Integrated nutrient removal and biogas production using microalgal and anaerobic microbial cultures
Mikroalgal ve anaerobik mikrobiyal kültürler ile entegre besiyer madde giderimi ve biyogaz üretimi
- Tez No: 365587
- Danışmanlar: PROF. DR. GÖKSEL NİYAZİ DEMİRER
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2013
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Bölümü
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 173
Özet
Besiyer madde (azot ve fosfor) giderimi Türkiye dahil pekçok ülkede hala tam olarak çözülememiş bir sorundur. Ülkemizdeki belediyeler göz önüne alındığında, üretilen atıksuyun sadece %28,8'i bu kirleticileri giderebilen ileri arıtım yöntemleri ile arıtılmaktadır. Bazı orta ve Kuzey AB ülkelerinde (Hollanda, İsviçre, Danimarka, Avusturya, vd.) ileri arıtım yöntemleri ile arıtılan atıksuların oranı toplamın %50-80'ini oluştururken, diğerlerinde bu oran %0-40 arasında değişmektedir. Evsel atıksular için geçerli olan bu durum endüstriyel atıksular için de çok farklı değildir. Örneğin ülkemizdeki organize sanayi bölgelerinde üretilen atıksuların sadece %42,4'ü ileri arıtım yöntemleri ile arıtılmaktadır. Atmosferdeki yüksek CO2 düzeyleri sonucu ortaya çıkan küresel ısınma sorununa yönelik hızla artan duyarlılık nedeniyle 1997 yılında Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi kapsamında Kyoto Protokolü uygulamaya koyulmuştur ve bugün itibarıyla 170'i aşkın ülke tarafından imzalanmıştır. Bugüne kadar farklı CO2 mitigasyon yöntemleri araştırılmıştır. Bunlar iki kategoriye ayrılabilir: (1) kimyasal reaksiyon bazlı yaklaşımlar ve (2) biyolojik CO2 mitigasyonu. Kimyasal reaksiyon bazlı yaklaşımlar yüksek maliyet ve enerji tüketimine sahip oldukları için sağladıkları fayda marjinal kalmaktadır. Alternatif bir yaklaşım olarak biyolojik CO2 mitigasyonu büyük ilgi çekmektedir. Çünkü CO2'in fotosentetik olarak tutulmasına paralel olarak biyokütle enerjisi üretimi de sağlamaktadır. Bu işlem mikroalgal kültürler dışında diğer bitkiler aracılığı ile de gerçekleştirilebilmektedir. CO2 mitigasyonu için mikroalglerin kullanılması özellikle atıksu arıtımı gibi başka bir proses ile entegre edildiğinde pekçok avantaj sunmaktadır. Birleşmiş Milletlere sunulan Sera Gazı Envanteri Raporları'na göre Türkiye'nin sera gazı emisyonu, 1990 ile 2007 yılları arasında %118,8 oranında artmıştır. Kyoto Protokolüne 2009 yılı Ağustos ayında taraf olan Türkiye, bu hızlı artış oranı sebebiyle, protokolde 2012 yılı sonrası için öngörülecek yükümlülükleri karşılayamama ve bunun sonucunda da ağır yaptırımlara maruz kalma riski taşımaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarına geçiş ve CO2'in düşük maliyetli ve etkin yöntemlerle mitigasyonu bu yönde atılabilecek önemli adımlar arasındadır. Uluslararası Enerji Ajansı'na (UEA) göre dünyanın daha güvenilir ve sürdürülebilir bir enerji politikasına sahip olması için yenilenebilir enerji kaynaklarının daha önemli bir rol oynaması gerekmektedir. UEA'nın tahminlerine göre yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik miktarı 2008-2035 yılları arasında üç katına çıkacaktır. Biyo-yakıt üretiminin de aynı dönemde dört kat artacağı öngörülmektedir. Dolayısıyla, yenilenebilir kaynaklardan biyo-enerji üretiminin küresel ölçekteki önemi önümüzdeki dönemde hızla artmaya devam edecektir. Atıksu arıtımı için kullanılan mikroalgal kültürler anaerobik bozundurma ile biyogaza dönüştürülebilir. Biyogaz üretimine ek olarak, bu işlem atık biyokütle tasfiye maliyetlerini azaltırken besiyer madde içeriği yüksek gübre eldesine de yol açar. Mikroalgal kültürler atık yönetiminde çok farklı amaçlar için kullanılabilmektedir. Besiyer madde, organik kirletici, patojen, ağır metal ve diğer endüstriyel kirleticilerin giderimi buna örnek olarak verilebilir. Buna ek olarak bu reaktörlerden kaynaklanan atık biyokütle değerli bazı kimyasal ve biyo-yakıtların (biyogaz, biyo-ethanol, bio-dizel, vd.) eldesinde hammadde olarak kullanılır. Havalandırma ihtiyacını azalttığı için fotosentetik oksijen üretimi mikroalglerin diğer kullanım alanlarından birisidir. Bu yaklaşım özellikle aerobik olarak arıtılması gereken ve uçucu özelliğe sahip olduğu için mekanik havalandırma esnasında uçan tehlikeli kirleticilerin giderimi için çok caziptir. Bunlara ek olarak, mikroalgal kültürler zeytinyağı, kağıt ve demir-çelik üretiminden kaynaklanan atıksuların arıtımında kullanılabilmektedir. Mikroalgal kültürlerin atık yönetimindeki uygulama alanlarından birisi olan CO2 mitigasyonu çok yeni bir araştırma alanıdır. Mikroalgal kültürler ile besiyer madde giderimi ve atık mikroalgal biyokütleden biyogaz, hidrojen ve gübre eldesi çeşitli araştırmalara tekli ya da ikili konu olmuş uygulamalardır. Dolayısıyla, bu projede önerilmekte olan mikroalgal ve anaerobik mikrobiyel kültürlerin entegre besiyer madde giderimi, sera gazı mitigasyonu ve biyo-yakıt ve biyo-ürün eldesi için birlikte kullanıldığı entegre bir konfigürasyon özgün bir yaklaşım olacaktır. Bu inovatif konfigürasyon sadece atıksu arıtımı ve CO2 mitigasyonu gibi önemli atık yönetimi sorunlarına bir çözüm oluşturmakla kalmayacak, biyoyakıt (biyogaz ve biyohidrojen) ve biyoürün (gübre) eldesi de sağlayacaktır. Bu projenin en önemli etkisi hem evsel hem de endüstriyel atıksuların atık CO2 kaynakları (örneğin endüstriyel baca gazları) ile birlikte arıtılabilmesini sağlayan özgün bir biyoteknolojik proses konfigürasyonunun geliştirilmesi olacaktır. Bu sürece paralel olarak sağlanacak olan biyoyakıt ve biyoürün eldesi, sadece atık valorizasyonuna değil, sürdürülebilir atık yönetimine de önemli bir örnek oluşturacaktır. Anaerobik bozundurma ve biyohidrojen eldesi konusunda yoğun bir deneyime sahip olan araştırma grubumuz bir yılı aşkın süredir mikroalg türlerinin büyütülmesi, atıksulardan mikroalgler ile besiyer madde giderimi ve elde edilen atık mikroalgal biyokütleden biyogaz üretimi üzerine çalışmaktadır. Elde ettiğimiz ilk verilerin bir bölümü ilerleyen bölümlerde sunulmaktadır. Bu proje kapsamında hem evsel hem de demir-çelik endüstrisi atıksuları mikroalgal kültür içeren bir foto-reaktörde arıtılacaktır. Kardemir (Karabük) demir-çelik endüstrisi baca gazları ek CO2 kaynağı olarak foto-reaktörlere beslenecektir. Daha sonra bu reaktörlerde oluşan atık mikroalgal biyokütle, anaerobik reaktörlerde bozundurularak stabilize edilecek ve bu süreçte biyogaz, biyohidrojen ve gübre elde edilecektir. Bu proje ODTÜ ve Karabük Üniversitesi tarafından birlikte yürütülecektir. Kullanılacak deneysel düzenek, yöntemler, araştırma ekibi, vb.ye ilişkin detaylı bilgi aşağıdaki bölümlerde verilmektedir.
Özet (Çeviri)
Nutrient removal is still an unresolved problem in many countries as well as in Turkey. When the municipalities in Turkey are considered only 28.8% of the total wastewater is treated at the tertiary (advanced) level. The tertiary removal wastewater treatment plants with nutrient removal constitute 50-80% in some Central and Northern EU countries such as Netherlands, Switzerland, Denmark, Austria, etc. However, it is between 0-40% in many Southern EU and accesion countries. This fact is similar for industrial wastewaters as well. For example only 42.4% of the total wastewater produced at organized industrial districts are treated at the tertiary level. Due to the fast-growing concern about global warming, which can be attributed primarily to the elevated CO2 level in the atmosphere, the United Nations promoted the Kyoto Protocol (1997) and more than 170 countries have ratified the protocol. Various CO2 mitigation strategies have been investigated, which can be generally classified into two categories: (1) chemical reaction-based approaches, and (2) biological CO2 mitigation. Chemical reaction-based methods for capturing CO2 are relatively costly and energy-consuming, therefore, the mitigation benefits become marginal. Biological CO2 mitigation has attracted much attention as an alternative strategy because it leads to the production of biomass energy in the process of CO2 fixation through photosynthesis. It can be carried out by microalgal cultures in addition to the other plants. The microalgae-for-CO2-mitigation strategy offers numerous advantages especially when it is combined with other processes such as wastewater treatment. Based on the inventory reported to the United Nations, the green house gas (GHG) emissions originated from Turkey increase by 118.8% between 1990 and 2007. Turkey, which ratified the Kyoto Protocol ın August 2009, has the risk of, due to that increase in GHG, not being able to fulfill the responsibilities to be projected after 2012 in this Protocol and in turn facing the enforcements. To switch to the renewables energy soruces and to mitigate CO2 sources by means of low cost and efficient methods are among the important actions to undertake. International Energy Agency (IEA) states that the renewable energy resources will have to play a central role in moving the world onto a more secure, reliable and sustainable energy path. Based on the estimations of IEA, the global electricity generation from renewable sources will triple between 2008-2035. The bio-fuel production is estimated to grow more than four times for the same period. Therefore, the importance of bio-energy production from renewable biomass resources is becoming more pronounced globally. The microalgal cultures used for wastewater treatment can be subjected to anaerobic digestion for biogas production. In addition to the biogas production, this practice both reduces the waste microalgal biomass disposal costs and produces a fertilizer rich in nutrients. Microalgal cultures have a very diverse application area in the field of waste management. Microalgal removal of nutrients, organic contaminants, heavy metals and other industrial pollutants, and pathogens from domestic wastewater are among the examples of its use in waste management. Moreover, the harvested biomass from microalgal reactors constitute a raw material for the production of different high-value chemicals and bio-fuels such as biogas, biodiesel, bio-ethanol, etc. Photosynthetic oxygen production also reduces the need for external aeration, which is especially advantageous for the treatment of hazardous pollutants that must be biodegraded aerobically but might volatilize during mechanical aeration. In addition to these, microalgal cultures can be used for the treatment of olive oil, pulp and paper, and iron and steel industry wastewaters. CO2 mitigation is a very new research area among the waste management applications of microalgal cultures. Nutrient removal by microalgal cultures and anaerobic digestion of waste microalgal biomass and subsequent biogas, hydrogen and fertilizer production were relatively investigated in the past. However, the research on these areas concentrated on only one or two of these tasks. Therefore, the integrated process configuration (proposed in this project), which will yield nutrient removal, greenhouse gas mitigation and bio-fuel and fertilizer production by using both microalgal and anaerobic microbial cultures, will be a novel approach. This innovative configuration will not only tackle with waste management issues (wastewater treatment and CO2 mitigation) but also generate bio-fuel (biogas, biohydrogen) and bio-product (fertilizer). The impact of this project will be a cost-efficient biotechnological process configuration for the treatment of both domestic and industrial wastewaters as well as waste CO2 sources such as flue gas. Moreover, the parallel bio-fuel and bio-product generation will be a good example of waste valorization and sustainable waste management approach. Our research team, which has extensive research experince on anaerobic digestion and biohydrogen production, has been working on growing different microalgal cultures for well over a year. We were able to produce biogas from waste microalgal biomass which was used for nutrient removal from wastewaters. Some of this preliminary data is presented in the following sections. Wthin the scope of this project, both domestic and steel-making industry wastewaters will be treated by a photo-reactor containing microalgal culture. A waste CO2 source from iron and steel-making industry (Kardemir, Karabük) exhaust gases will be used as an additional carbon source for the photo-reactor. Then, the waste microalgal biomass will be digested in anaerobic reactors for stabilization as well as biogas, biohydrogen and fertilizer generation. The project will be carried out by Middle East Technical and Karabük Universities. The detailed information about the experimental set-up, methods, research team, etc. is provided in the sections to follow.
Benzer Tezler
- Kentsel atıksu arıtma tesisi anaerobik çamur çürütücülerinin dinamik proses modelleme yaklaşımı ile analizi
Analysis with dynamic process modeling approach of anaerobic sludge digesters of the urban wastewater treatment plant
KERİM EKİCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
- Selective separation and recovery of heavy metals from sewage sludge via integrated anaerobic bio-leaching and membrane processes
Anaerobik biyo-sızma ve membran ayrım işlemleri ile arıtma çamurlarından metal ayırma ve uzaklaştırma
HATİCE YEŞİL
Doktora
İngilizce
2021
Çevre MühendisliğiMarmara ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADİLE EVREN TUĞTAŞ KARNABAT
- Plant-wide process analysis targeting reliable estimation of biogas production from anaerobic sludge digestion
Anaerobik çamur çürütme prosesinden biyogaz üretiminin güvenilir tahminine yönelik tesis geneli proses analizi
GÖKŞİN ÖZYILDIZ
Doktora
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
- An integrated approach for methane enriched biogas production and nutrient recovery from nitrogen rich biomass
Azot içeriği yüksek atıklardan metan içeriği yüksek biyogaz üretimi ve besi geri kazanımı için entegre bir yaklaşım
ÖZLEM ŞENGÜR
Doktora
İngilizce
2024
Çevre MühendisliğiMarmara ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BARIŞ ÇALLI
DOÇ. DR. DENİZ AKGÜL
- Anaerobic membrane bioreactors for cost-effective municipal water reuse
Evsel atıksuların anaerobik membran biyoreaktörler ile maliyet etkin olarak yeniden kullanımı
HALE ÖZGÜN
Doktora
İngilizce
2015
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. CUMALİ KINACI
PROF. DR. JULES B. VAN LIER