digestion
Anaerobik çamur çürütme prosesinden biyogaz üretiminin güvenilir tahminine yönelik tesis geneli proses analizi
- Tez No: 879677
- Danışmanlar: PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
- Tez Türü: Doktora
- 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: 217
Özet
Anaerobik çamur çürütme, atıksu arıtma tesislerinde arıtma işlemi sırasında oluşan katı maddelerin stabilizasyonu ve yenilenebilir enerji kaynağı olarak biyogaz üretimi için kullanılan kritik ve yaygın bir teknolojidir. Bu süreç tipik olarak çürütücülerde karışık birincil ve ikincil (biyolojik) atık çamurun birlikte stabilizasyonunu içerir. Birincil çamur inorganik katılar ve yoğun olarak organik maddelerden oluşurken, biyolojik çamur aktif biyokütle ve biyokimyasal reaksiyonlardan kaynaklanan kalıntılar bakımından zengindir. Anaerobik çürütme prosesinde, atık aktif çamurun yapısı gereği hem aerobik hem de anaerobik koşullar altında daha düşük biyolojik olarak bozunma özelliği sebebiyle çamur bekletme sürelerinin uzatılmasını gerektirmektedir. Çeşitli çevresel koşullarda mikrobiyal bozunmada hız sınırlayıcı adım olarak tanımlanan hidroliz, anaerobik çürütme sürecinin verimliliğini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu nedenle, hidroliz olabilen organik maddenin ayrışma kinetiği anaerobik çürütme sürecinin verimliliğini doğrudan etkilemektedir. KOİ dönüşümünü tek bir yavaş ayrışan organik madde bileşeni (XB) üzerinden kavramsallaştıran geleneksel aktif çamur modelleri ile pratikte gözlemlenen hidroliz kinetiği birbiriyle uyuşmamakta, dolayısıyla beklenen biyogaz miktarı ile proseste elde edilen biyogaz miktarı arasında büyük farklar oluşmaktadır. Anaerobik hidroliz kinetiği için önerilen çok sayıda parametre değerine rağmen, anaerobik çamur çürütmenin kinetik analizine ilişkin araştırmalar, özellikle birincil ve biyolojik çamurun değişen karışımları dikkate alındığında, literatür verileri yeterli gelmemektedir. Uygun atıksu arıtma ve çamur bertaraf yöntemlerinin seçimi ve konfigürasyonların belirlenmesi, giriş atıksuyundaki organik madde bileşenlerinin belirlenmesi ve söz konusu biyokütleye özgü kinetik parametreler de dahil olmak üzere belirli hususlara bağlıdır. Sonuç olarak, deneysel çalışmaların tesis bazında modelleme araçlarıyla entegrasyonu, uygun arıtma sistemlerinin seçimi ve güvenilir proses hesaplamalarının yürütülmesi için zorlu bir strateji olarak ortaya çıkmaktadır. Bu çalışmada, yedi adet büyük ölçekli atıksu arıtma tesisinde işletme parametrelerinin kapsamlı analizi yapılmış ve tasarım esnasında hesaplanan veriler ile sapmaları aydınlatmak için tesis odaklı kesikli deneyler ile dinamik modelleme birleştirilmiştir. Bu kapsamda, üç adet anaerobik çamur çürütme sistemleri bulunan tam ölçekli karbon ve biyolojik nütrient gideren tesislerin uzun süreli performansı titizlikle izlenmiştir. Bu entegre yaklaşım sayesinde çalışma, karbon giderimi, nütrient giderimi ve anaerobik çürütme için proses kinetiği anlayışını geliştirmeyi amaçlamıştır. Bu yaklaşımla, KOİ bölümlenmesi, nitrifikasyon ve denitrifikasyon kinetiği ile anaerobik kesikli deney çalışmaları yapılmış ve tesise özgü kinetik parametreler deneysel olarak belirlenmiş ve bu parametrelerin tesis genelinde Sumo model simülasyonlarıyla entegre edilmesiyle gerçekleştirilmiştir. Araştırma, anaerobik hidroliz hızlarının mevcut literatür değerlerinden belirgin şekilde düşük olduğunu ortaya koymuş ve bu aşamayı biyogaz üretimini optimize etmede kritik bir nokta olarak tanımlamıştır. Anaerobik çürütme kesikli deneyleri ve tesis bazında gerçekleştirilen model kalibrasyonu, anaerobik hidroliz hızının biyogaz üretiminde kritik parametre olduğunu göstermiştir. Buna paralel olarak, tam ölçekli tesislerdeki anaerobik çürütme performansı ve modelleme çalışmaları incelendiğinde tesislerde düşük biyogaz üretim verimi gözlemlenmiştir. Çalışmada anaerobik çürütme testleri ile birlikte tesis çapında model kalibrasyonunun yenilikçi kullanımı, tam ölçekli tesislerdeki düşük performans ve düşük biyogaz verimini de gösterdiği gibi, düşük anaerobik hidroliz hızlarının verimli biyogaz üretimi için yarattığı önemli zorlukları aydınlatmıştır. Ayrıca, anaerobik hidroliz yoluyla birincil çamurun bozunma oranının biyolojik çamurun hidroliz hızına kıyasla önemli ölçüde daha yüksek (~2,5-3) olduğu keşfedilmiş ve bu da proses iyileştirme alanlarına ışık tutmuştur. Çalışmanın ikinci aşamasında, anaerobik hidroliz hızının biyogaz üretimi üzerindeki etkisi, toplamda yedi büyük ölçekli atıksu arıtma tesislerindeki mezofilik anaerobik çürütücülerde araştırılmıştır. Çürütücüye beslenen toplam çamur içindeki birincil çamur kütlesinin yüzdesi ile anaerobik hidroliz hızı arasında doğrusal bir korelasyon tespit edilmiştir. Anaerobik hidroliz için düzeltme faktörü (HYD,ana) literatürde önerilen aralığa (0,30-0,50) kıyasla daha düşük olan 0,11-0,30 aralığında belirlenmiştir. Çalışmanın son aşamasında, giriş atıksuyu kaynaklı (XB) ve içsel solunumdan kaynaklanan (XB,E) yavaş ayrışan organik maddelerin anaerobik bozunma kinetiklerinin birbirinden ayrıldığı yeni bir model yaklaşımı önerilmiştir. Tek bir kinetik ifadeye sahip tesis bazlı mevcut modeller, anaerobik çürütücülere beslenen farklı birincil ve ikincil çamur oranlarına sahip her bir arıtma tesisi için biyogaz debisini hesaplamak üzere modelin yeniden kalibre edilmesini gerektirmektedir. Önerilen yeni model yapısı, iki yavaş ayrışan organik madde bileşeninin (XB, XB,E) bozunma kinetiğini ayırarak herhangi bir yeniden kalibrasyon ihtiyacı olmadan tüm atıksu arıtma tesislerinin biyogaz üretimini tahmin edebilmektedir. Yeni bir model yaklaşımı öneren bu çalışma, giriş atıksuyu kaynaklı ve içsel solunumdan kaynaklanan yavaş ayrışan organik maddelerin anaerobik bozunma kinetikleri arasında ayrım yapmakta ve böylece farklı çamur bileşim oranlarına uyum sağlamak için yeniden kalibrasyona gerek kalmadan farklı arıtma tesislerinde biyogaz üretimi tahminlerinin doğruluğunu artırmaktadır. Bu yeni yaklaşım, sadece tesis genelindeki modellerin tahmin kapasitesini geliştirmekle kalmıyor, aynı zamanda enerji verimliliği ve çevresel sürdürülebilirlik gibi atıksu arıtımındaki yeni nesil zorlukları da ele almaktadır. Çalışmanın bulguları, mevcut kinetik parametre kalibrasyonu sınırlamalarının üstesinden gelmek için tesis bazında modelleme ile birlikte model tabanlı bir deneysel karakterizasyonun benimsenmesinin önemini vurgulamaktadır. Araştırma, simülasyon bazlı kinetik kesikli testlerden elde edilen bilgilerden yararlanılarak, atıksu arıtma tesislerinin uzun vadeli işletme performansının güvenilir bir tahminini elde etmeyi sağlamakta ve sürdürülebilir atıksu yönetimi arayışında anaerobik çürütme süreçlerinin tasarımı ve optimizasyonu için yeni bir standart oluşturmaktadır. Bu yeni modelleme yaklaşımı, Bio-P tanklarının uygun boyutlandırılması ve yüksek verimli denitrifikasyon için anoksik bölgelerin optimizasyonu dahil olmak üzere BNR sistemlerinin tasarım kriterlerinde yapılması gereken değişikliklere ışık tutmaktadır. Biyogaz üretim kapasitesinin doğru bir şekilde değerlendirilmesi ve termal hidroliz gibi çamur parçalama süreçlerinin tasarımı ve optimizasyonu için yapılacak proses hesaplarında da büyük farklılıklar yaratması beklenmektedir. Bu nedenle, önerilen model, çamur fermantasyonu ve BNR prosesleri de dahil olmak üzere biyolojik prosesler için proses performansının ve tasarım metodolojilerinin kapsamlı bir şekilde yeniden değerlendirilmesini kolaylaştırmaktadır. Çalışmanın bir sonraki aşaması olarak, özellikle anaerobik ve anoksik koşullar altında hidroliz ile ilgili yeni model parametrelerini belirlemek için özel deneysel prosedürlerin geliştirilmesinin zorunlu olduğu ortaya çıkmıştır.
Özet (Çeviri)
Anaerobic sludge digestion is a critical and widely used technology employed in wastewater treatment plants for the stabilization of solids generated during the treatment process and for the production of biogas as a renewable energy source. This process typically involves the treatment of mixed primary and biological sludge in digesters. Primary sludge comprises inorganic solids and organic matter, whereas biological sludge is rich in active biomass and residues from biochemical reactions. The process faces challenges, such as the lower organic degradation efficiency of waste activated sludge (WAS) under both aerobic and anaerobic conditions, necessitating extended sludge retention times. Hydrolysis, identified as the rate-limiting step in microbial degradation across various environmental conditions, significantly influences the efficiency of the anaerobic digestion process. Therefore, the nature of the degradation of the hydrolysable matter directly influences the efficiency of the anaerobic digestion process. Traditional activated sludge models, which conceptualize COD turnover through a single hydrolysable matter component (XB), do not adequately account for the range of hydrolysis kinetics observed in practice. Despite a plethora of parameter values proposed for anaerobic hydrolysis, research into the kinetic analysis of anaerobic sludge digestion, particularly considering varying mixes of primary and waste activated sludge, remains sparse. The appropriate selection of wastewater treatment and sludge disposal methods depends on specific aspects, including the organic matter components in the influent wastewater and the kinetic parameters specific to the biomass. Therefore, the integration of experimental studies with plant-wide modeling tools is becoming an important strategy for selecting suitable treatment systems and executing reliable process calculations. In this study, seven large-scale wastewater treatment plants were analyzed for operational parameters and dynamic modeling was combined with plant-focused batch experiments to uncover deviations from the calculated data during the design phase. The long-term performance of three full-scale carbon and biological nutrient removal plants with anaerobic sludge digestion systems was rigorously monitored. This approach aimed to improve the understanding of process kinetics for carbon removal, nutrient removal, and anaerobic digestion. It involved COD fractionation, nitrification and denitrification kinetics, and anaerobic batch experiments. Plant-specific kinetic parameters were determined experimentally and integrated with plant-wide SUMO model simulations. The research revealed that anaerobic hydrolysis rates are significantly lower than the available literature values. The study identified this stage as a critical point in optimizing biogas production. Anaerobic digestion batch experiments and plant-wide model calibration showed that anaerobic hydrolysis rate is the critical parameter for biogas production. In parallel, anaerobic digestion performance and modeling studies in full-scale plants showed low biogas production efficiency. The innovative use of plant-wide model calibration, in conjuction with anaerobic digestion tests in the study, illuminated the significant challenges posed by low anaerobic hydrolysis rates for efficient biogas production. This was demonstrated by the poor performance and low biogas yields in full-scale plants. The study also discovered that the degradation rate of primary sludge through anaerobic hydrolysis is significantly higher compared to the hydrolysis rate of biological sludge, shedding light on areas for process improvement. In the second stage of the study, the effect of anaerobic hydrolysis rate on biogas production was investigated with mesophilic digesters in seven large-scale wastewater treatment plants. This phase was critical in understanding how the process parameters underpinning anaerobic digestion could be optimized to enhance biogas production. A linear correlation was determined between the percentage of primary sludge mass in the total sludge fed to the digester and the overall anaerobic hydrolysis rate. This correlation emphasises the heightened efficiency of primary sludge in undergoing anaerobic hydrolysis, a revelation that emerged from identifying that the rate of anaerobic hydrolysis for primary sludge was threefold greater than that observed for biological sludge. The anaerobic hydrolysis rate of primary sludge was determined to be three times higher than that of biological sludge. Furthermore, the study delineated the reduction factor for anaerobic hydrolysis (HYD,ana), falling within the range of 0.11 to 0.30. This finding is particularly noteworthy as it sits below the range recommended in the existing literature (0.30-0.50), thereby highlighting a potential area for further investigation and optimization within the field of anaerobic digestion. In the final phase of the study, the study advocates for the adoption of an innovative model paradigm, distinguishing the anaerobic degradation kinetics of particulate biodegradable organics stemming from influent (XB) and decay processes (XB,E). Traditionally, plant-wide models have utilized a singular kinetic expression to represent the degradation process, necessitating the recalibration of the model for each treatment plant to accurately predict biogas flowrate, based on the varying compositions of primary and secondary sludge introduced to the digesters. This approach not only facilitates a more streamlined and accurate prediction of biogas production across different treatment facilities but also represents a significant advancement in the field by addressing the variability in sludge composition without the need for model recalibration. By introducing a novel model approach, the study segregates the anaerobic degradation kinetics of particulate biodegradable organics derived from both influent and decay-oriented (XB, XB,E), significantly refining the precision of biogas production forecasts across varying treatment plants without necessitating recalibration to account for fluctuating sludge compositions. This avant-garde methodology not only elevates the predictive proficiency of plant-wide models but also addresses critical challenges in wastewater treatment, including energy conservation and environmental stewardship. This new modeling approach sheds light on the changes that need to be made in the design criteria of BNR systems, including proper sizing of Bio-P tanks and optimization of anoxic zones for efficient denitrification. It is also expected to make major differences in process calculations for the accurate assessment of biogas production capacity and the design and optimization of sludge disintegration processes such as thermal hydrolysis. Therefore, the proposed model facilitates a comprehensive re-evaluation of process performance and design methodologies for biological processes, including sludge fermentation and BNR processes. As a next stage of the study, it became evident that it is imperative to develop specific experimental procedures to determine new model parameters, especially related to hydrolysis under anaerobic and anoxic conditions. The study's findings underscore the importance of adopting a model-based experimental characterization coupled with plant-wide modeling to overcome the limitations of current kinetic parameter adjustments. Through the integration of insights gleaned from kinetic batch experiments within the simulation architecture, the investigation achieves a formidable prediction of the long-term operational efficacy of wastewater treatment facilities, thereby establishing a novel benchmark for the design and enhancement of anaerobic digestion processes aimed at advancing sustainable wastewater management practices.
Benzer Tezler
- Novel biopolymer applications as adsorbent, drug encapsulation and controlled drug release agents
Adsorban, ilaç kapsülleme ve kontrollü ilaç salımı ajanları olarak yeni biyopolimer uygulamaları
NİLAY KAHYA
Doktora
İngilizce
2023
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATMA BEDİA BERKER
- Mimari tasarımda yapay zekâ yaklaşımı: Makine öğrenmesi ile mekân işlevlerinin tanınması ve üretken çekişmeli ağlarla mimari plan üretimi
Artificial intelligence approach in architectural design: Recognition of space functions with machine learning and architectural plan generation with generative adversarial networks
BERFİN YILDIZ
Doktora
Türkçe
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiBilişim Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLEN ÇAĞDAŞ
DR. ÖĞR. ÜYESİ İBRAHİM ZİNCİR
- Stratejik planlamada firma içi analiz PIMS veri tabanı
Strategic management
NİLÜFER KURUN (ÖZÇOBAN)
Yüksek Lisans
Türkçe
1994
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. HALUK ERKUT
- A model and an application for information technology governance, risk and compliance and implementation in a bank
Bilgi teknolojileri yönetişimi, risk ve uyum model önerisi ve bir bankada uygulaması
MEHMET MURAT HUYUT
Doktora
İngilizce
2022
BankacılıkPiri Reis Üniversitesiİşletme Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BATUHAN KOCAOĞLU
- Prefabrikasyonda üretim planlamasına yönelik bilgisayar destekli bir bütünleşik veri akış/değerlendirme sistemi
A Computer-aided integrated data flow and evaluation model for production planning in prefabricated building systems
ALAATTİN KANOĞLU