Kentsel atıksu arıtma tesisi anaerobik çamur çürütücülerinin dinamik proses modelleme yaklaşımı ile analizi
Analysis with dynamic process modeling approach of anaerobic sludge digesters of the urban wastewater treatment plant
Yazar: KERİM EKİCİ
Danışman: PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Anaerobik arıtma = Anaerobic treatment ; Arıtma çamuru = Treatment sludge ; Atık su arıtma tesisleri = Waste water treatment plants ; Atık çamur = Waste sludge ; Performans modelleme = Performance modelling

Özet:
Atıksu arıtma tesislerinde arıtım prosesi sonucunda meydana gelen biyokütle yani atık olarak tabir edilen bu arıtma çamurları, çamurun karakterizasyonuna uygun olan stabilizasyon işlemleri vasıtasıyla çevre ve insan sağlığı açısından gerekli kriterleri sağladıktan sonra nihai olarak bertaraf edilmesi gerekmektedir. Atıksu arıtma tesislerinde ortaya çıkan bu arıtma çamurları için düzenli depolama veya yakma gibi opsiyonlar kullanılarak çamur bertarafı gerçekleştirilir. Ancak bertaraf işlemine geçmeden önce çamurun kalorifik değeri ve karbon içeriğinin zengin olduğu göz önünde bulundurulduğunda, bu arıtma çamurlarından enerji elde etmek en avantajlı seçeneklerden biridir. Anaerobik prosesin arıtma sistemlerinde uygulanması kirlilik yükü yüksek olan evsel ve endüstriyel atıksuların arıtımında ve atık çamurlarının stabilizasyon işlemlerinde kullanılan bir uygulamadır. Anaerobik çürütme ekonomik bir biyoproses olarak atıksuyun veya atığın içindeki organik maddeleri bir takım mikroorganizma faaliyetleri sonucunda biyogaz ürünü meydana getirmekle kalmayıp yenilenebilir enerji üretimi ve kirlilik kontrolünde nutrientlerin geri çevrimi, sera gazı emisyonlarının azaltımı hususunda da önemli bir rol oynamaktadır. Anaerobik çürütme ile üretilen biyogazın metan içeriğinin artırılarak kalitesi de orantılı olarak artar. Ancak biyogazın içinde karbondioksit, hidrojen sülfür, azot, partiküler maddeler ve su buharı da bulunmaktadır. Anaerobik çürütme işleminin ana amacı çamur stabilizasyonu ve patojenlerin azaltılması olsa da elde edilen biyogaz ile ısı ve güç jenaratörleri aracılığıyla atıksu arıtma tesislerinin elektrik ihtiyacının önemli bir kısmını karşılayarak maliyetleri de azaltmaktadır. Her ne kadar bu işlemler basit gibi görünse de anaerobik çürütme prosesinde görev alan bakteriler birbiriyle dolaylı veya doğrudan bağlantılı olarak çalışmakta ve prosesi etkileyen birçok parametre bulunmaktadır. Bu anaerobik süreçlerde metan üretimi aşamasına gelene kadar organik maddelerin ayrıştırıldığı dört farklı safha bulunmaktadır. Hidroliz denilen ilk aşamada organik maddelerin içindeki kompleks yapıdaki karbonhidrat, lipid ve proteinler hücre dışı enzimlerle parçalanarak basit yapılı şekerlere, uzun zincirli yağ asitlerine ve aminoasitlere dönüşür. Akabinde hidroliz aşamasının ürünleri asidojenik bakteriler ile organik asitlere ve hidrojene fermente olurlar. Üçüncü aşamada asetojenik bakteriler uçucu organik asitleri asetata ve hidrojene dönüştürürler. Son aşamada ise anaerobik çürütmenin nihai ana ürünü olan metan oluşmaktadır. Burada metan oluşumu iki yolla gerçekleşmektedir; oluşan asetat, asetiklastik metanojenler ile metana ve karbondioksite, hidrojen tüketen metanojenler ile de hidrojen ve karbondioksit, metana dönüşmüş olur. Biyogaz içindeki metan gazının yaklaşık %70'i asetat üzerinden, %30'u ise H2 ve CO2'in sentezlenmesi sonucu ortaya çıkmaktadır.
Son zamanlarda, atıksu arıtma tesislerinde uygulanan metodların optimizasyonuna ve maliyetlerinin düşürülmesine tasarlanan işletme senaryolarını modelleme araçları ile test etmek mümkün hale gelmiştir. Model bazlı inceleme yaklaşımı farklı tesis yüklerinde çıkış suyu standartlarını tutturarak atıksu arıtma tesislerinde sürdürülebilir bir enerji döngüsünü yakalayabilmek için en uygun yaklaşımdır.
Bu çalışmada, uzun havalandırmalı aktif çamur modeli kullanılarak kentsel atıksu arıtma tesisinin çıkış suyu kalitesi ve biyogaz üretim potansiyeli simulasyonu yapılmıştır. Model bazlı yaklaşımın kullanılması gerçek bir tesisin çalışma performansının içerisine girip mümkün olabilecek senaryoları değerlendirme imkânı sunmaktadır.
Atıksu arıtma tesislerinde giriş atıksu karakterizasyonunu gösteren kirletici parametrelerinin nispeten düşük değerlere sahip olması biyogaz verimine doğrudan etkisi bulunmaktadır. Bu çalışmada ele alınan gerçek ölçekli tesisin tasarım hesabında ele alınan KOI yükünden yaklaşık %30 daha az bir kirlilik yükü ile performans göstermektedir. Atıksu arıtma sistemlerinde planlama ve tasarımda hesaplamaların gerçek koşullara yakın tahminde bulunulması oldukça kapsamlı ve karmaşık bir dengeyle kurulmaktadır. Söz konusu temel tasarım faktörleri nüfus, debi, atıksu karakteristikleri,tesis yeri ve mevzuatın getirdiği deşarj standartları gibi bir çok kriterin bir anda ele alınmasını gerektirmetedir. Tesislerde tasarım yükünün doğru tayini ekipman seçimi, enerji ve kimyasal madde ihtiyacı, proses konfigüorasyon seçimi ve karşılaşılabilecek farklı durumlara karşı proaktif bir yaklaşım getirebilecek şekilde çözüme açık değerlerde olması gerekmektedir. Bu nedenle tasarımda ele alınan değerler debi, konsantrasyon, farklı kirletici yükü gibi değişkenlik gösterecek durumlara karşı tolerans sağlayabilmelidir. Sisteme gelen atıksudaki karbon içeriğinin deşarj limitlerini sağlayacak şekilde kullanılması her ne kadar ana amaç olsa da, biyogaz üretimini sağlayan anaerobların önemli kaynağı olan karbon kullanımına dayalı başka bir ünite sisteme entegre edildiğinde karbonun sistem içinde verimli şekilde kullanılması sağlanmalıdır. Tesisin performans analizinin simülasyon çalışması KOI, AKM ve TN gibi deşarj parametrelerinin rahatlıkla deşarj limit değerlerinin altında sağlanabilir olduğunu göstermiştir. 
Ön çökeltme ünitesinden gelen çamur, biyolojik arıtma prosesinden elde edilen çamura kıyasla anaerobik çürütme işlemine daha uygundur. Bu nedenle anaerobik çürütmede elde edilen biyogazda ön çökeltme çamurunun payı daha fazla olduğu bulunmuştur. Bu durumun nedeni biyolojik çamurda çoğunlukla kolay ayrıştırılabilir organik maddelerin daha az bulunmasıdır. Ön çökeltme çamuruyla giriş KOI'nin %30'u giderilerek çıkış kalite değerleri sağlanmıştır. Geri devir hattından bir kısmın giriş hattına verilmesi ön çökeltme ünitesindeki verimi artırabilir. Ancak havuzdaki çökeltme verimi ve sınırlı hidrolik bekletme süresi gibi kısıtlamalar mutlaka göz önünde bulundurulmalıdır. Biyogaz üretimi için verimli şekilde karbon kaynağının verimli kullanılması için atıksuyun KOİ fraksiyonlarının belirlenmesi gereklidir.
Hesaplamalar ve simülasyon çalışma sonuçları anoksik reaktörlerin nitrat sınırlayıcı koşullarda çalıştığını göstermiştir. Temelde, çürütücü mekanizması için karbon kaynağının artırılması biyogazın daha fazla üretilmesini sağlayacaktır. Anoksik olarak çalışan reaktörlerin karbon kaynağını daha az kullanacak şekilde denitrifiye konfigürasyonunun kullanılması önerilmektedir. Tesiste biyolojik nutrient gideriminin yapıldığı havalandırma havuzlarının %25'i anoksik bölgedir. Bu oranın %50'ye kadar artırılmasıyla azot giderimi, istenen deşarj limitlerini sağlayacak şekilde kullanılabilir.
Simülasyon çalışması tesiste üç adet paralel olarak aktif çamur prosesiyle işletilen sistemin toplam çamur yaşı ortalama 22 gün olarak vermiştir . Sistemin toplam çamur yaşının düşürülerek atıksu çıkış kalitesini bozmadan çürütücülere gönderilen biyolojik çamur miktarı artırılmalıdır. Nitrifikasyon bakterilerinin net spesifik büyüme hızlarının tespiti için respirometrik ölçümlerin yapılarak belirlenmesinden sonra sistem için gerekli olan minimum aerobik çamur yaşına göre biyolojik nütrient giderimi yapılabilir.
Model simülasyon çalışması, ortalama 25 gün çamur yaşında paralel olarak çalışan çürütücülerde organik katı madde gideriminin yaklaşık %50 civarlarında olduğunu göstermiştir. Bu giderim verimiyle simülasyon çalışmasıyla tesiste 4.979 m3/gün biyogaz üretilebileceği bulunmuştur. Ayrıca çürütücüdeki tüm organik maddenin giderilebildiği varsayıldığında biyogaz üretiminde %33 artış sağlanarak, tesiste en fazla 6.622 m3/gün biyogaz elde edilebilecektir.
Atıksu karakterizasyonu, modelleme işlemlerinde gerekli tüm bilgileri veren vazgeçilmez bir adım olarak kabul edilmektedir. Temel olarak KOI fraksiyonlarının da anlamlı kinetik ve stokiyometrik değerler üzerinden ele alınmalıdır. Matematiksel modellerde seçilen bu fraksiyonlar tutarlı ve güvenilir olmalıdır. Böylece organik ve inorganik kirleticilerin inert, kolay veya yavaş ayrışabilir miktarlarını belirlenerek kirlilik karakteri hakkında ayrıntlı bilgi sağlanarak arıtma performansının sonucuna daha net ifadeler getirilebilir (Orhon ve Çokgör, 1997).
Aktif çamur model sistemlerinde karbon giderimi, nitrifikasyon ve denitrifikasyonun yanı sıra biyolojik fosforun giderilmesinin de dahil olduğu genel bir model kullanılması sistemlerin simülasyon çalışmalarında kolaylık sağlayacaktır. Genel model uygulamasının önemli bir özelliği, tüm sistemler için tek dizi kinetik ve sitokiyometrik model parametresinin uygulanmasıdır (Barker ve Dold, 1997). Bu tez çalışmasında, kurulması planlanan anaerobik çamur stabilizasyon ünitesi entegreli atıksu arıtma tesislerinin proseslerine ve çalışma koşullarına, verimlerinin tahmin edilmesine katkı sağlayarak işletme şartlarının daha iyi irdelenmesine ışık tutacak verilerin üretilmesi ve tahminlerin yürütülmesi amacıyla gerçek ölçekli atıksu arıtma tesisi üzerinden model çalışması yapılmıştır. Bu kapsamda, tesisin dört aylık dinamik verileri temin edilerek proses verimliliği değerlendirilmiş ve SUMO programı dahilindeki model üzerinden mevcut koşullar ile tahmin verileri karşılaştırılmıştır. Elde edilen simülasyon sonuçlarının gerçek koşulları yansıttığı bulunmuştur. Böylece bu tarz tesislerin kurulmasından önce model ve simülasyon araçlarının kullanımının son derece işlevsel olduğu görülmüştür. 
Birçok moleküler ağırlığı yüksek, kolloidal veya partiküler organik substratlar mikroorganizmalar tarafından direk olarak kullanılamamaktadır. Bu substratlar hücredışı enzimlerle hidroliz prosesi altında  parçalanabilmekte olup bu adım anaerobik çürütme prosesinde yavaş gerçekleşen bir evre olduğundan hız sınırlayıcı olarak söylenebilir. Ayrıca heterotrofik mikroorganizmaların ölümü veya parçalanmasıyla meydana gelen substratlar da diğer anaerobik mikroorganizmalar tarafından hidroliz işlemi sonrasında kullanılabilmektedir. Bu olayların gerçekleşme hızındaki değişiklikler, anaerobik çürütme hızını ve derecesini etkilemekte ve metan üretimini artırmaktadır. Anaerobik ölüm hızı arttıkça, hücre parçalanması arttığından biyogaz oluşumu da orantılı olarak artmaktadır. Ayrıca anaerobik hidroliz hızının da artması biyogaz üretimini olumlu yönde etkilediği görülmüştür. Simülasyonda referans alınan 0.10 değeri 0.50'ye kadar artırıldıkça biyogaz üretiminde büyük artışlar görülmemiştir. Ancak anaerobik hidroliz hızı düzeltme faktöründe referans alınan 0.50 değeri 0.10'a kadar düşürüldüğünde 0.10 ile 0.20 değerleri arasında biyogaz miktarında ani azalma görülmüştür. Bu da hidroliz adımının hız sınırlayıcı bir aşama olduğunu göstermektedir.

Abstract:
The sewage sludges which occurs after treatment process that is called as biomass in wastewater treatment plants, must be finally disposed after satisfying necessary criteria in terms of environment and human health by means of stabilization processes suitable according to characterization of sludge. Sludge disposal is carried out by using options such as regular storage or incineration for these sludge emerging in wastewater treatment plants. However, it is one of the most advantageous options to obtain energy from these sewage sludges when considering the its calorific value and if it's rich carbon content before the disposal process.
Application of anaerobic process in treatment systems or anaeorbic way of stabilization processes of the waste sludge is used in the treatment of domestic and industrial wastewater with high pollution load. Anaerobic digestion is an economic bioprocess, not only bring biogas product by removing organic matter in the waste or wastewater as a result of a number of microbial activities, but also plays a key role in the recycling of nutrients and the reduction of greenhouse gas emissions in renewable energy production and pollution control. The biogas produced by anaerobic digestion increases the methane content and the quality of biogas increases proportionally. However, biogas also contains carbon dioxide, hydrogen sulphide, nitrogen, particulate matter and water vapor. The main objective of the anaerobic digestion process is to reduce sludge stabilization and pathogens, but it also reduces the costs by meeting a significant portion of the electricity by heat and power generators that needs of the wastewater treatment plants through biogas.
Although these processes may seem simple, bacteria that are involved in the anaerobic digestion process work indirectly or directly with each other, and there are many parameters that affect these processes. In these anaerobic processes, there are four distinct phases in which the organic matter is degraded as far as methane production is concerned. In the first stage called hydrolysis, carbohydrates, lipids and proteins in the complex structure in organic matter are broken down by extracellular enzymes into simple sugars, long chain fatty acids and amino acids. The products of the hydrolysis step are then acidified with acidic bacteria to organic acids and hydrogenated fermenters. In the third step, acetogenic bacteria convert volatile organic acids to acetates and hydrogene. At last, methane is the final product of anaerobic digestion. Methane formation occurs in two ways; methane and carbondioxides with acetate, asidoclastic methanogens, hydrogen and carbon dioxide with hydrogen consuming methanogens. Approximately 70% of the methane gas in the biogas is produced over acetate, and 30% is the result of the synthesis of H2 and CO2. 
By modeling studies, a number of achievements such as performance of treatment plants, estimation of the efficiencies, development of control systems are obtained. In describing and analyzing the processes, instead of qualitative expressions, technical and clear expressions such as "20% more efficient" can be expressed instead of simple approaches such as "this system is more efficient than the other system" by quantitative or numerical values. Thus, it is possible to reduce risks, reduce costs, and evaluate possible scenarios for development by ensuring that the planned system to be installed by using the model is provided in advance.
The pollutant parameters that characterize the input wastewater in wastewater treatment plants have relatively low values and have a direct effect on biogas yield. The actual scale plant discussed in this study performs with a pollutant load of about 30% less than the COD load considered in the design. The planning and design of wastewater treatment systems is based on a fairly comprehensive and complex balance of predicting calculations close to actual conditions. The basic design factors in question need to address many criteria such as population, flow rate, wastewater characteristics, installation site and the discharge standards brought by the legislation. The correct design of the design load in the plants must be in clear terms, such as equipment selection, energy and chemical requirements, process configuration selection, and a proactive approach to the different situations that can be encountered. For this reason, the values considered in the design should be able to tolerate situations that will vary such as flow, concentration, different pollutant loads. Although the main purpose is to use the carbon content in the incoming wastewater to provide discharge limits, when carbon monoxide is integrated into the system, which is an important source of anaerobes for biogas production, carbon must be efficiently used in the system. The simulation of the performance analysis of the plant showed that discharge parameters such as COD, TSS and TN could be easily provided below the discharge limit values.
The sludge from the primary sedimentation unit is more suitable than the secondary sludge from the biological treatment process for biogas production by anaerobic digestion. For this reason, the biogas obtained by anaerobic digestion was found to highly weighted over primary sludge. The reason for this is that secondary sludge often contains fewer readily degredable organic substances. 30% of COD removal after primary sedimentation  and effluent discharge limits values are well-provided. The efficiency of primary sedimentation can be increased by diverting a part of recycled activated sludge into the influent. However, the physical constraints such as sedimentation efficiency should be evaluated in detail. Moreover, the retention time of primary sedimentation basin is limited. For the efficient use of carbon source for biogas production, it is necessary to determine the COD fractions of wastewater.
The results of calculations and simulation studies show that anoxic zones operated  in nitrate-limiting conditions. The basically means that more carbon source would be available for additional biogas production. It is suggested to use the denitrification configuration to use less carbon source of anoxic reactors. Anoxic zone is occupied 25% of total volume of BNR tanks. It may be possible with an anoxic volume share as high as 50%.  The total SRT of the activated sludge system was calculated to be around 22 days whilst three parallel lanes of activated sludge were in operation. The SRT could be lowered in order to increase the amount of excess sludge, in turn, biogas generation from anaerobic digesters unless disturbing the discharge limits. The required minimum aerobic sludge age should be re-adjusted after actual respirometric measurements of nitrifiers net-growth rate on site.
The model simulation study showed that SRT is around 25 days the two digesters running on parallel has 50 % VSS destruction. It has been found that the production of the biogas is 4.979 m3/day. Furthermore, assuming that all the organic matter in the digester could removed by a 33% increase in biogas production up to 6.622 m3/day of biogas will be obtained in the plant.
Wastewater characterization is considered an indispensable step in providing all the necessary information in modeling operations. Basically, COD fractions should also be considered on the basis of significant kinetic and stoichiometric values. These fractions selected in mathematical models should be consistent and reliable. Thus, by determining the inert, easy or slow decomposable quantities of organic and inorganic pollutants, detailed information about the pollution character can be provided to clarify the result of purification performance.
The use of a general model of activated sludge model systems, including carbon removal, nitrification and denitrification, as well as removal of biological phosphorus, will facilitate the simulation work of systems. An important feature of the general model application is the application of single set kinetic and cytokiometric model parameters for all systems. In this thesis, the anaerobic sludge stabilization unit, which is planned to be established, contributes to the process and working conditions of the integrated wastewater treatment plants, estimates the yields and provides data to better understand the operating conditions and studies the model on the real scale wastewater treatment plant. In this context, the plant's four-month dynamic data is provided to assess the process efficiency and the forecast conditions are compared with the existing conditions based on the model included in the SUMO program. The results of the simulation obtained are found to reflect the actual conditions. Thus, the use of models and simulation tools has been found to be highly functional prior to the establishment of such plants.
High molecular weight, colloidal or particulate organic substrates can not be used directly by microorganisms. These substrates can be degraded under hydrolysis process with extracellular enzymes, and this step can be said to be a rate limiting step since it is a slow process in the anaerobic digestion process. Substrates that are formed by the death or lysis of heterotrophic microorganisms can also be used by other anaerobic microorganisms after hydrolysis. Changes in the rate of occurrence of these events affect the rate and degree of anaerobic digestion and increase methane production. As anaerobic death rate is increases, biogas production increases proportionally as cell disruption increases. In addition, an increase in the rate of anaerobic hydrolysis has been shown to affect biogas production positively. No significant increases in biogas production have been observed as the simulated 0.20 value increased by 0.50. However, when anaerobic hydrolysis rate correction factor is lowered to 0.50, which is a reference value of 0.10, a sudden decrease in the amount of biogas is observed between 0.10 and 0.20. This shows that the hydrolysis is a rate limiting step.