Erzurum biyolojik atıksu arıtma tesisinde sıfır atık yaklaşımı ile enerji potansiyelinin artırılması
Increasing energy potential with a zero waste approach in Erzurum biological wastewater treatment plant
Yazar: MELİK BAYRAKÇEKEN
Danışman: PROF. DR. ERGÜN YILDIZ
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Amaç: Bu tezde, Erzurum Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi 'nde biyogaz üretiminin kavitasyon desteği ile artırılması, arıtma çamurunun azaltılması ve tarımsal kullanım potansiyellerinin belirlenmesi incelenmiştir. Ayrıca, anaerobik yan akımda bulunan amonyumdan Strüvit gübresinin elde edilmesi, tesisin toplam enerji ihtiyacını azaltarak daha enerji verimli hale getirilmesi ve sıfır atık yaklaşımına uygun stratejilerin geliştirilmesi hedeflenmiştir.                                                                                                      
Yöntem: Biyogaz üretim potansiyelinin artırılması için orifis esaslı pilot ölçekli bir kavitasyon reaktörü kullanılmış ve kavitasyon reaktörünün biyogaz artışına ve arıtma çamuru azaltılmasına etkisi değerlendirilmiştir. Bu değerlendirme, 2018-2020 yıllarında kavitasyonsuz ölçülen veriler ile 2021 yılında kavitasyon reaktörü eklenerek alınan veriler üzerinden yapılmıştır. Ön çökeltim havuzu (birincil) çamurlarına uygulanan kavitasyon sonrası artan metan gazı miktarı ölçülerek kavitasyonun etkinliğinin sıfır atık yaklaşımı üzerine sonuçları tartışılmıştır. Kavitasyon uygulandığında çamurdaki azalma miktarı belirlenmiş ve tarımda kullanım potansiyeli kimyasal analizler ile ortaya konulmaya çalışılmıştır. Strüvit eldesine ilişkin değerlendirmeler ise yan akımdaki NH4 (Amonyum) ölçümleri üzerinden gerçekleştirilmiştir. Yan akımın amonyum içeriğinin düşürülmesi ile nitrifikasyon aşamasında hava ihtiyacının ne kadar azalacağı belirlenmiştir.               .                                                                                                           
Bulgular: Erzurum Büyükşehir Belediyesi Evsel İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisinde kavitasyon uygulanmadan önce günlük ortalama 3006 m³ biyogaz üretilirken, kavitasyon uygulanmasından sonraki son bir aylık dönemde bu değer 4786 m³'e yükselmiştir. Biyogaz verimliliği ise 0,266 m³ biyogaz/kg UAKM'den 0,385 m³ biyogaz/kg UAKM'ye çıkmıştır. Kavitasyon sistemi entegrasyonu ile biyogaz üretiminde %59, UAKM başına biyogaz üretiminde ise %44 artış sağlanmıştır. Kavitasyonlu ve kavitasyonsuz dönemde elde edilen biyobozunurluk ve biyogaz üretim verileri incelendiğinde, kavitasyon işleminden sonra biyobozunurluk %24'ten %45'e, biyogaz oluşum potansiyeli ise 155 ml biyogaz/gr UAKM çamurdan 290 ml biyogaz/gr UAKM çamura çıkmıştır. Kavitasyon reaktörü entegrasyonu, biyogaz oluşum potansiyelinde %67-87 artışa neden olmuştur. Ayrıca, kavitasyon uygulamasının arıtma çamuru üzerindeki etkisi de incelenmiştir. Kavitasyon uygulanmadan önceki dönemde susuzlaştırılmış arıtma çamurunun organik madde içeriği %76,7 iken, kavitasyon uygulanan dönemde %69,5'e düşmüştür. Çürütülmüş arıtma çamurunun organik madde içeriği %74-76'dan %65'e inmiş, çürütülen çamur miktarı 4770 kg/gün'den 7545 kg/gün'e yükselmiştir. Organik madde giderimi %42-43'ten %52'ye çıkmıştır. Kavitasyonun entegrasyonu ile çürütücüde organik madde gideriminde %22'lik bir artış sağlanmış ve bu durum susuzlaştırma verimini de artırmıştır. ESKİ AAT işletmesinde çürütücü süzüntü suyundaki (supernatant) strüvit çöktürmesi için yeterli konsantrasyonlarda amonyum ve fosfat iyonları içerdiği belirlenmiş olup, bölgesel olarak sıfır atık yaklaşımına öncü olması bakımından ve ön çalışmalar sonucunda elde edilen verilere göre ESKİ AAT işletmesinde strüvit geri kazanımı amacıyla struvit geri kazanım tesisinin kurulmasının uygun olacağı düşünülmekte ve önerilmektedir. Struvit ünitesinin kurulması ve işletilmesi durumunda yıllık 59.122 € net kazanç sağlanabileceği tespit edilmiştir.   Susuzlaştırma ünitesinde dekantör çıkışından alınan stabil arıtma çamuru numunesinde "Evsel ve Kentsel Arıtma Çamurlarının Toprakta Kullanılmasına Dair Yönetmelik" kriterlerine göre olumsuz bir sonuç olmadığı belirlenmiştir. Stabilizasyonu sağlanmış çamurun yönetmeliklere uygun olarak toprakta kullanılmasını hedefleyecek şekilde, sıfır atık konseptine uygun çamur yönetimi uygulamak mümkündür.                       
Sonuç: Kavitasyon reaktörü kullanımıyla artış sağlanan 1780 m3/gün'lük biyogaz elektrik enerjisine dönüştürüldüğünde yıllık 145.350  €  net kazanç sağlanabileceği hesaplanmıştır. Ultrases destekli kavitasyon reaktörü kurulması durumunda sistemin kendini 2,8 yılda amorti edeceği belirlenmiştir. ESKİ AAT işletmesinde struvit geri kazanım tesisinin kurulmasıyla yıllık 59.122 € net kazanç sağlanabileceği, amonyak sıyırma ünitesi eklenmesiyle bu kazancın 104.308 € olacağı öngörülmüştür. Susuzlaştırma ünitesinden alınan stabil arıtma çamurunun, yönetmeliklere uygun olup toprakta kullanılabilir olduğu anlaşılmıştır. Kavitasyon uygulamasıyla organik madde gideriminde %22 artış ve çamur susuzlaşma kalitesinde iyileşme sağlanmıştır. Bu da bertaraf edilecek çamur miktarını azaltarak sıfır atık yönetimine katkıda bulunmuştur.

Abstract:
Purpose: This thesis explores the enhancement of biogas production at the Erzurum Biological Wastewater Treatment Plant through the use of cavitation support, the reduction of sludge, and the assessment of its potential for agricultural use. Additionally, the thesis aims to produce struvite fertilizer from ammonium present in the anaerobic sidestream, thereby reducing the facility's overall energy demand to improve its energy efficiency. Strategies in line with a zero-waste approach are also developed.
Method: A pilot-scale cavitation reactor based on an orifice was used to enhance biogas production, and the effects of the cavitation reactor on biogas increase and sludge reduction were evaluated. This evaluation was conducted by comparing data collected without cavitation from 2018 to 2020 with data collected in 2021 after the introduction of the cavitation reactor. The effectiveness of cavitation was assessed by measuring the increase in methane gas following cavitation treatment of primary (pre-settling) sludge, and the results were discussed in relation to a zero-waste approach. The reduction in sludge due to cavitation was determined, and the potential for agricultural use was explored through chemical analyses. Assessments related to struvite production were carried out based on measurements of NH4 (ammonium) in the sidestream. The reduction in ammonium content in the sidestream was analyzed to determine how much the air requirement in the nitrification stage would decrease.
Findings: At the Erzurum Metropolitan Municipality Domestic Advanced Biological Wastewater Treatment Plant, the daily average biogas production was 3006 m³ before the application of cavitation. In the most recent month following the implementation of cavitation, this value increased to 4786 m³. The biogas yield improved from 0.266 m³ biogas/kg of volatile suspended solids (VSS) to 0.385 m³ biogas/kg VSS. The integration of the cavitation system resulted in a 59% increase in biogas production and a 44% increase in biogas production per unit of VSS. Analysis of the biodegradability and biogas production data from periods with and without cavitation showed that after cavitation, biodegradability increased from 24% to 45%, and the biogas potential rose from 155 ml biogas/g VSS sludge to 290 ml biogas/g VSS sludge. The integration of the cavitation reactor led to a 67-87% increase in biogas formation potential. The impact of cavitation on sludge was also examined. Before cavitation, the organic matter content of dewatered sludge was 76.7%, which decreased to 69.5% during cavitation. The organic matter content of digested sludge decreased from 74-76% to 65%, while the amount of digested sludge increased from 4770 kg/day to 7545 kg/day. Organic matter removal increased from 42-43% to 52%. The integration of cavitation resulted in a 22% increase in organic matter removal in the digester, which also enhanced dewatering efficiency. It was determined that the supernatant in the digester at the old wastewater treatment plant (ESKI AAT) contained sufficient concentrations of ammonium and phosphate ions for struvite precipitation. Based on this and preliminary results, it is recommended to establish a struvite recovery facility at the ESKI AAT plant to lead regional zero-waste efforts. The establishment and operation of the struvite unit could generate an annual net profit of €59,122. In addition, no adverse results were found in the stabilized sludge sample taken from the decanter exit of the dewatering unit, according to the "Regulation on the Use of Domestic and Urban Sludges in Agriculture." Therefore, it is feasible to apply sludge management practices in line with the zero-waste concept, targeting the land application of stabilized sludge according to regulations.
Results: The use of a cavitation reactor, which increased biogas production to 1780 m³/day, was calculated to yield an annual net profit of €145,350 when converted to electrical energy. It has been determined that a system incorporating an ultrasonic-assisted cavitation reactor would amortize its cost within 2.8 years. The establishment of a struvite recovery facility at the ESKI AAT plant could generate an annual net profit of €59,122, which is projected to increase to €104,308 with the addition of an ammonia stripping unit. Stabilized sludge taken from the dewatering unit was found to be compliant with regulations and suitable for land application. Cavitation application resulted in a 22% increase in organic matter removal and improved dewatering quality, thereby contributing to zero-waste management by reducing the volume of sludge that needs to be disposed of.