Investigation of various anaerobic biodegradation strategies on petroleum contaminated soil
Petrolle kirlenmiş topraklarda çeşitli anaerobik biyodegradasyon stratejilerinin incelenmesi
- Tez No: 574407
- Danışmanlar: PROF. DR. ORHAN İNCE
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Biotechnology
- 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 Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 89
Özet
Günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi artmasına rağmen, petrol halen enerji kaynağı olarak önemini sürdürmektedir. Dünya nüfusunun ve buna bağlı olarak enerji ihtiyacının her geçen gün artması ile birlikte petrole olan talep de artmakta, petrol ve petrol ürünleri elektrik üretiminden taşımacılığa kadar çok geniş bir alanda kullanılmaktadır. Petrolün çıkarılması, taşınması ve işlenmesi sırasında oluşan sızıntılar, yeraltı ve yerüstü sularına, denizlere, toprağa kısacası tüm ekosisteme karışmasına neden olur. Petrolle kontamine olan toprağın karakteristik yapısı kirlenmenin nerede olduğu, ne kadar zamandır devam ettiği vb. etkilere bağlı olarak değişkenlik göstermekte, petrolün yapısında bulunan hidrokarbonlar insan sağlığı ve ekosistem üzerinde olumsuz etkilere yol açmaktadır. İçeriğinde bulunan karmaşık yapılı bileşikler nedeniyle bu kirleticilerin giderimi zordur ve doğada uzun yıllar boyunca kalmaktadır. Daha önceleri bu kirleticilerin giderimi için fiziksel ve kimyasal yaklaşımlar kullanılırken günümüzde hem maliyetler açısından hemde ikincil kirleticilerin oluşumu açısından biyolojik yöntemlerin daha faydalı olduğu gözlenmiştir. Araştırmalar daha çok aerobik degredasyon üzerine yoğunlaşmış olsa da, son zamanlarda anaerobik degredasyon üzerine yapılan araştırmalar bu yöntemin daha düşük maliyetli olduğu ve daha az çamur oluşumuna neden olduğunu göstermiştir. Anaerobik ortamda mikroorganizmalar tarafından nitrat, sülfat ve demir gibi etkili elektron alıcılar kullanılmaktadır. Zenginleştirme, ön arıtma ve eş-substrat uygulamarı gibi stratejilerle bu kirleticilerin anaerobik koşullar alında arıtılabilirliği arttırılabilir. Bu tezin amacı anaerobik koşullar altında, farklı elektron alıcı ortamlarda, bu stratejilerin performanslarını incelemek ve en verimli stratejiyi bulmaktır. Bunun için mezofilik koşullarda dört ayrı anaerobik biyoreaktör seti kurulmuştur. Bu setlerden ilk ikisinde aşı numunesi olarak Almanya'nın Leuna şehrinin bir kirlilik bölgesinden alınan akifer ve daha önce yapılan mikrokozmoz çalışmalarından alınan numunelerde yapılan zenginleştirme, substrat olarak ise Adana'nın petrolle kirlenmiş bir bölgesinden temin edilen toprak örneği kullanılmıştır. Üçüncü ve dördüncü setlerde aşı kaynağı olarak zenginleştirme, substrat olarak kontamine toprak ve eş-substrat olarakta bir tavuk çiftliğinden gelen tavuk gübresi kullanılmıştır. İlk iki setin inkübasyon süresi 122 gün iken diğer setler için inkübasyon süresi 74 gündür. Tüm setler 37°C ve 100 rpm'de inkübe edilmişlerdir. Ayrıca biyolojik olarak parçalanmayı kolaylaştırmak amacıyla bir kısım toprak numunesine persülfat ile ön arıtma yapılmış, bu numunelerde biyoreaktörlerin bir kısmında kullanılmıştır. Biyoreaktörlerin kurulumunda kullanılan kirlenmiş toprak, ön arıtma yapılmış toprak ve akiferin fiziksel ve kimyasal özelliklerinin tespiti için öncelikle karakterizasyon analizleri yapılmıştır. Bu kapsamında, pH, toplam katı, toplam uçucu katı, toplam fosfor, toplam azot, C/N oranı, sülfat, polisiklik aromatik hidrokarbonlar, poliklorobifeniller, toplam organik karbon, çözünmüş organik karbon ve toplam petrol hidrokarbonları analizleri yapılmıştır. Akiferin pH değerinin nötr olduğu görülürken, kirlenmiş toprakta 5 ve ön arıtma yapılmış toprakta 4 olduğu, koşulların asidik olduğu görülmektedir. Hidrokarbon parçalayıcı mikroorganizmalar genelde bazik ortamı tercih ederler ancak asidik koşullarda daha iyi degredasyon yapan mikroorganizmalar da mevcuttur. Toplam katı madde değeri akiferde %80, kirlenmiş toprakta %96, ön arıtma yapılmış toprakta %93 olarak tespit edilmiştir. Ön arıtmanın toplam katı yüzdesinin değişiminde belirgin bir etkisi olmadığı görülmüştür. Toplam uçucu katıya bakıldığında ise akiferde, kirlenmiş toprakta ve ön arıtma yapılmış toprakta sırasıyla %1, %42 ve %30 olduğu belirlenmiştir. Akiferdeki toplam uçucu katı yüzdesi çok düşüktür, diğer iki numunenin sonuçlarına bakıldığında ön arıtmanın burada nispeten daha etkili olduğu gözlenmiştir. C/N oranı akiferde (42) diğer iki numuneye göre oldukça düşüktür. Kirlenmiş toprak ve ön arıtma uygulanmış toprağın C/N oranlarına bakıldığında (sırasıyla 614, 638), ön arıtmanın bu oranda çok önemli bir değişiklik yaratmadığı, hem kirlenmiş hem ön arıtma uygulanmış toprakta bu oranın beklenen şekilde oldukça yüksek olduğu gözlenmiştir. Persülfat oksidasyonu sırasında sülfat radikalleri açığa çıkar. Bu durum analiz sonuçlarına da yansımış ön arıtma yapılmış topraktaki sülfat miktarının kirlenmiş toprağın yaklaşık 8 katı olduğu görülmüştür. Toplam petrol karbonlarının yüksek olduğu numunelerde bununla paralel olarak toplam organik karbonda yüksek oranda bulunmaktadır. Yapılan karakterizasyon analizleri sonucunda kirlenmiş toprak ve ön arıtma yapılmış toprakta iki değerinde oldukça yüksek olduğu görülmektedir. Ön arıtma toplam karbon değerlerinde çok büyük bir farklılık yaratmamıştır ancak alifatik ve aromatik fraksiyonların ayrı ayrı analiz sonuçlarına bakıldığında karbon zincirlerine göre oluşan farklılıklar görülmektedir. Ayrıntılı hidrokarbon analizleri incelendiğinde, her iki grupta da C5-C9 arası hidrokarbonların düşük miktarda olduğu ve tüm numunelerde alifatik fraksiyonların daha baskın olduğu anlaşılmaktadır. Ön arıtma hem aromatik hem de alifatik fraksiyonların C9-C16 ve C16-C35 arasındaki miktarlarını arttırmıştır. Bu durum ön arıtmanın C35'ten daha yüksek olan hidrokarbonları parçalayarak degredasyonu kolaylaştırdığının göstergesidir. Biyoreaktörlerin aktivitesini takip etmek için yaklaşık 2 haftada bir manometre ile toplam gaz analizleri ve GC ile N2, CO2, CH4 gazları üretimlerini ayrıntılı olarak gösteren ayrıştırmalı analizler yapılmıştır. Gübre eklenmiş ve eklenmemiş setlerin inkübasyon süreleri farklı olduğu için değerlendirmeler ayrı ayrı yapılmış daha sonra genel profili görmek için tüm setlerin ilk iki aylık sonuçları alınarak genel bir değerlendirme yapılmıştır. Bu genel değerlendirme sonucunda toplam gaz ve CO2 üretiminde en yüksek değerin, sülfat indirgeyici ortamda gübre ve ön arıtma yapılmış toprak ile hazırlanan biyoreaktörde (M+PTSO+E) olduğu gözlenmiştir. CH4 üretim sonuçlarına bakıldığında ise gübre uygulaması olmayan setlerde herhangi bir üretim olmadığı, üretimin sadece gübre eklenen setlerin bir kısmında gerçekleştiği görülmektedir. Burada en yüksek üretim nitrat indirgeyici ortamda sadece gübre ile hazırlanan reaktörde (M) gerçekleşmiş olup bunu sülfat indirgeyici ortamda gübre ile kirlenmiş toprak karışımı (M+CSO+E), gübre (M) ve gübre ile ön arıtma yapılmış toprak karışımı (M+PTSO+E) izlemektedir. Nitrat indirgemede denitrifikasyon sonucu ürün olarak N2 üretilebileceği için, N2 üretimi sadece nitrat indirgeyici ortamalarda incelenmiştir. Burada gübre eklenmiş sette ön arıtma yapılmış toprakla hazırlanan biyoreaktörde (M+PTSO+E) en yüksek üretim görülmektedir. Nitrat indirgeyici ortamlarda ilk ürün nitrittir, bu nedenle nitrat indirgeyici koşullarda hazırlanan biyoreaktörlerde nitrat giderimi ve nitrit üretimi de takip edilmiştir. Nitrat giderimine bakıldığında inkübasyon süresi daha kısa olmasına rağmen gübre eklenmiş setlerde giderimin daha yüksek olduğu görülmektedir. En yüksek giderim %97,3 ile sadece gübre ile hazırlanan reaktörde (M) görülmüş, bunu sırasıyla %96,7 ve %96,2 ile gübre, kirlenmiş toprak karışımı (M+CSO+E) ve gübre, ön arıtma yapılmış toprak karışımı (M+PTSO+E) izlemektedir. Nitrit üretimine bakıldığında ise gübre eklenmemiş sette üretimin daha yüksek olduğu görülmektedir. Sonuçlar N2 analizlerini de içerecek şekilde değerlendirildiğinde gübre ile hazırlanan setlerde nitratın büyük oranda N2'ye dönüştüğü görülmektedir. Biyoreaktörlerin degredasyon verimliliği inkübasyon süresi sonunda yapılan toplam organik karbon (TOK) ölçümleri ile izlenmiştir. Toplam organik karbon gideriminin %61 ile sülfat indirgeyici ortamda gübre ve ön arıtma yapılmış toprak ile hazırlanan biyoreaktörde (M+PSTO+E) gerçekleştiği görülmektedir. Gübresiz setlerde inkübasyon süresi daha uzun olmasına rağmen sülfat indirgeyici ortamda ön arıtılmış toprak ile hazırlanan biyoreaktörde (A+PSTO+E) ise bu değer %26,7'dir. Burada sülfat indirgeyici ortamda, ön arıtma yapılmış toprakta gübre ilavesinin degredasyon verimini yüksek oranda arttırdığı görülmektedir. Ayrıca anaerobik degredasyonda görev yapan mikroorganizmaların benzerliklerini, aktivitelerini, mikrobiyal popülasyondaki değişim vb. mikrobiyal profili belirlemek amacıyla mikrobiyal kominite analizleri yapılmıştır. Toprakta ve akiferde yapılan metagenomik analizler sonucu her iki numunede de alkanların, poliklorlubifenillerin ve aromatik hidrokarbonların degredasyonunda görev yaptığı bilinen Actinomycetales takımının yüzdesel olarak oldukça yüksek olduğu görülmektedir. Sülfat indirgeyici ve nitrat indirgeyici ortamlardaki mikrokozmozlardan alınan numunelerle yapılan zenginleştirmelerde ise Bacillales'in baskın duruma geçtiği gözlenmektedir. Sülfat indirgeyici ortamda Actinomycetales ikinci baskın takım iken, nitrat indirgeyici ortamda yapılan zenginleştirmelerde çok düşük oranda bulunduğu belirlenmiştir. Mikrobiyal benzerliğin değerlendirilmesini sağlayan yüksek çözünürlüklü erime (HRM) analizleri, biyoreaktörlerden iki haftada bir alınan örnekler üzerinde yapılmıştır. Bu analizin sonuçları incelendiğinde, gübre eklenmiş setlerde inkübasyon süresi sonlarında mikrobiyal komünitenin farklı gruba kaydığı, yani zamanla mikrobiyal komünitenin değiştiği gözlenmiştir.
Özet (Çeviri)
Nowadays, interest in renewable energy sources has increased, however petroleum is still important as an energy source. The demand for oil increases every day with the increase of the world's population and the need for energy. Crude oil and petroleum products are used in a wide range from electricity production to transportation. Oil spills that occur during the extraction, transportation and processing cause the contamination of the ground and surface water, seas and soil, briefly cause the entire ecosystem pollution. Hydrocarbons in the structure of oil have negative effects on human health and ecosystem. It is diffucult to remove these pollutants and they are persistent in nature for many years due to the complex structure of the compounds. Physical and chemical approaches were used for the removal of these pollutants in the past, however, nowadays it has been observed that biological methods are more useful in terms of cost and formation of secondary pollutants. Although many researches on this topic have focused on aerobic degredation, recent researches has shown that anaerobic degradation is less costly and leads to less sludge formation. The aim of this thesis to investigate the anaerobic biodegradation of petroleum-contaminated soil using nitrate and sulfate as electron acceptor in anaerobic conditions. For this purpose, four different sets of anaerobic bioreactors set up under mesophilic conditions. Aquifer, which was taken from the highly contaminated region of Leuna, Germany, rich in hydrocarbons and containing BTEX components mostly, was used as inoculum in the first two sets. In the other two sets, enrichment from samples of microcosmos, which were incubated under nitrate and sulfate reducing environments for 220 days in mezophilic condition, were used as inoculum. Also, chicken manure was added as co-substrate to assess its effect on biodegredation performance. In addition, a number of samples were pre-treated with persulfate oxidation method in order to increase the degradation efficiency, and these were used in some of the bioreactor sets. Total gas, CO2 and CH4 measurements were performed to monitor the activity of the bioreactors. The highest cumulative biogas and CO2 production was observed in the manure and pre-treated soil (M+PTSO+E) in co-substrate applied bioreactors under sulfate reducing conditions. The highest production of CH4 was observed at manure and contaminated soil (M+CSO+E) in co-substrate applied bioreactors under sulfate reducing conditions. The degradation efficiency was monitored by total organic carbon (TOC) measurements. The highest TOC removal was seen at manure and pre-treated soil (61%) in sulfate reducing condition with manure. Also, microbiological community analyses such as metagenomic, High Resolution Melting (HRM) and Quantitative Polymerase Chain Reaction (qPCR) were carried out in order to determine the microorganisms involved in anaerobic degradation.
Benzer Tezler
- 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
- Marmara denizinde karbonat kabuk ve bacalarının ortam ve oluşum koşullarının araştırılması
Investigations of the environmental and conditions of formation of carbonate crusts and chimneys
GÜLİZ YILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2016
Jeoloji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiJeoloji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEMET NAMIK ÇAĞATAY
- Biyodizel atık sularının biyolojik arıtılabilirliğinin incelenmesi
Investigation of biological treatability of biodiesel wastewater
NURSEL KIRATLI YILMAZÇOBAN
Doktora
Türkçe
2012
Çevre MühendisliğiSakarya ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İ. AYHAN ŞENGİL
- Aktif çamurda çoklu substrat gideriminin modellenmesi
Modelling of multiple substrate removal in activated suludge process
GÜLEN EREMEKTAR
Doktora
Türkçe
1997
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OLCAY TÜNAY