Geri Dön

Investigation of the factors affecting membrane bioreactor performance during volatile fatty acid production from food waste

Yemek atıklarından uçucu yağ asidi üretimi sırasında membran biyoreaktör performansını etkileyen faktörlerin incelenmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 666421
  2. Yazar: BEGÜM BİLGİÇ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. OSMAN ATİLLA ARIKAN, PROF. DR. MOHAMMAD TAHERZADEH
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2021
  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: 80

Özet

Atık üretimi, özellikle hızla artan nüfusun etkisi ile, dünyanın en dikkat gerektiren problemlerinden biri halindedir. Tüketicilerin üretilen besinlerin üçte birine ulaşamadıkları belirtilmekte olup, bu durum kaynakların ve enerjinin boşa harcanmasına yol açmaktadır. Yemek atıklarının atık depolama sahalarına atılmasından sonra çürüme prosesi sonucu metan ve karbon dioksit gazları üretilir. Kontrol edilmediği takdirde metan gazı atmosfere salınır. Metan gazının karbon dioksite oranla oldukça yüksek küresel ısınma potansiyeli yüzünden bu gazın salınımını engellemek, dolayısı ile yemek atıklarının atık depolama sahalarına atılmasına daha iyi bir alternatif bulmak oldukça önemli hale gelmiştir. Anaerobik çürütmede mikroorganizmalar organik atıkların ayrışmasında kullanılır ve proses dört adımdan oluşur: hidroliz, asidojeniz, asetojeniz ve metanojeniz. Biyokütle genel olarak büyük organik polimerlerden oluştuğu için ilk adım olan hidroliz en önemli adım olarak kabul edilmektedir. Bu adımda, büyük polimerler şeker, yağ asitleri ve amino asitler gibi bileşenlerine ayrılmaktadır. Takip eden adım asidojeniz ya da bazen fermantasyon olarak adlandırılmaktadır. Hidroliz adımından gelen bileşenler anaeroblar ve fakültatif anaeroblar yardımı ile fermantasyon süresince daha ufak parçalara ayrılır. Asidojeniz adımından sonra asetojeniz gerçekleşir ve CO2, H2 ve asetik asit üretilir. Son adım olan metanojenizde metanojenler düşük moleküler ağırlıkları olan ürünleri metan ve karbon diyoksite dönüştürür. Belirtilen bu adımların hepsine ait işletme koşullarına ve substrat varlığına bağlı olan proses hızları vardır, bu sebeple reaksiyonun genel hızı“hız sınırlayıcı basamak”adı verilen en yavaş adımın hızına bağlıdır. Bunların yanı sıra, pH, sıcaklık, yükleme hızı ya da besinler gibi çevresel koşullarda bu anaerobik çürütmeyi etkileyebilir. Anaerobik çürütmenin sonucunda biyogaz üretimi alışılagelmiş bir sonuçtur, fakat biyogazla ilgili kısıtlayıcı kısımlar ve uygulanabilirlik problemleri endişe yaratmaktadır. Bu sebeple bu proses sonucunda daha yüksek değerli diğer bir ürünün üretilip üretilemeyeceği sorusu akla gelmektedir, ve uçucu yağ asitleri bu soruya bir cevap olabilir. Uçucu yağ asitleri (UYA), ya da kısa zincirli yağ asitleri, zayıf organik asitlere verilen genel bir isimdir. Bu asitler hidrojen, metan ve biyobutanol gibi biyoyakıtların üretiminde kullanılabilir. Pazarlanabilirlik açısından, UYA biyogaza oranla daha iyi bir durumdadır. UYA üretimi fermantasyon adımında oluşur ve proses devam ederse metan gazına dönüştürülür, dolayısı ile UYA elde etmek için son adımdan önce proses durdurulmalıdır. Bu işlem çeşitli yollardan yapılabilir fakat en yaygın metot pH kontrolüdür. Çözeltiden UYA elde etmek için membran biyoreaktörlerden (MBR) yararlanılmaktadır. Membran biyoreaktörler içlerinde membran bulunduran proses reaktörleri olarak tanımlanabilirler. MBR teknolojisinin kullanılması geleneksel metotlarda var olan problemleri çözen avantajlar sunabilir; örneğin UYA üretimi sonrası solüsyondan ayrılması zorluğu membran teknolojisi ile çözülebilir. Uygun membran seçimi ile UYA kazanımı gerçekleşebilir ve bu süreçte anaerobik çürütme için gerekli olan mikroorganizmalar solüsyonda kalır. UYA kazanımı için farklı prosesler uygulandığında proseste kayda değer duruş süreleri söz konusu olur. Bu duruş süresine yol açan metotları kullanmamak için UYA'nın yerinde kazanımında batmış membran biyoreaktörler kullanılabilir ve bu proses tezin hedeflerinden biridir. Üzerinde çalışılacak substrat olarak yemek atığı Göteborg, İsveç şehrindeki bir tesisten alınmıştır. İlk adım olarak daha sonraki safhalarda kullanılacak olan optimum pH'ı belirlemek için deneme grup testleri yapılmıştır. Altı farklı pH değeri ve boş olarak 7 farklı serum şişesi üç paralel olacak şekilde hazırlanmış, içlerine 1 gVS substrat ve 1 gVS aşı maddesi eklenmiştir. Şişeler sıkıca kapatılmış ve azot gazı verildikten sonra su banyosunda 37°C ve 125 rpm koşullarında bekletilmiştir. Günlük olarak sıvı ve gaz örnekleri alındıktan sonra UYA testleri 27 gün boyunca yapılmıştır. UYA analizlerine dayanarak en yüksek UYA üretiminin pH 6'da olduğu gözlenmiştir ve bu seviyenin deneyin MBA kısmında kullanılmasına karar verilmiştir. Açıklıkları 1 μm olan iki düz levha membran, kutuya yerleştirildikten sonra reaktöre konulmuştur. Reaktör içindeki karıştırma N2 gazı ile sağlanmıştır. Deneye başlamadan önce test amacıyla su ve farklı konsantrasyonlardaki solüsyonla filtrasyon yapılmıştır. Farklı pompa debileri de bu aşamada denenmiş ve transmembran basıncı (TMB) değerleri not edilmiştir. Performansa ve TMP grafiklerine dayanarak 40 gVS konsantrasyonunda karar kılınmıştır, fakat deneyi uzun süre devam ettirme isteği sonucunda bu değerin çok yüksek olacağı düşünülmüş ve 10 gVS/L'den başlama kararı alınmıştır. Deneyin asıl kısmı bu aşamada başlamıştır; 10 gVS/L aşı solüsyonu konsantrasyonu 1 gVS/L yemek atığı ile bir“başlangıç aşaması”kurulmuş ve 10 gün boyunca devam ettirilmiştir. Bu“başlangıç aşaması”adımından sonra, her gün reaktörden 200 mL süzüntü elde etmek için filtrasyon işlemi uygulanmıştır. Dört dakika filtrasyonu bir dakika geri yıkama takip etmiştir. Sistemden 200 mL süzüntü elde edildikten sonra sistem 200 mL yemek atığı solüsyonu (1 gVS/L) ile beslenmiş ve sistemin pH'ı yine 6 değerine ayarlanmıştır. Günlük UYA analizleri ve iki günde bir toplam askıda katı madde (TAKM) analizleri reaktörden alınan 15 mL örneklere yapılmıştır. Tıkanma olduğu takdirde sisteme kimyasal temizlik uygulanmıştır. Tıkanma yüzünden filtrasyon yapılamadığı ve kimyasal temizliğin uygun görülmediği zamanlarda, UYA solüsyonunu manüel olarak santrifüj uygulanmış ve süzüntüde UYA analizi yapılmıştır. Organik yükleme hızlarının (OYH) değişme günlerine göre KOİ ve amonyum testleri de uygulanmıştır. UYA analizlerinde başlangıç aşamasının ilk günlerinde asetik asit dominant UYA olarak gözlenmiştir. Dördüncü günden başlayarak bütirik ve propiyonik asit görülmeye başlanmıştır. On dördüncü güne kadar benzer bir profil izlenirken sonrasında 43. güne kadar propiyonik asit dominant hale gelmiştir. İstenmeyen metan üretimi sonucunda 43. günde sisteme BES eklenmiş ve bu noktadan sonra asetik asit ve bütirik asit dominant hale gelmiştir ve bu profil 70. güne kadar benzer gitmiştir. Deney süresince üç farklı OYH değeri kullanılmıştır. OYH'nin 1 gVS/L olduğu aşamada VFA üretimi 1 g/L olarak gözlenirken bu değer OYH'nin 3 gVS/L'e çıkarılması ile sadece 1.8 gVS/L'ye ulaşmıştır. Sisteme BES eklenmesi sonucu kayda değer bir yükselme olmuş ve 6 gVS/L'ye ulaşmıştır. OYH değerinin 6 gVS/L'ye çıkarılması ile üretim 14 gVS/L'ye ulaşmıştır. Verim hesapları yapıldığında sonuçların düşük olduğu gözlenmiştir; 96 günlük deney periyodunda değerler 0.10 ile 0.23 gVFA/gVSeklenen arasında değişmiştir. Reaktörün karıştırılması ile ilgili problemler verimin düşük olmasının sebebi olarak düşünülmüştür; düzgün olmayan karıştırılma sonucunda günlük beslemeler mikroorganizmalar tarafından alınamamış ve kullanılamamıştır. Bu konuda yapılan önceki çalışmalara bakıldığında, daha iyi karıştırma sistemlerinin var olmasına rağmen benzer olarak düşük verimlerin (0.34 gVFA/gVSeklenen) elde edildiği gözlenmiştir. Deney sırasınca günlük 200 mL sıvı çekimi dışında bir süzdürme uygulanmamıştır. TAKM değerleri 15g/L değerinde seyrederken 58. günde 26 g/L değerine ulaşmıştır. 70. günden itibaren OYH değerinin yükselmesi sonucunda TAKM değeri de ortalama olarak 50 g/L seviyesine ulaşmıştır. Bu yüksek değer membranda kirlenmeyi problematik bir noktaya getirmiştir. TMB değerleri filtrasyon sürecinde yükselmiştir. İlk 20 günde bu değer 6 ila 10 mbar arasında değişirken OYH artması ile 12 mbar'a ulaşmıştır. Tıkanmaların olması ve TMB'nin 20 mbar'a yükselmesi ile 32. günde kimyasal temizlik uygulanmıştır. Membran üzerinde devamlı kek tabakası birikimi sonucunda TMB 80 mbar'a, 52. günde ise 400 mbar'a ulaşmıştır. Bu noktada süzüntünün elde edilmesi ancak santrifüj ile mümkün olunca 68. günde komple bir temizlik yapılmış ve hava deliklerinde tıkanıklıklar gözlenmiştir. Bu tez çalışmasının amaçlarından biri olan uzun periyotlarda yerinde UYA kazanımı yüksek OYH değerlerine rağmen gerçekleştirilebilmiştir. Deney süresince pH değerlerinin değişimi başlarda sorun yaratsa da BES eklenmesi ile düzene girmiştir. Belirli periyotlarda yapılan KOİ ve amonyum testleri sonucunda C/N oranlarının 30 ile 74 arasında değiştiği gözlenmiştir. Literatürde bu oranın sistemde bazı mikroorganizmaların var olması ve bazılarının bulunmamasında etkili olduğu belirtilmiştir. Analiz edilen günlerdeki spesifik UYA değerlerine bakıldığında bu bilgiyle paralel olarak %40 üzerindeki C/N oranlarında bütirik asidin baskın olduğu (51. gün dışında) gözlenmiştir. Sonuç olarak, deneyin amaçlarından olan optimum pH seviyesinin belirlenmesi ve bu değerde MBR'de UYA üretimi gerçekleştirilmiştir. Ek olarak, kurulan bu sistem amaçlandığı gibi uzun periyotta efektif olarak çalışmıştır. Gelecek çalışmalarda daha yüksek verime ulaşmak için daha iyi karışım şartları sağlanabilir ve yemek atığındaki istenmeyen maddeler başta ayrılarak uzaklaştırılabilir.

Özet (Çeviri)

Waste production is one of the most demanding problems as the world population is on the rise. It is stated that consumers do not get one thirds of the food produced, resulting in resource and energy wasting. As this waste is thrown into landfills, methane and carbon dioxide gasses are produced due to the decomposition process. When not managed properly, methane ends up in the atmosphere. Due to very high global warming potential of methane in comparison to carbon dioxide, preventing the release of this gas, therefore finding a better alternative to landfilling of food waste, becomes extremely important. In anaerobic digestion, microorganisms are used to breakdown organic waste and it consists of four steps: hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis and methanogenesis. As biomass is usually made out of large organic polymers, the first step, hydrolysis, is regarded as the most important process. At this stage, large polymers are broken down into their constituents such as; sugars, fatty acids, amino acids. Then, hydrolysis is followed by acidogenesis, which is often also called fermentation. Compounds coming from hydrolysis stage are broken down with the help of various anaerobes and facultative anaerobes during fermentation. Acidogenesis stage is followed by acetogenesis, in which CO2, H2 and acetic acid are produced. In the final step called methanogenesis, methanogens further break down the products that have low molecular weight such as hydrogen, acetic acid and CO2 and they are turned into methane and carbon dioxide. All of the steps mentioned above have their own process rates based on the operation conditions and the availability of the substrate, because of that the general speed of the reaction will depend on the slowest step which is called the“rate-limiting step”. Besides, environmental conditions can also affect anaerobic digestion such as pH, temperature, loading rate or nutrients. Production of biogas as the end result of anaerobic digestion is the usual process, however the limitations and feasibility concerns regarding biogas raises questions, and these brings the question of if any other product with a higher value can come out of anaerobic digestion, and volatile fatty acids can be an answer to this. Volatile fatty acids (VFA), or short-chained fatty acids, is the general name given to a group of weak organic acids; acetic and propionic acid's production is generally the highest. These acids can be used in various areas such as production of biofuels such as hydrogen, methane and biobuthanols. In terms of marketability, VFA are better compared to biogas. VFA production occurs in fermentation step and later turned into methane if the process continues, therefore to obtain them the process needs to be stopped at said step. This can be done through several methods, and control of pH is one of the most common one.Membrane bioreactors can be defined as bioprocess reactors that have a membrane integrated in them. The use of membrane bioreactor (MBR) technology provides advantages that are often seen as restrictions with traditional systems; for example after finding the optimal conditions for VFA production, the challenge of recovering VFA from the solution is solved with membrane technology. With the help of proper membrane choice, retrieval of VFA from the solution becomes possible while microorganisms that are required for the anaerobic digestion stays back in the system. As other means of retrieving VFA is applied, a significant downtime of the process comes into question. To prevent such downtime causing activities, in-situ recovery of VFA from the concentrated solution with the iMBR can be applied, and this is one of the main objectives of this thesis. As the substrate to work on, food waste was taken from a plant in Gothenburg, Sweden. To start with, a batch fermentation was set as a screening test for finding out optimum pH conditions to be used later on the experiment. Six different pH values along with blanks were tested in form of three duplicates as 1gVS of substrate and 1 gVS of inoculum was added in the serum bottles. After the bottles were closed and purged with nitrogen gas, they were kept in a water bath with temperature of 37°C and 125 rpm. Daily liquid and gas samples were taken and VFA analyses were performed for 27 days. Based on the VFA tests, highest production was observed at pH 6, which was determined as the optimum pH value to work on later in the MBR. In the next stage of the experiment, membrane bioreactors were set up. Two flat sheet membranes with the pore size of 1 μm were installed in a spacer box and put into the reactor. Mixing was provided with gas N2 sparging from in built gas diffusers. The experiment started with a testing stage in which filtrations were performed with water and different concentrations of the sludge. Different pump speeds were also tested during this period and transmembrane pressure (TMP) values were recorded. Based on the performance and TMP graphs, concentration of 40 gVS/L was decided initially, however because of the risk of fouling due high concentration and wish to run the experiment for three months, concentration of 10 gVS/L was deemed as better option. The main part of the experiment was performed afterwards; a startup phase was set up with 10 gVS/L concentration and 1 gVS/L food waste and continued for 10 days. Following this start up period, filtration was applied to obtain 200 mL filtrate from reactor each day. Four minutes of filtration went on with the backwash of a minute. After 200 mL was retrieved from the reactor, the system was fed with 200 mL food waste (FW) solution (1 gVS/L) and reactor's pH was set to 6 again. Daily VFA analyses and TSS tests every two days were performed on the 15 mL daily samples taken from the reactor. In case of blockages, chemical cleaning was performed on the system. When filtration was not possible due fouling, and chemical cleaning was not preferred, manual obtaining of VFA solution was done with help of centrifuge and VFA tests were performed based on the supernatant. COD and ammonium tests were also applied at the end of the experiment on samples based on the OLR change periods. In the VFA analyses, it was observed that at the start of the startup phase, acetic acid was the dominant VFA present in the solution. Starting from day 4, butyric and propionic acid appeared in the solution. System followed a similar profile until day 14, afterwards propionic acid was dominant until day 43. 2-bromoethanesulfoic acid (BES) was added in the system due unwanted methane production and low VFA rate in day 43, then the profile has changed into the dominance of acetic acid and butyric acid. Profile stayed alike until day 70, which was the point of butyric acid dominance. Three different OLR were used during the experiment. During the OLR of 1 gVS/L, VFA production was around 1 g/L. This value only increased to 1.8gVS/L when OLR was changed to 3 gVS/L. A significant increase was observed when BES was added to the system; VFA production was around 6 gVS/L. OLR was raised to 6 gVS/L and the production reached to 14 gVS/L. However, when yields were calculated, it was seen that the values were low; during the 96 day period they ranged from 0.10 to 0.23 gVFA/gVSadded. Problems with mixing in the reactor was deemed to be the reason why the yield results were lower than expected; as the mixing was problematic the daily feed could not come in contact with the microorganisms easily and was not digested properly. However, when compared with the previous work done with food waste and membrane bioreactors, similar low yield results (0.34 gVFA/gVSadded) were obtained even though the system had better means of mixing. During the experiment, no draining was performed but the daily 200 m/L removal. The TSS values started off 15 g/L until day 58, where they averaged around 26 g/L. From day 70, as OLR values were increased, the TSS hit the average of 50 g/L. This TSS increase resulted as fouling problem of the membrane and became troublesome. TMP values started increasing during the filtration period. In the first 20 days, TMP values averaged around 6-10 mbar. With the increase of OLR, the TMP value increased to 12 mbar. A chemical cleaning were performed at day 32 due TMP reaching 20 mbar and blockages occurring. By day 45, due continuous cake layer forming on the membrane TMP levels reached to 80 mbar. The value of 400 mbar was observed at day 52. Obtaining of supernatant was performed through centrifuge at this point, and a complete cleaning was done at day 68, during which many blockages in air pores were observed. One of the goals of this thesis was to see if in-situ recover can work for extended periods, and it can be said that this was possible for 3 months even with relatively high OLR values. pH changes during the course of the experiment was problematic at first but settled down to stable levels after the addition of BES. On the COD and ammonium tests that were performed on determined days, C/N ratios were seemed to range between 30 to 74. It is stated in the literature C/N ratio can have an effect on a certain microorganism being present in the system or abundance of another type. When the specific VFA percentages of the tested days, it can be observed that butyric acid is indeed dominant in the C/N ratios above 40%, day 51 (with ratio of 74.13) being the exception. To conclude, the goals of determining optimum pH value for VFA production to use on MBR and testing VFA production and recovery in MBR in this determined pH were met. The system also effectively in the desired long period (3 months). For future works, better mixing conditions could be aimed for better yields along with getting rid of unwanted materials in the food waste in the first place.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    426747

    Aerobik metan oksidasyonu ile denitrifikasyon performansını etkileyen faktörlerin membran biyofilm reaktörde araştırılması

    Investigation the factors affecting the aerobic methane oxidation coupled to denitrification performance in a membrane biofilm reactor

    DİLEK AKMAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2016

    BiyomühendislikKahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi

    Biyomühendislik ve Bilimleri Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. KEVSER CIRIK

  2. Tez No

    735212

    Modelling of the leachate treatment plant with membrane bioreactor process

    Membran bioreaktör procesli bir sızıntı suyu arıtma tesisinin modellenmesi

    CANSU DELİBAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK

  3. Tez No

    842129

    Quorum quenchıng membran biyoreaktörlerde kullanılan immobilizasyon medyalarında malzeme tercihinin etkisinin incelenmesi

    Investigation of the effect of material preference on immobilization media used in Quorum quenching membrane bioreactors

    SEMANUR SOYLU

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. BÖRTE KÖSE MUTLU

  4. Tez No

    716260

    PEM yakıt hücresi reaktant kanallarının performansa etkisinin nümerik olarak incelenmesi

    Numerical investigation of the effect of PEM fuel cell reactant channels on performance

    MUZAFFER FURKAN SÜN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    EnerjiSakarya Uygulamalı Bilimler Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN KAHRAMAN

  5. Tez No

    840251

    Investigation of performance of proton exchange membrane electrolysis with photovoltaic systems

    Proton değişim membran elektrolizin fotovoltaik sistemler ile birlikte incelenmesi

    CEMRE KADIOĞLU

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Makine MühendisliğiHacettepe Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MURAT KÖKSAL

Geri Dön