Kentsel Atıksuların Öğütülmüş Mutfak Atıkları İle Birlikte Arıtımı Ve Yenilenebilir Enerji Kazanımı

Abstract

Bu çalışmanın amacı, kentsel atıksular ile öğütülmüş mutfak atıklarının birlikte arıtımının, arıtılabilirliğe olan etkisini incelemek ve yenilenebilir enerji kazanımı sağlanarak sürdürülebilir bir atık yönetimi sisteminin oluşturulmasıdır. Bu kapsamda evlerde oluşan mutfak atıklarının tezgahaltı mutfak öğütücülerinde öğütülerek kentsel atıksu toplama sistemine katılması öngörülmektedir. Birlikte arıtım ile sistemin arıtma performansının iyileştirilmesi ve enerji eldesi hedeflenmiştir. Çalışmada yeterli çıkış suyu kalitesini sağlamak amacıyla membran filtrasyon sisteminde fiziksel arıtma gerçekleştirilmiştir. Enerji kazanımının sağlanması amacıyla ise mezofilik şartlar altında anaerobik arıtılabilirlik çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Çalışmada kullanılan kentsel atıksu İSKİ Baltalimanı Atıksu Arıtma Tesisi’nden temin edilmiştir. Mutfak atıkları ise kaynağında ayrı toplanmıştır. İlk etapta mutfak atıklarının oluşum miktarı ve karakterizasyonu incelenmiştir. Türkiye’deki aile yapısını temsil etmesi amacıyla 4 kişiden oluşan hanelerden belirli periyotlarda mutfak atıkları kaynağında ayrı olarak toplanmış ve kişi başı atık oluşumu belirlenmiştir. Karakterizasyon çalışmaları kapsamında, KOİ, TKN, TKM, UAKM, TP parametreleri incelenmiştir. Elde edilen veriler doğrultusunda deneysel sistematik oluşturularak deneysel çalışmalar yürütülmüştür. Kentsel atıksu toplama sistemine katılacak olan mutfak atığından kaynaklanacak ilave yüklerin arıtılabilirlik çalışmalarına etkisinin belirlenmesi amacıyla 3 farklı atıksu karışımında çalışılmıştır. Mutfak atıklarının kentsel atıksu toplama sistemine verilmesi halinde, hacimce %3’lük bir artış olacağı öngörülmektedir. Ancak Türkiye’deki tüketim alışkanlıkları ve kişi başı oluşan katı atık miktarı göz önüne alındığında bu değerin %3’ün üzerinde olacağı düşünülmektedir. Bu nedenle sırasıyla hacimce %3, %5 ve %7 mutfak atığı içerecek şekilde 3 farklı karışımda çalışılmıştır. Her karışım için biyometan potansiyeli testi yapılarak enerji kazanımları araştırılmıştır. Deney düzeneği olarak çökeltme tankı, membran filtrasyonu, ve anaerobik reaktörler kullanılmıştır. Atıksu ilk olarak çökeltme tankına gönderilerek, burada atıksu arıtma tesisi çöktürme tanklarında olduğu gibi, 1,5 saatlik süreyle çökelme işlemine tabi tutulmuştur. Çökelme işlemi sonucunda atıksu karışımı içerisindeki partiküler maddeler çökelerek alt faz oluşturmuştur. Partiküler maddelerden büyük oranda arındırılmış olan üst faz atıksu akımı membran filtrasyon ünitesine alınmıştır. Tankın dibine çöken karışımdaki partiküler maddeler ise anaerobik reaktörlerde substrat kaynağı olarak kullanılmıştır. Membran filtrasyon sisteminde arıtılabilirlik çalışmaları ön arıtma ve ileri arıtma olmak üzere iki aşamada gerçekleştirilmiştir. Ön arıtma çalışmalarında 1 bar işletme basıncında UC 010T UF membranı kullanılmıştır. Ultrafiltrasyon sonrası elde edilen süzüntü ileri arıtıma gönderilmiştir. İleri arıtma çalışmalarında NF90 nanofiltrasyon membranı kullanılmıştır. Uygun akı değerinin belirlenebilmesi amacıyla 3 farklı işletme basıncında arıtılabilirlik çalışmaları gerçekleştirilmiştir. İleri arıtma çalışmaları 6, 9 ve 12 bar işletme basıncında gerçekleştirilmiştir. Sistemin işletilmesi esnasında eş zamanlı olarak pH, sıcaklık, iletkenlik ve akı değerleri ölçülmüştür. Anaerobik reaktörler tankları ısıtmak üzere ve ekstra enerji maliyetinden kaçınmak için mezofilik şartlar altında işletilmiştir. Her atıksu karışımı için substrat miktarı 1000 mg/L de sabit tutularak 4 farklı (0,5-1-1,5-3) aşı/substrat oranında biyometan potansiyeli araştırılmıştır. Basınçlı membran sisteminde gerçekleştirilen ön arıtma çalışmalarında elde edilen çıkış KOİ değerleri, atıksu içerisindeki partiküler madde oranının artmasına paralel olarak azalma göstermiştir. Atıksu karışımlarının partiküler madde boyut analizleri incelendiğinde atıksu içerisindeki mutfak atığı oranının çökelme işleminde etkili olduğu görülmüştür. Mutfak atığının oranı arttıkça üst fazda kalan partiküllerin boyut dağılımı da artış göstermiştir. Bu durum neticesinde %7’lik atıksu karışımında nanofiltrasyon membran ile gerçekleştirilen çalışmalarda en düşük akı değeri bulunmuştur. Basınçlı membran sisteminde gerçekleştirilen çalışmalarda en yüksek akı değeri 12 bar işletme basıncında elde edilmiştir. Biyometan potansiyeli testinin sonuçları incelendiğinde %3’lük ve %7’lik atıksu karışımları ile yapılan çalışmalarda inhibisyon etkisi saptanmıştır. Diğer yandan %5’lik atıksu karışımı ile elde edilen sonuçlar metanojenik yol izinde herhangi bir inhibisyonun gerçekleşmediği fakat 0,5, 1 ve 1,5 I/S oranları için substrat inhibisyonunun gerçekleştiği tespit edilmiştir. I/S=3 oranında çalışıldığında ise sisteme beslenen substratın sorunsuz olarak biyometana dönüşümünün sağlandığı gözlenmiştir. Membran sistemi ile çökelme işlemi sonrasında elde edilen üst faz akımının sulama suyu standartlarını sağlayacak düzeyde arıtımının sağlandığı belirlenmiştir. AAT Teknik Usuller Tebliği Tablo E7.2’ye göre tuzluluk parametresine bakıldığında arıtımı sağlanan atıksu I. Sınıf sulama suyu olarak nitelendirilmektedir. Nanofiltrasyon sonrasında tuzluluk haricindeki maddeler %99 oranlarında giderildiğinden çıkış suyunun sulamada kullanılmasının bir mahsuru yoktur. Mevcut lojistik koşulların var olması durumunda arıtılan atıksuyun bahçe ve tarla sulamasında kullanılması düşünülebilir. Bir diğer alternatif olarak ise yakında var olan bir alıcı ortama deşarjı da söz konusu olabilir. Bundan sonraki enerji kazanımı çalışmalarında %5’lik atıksu karışımında I/S oranının arttırılarak çalışmaların tekrarlanması önerilmektedir. Mutfak atıklarının kentsel atıksu sistemine verilmesinin arıtılabilirlik açısından herhangi problem teşkil etmediği görülmüştür. Çalışmanın enerji kazanımına yönelik kısımları daha kapsamlı bir şekilde araştırılmalıdır. Kentsel atıksuların mutfak atıkları ile birlikte arıtımı ile düzenli depolama sahalarına gönderilen atık miktarının azaltılması ve arıtma maliyetlerinin düşürülmesi mümkün gözükmektedir.The aim of this study is to investigate the effect of mixing municipal wastewater with grinded kitchen wastes on the treatibility and provide a sustainable treatment system with the recovery of renewable energy. In this scope, it is expected to include kitchen waste sourced from houses in municipal wastewater collection systems by grinding in the under-counter kitchen grinders. It is aimed to enhance the performance of the treatment system and recovery of the energy by using co-treatment of kitchen wastes and municipal wastewater. Physical treatment was applied to the supernutant of the mixed waste water by membrane filtration system to provide permeate quality. Precipitate of the mixed waste water was treated by using mezophilic anaerobic treatment to recover energy. Wastewater used in this study were obtained from İSKİ Baltalimanı Wastewater Treatment Plant. Kitchen waste were collected at their source seperately. First of all, amount of kitchen waste was determined and it was characterized. Kitchen wastes were collected seperately at their sources periodically by four-people family who represents Turkish family characteristics and amount of kitchen waste per capita were determined. Several parameters such as COD, TKN, TP, TS, VSS, anions and cations were analyzed to determine the chemical properties of kitchen waste. A systematic experimental approach was developed depending on data obtained from characterization experiments. The municipal wastewater and grinded kitchen waste were mixed by using three different ratios to evaluate the effects of load of kitchen waste mixed to municipal wastewater collection system. It is expected that mixing of kitchen waste to municipal wastewater collection system will lead to 3% increase in total volume. However, this ratio will be higher than %3 for Turkey, when the consumption habits in Turkey and the amount of solid waste generated per capita were taken into consideration. Therefore, three diffirent mixing ratio (3%, 5% and 7% kitchen waste in volume) were used for mixing kitchen waste with the municipal wastewater. Energy recovery were investigated by applying biomethane potential test to each wastewater mix. Experimental system includes a settling tank, membrane filtration and anaerobic reactors. Firstly, wastewater was sent to settling tank and precipitated for 1.5 hours in precipitation tank as it was applied in real wastewater treatment plants. Particulate matters in the mixture of wastewater composed settled phase by settling at the end of the settling process. The supernutant of the precipitation unit that was seperated from particulate matters mostly, was transferred to membrane filtration system. Particulte matters in the wastewater mixture settled at the bottom of the tank were used as a source of substrate for anaerobic reactors. Tretibility studies conducted by using membrane filtration system consisted of a sequential treatment which are wastewater pre-treatment and further purification membranes, respectively. For pre-treatment studies, UC 010T UF membrane was used at 1 bar operation pressure. Permeate of the ultrafiltration process was sent to further purification. NF90 nanofiltration was used for further purification. Three different operation pressure were used for treatibility studies in order to determine optimum flux value. Further purification studies were conducted at 6, 9 and 12 bar operaiton pressure. pH, temperature, conductivity and flux were measured simultaneously during the operation of the system. Anaerobic reactors were operated under mesophilic conditions due to peak values in biomethane production and extra energy costs. Substrate concentration were fixed as 1000 mg/L for eachwastewater mixing ratio and biomethane potential were investigated for different (0,5-1-1,5-3) seed ratio. COD values obtained from the pre-treatment studies of the effluent of pressurized membrane systems were decreased depending on the increase in the concentration of particulate matter in the wastewater. Investigation of particulate matter size distribution in the wasteater showed that kitchen waste ratio in the wastewater affects settling process significantly. Size distribution of particulate matters in the supernutant increased when the kitchen waste ratio increased. As a result, the smallest flux values of nanofiltration membrane studies were obtained for the studies conducted with the 7% mixing ratio of wastewater. Studies conducted with pressurized membrane systems led to the highest flux values for 12 bar operation pressure. According to the results of the biomethane potential test, inhibition were observed for the studies 3% and 7% wastewater ratio used. However, 5% mixing ratio did not cause inhibition for methanogenic pathway, susbstrate inhibition were detected for the I/S ratios of 0.5, 1 and 1.5, respectively. When I/S ratio was increased to 3, substrate fed to the system were converted to biomethane succesfully. Supernutant obtained at the end of the settling process were treated by using membrane systems and it sustains the irrigation water standards. According to the conductivity values stated at Wastewater Treatment Plant Technical Art Notification (Table E7.2 Table used for the evaluation of chemcical quality of irrigation water), effluent of membrane filtration systems can be classified as I class irrigation water. As the parameters were treated with efficiency higher than 99% at the end of the nanofiltration process, effluent water can be used as irrigation water. Effluent waste water can be used for the irrigation of gardens and fields when the necessary logistic conditions were provided for the irrigation. As another alternative, effluent wastewater can be discharged to the mearest receiving water body. It is suggested to repeat energy recovery studies by inreasing I/S ratio for %5 wastewater mixing ratio. Mixing the kitchen wastes with municipal wastewater systems cause no problem in terms of treatibility of the mixture. Energy recovery must be invesigated deeply. The amount of municipal solid waste sent to landfills and the treatment costs will decrease with the mixing kitchen wastes with municipal solid waste for the treatment. In conclusion, an integrated wastewater treatment system has been proposed for the treatment of wastewater mix and recover energy by anaerobic process.