Geri Dön

Improving methane yield and nutrient recovery of waste biological sludge with microwave disintegration

Mikrodalga dezentegrasyonu ile atık biyolojik çamurun biyogaz veriminin ve nutrient geri kazanımının iyileştirilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 885744
  2. Yazar: ALI ALHRAISHAWI
  3. Danışmanlar: PROF. DR. ŞÜKRÜ ASLAN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sivas Cumhuriyet Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 156

Özet

Kentsel yerleşim alanlarındaki nüfus artışı, belediye atıksu arıtma tesislerinde (AAT) atık biyolojik çamur (ABÇ) üretiminin yükselmesine neden olmaktadır. AAT'de, ABÇ yönetimindeki en önemli sorun, yüksek bertaraf maliyeti ve yasal kısıtlamalardır. ABÇ, içerdiği organik madde, azot ve fosfor ile sürdürülebilir enerji kaynağı ve gübre olarak değerlendirilebilecek önemli bir kaynaktır. Son yıllarda, anaerobik çürütme (AÇ) ünitesinde üretilen biyogaz verimini arttırmak ve ABÇ hacmini azaltmak amacıyla daha çevre dostu ve ekonomik yöntemler geliştirmek için deneysel çalışmalar yürütülmektedir. AÇ sürecinin etkinliği, ABÇ'nin parçalanması (ön arıtma) ile geliştirilebilir. Parçalama iişleminde, ABÇ'nin yavaş ve kısmen parçalanabilir organik bileşenleri, AÇ sürecinde biyolojik olarak kolay kullanılabilir bileşiklere dönüştürülür. ABÇ'nin parçalanması, organik ve inorganik maddelerin çözeltiye salınmasını sağlarken, AÇ reaktörünün girişindeki organik madde derişiminin yükselmesi, çürütme verimini artırır. Biyolojik çamurun karmaşık yapısı, kimyasal, termal, biyolojik veya bu yöntemlerin birlikte uygulanması ile parçalanabilir. Çevre mühendisliği çalışmalarında mikrodalga (MD) ışınlama, kirlenmiş toprak ıslahı, atık bertarafı, mineral işleme ve aktif karbon rejenerasyonu ve ağır metal içeren biyolojik çamur stabilizasyonunda uygulanan termal bir yöntemdir. Tez çalışmasında, biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) testinde CH4 üretimini iyileştirmek için ABÇ parçalanmasında MD çalışma koşulları optimize edilmiştir. Ham ve santrifüjlenmiş ABÇ için MD ışınlamanın enerji tüketimi ve BMP testi ile enerji geri kazanımı değerlendirilmiştir. BMP testinde üretilen NH4N and PO4P'un geri kazanılması için strüvit çökeltme işlemi gerçekleştirilmiştir. MD'nin sıcaklık artış hızı, gücü ve bekletme süresi, 90C ve 110C hedef sıcaklıkları için en uygun çalışma koşullarını belirlemek amacıyla test edilmiştir. Enerji tüketimi ve parçalanma derecesi (DD) dikkate alındığında, optimum işletme koşulu, 900 W güç, 2C/dak sıcaklık yükselme hızı, 90 C hedef sıcaklık ve hedef sıcaklıkta 5 dak tutma süresi olarak belirlenmiştir. MD deneyleri, ABÇ'nin MD ışınlamasıyla başarılı bir şekilde parçalandığını ve sıvıdaki organik bileşiklerin derişiminin önemli ölçüde arttığını göstermiştir. MD'nin optimum koşullar altında çalıştırılmasıyla sıvı fazdaki çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı (çKOI), karbonhidrat ve protein salınımının sırasıyla yaklaşık 36, 17 ve 3,6 kat arttığı belirlenmiştir. ABÇ'nin spesifik yüzey alanı (SYA) 70,9 m²/kg iken MD işlemi ile parçalanmış biyolojik çamur için 217,8 m²/kg'a kayda değer bir artış gözlenmiştir. Bununla birlikte, susuzlaştırma karakteristiği önemli ölçüde kötüleşmiş ve ABÇ için 1.02x103 olan susuzlaştırma direnci, dezentegrasyon sonrası 2.04 x 104'e yükselmiştir. BMP testleri, MD'nin optimum işletim koşulları altında yaklaşık %1,27 toplam katı madde (TKM) içeren biyolojik çamur kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, kontrole kıyasla, 1/1 ve 2/1 substrat/aşı oranı için dezentegre biyoçamurla beslenen ünitelerde CH4 üretiminin sırasıyla %12 ve %45 oranında arttığını göstermiştir. Ayrıca, % 3,4 TKM içeren santrifüjlenmiş biyolojik çamur ile deneyler gerçekleştirilmiş ve dezentegre biyoçamura kıyasla CH4 üretiminde iyileşmeler gözlenmiştir. Enerji geri kazanımı MD enerji ihtiyacını karşılamak için yeterli olmasa da, santrifüjlenmiş biyoçamur için MD'nin enerji tüketimi, dezentegre biyoçamura göre yaklaşık 3 kat azalmıştır. Parçalanmış ve ham biyoçamurdan üretilen CH4'ın değerlendirilmesinde Gompertz Modifiye, Birinci dereceden kinetik, Lojistik ve Transfer fonksiyonu olmak üzere dört kinetik model kullanılmıştır. İşletme koşulları altında, modeller 0,953 ile 0,998 arasında oldukça yüksek bir korelasyon katsayısı (R2) göstermiştir. Birinci dereceden, Gompertz Modifiye ve Lojistik modellerle karşılaştırıldığında, Transfer fonksiyonu modeli, CH4 üretim verilerine genel olarak en iyi uyumu sağladığı belirlenmiştir. BMP testinde üretilen atıksudaki NH4N and PO4P'nin geri kazanılması amacıyla çeşitli Mg:N:P molar oranları için strüvit çöktürme deneyleri gerçekleştirilmiştir. 1,25:1:1 ve 1,50:1:1, Mg:N:P molar oranlarında struvit çökeltmesi ile BMP testinden sonra atıksudaki NH4N'un %8290'ı ve PO4P'unun %9096'sı geri kazanılmıştır.

Özet (Çeviri)

The growth of population in urban areas leads to an increase in waste biological sludge (WBS) production in the municipal wastewater treatment plants (WWTP). The most important problem on the WBS management in WWTP are the high disposal cost and legal constraint. The WBS is an important resource that can be considered as a sustainable energy source and fertilizer with its organics, nitrogen and phosphorus content. In recent years, experimental studies have been carried out to develop more environmental friendly and economical methods in order to reduce the volume of WBS and increase in biogas yield produced in an anaerobic digestion (AD) unit. The effectiveness of AD process can be improved by the disintegration (pretreatment) of WBS. In the disintegration process, slow and partial degradable organic fractions of WBS are converted into the readily biologically available compounds in the AD process. While the disintegration of WBS provides the release of organic and inorganic substances into solution, increase of organic substances concentration at the inlet of AD reactor improves the digestion efficiency. The intricate biosludge structure can be broken down by pretreatment procedures like chemical, thermal, biological, or a combination of these methods. In the environmental engineering studies, the microwave (MW) irradiation is thermal method applied in contaminated soil reclamation, waste disposal, mineral processing and activated carbon regeneration and stabilization of heavy metalcontaining biosludge. In this thesis, the operational conditions of MW irradiation on the WBS disintegration was optimized in order to improve CH4 production in the biochemical methane potential (BMP) test. For the raw and centrifuged WBS, energy consumption and recovery in the MW irradiation and BMP test, respectively, were evaluated. In order to recover the NH4N and PO4P produced in BMP test, the struvite precipitation was carried out. The temperature ramping rate, power, and holding time of MW were tested in order to determine the optimal operational conditions for target temperature of 90C and 110C. Considering the energy consumption and disintegration degree (DD), the optimal condition was determined at the power of 900 W, ramping rate of 2 C/min, target temperature of 90 C, and the holding time of 5 min at the target temperature. MW experiments indicated that the WBS was successfully disintegrated by MW irradiation and the concentration of organic constituents in liquor increased significantly. Operation of MW under the optimal conditions, it was determined that the release of soluble chemical oxygen demand (sCOD), carbohydrate, and protein in the liquid phase increased about 36, 17, and 3.6 times, respectively. The specific surface area (SSA) of WBS was 70.9 m²/kg and a notable increase was observed to 217.8 m²/kg for disintegrated biosludge by the MW treatment. However, dewatering characteristic deteriorated significantly and dewatering resistance increasing from 1.02x103 for WBS to 2.04x104 for disintegrated biosludge. The BMP tests were carried out by using biosludge contained about 1.27% total solid (TS) under the optimal operational conditions of MW. Results indicated that compared to control, CH4 production increased by 12% and 45% in units fed with disintegrated biosludge for the substrate/inoculum ratio of 1/1 and 2/1, respectively. Additionally, experiments were carried out with the centrifuged biosludge contains the TS of 3.4% and improvements in CH4 production was observed compared to the disintegrated biosludge. Although the energy recovery was not sufficient to cope with the MW energy need, the energy consumption of the MW for centrifuged biosludge was reduced by about 3 times compared to the disintegrated biosludge. Four kinetic models, which were Gompertz Modified, First−order kinetic, Logistic, and Transference function, were used in an analysis of CH4 produced from disintegrated and raw WBS. Under the operational conditions, the models demonstrated a notably high correlation coefficient (R2) between 0.953 and 0.998. Compared to the First order, Gompertz Modified, and Logistic models, it was determined that the Transference Function model fitted the CH4 production data the best overall. In order to recover NH4N and PO4P in the wastewater produced in BMP test, the struvite precipitation experiments for various molar ratios of Mg:N:P were carried out. By the struvite precipitation at Mg:N:P molar ratios of 1.25:1:1 and 1.50:1:1, 8290 % of NH4N and 90– 96 % PO4P in wastewater were recovered after the BMP test.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    573888

    Combined effect of water hyacinth and trichocladium canadense on biogas production during anaerobic treatment of wastewater with antibiotics mixture

    Antibiyotik karışımı içeren atıksuyun havasız arıtımı sırasında biyogaz üretimi üzerinde su sümbülü ve trichocladium canadense'ın birleşik etkisi

    ISMI KHAIRUNNISA ARIANI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ

    DOÇ. DR. SEVCAN AYDIN

  2. Tez No

    868603

    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

    MERVE ATILĞAN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HALE ÖZGÜN ERŞAHİN

  3. Tez No

    543055

    Effect of microwave pretreatment on fate of antimicrobials and conventional pollutants during anaerobic sludge digestion and biosolids quality for land application

    Anaerobik çamur çürütme prosesinde uygulanan mikrodalga dezentegrasyon işleminin antimikrobiyallerin ve konvansiyonel kirleticilerin akıbetine ve arazi uygulaması için biyokatı kalitesine etkisi

    GÖKÇE KOR BIÇAKCI

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR

  4. Tez No

    479778

    Enerji bitkilerinin ön işlem uygulamaları ile biyometan potansiyelinin artırılması

    Improving biomethane potential by pretreatment methods/utilization of energy crops

    NİLGÜN CİVAŞ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2017

    EnerjiEge Üniversitesi

    Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜNNUR KOÇAR

  5. Tez No

    598340

    Anaerobic CO-digestion of cow manure, food waste and waste activated sludge with trametes versicolor pre-treatment under mesophilic condition

    Trametes versicolor ile önarıtım yapılmış olan büyükbaş hayvan atıklarının, yemek atıklarının ve aktif çamurun mezofilik ortamda birlikte anaerobik parçalanması

    ÖMER UZUN

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    EnerjiBoğaziçi Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji ve Genetik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BAHAR İNCE

Geri Dön