Exploring the use of microbial fuel cells for sewage treatment on cargo and cruise ships
Kargo ve yolcu gemilerinde atık su arıtımı için mikrobiyal yakıt hücrelerinin kullanımının araştırılması
- Tez No: 874222
- Danışmanlar: DOÇ. DR. GAZİ KOÇAK
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Denizcilik, Marine
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Deniz Ulaştırma Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 125
Özet
Son yıllarda, deniz taşımacılığının hızla yaygınlaşması bir dizi çevresel kaygının ortaya çıkmasına neden olmuştur. Deniz kirliliğinin kontrolü alanında önemli ölçüde ilgi çeken sorunlardan biri de gemiler tarafından üretilen atık suların arıtılması için etkili çözümlerin araştırılması ve uygulanmasıdır. Son zamanlarda, MARPOL'de ve dünyanın dört bir yanındaki ulusal ve bölgesel mevzuatta, gemi kaynaklı atık suların deniz çevresi üzerindeki etkisini uygun şekilde sınırlandırmak amacıyla önemli değişiklikler yapılmıştır. Öte yandan, yeterli teknoloji, altyapı ve yönetim eksikliği, gemi kaynaklı katı atıkların neden olduğu kirlilik miktarında büyük bir artışa yol açmıştır. Kruvaziyer sektörünün her yıl dünya çapında 22 milyondan fazla insanı taşıdığı tahmin edilmektedir. Şu anda dünya okyanuslarında 302 kruvaziyer gemisi seyretmektedir. Kruvaziyer gemileri toplam gemilerin sadece %1'inden az kısmını oluşturmasına karşın deniz atıklarının %25'i kravaziyer gemilerinden kaynaklanmaktadır. Buna ek olarak, Avrupa mevzuatı malların deniz yoluyla taşınmasını teşvik ederek deniz yoluyla seyahat eden insan (çalışan) sayısının daha da artmasına yol açmaktadır. Deniz taşımacılığındaki artışa, dünya genelinde gemi kaynaklı atık miktarındaki artış da eşlik etmektedir. Gemilerden gelen atık su, nereden geldiğine bağlı olarak siyah su veya gri su olarak sınıflandırılabilir. Siyah sudan bahsettiğimizde, tuvaletler ve tıbbi tesisler tarafından üretilen atık sudan bahsediyoruz. Gri su ise banyolar, mutfaklar ve çamaşırhaneler tarafından üretilen atık sudur. Zaman zaman, gemilerdeki atık su konsantrasyonu tipik olarak karadakinden iki ila üç kat daha yüksektir. Bunun nedeni gemide alınan su tasarrufu önlemleridir. Mineraller ve patojenler gibi önemli seviyelerde kirletici içeren küçük miktarlardaki siyah su bile önemli bir kirlenme riski oluşturmaktadır. Farklı kirletici türlerinden biri olan azot, su ekosistemlerinin dengesini bozabilen bir süreç olan ötrofikasyonun başlıca nedeni olarak tanımlanmıştır. Ötrofikasyon, alg patlamaları olarak da bilinen aşırı alg büyümesi ile karakterize edilen bir durumdur. Bu durum sudaki çözünmüş oksijen seviyelerini olumsuz yönde etkiler ve diğer deniz yaşamının normal işleyişini engeller. Ayrıca balıkçılığı tehdit eder ve zararlı toksinler salgılar. Sonuç olarak, kirleticiler besin zincirinin her aşamasında birikerek insan sağlığı için potansiyel bir tehdit oluşturur. Gemide evsel atık suyun arıtılması için kullanılan yöntemler çoğunlukla kentsel evsel atık su arıtımında kullanılan tekniklerin değiştirilmesi ve geliştirilmesine dayanmaktadır. Atık su üretiminin ve nakliyesinin farklı özellikleri nedeniyle, atık suyun etkin bir şekilde arıtılması ve belirlenen zaman ve alan sınırları içinde deşarj standartlarına uyulması zordur. Bu zorlukların üstesinden gelmek için tek bir teknoloji yeterli değildir. Gemiler, genel olarak üç ana kategoride sınıflandırılabilecek birçok arıtma yöntemi kullanmaktadır: fiziksel, kimyasal ve biyolojik. Bu kategoriler temel çalışma prensiplerinden türetilmiştir Son yirmi yıldan beri gelişmeye başlayan ve atık su arıtma da dahil birçok konuda popülerlik kazanan mikrobiyal yakıt hücreleri biyolojik olarak parçalanabilen organik atıkları kullanmak üzere geliştirilmektedir. Bu yaklaşım, elektrot yüzeylerinde yarı reaksiyonları etkili bir şekilde katalize edebilen bakterilerin yakın zamanda keşfedilmesi nedeniyle yenilikçi olarak kabul edilmektedir. MYH'ler, bakteriler tarafından üretilen indirgeme gücünü elektrik enerjisine dönüştürebilen özel bir biyoelektrokimyasal dönüştürücü türüdür. Mikrobiyal yakıt hücrelerine olan ilginin son zamanlarda artması, atık bertarafı ve elektrik üretimini birleştirme potansiyellerine bağlanabilir. Bu süreçte mikroorganizmalar doğrudan organik kaynaklardan elektrik üretmek için kullanılır. MFC'lerin elektrik üretimi, atık su arıtımı, biyoremediasyon, biyosensörler, biyohidrojen üretimi, tuzdan arındırma gibi çok sayıda uygulama alanı vardır. Gemi kaynaklı atık su, normal belediye kanalizasyonundan daha yüksek seviyelerde tuz, kimyasal oksijen ihtiyacı, amonyak, fosfat ve toplam askıda katı madde içerir. Gemilerden gelen ham atık su çok yüksek seviyelerde virüs, bakteri ve parazitlerle ilişkilidir. Besin açısından zengin siyah ve gri suyun doğrudan kıyı ve iç sulara boşaltılması önemli kirliliğe ve çevresel hasara neden olabilir. Herhangi bir su ortamı, atık su deşarjlarından kaynaklanan çok çeşitli etkilere karşı hassastır. Ancak bu etki en çok marinalarda, düşük debili nehirlerde, göllerde ve diğer düşük debili su kütlelerinde görülmektedir. Bu araştırmada MYH sistemlerinin gemilerde atık su arıtma sistemleri yerine kullanılabilirliği araştırılmıştır. Araştırma yapılırken 1000 litrelik MYH ve 1500 litrelik MES sistemi incelenmiştir. MYH sisteminde yan eleman olarak su oluşmaktadır ve elektrik üretimi daha fazladır. MES sisteminde ise su yerine Hidrojen oluşmatadır ve elektrik üretimi MYH'lere kıyasla daha azdır. 1000 litrelik sistem 50 tane 20 litrelik modüllerden oluşmaktadır 1500 litrelik sistem ise tek parçadır. Bu iki ayrı modeli incelemek bize farklı COD oranlarında arıtım yapmak için birden fazla modül birleştirilebileceğini ve tek parça ama daha büyük ölçekli modellerin de kullanılabileceğini gösterdi. Araştırmada genel gemi kitlelerini incelemek 12 kişilik kargo gemisi, ve sayıları az olmalarına karşın yüksek seviyede atık üreten kruvaziyer gemilerinden 3600 kişilik kruvaziyer gemisi göz önüne alınmıştır. 1500 litrelik MES sistemine model 1 ve 1000 litrelik MYH sistemine model 2 denmiştir. Model 1, 12 kişilik genel kargo gemisine kurulduğunda kapasitesinin yarısında çalışmaktadır ama arıtım zamanını 2 katına çıkardığımızda bu dengelenmekte ve enerji üretimi artmaktadır ve toplam enerji üretimi -0.03214 kWh/m³ olmaktadır. Kurvaziyer gemisine konduğunda 1 tanesi yetmemektedir ve kurvaziyer gemisinin arıtım oranını karşılamak için 70 tane kurulması gerekmektedir yer açısından 70 tane kurulması olanaksız olsa da teorik olarak konulduğunu varsaydığımızda geminin tüm arıtım ihtiyacını karşılarken -2.408 kWh/m3 elektrik üretmektedir. Model 2, 12 kişilik genel kargo gemisine kurulduğunda tam kapasite çalışmaktadır, toplam enerji üretimi 0.033 ± 0.005 kWh/m³ olmaktadır. Kurvaziyer gemisine konduğunda 1 tanesi yetmemektedir ve kurvaziyer gemisinin arıtım oranını karşılamak için 124 tane kurulması gerekmektedir yer açısından 124 tane kurulması olanaksız olsa da teorik olarak konulduğunu varsaydığımızda geminin tüm arıtım ihtiyacını karşılarken 4,092 kWh/m3 elektrik üretmektedir. Atık suyu araştırılırken gerçek bir gemiden alınmış sewage değerleri, modellerin arıtma yaptığı tesislerin değerlerinin 3 katı ve kurvaziyer gemisi için de USEPA araştırma sonucunda yayınladığı değeler kullanılmıştır. Model 1, 12 kişilik genel kargo gemisinin atık suyunu COD ve TN bakımından MARPOL standartlarına uygun olarak arıtabilmektedir. Ancak 3 katı ile çarpılan değerler için ve USEPA'nın değerleri baz alındığında arıtım yeterleri olmamaktadır. Model 2 de, 12 kişilik genel kargo gemisinin atık suyunu COD bakımından MARPOL standartlarına uygun olarak arıtabilmektedir. Ancak 3 katı ile çarpılan değerler için ve USEPA'nın değerleri baz alındığında arıtım yeterleri olmamaktadır. Model 1 1700 dolar, model 2 36000 dolar tutmaktadır. Karşılaştırma olarak Wartsila'nın STC03 modelleri 16000 dolar civarlarındadır. Model 1, 27 ve daha az mürettebatı olan gemiler için COD ve TN değerleri açısından sadece 1 tane yetmekte olup 1700 dolarlık maliyeti ile de çok uygun olmaktadır. MARPOL kurallarına uygunluğu belirtilen şekillerde incelenerek gemi uygunluğu test edildikten sonra kullanımı gayet mümkün ve karlı görünmektedir. Model 2 ise hem fiyatı hem arıtımı bakımından uygun gözükmemektedir ama bize seri şekilde birden fazla modülün bağlanarak da kullanılabileceğini göstermesi açısından değerlidir. Araştırma sonucunda düşük COD ve TN oranlarına sahip gemiler için mevcut MFC teknolojileri ile atık su arıtımının mümkün olduğu anlaşılmıştır. Ancak daha yoğun atık sular için mevcut MFC sistemleri Marpol kurallarına göre yetersiz kalmaktadır.
Özet (Çeviri)
In recent years, the rapid expansion of maritime transport has led to the emergence of a number of environmental concerns. One of the problems that has attracted considerable attention in the field of marine pollution control is the research and implementation of effective solutions for the treatment of ship-generated wastewater. Recently, significant changes have been made to the MARPOL and to national and regional legislation around the world to adequately limit the impact of ship-generated wastewater on the marine environment. On the other hand, the lack of adequate technology, infrastructure and management has led to a significant increase in the amount of pollution caused by solid waste from ships. It is estimated that the cruise industry transports more than 22 million people worldwide each year. There are currently 302 cruise ships sailing the world's oceans. Although cruise ships account for less than 1 per cent of the total number of ships, 25 per cent of marine waste comes from cruise ships. In addition, European legislation encourages the transport of goods by sea, leading to a further increase in the number of people (workers) travelling by sea. The increase in maritime transport is accompanied by an increase in the amount of waste generated by ships worldwide. Waste water from ships can be classified as black water or grey water, depending on where it comes from. When we talk about black water, we are referring to wastewater from toilets and medical facilities. Grey water is wastewater from bathrooms, galleys and laundries. At times, wastewater concentrations on ships are typically two to three times higher than on land. This is due to the water-saving measures taken on board. Even small amounts of black water containing significant levels of contaminants such as minerals and pathogens pose a significant risk of contamination. Nitrogen, one of the different types of pollutants, has been identified as a major cause of eutrophication, a process that can destabilise aquatic ecosystems. Eutrophication is a condition characterised by excessive growth of algae, also known as algal blooms. This adversely affects dissolved oxygen levels in the water and prevents other marine life from functioning normally. It also threatens fisheries and releases harmful toxins. As a result, pollutants accumulate at all levels of the food chain, posing a potential threat to human health. The methods used to treat domestic wastewater on board ships are mostly based on the modification and development of techniques used to treat urban domestic wastewater. Due to the different characteristics of wastewater production and transport, it is difficult to treat wastewater effectively and meet discharge standards within the specified time and area limits. No single technology is sufficient to meet these challenges. Ships use many treatment methods, which can be broadly classified into three main categories: physical, chemical and biological. These categories are derived from basic operating principles MFCs are being developed to utilise biodegradable organic wastes, which have been developed over the last two decades and are gaining popularity in many applications, including wastewater treatment. This approach is considered innovative due to the recent discovery of bacteria capable of efficiently catalysing semi-reactions on electrode surfaces. MFCs are a special type of bioelectrochemical converter that can convert the reduction energy produced by bacteria into electrical energy. The recent surge in interest in microbial fuel cells can be attributed to their potential to combine waste disposal and electricity generation. The process uses microorganisms to generate electricity directly from organic sources. MFCs have numerous applications including power generation, wastewater treatment, bioremediation, biosensors, biohydrogen production and desalination. Ship-generated wastewater contains higher levels of salt, chemical oxygen demand, ammonia, phosphate and than normal municipal wastewater. Raw sewage from ships is associated with very high levels of viruses, bacteria and parasites. Discharging nutrient-rich black and grey water directly into coastal and inland waters can cause significant pollution and environmental damage. Any aquatic environment is susceptible to a wide range of impacts from sewage discharges. However, these impacts are most pronounced in marinas, low flow rivers, lakes and other low flow water bodies. This study investigated the suitability of MFC systems as a replacement for wastewater treatment systems on ships. A 1000 litre MFC system and a 1500 litre MES system were investigated. In the MFC system, water is produced as a byproduct and electricity production is higher. In the MES system, hydrogen is formed instead of water and the electricity production is lower compared to MFCs. The 1000 litre system consists of 50 20 litre modules and the 1500 litre system is a single piece. Investigation of these two separate models has shown that multiple modules can be combined to treat different COD rates and that single piece but larger scale models can also be used. The research analysed general ship masses by considering a 12-passenger cargo ship and a 3600-passenger cruise ship, cruise ships that generate large amounts of waste despite their small numbers. The 1500 litre MES system is referred to as Model 1 and the 1000 litre MFC system is referred to as Model 2. Model 1 operates at half capacity when installed on a 12-passenger general cargo ship, but doubling the treatment time compensates for this and the energy production increases to a total energy production of -0.03214 kWh/m³. When installed on a cruise ship, 1 of them is not enough and 70 of them should be installed to meet the cruise ship's treatment rate. Although it is impossible to install 70 of them in terms of space, if we assume that it is theoretically installed, it meets all the treatment needs of the ship and produces -2.408 kWh/m3 of electricity. Model 2 works at full capacity when installed on a 12 passenger general cargo ship, the total energy production is 0.033 ± 0.005 kWh/m³. When installed on a cruise ship, 1 of them is not enough and 124 of them should be installed to meet the cruise ship's treatment rate. Although it is impossible to install 124 of them due to space constraints, theoretically, if we assume that they are installed, they produce 4,092 kWh/m3 of electricity while meeting all the ship's treatment needs. The effluent study used effluent values taken from a real ship, 3 times the values of the facilities treated by the models, and the values published by the USEPA as a result of the cruise ship study. Model 1 is able to treat the effluent of a 12 passenger general cargo ship in terms of COD and TN according to MARPOL standards. However, for values multiplied by 3 and based on USEPA values, the treatment is not sufficient. Model 2 is also able to treat the effluent of a 12-person general cargo ship to MARPOL standards for COD. However, for values multiplied by 3 and based on USEPA values, the treatment is not sufficient. Model 1 costs $1700 and Model 2 costs $36000. For comparison, Wartsila's STC03 models cost about $16000. Model 1 is sufficient for ships with 27 crew members or less in terms of COD and TN values and is very suitable with its cost of 1700 dollars. It seems to be very possible and profitable to use it after checking the suitability of the ship by checking its compliance with the MARPOL rules in the specified ways. Model 2 does not seem to be suitable in terms of both price and treatment, but it is valuable in showing us that it can be used by connecting more than one module in series. As a result of the research, it is assumed that wastewater treatment with existing MFC technologies is possible for ships with low COD and TN rates. However, for more concentrated effluents, existing MFC systems are inadequate according to MARPOL regulations.
Benzer Tezler
- Yüzen akuatik bitki sistemlerinde azot giderim prensipleri
The principles of nitrogen removal in floating aquatic plant systems
BERRAK EROL
Yüksek Lisans
Türkçe
1997
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LÜTFİ AKÇA
- Microbiota analysis in dishwashers by using the next generation sequencing
Bulaşık makinalarındaki mikrobiotanın belirlenmesinde yeni nesil dna dizi analiz tekniğinin kullanılması
DUYGU KAVADARLI
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NEVİN GÜL-KARAGÜLER
PROF. DR. MELEK TÜTER
- Enhancing wastewater treatment efficiency through laccase-mediated biodegradation of trace organic contaminants
Kalıcı organik kirleticilerin laccase aracılı bıodegredasyonu ile atıksu arıtım verimliliğinin artırılması
GÜLTEN YÜKSEK
Doktora
İngilizce
2023
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR
PROF. DR. HUBERT CABANA
- Assessing the impacts of urban land use/land cover change on soil ecosystem services
Kentsel arazi kullanımı/arazi örtüsü değişiminin toprak ekosistem servisleri üzerindeki etkilerinin değerlendirilmesi
MELTEM DELİBAŞ
Doktora
İngilizce
2023
Şehircilik ve Bölge Planlamaİstanbul Teknik ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AZİME TEZER
- Aktif çamurda çözünmüş kalıcı ürün oluşumu modeli
Modelling of inert soluble product formation in the activated sludge process
NAZİK ARTAN