Approaches to maximize energy recovery in sludge management
Çamur yönetiminde maksimum enerji geri kazanımına yönelik yaklaşımlar
- Tez No: 920457
- Danışmanlar: PROF. DR. HALE ÖZGÜN ERŞAHİN
- 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: 167
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 performansı kadar önemli hale gelmiştir. Bu yaklaşım ile atıksular ve AAT'lerde üretilen atık çamurlar hammadde geri kazanımı ve enerji üretimi için kaynak olarak görülmeye başlanmıştır. Bu kapsamda, AAT'lerde enerji tüketiminin azaltılması ve atıksudan enerji ve kaynak geri kazanımına dair çalışmalar ve uygulamalar hızla yaygınlaşmıştır. Atıksuların arıtımında, yan ürün olarak önemli miktarda çamur oluşmaktadır. Oluşan bu çamurdaki organik madde içeriğini azaltarak biyobozunur madde stabilizasyonunu sağlamak ve enerji üretmek için dünya genelinde yaygın olarak anaerobik çürütme prosesi kullanılmaktadır. Günümüzde, yenilikçi arıtma prosesleri, enerji nötr veya enerji üreten AAT'lerin geliştirilmesine katkıda bulunmak amacıyla tasarlanmıştır. Seçilen arıtma prosesi çamurun çürütülebilirliği üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. Bu durum, AAT'lerde enerji dengesini ve ortaya çıkan toplam maliyetleri etkileyebilir. Bu tezde, aerobik granüler çamur (GAÇ) prosesi, yüksek yüklemeli aktif çamur prosesinin membran biyoreaktör (YYAÇ+MBR) prosesi ile entegrasyonu gibi farklı yenilikçi kompakt kentsel atıksu arıtma proseslerinden kaynaklanan fazla çamurun biyometan potansiyelleri (BMP) ve fizibilite analizleri karşılaştırmalı olarak değerlendirilmektedir. Elde edilen bulgular geleneksel anaerobik/anoksik/aerobik (A2O) proses ile karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Değerlendirme sonucunda; optimum atıksu arıtma prosesi belirlenmiştir. Ardından, belirlenen optiımum atıksu arıtma prosesi için enerji geri kazanımını en üst düzeye çıkarmak amacıyla çeşitli stratejiler geliştirilmiştir. Bu tezin amacı, enerji pozitif AAT'ler için çamur yönetiminde maksimum enerji geri kazanımına yönelik yaklaşimlar geliştirmektir. Bu kapsamda; bu tez, 5 bölümden oluşmaktadır. Bölüm 1'de, yenilikçi atıksu arıtma prosesleri ve anaerobik çürütme hakkında kısa bir bilgi verilmektedir. Bölüm 2'de ise, atıksu arıtma teknolojileri, atık çamurdan enerji ve kaynak geri kazanımı ile yenilikçi atıksu arıtma proseslerinin ekonomik olarak uygulanabilirliği hakkında kapsamlı bilgiler sunmaktadır. Bölüm 3'te, bu tezde sunulan çalışmalarda kullanılan materyal ve yöntemler kapsamlı bir şekilde açıklanmıştır. Atıksu ve çamur özellikleri, deneysel sistemler, analitik yöntemler, işletme koşulları ve deneysel plan hakkında ayrıntılı bilgiler verilmiştir. Ek olarak, tekno-ekonomik analiz ve kütle dengesi de açıklanmaktadır. Bölüm 4'te, bu tez kapsamında yürütülen dört farklı çalışmadan elde edilen bulgular ayrıntılı olarak sunulmuştur. Son olarak, Bölüm 5'te ise, elde edilen sonuçlar özetlenmiş ve gelecekteki potansiyel araştırma konuları sunulmuştur. Bu tez, Bölüm 4'te tartışılan aşağıdaki araştırma konularını ele almaktadır: Çalışma 1'de, A2O prosesi, GAÇ prosesi ve YYAÇ+MBR prosesini içeren üç farklı atıksu arıtımından elde edilen fazla çamurun çürütülebilirliğinin mukayaseli olarak değerlendirilmesi, Çalışma 2'de, bu atıksu arıtma prosesleri için tekno-ekonomik fizibilite analizinin yapılması, Çalışma 3'te, kentsel atıksu ve gıda atıklarının birlikte arıtılmasının GAÇ prosesinin arıtma performansı üzerindeki etkisinin incelenmesi ve GAÇ prosesi atık çamurun tekil ve birlikte çürütülmesi, Çalışma 4'te, düşük sıcaklıkta alkali ön arıtma işlemi uygulanmış GAÇ sisteminden elde edilen atık çamurun çürütülebilirliği ve fosfor geri kazanım potansiyeli araştırılmıştır. Bu konular, gerçek kentsel atıksu kullanılarak laboratuvar ölçekli çalışmalar ile araştırılmıştır. Çalışma 1'de, A2O prosesi, YYAÇ+MBR prosesi ve GAÇ prosesinden elde edilen fazla çamurun çürütülebilirliği üzerine odaklanılmaktadır. Bu amaçla, mezofilik koşullar altında BMP testi yapılmıştır. Her bir çamurun fizikokimyasal özellikleri detaylı olarak araştırılmıştır. A2O prosesinden elde edilen çamur sırasıyla %46 protein, %30 hemiselüloz, %8 selüloz, %7 lignin, %6 yağ, %2 uçucu yağ asidi (UYA) ve %1 karbohidrattan oluşmaktadır. GAÇ prosesinden gelen çamurdaki organik bileşikler temel olarak %41 protein, %33 hemiselüloz, %9 lignin, %7 selüloz, %7 yağ, %2 UYA ve %1 karbonhidrattan oluşurken, YYAÇ+MBR prosesinden gelen çamur temel olarak protein (%53), hemiselüloz (%14), yağ (%14), selüloz (%11), lignin (%5), UYA (%2) ve karbonhidrattan (%1) oluşmaktadır. Sonuçlar, YYAÇ+MBR sürecinden gelen çamurun anaerobik çürütülmesinin 212 ± 18 mL CH4/g UKM değeriyle en yüksek metan verimine sahip olduğunu göstermiştir. GAÇ prosesinden elde edilen çamurun metan verimi (173 ± 11 mL CH4/g UKM), A2O prosesinden elde edilen çamurun metan veriminden (180 ± 1 mL CH4/g UKM) göreceli olarak daha düşüktür. Kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) kütle dengesine göre, A2O prosesinden gelen çamur çürütüldüğünde KOİ'nin yalnızca %18,8'i metan gazına dönüştürülebilmiştir. A2O prosesi ile karşılaştırıldığında, metan gazına dönüştürülen atıksudaki organik madde, GAÇ prosesi ve YYAÇ+MBR prosesi için sırasıyla %21,0 ve %23,3 civarındadır. Çalışma 2, A2O prosesi, GAÇ prosesi ve YYAÇ+MBR prosesi olmak üzere üç farklı atıksu arıtma sisteminin kapsamlı bir tekno-ekonomik fizibilite analizini ortaya koymuştur. Bu çalışmada, ilk yatırım maliyeti ile işletme ve bakım maliyetlerindeki farklı bileşenlerin dağılımları her bir sistem için karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Ayrıca, tüm sistemlerin ekonomik performansının daha iyi anlaşılması için enerji dengesi ve fayda-maliyet analizi yapılmıştır. A2O sistemine göre GAÇ sisteminde %21 daha düşük enerji tüketimi gözlenmiştir. Birim toplam maliyet; A2O prosesi, GAÇ prosesi ve YYAÇ+MBR prosesi için sırasıyla 0,113 €/m3, 0,091 €/m3 ve 0,195 €/m3 olarak bulunmuştur. Enerji dengesi ve fayda-maliyet analizi sonuçlarına göre, GAÇ sisteminin A2O prosesi ve YYAÇ+MBR prosesine göre daha düşük net enerji tüketimine ve toplam maliyete sahip olduğu tespit edilmiştir. Çalışma 3'te ise, kentsel atıksu ve gıda atıklarının birlikte arıtılmasının granül morfolojisi ile GAÇ prosesinin arıtma performansı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda; 1. aşamada GAÇ prosesi tam ölçekli bir AAT'de alınan kentsel atıksu ile beslenirke, 2. Aşamada GAÇ prosesis kentsel atıksu ve gıda atıkları karışımı ile beslenmiştir. Ayrıca, GAÇ sisteminden gelen fazla çamurun çürütülmesinin ve GAÇ sisteminden gelen fazla çamurun gıda atığı ile birlikte çürütülmesinin metan verimi üzerindeki etkisini belirlemek için BMP testi yapılmıştır. Atıksuya gıda atığı eklenmesi ile GAÇ prosesinin arıtma performasında iyileşme görülmüştür. Atıksu ve gıda atığı karışımıyla beslenen GAÇ prosesinden elde edilen fazla çamurun BMP'si (195 ± 17 mL CH4/g UKM), yalnızca atıksuyla beslenen AGS prosesinden elde edilen fazla çamurun BMP'sinden (173 ± 16 mL CH4/g UKM) daha yüksektir. En yüksek metan verimi ise 312 ± 8 mL CH4/g UKM ile GAÇ prosesinden gelen fazla çamur ve gıda atığının birlikte çürütülmesinde gözlenmiştir. Gıda atıklarının GAÇ prosesine eş substrat olarak entegre edilmesinin, sistemin arıtma performansı ve enerji geri kazanımı üzerinde olumlu etkilere sahip olduğu görülmüştür. Çalışma 4'te, termal-alkali ön arıtma işlemi uygulanmış GAÇ prosesi fazla çamurunun biyometan üretim potansiyeli ile fosfor geri kazanım potansiyeli belirlenmiştir. En yüksek metan verimi (216 ± 22 mL CH4/g UKM), 100 C ve pH 10'da ön arıtma işlemi uygulanmış çamur numunesine (S3) aittir. Öte yandan, 100 C ve pH 11'de ön arıtma işlemi uygulanmış çamur numunesi (S4) ile 100 C ve pH 12'de ön arıtma işlemi uygulanmış çamur numunesindeki (S5) metan verimi, S3'e göre daha düşüktür; bu durum, daha yüksek sodyum hidroksit (NaOH) konsantrasyonunun inhibisyon etkisiyle açıklanabilir. Fosfor geri kazanım oranı, her bir Mg/P oranı için pH değerlerinin artmasıyla artmıştır. Optimum fosfor geri kazanım oranı %91.9 ± 3.7 ile 1.5:1.0 Mg/P molar oranında ve pH 10'da elde edilmiştir. Ayrıca, strüvit üretimi için birim toplam maliyet ve fayda sırasıyla 3,40 $/ton çamur ve 16,23 $/ton çamur olarak hesaplanmıştır. Genel olarak, düşük sıcaklıkta termal-alkali ön arıtma ve ardından strüvit kristalizasyonu, fazla çamurdan enerji ve fosfor geri kazanımını arttırmak için çevresel faydalarla birlikte ekonomik ve sürdürülebilir bir yaklaşım sağlamıştır. Bu tez, GAÇ prosesinin döngüsel ekonomi çerçevesinde enerji ve fosfor geri kazanımını arttırma potansiyelini ortaya koymaktadır. Enerji dengesi ve ekonomik analiz çalışması sonuçlarına göre; AGS prosesinin, A2O prosesi ve HRAS+MBR prosesine göre, en enerji verimli ve en düşük net toplam maliyete sahip arıtma prosesi olduğu belirlenmiştir. Bu tezin bulguları, gıda atıklarının AGS sürecine bir yardımcı eş substrat olarak entegrasyonunun, sistemin arıtma performansı ve enerji geri kazanımı üzerinde olumlu bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir.
Özet (Çeviri)
Wastewater treatment plants (WWTPs) are typically designed with the aim of meeting effluent criteria. The recovery of energy is frequently regarded as a secondary concern. In recent years, there has been a shift in terminology, with WWTPs being rebranded as water resource recovery facilities (WRRFs). This reflects a shift in focus towards the recovery of resources present in wastewater streams, including energy and nutrients. The biological treatment of wastewater relies on bacterial activity to facilitate the conversion of organic matter into carbon dioxide (CO₂). As a consequence of this process, a significant amount of sludge is produced as a byproduct. The recovery of energy from this sludge is achieved through anaerobic digestion, whereby the organic matter is converted into methane (CH₄) gas. In today's world, novel configurations for wastewater treatment systems have been designed with the aim of enhancing the capture of organic compounds from wastewater and contributing to the development of energy-neutral or energy-generating WWTPs. The selection of an appropriate configuration may influence the digestibility of the sludge, and therefore affect the overall energy balance and the total costs incurred. This thesis explores the characterization of the excess sludge from different novel compact municipal wastewater treatment processes including the aerobic granular sludge (AGS) process, and integration of high rate activated sludge (HRAS) with membrane bioreactor (HRAS+MBR) process with a focus on energy recovery and feasibility. The findings were comparatively evaluated with the conventional anaerobic/anoxic/aerobic (A2O) process so as to identify the optimal process considering energy recovery and feasibility. Then, this thesis focused on developing strategies to maximize energy recovery for the optimal process in sludge management. In order to gain insight into the rationale behind the thesis, Chapter 1 provides a concise overview of the innovative wastewater treatment processes and anaerobic digestion. Chapter 2 provides comprehensive information regarding the wastewater treatment process, energy and resource recovery from excess sludge, and the economic viability of the novel wastewater treatment processes. Chapter 3 involves a comprehensive description of the materials and methods utilized in the studies presented in this thesis. It includes detailed information on the characteristics of wastewater and sludge; the experimental setups; analytical methods; operational conditions; and experimental plan. Additionally, it explains the techno-economic analysis and mass balances. Chapter 4 presents the findings obtained from four distinct studies. Chapter 5 outlines the key conclusions and offers insights into potential future research directions and perspectives. The present thesis addresses the following research topics, which are discussed in Chapter 4: Study 1, benchmarking of the digestibility of the excess sludge obtained from three different wastewater treatment processes including A2O process, AGS process and HRAS+MBR process, Study 2, techno-economic feasibility analysis for these wastewater treatment configurations, Study 3, evaluation of co-treatment of wastewater and food waste in the AGS process, and methane potential of mono- and co-digestion of the excess sludge from the AGS process, Study 4, exploration of the digestibility of low-temperature thermal-alkali pretreated excess sludge from the AGS system and the phosphorous recovery potential. These topics were investigated through laboratory scale studies using real municipal wastewater. Study 1 characterized the excess sludge generated from the A2O process, HRAS+MBR process, and AGS process. For this purpose, the biomethane potential (BMP) test was conducted to investigate the digestibility of these excess sludges under mesophilic conditions. The physicochemical characteristics and digestibility of each sludge were investigated. Degradation of organic fractions, and change in sludge characteristics during anaerobic digestion were determined. The sludge from the A2O process consists of proteins, hemicellulose, cellulose, lignin, lipid, volatile fatty acids (VFA), and carbohydrates in 46%, 30%, 8%, 7%, 6%, 2% and 1% in order. Organic compounds in sludge from the AGS process were mainly 41% protein, 33% hemicellulose, 9% lignin, 7% cellulose, 7% lipids, 2% VFA, and 1% carbohydrates. Sludge from the HRAS+MBR process was mostly composed of a high amount of proteins (53%), hemicellulose (14%), lipids (14%), celulose (11%), lignin (5%), VFA (2%), and carbohydrates (1%) . Results showed that anaerobic digestion of sludge from the HRAS+MBR process yielded the highest methane with a value of 212 ± 18 mL CH4/g VS. Methane yield of sludge from the AGS process (173 ± 11 mL CH4/g VS) was slightly lower than that from the A2O process (180 ± 1 mL CH4/g VS). Based on the chemical oxygen demand (COD) mass balance, only 18.8% of COD could be converted into methane gas if the sludge from the A2O process was digested. Compared to the A2O process, the organic matter in wastewater converted into methane gas was around 21.0%, and 23.3% for the AGS process, and HRAS+MBR process, respectively. Study 2 revealed a comprehensive techno-economic feasibility analysis of three systems including A2O process, AGS process, and HRAS+MBR process. The distributions of different components in capital and O&M costs were evaluated comparatively for each system in the study. Moreover, energy balance and environmental benefit analysis were conducted to have a better understanding of the economic performance of all systems. 21% lower energy consumption was observed in the AGS system in comparison to the A2O system. This finding might be associated with the absence of mixers, return sludge pumping and recirculation of wastewater for nitrogen removal in the AGS system. The unit total cost was found to be 0.113 €/m3, 0.091 €/m3, and 0.195 €/m3 for A2O process, AGS process, and HRAS+MBR process in order. Based on the energy balance and economic analysis, AGS system was found to have lower net energy consumption and total cost compared to A2O process and HRAS+MBR process. Study 3 focused on the effect of co-treatment of municipal wastewater and food waste on the treatment performance of the AGS process. The impact of co-treatment of municipal wastewater with food waste on the morphology of granules and treatment performance of the AGS process was investigated. At stage 1, raw wastewater from a full-scale municipal WWTP was fed to a laboratory-scale AGS reactor, whereas a mixture of waste- water and food waste was fed to the AGS reactor at stage 2. Besides, the BMP test was performed to determine the methane yields of the digestion of the excess sludge from the AGS system and co-digestion of the excess sludge from the AGS system with food waste. The addition of food waste into wastewater enhanced the nutrient treatment efficiency in the AGS process. BMP of the excess sludge from the AGS process fed with the mixture of wastewater and food waste (195 ± 17 mL CH4/g VS) was slightly higher than BMP of excess sludge from the AGS process fed with solely wastewater (173 ± 16 mL CH4/g VS). The highest methane yield was observed for co-digestion of excess sludge from the AGS process and food waste, which was 312 ± 8 mL CH4/g VS. Integration of food waste as a co-substrate in the AGS process would potentially enhance energy recovery and the quality of effluent in municipal wastewater treatment. Study 4 investigated the digestibility of low-temperature thermal-alkali pretreated excess sludge from the AGS process and phosphorus recovery potential as struvite from digested sludge. The highest methane yield was obtained for the pretreated sludge sample at 100 C and pH 10 (S3), which was 216 ± 22 mL CH4/g VS. The low temperature thermal-alkaline pretreatment before the anaerobic digestion can be proposed as a good option to enhance the BMP with an enhancement of 27% for S3 concerning the sludge sample without any pretreatment (S0). On the other hand, pretreated sludge sample at 100 C and pH 11 (S4) and pretreated sludge sample at 100 C and pH 12 (S5) had lower improvement in methane production compared to S3, which might be explained by the inhibition effect of sodium hydroxide (NaOH) concentration. The phosphorus recovery rate increased with the increment of pH values for each Mg/P ratio. The optimum phosphorus recovery rate with a value of 91.9 ± 3.7% was obtained at the Mg/P molar ratio of 1.5:1.0 and pH 10. Besides, the unit total cost and benefit for the struvite production were calculated to be 3.40 $/ton sludge, and 16.23 $/ton sludge, respectively. Overall, low-temperature thermal-alkali pretreated followed by struvite crystallization provided an economic, and sustainable approach with environmental benefits for enhancing energy and phosphorus recovery from excess sludge. This thesis elucidates the potential of the AGS process to enhance energy and phosphorus recovery within the framework of a circular economy. Based on the energy balance and economic analysis results, it was found that the AGS system had the most energy efficient treatment system and the lowest net total cost compared to the A2O process and HRAS+MBR process. The findings of this thesis indicate that the integration of food waste as a co-substrate in the AGS process has the potential to enhance energy recovery and the quality of effluent in municipal wastewater treatment.
Benzer Tezler
- High-rate activated sludge process for energy efficient wastewater treatment
Enerji verimli atıksu arıtımı için yüksek yüklemeli aktif çamur prosesi
HAZAL GÜLHAN
Doktora
İngilizce
2023
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK
- Tarımsal atıklardan protein üretiminin farklı yaklaşımlarla iyileştirilmesi
Improving protein production from agricultural waste through different approaches
ESRA ÖZEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA KAHVECİ KARINCAOĞLU
- Takım çalışması esaslı demontaj hattı işgören atama ve dengeleme problemi için oyun teorisi odaklı yaklaşımlar
Game theory-oriented approaches for multi-manned disassembly line worker assignment and balancing problem
YILDIZ KÖSE
Doktora
Türkçe
2023
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMRE ÇEVİKCAN
DR. ÖĞR. ÜYESİ SİNAN ERTEMEL
- Application of different strategies to improve anaerobic digestion for organic fraction of municipal solid waste
Kentsel katı atıkların organik fraksiyonunun anaerobik çürütme performansını iyileştirmek için farklı stratejilerin uygulanması
YAĞMUR KABAKCI
Doktora
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN ATİLLA ARIKAN
PROF. DR. FEHMİ GÖRKEM ÜÇTUĞ