Effect of ultrasonic and microwave disintegration on physico-chemical and biodegradation characteristics of waste activated sludge

Çamur üretimindeki artışla birlikte; lokal ya da global regulasyonlar sebebiyle, çamur arıtım ya da bertaraf yöntemleri giderek önem kazanmıştır. Regulasyonlar çamur arıtımı ya da bertarafı için birçok gereklilik içermektedir. Regulasyonlar çamurun arıtılma veya bertaraf gerekliliklerini, limit değerleri, arıtım ya da bertaraf sırasında dikkat edilmesi gerekenleri, emisyon kaynakları gibi çevresel faktörleri incelemekte ve bunlarla ilgili gereklilikleri ve kısıtlamaları içermektedir. Çamur üretiminin artması ile birlikte çamur arıtım ya da çamur bertaraf yöntemleri gereksinimi de artacaktır. Ne kadar fazla çamur oluşmaya başlarsa arıtım ya da bertaraf gereksinimi o yönde paralel olarak artacaktır. Bu artış maliyetteki artışı da beraberinde getirecektir. Çamur arıtım ya da bertaraf yöntemleri finansal, teknolojik ve çevre açısından birçok önemli noktayı içermektedir. Çamur arıtım ya da bertaraf yöntemlerinin maliyeti yüksektir. Arıtım ve bertaraf yöntemleri maliyetleri yüksek olmasının yanı sıra başka edişeleri de beraberinde doğrurur. Örneğin, çamuru yakma veya toprağa gömme yöntemleri çevresel etkileri yüksek olan yöntemlerdir. Bu sebeplerden dolayı dezentegrasyon yöntemleri gibi daha az maliyetli yöntemler giderek öncelik kazanmaktadır. Bu çalışmada 2012 ve 2013 yıllarında atıksu artıma tesisi havalandırma havuzundan alınan numuneler üzerinde iki dezentegrasyon methodu çalışılmıştır. Deneysel çalışmalar iki yıl üst üste olarak ilerletilmiştir. Bu yöntemler ultrasonikasyon ve mikrodalga irradiasyonudur. Her iki yöntemde hücrelerin veya flokların kırılması ile organik maddenin daha uygun hale gelebilmesini esas alır. Hücrelerin veya flokların kırılması daha fazla biyodegradibilite kazandırmaktadır. Mekanik dezentegrasyon yöntemlerinin etkisini anlayabilmek için arıtılmamış çamura ultrasonikasyon uygulanmıştır. Ultrasonikasyon çalışmaları süresince, spesifik enerjinin ultrasonikasyon verimliliği açısından önemli olması sebebiyle, farklı spesifik enerjiler uygulanmıştır. Böylece, spesifik enerjinin organik madde çözünürlüğünde üzerindeki etkisi de gözlenmiştir. 2012 yılında ilk çalışmalar yapılırken 2013 yılında yapılan çalışmalara nazaran daha farklı spesifik enerjiler kullanılarak organik madde çözünürlüğü üzerindeki etkileri incelenmiş ve optimum spesifik enerjiler seçilmiştir. 2013 yılındaki çalışmalarda ise optimum olarak seçilen spesifik enerjiler kullanılarak deneyler yürütülmüştür. 2012 ve 2013 yılındaki çalışmaların birbirleri ile olan tutarlılığı göz önüne alınarak sonuçlar yorumlanmıştır. Sonikasyon deneylerinin sonuçları göstermiştir ki, SCOD salınımı, test edilen tüm TS seviyelerinde uzayan spesifik enerji girdisi ve ultrasonik yoğunluk ile yükselen bir trend açığa çıkarmıştır. Ultrasonik ön işlem ile WAS dezentegrasyonu, iki aşama içermektedir. nispeten düşük spesifik enerji girdisi değerlerindeki ilk hızlı aşamayı, 30000 kJ/kg TS'den daha fazla enerji dozajları için daha yavaş bir aşama takip etmiştir. Artan dezentegrasyon oranları göz ardı edilebilir olduğundan, 1.5 W/mL değeri optimum ultrasonik yoğunluk olarak belirlenmiştir. Farklı örnek alma periyotlarına bakılmaksızın, sonikasyon çalışılan WAS örnekleri için benzer dezentegrasyon verimlilikleri sergilemiştir. Fiziksel dezentegrasyon yöntemlerinin çamur üzerindeki etkisini incelemek amacıyla Mikrodalga irradiasyonu kullanılmıştır. Mikrodalga irradiasyonunun organik madde çözünürlüğü üzerindeki etkisini inceleyebilmek açısından uygulanan iki önemli parametre mevcuttur. Bunlar uygulanan sıcaklık ve uygulama süresidir. 2012 yılında sürdürülen çalışmalarda farklı sıcaklıklar ve zamanlar kullanılmıştır. 2013 yılında ise 2012 yılındaki sonuçlara istinaden optimum sıcaklık ve zaman olarak belirlenen 175 0C, 10 dakika kullanılarak mikrodalga dezentegrasyon metodu incelenmiştir. Sıcaklığın kaynama noktasından daha yüksek bir sıcaklığa yükseltilmesi, araştırılan TS aralığında mikrodalga ön işlem dezentegrasyon derecesini arttırmıştır; sabit bir sıcaklıkta ise, üç farklı TS konsantrasyonunda WAS'ın mikrodalga ile ısıtılması neredeyse aynı dezentegrasyon performanslarını sağlamıştır. İşlem sıcaklığının 175 oC'den 190 oC'ye çıkarılmasıyla, mikrodalga irradyasyon verimliliğindeki artış azalmıştır. Uygulanan tüm TS içerikleri için 10 dakikadan fazla maruziyet sürelerinde, çözünürleşme derecesi bakımından anlamlı bir farklılık elde edilmemiştir. İncelenen WAS örneklerinin dezentegrasyon oranları, farklı örnek alma tarihlerine rağmen tutarlı kalmıştır. 2012 ve 2013 yılında elde edilen sonuçlar, dezentegrasyon yöntemleri olan ultrasonikasyon ve mikrodalga irradiasyonunun, çamurun TKOİ, TKM azalma sağladığını göstermektedir. Toplam KOİ'nin azalması ve çözünmüş KOİ'nin artması çamur arıtımı açısından çok önemli bir parametredir. Çalışmada yürütülen sonuçlar, bu iki dezentegrasyon metodunun olumlu sonuçlarına işaret etmektedirSonikasyon deneylerinin sonuçları SCOD salınımı test edilen bütün TS seviyelerinde spesifik enerji girişi ve ultrasonik yoğunluğun artışına bağlı olarak paralalel artış göstermektedir. Aktif çamurun ultrasonik dezentegrasyonu iki aşamadan oluşmaktadır ki başlangıçtaki hızlı faz düşük spesifik enerji giriş değerleri ardından yavaş fazda 30000 kJ / kg TKM'den daha yüksek enerji girişleri ile peş peşe gerçekleşmektedir. Sonikasyon deneyleri, farklı zamanlarda alınan aktif çamur numunelerinde benzer dezentegrasyon verimliliği göstermiştir. Kaynama noktasından daha yüksek bir sıcaklığa erişildiğinde mikrodalga irradiasyon yönteminin dezentegrasyon değeri çalışılan TKM değerinde artmaktadır. Sabit sıcaklıkta ise üç farklı TKM değerinde benzer dezentegrasyon performansı göstermiştir. Mikrodalga irradiasyon verimli, liğindeki artış sıcaklığın 175 'ten 190 0 C'ye çıkarılması ile azalış göstermiştir. Bütün TKM konsantrasyonlarındaki çalışmalarda, 10 dakika uygulama süresinin üstünde solubilizasyon derecesinde önemli bir artış gözlenmemiştir. Mikrodalga irradiasyon deneyleri, farklı zamanlarda alınan aktif çamur numunelerinde benzer dezentegrasyon verimliliği göstermiştir. Hem ultrasonikasyon hem de mikrodalga irradiasyon, AKM ve UAKM gideriminde 22 37% aralığında verimlilik göstermiştir. TKM ve UKM gideriminde ise sadece 5 %'lik bir giderim sağlanmıştır. İlk KOİ değerlerinde önemli bir değişiklik pretreatment uygulaması süresince olmamıştır. 30000 kJ/kg TKM spesifik enerji uygulamasında sonikasyon 25 -26% aralığında KOİ solubilizasyonu sağlamıştır ki bu 1750C 10 dakika mikrodalga uygulaması ile benzer sonuçları içermektedir. Ultrasonikasyon ve mikrodalga ile yapılan dezentegrasyon sıvı fazdaki azot ve fosfor konsantrasyonlarında artış sağlamıştır. Mikrodalga ve ultrasonikasyon proseslerinin etkisini yorumlamak için sekuensel filtrasyon/ultrafiltrasyon ile PBD tabanlı KOİ fraksinasyonu uygulamak yararlı yöntemlerden biridir. Ultrasonikasyon yönteminin en göze çarpan etkisi >1600 nm partikül aralığındaki partikül dağılımıdır. Yüksek spesifik enerji değerlerinde sonikasyon <2 nm çözünmüş boyut aralığında kademeli artış göstermektedir. Dezentegre edilmiş WAS miktarlarının hücre dışı ve hücre içi bileşenlerini, yani proteinleri, karbonhidratları ve lipitleri, yansıtan diğer önemli parametrelerin PSD'si bakımından ultrasonikasyon ve mikrodalga irradyasyon proseslerinin etkisinin değerlendirilmesi gelecekteki araştırmalar için ilginç bir konu olacaktır. Pilot ölçekte kapsamlı bir çalışma gerçekleştirmek ve tekno-ekonomik fizibilite analizi yürütmek, sonuçların hem yorumlanması hem de sayılarının arttırılması açısından daha derin bir içgörü sağlayabilir.