Arıtma Çamurlarından Anaerobik Çürütmeye Alternatif Olarak Yüksek Sıcaklık Piroliz Teknolojisi İle Enerji Geri Kazanımı

Abstract

Atıksu arıtma tesislerinde arıtılan atıksular organik madde içerikleri yüksek kirleticilerdir. Yapısındaki organik madde içeriği ile atıksu, enerji kaynağı olarak kabul edilmektedir. Bu enerji, arıtma işlemi sırasında bir yan ürün olarak oluşan arıtma çamuruna transfer edilebilmektedir. Arıtma çamurları diğer tüm geri kazanılabilir atıklar gibi günümüzde artan enerji ihtiyacının karşılanmasında önemli bir rol oynamaktadır. Bu çalışmada, uzun havalandırmalı aktif çamur sistemi ile çalışan evsel atıksu arıtma tesisinden alınan % 6 nem ve % 65 organik madde içeriğine sahip arıtma çamuru, piroliz deneylerine tabi tutulmuştur. Piroliz deneyleri sırasında oluşan ürünlere (bioçar, tar ve sentetik gaz) olan etkilerinin incelenmesi açısından sıcaklık ve dönme hızı önemli parametreler olarak belirlenmiştir. Çalışma kapsamında, sekiz farklı kesikli deney yürütülmüştür. Üç farklı sıcaklık ve (450 ° C, 600 ° C ve 850 ° C) ve üç farklı dönme hızının (10 Hz, 40 Hz ve 60 Hz) sistemde kütle dengesi, sentetik gaz üretimi, enerji dengesi ve enerji geri kazanımına yönelik olarak etkileri incelenmiştir. Piroliz deneyi sonuçlarına bağlı olarak arıtma çamurlarından anaerobik çürütme yöntemi ile geri kazanılacak enerji karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Arıtma çamurundan, bioçar hariç tutulduğunda, tar ve sentetik gaz ürünleri özelinde % 59-71 oranında enerji geri kazanımı elde edilmiştir. En etkili deney koşulunun % 71’lik enerji geri kazanımı ile yüksek sıcaklık ve yüksek dönme hızı pirolizi olduğu tespit edilmiştir. Organik maddenin yüksek oranda bozunduğu ve buna bağlı olarak oluşan sentetik gaz miktarının arttığı gözlenmiştir. Arıtma çamurunun pirolizi ile üretilen sentetik gaz, kalorifik değeri 3520 kcal/m3 olan ve yaklaşık 0.5 m3 doğalgaz eşdeğeri bir yakıttır. Yüksek sıcaklık pirolizinde kg organik çamur başına 0.64 m3 sentetik gaz, 3560 kcal enerji elde edilmiştir. Anaerobik çürütme yöntemi 35 % organik madde giderimi esas alınmak suretiyle, biyogaz elde edilmesi ile ise kg organik çamur başına 2070 kcal enerjinin geri kazanılabileceği hesaplanmıştır. Gerek piroliz gerekse anaerobik çürütme prosesleri operasyonel koşulları dikkate alındığından iç enerjiye ihtiyaç duymaktadır. Bu nedenle her iki proseste de iç enerji ihtiyacının üretilen enerjiden sağlanacağı düşünüldüğünde net enerji üretiminin piroliz teknolojisinde 3030 kcal/kg organik çamur, anaerobik çürütme yönteminde ise 1720 kcal/kg organik çamur olacağı öngörülmektedir. Artan fosil yakıt fiyatları ve konvansiyonel çamur bertaraf yöntemlerine karşılık olarak, arıtma çamurlarından piroliz teknolojisi ile enerji geri kazanımı yenilikçi ve giderek yaygınlaşan bir yöntemdir. Konvansiyonel çamur bertaraf yöntemlerine göre çevre etkilerini minimize eden piroliz teknolojisi ile üretilen sentetik gaz elektrik ve buhar enerjisine çevrilebilmektedir.

Wastewater is a mixture of pollutants that should be treated in wastewater treatment plants (WWTPs). The wastewater is considered as an energy source in terms of the organic matter it contains. While the WWTPs generate an amount of sewage sludge as a by-product, the energy in the wastewater is transferred into the sewage sludge. Sludge is considered as a renewable energy source as the other recycable wastes with the potential to contribute to the energy needs for both the developed and developing economies worldwide. Beside the biochemical technologies, thermal technologies are initiated to be used for recovering the stored energy of the sludge and for minimizing the environmental impacts at the same time. Pyrolysis is one of the most advantageous methods in terms of applicability as a sustainable process for energy recovery from sewage sludge. In this study, sewage sludge obtained from the drying unit of an extended aeration activated sludge system with 6 % moisture content and 65 % organic content was subjected to high temperature pyrolysis process. Pyrolysis temperature and rotation speed were investigated as the most important operational parameters to determine the diversity of the end products (biochar, tar, and syngas). The experiments were conducted on eight different runs (Run 1-Run 8) at three different temperatures (450 °C, 600 °C, and 850 °C) at a rotation speed of 10 Hz, 40 Hz and 60 Hz to represent the low, medium and high temperature pyrolysis conditions at batch mode. The effect of temperature and rotation speed on sludge pyrolysis was analyzed in terms of the mass balance, syngas composition, energy balance and energy recovery in the system. Comparative evaluation between pyrolysis process and anaerobic digestion was assessed in terms of energy recovery potential of both systems. The results showed that apart from the biochar, a potential of 59-71 % could be recovered in the form of tar and syngas in the pyrolysis experiments. The best condition in terms of energy generation was selected at high temperature and high rotation speed (850 °C, 60 Hz) as of 71 % energy recovery. It was observed that high temperature and high rotation speed provide a more efficient degradation of organics into syngas thus increasing the production of syngas. Syngas generated has a calorific value of 3520 kcal/m3 that represents an energy potential of almost 0.5 m3 natural gas at high temperature and high rotation speed. The high temperature pyrolysis produced a syngas of approximately 0.64 m3/kg organic sludge. The energy generation was calculated as approximately 3560 kcal/kg organic sludge at the best condition of high temperature and high rotation speed pyrolysis whereas a generation of 2070 kcal was calculated theorotically in anaerobic digestion for the same amount of sludge. For ensuring the operational conditions in both pyrolysis and anaerobic digestion systems, a certain amount of energy generated is utilized for internal energy requirement, yielding a net production of 3030 kcal/kg organic sludge for pyrolysis and 1720 kcal/kg organic sludge for anaerobic digestion. In response to the severe constraints applied to the treatment of sludge and the soaring prices of fossil fuels, the pyrolysis of sewage sludge has been attracting extensive attention in recent years as an economic and environmentally acceptable route for energy recovery. Besides the benefits of pyrolysis technology such as less pollutant than conventional methods, generation of syngas can be used for steam and electricity production for energy recovery in WWTP.