ARITMA ÇAMURLARININ YALNIZ VEYA ORGANİK ATIKLARLA BİRLİKTE

ÇÜRÜTÜLMESİ

İSTANBUL ATIKTAN ENERJİ ÜRETİMİ SEMPOZYUMU

Kasım 2017

Prof. Dr. İzzet ÖZTÜRK

Giriş

Arıtma Çamurlarıyla Organik Atıkların Birlikte Anaerobik ArıtımınınFaydaları

Büyükşehirler için Atıksu Arıtma (AAT) Çamurları Yönetim Seçenekleri

İTÜ/İSTAÇ/İSKİ tarafindan gerçekleştirilen bazi uygulamalı AR-GE projeleri

Sonuç ve Öneriler

Sunum İçeriği

2

sıvı

yarı katı

Ağırlıkça % 0,25-12 oranında katı madde (KM) ihtiva eder

• AAT Çamuru Özellikleri

1.Giriş

3

Arıtma tipine ve amacına göre, arıtma çamurlarının türleri farklılık gösterir.

Bunlar;

Çökebilen katı maddelerin oluşturduğu ön çökeltim çamurları birincil çamur,

Kimyasal arıtma ve koagülasyon sonucu oluşan kimyasal çamurlar,

Biyolojik arıtma işlemleri sonucu oluşan fazla biyolojik çamur,

Biyolojik arıtma işlemleri sonucu oluşan aerobik/anaerobik stabilizasyon uygulanmış karışık/ikincilçamurlar,

olarak sıralanabilir.

1. Giriş

4

Susuzlaştırma/bertaraf

Giriş Çıkış

Birincil Çamur(Çürütmeye)

Birincil Arıtma

AN

BioP Havuzu

İkincil Arıtma

Fazla Aktif Çamur

(Çürütmeye)

Biyogaz (CHP birimine)

RNOx

DNNitrifikasyon

RX

• Uzun Havalandırma• Ozonlama

• Homojenizasyon• Dezentegrasyon

• Mekanik, ultrasonik Termal hidroliz Kesikli-Yüksek elektrik voltajı

uygulama

• Termofilik anaerobik çürütme• Asit/enzimatik hidroliz• İleri aerobik çürütme

Izgaralar

Ön Çökeltim Son Çökeltim

1. GirişTipik bir kentsel AAT akım şeması

5

1. Giriş

Arıtma Çamurları

Biyolojik olarak

ayrışabilen

Hızlı ayrışan Yavaş

ayrışanÇok yavaş

ayrışan

Biyolojik olarak

ayrışamayan

Organik İnorganik

Arıtma çamurlarının temel bileşenleri

6

1. Giriş

• AAT Çamur Üretimi

7

2. Arıtma Çamurlarıyla Organik Atıkların Birlikte

Anaerobik Arıtımının Faydaları

8

Organik Atık ve Kentsel Atıksu AT Çamurlarının Entegre Yönetiminin sağlanması

Enerji Yeterli (Nötr) veya Pozitif Atıksu Arıtma İmkanı Kazanılması

Çamur Azaltımı, Biyoenerji ve ürün (N,P,K) Gerikazanımı

Kentsel nitelikli Biyobozunur atık miktarının azaltımı

Katı atık toplama ve bertaraf maliyetlerinde tasarruf sağlanması

Organik Atıkları Birlikte Arıtma Yaklaşımı

• Anaerobik arıtma tesislerinde birlikte arıtım uygulamalarıyla başlıca aşağıdaki faydalar sağlanır:

• Metan geri kazanım veriminin artar

• Proses stabilitesinin artar

• Daha iyi bir atık yönetiminin sağlanır

• Farklı atık akımlarının tek bir entegre arıtma tesisinde toplanmasının getireceği ekonomik yararlar

• Büyük kapasitedeki merkezi arıtma tesisleriyle arıtılabilecek atık miktarının artması

EOKA Arıtma Çamuru

Hayvan Atıkları

Endüstriyel Organik Atık

EntegreArıtma Tesisi

Organik Gübre

Biyogaz

Atık

B

Atık

A

Makro ve mikro nütrientlerC:N oranı

pHİnhibitörler/toksik maddeler

Biyolojik olarak ayrışabilirorganik madde

Kuru madde

2. Arıtma Çamurlarıyla Organik Atıkların Birlikte

Anaerobik Arıtımının Faydaları

Organik Atıklardan Biyometan Geri Kazanım Potansiyeli (Tipik Değerler)

Organik kentsel katı atık : 230 m3/ton UKMbeslenen

Hayvansal atık : 130 m3/ton UKMbeslenen

Endüstriyel atıksu : 350 m3/ton KOİgiderilen

Arıtma tesisi çamuru : 130 m3/ton UKMbeslenen

UKM : Uçucu (organik) katı madde

KOİ : Kimyasal oksijen ihtiyacı

2. Arıtma Çamurlarıyla Organik Atıkların Birlikte

Anaerobik Arıtımının Faydaları

Atıksu Arıtma Tesislerinde Enerji Yeterliliği

A kademesinde,

• Hidrolik bekleme süresi ~ 0,5 saat

• Organik bileşikler, ağırlıklı olarak çamur flokları üzerine adsorpsiyonla tutunarak, hızlıca çamur

yoğunlaştırıcılar üzerinden çürütücülere yönlendirilmektedir.

B kademesinde,

• Nitrifikasyonu gerçekleştirecek mikroorganizmalar için gerekli en düşük çamur yaşı

• Havalandırma enerjisi, besi maddesi/mikroorganizma (F/M) oranına bağlı olarak değişmektedir.

• En fazla ~ %3 düzeyinde bir enerji tasarrufu sağlanabilmektedir

Enerji yeterliliği yüksek İki kademeli (A/B prosesi) biyolojik arıtma yaklaşımı

Atıksu Arıtma Tesislerinde Enerji Yeterliliği

Şekil. Tesisin enerji yeterliliği yüzdesinin de-amonifikasyon uygulaması sonrası elektrik enerjisi

talep ve üretim farkı cinsinden değişimi (Wett vd., 2007)

(I) Aerobik Arıtma Sürecinde Büyük Ölçüde Stabilize Olmuş Biyokatılar için Yönetim Seçenekleri

3. Büyükşehirler için AAT Çamurları Yönetim

Seçenekleri

13

(II) Aerobik Arıtma Sürecinde Büyük Ölçüde Stabilize Olmamış ayrıca Anaerobik Çürütme Uygulanmış Biyokatılar için Yönetim Seçenekleri

14

3. Büyükşehirler için AAT Çamurları Yönetim

Seçenekleri

(III) Aerobik Arıtma Sürecinde Büyük Ölçüde Stabilize Olmamış Biyokatılar için Yönetim Seçenekleri

15

3. Büyükşehirler için AAT Çamurları Yönetim

Seçenekleri

4. İTÜ/İSTAÇ/İSKİ TARAFINDAN GERÇEKLEŞTİRİLEN BAZI

UYGULAMALI

AR-GE PROJELERİ

16

PROJE 1

Evsel Atıksular Ve Organik Katı Atıkların Birlikte Arıtımı Yoluyla Yenilenebilir Enerji

(Biyometan) Geri Kazanım Teknolojilerinin Araştırılması (TÜBİTAK 1007) Projesi

(İTÜ/İSTAÇ-2009)• Projenin Amacı

Bu projenin amacı, evsel atıksular ve katı atıkların organik kısmının birlikte anaerobikarıtımı yoluyla yenilenebilir enerji (biyometan) geri kazanım teknolojilerininuygulanabilirliğinin araştırılması, kamu ve özel sektör ilgililerine pilot tesis üzerindentanıtımı ve fizibilitesinin ortaya konmasıdır

• Tam ölçekli tesisler için ön fizibilite çalışması

100.000 ve 1.000.000 nüfuslu 5 farklı kent için tam ölçekli entegre biyometanizasyontesislerin ilk yatırım ve işletme maliyetleri ile birim yatırım ve işletme maliyetleribelirlenmesi amaçlanmıştır.

17

PROJE 1 - TÜBİTAK 1007 Projesi

• Tam ölçekli tesis için ön fizibilite çalışması: Önerilen Proses Akım Şeması

18

• Proje Kapsamında Gerçekleştirilen Tam ölçekli tesis için ön fizibilite çalışması Özet

100.000-1.000.000 EN’li şehirler için önerilen EBMT Maliyet tahminleri

• %100 yenilenebilir enerji teşviği uygulanması halinde 100.000 EN’li EntegreBiyometan Tesisi’ndengeri kazanılabilecek enerji miktarı ~4,5 €/EN.yıl olup,

• birim yıllık toplam yatırım bedelinin ~%90’ına karşı gelmektedir.

• EBMT kurulduğunda, asgari kapasitede işletim sonucu (182,6 m3/gün) geri kazanılan biyometanenerjisi ile Biyometan Tesisi yatırımının ~%90’ı veya 100.000 EN’li kentsel AAT (C, N, Pgiderimli) enerji giderlerinin (1,54 €/EN.yıl) yaklaşık 3 katı düzeyinde (4,5 €/EN.yıl) bir gelir eldeetme potansiyeli bulunmaktadır.

• En kötü durumda bile (182,6 m3/gün kapasite ve yenilenebilir enerji teşviği olmadan) 100.000EN’li kentsel AAT enerji giderlerinin ~1,5 katı biyometan enerjisi geliri sağlanması mümküngörülmektedir.

19

PROJE 1 - TÜBİTAK 1007 Projesi

PROJE 2Organik Katı Atıkların Evsel Atıksu Arıtma Sistemlerinde Enerji Verimli Olarak

Bertarafı (SAN-TEZ 0534.STZ.2013-2) Projesi (İTÜ/İSTAÇ/İSKİ-2016)

Projenin amacı

Organik katı atıkların evsel atıksular ile birlikte arıtılması yaklaşımı ile, hem organik

atıkların alternatif bertaraf modelinin elde edilmesi hem de atıksu ön arıtma tesislerinin

önerilen proses doğrultusunda iyileştirilmesi durumunda elde edilebilecek çevresel ve

ekonomik kazanımların ortaya konulmasıdır.

20

• Klasik havalı aktif çamur prosesleri yüksek işletme maliyetleri gerektirir.

• Havasız arıtma prosesleri daha az enerji gereksinimi ve çamur oluşumu nedeniyledüşük maliyetli proseslerdir.

• Havasız arıtma sonucu elde edilen metan ekonomik değeri yüksek bir son üründür.

Atıksu Arıtmada Enerji Maliyeti

21

Atıksu Arıtmada Enerji Maliyeti

• Klasik aktif çamur sistemli bir AAT’nin enerji kullanım dağılımı

(Q = 350.000 m3/gün)

22

Atıksu Arıtmada Enerji Maliyeti

Enerji Bileşenleri

Proses Tipleri

P 1

(N≥100.000)

P 2

(N≥100.000)

P 3

(N≥100.000)

P 4

(N≤5.000)

P 5

(N≤5.000)

Havalandırma Enerjisi İhtiyacı

(kWh/N.gün) 24,3 46,4 26,5 56,2 72,0

Metan Üretimi (NL CH4/N.gün)

12,6 7,0 13,3

Gaz Motorlarının Elektrik

Enerjisi Üretim Verimi

(kWh/m3CH4)

3,0 3,0 4,0

Enerji Dengesi=Havalandırma

için Gerekli Enerji İhtiyacı-

Gerikazanılan Biyometan

Enerjisi, kWh/N.gün (W/N)24,3(12,6x3)

= -13,5 (-0,56)

46,4- (7x3)

= +25,4 (1,06)

26,5(13,3x4)

= -26,7(-1,1)+2,3 W/N +3,0 W/N

P 1.Tek kademeli karbon giderimli aktif çamur (AÇ) sistemi, θc 4 gün (Ön çökeltme ve anaerobik çürütücü mevcut)

P 2.Tek kademeli azot, karbon giderimli AÇ sistemi, θc 15 gün (Ön çökeltme ve anaerobik çürütücü mevcut)

P 3. İki kademeli azot+karbon giderimli AÇ sistemi (AB prosesi), θc 1,5/8 gün (Ön çökeltim ve anaerobik çürütücü, çamur üst akımında

anommox ile azot giderimi)

P 4.Tek kademeli C, N giderimli AÇ sistemi, θc 25 gün (Kesikli havalandırma-ön çökeltme yok)

P 5.Tek kademeli karbon giderimli AÇ sistemi, θc 25 gün (Ön çökeltme yok, tam nitrifikasyon (denitrifikasyon yok)) 23

Arıtma Tesislerinde Elektrik Enerjisi Kullanımı

Tablo. İstanbul’da bulunan ön arıtma tesislerinde 2009 yılı itibari ile enerji tüketimi (İSKİ, 2009)

Türkiye’deki durum

Tesis Bağlı Eşdeğer

Nüfus(*)

Ortalama Akım

m3/gün

Enerji Tüketimi

kWh /m3

Enerji Tüketimi

kWh /EN.yıl

Yenikapı 3750000 750185 0.08 5.47

Baltalimanı 1580000 315940 0.19 13.83

K. Çekmece 810000 162040 0.08 5.43

B. Çekmece 400000 80117 0.10 7.40

Kadıköy 2780000 556782 0.09 6.34

Küçüksu 160000 31990 0.33 24.23

Paşabahçe 120000 24147 0.10 7.48

Kumbaba 73000 14680 0.10 7.52

Üsküdar 163000 32546 0.09 6.66 (*) : EN başına atıksu debisi ~200 L/gün olarak alınmıştır.

Arıtma Tesislerinde Elektrik Enerjisi Kullanımı

Tablo. İstanbul’da bulunan ileri biyolojik atıksu arıtma tesislerinde enerji tüketimi

(İSKİ (2009), Nuhoğlu (2012))

Tesis Bağlı Eşdeğer

Nüfus*

Ortalama Akım

m3/gün

Enerji Tüketimi

kWh /m3

Enerji Tüketimi

kWh /EN.yıl

Ataköy 1575000 315000 0.25 18.41

Tuzla 1590000 317464 0.26 18.94

Paşaköy 570000 113689 0.43 31.05

Akalan 800 145 1.08 71.38

Belgrat 200 32 1.95 113.44

Örencik 1000 123 1.31 58.64

Kömürlük 500 134 0.77 75.77

Sahilköy 2000 95 2.12 36.62

Yeniköy 800 109 0.64 32.05

Terkos 7000 1582 0.23 18.95

Ortalama±std.

Sapma(N<2000)

- - 1.15±0.52 70.23±29.54

Ortalama±std.

Sapma(N>2000)

- - 0.66±0.82 24.79±8.49

(*): EN başına atıksu debisi ~200 L/gün olarak alınmıştır.

Arıtma Tesislerinde Elektrik Enerjisi Kullanımı

Tablo. Farklı şehirlerde bulunan AAT’lerinde enerji tüketimi

İstanbul’da ön arıtma tesislerine ait özgül enerji tüketimleri

0,08-0,20 kWh/ aralığında

EN > 100.000 olan ileri biyolojik arıtma tesisleri için özgül enerji tüketimi

0.25-0.43 kWh/ (19-31 kWh/EN.yıl) aralığında değişmektedir.

İl Debi

(m3/gün)

Eşdeğer

Nüfus

(EN)

Özgül Enerji

Tüketimi

(kWh/m3)

Özgül Enerji

Tüketimi

(kWh/(EN).yıl)

N/KOİ

oranı

Balıkesir 49582 240000 0.18 13.39 -

Bursa 185798 1200000 0.33 19.58 0.11

Fethiye 33691 139789 0.36 29.64 0.07

Siirt 12146 82550 0.36 22.83 0.11

Sivas 53586 235457 0.25 20.03 0.10

Ortalama±std.

Sapma - - 0.30±0.08 21.09±5.89 -

İstanbul’da Bazı Büyük AAT’ler için Alan Sorunu

• İstanbul Boğazı ve Karadeniz kıyısındaki mekanik AAT’ler projede öngörülen sistem ile modifiyeedilerek derin deniz deşarjı ile alıcı ortamlara deşarj edilen kirlilik yükleri (KOI, AKM, TKN) önemlioranda azaltılacaktır.

27

Proje Kapsamında Gerçekleştirilen Ön Fizibilite Çalışması Özeti (2016)

• 500.000 Kişilik (Eşdeğer Nüfus-EN) bir şehir için Yüksek Hızlı Aktif Çamur Sistemi Ön Fizibilite Çalışması Fizibilite çalışmasında 500.000 EN’lu bir şehrin atıksularını arıtacak tam ölçekli bir AAT’ye ait ünitelerin ve ekipmanların kapasiteleri

belirlenmiştir.

Ön tasarım çalışması yapılan AAT’de enerji geri kazanımı sağlamak için oluşan fazla çamurun bir anaerobik çürütücüde arıtılması öngörülmüştür.

AAT’nin enerji dengesi çıkarılmıştır.

AAT tasarımına esas konsantrasyon ve yükler:

Yüksek yüklü AAT Tasarım Özeti:

28

• AAT’ye ait üniteler ile tesise ait kütle dengesi

29

Proje Kapsamında Gerçekleştirilen Ön Fizibilite Çalışması Özeti (2016)

• Ekipmanlar ve enerji sarfiyatı

Pompalar, karıştırıcılar,

blowerlar ve diğer

ekipmanlardan kaynaklı

sarfıyat

Yalnızca çürütücün

ısıtılmasından kaynaklı

sarfiyat

30

Proje Kapsamında Gerçekleştirilen Ön Fizibilite Çalışması Özeti (2016)

• Anaerobik çürütücüden elde edilen biyogazın CHP (kombine ısı ve elektrik santrali) ile değerlendirilmesi halinde,

21.572 kWh/gün elektrik

24.654 kWh/gün ısı

Enerjisi geri kazanımı mümkündür.

CHP ile geri kazanılacak elektrik ve ısı enerjisinin tesisi tüm enerji ihtiyacını karşılayacağı görülmektedir.

Geri kazanılacak elektrik enerjisinin tesis ihtiyacını karşılama oranı %257 olurken, ısı enerjisi için bu oran %123 olmaktadır.

31

Proje Kapsamında Gerçekleştirilen Ön Fizibilite Çalışması Özeti (2016)

• Önerilen proses ile kurulacak AAT’deki anaerobik çürütücünün termofilik koşullardaişletilmesi halinde daha fazla enerji geri kazanımı sağlanması beklenmektedir.Elektrik enerjisinin 23.729 kWh/gün olması,

Isı enerjisinin ise 27.119 kWh/gün olması öngörülmektedir.

Ancak çürütücünün termofilik işletilmesi halinde AAT genelinde harcanacak toplam elektrik enerjisimiktarı değişmezken, çürütücünün ısıtma ihtiyacının artışından dolayı gerekli ısı enerjisi miktarı35.736 kWh/gün civarına yükselecektir. Geri kazanılacak elektrik enerjisi artacağı için bu enerjinintesis ihtiyaçlarını karşılama oranı %282’ye yükselecektir. Ancak gerekli ısı enerjisinde görülecekyüksek artış sebebiyle geri kazanılacak ısı enerjisinin tesis ihtiyacını karşılama oranı %76’yadüşecektir.

Bununla birlikte termofilik çamur çürütmesi ile çamurun daha yüksek biyobozunurluğu sağlanacağıiçin susuzlaştırmaya iletilecek ve nihai bertarafı yapılması gereken çamur miktarında da azalmasağlanacaktır. Bu durum ise AAT içindeki pompaj maliyetleri ile nihai bertaraf için gerekenmaliyetlerin azalmasını sağlayacaktır.

32

Proje Kapsamında Gerçekleştirilen Ön Fizibilite Çalışması Özeti (2016)

• Fiziksel ön arıtmadan geçirilen atıksuyun düşük dozda FeCl3 ile kimyasal destekliolarak çöktürülmesi halinde AAT’nin enerji fazlası veren bir tesis haline dönüşebileceğibelirlenmiştir.

A prosesine göre daha düşük miktarda biyogaz oluşmasına rağmen CHP yolu ile gerikazanılabilecek elektrik enerjisi tesis ihtiyacının %191’ini karşılayabilecektir. Geri kazanılacak ısıenerjisi oranı ise %92 olarak hesaplanmıştır.

Geri kazanılan elektrik enerjisinin bir kısmının ısı enerjisi üretiminde kullanılması halinde AAT’ninihtiyaç duyacağı ısı enerjisinin tamamının CHP’den sağlanabilmesi mümkün olacaktır.

33

Proje Kapsamında Gerçekleştirilen Ön Fizibilite Çalışması Özeti (2016)

34

İstanbul’da Alan Bulma Sorunu Yaşayan Bazı Büyük Mekanik Ön Arıtma Tesisleri için Proses Önerisi

A-Prosesinde: Pilot Tesis Deneyi Sonuçları

Qh≤ 1 saat

Qc 1 gün

EKOI ≥ %60

O3 ile oksidasyon: Laboratuvar ölçekli Çalışma Sonuçları

Qh≤ 15 dk

O3 , uygulanan (≤ 5 ppm)

KOIÇIKIŞ ≤ 125 mg/l

5. Sonuç ve Öneriler

35

5. Sonuç ve Öneriler

36

Kentsel atıksu AAT Çamurlarının organik atıklarla birlikte arıtımı ile enerji yeterliliği yüksek (enerji pozitif) arıtma

uygulamaları mümkündür.

Kentsel atıksu arıtma çamurları ve organik katı atıkların birlikte arıtımı biyobozunur atık yönetimi bakımından sürdürülebilir

bir seçenektir.

Kaynağında ayrılmış (ayrı toplanmış) organik atıkların büyük kentsel AAT çamur çürütücülerinde birlikte arıtımı ile atık

toplama ve bertaraf hizmetlerinde ekonomi sağlanabilir.

Susuzlaştırılmış AAT çamurlarının diğer organik atıklarla birlikte kompostlaştırılması ve probiyotik organik tarımda

değerlendirilmesi teşvik edilmeli

Arıtma çamurlarının araziye uygulanması, peyzaj ve tarımda kullanım konusunda daha cesur olunmalı ve ziraat

mühendisleri ile daha yakın işbirliğine gidilmeli

Çamur yönetimi ile ilgili sorunların çözümü için ÇŞB, Gıda Tarım ve Hayvancılık ve OSİB arasında daha etkin bir işbirliği

sağlanmalı

Endüstriyel kaynaklı tehlikeli ve öncelikli kirleticiler, kaynağında kontrol edilerek arıtma çamurlarının tehlikeli atık sınıfına

geçmeleri önlenmeli

İLGİ ve SABRINIZ İÇİN TEŞEKKÜRLER…

ozturkiz@itu.edu.tr