Minimization of excess sludge production

Abstract

Evsel ve endüstriyel atıksu arıtma tesislerindeki organik ve inorganik maddelerin ve biyolojik parçalanabilen bileşiklerin giderilmesi sonucunda büyük miktarda atık çamur oluşur. Yakın gelecekte, yönetmeliklerin, çamur uzaklaştırma alternatiflerine sınırlama getirmesi yönüyle, maliyet artışına neden olması beklenmektedir. Oluşan çamur miktarının azaltılması için günümüzdeki yaklaşım, yaş çamur hacminin ve çamur kuru kütlesinin azaltılmasına yöneliktir. Çamur uzaklaştırmada yaş çamur hacmi, susuzlaştırma ile çamurun katı madde içeriğini arttırmak suretiyle önemli ölçüde azaltılır. Çamurun kuru kütlesinin azaltılması, oluşan çamur hacminin ve katı madde miktarının azaltılmasına neden olduğundan; biyolojik arıtım kademesinde çamurun kuru kütlesinin hemen azaltılmasına imkan tanıyan bu stratejinin desteklenmesi gerekmektedir. Bu tezin temel amacı biyolojik arıtım süreci boyunca, çamur üretiminin azaltılmasıdır. Tez kapsamında çamur miktarının azaltılması amacıyla uygulanan teknikler, mevcut atıksu arıtma prosesinde yapılabilecek küçük modifikasyonlar ile uygulanabilecek tekniklerdir, çamur üretimi aşamasından sonra uygulanan yöntemler değillerdir., Bu çalışma kapsamında, sözü edilen tekniklerden sadece ikisi deneysel olarak ele alınmış ve değerlendirilmiştir. Aktif çamur sisteminin modifikasyonları olan ozonlama ile bileşik aktif çamur prosesi ve OSA prosesi kullanılmış; bu sistemlerin oluşan çamur miktarının azaltılması üzerine etkileri araştırılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, Box-Behnken istatistiksel deney tasarım yöntemi kullanılmıştır. Optimum hidrolik alıkonma süresi 25 saat, çamur yaşı 25 gün ve giriş suyu besleme konsatrasyonu 400 mg/L olarak belirlenmiştir. Optimum işletme koşulları belirlendikten sonra, iki sistem bu optimum şartlar altında paralel olarak 45 gün boyunca kararlı hal koşullarına ulaşılana kadar işletilmiş ve sistemlerin çıkış suyu kalitesi ile çamur özellikleri izlenmiştir. Aktif çamur proseslerinden birine ozonlama ünitesinin ilavesi ile gerçekleşecek ozonlama ile birleşik aktif çamur prosesi modifikasyonundan önce optimum ozon dozunu belirlemek ve kararlı hal koşullarına ulaşıldığında dezentegre edilmiş çamurun biyolojik olarak parçalanabilirliğini araştırmak üzere kesikli deneyler yapılmıştır. Daha yüksek ozon dozları dezentegrasyon derecesini (DD) çok az arttırdığından; % 56.2 dezentegrasyon derecesine göre optimum ozon dozu olarak 0.05 gO3/gTS belirlenmiştir. Ozon dozu optimizasyon çalışmasından sonra, aşırı çamur üretiminin azaltılması üzerine geri devir çamurunun kısmi ozonlamasının etkisi iki aşamada araştırılmıştır. Ozonlamanın ilk aşamasında, bir ay boyunca her gün geri devir çamurunun % 10'u (0.1 QR) optimum ozon dozu ile ozonlanmış ve havalandırma tankına geri devir olarak döndürülmüştür. Ozonlama ile birleşik aktif çamur prosesinde aşırı çamur çekilmemiştir. Diğer aktif çamur prosesi modifiye edilmeden bırakılmış ve optimum işletim koşullarında kontrol sistemi olarak işletilmiştir. Çamur yaşına bağlı olarak sistemden hergün çamur çekilmiştir. Sonuçlara göre çamur veriminde % 43 azalma sağlanmıştır. İşletim sonunda ozon sisteminde kontrol sistemine göre çamur üretiminde % 56 azalma gözlenmiştir. Ozon sisreminde, çıkış suyu kalitesi KOİ ve azot giderim verimine göre biraz zayıflamıştır. ÇHİ ile temseil edilen çamurun çökelme özelliği ozon adımında gelişmiştir. Ozon sistemindeki kontrol sisteminden daha yüksek KES değerleri daha düşük su verme özelliği taşıdığını göstermektedir. SRF dğerlerine göre, ozon sisteminde çamurun filtrelenebilme özelliği kontrol sisteminden daha düşüktür. Ozonlamanın ikinci aşamasında, geri devir çamurun % 20'sine tekabül eden 800 mL çamur optimum ozon dozu ile ozonlanmıştır. Ozonlu reaktörden deneysel olarak işletim boyunca çamur çekilmemiştir. Kontrol ve ozon sistemlerinin sonuçları, çamur azaltımı göz önünde bulundurularak değerlendirilmiştir. Ayrıca, ozonlanmış sistemin havalandırma tankından ve kontrol sisteminin reaktöründen gelen çamurun özellikleri araştırılmış ve karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Ozonlanmış sistemde işletim süresince çamur üretiminde % 73 azalma elde edilmiştir. İşletim sonunda, ozon sisteminde kontrol sistemine gore bir karşılaştırma yapıldığında ise % 62 çamur verimi azalması gözlenmiştir. Ozonlama sisteminde, KOİ ve azot giderim verimi dikkate alındığında çıkış suyu kalitesinin biraz zayıfladığı görülmüştür. Ozon adımında, ÇHİ ile temsil edilen çamurun çökelme özelliği gelişmiştir. Ozon sisteminde kontrol sisteminden daha yüksek KES değerleri görülmesi daha düşük su verme özelliği taşıdığını göstermektedir. SRF dğerlerine göre, ozon sisteminde çamurun filtrelenebilme özelliği kontrol sisteminden daha düşüktür. Ozonlama ile birleşik aktif çamur uygulanmasından sonra, sistemlerden birisi anoksik bir tank ilave edip OSA sistemini oluşturmak suretiyle modifiye edilmiştir. Diğer sistem kontrol sistem olarak modifiye edilmeden kalmıştır. OSA sisteminin geri devir çamurunda anaerobik şartları sağlamak üzere her gün kısa süreli olarak azot gazı uygulanarak düşük ORP seviyeleri sağlanmıştır. OSA ve kontrol sistemi 45 gün boyunca işletilmiştir. Çamur üretimindeki azalma ve çıkış suyu kalitesi değerlendirilmiştir. Sürekli işletim tamamlandıktan sonra OSA prosesindeki çamur azaltma mekanizmalarını araştırmak üzere kesikli deneyler yürütülmüştür. OSA sisteminde, işletim boyunca çamur üretiminde % 62 azalma elde edilmiştir. OSA sisteminde aynı zamanda işletim periyodu sonunda kontrol sistemi ile karşılaştırıldığı zaman çamur üretiminde % 58 azalma elde edilmiştir. OSA sistemindeki NH4-N giderim verimi işletim boyunca kontrol sisteminden daha düşüktür. OSA sistemindeki çamurun çökebilirliği ÇHİ'ne göre kontrol sisteminden daha iyidir. Uzun dönem işletim boyunca kontrol sisteminde OSA sistemine göre daha yüksek KES değerleri gözlenmiştir. Bu durumda, OSA sisteminin filtrelenebilirliği arttırdığını söylemek mümkündür. OSA sisteminde çamur bozunma teorisini araştırmak için OSA ve kontrol sisteminin havalandırma tankından alınan çamur ile iki kesikli deney yürütülmüştür. İlk kesikli deneyin amacı, çamurun anaerobik reaksiyon süresi, çamur lizizi ve verimi arasındaki ilişkiyi araştırmaktır. Çamur bozunmasının neden olduğu çamur verimindeki azalma kontrol sistemine göre birinci kesikli deney aşaması için % 40 olarak bulunmuştur. İkinci kesikli deneyde, enerji ayırma teorisinin araştırılması amaçlanmıştır. İkinci kesikli deneyde, OSA sisteminde enerji ayırma mekanizmasının neden olduğu çamur azalması (Yobs) kontrol sisteminde göre % 5'tir. Bu tez kapsamında, aktif çamurun modifikasyonu olarak çamur azaltma teknikleri karşılaştırıldığında, işletim periyodu boyunca 0.2QR'nin ozonlandığı aktif çamur prosesi; 0.1QR'nin ozonlandığı aktif çamur sisteminden ve OSA sisteminden daha iyi Yobs azalma verimi göstermiştir. KOİ ve azot giderim kapasitelerine göre kontrol sistemlerinin çıkış suyu kaliteleri de daha iyidir. Bununla birlikte, modifiye sistemlerin çıkış suyu kaliteleri tatmin edici düzeydedir. Çamur minimizasyon tekniklerinin uygulanmasından sonra aktif çamurun özellikleri çoğu parametre bazında az da olsa değişmiştir. Sonuç olarak, hücre lizizi ve kriptik büyüme mekanizmasına dayanan aktif çamur prosesine entegre edilmiş ozonlama tekniği, aşırı çamur üretiminin azaltılması için uygulanabilir etkili bir yöntemdir. Ayrıca özellikle çamur bozunma ve enerji ayırma metabolizmasına dayanan OSA prosesinin çamur azalması için kullanılan basit ve etkili bir metot olduğu ortaya çıkmıştır Large amounts of waste sludge are produced with the removal of biodegradable compounds and organic or inorganic matter in municipal and industrial wastewater treatment plants for disposal. It is expected that, in near future, sludge production and the regulation limits for disposal alternatives cause an increase in costs for sludge disposal. The current approach to sludge minimization is the reduction of volume of wet sludge and the reduction of dry mass of sludge. The volume of wet sludge for disposal is reduced significantly with the increase of the sludge solid content by dewatering. The reduction of dry mass of sludge leads to the reduction of solid content and volume and this strategy should be fovoured, beause it allows the immediate reduction of sludge dry mass during its production in the biological treatment stage. The fundamental aim of this thesis is the reduction of sludge production during the biological treatment. All of the techniques for sludge reduction described in this thesis suitable for implementation during the wastewater treatment plants, not after the sludge production, often by retrofitting the specific additional equipment. Two of these techniques were carried out experimentally and evaluated within the scope of this thesis. The effectiveness of ozonation integrated in activated sludge process and oxic-settling anaerobic (OSA) process were investigated on sludge reduction, especially. In the first stage of the study, Box-Behnken Statistical Design Program was used in order to determine the optimum operational conditions. Optimum hydraulic retention time (HRT), solid retention time (SRT) and initial COD (CODi) values for maximum COD removal were determined as 25 h, 25 d and 400 mg/L, respectively. After the determination of optimum operational conditions of activated sludge process, two systems were operated in parallel under these optimum conditions during 45 days until the steady state conditions and the effluent quality and sludge properties of the systems were monitored. When the steady-state conditions were reached, specific batch tests were carried out in order to investigate the biodegradability of disintegrated sludge and determine optimum ozone dose prior to the modification with the addition of ozonation unit to one of the activated sludge process. Optimum ozone dose for return activated sludge disintegration was determined as 0.05 gO3/gTS in terms of disintegration degree with 56.2 %. The higher doses improved disintegration degree, slightly. After the ozone dose optimization study, the effectiveness of partial ozonation of return activated sludge was investigated for the minimization of excess sludge production using ozonation coupled with activated sludge process in two stages. In the first stage of the ozonation, in ozonated system, 10 % of return activated sludge (0.1 QR) was ozonated every day during a month with optimum ozone dose and recirculated to the aeration tank. No excess sludge was withdrawn from the ozonation coupled with activated sludge process. The other activated sludge system was remained unmodified and operated as a control run with optimum operational conditions. Excess sludge was withdrawn every day due to SRT. 43 % observed sludge yield (Yobs) reduction could be achieved in ozone run during the operation period. At he the end of the operation, the 56 % of Yobs reduction was observed in ozone system compared to control system. In ozone run, the effluent quality was weakened slightly in term of COD and NH4-N removal. Sludge settling properties represented by SVI was improved in ozone run. Ozone run had lower dewaterability characteristics with higher CST values. The filterability of sludge was lower in ozone run than control run in terms of SRF. In the second stage of the ozonation 800 mL of the return sludge corresponded to 20 % of of the return activated sludge (0.2 QR) was ozonated with optimum ozone dose. 73 % Yobs reduction could be achieved in ozone run during the operation period. At the end of the operation, the 62 % of Yobs reduction was observed in ozone run compared to control run. The effluent quality was weakned slightly in term of COD and NH4-N removal in ozone run. Sludge settling properties was improved in ozone run in terms of SVI. Lower dewaterability characteristics in ozone run were proved with CST values. The filterability of ozonated sludge was lower than control run in terms of SRF. After the application of ozonation to activated sludge system, one of the system was modified by inserting anoxic tank to comprise OSA system. The other system was remained unmodified as a control system. A specific volume of return activated sludge of OSA system was subjected anaerobic conditions (-250 mV of low ORP level every day. OSA and control system were operated during 45 days. The sludge reduction efficiency and effluent quality were evaluated. After the completion of continuous operation, some batch experiments were conducted in order to investigate sludge reduction mechanisms in OSA process. In OSA system, 62 % reduction efficiency was obtained in yield production in OSA system during the operation. OSA system was also achieved 58 % reduction efficiency of Yobs compared to control run at the end of the operation. It was found that COD concentrations in the effluent in the OSA system were lower than that in the effluent of the control run due to the additional substrates from the anaerobic tank. The NH4-N removal efficiency in OSA system was lower compared to control run during the operation period due to denitrification. The setteability characteristics of sludge was also found better than that of the control system in terms of SVI. Higher CST values were obtained in control system compared to OSA system during the long term operation. It was revealed that the OSA system enhanced the filterability of sludge. In order to investigate the sludge decay theory in OSA sistem, two batch experiments with sludge taken from aeration tank of control and OSA systems were carried out. The aim of the first batch experiment was to investigate the relationship among sludge anaerobic reaction time, sludge lysis and sludge yield. The sludge reduction in terms of Yobs caused by sludge decay in OSA batch reactor was 40 % compared to control batch reactor for the first batch experiment. In the second batch test, the investigation of the energy uncoupling theory was aimed. The sludge reduction in terms of Yobs caused by energy uncoupling in OSA batch reactor was 5 % compared to control batch reactor. When the sludge reduction techniques used in this thesis were compared as modified activated sludge processes; the activated sludge process ozonated of 0.2 QR showed better Yobs reduction efficiency than that the fist stage of ozonation process (ozonation with 0.1QR) and OSA system during the operation period. The effluent quality of control systems were better than that modificated systems in terms of COD and nitrogen removal capacity however, the effluent quality of the modificated systems were at satisfactory level. The sludge characteristics of activated sludge were changed even slightly for some paramaters after the application of sludge minimization techniques. Consequently, the ozonation based on cell lysis-cryptic growth mechanism is an applicable and effective technique integrated to the activated sludge process for the minimization of excess sludge production. Besides, it was revealed that the OSA process especially based on sludge decay and energy uncoupling metabolism can be used as another simple effective method for sludge reduction.