Promoting the application of anaerobic digestion technology: Microbial electrolysis cell (MEC) integration and struvite precipitation
Anaerobik çürütme teknolojisinin uygulanmasının desteklenmesi: Mikrobiyal elektroliz hücresi (MEH) entegrasyonu ve strüvit çökeltimi
- Tez No: 810862
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ YASEMİN DİLŞAD YILMAZEL TOKEL
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 225
Özet
Bu tezde anaerobik çürütme (AÇ) uygulamasını teşvik etmek için iki yeni teknoloji üzerinde çalışılmıştır. AÇ, mikrobiyal elektroliz hücresi (MEH) ile yeniden yapılandırılmıştır. Bu tez, AÇ-MEH entegre sisteminin başlatılması için iki yöntemi karşılaştırmıştır: biyoelektrotların (kontrollü bir ortamda önceden biyofilm oluşturulmuş) kullanımı ile bakir elektrotlar (biyofilmsiz). Tüm reaktörler arasında, -0,95 V (Ag/AgCl'ye kıyasla) katot potansiyelinde sığır gübresiyle beslenen grafit-paslanmaz çelik biyoelektrotlu AÇ-MEH'ler, gram uçucu katı madde (UKM) başına en yüksek CH4 verimini üreterek geleneksel AÇ'ye kıyasla %105 artış sağlamıştır. Sığır gübresi ile beslenen grafit katotlu AÇ-MEH'ler biyoelektrot ve bakir elektrot reaktörlerinde benzer CH4 üretimleri üreterek -0,9 V (Ag/AgCl'ye kıyasla) katot potansiyelinde %8-10 ve -1 V (Ag/AgCl'ye kıyasla) katot potansiyelinde %45-51 artış sağlamıştır. Reaktörler atık su biyokatıları ile beslendiğinde, Biyoelektrot ve ön biyofilm oluşturulmuş granüler aktif karbon (GAK) kombinasyonu CH4 üretimini kontrole kıyasla %16 artırmıştır. Genel olarak, metan üretim kinetiği AÇ-MEH entegrasyonu ile geliştirilmiştir. Sonuçlar, CH4 üretimindeki artışın esas olarak katot malzemesine ve katot potansiyeline bağlı olduğunu göstermiştir. Arkeal topluluk analizi, sığır gübresi ile beslenen grafit – grafit AÇ-MEH'lerin katodunda hidrojenotrofik metanojenlerin baskın olduğunu doğrulamıştır. AÇ-MEH reaktör performanslarının karşılaştırılması, elektrotlar üzerindeki biyofilmin kontrollü bir ortamda önceden yetiştirilmesinin gerekli olmadığını ve biyoelektrot kullanımının bakir elektrotlara göre performansta önemli bir avantaj sağlamadığını göstermiştir. Bu tezde, AÇ çıkışı için ileri arıtım olarak, sürdürülebilir katkı maddeleri ile strüvit çökeltilmesi araştırılmıştır. Kemik unu ve atık manyezit tozu, sığır gübresi çürütücü çıkış suyundan strüvit çökeltimi için saf P ve Mg katkı maddelerinin yerine kullanılmıştır. Önemli parametreler ve geri kazanım verimleri Box-Behnken modeli ile belirlenmiştir. Optimum koşullar altında (pH = 9.0, Mg:N = 2.2 ve P:N = 1.8), %97.8 ± 0.1 NH4-N, %96.6 ± 0.31 PO4-P ve %84.4 ± 0.9 Mg2+ geri kazanılmıştır. Çökeltilen ürün incelendiğinde, X-ışını kırınımında sadece strüvit kristalleri gözlemlenmiştir. Ürün saflığı %49 civarındadır ve atıkların kullanımı düşünüldüğünde bu oran oldukça yüksektir. Üründeki ağır metallerin ise gübre uygulaması için düzenleyici limitlerin altında olduğu görülmüştür. Özetle, her iki teknoloji de seçici faydalar sağlayarak AÇ sisteminin uygulamasını teşvik etmiştir. Önerilen teknolojiler iklim değişikliğinin ve besin tükenmesi etkilerini azaltma, buna ek olarak sürdürülebilir kalkınma hedeflerine ulaşılmasına yardımcı olma potansiyeline sahiptir. Yeni nesil biyogaz araştırmaları bu teknolojilerin ticarileştirilmesine odaklanmalıdır.
Özet (Çeviri)
Two novel technologies were studied to promote the application of anaerobic digestion (AD) in this thesis. AD was reconfigured with the microbial electrolysis cell (MEC). This thesis compared two methods for AD-MEC integrated system start-up: via the use of bioelectrodes (pre-biofilm formed in a controlled environment) vs. bare electrodes (without biofilm). Among all reactors, graphite-stainless steel bioelectrode AD-MECs fed with cattle manure at -0.95 V (vs. Ag/AgCl) cathode potential produced the highest CH4 yield per gram volatile solids (VS), corresponding to 105% increase compared to conventional AD. Graphite cathode AD-MECs fed with cattle manure generated similar CH4 productions in bioelectrode and bare electrode reactors resulting in 8-10% increase at -0.9 V (vs. Ag/AgCl) cathode potential and 45-51% increase at -1 V (vs. Ag/AgCl) cathode potential. When reactors were fed with wastewater biosolids, Bioelectrode, and pre-biofilm formed granular activated carbon (GAC) combination increased CH4 production by 16% in comparison to the control. Overall, the methane production kinetics were enhanced with the implementation of AD-MECs. The results showed that the reactor enhancements mainly depended on the cathode material and cathode potential. Archaeal community analysis confirmed the dominance of hydrogenotrophic methanogens on the cathode of graphite – graphite AD-MECs fed with cattle manure. The comparison of AD-MEC reactor performances indicated that pre-cultivation of biofilm on the electrodes in a controlled environment is not necessary and the use of bioelectrodes does not provide a significant advantage in the performance over bare electrodes. As a post-treatment of AD effluents, struvite precipitation with sustainable additives was investigated in this thesis. Bone meal and waste magnesite powder were used as a replacement for pure P and Mg additives for struvite precipitation from cattle manure digestate. The important parameters and recovery efficiencies were determined via the Box-Behnken model. Under optimal conditions (pH = 9.0, Mg:N = 2.2, and P:N = 1.8), 97.8 ± 0.1% NH4-N, 96.6 ± 0.31% PO4-P, and 84.4 ± 0.9% Mg2+ were recovered. When the precipitated product was examined, X-ray diffraction showed only struvite crystals. The product purity was around 49%, which is relatively high when the use of wastes is considered. Heavy metals in the product were below regulatory limits for fertilizer application. In summary, both technologies promoted the application of AD by providing selective benefits. The proposed processes have the potential to lower the impacts of climate change, reduce nutrient depletion impacts, and help achieve sustainable development goals. Next-generation biogas technology research should focus on commercializing these processes.
Benzer Tezler
- Treatment and valorization of anaerobic digestate
Anaerobık çürütücü çıkış suyunun arıtılması ve değerlendirilmesi
NİLÜFER ÜLGÜDÜR
Doktora
İngilizce
2019
Çevre MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. TUBA HANDE BAYRAMOĞLU
PROF. DR. GÖKSEL NİYAZİ DEMİRER
- Unlocking sustainability in wastewater denitrification through waste-derived volatile fatty acids
Atıktan kaynaklanan uçucu yağ asitleri yoluyla atıksu denitrifikasyonunda sürdürülebilirlik kilidinin açılması
TUĞBA WIKSTRÖM
Doktora
İngilizce
2024
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER
PROF. DR. MOHAMMAD J TAHERZADEH
- Application of different strategies to improve anaerobic digestion for organic fraction of municipal solid waste
Kentsel katı atıkların organik fraksiyonunun anaerobik çürütme performansını iyileştirmek için farklı stratejilerin uygulanması
YAĞMUR KABAKCI
Doktora
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OSMAN ATİLLA ARIKAN
PROF. DR. FEHMİ GÖRKEM ÜÇTUĞ
- Impact of process conditions on methane production in anaerobic digestion and microbial electrolysis cell (AD-MEC) integrated systems
Anaerobik çürütme ve mikrobial elektroliz hücre (AÇ-MEH) entegre sistemlerinde proses koşullarının metan üretimi üzerine etkisi
MERT ŞANLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Çevre MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ YASEMİN DİLŞAD YILMAZEL TOKEL
- Extended exergy accounting (EEA) analysis of Turkish society: Determination of environmental remediation costs
Genişletilmiş ekserji analizi metodunun Türkiye uygulaması: Çevresel etki maliyetlerinin belirlenmesi
CANDENİZ SEÇKİN
Doktora
İngilizce
2013
Enerjiİstanbul Teknik ÜniversitesiEnerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AHMET R. BAYÜLKEN
PROF. DR. ENRICO SCIUBBA