Energy and Economical Analysis of Drying Process of Domestic Wastewater Treatment Sludge with Heat Pump

Abstract

In this study, a heat pump was designed to dry the sludge produced by a wastewater treatment plant. The purpose of drying the sludge is to convert it into raw material as fuel pellets, which can provide some or all of the energy needed by the treatment plant. The design of the heat pump considered the plant's production capacity and sludge generation rate. All thermal analyses were carried out according to the First Law of Thermodynamics. The heat pump system performances are investigated by using Danfoss Coolselector 2.0 program. The capacities of the heat pump components were calculated for different refrigerants and performance coefficients. The highest coefficient of performance (CoP) was found to be 5.99 for R1234zeE in summer, while the lowest was 2.33 for R134a. If the sludge is burned as biofuel, theoretically it was estimated that the energy production could range from 723,000 kWh/month to 744,000 kWh/month for the R407c and R1234zeE refrigerants respectively. The economic analysis showed that the system's payback period could range from 1.9 to 6.5 years.

Keywords

• Sludge
• drying
• heat pump
• refrigerant
• energy calculation

Evsel Atıksu Arıtma Çamurunun Isı Pompası Yardımıyla Kurutulması Prosesinin Enerji ve Ekonomik Analizi

Abstract

Bu çalışmada, bir atık su arıtma tesisi tarafından üretilen çamuru kurutmak için bir ısı pompası tasarlanmıştır. Çamurun kurutulmasının amacı, arıtma tesisin ihtiyaç duyduğu enerjinin bir kısmını veya tamamını sağlayabilecek yakıt peletleri olarak hammaddeye dönüştürmektir. Isı pompasının tasarımında tesisin üretim kapasitesi ve çamur üretim oranı dikkate alınmıştır. Tüm termal analizler Termodinamiğin Birinci Yasasına göre gerçekleştirilmiştir. Isı pompası sistem performansları Danfoss Coolselector 2.0 programı kullanılarak incelenmiştir. Isı pompası bileşenlerinin kapasiteleri farklı soğutucu akışkanlar ve performans katsayıları için hesaplanmıştır. En yüksek performans katsayısı (CoP) yaz aylarında R1234zeE için 5,99 olarak bulunurken, en düşük performans katsayısı R134a için 2,33 olarak bulunmuştur. Çamurun biyoyakıt olarak yakılması halinde, teorik olarak enerji üretiminin R407c ve R1234zeE soğutucu akışkanları için sırasıyla 723.000 kWh/ay ile 744.000 kWh/ay arasında değişebileceği tahmin edilmiştir. Ekonomik analiz, sistemin geri ödeme süresinin 1,9 ila 6,5 yıl arasında değişebileceğini göstermiştir.

Keywords

• Arıtma çamuru
• kurutma
• ısı pompası
• soğutucu akışkan
• enerji hesabı

References

1. [1] N. K. Salihoğlu,., “Yeni̇lenebi̇li̇r enerji̇ i̇le arıtma çamuru kurutma sistemi,” Uludağ University Journal of The Faculty of Engineering, c. 23, ss. 41–50, 2018. https://doi.org/10.17482/uumfd.315164.
2. [2] F. O. Topaç ve S. Uçaroğlu, “Atıksu arıtma çamurlarının sürdürülebilir kullanım alternatifleri: öncelikli yaklaşımlar,” Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, c. 20, ss. 728-739, 2020.
3. [3] A. Filibeli, A. Ayol, ve N. Büyükkamacı, “Arıtma Çamurlarının Yönetimi ve Maliyeti: Gediz Havzası Arıtma Çamuru Yönetimi Projesi,” Çevre, İklim ve Sürdürülebilirlik, c. 23, ss. 79–90, 2022.
4. [4] A. Özdemir, A. Özkan, Z. Günkaya ve M. Banar, “Kentsel katı atıkların ve kentsel atıksu arıtma çamurlarının birlikte pirolizi ve sıvı ürün karakterizasyonu,” Pamukkale Univ. Muh. Bilim Dergisi, c. 28, ss. 920-928, 2022.
5. [5] T. Bay, E. Kara, S. Bayseç, M. Söylemez ve R. Yumrutaş, “Arıtma çamuru bertarafında kullanılan yakma yönteminin Dünya ve Türkiye’de kullanımı,” Akademik Bilim Fen Bilimleri Dergisi (ABFED), ISSN (print): 2149-5122, 2016.
6. [6] R. Sıkı, “Arıtma çamurunun kurutulmasının termodinamik analizi,” Yüksek Lisans Tezi, Makina Mühendisligi Bölümü, Kocaeli Universitesi, Kocaeli, Turkiye, 2017.
7. [7] Q. Zheng, Z. Hu, P. Li, L. Ni, G. Huang, Y. Yao, and L. Zhou, “Effects of air parameters on sewage sludge drying characteristics and regression analyses of drying model coefficients,” Applied Thermal Engineering, vol. 198, pp. 117501, 2021.
8. [8] J. Michalska, J. Turek-Szytow, A. Dudło, and J. Surmacz-Górska, “Characterization of humic substances recovered from the sewage sludge and validity of their removal from this waste’” EFB Bioeconomy Journal, vol. 2, pp. 100026, 2022.

9. [9] M. Yüksekdağ, S. Gökpınar ve B. Yelmen, “Atıksu arıtma tesislerinde arıtma çamurları ve bertaraf uygulamaları.” Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, c. 18, ss. 895-904, 2020.
10. [10] E. Kocbek, H. A. Garcia, C. M., Hooijmans, I. Mijatović, B. Lah, and D. Brdjanovic, “Microwave treatment of Municipal Sewage Sludge: Evaluation of the drying performance and energy demand of a pilot-scale microwave drying system,” Science of The Total Environment, vol. 742, pp. 140541, 2020, https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.140541
11. [11] S. Sapmaz, “Arıtma çamurlarının bertarafında kullanılan kurutma sistemlerinin enerji verimliliğinin değerlendirilmesi,” Doktora Tezi, Enerji Sistemleri Mühendisliği Bölümü, Kocaeli Üniversitesi, Kocaeli, Turkiye, 2022.
12. [12] E. Sayılgan, ve H.I. Ünlü, “Evsel Arıtma çamurunun kapalı solar kurutulmasında mevsim faktörünün değerlendirilmesi,” Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, c. 33, ss. 251–261, 2020. https://doi.org/10.35234/fumbd.791158
13. [13] B. Ameri, S. Hanini, and M. Boumahdi, “Influence of drying methods on the thermodynamic parameters, effective moisture diffusion and drying rate of wastewater sewage sludge,” Renewable Energy, vol. 147, pp. 1107–1119, 2020, https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.09.072.
14. [14] N. Schmitt, A. Apfelbacher, N. Jager, R. Daschner, F. Stenzel, and A. Hornung, “Thermo-chemical conversion of biomass and upgrading to biofuel: the Thermo-Catalytic Reforming process – a review,” Biofuels, Bioproducts and Biorefining, vol. 13, pp. 822–837, 2019, https://doi.org/10.1002/bbb.1980.Schneider.
15. [15] C. Tunckal, and I. Doymaz, “Performance analysis and mathematical modeling of banana slices in a heat pump drying system,” Renew. Energy, vol. 150, pp. 918–923, 2020.
16. [16] Q.S. Zheng, L. Cao, L. Ni, and G.Y. Huang, “Operating characteristics of sludge heat pump dryer and influencing factors of performance: a field experiment in an electroplating factory,” Appl. Therm. Eng. vol. 212, pp. 118602, 2022.
17. [17] Liu, D., Wang, Q., Hu, A., Wang, Z., Zhang, Q., & Wang, L., “Optimized model of sludge drying characteristics based on an experimental study of thickness, temperature, and humidity,” Journal of Cleaner Production, vol. 429, pp. 139540, 2023, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.139540
18. [18] Hu A., Ma L., Liu D., Jiang L., Wang Z., Wang L., “Study on drying characteristics of sludge under different conditions based on the low-temperature sludge heat pump drying model,” Journal of Cleaner Production, vol. 450, pp. 142035, 2024, https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2024.142035.
19. [19] Afshari, F., Khanlari, A., Tuncer, A. D., Sözen, A., Şahinkesen, I. and Nicola, G. Di, “Dehumidification of sewage sludge using Quonset Solar Tunnel Dryer: An experimental and numerical approach,” Renewable Energy, vol. 171, pp. 784–798, 2021, https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.02.158
20. [20] Schnell, M. J., Horst, T., and Quicker, P., “Thermal treatment of sewage sludge in Germany: A review,” Journal of Environmental Management, vol. 263, pp. 110367, 2020, https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2020.110367