Atıksu arıtma tesislerinde enerji verimliliğinin incelenmesi
Energy efficiency in wastewater treatment plants
Yazar: ZEHRA AYNUR
Danışman: PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Dünya genelinde hızla artan nüfus, gelişen teknoloji ve ekonomik göstergeler paralelinde artan enerji ihtiyacını da göz önüne koymaktadır. Enerji ihtiyacının büyük bir kısmı fosil yakıtlardan karşılanırken alternatif enerji kaynaklarının kullanımı da günümüzde yaygın hale gelmiştir. Doğal kaynakların kullanıma bağlı olarak azalması ve çevre kirliliğinin artmasıyla yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ile temiz ve sürdürülebilir enerji politikalarının geliştirilmesi önem kazanmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında önemli bir yere sahip olan biyokütleden enerji üretimi günümüzde artarak değer kazanan kaynaklardan birisidir. Biyokütleden enerji elde etme potansiyeli yüksek olan atıksu arıtma tesislerinde biyokütlenin anaerobik reaktörlerde çürütülmesi ile tesis kapasitesi ve atıksuyun kirlilik yüküne bağlı olarak önemli miktarda enerji üretimi söz konusudur.  Bu durum, arıtma prosesi sonucu oluşan çamurun çürütülmesi ile tesiste tüketilen enerjinin bir kısmının geri kazanılacağı anlamı taşımaktadır. 
Dünya genelinde enerjinin ~ % 0,1-0,4'ünün atıksu arıtımında kullanılmaktadır ve nütrient giderimi gerçekleşen bir atıksu arıtma tesisinde yıllık enerji ihtiyacı 0,003-0,015 kW/kişi olarak değişmektedir. Artan nüfus, deşarj standartlarındaki yeni düzenlemeler ve atıksu arıtımı için gerekli alt yapının (kanalizasyonve iletim hatları, pompalar, arıtma üniteleri v.b) kullanıma bağlı olarak ömrünün azalması sonucu enerji kullanımının artacağı beklenmektedir. Bu nedenle evsel atıksu arıtma tesislerinde atıksuların enerji geri kazanım potansiyelleri ve tesisin kendi enerji ihtiyacını katşılayabilmesi konusu önemini arttırmaktadır.
Arıtılmamış (ham) evsel atıksuların enerji içeriklerinin, arıtma için gerekli enerjinin oldukça üzerinde olduğu bilinmektedir. Arıtma tesisine gelen atıksu bünyesindeki organik maddelerin enerji içeriği, ham atıksuyun KOİ cinsinden kirlilik yüküne göre değişir. Atıksuların aerobik arıtımında önemli miktarlarda enerji tüketimi söz konusudur ve yüksek oranda çamur üretimi gerçekleşmektedir. Anaerobik arıtma prosesinde ise çamur üretimi aerobik proseslere göre oldukça düşük olup, atıksuyun/çamurun enerji içeriğinin büyük kısmının metana dönüşümü sağlanır. Bu nedenle anaerobik arıtma prosesi iyi bir yenilenebilir enerji (biyometan) kaynağı olarak orta ve büyük ölçekli tesislerin çoğunda kullanılmaktadır. Son yıllarda, anaerobik çamur çürütmenin 10.000 EN ve üzerindeki biyolojik arıtma tesislerinde de etkin kullanımı söz konusudur. 
Bu çalışmada Kocaeli Büyükşehir Belediyesine bağlı evsel nitelikli atıksu arıtma tesisleri incelenmiş olup bunların enerji potansiyelleri hesaplanmıştır. İncelenen atıksu arıtma tesislerinde çürütücü olması durumunda enerji üretme ve kendi enerjisini ne oranda karşılama potansiyeline sahip olduğu üzerinde bir yaklaşım geliştirilmiştir. Bu amaçla Kocaeli Büyükşehir Belediyesine ait 5 evsel atıksu arıtma tesisinden 2013 yılına ait giriş ve çıkış verileri alınarak ortalama olarak debi, KOİ, BOİ, AKM, TKN ve TP aralıkları belirlenmiştir.
Çalışmanın ilk bölümlerinde literatür araştırmasına yer verilmiş olup, 1.Bölümde Türkiye'de evsel atıksu arıtımının durumu ve bununla ilgili yasal çerçeve bulunmaktadır. Türkiye'de bulunan atıksu arıtma tesislerinin sayı ve proseslerine göre dağılımları verilmiştir. Tezde incelenen tesisler Türkiye'de bulunan AAT'lerin % 53'ini oluşturan biyolojik arıtma yapan tesislerdir. Bu bölümde Türkiye'de enerji verimliliği ile ilgili teşvikler ve yasal mevzuatlar da yer almaktadır.
Çalışmanın ikinci kısmında atıksu arıtma tesisleri ve enerji kullanımlarına genel bakış, Dünya'da ve Türkiye'de bulunan atıksu arıtma tesislerinde enerji kullanımına ait mevcut durum, Türkiye'de bulunan atıksu arıtma tesisleri ile bunların kapasiteleri ve enerji dağılımlarından bahsedilmiştir. Yine bu bölümde atıksu arıtma tesislerinde enerji yoğun üniteler incelenerek proses bazlı enerji dağılımları verilmiştir. 
Çalışmanın üçüncü bölümü dünya genelinde bulunan atıksu arıtma tesislerinde enerji optimizasyonuna yönelik yapılan uygulamaları içermektedir. Tesislerin biyogaz verimlerinin  dolayısıyla enerji üretiminin arttırılması için uygun çamur yönetiminin yapılması ile ilgili literatürde yer alan bazı bilgiler verilmiştir.
Atıksu arıtma tesislerinde uygulamaya alınan enerji yönetim planlarının temel amacı arıtma performansından ödün vermeksizin enerji giderlerinin azaltılmasıdır. Çalışmanın dördüncü bölümünde atıksu arıtma tesislerinde enerji optimizasyonuna yönelik çeşitli uygulamalar anlatılmaktadır. AAT'lerde enerji optimizasyonuna yönelik kullanılan en yaygın yöntem arıtma çamurlarının anaerobik çürütülmesidir. Anaerobik çürütme işleminde çamur stabilizasyonu söz konusudur.  Aynı zamanda organik madde içeriğinin azaltılması ile biyokatıya dönüşümü ve son ürün olan biyogazın bünyesindeki metanın enerji elde edilmesi bu prosesin en önemli avantajlarındandır.  Anaerobik çürüme prosesinin oldukça yavaş bir süreç olması ve çürüme sonrasında organik maddelerin tümüyle parçalanamaması nedeniyle tam stabilizasyonun sağlanamaması ve elde edilen biyogaz miktarının az olması araştırmacıları anaerobik çürümeyi hızlandıracak ve stabilizasyon derecesini artırmayı sağlayacak yeni yöntemler geliştirmeye yöneltmiştir. Biyogaz verimini arttırmaya yönelik çeşitli yöntemler de yine bu bölümde verilmiştir. 
Enerji optimizasyonuna yönelik diğer bir uygulama olan evsel organik katı atıkların arıtma çamurları ile anaerobik arıtımı, yüksek miktarlarda üretilen katı atık ve arıtma çamurlarının entegre biçimde yönetimini sağlamaktadır.  Tesislerde uygulanan bir diğer enerji optimizasyonu uygulaması da anaerobik çürütücü yan akımlarının arıtılmasıdır. Atıksu arıtma tesislerinde çamur işleme ünitelerinden çıkacak azot ve fosfor bakımından zengin suları tesise ilave yük getirmektedir. Bu akımlar ile tesis başına dönen toplam azot, tesisin günlük azot yükünün %10 – 30'unu oluşturmaktadır. Bu ilave azot yükünün tesis işletme maliyetini (havalandırma enerjisi) olumsuz yönde etkilemesi sonucu son yıllarda yan akımlardan gelen azot yükünün azaltmak amacıyla yeni biyolojik prosesler geliştirilmiştir. Bunlardan en yaygın uygulanan iki proses SHARON ve SHARON/Anammox sistemleri Bölüm 4'te kısaca anlatılmaktadır.
Tez kapsamında incelenen tesisler ve tesis bilgileri tezin materyal ve metod kısmında yer almaktadır. Tesislerden alınan dizayn parametreleri ve tesis işletim verileri bu bölümde verilmiştir. Yine bu bölümde tez kapsamında izlenen yol ve yapılan çalışmalar anlatılmıştır. Bu çalışmada tesislerin dizayn standartı olan ATV 131 E modeli esas alınarak hesaplamalar yapılmıştır. 
Tezin Sonuç ve Bulgular bölümünde seçilen tesislere ait hesaplamalar verilmiş ve bunlarla ilgili değerlendirmeler yapılmıştır. Tesiste bulunan ünitelerin enerjileri hesaplanmış ve enerji dağılım oranları tesis bazında verilmiştir. Bu bölümde tesislerde anaerobik çamur çürütücü olması durumunda metan üretim potansiyeli ve tesisin enerji geri kazanma potansiyelleri incelenmiştir.
Tüm bu bilgiler ışığında, tesislerin enerji geri kazanım yaklaşımı tesis bazında değerlendirilmiş olup tesis enerji tüketimleri arıtılan atıksu miktarı ve eşdeğer nüfus bazında karşılaştırılmıştır. Diğer birçok ülkede olduğu gibi ülkemizde de biyokütle enerjisinin değerlendirilmesi sürdürülebilir enerji politikalarının oluşturulmasında önemli getiriler sağlayacaktır.

Abstract:
As in the world, also in our country, which is a developing country, increase in population and economical data show an increasing demand for energy. Although, alternative energy resources are getting common usage, the largest part of energy is provided by fossil fuels. Great part of energy demand is met by fossil fuels such as petroleum, brown coal etc and hydroelectric power plants. In times of growing concern about the future security of energy supply and growing awareness of the negative impact of fossil fuels to environment, the development of alternative energy sources is becoming even more important. Although alternative and renewable energy resources importance are identified, they haven't been developed to their maximum possible extent in out country yet.
Energy production from biomass, which has an important place in renewable energy sources, is one of the sources gradually becomes important. The main energy source in a municipal wastewater treatment plant is the biogas which is produced by anaerobic digester during the sludge stabilization process. When energy production from biomass is considered, one of the things that should be evaluated is to obtain energy (methane gas) from removal of biomass in anaerobic digester during wastewater treatment. Potential to generate energy from biomass in a wastewater treatment plants depends on plant capacity and daily biomass loading. In a high loading treatment plant has high potential to produce much more biogas and also much more energy by converting biomass.When the energy amount consumed by wastewater treatment plant is considered, such a situation means that some of the energy requirement of the plant is provided by the plant itself. 
Wastewater treatment plants are today benchmarked not only with respect to their treatment efficiency and how well they are able to meet discharge limits, but also in terms of their energy efficiency. Besides the reasonable use of energy on-site, this also includes the evaluation of their potential for energy production. The annual primary power demand of conventional municipal waste water treatment with nutrient removal is in the range of 0,003-0,015 kW/inhabitant. Studies show that 2% of the energy consumed in general in our country is consumed by wastewater treatment plants. Depending on increasing population, new arrangements in discharge limits and lifetime of the infrastructre which is essential for moving , pumping the wasteewater, it is expected that increasing energy consumption. Therefore, the subjects of the use of energy potential of wastewater treatment plants and the provision of the energy requirement of the plant by the plant itself, are gaining importance. The largest part of energy is used in secondary treatment in wastewater treatment plants and the most energy user units are pumps, aerators and sludge processes.
Untreated (raw) energy content of domestic sewage, is known to be quite on the energy required for treatment. Energy content of organic matter in the wastewater treatment plant varies according to the raw wastewater pollution load in terms of COD. The organic matter content of waste water can be considered as an energy sources and has an energy value of 13-15 kj/g COD. Significant amounts of energy consumption in aerobic wastewater treatment sludge production is concerned and takes place at a high rate. In the anaerobic digestion process is quite low sludge production compared to aerobic treatment processes. At the same time anaerobic process produce biogas as a final product and treat without oxygen requirement.  If the biogas is compared with other energy sources, 1 m3 of biogas is equal to 1,1 liters of gasoline or 0,94 m3 of natural gas. Therefore anaerobic treatment process is a good renewable energy source in the majority of medium and large scale plants. some researches show that anaerobic treatment process is comparatively feasible in some plants with capacity PE>10.000. 
In this study energy potential of municipal wastewater is calculated and an approach on how much of the energy demand, that is calculated depending on population, can be regained by anaerobic sludge digester is developed. This approach mainly consist of evaluating energy requirement and energy regain data. For this purpose the input and output datas for the year 2013 from 5 domestic waste water treatment plants of Kocaeli Municipality are taken to calculate an average for Flow Rate, COD, BOD, SS, TKN and TP. 
The research literature is given in the first chapter. In this part, current status and legal legislation of waste water treatment in Turkey are discussed. According to the available number of wastewater treatment plants and distribution process in Turkey are given. The plants studied in this thesis are the biological treatment facility which constitutes 53% of the construction in Turkey. This section also includes incentives and legislation related to energy efficiency in Turkey.
Chapter 2 includes general overviews to waste water treatment plants and energy usage in these facilities in Turkey and all around the world and also waste water treatment plants in Turkey with their capacities and energy distributions are mentioned in this part of study. Furthermore in this part high energy consuming units in waste water treatment plants are analysed and the energy-intense units are determined based on treatment processes are also given.  Applications which are made for the energy optimization of wastewater treatment plants located throughout the world take part into the third Chapter of this study. Besides that, increasing the efficiency of energy production of biogas plants in the literature related to the construction of some proper sludge management information is given in this part.
The main purpose of the Energy Management Plan in wastewater treatment plants is to reduce energy costs without compromising the performance of the treatment. In Chapter 4 the various applications in wastewater treatment plants for energy optimization is explained in detail. The most common method used for the energy optimization is anaerobic digestion in waste water treatment plants. While anaerobic digestion process sludge stabilization is also occured. The most important advantage of this process is biosolids conversion to energy by reducing the content of organic matter and biogas formation as a final product. Because of the low rate of anaerobic process and due to little biogas production new researches are conducted to provide full stabilization and enhance biogas production with high rate process. Various new methods which provides increasing in biogas yield is given in this Chapter. 
Another approach developed intented to energy optimisation is inegrated anaerobic digestion of sewage sludge with municipal organic solid waste.  Side stream treatment of anaerobic digester is one of the new developed energy optimisation application in waste water treatment plants. In waste water treatment plants, side stream of sludge treatment units cause increasing nutrient loading at the beggining of facilities. This also effects treatment standarts and energy usage. The return of side stream enhance the nitrogen loading of facilities rate of 10-30%. This additional nitrogen resultn in high operation costs (due to aeration energy). To reduce the high load of side stream new biological processes has been developed in recent years. The most commonly applications are SHARON and SHARON / Anammox systems are briefly discussed in Chapter 4.
Selected plants and its details are covered in material and method section. The obtained design and operation parameters of plants are given in this section. Moreover, the research works and the plans for the study is explained. All the calculations are done based on plant design standart called ATV 131 E. All the calculations and interpretations are given in results and discussion section. The energy consumptions of each unit in plants is calculated and the distribution rates are given for each plants. Methane production from anaerobic digestion unit which doesn't exist in plants, are also calculated and the potential for energy recovery is analysed.  
In the lights of these information, energy recovery approach are analysed based on plants in the same time energy consumption per unıt of treated water and personal equivalent are compared. As in almost every country, obtaining benefit from biomass energy is getting more important positive effects for sustainable energy policies.