Co-digestion of sewage sludge and food waste in anaerobic membrane bioreactors: plant wide modelling to enhance energy recovery
Evsel atıksu arıtma tesisi çamurunun ve gıda atıklarının anaerobik membran biyoreaktörde birlikte çürütülmesi: enerji geri kazanımının arttırılması için tesis bazlı modelleme
- Tez No: 948242
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 93
Özet
Avrupa'da, atıksu arıtma tesislerinde her yıl yaklaşık 8,7 milyon ton kuru madde arıtma çamuru oluşmaktadır (EurEau, 2021). Bu çamur, organik madde, besin maddeleri, iz elementler ve ağır metaller gibi çeşitli kirletici bileşenler içermektedir (Chojnacka ve diğ., 2023; Xie ve diğ., 2023). Avrupa Yeşil Anlaşması (EC, 2019) ve benzeri çevre stratejileri çerçevesinde, çamurdan enerji ve malzeme geri kazanımı hedeflenmektedir. Günümüzde, atık yönetimi ve biyogaz üretimi, çevresel sürdürülebilirlik açısından büyük önem taşımaktadır. Bu bağlamda, çamurdan enerji ve malzeme geri kazanımı, atıksu arıtma süreçlerinin çevresel ve ekonomik faydalarını artırmada önemli bir rol oynamaktadır. Ancak, çamur arıtma ve biyogaz üretim süreçlerinde karşılaşılan çeşitli zorluklar, alternatif ve verimli teknolojilerin geliştirilmesini zorunlu kılmaktadır. Anaerobik çürütme, organik atıkların biyolojik olarak parçalanarak metan içeriği yüksek biyogaz üretimi sağlaması açısından, arıtma çamuru yönetiminde önemli bir yöntemdir. Çamurdan biyogaz üretimi, atıksu arıtma tesislerinde hem enerji üretimi hem de atıkların azalması açısından avantajlar sunar. Ancak, çamurların genellikle düşük karbon-azot içeriği, biyogaz üretim verimliliğini olumsuz etkileyebilmektedir. Bu sorunu aşmak amacıyla, tekli çürütme işlemi yalnızca tek bir organik madde türünün işlenmesine olanak tanırken, birlikte çürütme yöntemi, birden fazla organik madde türünün aynı anda işlenmesine imkân verir ve bu sayede biyogaz üretiminde belirgin artışlar sağlanmaktadır (Moñino ve diğ., 2016; Li ve diğ., 2021). Özellikle, atıksu çamurunun gıda atıkları gibi diğer organik maddelerle birlikte çürütülmesi, anaerobik çürütme sistemlerinden elde edilen verimi artırmaktadır (Zamorano-Lopez ve diğ., 2018; Robles ve diğ., 2018). Gıda atıkları ile atıksu arıtma çamurunun birlikte çürütülmesi, özellikle atıksu arıtma çamurundan biyogaz üretim verimliliğini artırmada etkili bir yöntem olarak öne çıkmaktadır. Gıda atıkları genellikle yüksek karbon içeriğine sahip organik bileşikler içerirken, atıksu arıtma çamuru daha çok azot ve fosfor gibi besin elementlerini barındırmaktadır. Bu iki atık türünün birlikte işlenmesi, mikroorganizmaların ihtiyaç duyduğu besin dengesinin sağlanmasına katkı sunmakta; böylece biyogaz üretimi ve sistemin genel verimliliği artmaktadır (Moñino et al., 2017; Li et al., 2020; Cheng et al., 2021). Bununla birlikte, birlikte çürütme süreci bazı zorlukları da beraberinde getirebilir. Özellikle, farklı özelliklere sahip substratların aynı anda sisteme verilmesi, mikrobiyal toplulukların adaptasyonunu zorlaştırarak bozunma verimliliğini düşürebilir. Bu tür sorunların önlenebilmesi için, uygun substrat oranlarının belirlenmesi ve sistemin işletme koşullarının dikkatle izlenmesi gerekmektedir (Robles et al., 2018). Anaerobik membran biyoreaktörler (AnMBR), özellikle reaktor içinde yüksek katı madde konsantrasyonu elde etme ve yüksek biyogaz verimi sağlama yeteneği ile ön plana çıkmaktadır. AnMBR'lar, biyokütleyi yüksek organik yüklerde bile etkin bir şekilde tutarak biyogaz üretim verimliliğini artırır ve enerji ile maliyet etkinliğini iyileştirir (Zhen ve diğ., 2023). Bu sistemler, biyokütlenin tamamen sistemde tutulmasına olanak tanırken hidrolik bekleme süresi ile katı madde bekleme süresinin birbirinden bağımsız olarak kontrol edilebilmesini sağlar. Bu sayede yüksek katı madde konsantrasyonlarına ulaşılabilir ve biyogaz verimi artırılabilir (Miyamoto ve diğ., 2015). Özellikle düşük karbon/azot oranına sahip biyokütlelerin yüksek verimle ayrıştırılması, AnMBR'ların avantajlarından biridir. Bu durum, biyogaz üretim sürecinde önemli bir rol oynar. Bu özellikleri, AnMBR'ın birlikte çürütülme uygulamaları için ideal bir teknoloji haline getirmektedir (Chojnacka ve diğ., 2023; Raheem ve diğ., 2018). Bu tez çalışması, laboratuvar ölçeğinde kurulan bir AnMBR sistemi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. AnMBR reaktörü, 7 L çalışma hacmine sahip cam bir reaktör olup, harici membran modülüne bağlıdır. Reaktör, pH, oksidasyon-reduksiyon potansiyeli, sıcaklık ve iç hacim seviyelerini izlemek amacıyla çeşitli prob ve sensörlerle donatılmıştır. Biyogaz üretimi, reaktörde bir gaz ölçer aracılığıyla izlenmiş ve transmembran basınç, giriş, çıkış ve süzüntü suyu hatlarındaki basınçlar ile ölçülmüştür. Sürekli besleme sağlanarak, reaktördeki çamur, bir peristaltik pompa aracılığıyla beslenmiştir. Ayrıca, reaktör sıcaklığı su ceketi ile 35±1 °C'de tutulmuştur. Bu çalışmada, tam ölçekli bir atıksu arıtma tesisinden birincil çamur ve atık aktif çamur temin edilmiştir. Birincil çamur, birincil çökelticinin çamur hattından alınırken, atık aktif çamur ise son çökletim tankı geri geri devir çamur hattından elde edilmiştir. Karışık çamur, toplam katı madde oranı dikkate alınarak birincil çamurun ve atık aktif çamurun 1:1 oranında karıştırılmasıyla hazırlanmıştır. Deneysel planın ilk aşamasında, AnMBR yalnızca karışık çamur ile beslenmiştir. İkinci aşamada ise, evsel kaynakta kaynağında ayrıştırılarak hazırlanan gıda atıkları karışık çamura eklenmiştir. Çalışma, AnMBR'nin işletme parametrelerini belirlemek amacıyla sürekli besleme koşullarında gerçekleştirilmiştir. Tekil çürütme işleminde organik yükleme hızı 1,2 kg kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ)/m3.d olarak belirlenmiş ve süzüntü KOİ konsantrasyonu 769±61 mg/L olarak ölçülmüştür. Gıda atığı ile birlikte çürütme işlemine geçildiğinde, organik yükleme hızı 2,2 kg KOİ/m3.d'ye yükseltilmiş ve süzüntü KOİ konsantrasyonu 387±24 mg/L'ye düşmüştür. Bu düşüş, birlikte çürütmenin sistemin verimliliğini artırmada önemli bir etki yarattığını göstermektedir. KOİ kütle dengesi analizinde, biyogazda metana dönüşen KOİ'nin %34 oranında arttığı, çıkış suyu ve atık çamurda ise sırasıyla %58 ve %14 oranlarında azalmalar olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışma, AnMBR sisteminde karışık çamur ve gıda atıklarının birlikte çürütülmesinin, yalnızca karışık çamurun çürütülmesine kıyasla biyogaz üretimini artırdığını ve organik madde giderimini iyileştirdiğini ortaya koymuştur. Özellikle, gıda atıklarının atıksu arıtma çamuru ile birlikte çürütülmesi, organik yükün daha etkin bir şekilde parçalanmasını sağlamıştır. Ancak, birlikte çürütme aşamasında membran tıkanması daha belirgin şekilde gözlemlenmiş ve bu durum daha hassas bir izlemeyi gerektirmiştir. Modelleme çalışmasında, Benchmark Simulation Model No. 2 (BSM2) kullanılmış ve AnMBR sisteminin performansını değerlendirmek amacıyla dört senaryo altında modelleme gerçekleştirlimiştir. Bu senaryolar; (i) anaerobik çürütücüde tekil çürütme, (ii) anaerobik çürütücüde birlikte çürütme, (iii) AnMBR'de tekil çürütme ve (iv) AnMBR'de birlikte çürütme senaryolarını içermektedir. Senaryolar, tesisin biyogaz üretimi, organik madde giderimi ve enerji verimliliği açısından karşılaştırılmıştır. Ayrıca, tesisin işletme maliyetleri ve çevresel verimliliği, çıkış suyu kalite indeksi (EQI) ve işletme maliyeti indeksi (OCI) kriterlerleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Konvansiyonel anaerobik çürütücüler yerine AnMBR kullanımı ve atıksu çamuru ile gıda atıklarının birlikte çürütülmesi, organik maddelerin daha fazla bozulmasına yol açmıştır. Bu durum, fosfor salınımının artmasına ve deşarj kalitesinin kötüleşmesine sebep olmuştur. Ancak, AnMBR, toplam işletme maliyetlerini %22,5 oranında azaltırken, AnMBR'de gıda atıklarıyla yapılan birlikte çürütme işletme maliyetlerini %62,4 oranında düşürmüştür. Bu bulgular, AnMBR sistemlerinde gıda atıklarıyla yapılan birlikte çürütmenin, atıksu arıtma tesisleri üzerindeki ekonomik yükü azaltma potansiyelini vurgulamaktadır. Simülasyon sonuçları, AnMBR teknolojisinin geleneksel anaerobik çürütücülere kıyasla daha yüksek biyogaz üretim potansiyeline sahip olduğunu ve enerji verimliliği açısından daha avantajlı olduğunu ortaya koymuştur. birlikte çürütmenin hem biyogaz verimini hem de tesis genelindeki enerji verimliliğini artırarak, bu teknolojinin atıksu çamuru yönetimi ve enerji üretimi için sürdürülebilir bir seçenek olduğunu göstermektedir. Ancak, sistemdeki membran tıkanması işletme maliyetlerinin artmasına yol açmış, bu da enerji tüketimi ve bakım gereksinimlerini etkilemiştir. Bu tez, AnMBR sisteminde atıksu çamuru ve gıda atıklarının birlikte çürütülmesini araştırmıştır. Deneysel aşama, membran filtrasyon verimliliği ve biyogaz üretimini incelemiş, birlikte çürütmeyi tekil çürütme ile karşılaştırmıştır. Modelleme aşaması ise enerji verimliliği, işletme maliyetleri ve deşarj kalitesi üzerindeki etkileri değerlendirmiştir. Bu araştırma, gıda atıklarının yardımcı substrat olarak kullanılabilirliğine dair önemli bulgular sunarak, atıksu arıtma maliyet etkinliğini artırmayı ve sürdürülebilir atık yönetimini desteklemeyi amaçlamaktadır.
Özet (Çeviri)
Europe faces the challenge of managing sewage sludge (SS) from wastewater treatment plants, which produced 8.7 million tons of dry solids in 2020 (EurEau, 2021). SS contains valuable components such as organic matter, nutrients, trace elements, and heavy metals (Chojnacka et al., 2023; Xie et al., 2023). Strategies such as the European Green Deal aim to recover energy and materials from SS (EC, 2019). Nowadays, waste management and biogas production are of great importance for environmental sustainability. Anaerobic digestion process stands out as an effective method to biodegrade waste into energy. However, the mono-digestion of SS is limited by low biogas efficiency and organic matter removal, due to the low carbon-to-nitrogen ratio of the SS. While mono-digestion only processes a single type of organic matter, co-digestion overcomes such limitations and provides significant increases in biogas production (Moñino et al., 2016; Li et al., 2021). In particular, co-digestion of food waste (FW) and SS can increase biogas production and improve organic matter removal in such systems (Zamorano-Lopez et al., 2018; Robles et al., 2018). Co-digestion of FW and SS has attracted attention as an effective way to increase the efficiency of biogas production from SS. FW usually contains organic matter with high carbon content, while SS may contain more nitrogen and phosphorus. Therefore, co-digestion with FW provides more balanced nutrition of microorganisms, increasing overall biogas production and system efficiency (Moñino et al., 2017; Li et al., 2020; Cheng et al., 2021). However, potential challenges associated with co-digestion include microorganism imbalances and biological degradation that can result from the combination of different substrates (Robles et al., 2018). Anaerobic membrane bioreactors (AnMBR) provide high solids concentrations and improved biogas yields by offering both full biomass retention capability and separating hydraulic retention time from solids retention time (Miyamoto et al., 2015). AnMBR technology has been developed to overcome the traditional limitations of anaerobic digesters. This technology preserves biomass even at high organic loads, enhancing biogas production efficiency and improving energy and cost-effectiveness (Zhen et al., 2023). AnMBR is particularly advantageous for decomposing biomass with a low carbon-to-nitrogen ratio, facilitating efficient waste conversion and biogas production (Chojnacka et al., 2023; Raheem et al., 2018; Xie et al., 2023). These benefits make AnMBR an ideal choice for co-digestion. This thesis investigates the co-digestion of mixed sludge (mixture of primary sludge (PS) and waste activated sludge (WAS)) and FW in an AnMBR system. The experimental phase examines membrane filtration efficiency and biogas production, comparing co-digestion with mono-digestion. The modeling phase evaluates the impact on energy efficiency, operational costs, and effluent quality in a wastewater treatment plant (WWTP). This research provides insights into the feasibility of FW as a co-substrate, aiming to enhance wastewater treatment cost-effectiveness and support sustainable waste management. The study was carried out with a laboratory-scale AnMBR system. For this purpose, a glass reactor with an 7 L working volume was used, connected to an external membrane module. The reactor was equipped with various probes and sensors to monitor pH, oxidation-reduction potential, temperature and internal volume level. Biogas production in the reactor was monitored by means of a gas meter, while transmembrane pressure was measured by pressure in the inlet, outlet and permeate lines. The mixed sludge in the reactor was fed using a peristaltic pump for continuous feed, and the reactor temperature was maintained at 35±1 °C. The thesis consisted of experimental and modeling phases. The experimental plan included two stages: In the first, the AnMBR was fed with mixed sludge only. In the second stage, FW was generated in the house source separated and added to mixed sluge. The study was carried out under continuous feed mode including a range of parameters to determine the operational parameters of the AnMBR. During the first stage, the organic loading rate (OLR) was 1.2 kg chemical oxygen demand (COD)/m3.d and the permeate COD concentration was 769±61 mg/L. In the second stage, OLR was increased to 2.2 kg COD/m3.d and the permeate COD concentration decreased significantly to 387±24 mg/L. The COD mass balance analysis revealed that COD converted to methane in biogas increased by 34%, while effluent and sludge decreased by 58% and 14%, respectively. The results showed that the co-digestion of mixed sludge and FW in the AnMBR system increased biogas production and improved organic matter removal compared to mono-digestion of mixed sludge. In particular, co-digestion of FW with SS enabled more efficient processing of the organic load. However, membrane fouling during the co-digestion stage was particularly evident, requiring more careful monitoring. In the modeling phase of the thesis, Benchmark Simulation Model No. 2 was used for plant-wide modeling of a wastewater treatment plant, including anaerobic digestion for sludge management, under four anaerobic digestion scenarios. These scenarios are (i) mono-digestion in conventional anaerobic digester (AD), (ii) co-digestion in AD, (iii) mono digestion in AnMBR, and (iv) co digestion in AnMBR. The operational costs and environmental efficiency of the scenarios were evaluated using different criteria, such as Effluent Quality Index and Operational Cost Index. The use of AnMBR instead of a conventional anaerobic digester and co-digestion of sewage sludge and FW deteriorated effluent quality due to increased organics degradation, resulting in higher levels of phosphorus release. However, AnMBR reduced the total operational costs by 22.5%, while FW co-digestion in AnMBR decreased operational costs by 62.4%. These findings highlight the potential of FW co-digestion in AnMBRs to reduce the economic burden on wastewater treatment plants. Simulations revealed that AnMBR technology had a higher biogas production capacity than conventional AD and offered greater energy efficiency. Co-digestion increased both the biogas yield and the plant-wide energy efficiency, indicating that this technology is a sustainable option for SS management and energy production. However, membrane fouling in the system led to increased operational costs, which in turn affected energy consumption and maintenance requirements. This thesis investigated the co-digestion of SS and FW in an AnMBR system. The experimental phase examined membrane filtration efficiency and biogas production, comparing co-digestion with mono-digestion. The modeling phase evaluated the impact on energy efficiency, operational costs, and effluent quality in a WWTP. This research provided insights into the feasibility of FW as a co-substrate, aiming to enhance wastewater treatment cost-effectiveness and support sustainable waste management. In conclusion, this study emphasizes that AnMBR systems and co-digestion of SS and FW offer significant potential in the management of organic wastes. Nonetheless, membrane fouling is among the areas that need to be optimized before this technology can be applied more widely.
Benzer Tezler
- Evaluation of co-substrate alternatives for co-digestion of sewage sludge: Coupling plant-wide modelling with life cycle analysis
Arıtma çamurunun birlikte çürütülmesi için ilave substrat alternatiflerinin değerlendirilmesi: Tesis bazlı modelleme ve yaşam döngüsü analizinin birlikte kullanılması
EMİRCAN KARA
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Evsel katı atık ve arıtma çamurlarındaki ftalatların anaerobik arıtılabilirliği
Anaerobic treatability of phthalates in municipal solid waste and sewage sludge
DENİZ İZLEN ÇİFÇİ
Doktora
Türkçe
2012
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CUMALİ KINACI
- Şekerleme endüstrisi atıksularının biyolojik arıtılabilirliğinin belirlenmesi
Respirometric evaluation of the biodegradability confectionary wastewater
GÜNAY YILDIZ
- Evsel atıksu arıtma tesisi çamurları ile termokimyasal ön arıtım uygulanmış lignoselülozik atıkların birlikte anaerobik parçalanabilirliğinin değerlendirilmesi
Co-digestion of sewage sludges with thermochemically pretreated greenhouse residues
LÜTFİYE DUMLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Çevre MühendisliğiAkdeniz ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALTUNAY PERENDECİ
- Sivas atıksu arıtma tesisi arıtma çamurlarının farklı ek besi maddeleri kullanılarak anaerobik birlikte çürütülmesinin (Codigestion) araştırılması
Investigation of codigestion of Sivas wastewater treatment plant treatment sludges by using different cosubstrates
TURGAY BİŞGİN
Doktora
Türkçe
2019
Çevre MühendisliğiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELTEM SARIOĞLU CEBECİ