Geri Dön

Process optimization and digestate management of continuous dry anaerobic digestion for treatment of organic fraction of municipal solid waste

Evsel katı atıkların organık fraksiyonunun arıtılması için sürekli kuru havasız çürütme prosesi ve fermente ürün yönetiminin optimizasyonu

  1. Tez No: 1011561
  2. Yazar: AHMET MUSLUOĞLU
  3. Danışmanlar: PROF. DR. OSMAN ATİLLA ARIKAN, DOÇ. DR. RECEP KAAN DERELİ
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Biyoteknoloji, Environmental Engineering, Biotechnology
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2026
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.

Özet

Hızlı kentleşme ve sanayileşmeyle birlikte, kentsel katı atık (KKA) oluşumu, sürdürülebilir atık yönetimi için kritik bir zorluk haline gelmiştir. Bu nedenle, kaynak geri kazanımını ve çevre korumasını ön planda tutan yenilikçi atık yönetim stratejilerine acilen ihtiyaç duyulmaktadır. Son yirmi yılda, KKA yönetimi önemli bir dönüşüm geçirmiştir. 1980'lerin sonlarında, KKA için başlıca bertaraf yöntemleri olarak düzenli depolama ve yakma ön plana çıkarken, kompostlaştırma, ağır metaller ve inert maddeler gibi kirleticilerden kaynaklanan kalite sorunları nedeniyle sınırlı bir uygulama alanına sahipti (De Baere & Mattheeuws, 2013). Geri dönüşüm çabaları ise çoğunlukla plastik, kağıt, cam ve geri kazanımı nispeten daha kolay olan malzemelerle sınırlı kalmıştır. Buna karşın, günümüze gelene kadar atık yönetiminin farklı alanlarında önemli ilerlemeler kaydedilmiştir. Bu süreçte öne çıkan gelişmelerden biri de KKA'dan elde edilen organik fraksiyonların işlenmesinde anaerobik çürütme (AÇ) teknolojisinin giderek daha yaygın biçimde benimsenmesi olmuştur. Organik katı atıkların anaerobik çürütülmesi, düzenli depolama alanlarının kullanımını ve dolayısıyla sera gazı emisyonlarını önemli ölçüde azaltır. Ayrıca, organik madde kaybına neden olan yakma gibi termal işlem teknolojilerine alternatif olarak değerlendirilebilir (Bień et al., 2025). AÇ, düzenli depolamanın aksine kontrollü koşullar altında organik içerikli evsel atıkların yönetimi ve stabilizasyonu için yerleşik bir teknoloji olarak kabul edilmekte (Voelklein et al., 2016), ve bu sayede organik atıklardan kaynaklanan kaçak metan emisyonlarını en aza indirerek yenilenebilir enerji üretimini artırmaktadır. Yüksek katı madde içerikli olarak da adlandırılan kuru AÇ prosesi, biyoreaktörlerdeki toplam katı madde (TKM) içeriğinin %20'yi aştığı ve biyogaz üretimi için özel olarak tasarlanmış bir prosestir (Rocamora et al., 2020). Kuru AÇ sistemleri, daha düşük reaktör hacmi, daha yüksek organik yükleme oranı (OLR), daha az su ilavesi, daha düşük enerji tüketimi ve daha az karmaşık ön arıtma yöntemleri gerektirmesi nedeniyle, daha yüksek su içerikli anaerobik çürütme sistemlerine (ıslak AÇ) kıyasla daha verimli bir alternatif olarak ortaya çıkmaktadır (De Baere & Mattheeuws, 2013; Rocamora et al., 2020). Bununla birlikte, bu sistemler, uzun bozunma süreleri ve özellikle yüksek TKM içeriği nedeniyle uçucu yağ asitleri, amonyak ve ağır metaller gibi inhibitör bileşiklerin birikme riski gibi dezavantajlara da sahiptir (Ajay et al., 2011). Günümüzde ülkeler, kentsel KKA'ların önemli bir bölümünü oluşturan organik atıkların yönetimi için farklı alternatifler aramaktadır. Bu nedenle, kentsel katı atıkların organik kısmının (KKAOF) yönetimine ilişkin deneyimlerin paylaşılması oldukça önemlidir. Sera gazı emisyonlarını azaltmak için AÇ teknolojilerinin yaygınlaştırılması, özellikle net sıfır emisyonlu bir dünyaya doğru geçişin başlangıcını işaret eden ve 2016 Paris Anlaşması'nda belirlenen hedeflere ulaşılmasına katkı sağlayabilir ve Birleşmiş Milletler Sürdürülebilir Kalkınma Hedefleri'ne (SKH) ulaşma sürecinde önemli bir rol oynayabilir. Bu bağlamda AÇ teknolojileri, özellikle SKH-7 (Uygun Fiyatlı Temiz Enerji) ve SKH-13 (İklim Eylemi) için önemli bir yöntemdir. Türkiye hem Avrupa hem de Orta Doğu tüketim modellerini yansıtırken AB entegrasyonuna doğru ilerleyen gelişmekte olan bir ülke olarak benzersiz bir konumdadır. Bu tez, KKAOF isleyen, AÇ tesislerinin gelişim seyrini, teknolojik konfigürasyonlarını, yatırım dinamiklerini, operasyonel performansını ve ulusal enerji katkısını değerlendirmektedir. Tez, ana hatları ile üç çalışmadan oluşmaktadır. İlk çalışma, 2011-2024 yılları arasında KKAOF işleyen tam ölçekli AÇ tesislerine ilişkin kapsamlı ulusal ölçekli bir değerlendirmeyi sunmaktadır. Bu bölümde, AÇ'nin KKA'ların düzenli depolama alanlarına gönderilmesini azaltmadaki rolü, tesis kapasitelerinin zaman içindeki artışı ve sürekli kuru AÇ sistemlerinin giderek artan hakimiyeti vurgulanmaktadır. Elde edilen bulgular, sürdürülebilir kaynak kullanımı, biyokütlenin biyoenerjiye dönüştürülmesi ve sistem düzeyinde analiz konuları ile ilgili yeni bilgiler sağlamaktadır. Ayrıca çalışma, Türkiye'deki KKAOF tabanlı AÇ sistemlerinin ulusal düzeydeki ilk kapsamlı değerlendirmesini sunarken, aynı zamanda biyoatık-enerji gelişimini şekillendiren politika, operasyonel ve teknolojik etkenleri de incelemektedir. Bunların yanında, atık geri dönüşümü, döngüsel ekonomi stratejileri ve yenilenebilir enerji üretimi gibi alanlarda Avrupa'nın öncelikleriyle ilişkili, kritik bir sürdürülebilirlik perspektifi sunmaktadır. Tez kapsamındaki ikinci çalışmada, iki adet tam ölçekli AÇ sisteminin işletme performansı ve proses verimliliği incelenmiştir. Tesis A, Türkiye'nin batısında yer alan, iki çürütücü içeren ve sadece KKAOF işleyen (mono-fermantasyon) sürekli tip kuru AÇ tesisidir. Tesis B ise Türkiye'nin kuzeybatısında bulunan, üç çürütücü içeren ve daha yüksek biyogaz verimi elde etmek amacıyla KKAOF ile birlikte farklı atıkların da işlendiği (ko-fermantasyon) sürekli kuru tip AÇ tesisidir. Mekanik olarak ayrıştırılmış KKAOF'in tek atık tipi olarak çürütülmesi, Tesis A ve Tesis B için sırasıyla 13 ve 8 ay süreyle gerçekleştirilmiştir. Tesis B 'de bu mono-fermantasyon döneminin ardından ayrıca, tam ölçekli AÇ sisteminin üç çürütücü ünitesi de kullanılarak 35 ay boyunca tavuk gübresi ve atıksu arıtma tesisi çamuru ile ko-fermantasyon uygulanmıştır. Tesis A'da çürütücü başına günlük atık besleme miktarı 106-192 ton/gün arasında gerçekleşmiştir. Tesis B'de ise çürütücü başına günlük besleme miktarı mono fermantasyon sürecinde 90-175 ton/gün, ko-fermantasyon döneminde ise 70-200 ton/gün arasında değişmiştir. Tesis A'da organik yükleme oranı (OLR) 12,5 UKM/m3/gün değerine, Tesis B'de ise 14 kg UKM/m3/gün'e kadar artmıştır. Tesis A'da biyogaz üretimi 9.900-20.000 Nm3/gün arasında gerçekleşmiştir. Tesis B'de ise, biyogaz üretimi mono-fermantasyon döneminde, OLR'ye bağlı olarak 15.000-17.000 Nm3/gün arasında değişmiş, ko-fermantasyon döneminde ise 20.000 Nm3/gün'ün üzerine çıkmış ve 22.000 Nm3/gün'e kadar artmıştır. Tesis B'de tüm işletme dönemi boyunca proses verimliliği, spesifik biyogaz üretiminin biyokimyasal biyogaz potansiyeline oranı olarak incelenmiş, OLR, HRT ve orta düzeydeki serbest amonyak konsantrasyonlardaki değişimlerin etkisiyle %85 ile %95 arasında değişmiştir; ancak beslemede tavuk gübresi oranının %10'u aştığı yüksek amonyak dönemi bu durumun istisnasıdır. Bu yaklaşık 6 aylık dönemde, çürütücülerdeki serbest amonyak konsantrasyonu 500 mg/L'yi aşmış ve serbest amonyak seviyeleri 1.000 mg/L'ye ulaştığında proses verimliliği %75'e düşmüştür. Genel olarak bulgular, organik atıkların anaerobik çürütme ile arıtılmasının, kompostlaştırmaya kıyasla, kaynak geri kazanımı açısından daha sürdürülebilir ve ekonomik olarak uygulanabilir bir seçenek sunduğunu ortaya koymuştur. Bununla birlikte, AÇ prosesinin başarılı ve kararlı bir şekilde işletilmesi için çürütücü işletme parametrelerinin optimize edilmesi gerekmektedir. Bu nedenle, proses kararlılığının sağlanması ve biyogaz üretiminin artırılması için substrat ve yardımcı substratların doğru bir şekilde sınıflandırılması ve ayrıntılı olarak karakterize edilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu tam ölçekli araştırma çalışmasında, OLR ve azotça zengin yardımcı substratların besleme içindeki oranı en önemli işletme parametreleri olarak belirlenmiştir. Tez kapsamındaki üçüncü çalışmanın amacı, kanalizasyon hattının sonunda yer alabilecek bir evsel atıksu arıtma tesisinin (AAT) arıtma kapasitesi sınırları içinde kalacak şekilde, farklı kirletici yükü alternatiflerine bağlı olarak çıkış suyu kalitesini değerlendirmek ve buna yönelik fermente ürün yönetim sisteminin tekno-ekonomik analizini (TEA) yapmaktır. Çalışmanın ana amacı, Tesis B için sürekli kuru AÇ tesisine sahip, günde 400 ton kapasiteli üç aşamalı katı-sıvı ayırma prosesine dayanan sürdürülebilir ve maliyet etkin bir fermente ürün yönetim sistemini belirlemektir. TEA kapsamında, mevcut fermente ürün yönetim sistemi temel senaryo (Sc-1) olarak kabul edilmiş, ayrıca üç alternatif senaryo da değerlendirilmiştir. Sc-2'de, Sc-1'e bir azot giderme ünitesi eklenmiş; Sc-3'te, Sc-2'ye nitrifikasyon içeren bir membran biyoreaktör ilave edilmiş; Sc-4'te ise fermente ürünün doğrudan termal kurutmaya gönderildiği varsayılmıştır. Bulgular, senaryolara bağlı olarak ilk yatırım maliyetlerinin (CAPEX) 4.2 ila 9.8 milyon $ aralığında, işletme giderlerinin (OPEX) ise 0,8 ila 2.0 milyon $/yıl aralığında değiştiğini ortaya koymuştur. Belediyeye ait evsel atıksu arıtma tesisinin, Sc-1 kaynaklı ek yükü karşılayabilmesi durumunda, Sc-1 teknik ve ekonomik uygulanabilir bir çözüm olmaktadır. Sc-4'te NH4-N ve KOİ deşarj yükleri daha düşük olmasına rağmen, hem CAPEX hem de OPEX değerleri senaryolar arasında en yüksek olan senaryo olmuştur. Biyogaz üretimi, önemli bir gelir kaynağı olmasından dolayı tam ölçekli AÇ tesislerinin ekonomik uygulanabilirliği açısından belirleyici olup, çoğu durumda uygun teşvikler veya kamu desteği gerektirmektedir. Sonuç olarak, Türkiye'de 20'ye yakın tesisin, mekanik ayrıştırma sonrası elde edilen KKA'nın organik fraksiyonunu sürekli kuru tip AÇ prosesi ile başarılı bir şekilde işleyebildiği tespit edilmiştir. Bu tesislerde, mono-fermantasyon tesislerinde 10-12 kg UKM/m3.gün ve ko-fermantasyon tesislerinde azotça zengin yardımcı substratların %10 ile sınırlı olması koşuluyla 12-14 kg UKM/m3.gün organik yükleme değerlerinde biyolojik prosesin kararlılığının korunabildiği görülmüştür. Yapılan tekno-ekonomik değerlendirmede ise, sıvı fermente ürünün katı atık tesisinin bulunduğu bölgedeki bir evsel atıksu arıtma tesisinde arıtılabilir seviyeye getirilebilmesi için elektrik satış fiyatının en az 15.7 $sent/kWh düzeyinde olması gerektiği belirlenmiştir.

Özet (Çeviri)

Nowadays, countries are seeking different alternatives for managing organic waste, which constitutes a significant portion of municipal solid waste. The adoption of anaerobic digestion (AD) technologies to reduce greenhouse gas emissions could be crucial for meeting the goals set out in the 2016 Paris Agreement, which marks the beginning of a shift towards a net-zero emissions future and is essential for achievement of the sustainable development goals (SDG), particularly SDG-7 (Affordable Clean Energy) and (SDG-13 Climate Action). Türkiye occupies a unique position as a developing country progressing toward EU integration while reflecting both European and Middle Eastern consumption patterns. This thesis evaluates the development trajectory, technological configurations, investment dynamics, operational performance, and national energy contribution of AD facilities treating the organic fraction of municipal solid waste (OFMSW) in Türkiye. The thesis consists of three main studies. The first study presents a comprehensive national-scale assessment of full-scale AD plants treating OFMSW in Türkiye between 2011 and 2024. It highlights the role of AD in diverting municipal waste from landfilling, the evolution of plant capacities over time, and the increasing dominance of continuous dry AD systems. The study provides new insights into sustainable resource use, conversion of biomass to bioenergy, and systems-level analysis. It also examines the policy, operational, and technological drivers that shape biowaste-to-energy development. It provides a critical sustainability perspective highly relevant to European priorities on waste diversion, circular economy strategies, and renewable energy generation. The second study involves detailed assessment of operational data of two full-scale continuous dry AD plants treating OFMSW in Türkiye. In Plant A, which is a mono-digestion plant with two digesters located in western part of Türkiye, the performance of the plant was assessed. In Plant B, which is a co-digestion plant with three digesters located in north-west of Türkiye, both performance assessment and process optimization were examined. Mono-digestion of mechanically sorted OFMSW was performed in Plant A and Plant B for 13 and 8 months, respectively. In Plant B, mono-digestion period was followed by a 35 months co-digestion period with chicken manure and WWTP sludge, using all three digesters of the full-scale AD plant system. In Plant A, the daily feed rate per digester ranged between 106 and 192 ton/day. In Plant B, the daily feed was 90-175 ton/day and 70-200 ton/day, during mono-digestion and co-digestion, respectively. The results showed that in Plant A, the maximum organic loading rate (OLR) was 12.5 TVS/m3/day. In Plant B, OLR during mono and co-digestion OLR reached up to 14.0 kg TVS/m3/day. Biogas production in Plant A was observed between 9,900 and 20,000 Nm3/day. In Plant B, during the mono-digestion biogas production ranged between 15,000 to 17,000 Nm3/day depending on the OLR During the co-digestion it increased to above 20,000 Nm3/day and reached up to 22,000 Nm3/day. In Plant B, process efficiency was evaluated as the ratio of specific biogas production to biochemical biogas potential and found to range between 85 and 95% over the overall operation period, influenced by changes in OLR, HRT and moderate free ammonia levels. An exception was observed during a 6-month high-ammonia period when the chicken manure ratio at the feeding exceeded 10%. During this period, free ammonia in the digesters exceeded 500 mg/L and process efficiency dropped to 75 %, when free ammonia levels reached 1,000 mg/L. The findings indicated that the co-digestion of organic waste offers environmentally sustainable and economically viable option for resource recovery compared to mono-digestion or aerobic composting. However, the key bottleneck for stable AD operation is the optimization of essential operation parameters. Therefore, proper sorting and full characterization of both substrate and co-substrates are essential for process stability and enhanced biogas production. In this full-scale research study, OLR and the ratio of nitrogen-rich co-substrates were identified as the most critical parameters. In the third part of the thesis, a techno-economic analysis (TEA) of various digestate management systems was conducted to evaluate their impact on the end-of-pipe municipal wastewater treatment plant (WWTP). In particular, this study investigated a sustainable and cost-effective digestate management approach for full-scale Plant B, based on a three-step solid-liquid separation process with a capacity of 400 tons/day. The existing digestate management system was considered as the base scenario (Sc-1), and three alternative scenarios were also evaluated. In Sc-2, a nitrogen removal unit was added to the Sc-1, while in Sc-3, a membrane bioreactor incorporating nitrification was added to Sc-2 and finally, in Sc-4, the digestate was directly thermally dried. The results showed that the capital expenditure (CAPEX) ranged from 4.2 to 9.8 million $ and the operational expenses (OPEX) ranged from 0.8 to 2.0 million $/year. If the municipal WWTP can handle the additional load from Sc-1, this option is technically and economically viable. Although Sc-4 resulted in lower NH4-N and COD discharge loads, both CAPEX and OPEX were too high. In conclusion, it was determined that nearly twenty plants in Türkiye can successfully treat the MS-OFMSW using a continuous dry AD process. Biogas production remains crucial for the economic viability of full-scale AD plants, and it requires appropriate incentives or government support. For mono digestion, stable biological process was achieved at organic loading rates between 10-12 kg TVS/m3.day, while for co-digestion, OLRs of 12-14 kg TVS/m3.day were reached, with the limit of 10% nitrogen-rich co-substrates. The techno-economic assessment showed that a minimum electricity feed-in tariff of 15.7 $cents/kWh for the AD plant is required to achieve a digestate effluent quality that can be treated at the local municipal wastewater treatment plant.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    992993

    Optimization potential of machine learning based algorithms in neonatal parenteral nutrition management

    Makine öğrenimi tabanlı algoritmaların yenidoğan parenteral beslenme yönetiminde optimizasyon potansiyeli

    SÜMEYYE NALBAT

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2026

    Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA DOĞAN

  2. Tez No

    601170

    Lignoselülozik biyokütleden ön arıtımla kombine biyoetanol ve metan üretim proseslerinin geliştirilmesi

    Development of Bioethanol and Methane Production Processes Combined with Pretreatment from Lignocellulosic Biomass

    ELÇİN KÖKDEMİR ÜNŞAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Çevre MühendisliğiAkdeniz Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NURİYE ALTINAY PERENDECİ

  3. Tez No

    847782

    Anaerobic treatment of soapstock splitting wastewater

    Soapstock atıksuyunun anaerobik arıtımı

    SİMGE SERTGÜMEÇ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MAHMUT ALTINBAŞ

  4. Tez No

    886081

    Murt (Myrtus communis L.) meyve suyu üretim koşullarının optimizasyonu, prosesin biyoaktif bileşikler ve in-vitro sindirilebilirliği üzerine etkilerinin araştırılması

    Optimization of myrtus (Myrtus communis L.) fruit juice production conditions, investigation of the effects of the process on bioactive compounds and in-vitro digestibility

    FIRAT ÇINAR

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Gıda MühendisliğiMersin Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. SALİH AKSAY

  5. Tez No

    857008

    Kırmızı pancar betalainlerinin saflaştırılması ve sindirim enzimleri üzerine etkilerinin belirlenmesi

    Purification of red beet betalains and determination of their effect on digestive enzymes

    FERİDE POYRAZOĞLU ÖZDEMİR

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Gıda MühendisliğiErciyes Üniversitesi

    Gıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MUSTAFA ÇAM

Geri Dön