Effect of hydrodynamic cavitation process on biomethane potential of waste activated sludge

Abstract

Atık su arıtma tesislerinde üretilen çamurdan katma değerli ürünlerin elde edilmesi, sıfır atık konseptinin vurgulanması ve karbon emisyonlarını en aza indirerek iklim değişikliğinin azaltılması amaçlanmaktadır. Çamur üretimini azaltmanın yanı sıra malzeme veya enerji geri kazanımı ve güvenli bertaraf gibi seçeneklerin oluşturulması da önemlidir. Bu açıdan bakıldığında, anaerobik çürütme, maliyetlerin azaltılması ve atık su arıtma çamurlarının sürdürülebilir yönetiminin sağlanması için etkili bir yöntem olarak ortaya çıkmaktadır. Ayrıca anaerobik çürütme hem çamuru stabilize etmekte hem de biyogaz üretimini kolaylaştırarak enerji kullanımını sağlamaktadır. Türkiye’de olduğu gibi, giriş atık suyunda KOİ değeri düşük olduğu durumlarda, geleneksel aktif çamur sistemleri uzun havalandırmalı olarak işletilebilir ve bu şekilde içsel solunum yoluyla denitrifikasyon için karbon kaynağı sağlayabilir. Ancak, atıksu arıtma tesisleri uzun havalandırmalı olarak işletildiğinde üretilen atık aktif çamur (AAÇ), genellikle düşük anaerobik bozunabilirliğe sahiptir ve bu da düşük biyogaz verimlerine yol açar. Bu tez çalışmasında, uzun havalandırma prosesindeki atık aktif çamurun biyolojik olarak parçalanabilirliğini arttırmak için hidrodinamik kavitasyon (HK) işleminin kullanımı araştırılmıştır. Özellikle, ham AAÇ’ye hidrodinamik kavitasyon (HK) uygulanmasıyla, metan veriminin üç kat artırıldığı gösterilmiştir. HK ile ön işleme tabi tutulan AAÇ’deki bu önemli artış, anaerobik çamur çürütücülerin özellikle de kısmen düşük biyolojik bozunurluğa sahip AAÇ verimliliğini önemli ölçüde arttırdığını net bir şekilde göstermektedir. Bu yenilikçi teknik, atık su arıtma proseslerinden enerji geri kazanımını maksimum düzeye çıkarmak için sürdürülebilir bir çözüm sunarak AAÇ’nin yönetiminde yüksek bir potansiyele sahiptir. Maliyet etkinliğini ve pratik uygulanabilirliğini doğru bir şekilde belirlemek için HK'nin daha büyük ölçekli sistemlerdeki etkinliğinin daha kapsamlı şekilde araştırılması ve doğrulanması gerekmektedir.

Sludge management in wastewater treatment plants (WWTPs) should focus on mitigating climate change by recovering value-added products, emphasizing a zero-waste approach, and minimizing carbon emissions. Therefore, in addition to reducing sludge production, it is important to increase options for material and/ or energy recovery and safe disposal. From this perspective, anaerobic digestion (AD) emerges as a rational method for reducing costs and achieving sustainable management of wastewater treatment sludges. It not only stabilizes sludge but also facilitates biogas production, enabling energy utilization. In situations where low influent COD levels are expected, like in Türkiye, conventional activated sludge systems can be operated in extended aeration mode to serve a carbon source for denitrification via endogenous respiration. However, waste activated sludge (WAS) generated from extended aeration processes of WWTPs typically exhibits low anaerobic biodegradability, resulting in reduced biogas yields. This thesis study explored the use of hydrodynamic cavitation (HC) to address this challenge by enhancing the biodegradability of waste activated sludge of extended aeration process. Remarkably, the application of HC to raw WAS resulted in a threefold rise in methane yields. Such a substantial enhancement in methane yield from HC pre-treated WAS strongly suggests its potential to significantly enhance the efficiency of anaerobic sludge digesters, particularly those receiving WAS with relatively low biodegradability. This innovative technique holds the potential to revolutionize the management of WAS, offering a sustainable solution for maximizing energy recovery from wastewater treatment processes. Further exploration and validation of HC's efficacy in larger-scale systems are warranted to fully ascertain its practical viability and cost-effectiveness.