Combined effect of water hyacinth and trichocladium canadense on biogas production during anaerobic treatment of wastewater with antibiotics mixture
Antibiyotik karışımı içeren atıksuyun havasız arıtımı sırasında biyogaz üretimi üzerinde su sümbülü ve trichocladium canadense'ın birleşik etkisi
- Tez No: 573888
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ, DOÇ. DR. SEVCAN AYDIN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- 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: 121
Özet
Son 50 yılda sanayileşme, artan miktarlarda atık ve atıksu oluşumuna sebep olmuştur. Bu atıkların birçoğu yüksek seviyede organik ve inorganik kirletici içermektedir. İlaç sektöründeki büyüme, II. Dünya Savaşı ile birlikte hız kazanmıştır. Ayrıca, son dönemlerde, ilaç endüstrisi ekonomik büyümeye yüksek katkılar sunmuştur. Bununla birlikte, yeni ürünlerin üretimi ile birlikte; özellikle antibiyotiklerdeki hızlı üretim miktarı, bunlardan kaynaklanan atıkların arıtımı ve bu atıkların yok edilmesi gibi sorunları da büyük ölçüde arttırmıştır. İlaç bileşikleri, insan faaliyetlerinden (tuvalet, lavabo veya banyolardan), ilaç endüstrilerinden, hastanelerden vb. birçok yoldan sürekli olarak çevreye deşarj edilmektedir. İlaç içerikli atıklar/atıksular, insanlar ve canlı organizmalar üzerinde sağlık sorunlarına ve çevre üzerinde önemli kirliliğe neden olan kimyasal kirleticiler olarak gruplandırılmaktadır (Saleem, 2007). Aşırı antibiyotik tüketimi nedeniyle, yeni geliştirilen kirletici çevreye salınımına neden olur. Antibiyotikler genellikle sucul ortamlarda kolayca çözülür ve normal sıcaklıkta buharlaşmazlar. Bundan dolayı, antibiyotikler toprağa ve su kütlelerine kanalizasyon veya sulama yoluyla ulaşmaktadır. Antibiyotik konsantrasyonları, bir litrede nanogram veya düşük mikrogram seviyelerinde tespit edilmektedir. Mevcut araştırmalar, konvansiyonel atıksu arıtma tesisleri (AAT)'lerde bulunan arıtma teknolojilerinin, ilaç kalıntıları ile kontamine olmuş atıksuların arıtılmasında yeterince etkili performans göstermediklerini ortaya koymuştur. Ayrıca, antibiyotiklerin giderimi için uygulanan atıksu arıtma yöntemleri yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle, AAT'lerde ilaç içerikli atıksuların arıtılmaları için yenilikçi teknolojilerin geliştirilmesi gerekmektedir (Drewes, 2007). İlaç endüstrisinde antibiyotik içerikli atıksuların miktarı gün geçtikçe artmaktadır. Çevre kirliliğinin kontrolü için, ilaç endüstrisi atıksularının arıtılması ve yeniden kullanması için farklı arıtma teknolojileri kullanılmaktadır. AAT'lerin çıkış akımlarında iyi kalitede suyun temini ve düşük enerji kullanımı çok önemlidir (Hao ve diğ, 2015). Enerjinin, organik atıklardan (atıksu çamuru, gıda atıkları, hayvansal atıklar v.b.) elektrik veya ısı formunda enerji kaynakları olarak üretildiği Atıktan Enerjiye prosesleri veya atıkların petrol esaslı bir yakıt kaynağına dönüşmesi ile çevreye salınan atık miktarlarında azalma olmaktadır (Skaggs ve diğ, 2018). Anaerobik arıtma, AAT'lerde gözlenen enerji ihtiyacının karşılanması amacıyla uygulanabilecek bir teknolojidir. Düşük enerjiye ihtiyaç duyulması ve yenilenebilir bir enerji kaynağının (metan gazı) geri kazanılması gibi potansiyeli nedeniyle atıksuların anaerobik arıtımı uygun çözümlerden biri olmaktadır. Ayrıca, atıksuların yüksek oranlarda biyolojik olarak çözünebilen organik madde konsantrasyonu içermeleri durumunda, anaerobik arıtma oldukça verimli ve ekonomik olmaktadır. Diğer bir avantajı ise, işletilmeleri sırasında daha kararlı şartların sağlanabilmesidir. Böylece, farklı hidrolik ve organik yüklerde işletilmeleri durumunda, diğer biyolojik sistemlerde gözlenebilen dengesizliklere kıyasla anaerobik sistemlerde daha az işletme sorunları gözlenir. Ayrıca, anaerobik sistemlerde aerobik sistemlere kıyasla daha az çamur üretilir ve bu sebeple daha düşük işletme maliyeti sağlar (Meegoda ve diğ, 2018). Anaerobik arıtma, organik maddelerin anaerobik mikroorganizmalar tarafından havasız koşullar altında nihai ürünlerine kadar parçalanması işlemidir. Biyogazın içerisinde metan (CH4), karbon dioksit (CO2) ve bazı eser gazlar bulunur. Biyogaz elektrik ve ısı üretimi için kullanılmaktadır. İçerisindeki metan ise değerli bir hidrokarbon yakıt olarak kullanılır (Chen ve diğ, 2008). Anaerobik reaktörlere biyolojik temizleme maddelerinin [örneğin; Eichhornia crassipes (su sümbülü) ve T. canadense (mantar)] ilavesinin, hem arıtma performansları hem de biyogaz üretimleri ve toksik bileşiklerin anaerobik sistemlerdeki inhibisyon etkisinin azaltılması üzerinde olumlu etkilerinin olduğu bilinmektedir. Bu bağlamda, ilaç endüstrisinde, Eichhornia crassipes (su sümbülü) köklerinin atıksu arıtımında kullanabildiği ve bu bitki köklerinin kurutulduktan sonra, atıksudaki antibiyotiklerin uzaklaştırılmasında önemli etkileri olduğu belirtilmektedir (Rezania ve diğ, 2015). Ayrıca, Eichhornia crassipes (su sümbülü)'nün, anaerobik sistemlerde metanojenik kültürler üzerinde antibiyotiklerin inhibisyon etkilerinin azaltılması açısından önemi bilinmektedir. Çok toleranslı mekanizması sebebiyle, Eichhornia crassipes (su sümbülü)'nün, hücresel düzeyde stres ile başa çıkma ve inhibe edici bileşikleri tolere etme potansiyeline sahip olduğu rapor edilmiştir. Örneğin, Eichhornia crassipes (su sümbülü)'nün birikim yapma kabiliyeti ve ağır metal iyonlarını tolere etme kabiliyeti sayesinde, bu bitki türlerinin, metal iyonlarını su kütlelerinden gidermek için etkili bir hiperakümülasyon mekanizmasına sahip olabileceğini göstermektedir (Malar ve diğ, 2014). Buna ek olarak, bazı mantar türleri, biyogaz üretimini iyileştirmek için ön-arıtmaya ihtiyaç duymadan doğrudan anaerobik biyoreaktörlerde kullanılma potansiyeline sahip olabilmektedir. Örneğin, fakültatif anaerobik bir mantar türü olan T. canadense ATCC 201360; havasız sistemlerde biyogaz üretimini iyileştirici etkide bulunduğu ve bir enzim gibi çalışarak ayrışmayı arttırdığı rapor edilmektedir. Bu çalışmanın amacı, Eritromisin (E), Tetrasiklin (T) ve Sülfametoksazol (S) olmak üzere üç farklı antibiyotik kaynağı ile hazırlanmış ve ilaç atıksularını karakterize eden sentetik atıksuyun anaerobik arıtılabilirliği ile biyogaz potansiyelinin araştırılmasıdır. Bu çalışmada Eritromisin (E), Tetrasiklin (T) ve Sülfametoksazol (S) kullanılmasının sebebi, bu antibiyotiklerin gündelik hayatta en çok kullanılan antibiyotik türleri olmasıdır. Çalışma kapsamında, kesikli ve yarı-sürekli reaktör düzeneklerinden elde edilen konvansiyonel parametreler [pH, alkalinite, toplam-çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı; tKOİ-çKOİ giderimleri] ve uçucu yağ asitleri (UYA) değişimleri sunulmaktadır. Ayrıca, anaerobik (havasız) reaktörlerde yukarıda bahsi geçen antibiyotik kaynaklarını içeren sentetik ilaç atıksuyunun havasız arıtılabilirliği sırasındaki biyogaz verimi de araştırılmıştır. Çalışma kapsamında ayrıca, anaerobik biyoreaktörlere iki farklı biyolojik temizleme maddesi ilave edilerek; bu maddelerin gerek tekil [Eichhornia crassipes (su sümbülü)] gerekse birleşik [Eichhornia crassipes (su sümbülü) ve T. canadense (mantar)] etkisi arıtma performansları ve biyogaz üretimleri üzerinde araştırılmıştır. Bu amaçla, kesikli ve yarı-sürekli olarak işletilen havasız reaktörler mezofilik koşullarda (35oC) işletilmiştir. Etkili hacmi 6.45 litre olan ve yarı-sürekli olarak işletilen yukarı akışlı bir havasız çamur yataklı reaktör (HÇYR) sistemi yardımıyla, ilaç atıksularının tam-ölçekli işletilen anaerobik arıtma uygulamalarının daha iyi temsil edilebileceği düşünülmüştür. HÇYR sistemleri, enerji teknolojileri arasında önemli bir yer tutmaktadır. Bu sistemlerde, yüksek organik madde içerikli atıksular başarılı bir şekilde arıtılabilmekte; ayrıca yenilenebilir bir enerji kaynağı olan biyogaz elde edilebilmektedir. Bunun dışında, HÇYR sistemleri; özellikle endüstriyel atıksuların yerinde (on-site) arıtılmaları sırasında daha uygulanabilir ve daha az yer ihtiyacı gerektiren kompakt biyolojik reaktörlerdir. Bu tez kapsamında ilk olarak çalışmanın amaç, kapsam ve önemi tanımlanarak, bu çalışmanın neden yapıldığı vurgulanmıştır. İkinci bölümde ise konu ile ilgili genel bilgiler verilerek; anaerobik biyoteknoloji, anaerobik arıtmanın aşamaları ve avantajları, dünyada ilaç endüstrisinin mevcut durumu ve ilaç atıksularının çevre üzerindeki etkileri, antibiyotik kullanımı ve çevresel önemi ve son olarak ilaçlar ile kontamine olmuş atıksuların arıtımı hakkında yapılmış çalışmalardan örneklerin verildiği bir literatür araştırması bulunmaktadır. Bu genel bilgilendirme sonrasında, çalışmada kullanılan tüm materyaller ve yöntemler üçüncü bölümde detaylı olarak verilmiştir. Bu kapsamda, tez çalışmasında kullanılan substratın karekterizasyonu ile aşı olarak kullanılan anaerobik (havasız) çamurun karekterizasyonu detaylı olarak açıklanmış olup, çalışma süresince kullanılan reaktörlerin (kesikli ve yarı-sürekli HÇYR) tasarımları ile işletme koşulları hakkında da detaylı bilgiler sunulmuştur. Bu bölümde ayrıca; reaktörlere ilave edilen Eichhornia crassipes (su sümbülü) ve T. canadense (mantar) türü hakkında bilgiler ile bu bitkilerin reaktörlere ilave edilmeden önce gerekli hazırlık aşamaları hakkında da detaylı bilgi sunulmuştur. Bu bölümde ayrıca deneysel prosedür de detaylı olarak yer almaktadır. Dördüncü bölüm olan 'Bulgular ve Değerlendirme' kısmında, havasız reaktörlerin işletilmeleri sırasında belirli aralıklarla alınan numunelerde yapılan analizlerin sonuçları verilmiştir. Bu kapsamda, kesikli ve yarı-sürekli reaktör (HÇYR) sistemlerinde öncelikle konvansiyonel parametrelerdeki (pH, alkalinite, toplam ve çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı ve giderimleri gibi) değişimler araştırılmıştır. Ayrıca, biyogaz üretimleri ve uçucu yağ asitleri (UYA) değişimleri ile ilgili veriler, içerisinde Eichhornia crassipes (su sümbülü) ve T. canadense (mantar) olan reaktör sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Çalışma sonuçlarına göre, kesikli ve yarı kesikli olarak işletilen havasız reaktörlerde yüksek biyogaz verimleri gözlenmiş olup; antibiyotik karışımı (Eritromisin=200 mg/l, Tetrasiklin=74.6 mg/l ve Sülfametoksazol=230 mg/l) içerikli sentetik numune başarılı bir şekilde arıtılmıştır. Ayrıca, biyolojik temizleme maddelerinin reaktörlerdeki biyogaz üretimleri üzerinde olumlu etkileri gözlenmiştir. Biyogaz verimleri kıyaslandığında, ETS_II reaktöründe (biyolojik temizleme maddeleri ile antibiyotik karışımı içeren sentetik ilaç atıksuyu içeren) en yüksek biyogaz verimi (0.250 m3/kg tKOİbeslenen) elde edilmiş olup; toplam KOİ giderme verimi yaklaşık %82 olarak gerçekleşmiştir. Buna göre, kontrol reaktörüne (Kontrol_II) kıyaslandığında, içerisinde biyolojik temizleme maddeleri olan reaktördeki (ETS_II) biyogaz veriminde yaklaşık %30 oranında artış görülmüştür. Toplam KOİ giderimi esas alınarak hesaplanan biyogaz verimlerine göre ise ETS_II reaktörü yine en yüksek değeri (0.304 m3/kg tKOİgiderilen) göstermiştir. Bunun yanında, Kontrol_I, Kontrol_II, E_I ve ETS_I reaktörlerinde sırasıyla 0.214, 0.218, 0.253 ve 0.242 m3/kg tKOİgiderilen biyogaz verimleri elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında, yukarı akışlı bir HÇYR sistemi yarı-sürekli olarak yaklaşık 3 ay boyunca işletilmiş olup; aynı antibiyotik kaynaklarını (ETS) içeren sentetik atıksu ile beslenmiştir. Aşı çamuru olarak; bir kağıt-karton fabrikasına ait mezofilik havasız reaktörden temin edilen granül yapıda metanojenik çamur ilave edilmiştir. Başlangıç aşamasında, sisteme herhangi bir biyolojik temizleme maddesi ilave edilmemiştir. Biyolojik temizleme maddesinin bulunmadığı işletme döneminde; HÇYR sistemi artan antibiyotik miktarlarında ve 3 ayrı periyotta işletilmiştir. Bu kapsamda, birinci periyot için, reaktöre E=100 mg/l; T=37.3 mg/l ve S=115 mg/l olacak şekilde (x1) antibiyotik konsantrasyonları beslenmiştir. İkinci ve üçüncü periyotlar için ise 1 litre medya çözeltisinde sırasıyla her bir antibiyotik miktarı 1.5 kat (i.e., E=150 mg; T=55.95 mg; and S=172.5 mg) ve 2.0 kat (i.e., E=200 mg; T=74.6 mg; and S=230 mg) arttırılarak; reaktöre besleme yapılmıştır. Bunu takiben, HÇYR içersine su sümbülü ilave edilmiş ve 2 kat antibitotik içeren susbtrat ile besleme yapılarak; arıtma performası ile biyogaz üretimi kıyaslamalı olarak araştırılmıştır. Bu çalışmada, bu kadar yüksek antibiyotik konsantrasyonlarında çalışılmasının amacı; gerçek ilaç endüstrisi atıksularının tam ölçekli HÇYR sistemi ile yerinde (on-site) arıtıldığı durumun daha iyi temsil edilebilmesi içindir. Ayrıca, HÇYR sistemlerinin inşaası için çok daha az alana ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sebeple, HÇYR gibi sistemler, antibiyotik içerikli atıksuların daha uygulanabilir ve sürdürülebilir bir şekilde arıtılması için ilaç üretimi yapılan gerçek endüstriyel tesislerin yakınlarında inşa edilebilmektedir. Ayrıca, HÇYR sistemi, ilgili yönetmeliklerde geçen kirleticilerin giderilmesi için kanalizasyon sistemine deşarj edilmeden önce, etkili bir ön arıtma alternatifi olarak uygulanabilmektedir. Çalışma sonuçlarına göre, antibiyotik karışımı (x1) olan periyotta (E=100 mg/l; T=37.3 mg/l ve S=115 mg/l) nispeten daha yüksek biyogaz üretimi elde edilmiş ve yaklaşık 0.21 m3/kg çKOİgiderilen değerinde gözlenmiştir. Antibiyotik miktarlarının 1.5 (E=150 mg/l; T=55.95 mg/l ve S=172.5 mg/l) ve 2.0 kat (E=200 mg/l; T=74.6 mg/l ve S=230 mg/l) arttırıldığı periyotlarda ise biyogaz verimleri sırasıyla yaklaşık 0.16 ve 0.19 m3/kg çKOİgiderilen değerlerinde bulunmuştur. Bunun dışında, HÇYR sisteminde yüksek oranda organik karbon (tKOİ ve çKOİ) giderim verimleri elde edilmiştir. Buna göre işletme dönemi boyunca ortalama giderim verimleri tKOİ ve çKOİ için sırasıyla %92 ve %91 (x1), %91 ve %90 (x1.5) ve %86 ve %85 (x2) değerlerinde bulunmuştur. Bu nedenle, çalışmanın bulguları, hem biyogaz üretiminde hem de KOİ giderim veriminde artan antibiyotik miktarlarında nispeten daha düşük değerler gösterse bile; antibiyotik kaynaklarının havasız mikrobiyal kültürlerde inhibisyon etkisi 1.5 kat için ihmal edilebilir, 2 kat için ise oldukça düşük olarak gerçekleşmiştir. Özellikle, her bir antibiyotik miktarının 2 katına çıkarıldığı dönemde, beklenenden daha düşük gözlenen inhibisyon etkisinin nedeni olarak; biyokütle içersinde bulunan metanojenik kültürlerin seçilen antibiyotiklere uzun dönemde adapte olmaları ve direnç kazanmaları şeklinde düşünülmektedir. Bu tez çalışması kapsamında, HÇYR sistemi içerisindeki biyokütleye biyolojik temizleme maddesi olan Eichhornia crassipes (su sümbülü) ilave edilerek; havasız sistem giriş akımında 2 kat antibiyotik artışı ile işletilmeye devam edilmiştir. HÇYR gibi yüksek-hızlı havasız sistemlerde bulunan kompakt çamur yatakları sayesinde; oldukça yoğun miktarda olan biyokütle granül çamur içerisinde tutulabilmektedir. Böylece, bu sistemler içerisine ilave edilen Eichhornia crassipes (su sümbülü) gibi biyolojik temizleme maddeleri havasız yatak içersinde etkin bir şekilde tutulabilmektedir. Çalışma sonuçlarına göre; her ne kadar Eichhornia crassipes (su sümbülü) ilavesi KOİ giderimlerinde belirgin pozitif bir etki göstermese de; gaz üretimleri açısından bakıldığında biyogaz veriminin arttığı [0.24 m3/kg çKOİgiderilen] ve sistemde bu bitkinin ilave edilmediği döneme kıyaslandığında [0.19 m3/kg çKOİgiderilen] yaklaşık %22 daha fazla biyogaz verimi olduğu belirlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Over the past 50 years, industrialization has caused increasing quantities of wastes and wastewaters. Most of them contain high amounts of pollutants. Pharmaceuticals have been used since World War II, especially by the armies. However, manufacturing of new pharmaceutical products for instance antibiotics could cause wastewater treatment problems. It was reported that pharmaceuticals are continuously discharged into the environment in extremely high quantities through many ways like human activities (excretion or bathing), wastes from pharmaceutical industries, wastes from hospitals, etc. Pharmaceuticals are group of emerging environmental chemical pollutants, which can cause health problems not only to humans but also to whole living organisms (Saleem, 2007). Due to the high demand of antibiotics consumption, it brings about emerging contaminant release to the environment. Antibiotics are generally easily dissolved in aqueous media and do not evaporate at normal temperature so that they can reach soil and aquatic environment via sewerage or irrigation. It was demonstrated that current conventional wastewater treatment technologies do not perform adequately to remove pharmaceuticals. Although they are degraded to some extent, they can still be found in the effluents of wastewater treatment plants (WWTPs). Also, the efficiency of a typical WWTP for antibiotic removal is low and treatment processes need improvement (Drewes, 2007). Antibiotics might reach to high concentrations especially in the effluents of pharmaceutical industries. Hence, in order to control pollution and protect the environment, pharmaceutical industries apply several treatment technologies to treat wastewaters. WWTPs play a significant role to ensure the required amount of water with good quality. Therefore, it is vital to accomplish technologies that minimize energy consumption during wastewater treatment (Hao et al, 2015) and Waste-to-energy (WtE) processes where energy is generated in the form of electricity or heat from the treatment of organic wastes (e.g., wastewater sludge, livestock waste, and food waste, etc.) or the processing of waste into a fuel source while decreasing the quantities of waste that are released to environment (Skaggs et al, 2018). Among the WtE processes, anaerobic wastewater treatment is a technology which is able to meet the aforementioned objectives. Anaerobic treatment requires lower power consumption and can be used to recover renewable energy. Furthermore, when the wastewater contains high concentration of biodegradable organic matter, anaerobic processes are more efficient and economic. Another benefit offered by anaerobic treatment system is its good process stability due to its ability to work in different hydraulic and organic loadings and some operating conditions. Moreover, by comparing it with aerobic systems, anaerobic systems carry out less operating cost since they require less nutrients and electrical input and less sludge is generated (Meegoda et al, 2018). Anaerobic digestion is a process where organic matter is broken down by anaerobic microorganisms to its end products (e.g., biogas) under anaerobic conditions. Biogas is a mixture of methane (CH4), carbon dioxide (CO2), and a few traces of gas, which is a useful and a renewable energy source. These end products could be utilized for heating and generating electricity and heat. Additionally, methane is the most valued content of the biogas because it is a hydrocarbon fuel (Chen et al, 2008). Addition of Eichhornia crassipes (water hyacinth) and Trichocladium canadense (fungus) as the biological cleaning agents into bioreactors could have positive effects on system performance and on biogas production, as well as on the reduction of the inhibition effect of toxic compounds in anaerobic systems. It was also reported that in many industries like pharmaceutical companies, the roots of water hyacinth (Eichhornia crassipes) have been used for wastewater treatment. It is stated that the roots of water hyacinth after they are dried, would have significant effects on the removal of antibiotic compounds in wastewater (Rezania et al, 2015). Moreover, Eichhornia crassipes (water hyacinth) is important for reducing the inhibitory effects of antibiotics on methanogenic cultures in anaerobic systems. It was reported that, due to the multi tolerance mechanism, Eichhornia crassipes (water hyacinth) has the potential to deal with stress at the cellular level and to tolerate the inhibitory compounds. For example, the capability of Eichhornia crassipes (water hyacinth) in accumulation and tolerance to heavy metal ions demonstrates that this plant species may have an efficient hyperaccumulation mechanism for removing metal ions from water bodies (Malar et al, 2014). In addition to that, some fungus species also could have the potential to be used directly in anaerobic bioreactors without the need for pretreatment for improving the biogas production. For example; T. canadense ATCC 201360 is a facultative anaerobic fungus and it was reported that this fungus could bring about a positive effect on biogas production in anaerobic system and increase degradation by acting like an enzyme. The aim of this study was to investigate anaerobic treatability of synthetic wastewater characterizing pharmaceutical wastewater with three different antibiotic sources namely Erythromycin (E), Tetracycline (T), and Sulfamethoxazole (S) by conventional parameters such as total COD (tCOD), soluble COD (sCOD), pH, alkalinity, and volatile fatty acids (VFAs). The reason behind choosing antibiotics sulfamethoxazole (S), erythromycin (E) and tetracycline (T) in this study was that the selected antibiotics are the most commonly used pharmaceuticals in human and veterinary medicine. Besides, the biogas yield was also evaluated during anaerobic treatment of synthetic pharmaceutical wastewater with the aforementioned antibiotic sources. Within the scope of the study, the aim was also to investigate either the single effect (i.e., water hyacinth) or the combined effect [i.e., Eichhornia crassipes (water hyacinth) and T. canadense (fungus)] of these two different biological cleaning agents on the treatment performance as well as on biogas production during anaerobic treatment. In this context, batch and semi-continuous bioreactors were operated at mesophilic temperature (35oC). Semi-continuous anaerobic treatment was performed in a high-rate up-flow anaerobic sludge bed (UASB) reactor system with an effective volume of 6.45 l and by this way full-scale anaerobic treatment applications of such pharmaceutical wastewaters could be better represented. UASB reactors occupy an important place among the energy yielding treatment technologies. In these systems, wastewaters with high organic content are treated successfully and the produced biogas could be evaluated as the renewable energy source. Also, it is a compact system requiring less space for treatment that supplies feasible management especially during on-site treatment applications of industrial effluents. The first part of this thesis includes the 'Introduction' part that also contains the aim, the scope, and the importance of the study. The second part includes the 'Literature review' by giving general information about the subject, anaerobic biotechnology and its advantages, the commonly applied anaerobic reactors, the pharmaceutical industry in worldwide and its effect on environment, antibiotics' usage and significance, treatment methodologies of wastewaters contaminated with pharmaceuticals, and novel applications in order to suppress possible inhibition of antibiotics as well to improve biogas production in anaerobic systems. Moreover, the previous studies about the related subject were evaluated and basic findings were given in this part. Following this part, in the third section; 'Materials and the methods' part is presented that includes the design features of anaerobic systems (i.e., batch reactors and the UASB reactor) used during this study in detail. Also, in this section, the characteristics of substrate, sources of the selected antibiotics and the selected biocleaning agents, inoculum sludge, as well as the operating conditions of the bioreactors and analytical procedure are given. Additionally, this section presents the preparation stages as well as commercial information of the Eichhornia crassipes (water hyacinth) and T. canadense (fungus) added into the reactors. In the fourth 'Results and Discussion' section; the changes in the conventional parameters, such as pH, alkalinity, tCOD, sCOD, biogas productions, and volatile fatty acids (VFAs) are presented for both batch and the UASB reactor systems. Moreover, the effect of Eichhornia crassipes (water hyacinth) and T. canadense (fungus) on the performance of these bioreactors as well as on biogas generation is also comparatively evaluated in this part. In the last 'Conclusion' part; the main findings/remarks obtained within the scope of this study are presented and necessary future works are evaluated. According to the results, high biogas productions occured during anaerobic treatment of synthetic solution characterizing pharmaceutical wastewater with Erythromycin, Tetracycline and Sulfamethoxazole (ETS) antibiotics mixture for both anaerobic systems indicating no apparent inhibition due to the selected antibiotics at the examined concentrations up to E=200 mg/l; T=74.6 mg/l; and S=230 mg/l. On the other hand, some positive effect on biogas production could be observed in the presence of bio-cleaning agents. In this scope, results in terms of biogas yields showed that the batch system having antibiotics mixture and biological agents (ETS_II) performed the highest biogas yield as 0.250 m3/kg tCODfed indicating the positive impact of Eichhornia crassipes (water hyacinth) and T. canadense (fungus) on biogas production and tCOD removal in this flask was ca. 82%. Accordingly, about 30% improvement in biogas yield was obtained compared to its control reactor (Control_II). For the biogas yield based on tCODremoved, ETS_II again performed the highest biogas yield as 0.304 m3/kg tCODremoved. While Control_I, Control_II, E_I, and ETS_I reactors indicated the biogas yields as 0.214, 0.218, 0.253, and 0.242 m3/kg tCODremoved, respectively. Following the batch study, a high-rate UASB reactor was operated at semi-continuous mode for about 3 months by feeding with the same synthetic pharmaceutical wastewater including the same antibiotics mixture (ETS) at increased amounts in the second part of this thesis study. The granular methanogenic sludge was used as the inoculum which was supplied from the mesophilic anaerobic reactor of a paper/cardboard industry. At start-up; the UASB reactor was run by feeding the ETS included synthetic pharmaceutical wastewater as the substrate in the presence of no water hyacinth in the biomass. During the operation without this bio-cleaning agent, the amount of each antibiotic was increased gradually in the feeding substrate in order to examine to what extent the inhibition due to antibiotics occurred. In this scope, the reactor was fed with the same amount of antibiotics (x1) included in the batch study (i.e., E=100 mg/l; T=37.3 mg/l; and S=115 mg/l). Furthermore, the study continued by feeding the reactor with increased amount of each antibiotic by 1.5 times (i.e., E=150 mg; T=55.95 mg; and S=172.5 mg) and 2 times (i.e., E=200 mg; T=74.6 mg; and S=230 mg) in 1-liter media solution, respectively. Afterwards, the addition of water hyacinth was performed to compare the treatment performance and biogas production at x2-fold antibiotics' concentrations with the findings of the operating period without water hyacinth addition. In this study, the aim of applying such high antibiotics' concentrations to the UASB reactor was that this anaerobic system could be used effectively for on-site treatment of the effluent from a pharmaceutical industry. Because, UASB reactor-like systems require less space for their installations which provides significant advantages during on-site treatment. By this way, such systems could be operated close to the industrial facilities for the treatment of the produced wastewaters with more feasible and sustainable way. Also, the UASB reactor could be used as an effective pre-treatment alternative before discharging it into the sewerage system for the removal of the required pollutants according to the related regulations. Results indicated that relatively higher biogas yield [~0.21 m3/kg sCODremoved] was observed when antibiotics mixture in the feeding was x1 (i.e., E=100 mg/l; T=37.3 mg/l; and S=115 mg/l) whereas at increased amount of antibiotics mixture by 1.5 (i.e., E=150 mg/l; T=55.95 mg/l; and S=172.5 mg/l) and 2.0 times (i.e., E=200 mg/l; T=74.6 mg/l; and S=230 mg/l), the biogas yields were found as about 0.16 and 0.19 m3/kg sCODremoved, respectively. Moreover, in terms of organic matter; findings indicated higher tCOD and sCOD removals as 92±1% and 91±2%, respectively with x1 antibiotics mixture compared to feeding with increased amount of antibiotics mixture by 1.5-fold as 91±1% and 90±0.2% and by 2-fold as 86±2% and 85±2%, respectively. Hence, results indicated slight decreases both in biogas production and in COD removals indicating that inhibition effect of the selected antibiotic sources was negligible for x1.5 whereas low inhibition effect was observed for x2.0. Especially, when the amount of each antibiotic was increased 2-fold; the effect was not as high as expected which might be due to the fact that methanogenic cultures have been resistant to the selected antibiotics; since they got acclimated to the antibiotics in the long run. This study was continued by the addition of water hyacinth into the UASB reactor. Thanks to their compact sludge blankets, the retention of considerable amount of biomass was provided in the granular sludge. Hence, holding the biocleaning agent efficiently in the UASB reactor system could be also promoted. Findings indicated that although addition of water hyacinth has not led to apparent positive improvement in COD removals; biogas yield showed about 22% improvement and increased [0.24 m3/kg sCODremoved] compared to the biogas yield [0.19 m3/kg sCODremoved] in the case of no water hyacinth addition.
Benzer Tezler
- Duvardan ısıtmada konfor şartlarının duvar paneli tasarımına etkisi
Effect of thermal comfort conditions on radiant wall heating panel design
CEMİL ÇALIKIRAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2012
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. M. HANDAN ÇUBUK
- Formation kinetics of trihalomethanes in chlorination of drinking water
İçme suyunun klorlanmasında trihalometanların oluşma kinetiği
YEŞİM ŞAHİNALP (GÜVEN)
Yüksek Lisans
İngilizce
1994
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TÜLAY ÖZBELGE (BASER)
- Separation of wheat flours into starch and protein fractions
Buğday unlarının nişasta ve protein fraksiyonlarına ayrılması
CEM HAKKI AYTAÇ
Yüksek Lisans
İngilizce
1998
Kimya MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. N. SUZAN KINCAL
- Soya ürünlerindeki fonksiyonel bileşenlerin karakterizasyonu ve soya ekmeği özelliklerine etkilerinin incelenmesi
Characterization of functional components in soy products and evaluation of their effects on soy bread properties
DİLARA NİLÜFER
Doktora
Türkçe
2007
Gıda Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. DİLEK BOYACIOĞLU
- Investigating the hydroclimatic changes in the euphrates-tigris basin under a changing climate
Değişen iklim koşulları altında fırat-dicle havzası'ndaki hidroiklimsel değişikliklerin incelenmesi
YELİZ YILMAZ
Doktora
İngilizce
2019
Bilim ve Teknolojiİstanbul Teknik Üniversitesiİklim ve Deniz Bilimleri Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖMER LÜTFİ ŞEN