Arıtma çamuru işleyen gerçek ölçekli anaerobik parçalanma prosesinin ADM1 ile modellenmesi
Modeling of real scale waste activated sludge anaerobic digestion process by anaerobic digestion model 1 (ADM1)
Yazar: MURAT MERT OTUZALTI
Danışman: DOÇ. DR. NURİYE ALTINAY PERENDECİ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Arıtma tesislerinde su ve atıksu arıtımı sonucu oluşan ve biyokatı olarak bilinen arıtma çamurlarının uygun arıtma işlemlerinden geçirilip gerekli çevre sağlığı kriterleri yerine getirilerek bertaraf edilmesi esastır. Evsel atıksu arıtma tesislerinde oluşan arıtma çamurlarının nihai bertarafı için tarım toprağında kullanım, düzenli depolama ve yakma yöntemleri kullanılmaktadır. Evsel atıksu arıtma tesisi çamurlarının nihai bertarafından önce arıtma çamurlarına yoğunlaştırma, stabilizasyon, şartlandırma ve susuzlaştırma akım şemasını içeren çamur işleme proseslerinin uygulanması gerekmektedir. Stabilizasyon, çamurdaki organik madde içeriğinin indirgenmesi (daha kararlı ya da inert organik ve inorganik hale dönüştürülmesi), patojen organizmaların ve toksisitenin giderilmesi ve koku potansiyelinin azaltılması amacıyla çamura uygulanan bir dizi biyolojik veya kimyasal işlemden oluşmaktadır. En yaygın kullanılan biyolojik stabilizasyon yöntemlerinden birisi anaerobik parçalanma prosesidir. Anaerobik parçalanma ile çamur stabilizasyonunun sağlanmasının yanında biyogaz üretimi yoluyla elektrik ve ısı enerjisi de üretilmektedir.
Bu tez çalışmasının amacı; evsel arıtma çamurlarının gerçek ölçekli anaerobik parçalanma prosesi ile stabilize edildiği bir tesisin sistem performansının Anaerobik Parçalanma Modeli No:1 (ADM1) ile modellenmesidir. Detaylı ve yeni bir model olarak ADM1 Uluslararası Su Örgütü (IWA) tarafından geliştirilmiştir. ADM1 yapısal bir modeldir ve çok sayıda kinetik parametre ile tanımlanan dezentegrasyon ve hidroliz, asidogenesis, asetogenesis ve metanogenesis aşamalarını içermektedir. Modelde diferansiyel ve cebirsel eşitlik setleri olarak bir reaktör için 26 dinamik durum konsantrasyon değişkeni, 19 biyokimyasal kinetik proses, 3 gaz-sıvı transfer kinetik proses ve 8 adet örtülü cebirsel değişken bulunmaktadır. Modelde diferansiyel eşitlik setleri olarak bir reaktör için 32 adet dinamik durum konsantrasyon değişkeni ve ilave 6 adet asit-baz kinetik proses değişkeni bulunmaktadır.  
Bu tez çalışmasında yeni kurulacak anaerobik çamur stabilizasyon proseslerine temel olacak proses çalışma koşulları ve verimlerinin tahmin edilmesine katkı sağlayarak prosesin daha iyi anlaşılmasına ışık tutacak bilgilerin üretilmesi amacıyla gerçek ölçekli atıksu arıtma tesisi çamur çürütme prosesi (Hurma AAT) ADM1 ile modellenmiştir. Bu kapsamda; bir yıl süreyle Hurma AAT çamur çürütme tesisi proses verileri temin edilmiş, elde edilen proses değişkenleri proses verimliliği açısından değerlendirilmiş, Aquasim programı kullanılarak ADM1 modelinde önemli kinetik parametreler parametre tahmin yöntemi ile belirlenmiş, belirlenen kinetik parametreler kullanılarak ADM1 modeli ile gerçek ölçekli tesis proses değişkenleri tahmin edilmiş ve elde edilen sonuçlar tartışılmıştır. 
Hurma AAT anaerobik çamur çürütme ünitesi proses verileri bilinen proses ve durum değişkenleri (giriş çamur debisi, anaerobik tank UKM yükleme, pH, sıcaklık, UYA ve alkalite konsantrasyonları, alıkonma süresi vb.) ile proses verimleri (UKM giderim verimi, metan üretim verimi ve metan üretim hızı) açısından değerlendirilmiştir. Hurma AAT anaerobik çamur çürütme ünitesi ortalama UKM giderim verimi, metan üretim verimi ve metan üretim hızı değerleri sırasıyla %46.4, 0,49 m3CH4/kgUKMgiderilen ve 0,33 m3CH4/m3gün olarak hesaplanmıştır.
ADM1 kullanılarak yapılan model çalışmalarında, model sonuçları üzerinde etkisi yüksek olan kinetik parametrelerin tahmin edilmesi ve etkisi düşük olan kinetik parametrelerin literatürde önerilen değerlerinin kullanılması genellikle uygulanan bir yaklaşımdır. Bu tez çalışmasında gerçek ölçekli çamur çürütme proses değişkenlerinin yüksek doğrulukla tahmin edilebilmesi ve yüksek model doğruluğu sağlanabilmesi için ADM1 yapısal modeli üzerinde yüksek etki düzeyine sahip dört parametrenin            (kdis (gün-1): dezentegrasyon hız sabiti, khyd_ch (gün-1): karbonhidrat hidroliz hız sabiti, khyd_pr: protein hidroliz hız sabiti ve khyd_li (gün-1): lipid hidroliz hız sabiti) değerleri Aquasim programı içerisinde bulunan parametre tahmin modülü kullanılarak hesaplanmıştır. kdis, khyd_ch, khyd_pr  ve khyd_li değerleri sırasıyla 0,101 (gün-1), 10 (gün-1), 10 (gün-1) ve 9,99 (gün-1) olarak bulunmuştur. ADM1 modeli üzerinde etkisinin daha düşük olduğu kabul edilen diğer kinetik parametreler literatürden seçilerek modelleme çalışmasında kullanılmıştır. 
Parametre tahmini sonrasında elde edilen kinetik parametreler kullanılarak ADM1 yapısal kinetik modeli ile anaerobik çamur çürütme sisteminde seçilen hedef değişkenler - üretilen biyogaz debisi (Qgaz), biyogazda mevcut % CH4 miktarı, üretilen metan debisi (QCH4), anaerobik tank pH değerleri, anaerobik tank toplam alkalite (TA) ve uçucu organik asit (UOA) derişimleri ile çıkış akımı uçucu katı madde (UKM) derişimi - modellenmiştir. ADM1 modeli tarafından tahmin edilen biyogaz akış hızları (debileri) ile ölçülen biyogaz akış hızları arasındaki korelasyon katsayısı (R) ve determinasyon katsayısı (R2) değerleri sırasıyla 0.76 ve 0,58 olarak hesaplanmıştır. Elde edilen yüksek korelasyon katsayısı ADM1 yapısal modelinin üretilen biyogaz miktarlarını yüksek doğrulukla tahmin ettiğini göstermektedir. ADM1 modeli genel olarak biyogaz üretimindeki artma ve azalma eğilimlerini yakalamıştır. Ancak, biyogaz üretiminin sistem çalışma performansı ve sistem giriş debisinden büyük oranda etkilendiği gözlenmiştir. ADM1 modeli tarafından tahmin edilen alkalite derişim değerleri ile anaerobik tankta ölçülen alkalite derişim değerleri arasındaki korelasyon katsayısı ve determinasyon katsayısı değerleri sırasıyla 0,74 ve 0,54 olarak hesaplanmıştır. ADM1 yapısal modeli anaerobik tank alkalite derişim değerlerini yüksek doğrulukla tahmin etmiştir. Tank içerisinde pH değerlerinde sistemi olumsuz etkileyecek düşüşler yaşanmamasına rağmen, ADM1 modeli pH parametresini orta düzeyde doğrulukla (R= 0,51) tahmin etmiştir. ADM1 modeli tarafından tahmin edilen UYA değerleri ile ölçülen UYA değerleri arasındaki korelasyon katsayısı 0,43 olarak bulunmuştur. Elde edilen korelasyon katsayısı ADM1 yapısal modelinin anaerobik tank UYA değerlerini düşük düzeyde doğrulukla tahmin ettiğini göstermektedir. Model tarafından tahmin edilen UYA (asetik, propiyonik, bütirik ve valerik asit) mg HAc/L olarak toplam UYA olarak ifade edilmektedir ve düşük tahmin değerlerinin modelde sınırlı sayıda UYA türünün bulunmasından kaynaklanabileceği düşünülmektedir. Anaerobik tank çıkış UKM derişim değerleri de ADM1 modeli tarafından düşük doğrulukla (R=0,29) tahmin edilmiştir. 
Anaerobik çamur sisteminin kararlı koşullarda işletildiği dönemlerde ADM1 model performansı artmıştır. Anaerobik çamur çürütme sisteminin kararlı işletme koşullarının dışında çalıştırıldığı dönemlerde ise ADM1 modeli gerçek ölçüm değerlerinin tahmininde kararlı işletme koşullarına göre yetersiz kalmıştır. Bu kapsamda ADM1 model yaklaşımının anaerobik parçalanma prosesinin anlaşılması, sistem performansının değerlendirilmesi ve proses optimizasyonu ile tasarımında yol gösterici bir araç olarak kullanılabileceği düşünülmektedir. Ancak, modelin kullanılacağı atık türlerine özel olarak kinetik sabitlerinin belirlenmesi, gerçek ölçekli tesislerde test edilerek hatalarının en az seviyeye düşürülecek şekilde modifikasyonlarının yapılması gereklidir.
ANAHTAR KELİMELER: Anaerobik arıtım, Arıtma çamuru, Anaerobik arıtma prosesinin modellenmesi, ADM1
JURİ:	Doç.Dr. N.Altınay PERENDECİ (Danışman)
Prof. Dr. Ayşe FİLİBELİ 
Prof. Dr.  Ayşe MUHAMMETOĞLU

Abstract:
It is essential to dispose sewage sludges, known as biosolid that occur as results of water and wastewater treatment, with proper treatment processes which fulfill the required environmental healt criteria. Agricultural land application, landfilling and incineration are the final disposal methods of municipal sewage sludge. It is necessary to apply thickening, stabilization, conditioning and dewatering processes to municipal sewage sludge before its final disposal. Stabilization includes a series of biological and chemical processes that are implemented on sludge to reduce the organic content in the sludge (transforming the sludge to more stable or inert organic and inorganic substances), remove pathogens and toxicity and reduce the odor potential. Anaerobic digestion process is one of the most commonly used biological stabilization method. Anaerobic digestion provides electric and thermal energy production via biogas production as well as sludge stabilization.
The aim of this thesis is modelling of real scale anaerobic digestion process treating municipal sewage sludge by using Anaerobic Digestion Model No:1, ADM1. As a detailed and a new model, ADM1 is developed by International Water Association (IWA). ADM1 is a structured model identified by a number of kinetic parameters with disintegration and hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis steps. Model includes 26 dynamic state concentration variables, 19 biochemical kinetic processes, 3 gas-liquid transfer kinetic processes and 8 implicit algebraic variables per liquid reactor. As a differential equation set, there are 32 dynamic state concentration variables and additional 6 acid-base kinetic processes per reactor.
	In this study, real scale wastewater treatment plant (Hurma WWTP) sludge digestion process was modeled with the purpose of generating the data to understand the process better by contributing to the prediction of the process operation contidions and yields which will function as a base to future anaerobic sludge stabilization process operations. In this context, Hurma WWTP sludge digestion plant process data was supplied for a year, obtained process variables were evaluated in terms of process efficiency, important kinetic parameters in ADM1 were estimated with parameter estimation method using Aquasim program, real scale plant process variables were predicted via ADM1 model by using the determined kinetic parameters and the obtained results were discussed.  
Hurma WWTP anaerobic sludge digestion unit is evaluated with regards to process and state variables (influent sludge flow, anaerobic reactor VS loading, pH, temperature, VFA and alkalinity concentrations, retention time etc.) and process yields (VS removal, methane production yield and methane production rate). Hurma WWTP anerobic sludge digestion unit VS removal, methane production yield and methane production rate were calculated as 46.4%, 0.48 m3CH4/kgVSremoved and 0.33 m3CH4/m3day, respectively.
It is a common approach in the model studies that are performed with ADM1 to estimate the kinetic parameters with high impacts on model results and use the values of kinetic parameters which were suggested in literature with low impacts on model results. In this study, to estimate the variables of real scale sludge digestion process with high accuracy and to provide high model prediction power, the values of four kinetic parameters kdis (d-1): disintegration rate constant, khyd_ch (d-1): carbohydrate hydrolysis rate constant, khyd_pr (d-1): protein hydrolysis rate constant, khyd_li (d-1): lipid hydrolysis rate constant) that have a strong effect on structured ADM1 were calculated by using the parameter estimation modul in the Aquasim program. kdis, khyd_ch, khyd_pr and khyd_li values were found as 0.101 (d-1), 10 (d-1), 10 (d-1) and 9.99 (d-1), respectively. Other kinetic parameters which were accepted as they have low effect on ADM1 model, are chosen from the literature and they are used in the modelling.
Selected target variables in the anaerobic sludge digestion system – produced biogas flow (Qgas), percentage of CH4 in biogas, produced methane flow (QCH4), anaerobic reactor pH values, anaerobic reactor total alkalinity (TA) and volatile fatty acid (VFA) concentrations, effluent VS concentrations - were modeled with ADM1 structured kinetic model by using the kinetic parameters which were obtained after parameter estimation. Correlation coefficient (R) and determination coefficient (R2) values between measured biogas flow rates and estimated are calculated as 0.76 and 0.58, respectively. Obtained high correlation coefficient shows that structured ADM1 model estimated the quantity of produced biogas with high accuracy. ADM1 model captured the increase and decrease trends of biogas production in general. However, it is observed that the biogas production is strongly affected by system operation performance and system influent characteristics. Correlation coefficient and determination coefficient between estimated and measured values of alkalinity concentration are calculated as 0.74 and 0.54, respectively. ADM1 structural model estimated the values of anaerobic reactor alkalinity concentration with the high prediction performance. Although the decreases on the value of pH in reactor were not experienced, ADM1 model estimated pH values with a medium level accuracy (R=0.51). The correlation coefficient between the estimated and measured values of VFA is found as 0.43. The obtained correlation coefficient shows that structured ADM1 model estimated the values of anaerobic reactor VFA with a low prediction capability. Total VFA (acetic, propionic, butyric and valeric acid) is expressed as mg HAc/L and it is thouhgt that the limited number of VFA types determined in the model could be the cause of low correlation coefficient. Anaerobic reactor effluent VS concentration values are also estimated with relatively low prediction performance (R=0.29) by ADM1.

Performance of ADM1 increased when anaerobic sludge system operated at steady state conditions. Decreased ADM1 performance is observed for estimating the system varibles values when anaerobic sludge digestion system was operated under unsteady state condition in comparison to steady state conditions. However, acquired ADM1 performance is in acceptable level since the digestion process is dynamic and in a non-lineer nature. Within this scope, ADM1 model approach can be used as a leading tool to understand the process of anaerobic digestion, to evaluate system performance and for process optimisation and design. However, it is essential to determine kinetic coefficients specific to the waste used in model and test in real scale plants to minimize the errors by establishing the necessary modifications.

KEYWORDS: ADM1, Anaerobic digestion, Modelling of anaerobic digestion process, Sewage sludge
COMMITTEE: Assoc. Prof. Dr. N.Altınay PERENDECİ (Supervisor)
Prof. Dr. Ayşe FİLİBELİ 
Prof. Dr. Ayşe MUHAMMETOĞLU