Removal of odor emissions from food fermentation and petrochemical production processes with using biological treatment methods
Gıda fermentasyon ve petrokimya üretim sektörleri kaynaklı koku emisyonlarının biyolojik arıtma yöntemleri ile giderilmesi
- Tez No: 546331
- Danışmanlar: PROF. DR. KADİR ALP
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 116
Özet
Hava kirliliği, çevre ve iç ortam havasında bulunan kirleticilerin oluşturmuş olduğu kirliliğe verilen addır. Ancak hava kirliliği günümüze kadar su veya toprak kirliliği gibi diğer kirlilik türlerinden daha az dikkate alınan bir kirlilik türü olmuştur. Günümüzde ise dünya hava kirlenmesi kaynaklı bir çok çevresel sorunla karşı karşıya kalmaktadır ve hava kirliliği önemli bir çevresel sorun olarak kabul edilmektedir. Hava kirliliği atmosferde gözle görülebilen partikül maddelerden gözle görülemeyen kükürt dioksit ve karbon monoksit gibi gazlara kadar geniş bir skaladaki kirleticilerin bulunması ile meydana gelmektedir. Her ne kadar hava kirliliği oluşturan volkan aktiviteleri, orman yaygınları gibi bazı doğal faaliyetler olmasına rağmen günümüzde kirlenme genellikle insan faaliyetleri sonucu ortaya çıkan kirlenmedir. Hava kirlenmesine sebep olan emisyonlar içerisinde kokulu atık gaz emisyonları kayda değer bir önem taşımaktadır. Her ne kadar kokuya sebep olan uçucu madde bileşiklerin algılanma seviyesi insan algısına bağlı olmasına ve düşük konsantrasyonlarda zaman zaman tespit edilememesine rağmen, bir çok organik ve inorganik kimyasal madde kokulu atık gaz yapısında yer almakta ve de çevre ile insan sağlığına zararlı bir çok toksik kimyasalı iz konsantrasyonlarda dahi içermektedir. Koku problemi oluşturan uçucu organik maddelerin önemli bir kısmı troposferde ozon sentezini tetiklemekte ve oksidasyon ürünleri ile sera gazı oluşumlarına sebebiyet vermektedir. Koku emisyonlarının sağlık ve çevresel etkilerinin yanı sıra bu emisyonların irrite edici özellikleri özellikle koku kaynaklarına yakın yerlerde yaşayan insanlarda koku şikayetlerinin artmasına ve çeşitli psikolojik sıkıntıların oluşmasına sebebiyet vermektedir. Özellikle kokuya sebep olan emisyonların yaygın olarak atmosfere yayıldığı atık bertaraf tesisleri, tarımsal faaliyetler ve çeşitli endüstriyel faaliyetler koku probleminin çözümünü öncelikli kılmaktadır. Günümüzde yaygınlaşan endüstriyelleşme ve buna paralel artış gösteren üretim ve de endüstriyel faaliyetler hava kirliliğinin artmasına önemli etkilerle katkıda bulunmuşlardır. Bu faaliyetler artan enerji ihtiyaçlarını genel olarak fosil yakıtlardan karşılarken buna paralel olarak çeşitli atıkgazları, buharları ve partiküler maddeleri atmosfere salmaktadır. Tez çalışması kapsamında incelenen endüstri kollarında en uygun ve verimli koku emisyonu kontrol teknolojisinin seçiminin gerçekleştirilmesi, herşeyden önce koku probleminin tanımlanmasına ve koku kaynağının emisyon karakteristiğinin ortaya konmasına bağlı olmaktadır. Ancak bundan önce gerçekleştirilen çalışmalarda koku emisyonuna sebep olan uçucu organik maddelerinin karakterizasyonu ile ilgili noksanlıklar söz konusudur ve uygun karakterizasyon çalışmalarının gerçekleştirilmesi çok büyük önem taşımaktadır. Günümüzde koku emisyonlarının sensörel etkisinden kaynaklı olarak yaygın olarak kullanılmakta olan gaz kromatografi kütle spektrometri metodu koku probleminin bireyler üzerindeki direk etkisini yansıtamamaktadır. Bu noktada kullanılmaya başlayan dinamik olfaktometri ölçüm metodu ile kokulu bileşiklerin bireyler üzerinde yaratmış olduğu etkiler ölçülebilinmektedir, ancak bu işlem kokulu gaz içeriği hakkında bir bilgi sunmamaktadır. Bu tez çalışması kapsamında simultene olarak gerçekleştirilen analitik ve olfaktometrik atıkgaz karakterizasyonu ile kokulu atıkgaz akımları hem objektif hem de subjektif parametreler cinsinden belirlenerek, kokulu atıkgaz akımları karakterize edilerek en uygun arıtma teknolojisinin seçilmesi sağlanmıştır. Endüstri kolları içerisinde maya fermantasyon prosesi ekmek üretiminde yaygın olarak kullanılmakta ve fermentasyon prosesi sonucu bir çok kokulu bileşiği atmosfere salarak tesislere yakın yerleşim yerlerdinde koku problemlerinin oluşmasına sebebiyet vermektedir. Bir çok farklı karakterde kötü koku bileşik proses sonucu atmosfere yayılmakla beraber, bu bileşikler tek bir arıtma yöntemi ile arıtılmaya uygun bileşikleri içermektedir. Günümüze kadar yaygın olarak kullanılmakta olan fiziksel/kimyasal gaz arıtma teknolojileri yüksek arıtma maliyetleri ve düşük arıtma verimleri çerçevesinde yerlerini çevre dostu, düşük maliyetli, arıtma alternatiflerinden biyolojik arıtma yöntemlerine bırakmaktadır. Ancak farklı endüstri branşlarında oluşan atıkgazların arıtılmasına yönelik doğan farklılıklardan kaynaklı olarak uygulamlarda eksiklikler söz konusu olmaktadır. Tez çalışmasının ilk bölümünde gerçekleştirilen saha çalışması ile ekmek mayası üretimi için gerçekleşen fermantasyon prosesi kokulu atıkgaz emisyonları enstrümental ve olfaktometrik analizler sonucunda objektif ve subjektif parametreler cinsinden karakterize edilmiştir. Karakterizasyon çalışması ile elde edilen atıkgaz akımlarının pilot ölçekli biyofiltre sisteminde arıtılması sağlanmıştır. Saha çalışması kapsamında enstrümental analizlar atıkgaz örneklern kimyasal içeriğini karakterize etme amacıyla gerçekleştirilmiş olunup, elde edilen analiz sonuçlarına göre proseste etanolün ana kokulu emisyon kaynağı olduğu belirlenirken, sistemde ayrıca asetaldehit ve aseton gibi bileşiklere rastlanmıştır ve de ayrıca eser miktarda propanol emisyonunun pik emisyon akımları içerisinde yer aldığı tespit edilmiştir. Analitik ölçümlerle aynı anda gerçekleştirilen dinamik olfaktometri analizleri ile de koku problemi oluşturan emisyonların bireyler üzerinde yaratmış olduğu etkiler belirlenmek istenmiş ve elde edilen sonuçlara göre koku emisyon konsantrasyonlarının yasal limitlerin yaklaşık 40 kat üstünde olduğu belirlenmiştir. Bu bağlamda karakterize edilen proses atıkgaz akımı arıtımı için biyofiltre sisteminin proses akımında da ortaya çıkan 2000 mg m–3 den düşük konsantrasyonda ve yüksek atıkgaz debisindeki akımları arıtmak için diğer arıtma teknolojilerine göre daha uygun olduğu belirlenmiştir. Seçilen biyofiltre sistemi ilk önce kokulu atıkgaz akımlarında bulunan ana koku kaynağı bileşeni olan etanol için işletilmiş ve yaklaşık olarak tam verimle giderim sağlanırken; atık gaz içerisinde bulunan asetaldehit ve asetonunda atık gaz akımına eklenmesi sonucunda % 90 üzerinde etanol ve asetaldehit giderimi sağlanırken aseton ise kısmen sistemde biyodegradasyona uğramıştır. Tez çalışması kapsamında gerçekleştirelen bu ilk çalışma ile kokuya sebep olan uçucu organik maddelerin karakterizasyonu objektif ve subjektif parametreler cinsinden tespit edilmiş olunup, bu emisyonlar biyofiltre sisteminde yüksek verim ile tekil ve çoklu atıkgaz yüklemerinde biyolojik olarak arıtılmıştır. Ancak sistemde aseton arıtımı için özellikle yüksek atıkgaz debileri için kütle transferinin iyileştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Tez çalışmasının gerçekleştiği bir diğer sektör olan petrokimya üretim sektörü özellikle üretim faaliyetleri, atık bertaraf alanları ve depolama tankları kaynaklı olarak bir çok kokulu atıkgaz akımını atmosfere salmaktadır. Günümüze kadar bir çok biyolojik arıtma sistemi aerobik koşullar altında kokulu atıkgaz akımlarının arıtılmasında yaygın olarak kullanılmıştır. Ancak bu noktada özellikle petrokimya endüstrisi emisyonlarının inert atmosferde bulunması ve oksijenin ortamda bulunduğu bölgelerde oluşan patlama riski, aerobik arıtma sistemlerinin kullanılmasını limitlemektedir. Bu etklerin yanı sıra sıra sektörde yaygın olarak raslanan benzen, toluen, etilbenzen ve ksilen (BTEX) emisyonlarının çoklu emisyonlarının oksijensiz ortamlarda arıtılmasına ve arıtım esnasında bileşenlerin birbirleri üzerine olan etkilerine yönelik çok az sayıda çalışma mevcuttur. Bu noktada tez çalışmasının ikinci kısmında BTEX emisyonlarının biyolojik arıtma faaliyetleri sırasında kinetik katsayılarının belirlenmesi amaçlanmış ve belirlenecek kinetik katsayılar çerçevesinde sistem arıtma performanslarınında kayda değer gelişmeler oluşturacağı belirlenmiştir. Gerçekleştirilen ikinci çalışma ile BTEX bileşenlerinin biyodegradasyon metabolik yolları belirlenerek uygun olmayan proses dizayn ve modellemesinin önüne geçilmek istenmiştir. Çalışma kapsamında evsel atıksu arıtma tesisinde oluşan aşı çamuru anoksik koşullarda altında tekil, ikili ve dörtlü BTEX karışımları için aklime edilmiş ve bütün kombinasyonlar için kinetik katsayılarının belirlenmesi hedeflenmiştir. Elde edilen sonuçlar ışığında T ve E bileşiklerinin çok rahatlıkla biyolojik olarak ayrıştığı belirlenirken B ve X bileşiklerinin bunun tam tersine çok zor olarak biyolojik ayrıştığı tespit edilmiştir.Kinetik katsayıların belirlenmesi için matematik modeller olan Monod ve Modifiye Gompertz modelleri kullanılmış ve kinetik katsayılar belirlenirken çoklu kombinasyonlarda bileşenlerin arasındaki etkileşimin etkileri de dikkate alınmıştır. Çalışmalarda Monod matematik modelinin T ve E bileşenleri için çok büyük ölçüde uygunluk sağladığı belirlenirken, Modifiye Gompertz modeli ise biyolojik olarak zor ayrışan B ve X için daha temsil edici değerler sunmaktadır. Bunun yanı sıra Modifiye Gompertz modeli çoklu BTEX karışımları içerisindeki inhibisyon etkisini gösterebilirken ( sadece dörtlü BTEX için düşük regrasyon değerleri), monod modeli bunu sağlayamamaktadır. Tez çalışmasının üçüncü ve son kısmında ise tez çalışmasının ikinci çalışması kapsamında anoksik koşullar altında kinetik katsayıları belirlenen petrokimya üretim sektörlerinde yaygın olarak bulunan BTEX emisyonlarının oksijenin var olduğu koşullarda patlama riskinin önüne geçmek amacıyla, anoksik biyo damlatmalı filtre sisteminde arıtılması gerçekleştirilmştir. Böylelikle emisyonların yaygın olarak bulunduğu inert ortamda patlama riskinin önüne geçilmesinin yanı sıra havalandırma faaliyetleri için gerekli enerji ihtiyacının da azaltılması hedeflenmiştir. Laboratuar ölçekli biyodamlatmalı filtre işletimi, sistem optimizasyonunun gerçekleştirilmesi için sistem pH, yıkama sıvısı hızı, UV eklemesi ile sistemde oluşabilecek potansiyel metabolitlerin ön arıtımı için uygulanması gibi bir çok farklı kararlı koşul altında işletilmiştir. Sistemde T ve E bileşenlerinin kinetik katsayıların belirlenmesinde olduğu gibi hızlıca biyolojik olarak ayrıştığı ve yüksek verimle arıtımın gerçekleştiği belirlenirken, B ve X'in biyolojik olarak zor ayrıştığı ve daha düşük arıtma verimleri ile arıtıldığı belirlenmiştir. BTEX bileşenleri içerisinde toluenin sistem işletim parametreleri değişimlerine en hasssas madde olduğu ve bu değişimler sonucunda arıtma veriminin düştüğü tespit edilmiştir. Bu çalışma BTEX bileşenlerinin anoksik koşullar altında biyolojik olarak arıtıldığı ilk çalışma olmuştur ve ancak proses optimizasyonu için bundan sonraki çalışmalarda işletim koşullarında yapılacak iyileştirmelere ihtiyaç duyulmaktadır.
Özet (Çeviri)
Air pollution is one such form that refers to the contamination of the air, irrespective of indoors or outside but until now it tooks less attention than other forms of pollution such as water or soil pollution. Howewer, the world struggled with environmental challenges and problems related to air pollution. In recent days air pollution is considered a major environmental problem and it comes in a variety of forms, from visible particles of soot or smoke to invisible gases such as sulfur dioxide and carbon monoxide. Although some sources of atmospheric pollution are emitted naturally, from volcanoes or forest fires, most are anthrophogenic sources and originated from human activity in the home or workplace. Among the air pollutants nowadays odor emissions are considered as an important air pollution parameters. Although odor and volatile organic compound (VOC) emissions is tightly depended on human sensation and also in some cases can not be detected at low concentration by society, many inorganic and organic chemical compounds take part in odor structure and odor emissions include toxic materials on the human and environmental health even at trace concentrations. Important part of VOC which take part in odor formation trigger ozone synthesis in the atmosphere and contribute to the greenhouse gases with the oxidation products. Apart the health and environmental effect of odorous air emissions they have also irritant effect on human sense and cause odor nuisanse in surrounding residental areas of odor source and long term exposure to these emissions result on people to symptoms prevalence of emotional stresses. The wide range of release these VOCs and malodorus from industries waste management, livestock facilities or agriculture makes the solution of the problem prominent. Especially industrial revolution resulted in increasingly larger scale manufacturing and industrial operations that significantly increased the air pollution levels. These operations required increasingly larger sources of energy, usually from the burning of fossil fuels. They released gases, vapors, and particulates to the atmosphere. For proper and effective odor abatement for selected industry branches to be implemented, first of all the problem must be quantified, and source characteristic should be defined. However, in literature there is a lack of comparative data assessing the proper characterization of VOCs and malodous compounds. In consequence of sensorial impact of malodous VOC emissions in many cases instrumental techniques such as gas chromatogram coupled mass spectrometry doesnt enough to understand proper characterization escpecially direct impact on people. Within the use of sensorial technique of dynamic olfactometry human nose used as a sensor and allows to determine the threshold of odor and concentration/intensity of odor emissions and allow to determine direct impact of malodous VOCs on people. Within the use of instrumental and olfactometric techniques simultaneously, waste gas characterization can be determine in both objective and subjective points of view and selection of proper odor abatement techniques for characterized waste gas emissions can be put one's finger. Apart the industries yeast fermentation process has been used in wide range for making bread beer since ancient ages and releases malodorous emissions from its fermentation proses to atmosphere and results odor nuisance in sorrounding residental areas. Despite the specific features of malodorous VOC emissions in the proses, all of them are susceptible to be treated by end-of-the pipe technologies sharing the same fundamental basis. Hence, even state-of-the-art physical/chemical technologies are either costly or inefficient when treating malodorous VOC emissions nowadays biological air pollution control technologies come into prominant due to their low operational and investment cost, environmental friendly nature and social acceptance but there is a lack of comparative data assessing for specified well-characterizad case studies Within the first study of thesis work a case study was carried out for bakery yeast fermentation process and proses emissions were analyzed with both instrumental and olfactometric methods to illustrate malodorous VOC characterization in terms of both objective and subjective views and were biodegraded in a pilot scale biofilter. Instrumental analyses were performed to determine the chemical composition of emissions where ethanol was emitted as major VOC from the process and was followed by acetaldehyde and acetone and only trace propanol emissions were recorded only at peak hours of fermentation cycle. Simultaneusly to analytic analyses dynamic olfactometric analyses were performed to quantify the sensory impact of malodorous VOC emissions and the odor concentration was recorded 40 times higher concentration than announced legal limits. At this point of concept biofilter selected as suitable alternative for the abatement of dilute VOC emissions less than 2000 mg m–3 and it has the waste gas treatment capacities for high flowrate over other technologies. Malodorus emissions were treated in a biofilter primarily for single ethanol load and achieved almost complete biodegradation while ternary waste gas stream simulation be provided within addition of acetaldehyde and acetone to synthetic stream and resulted higher than 90 % of ethanol, acetaldehyde removal where only partly acetone removal was observed. As a result of first study proper waste characterization adapted to case study for malodorus VOCs in both objective and subjective view and the superior performance of biofilter operation carried out for well-characterized bakery yeast fermentation process emissions for both single and ternary gas streams from process while still process improvement on acetone removal and VOC mass transfer enhancement for high waste gas flow will be required. Petrochemical production processes is analysed as another model sector due to the association with the emission of various organic compounds to the atmosphere, mainly originating from the production processes, waste areas and the storage tanks. Up to date aerobic biological processes are frequently used to reduce the release odorous VOC emissions to ambient air, but they were strongly limited in O2-free petrochemical industry emissions due to their potential explosion risks and, cannot be implemented as end-of-pipe technologies. However, in recent days the number of studies devoted to O2-free BTEX removal is still scarce and little is known regarding the interactions among these pollutants during the degradation process. Therefore the kinetic parameter estimation come into prominant to evaluate the impacts of changes in variables, such as operating conditions on system performances. In this regard, a part of the research carried out estimation kinetic parameters of BTEX under anoxic conditions to understand biodegradation pathways of microorganisms and help to overcome the problem of incorrect process design and modelling of biodegradation processes. With the aim of the study typical waste water treatment plant activated sludge inoculum was being acclimated and used for the anoxic abatement of single, dual and quaternary BTEX mixtures. The results obtained demonstrated the differences during biodegradation of BTEX mixture while T and E were readily biodegradable on the contrast only partly biodegradation were achived for B and X. The mathematical models of Monod and a Modified Gompertz model were then used for the estimation of the biodegradation kinetic parameters including taking into account of substrate interactions for dual and quaternary mixtures, where Monod model provided an accurate description of the biodegradation of T and E, the Modified Gompertz model supported better fit for B and X degradation. Furthermore, the Gompertz model accurately represented the inhibitory interactions between BTEX mixtures, although it failed in representing the degradation of the recalcitrant compounds when all four BTEX were present simultaneously. The last work is aimed to overcome the lack of use anoxic biodegradation of petroleum industry emissions as end pipe technology and to reduce potential explosion risks of aerobic conditions and reducing energy consumption for aeration. With the aim of this purpose an anoxic biotrickling filter operation carried out for the frequently petroleum industry emissions of BTEX and operation conditions were tested to improve the removal of BTEX mixture emissions via optimizing the operation parameters of pH, irrigation rate and adding UV as pretreatment to breakdown possible metabolites for selected emissions. Same biodegradation pathways were observed as kinetic parameter estimation of BTEX and T and E were found as readily biodegradable where only party biodegradation were observed for B and X for all operation conditions and considered as hardly biodegradable compounds under oxygen limited conditions. Also T was found as most sensetive compound to operation changes and substrate interactions resulted detrimental effect on anoxic biodegdaration. This research demonstrated for the first time biotreatment of BTEX under anoxic conditions and still need process improvement.
Benzer Tezler
- Gıda fermantasyon sektöründen kaynaklanan koku emisyonlarının biyofiltre sistemi kullanılarak giderilmesi
Treatment of odor emissions from food fermentation process by using biofilter system
MERVE YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR ALP
- Üniversite yerleşkesinde oluşan yemekhane atıkları ile gerçek ölçekli biyometanizasyon tesisinde biyogaz üretimi
Biogas production at full scale biomethanizition plant from food waste generated at university campus
ENES AĞUŞ
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MAHMUT ALTINBAŞ
- Removal of volatile organic sulfur compounds (VOSCs) emissions from different sources via anoxic bio-scrubber
Farkli kaynaklardan oluşan uçucu organik kükürt bileşikleri (VOSC'ler) emisyonlarının anoksik biyo-scrubber vasıtasıyla giderilmesi
RASHA KHALID SABRI MHEMID
Doktora
İngilizce
2019
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KADİR ALP
- Seramik karo üretiminde atık su arıtma keklerinin geri kazanımının çevresel boyutu
Environmental impact of waste water treatment cakes recovery in ceramic tile production
ELİF GÖKHAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Çevre MühendisliğiÇanakkale Onsekiz Mart ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET ALİ KÜÇÜKER
- Biyofiltrelerle amonyak emisyonlarının kontrolü
Control of amonnia emissions with biofilters
ÖZGÜR UYAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. KADİR ALP