Experimental assessment of heterotrophic endogenous decay and denitrification kinetics using hydrolyzed carbon sources

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2000
Yazarlar
Avcıoğlu, Ebru
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Özet
İçsel solunum metabolizması, asimilasyon ve büyüme için gerekli enerji kaynağı ve yapı taşı olarak görev yapan dış kaynakların yokluğunda organizma tarafından sürdürülen tüm kimyasal aktiviteler şeklinde tanımlanabilir. Dış çevrede bulunan su, oksijen, ve karbon ve azot kaynaklı olmayan mineral tuzlar içsel solunum mekanizmasına katkıda bulunabilirler. Böylelikle içsel solunum metabolizması, aç hücredeki kimyasal aktiviteler şeklinde özetlenebilir. İçsel solunum, aktif çamur sistemlerinde oluşan çamur miktarı ve elektron alıcısı ihtiyacını belirlemesi açısından önemli bir kontrol mekanizmasıdır. Çamur arıtımında yaygın olarak kullanılan aerobik çamur çürütmesi işleminde gerekli oksijen miktarı, tamamıyla içsel solunum ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Özellikle yazlık yerleşim bölgelerinde yaygın olarak kullanılan ve bir aktif çamur modifikasyonu olan uzatmalı havalandırma prosesi de içsel solunum fazında çalıştırılmaktadır. Biyolojik azot arıtımında sıkça kullanılan Bardenpho prosesinin post denitrifikasyon ünitesinde karbon ihtiyacı, içsel solunum mekanizması sonucu salınan karbon ile karşılanmaktadır. Görüldüğü gibi içsel solunum mekanizması mühendislik uygulamaları açısından büyük önem taşımasına rağmen literatürde bu konuda hem deneysel belirleme hem de modelleme uygulamaları açısından yeterli bilgiye rastlanmamaktadır. Bu tez çalışmasının ilk araştırma konusunu içsel solunum katsayısının deneysel olarak belirlenmesi oluşturmaktadır. Bu amaçla, öncelikle literatürde mevcut ve 1976 yılında Marais ve Ekama tarafından önerilen deneysel yöntem uygulanmıştır. Bu yöntem, içsel solunum fazında çalıştırılan kesikli bir aktif çamur sisteminde 10 ila 20 gün boyunca oksijen tüketim hızı (OTH) ölçümlerinin izlenmesine dayanmaktadır. Yöntem, et işleme endüstrisi ve deri endüstrisi atıksulanna, ve evsel kökenli atıksulara uygulanmış ve bu uygulama sonucunda gözlenen en büyük aksaklık içsel solunum fazında elde edilen oldukça düşük (2-8 mg CVl.saat) OTH değerlerinin mevcut oksijen metre teknolojisi ile bu yöntemin gerektirdiği titizlikte ölçülememesi olmuştur. Elde edilen deneysel veriler gözlenmesi beklenen lineer trende uygun olmayarak, önemli ölçüde salınımlar göstermiştir. Buna bağlı istatistiksel analiz sonuçlarının korelasyon yüzdesi ise oldukça düşüktür. Deney başlangıcında yavaş ayrışan partiküler organik maddenin hidrolizine bağlı olarak daha yüksek nümerik değerler elde edilmiştir. Bu değerler, içsel solunum fazında elde edilen daha düşük değerler ile uyum sağlamadığı için, gözönüne alınan süreye bağlı olarak birbirinden farklı içsel solunum hızı (bu) değerleri elde edilmiştir. Bu gözlemlere dayanarak, mevcut yöntemin kullanımı ile elde edilen deney sonuçlarının bilimsel bir araştırmanın gerektirdiği güvenilirlikte olmadığı sonucuna varılmıştır. Bu noktadan hareketle, alternatif bir yönjem arayışına gidilmiş ve bu tez kapsamında yeni bir yöntem önerilmesi uygun görülmüştür. XXVI Önerilen yöntemin temeli mevcut yöntemin getirdiği aksaklıkları gidermeye yöneliktir. Yöntemin amacı, kısıtlayıcı olmayan bir çoğalma ortamı sağlanması ve bu şekilde biyokütlenin aktivitesindeki azalımın içsel solunuma oranla oldukça yüksek bir ölçekte izlenmesidir. Deneysel yöntem, deney süresi boyunca aerobik fazda bir 'ana' bir de 'besleme' reaktörü işletilmesini içerir. Ana reaktör deney süresi boyunca içsel solunum fazında çalıştırılmaktadır. Besleme reaktörü ise istenilen aralıklarda (tercihen günlük) işleme konur ve ana reaktörden transfer edilen biyokütle ile beslenir. Maksimum büyüme koşullarını sağlamak amacıyla, besleme reaktörüne miktarı önceden belirlenmiş kolay ayrışabilir nitelikte substrat ile ana reaktörden aktarılan sabit hacimde askıda katı madde eklenir. Besleme reaktöründe OTH değerleri yaklaşık sabit bir değerin gözlendiği ilk plato boyunca izlenir. Aynı prosedür 't' süresi sonunda kurulacak bir besleme reaktörüne yine ana reaktörden transfer edilen sabit hacimde askıda katı madde, ve sabit miktarda kolay ayrışabilir nitelikli substrat eklenmesiyle tekrarlanır, 't' süresi sonunda gözlenecek ilk OTH plato değeri biyokütlenin azalan aktivitesine bağlı olarak deney başlangıcında elde edilen plato değerinden daha düşük olacaktır. Deney prosedürünün 10 ila 20 gün boyunca tekrarı ile elde edilecek ilk platoya ait OTH değerleri zamana karşı çizildiğinde, grafiğin eğimi aerobik içsel solunum hızı olan bn değerini verecektir. Aynı yöntem çerçevesinde, anoksik ortamda çalıştırılacak ana ve besleme reaktörlerinden elde edilecek nitrat tüketim hızı (NTH) profillerinin benzer şekilde değerlendirilmesiyle anoksik içsel solunum katsayısı (bno) elde edilebilecektir. Önerilen yöntem evsel atıksulara aklime edilmiş aktif çamur kültürleri üzerinde uygulanmıştır. 20 ± 1° C'de beş set ve 10 ± 1° C'de bir set deney yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar aşağıdaki şekilde özetlenebilir: 1. bu için beş set deney sonucu elde edilen aritmetik ortalama 0.08 l/gün, aynı setlerden elde edilen bno değerlerinin aritmetik ortalaması ise 0.05 1/gün'dür. 2. 10 + 1° C'de yapılan tek deneme sonucunda bu ve buo değerleri için 0.04 l/gün değeri elde edilmiştir 3. Deneysel verilerin istatistiki değerlendirmesi deney setleri içindeki ve aynı sıcaklıkta yapılan farklı deney setleri arasındaki tutarlılığın oldukça yüksek olduğunu göstermektedir 4. 20 ± 1° C'de anoksik ve aerobik elektron alıcısı tüketim hızlarının karşılaştırması sonucu elde edilen T|e faktörü 0.6 olarak bulunmuştur. Bu değerin pratikteki anlamı, aynı verimi elde etmek için gereken anoksik çürütme tank hacminin gerekli aerobik tank hacminin yaklaşık iki katı olması gerektiğidir Elde edilen bu ve r|E değerlerinin literatürdeki değerlerden oldukça düşük olduğu gözlenmiştir. Bu farkın atıksu özelliklerindeki değişikliklerden ya da literatürde mevcut yöntemin uygulanması sonucu ortaya çıkan ve yukarıda sözü geçen aksaklıklardan kaynaklandığı düşünülmektedir. Anoksik içsel solunum katsayısı (bm) için ise, literatürde bu katsayı için bir belirleme yöntemi bulunmaması nedeniyle, bir karşılaştırma yapmak mümkün olamamaktadır. Bu tez çerçevesinde önerilen aerobik ve anoksik heterotrofik içsel solunum katsayısının bulunmasına yönelik yöntem yalnızca evsel nitelikli atıksulara aklime olmuş biyokütle için uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlan desteklemesi açısından, XXV11 yöntemin değişik sıcaklıklarda hem evsel hem de endüstriyel nitelikli atıksulara aklime olmuş biyokütle üzerinde uygulanmasında yarar görülmektedir. Deneysel çalışmanın ikinci aşamasını evsel kaynaklı ön çöktürme çamurunun karbon kaynağı olarak kullanıldığı ortamlarda denitrifîkasyon kinetiğinin incelenmesi oluşturmaktadır. Evsel kaynaklı ön çöktürme çamuru genel olarak uçucu yağ asitleri, karbonhidratlar, alkoller, peptonlar ve aminoasitleri içerir. Uçucu yağ asitlerinin oluşumu için ön çöktürme çamurunun hidrolizi yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu asitlerin tesis içinde üretilmesi yeterli miktarda kısa zincirli organik substrat içeren endüstriyel atıksulann bulunmadığı durumlarda daha büyük avantaj sağlamaktadır. Uçucu yağ asitleri başlıca asetik, propionik, n-bütirik, izo-bütirik, n- valerik, izo-valerik ve kaproik asitleri içerir. Fosfor ve azot gideren bakteriler için ideal substrat olarak kabul edilmeleri nedeniyle uçucu yağ asitleri biyolojik nutrient giderimi proseslerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Biyolojik çamur hidrolizi son yıllarda pratikte sıkça uygulanmaktadır. Bu prosesin biyolojik nutrient giderimini % 10 ila 15 oranında artırdığı düşünülmektedir. Kolay ayrışabilir organik maddenin depolanabilmesi ve gerektiği durumlarda kullanılabilmesi proses stabilitesini önemli ölçüde artırmaktadır. Bu ürünlerin tesis içinde üretilmesi metanol gibi dışarıdan eklenen karbon kaynaklarının maliyeti ile karşılaştırıldığında avantaj sağlamaktadır. Ayrıca bu yol ile, tesiste gerekli reaktör hacimleri azalacak ve arıtma kapasitesi hacim artışı olmaksızın artacaktır. Ön çöktürme çamurunun denitrifîkasyon verimini araştırmak amacıyla bir ön çöktürme tankının geri devir hattından elde edilen çamur ile literatürde kolay ayrışabilir karbon kaynaklan arasında en iyi örneklerden biri olarak kabul edilen asetat, denitrifîkasyon hızları bazında karşılaştınlmıştır. Karşılaştırma amacıyla yapılan paralel kesikli deneylerde ortama önceden seçilen ve eşit miktarda kolay ayrışabilir KOİ eşdeğeri substrat eklenmiştir. Denitrifîkasyon hızlarının yanısıra kolay ayrışabilir substrat konsantrasyonu (Ss) da denitrifîkasyon deneylerinin verim açısından değerlendirilmesinde incelenmiştir. Deneysel çalışmalar sonucu süzülmüş ön çöktürme çamuru ve asetat ile elde edilen denitrifikasyon hızlarının (ki) birbirine oldukça yakın olduğu görülmüştür. Bu yöndeki bulgulara literatürde de sıkça rastlanmaktadır. Ancak elde edilen denitrifikasyon hızlan literatürde rastlanan değerler ile karşılaştmldığında daha yüksektir. Bunun nedeni olarak denitrifikasyon hızlannın literatürde olduğu gibi uçucu askıda katı madde bazında değil biyokütlenin aktif fraksiyonu bazında ifade edilmesi gösterilebilir. Asetat ve ön çöktürme çamurunun karşılaştınlması ile elde edilen deneysel veri sonuçlan için, literatürde sıkça kullanılan İçsel Solunum Modeli (İSM) ve daha yakın bir tarihte sunulmuş olan Aktif Çamur Modeli No 3 (ASM3) ile simülasyon çalışmalan yapılmıştır. ASM3, yapısında İSM 'den farklı olarak, depolama ve depolanan ürünlerin solunumu olarak adlandınlan ve enerji tüketen iki farklı proses içermektedir. Depolama prosesi, kolay aynşabilir organik maddenin Xsto olarak tanımlanan hücre içi ürünlere dönüştürülmesini kapsar. Bu ürünlerin genel içeriği polihidroksialkanlar (PHA) ve glikojendir. Depolanan ürünlerin solunumu ise içsel solunum mekanizmasına benzer şekilde depolanmış ürünlerin aynşmasmı içerir. ASM3 modelinde yavaş aynşan partiküler maddenin hidrolizi Xsto üzerindeki XXV111 çoğalma hızına oranla daha hızlı gerçekleşmekte, bu nedenle İSM'nin aksine, hidroliz kademesi hız kısıtlayıcı adım olarak kabul edilmemektedir. Deneysel olarak elde edilen verilerin, içsel solunum modeli simülasyon sonuçları ile uyum içinde olduğu görülmüştür. Model çalışmaları sonucunda asetat için maksimum çoğalma hızı {fi h) değeri 6 l/gün ve anoksik dönüşüm oranı (Yhd) 0.58 g KOİ/g KOİ olarak elde edilmiştir. Süzülmüş ön çöktürme çamuru için ise fi h için 6 ile 6.5 l/gün, YHD için ise 0.62 g KOİ/g KOİ ile 0.66 g KOİ/g KOİ aralığında değerler kullanılmıştır. Bu değerlerin ön çöktürme çamuru için değişkenlik göstermesinin, ön çöktürme tankının işletiminde görülebilecek istikrarsızlığa ve/veya ön çöktürme çamurunun içeriğinde oluşabilecek değişikliklere bağlı olduğu düşünülmektedir. Elde edilen fiu değerleri, içsel solunum modelinde evsel atıksu için öngörülen fin değerine (6 l/gün) oldukça yakındır. Yhd değerleri ise aynı modelde yine evsel atıksu için öngörülen Yh değerinden (0.67 g KOİ/g KOİ) daha düşüktür. Literatürdeki bulgular da anoksik dönüşüm oranının aerobik dönüşüm oranına göre daha düşük olduğu yönündedir. Asetatın evsel atıksu içindeki kolay ayrışabilir organik madde fraksiyonunun önemli bir kısmını oluşturduğu düşünülürse, simülasyon sonuçlarının içsel solunum modelinde öngörülen değerler ile tutarlı olduğu söylenebilir. Öte yandan, süzülmüş ön çöktürme çamuru için elektron alıcısı tüketim profilinin ikinci fazında elde edilen hızın içsel solunum hızına oranla daha yüksek olduğu, bu bulgunun ise çamur yapısında mevcut olabilecek yavaş hidroliz olabilen fraksiyonun (Sh) varlığıyla açıklanabileceği düşünülmüştür. İçsel solunum modeli bu bağlamda değerlendirildiğinde, deney sonuçlarının model ile son derece uyumlu olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlar gözönüne alındığında, içsel solunum modeli yapısındaki prosesler ile, birbirine benzer nitelikte iki karbon kaynağı için birbiri ile uyumlu değerlere sahip parametreler kullanılarak, elektron alıcısı tüketim profilleri açıklanabilmektedir. ASM3, model yapısındaki proses sayısını artınken KOİ fraksiyonları tanımına basitlik getirmektedir. İçsel solunum modelinde Ss fraksiyonu respirometrik yöntemlerle belirlenirken, ASM3, 0.45 um'den süzülmüş miktarın inert fraksiyon dışındaki kısmını kolay ayrışabilir organik madde olarak yorumlamaktadır. Bu kapsamda, içsel solunum modelinde yavaş hidroliz olabilen fraksiyon, Sh, olarak yorumlanan kısım ASM3'te kolay ayrışabilir KOİ olarak kabul edilmekte ve Ss içeriği ön çöktürme çamuru gibi birden fazla KOİ fraksiyonu içeren sistemler için, içsel solunum modeline göre daha yüksek olmaktadır. Bu çerçevede, asetat ve süzülmüş ön çöktürme çamuru için deneysel elektron alıcısı tüketim profilleri benzerlik gösterirken, ASM3 simülasyonunda kullanılan, depolama prosesi için anoksik dönüşüm oranı, Ystod, ve depolama hızı, ksTO gibi profile en fazla etkisi olan parametrelerin değerleri, Ss tanımındaki farklılıktan dolayı değişiklik göstermektedir. Buna göre, asetat için Ystod değeri 0.63 g KOİ/g KOİ iken süzülmüş ön çöktürme çamuru için bu değer 0.78 g KOİ/g KOİ ile 0.8 g KOİ/g KOİ arasındadır. Ön çöktürme çamuru için bulunan değerler ASM3'te öngörülen Ystod değerlerine uyum sağlamaktadır. Öte yandan, asetat için uygun depolama hızı değeri 12 g KOİ/g KOİgün iken süzülmüş ön çöktürme çamuru için elde edilen hızlar 16 ile 20 g KOİ/g KOİgün arasında değişiklik göstermektedir. Her iki durumda da depolama hızlan modelde öngörülen depolama hızına göre (5 g KOİ/g KOİgün) oldukça yüksektir. Deney sonuçlanndan da görüldüğü gibi içeriğinde asetatın da XXIX yeraldığı ön çöktürme çamuru denitrifikasyon için karbon kaynağı olarak değerlendirildiğinde asetat ile benzer performans göstermiştir. Ancak, her iki karbon kaynağına ait deney sonuçlan ASM3 için simüle edildiğinde önemli model parametrelerinin içsel solunum modelinde gözlenenin aksine, asetat ve çamur için birbirleriyle tutarlı olmadığı görülmüştür. ASM3 için yapılan simülasyon çalışmalarından da görüldüğü gibi depolama ürünlerinin izlenmesi model yorumu açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çerçevede oluşturulacak bir veri tabanıyla, depolama prosesiyle ilgili stokiometrik ve kinetik büyüklüklerin belirlenmesi de mümkün olacaktır.
Endogenous metabolism can be defined as the sum of all the chemical activities performed by organisms in the absence of utilizable extracellular materials serving as sources of energy and building stones for assimilation and growth. Water, molecular oxygen, and non-carbonaceous and non-nitrogenous mineral salts present in the external environment may participate in endogenous metabolism. Thus, endogenous metabolism can be viewed as all those chemical activities in the starving cell Endogenous respiration acts as the controlling mechanism for sludge production and oxygen utilization in activated sludge systems. In aerobic sludge digestion, the only need for oxygen is to supply the endogenous respiration requirement. Extended aeration, which is an activated sludge process modification and is widely used in summer resort areas, operates in endogenous phase. In the post-denitrification compartment of the Bardenpho process commonly used for nutrient removal, the anoxic endogenous respiration is regarded as the sole carbon source. Despite the engineering significance of endogenous respiration, very limited information exists in the literature in terms of experimental assessment and modelling purposes. The first part of the experimental studies covers the experimental assessment of endogenous respiration rate For this purpose, the method proposed by Marais and Ekama in 1976 was carried out by using activated sludge cultures acclimated to meat processing effluents, leather tanning effluents, and domestic wastewaters. The method is based on the monitoring of oxygen utilization rates (OUR) for 10 to 20 days. The most obvious deficiency associated with the current procedure was detected as imprecise OUR measurements due to the low initial electron acceptor utilization rates (in a range of 8 to 2 mg/l.hr) associated with endogenous respiration The observed data was scattered, exhibiting cyclic variations with remarkably low coefficients of determination (r2). Hence, it was deduced that hydrolysis of adsorbed particulate organic matter was interfering with the OUR values associated with endogenous respiration. Since the application of the current practice led to results with insufficient accuracy and reliability, an alternative method was proposed to overcome the major drawbacks experienced with the current practice. The proposed method aims to shift OUR measurements to the growth phase i.e., to replace bHXH term with juHXH term. Thus, the variation of Xh is reflected by providing a constant unlimited growth medium which would ensure a constant JuH level. The experimental process involves running of an aerobic "main reactor" and an aerobic "feed reactor" in parallel. The main reactor contains heterotrophic biomass which undergoes endogenous respiration jiuring the whole experimental period. The feed reactor, on other hand, is put into operation whenever (preferably at xxn daily intervals) seeded with the biomass transferred from the main reactor. To ensure maximum growth conditions, the feed reactor is fed with a synthetic solution representing readily biodegradable substrate, of fixed quantity and composition together with the mixed liquor of a pre-selected volume, transferred from the main reactor. OUR in the feed reactor is monitored long enough to detect the corresponding initial plateau. The procedure outlined above is repeated after a time period t by transferring the pre-selected volume of mixed liquor to a second batch feed reactor and adding the same amount of substrate. Obviously, a lower initial OUR value is observed at time t due to the gradually decreasing activity of the biomass in the main reactor. After this procedure is repeated for 10 to 20 days, the slope of the plot of the initial plateau OUR values versus time yields the aerobic endogenous respiration rate, bn- In the same manner, a main anoxic reactor may be run in parallel to an anoxic feed reactor and the same procedure can be carried out for the determination of anoxic endogenous rate coefficient, bno- The proposed method was applied to domestic wastewaters. Five experimental sets were conducted at 20 ± 1°C and one experiment was performed at 10 ± 1°C. Based on these results the following conclusions can be drawn: 1. The arithmetic mean of the bn value obtained at the end of five experimental runs was 0.08 1/day whereas an arithmetic average of 0.05 1/day was obtained for bnD at20±l°C 2. At 10 + 1°C, a value of 0.04 1/ day was obtained for both bH and bno at the end of one experimental run 3. The statistical analysis of the experimental data indicates a high percentage of consistency between results obtained within each experimental set and among individual sets 4. At 20 + 1°C an tie value of 0.6 was assessed which yields to the practical conclusion that the anoxic digester tank volume has to be almost as twice as the aerobic tank volume to achieve the same treatment efficiency When a comparison is established between the observed values of bn and t|e with the values reported in the literature, it is evident that the values obtained in this study are appreciably lower than the values in the literature. This may either be attributed to the variations in wastewater characteristics or to the above mentioned limitations of the current method. Since, no procedures are present in the literature for the determination of bHD, a comparison with the literature values would not be possible. During the course of this study, the method was practiced only for domestic wastewaters. It should be emphasized that further experimental work is required both on domestic and industrial wastewaters at various temperatures to support the results of this study. The second part of the experimental work is based on the investigation of primary sludge as a carbon source for denitrification. Domestic sewage is mainly composed of volatile fatty acids (VFA's), carbohydrates, alcohols, peptones and amino acids, which are biodegradable at different rates. VFA's are mainly associated with the hydrolysis of primary sludge, which itself is an internal source of organic carbon, and xxin are usually produced within wastewater treatment facilities. They are most beneficial in cases where suitable industrial wastes are not available containing adequate concentrations of short chain organic substrates. VFA's include formic, acetic, propionic, n-butyric, iso-butyric, n-valeric, isovaleric, and caproic acids. They are recognized as ideal substrates for Acinebacter species and denitrifiers, therefore, employed in biological nutrient removal processes (BNR) to achieve high rates of phosphorus removal and denitrification. Biological sludge hydrolysis is gaining popularity in the recent years. The process makes it possible to increase biological nutrient removal by at least 10-15 %. It increases the potential of process stability and flexibility through production and storage of easily degradable organics and subsequently dosing when needed in the process. Making the most of the fermentation process at the wastewater treatment plant may allow reactor volumes to be reduced and increase the treatment capacity without requiring much more space. It is also cost effective as compared with the addition of chemical materials, such as methanol, as supplemental carbon sources. In order to assess the performance of primary sludge as a carbon source, denitrification rates obtained with primary sludge were compared with the rates obtained with acetate, which is accepted as a well-defined external carbon source. For this purpose, batch experiments were conducted for equivalent initial Ss concentrations of both substrates in parallel tests. Filtered primary sludge and acetate yielded similar denitrification rates (ki) indicating that primary sludge proved to be an efficient carbon source as acetate. This observation agrees well with most of the literature findings. It should also be noted that observed denitrification rates for both filtered primary sludge and acetate are relatively higher than literature values. This might be due to the expression of denitrification rates on the active biomass (Xh) basis rather than volatile suspended solids (VSS) as reported in the literature. Experimental data obtained from denitrification tests for acetate and filtered primary sludge were simulated by using two models, namely Endogenous Decay Model (EDM) and, a more recent one, Activated Sludge Model No 3 (ASM3). ASM3 involves mechanisms such as storage and respiration of storage products both of which are defined as energy consuming processes. These two processes have not been included in the prior model structures such as EDM and ASM1. Storage process involves the conversion of Ss into the form of cell internal storage products referred as Xsto, which includes poly-hydroxy-alkanoates (PHA), glycogen, etc. Respiration of storage products involves the decay of storage products, analogous to endogenous respiration. This model assumes that Xs is converted to Ss at a comparably higher rate as compared to growth on Xsto, thus, in contrast to EDM, hydrolysis is not a rate-limiting mechanism. The experimental electron acceptor utilization profiles, for both acetate and filtered primary sludge are found to be compliant with the model simulation of EDM. The maximum growth rate (fin) and anoxic yield (Yhd) values for acetate are obtained as 6 1/d and 0.58 g COD/g COD respectively. A range of fiu (6-6.5 1/d) and Yhd (0.62-0.66 g COD/g COD) values used for filtered primary sludge can be explained by the variable content and/or fractions of filtered primary sludge components xxiv produced in a settling tank rather than a steady-state fermentor. fin values considered for acetate and filtered primary sludge, both of which contain acetate, are consistent with each other. These values can also be regarded as compatible with the default value reported in EDM (6 1/d) for domestic wastewaters in which acetate, again, forms a substantial fraction of Ss. Yhd values adopted in the model are reasonably lower than the default value of YH (0.67 g COD/g COD), stated in EDM for domestic wastewaters. Literature findings also support the lower magnitudes of the Yhd values as compared to Yh. On the other hand, the second phase of the electron acceptor utilization profile (k2) for filtered primary sludge was found to be too high to be associated with endogenous respiration in EDM. This finding was justified by the presence of hydrolyzable soluble COD fraction, Sh, within the structure of the primary sludge besides the readily biodegradable portion, Ss. This situation has been validated by the good correlation of experimental data with the model simulation. The experimental results' compliance with the model simulation run with a range of meaningful parameter values show that the processes and parameters within the structure of EDM are proficient in explaining the behaviour of acetate and filtered primary sludge as carbon sources for denitrification. While an increased number of processes are considered in ASM3, the model simplifies the definition of the readily biodegradable content, Ss, by assessing this fraction simply by filtration instead of employing the respirometric analysis method as adopted in EDM. This definition brings the inclusion of the slowly hydrolyzable fraction, Sh, defined in EDM, within the content of Ss. Thus, the Ss content of systems composed of more than one fraction of COD, such as primary sludge, becomes greater in magnitude than the Ss fraction considered in EDM. The experimentally obtained electron acceptor utilization profiles for acetate and filtered primary sludge exhibit quite similar trends. However, during the simulation of ASM3, it became apparent that the model and experimental fit could be provided by the use of different values of parameters associated with storage. For acetate, the anoxic storage yield (Ystod) was assessed as 0.63 g COD/g COD while for filtered primary sludge Ystod assumed values between 0.78 g COD/g COD and 0.8 g COD/g COD. Although, Ystod value determined for filtered primary sludge is in good agreement with the default value of Ystod (0.8 g COD/g COD) as stated in ASM3, it was found to be much lower for acetate. On the other hand, for acetate the storage rate was assessed as 12 g COD/g CODd and for filtered primary sludge, the rates of storage (Icsto) varied between 16 and 20 g COD/g CODd respectively. Hence, the storage rates compliant with the experimental data were quite high for both cases, as compared with the default value for ksTo as 5 g COD/g COD. Based on these observations, it can be stated that, although acetate and primary sludge are similar in content, which is also reflected in similar experimental behaviour, the model parameters associated with storage do not exhibit the expected consistency as already observed in EDM, mainly due to the COD fractionation approach adopted in ASM3. The model simulation studies for ASM3 has provided evidence that monitoring of the storage products should be an essential part of the experimental studies. Based on this consideration, an experimental database should be formed towards the assessment of kinetic and stochiometric parameters associated with storage.
Açıklama
Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2000
Thesis (Ph.D.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2000
Anahtar kelimeler
Aktif çamur, Denitrifikasyon, Karbon, Solunum, İç solunum, Activated sludge, Denitrification, Carbon, Respiration, Endogenous respiration
Alıntı