Energy efficient co-treatment of municipal wastewater and food waste

Kentsel atıksu ve katı atık yönetimi ile ilgili son yıllarda özellikle büyük şehirlerde önemli çevresel sorunlar yaşanmaktadır. Hızlı şehirleşme, atıksu ve katı atık üretimini hızlı bir şekilde artırmakta ve bundan dolayı yerel yönetimler, çevresel altyapı tesislerinin uygun bir şekilde işletilmesinde zorluklar yaşamaktadır. Atıksu ve katı atık oluşumunun artmaya devam edeceği ve bunun çevresel yönetim maliyetlerini artıracağı beklenmektedir. Atıksu ve katı atık yönetimi ile ilgili sorunların çözümü ve gelecekteki ihtiyaçların karşılanabilmesi için sürdürülebilir bir yaklaşımın geliştirilmesi gerekmektedir. Atık ve atıksu yönetiminde enerji verimli seçeneklerin uygulanması sürdürülebilir bir atık ve atıksu yönetiminin başlıca özelliğidir. Atıksu arıtma tesislerinin işletme giderleri incelendiğinde en yüksek işletme maliyetinin enerji tüketiminden kaynaklandığı görülmektedir. İlerleyen yıllarda Dünya genelindeki fosil enerji kaynaklarının tükeneceğinin beklenmesi ve enerji maliyetlerinin günden güne artması, AAT'lerin enerji verimli tesisler olarak tasarlanmasını ve işletilmesini önemli hale getirmektedir. Atıksuların arıtılmasında elektrik enerjisi kullanımına dair genel bir yaklaşımın ortaya konulup bu konuda değerlendirmeler yapılması, tesis içi enerji verimliliğini artırıcı ve işletme maliyetlerini azaltıcı önlemlerin araştırılması giderek önem kazanmaktadır. Bir asırdan fazla süredir kullanılmakta olan klasik aktif çamur prosesi kentsel atıksuların arıtılmasında en yaygın kullanılan arıtma yöntemidir. Güvenilirliği ve başarısı kanıtlanmış olmasına rağmen klasik aktif çamur prosesi yüksek enerji girdisine ihtiyaç duymakta ve bu yöntem ile atıksu bünyesindeki enerji içeriği yeteri kadar geri kazanılamamaktadır. Atıksu bünyesindeki enerjinin verimli şekilde geri kazanılması için atıksudaki organik maddelerin konsantre hale getirilmesi gerekmektedir. Bu amaçla çeşitli fiziksel, fizikokimyasal ve biyolojik prosesler uygulanabilir ve konsantre edilen organik maddeler biyokütle üzerinde tutulabilir. Bu sayede aktif çamur sisteminden atılan fazla çamurun organik madde içeriği zenginleştirilebilir ve anaerobik çürütme ile daha fazla enerji geri kazanımı sağlanması mümkün olabilir. Bu tez çalışmasının amacı kentsel atıksular ile yemek atıklarının birlikte arıtılmasını çeşitli açılardan ele almaktır. Proses konfigürasyonu olarak yüksek hızlı aktif çamur sistemi seçilmiş ve elde edilen sonuçlar çıkış suyu kalitesi, oluşan fazla çamurdan enerji geri kazanımı potansiyeli ve yaşam döngü analizi bakımından değerlendirilmiştir. Çalışma kapsamında İstanbul'daki bir atıksu ön arıtma tesisinde pilot ölçekli bir yüksek hızlı aktif çamur sistemi işletilmiştir. Bu sistemde oluşan fazla çamur ise laboratuvar ölçekli bir çürütücüde çürütülmüştür. Anaerobik çürütme çalışmasında elde edilen sonuçlara göre bir fizibilite çalışması gerçekleştirilmiş ve yüksek hızlı aktif çamur prosesi, enerji geri kazanımı potansiyeli açısından farklı proses seçenekleri ile mukayese edilmiştir. Gerçekleştirilen YDA çalışması ile de yüksek hızlı aktif çamur prosesinin çevresel etkileri değerlendirilmiştir. Pilot tesis, çalışmanın ilk safhasında sadece kentsel atıksu ile beslenerek hidrolik bekletme süresinin proses performansı üzerine etkisi incelenmiştir. Bu kapsamda, pilot tesis sırasıyla 130, 95 ve 60 dakikalık HBS'lerde işletilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, 60 dakikalık HBS için yaklaşık %59'luk kimyasal oksijen ihtiyacı giderimi gerçekleştiği ve sistem çıkışındaki askıda katı madde konsantrasyonunun ortalama 90 mg/L olduğu görülmüştür. HBS azaldıkça deşarjdaki KOİ ve AKM konsantrasyonlarında düşüş sağlanmıştır. Çıkış suyu kalitesindeki iyileşme, çamurun flokülasyon ve çökelme özelliğinin HBS azaldıkça iyileştiğini göstermiştir. Çamur hacim indeksi değerlerinin 60 dakikalık HBS'de minimum olması bu sonucu doğrulamıştır. Yüksek hızlı aktif çamur sistemleri düşük çamur yaşlarında işletildiği için biyolojik yollarla gerçekleşen azot ve fosfor giderimi sınırlı oranda olmaktadır. Ancak biyokütlenin çoğalması için gerekli olan besi maddelerini atıksudan sağlaması sayesinde bir miktar azot ve fosfor giderimi gerçekleşmektedir. Bu çalışmadaki toplam azot ve toplam fosfor giderimi ise sırasıyla %20 ve %25 civarında olmuştur. Çalışma kapsamında ayrıca KOİ üzerinden kütle dengesi çıkarılmış ve HBS azaldıkça giriş atıksuyundaki KOİ'nin daha fazla oranda çamur fazına geçtiği görülmüştür. Pilot tesis ile yapılan çalışmaların ikinci safhasında ise kentsel atıksu ve yemek atıklarının birlikte arıtılması ile ilgili çalışmalar yapılmıştır. Pilot tesise katı atık ilavesi yapıldığı sürece HBS 60 dakikada tutulmuştur. Yemek atığı ilavesi giriş atıksu KOİ'sinde %10'luk bir artış sağlamıştır. Aynı süreçte partiküler KOİ'deki artış ise %18 olmuştur. Sisteme beslenen yemek atığı ağırlıklı olarak sebze ve meyve artıkları ile son kullanma tarihi geçmişş unlu mamullerden oluştuğu için, atık ilavesiyle giriş atıksuyundaki toplam azot ve toplam fosfor konsantrasyonları önemli bir değişiklik göstermemiştir. Çalışmanın son bölümünde ise, pilot tesise yapılan atık ilavesi sonlandırılmış ve pilot tesisin hidrolik sınırlarının test edilmesi maksadıyla sistemin HBS'si 30 dakikaya indirilmiştir. HBS'nin azaltılmasıyla partiküler KOİ giderimi artmış ancak çözünmüş KOİ giderimi ise azalmıştır. Atık ilavesinin giriş atıksuyundaki partiküler KOİ'yi artırması ve son çökeltme tankındaki çökeltme veriminin iyileştirilmesi ile daha fazla partiküler maddenin çamur akımına geçebileceği gösterilmiştir. Laboratuvar ölçekli yapılan çalışmalarda ise, pilot ölçekli yüksek hızlı aktif çamur sisteminde oluşan fazla çamurun mezofilik koşullarda çürütülebilirliği incelenmiştir. Bu kapsamda iki farklı substrat kullanılmıştır. Öncelikle pilot tesis sadece kentsel atıksu ile işletilirken oluşan fazla çamur çürütülmüştür. Bunun ardından, birlikte arıtma sırasında oluşan fazla çamur pilot tesisten toplanmış ve çürütücüye beslenmiştir. Atıksuya yemek atığı ilavesinin, fazla çamurun çürütülmesi ile elde edilen metan verimini yaklaşık %50 oranında artırdığı görülmüştür. Metan verimindeki artışın çeşitli etkilere bağlı olduğu düşünülmektedir. Daha sonra, laboratuvar çalışmalarında elde edilen sonuçlar doğrultusunda bir fizibilite çalışması gerçekleştirilmiştir. Ele alınan sistemin enerji verimliliğini daha detaylı değerlendirebilmek için benzer atıksu arıtma sistemleri de incelenmiş ve birbiriyle karşılaştırılmıştır. İncelenen sistemler giriş atıksuyundaki KOİ'nin arıtma sonundaki dağılımı ve enerji verimliliği bakımından mukayese edilmiştir. Buna göre, yüksek hızlı aktif çamur sistemine atık ilavesi yapılan senaryoda son çökeltme veriminin iyileştirilmesi halinde giriş KOİ'sinin %14'ünün metan olarak geri kazanılabileceği hesaplanmıştır. Söz konusu senaryonun enerji pozitif bir arıtma konfigürasyonu olduğu ve %70 enerji fazlasına sahip olduğu belirlenmiştir. Yapılan bu çalışma ile son çökeltmede katı-sıvı ayrımının yüksek verimle yapılması ve KOİ mineralizasyonunun sınırlı tutulması durumunda, yüksek hızlı aktif çamur sisteminin enerji verimliliği açısından tercih edilebilir bir proses olduğu görülmüştür. Yaşam döngü analizi AAT'lerin çevresel etkilerinin değerlendirilmesinde ve farklı arıtma alternatiflerinin karşılaştırılmasında faydalı bir değerlendirme aracıdır. Tez kapsamında yapılan YDA çalışmasının amacı, İstanbul'da bulunan bir atıksu ön arıtma tesisinin farklı arıtma alternatifleri ile iyileştirilmesi halinde oluşacak çevresel etkilerin incelenmesidir. Pilot tesisin bulunduğu AAT, sadece mekanik arıtma birimlerinden oluşmakta olup mevcut AAT'nin klasik ön çökeltme (S1), yüksek hızlı aktif çamur sistemi (S2) ve bu sisteme atık ilavesi (S3) seçeneklerini de içeren farklı alternatifler ile modifiye edilmesi YDA bakımından ele alınmıştır. Elde edilen sonuçlar mevcut durum senaryosunun (S0) iklim değişikliği haricinde tüm kategorilerde gelecek senaryolarından (S1, S2 ve S3) daha olumsuz sonuç vereceğini göstermiştir. S2 ve S3 senaryoları, atıksuların biyolojik prosesler ile arıtılmasını öngördüğü için bu senaryolarda arıtma kaynaklı sera gazı oluşumu daha fazla gerçekleşmiştir. Hükümetlerarası İklim Değişikliği Paneli yaklaşımına göre, biyolojik arıtmada açığa çıkan karbondioksit sera gazı potansiyeline sahip değildir ancak iyi işletilen aerobik sistemlerde bile bir miktar metan gazı salımı gerçekleşmektedir. Metan gazı, küresel ısınmaya sebep olan gazların başında olup sera etkisi oluşturma potansiyeli karbondioksite göre 25 kat fazladır. Bu nedenle, iklim değişikliği bakımından en olumsuz sonuç S2 senaryosu için elde edilmiştir. S3 senaryosunda yemek atıklarının atıksular ile birlikte arıtılması sayesinde atık bertaraf ve toplama emisyonlarından kazanç sağlanmış, dolayısıyla iklim değişikliği bakımından en olumlu sonuç bu senaryo için elde edilmiştir. Atık bertaraf ve toplama tesislerinden sağlanan emisyon kazancı S3 senaryosunun karasal ekotoksisite kategorisinde de en iyi sonuca sahip olmasını sağlamıştır. Aynı senaryo karasal asidifikasyon ve fosil kaynakların tüketimi için de en iyi sonuca sahip olup çamur çürütme ile sağlanan enerji geri kazanımının bu sonuçta en önemli paya sahip olduğu görülmüştür. Gerçekleştirilen duyarlılık analizinde ise atıksuya yemek atığı ilavesinin %10'dan %50'ye çıkarılması incelenmiş (nüfusun %50'sinden kaynaklanan yemek atıklarının AAT'de arıtılması) ve özellikle iklim değişikliği kategorisinde önemli iyileşmeler kaydedilmiştir. Tez çalışması kapsamında ele alınan arıtma konfigürasyonunun özellikle deniz kıyısında bulunan yerleşim yerleri için ekonomik bir atıksu arıtma alternatifi olduğu düşünülmektedir. Çıkış suyunun derin deniz deşarjı ile alıcı ortama verilmesinin ardından seyrelme etkisiyle içerisindeki kirletici parametrelerin istenen değerlere düşmesi beklenmektedir. Özellikle İstanbul Boğazı kıyısındaki atıksu ön arıtma tesisleri öngörülen sistem ile modifiye edilerek arıtılan atıksularını DDD ile boğaza deşarj edebileceklerdir. İstanbul Boğazı'ndaki mevcut akıntılar ile deşarj edilen atıksuların istenen derecede seyreleceği öngörülmektedir. Ayrıca bu sayede ileri arıtma yapılmaksızın evsel atıksuların daha düşük maliyet ile arıtılması sağlanacaktır. Böylelikle İstanbul ve İstanbul gibi deniz kıyısında bulunan yerleşim yerlerindeki su ve kanalizasyon idarelerinin önerilen sistemden büyük bir fayda sağlayacakları düşünülmektedir. Bunun yanı sıra, incelenen arıtma sisteminin azot ve fosfor parametreleri bakımından hassas olmayan bölgeler için de uygulanabilmesi mümkün olacaktır.