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
- Tez No: 876837
- Danışmanlar: PROF. DR. OSMAN ATİLLA ARIKAN, PROF. DR. FEHMİ GÖRKEM ÜÇTUĞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 103
Özet
Kentsel Katı Atık (KKA) yönetimi, evlerden, işletmelerden ve endüstrilerden gelen ambalaj, gıda atıkları ve gazete vb. maddeleri içeren, halk sağlığı, toplum refahı, çevresel sürdürülebilirlik ve ekonomik ilerleme üzerinde önemli etkileri olan dünya çapında bir konudur. Etkili KKA yönetimi, sürdürülebilir kentsel kalkınma için hayati önem taşımakta olup, depolama sahalarına bağımlılığı en aza indirmek ve atıktan enerji elde etme teknolojilerinden yararlanmada atık ayırma, geri dönüşüm ve etkin bertarafı vurgulamaktadır. Atık bileşimi ve mali kaynaklar gibi faktörler göz önünde bulundurulduğunda, atık yönetim sistemlerinin yerel koşullara göre plalanması büyük önem arz etmektedir. Bu tez, KKA'ların organik fraksiyonun farklı ön işlem stratejileri uygulanarak atıklardan elde edilen biyogaz miktarının artırılmasını hedeflemektedir. Atık yönetimi uygulamalarının verimli olması için KKA'ların özelliklerinin bilinmesi önemlidir. KKA'ların organik fraksiyonu, anaerobik çürütme (AÇ) yoluyla enerji geri kazanımında potansiyel taşımakta olup belediyelere çevresel faydaların yanı sıra ekonomik fırsatlar da sunmaktadır. Birinci çalışmada, Türkiye'deki tam ölçekli bir AÇ tesisinden alınan mekanik olarak ayrılmış organik atıkların bileşimi ve fizikokimyasal özellikleri incelenmiştir. Çalışma kapsamında 9 ay boyunca ayda bir alınan ortalama 48 kg numune kullanılmıştır. Numunelerde önce organik ve organik olmayan bileşenler olarak ayrılmıştır. Daha sonra organik olmayan bileşenler metal, cam, plastik, yapısal, tekstil ve inert olarak ayrılmış ve tartılmıştır. Tesisten alınan mekanik olarak ayrılmış organik atık numuneleri ve laboratuvarda elde ayrılan organik bileşim için pH, nem, toplam katılar,uçucu katılar, iletkenlik, üst ısıl değer ve elemental analiz (C, H, N, S) sonuçları değerlendirilmiştir. Çalışmadan elde edilen bulgulara göre, mekanik olarak ayrılmış organik atıkların içinde hala geri dönüştürülebilir (%8,99 ± 1,56) bileşenlerin bulunduğu tespit edilmiştir. Organik madde içeriği ise %76,45 ± 1,71'dir. Çevre Koruma Ajansı tarafından sunulan çevrimiçi program kullanılarak çevresel değerlendirme yapılmış ve geri dönüştürülebilir malzemelerin (metal, cam ve plastik) ayrılması durumunda önemli oranda enerji ve su geri kazanımının sağlanmasının yanı sıra depolama sahası ihtiyacının azalacağı ortaya konmuştur. Metaller (399.7 GJL) ve plastikler (403.7 GJL) neredeyse aynı miktarda enerji tasarrufu sağlarken, metaller en fazla su tasarrufunu sağlamıştır (421.8 kL) ve en büyük olumlu etki metaller için kaydedilmiştir. Sera gazı faydaları, her bir atık akışı için 3 ila 40 ton karbondioksit eşdeğeri arasındadır. Bu çalışma, ayrıca verimli ön ayırma ünitelerinin, organik atıkların çürütülebilirliğinin ve çevresel faydalarının artırılmasındaki önemini vurgulamakta, geri dönüştürülebilir atıkların AÇ'ye girişinin önlenmesi ile daha fazla çevresel fayda sağlanabileceğini göstermektedir. Bu çalışma ayrıca organik atığın karışık toplanan KKA'dan ayrılması için gelişmiş teknolojilere duyulan ihtiyacı ortaya koymaktadır. AÇ, farklı türdeki atıklar için sera gazı emisyonlarını azaltma ve yenilenebilir enerji üretme potansiyeline sahip etkili bir atık yönetim stratejisi olarak kabul edilmektedir. Organik atıklar yüksek biyolojik parçalanabilirlikleri sayesinde AÇ için iyi bir hammaddedir. Organik atığın fizikokimyasal özellikleri AÇ'nin verimliliğini ve biyogaz üretimini önemli ölçüde etkilemektedir. Ancak, organik atıkların hidroliz işlemi ile kompleks makro moleküllerden (protein, karbonhidrat, yağ) basit moleküllere (aminoasit, glikoz, yağ asidi) dönüştürülmesi AÇ için sınırlayıcı bir faktördür. Hidroliz, AÇ'de önemli bir aşama olup, özellikle organik atık gibi substratlar için atığın bozunma hızını sınırlamaktadır. İkinci ve üçüncü çalışmalarda, hidroliz verimliliğini iyileştirmek üzere elektrohidroliz ve enzim ön işlemleri araştırılmıştır. Deneysel çalışmalarda, elektrohidroliz ön işlem süresinin iki katına çıkarılması (30 dakikadan 60 dakikaya) ile metan üretiminde kayda değer iyileşmelerin yanı sıra lag fazının azaldığı tespit edilmiştir. Ön işlem uygulaması ile birlikte metan üretiminin %3-10 oranında arttığı tespit edilmiş ve bu duruma bağlı olarak AÇ sürecinin hızlandırılması ile biyogaz veriminin arttırılabileceği öngörülmüştür. Elektrohidroliz ön işleminin, organik atıkların hidrolizi üzerindeki etkilerini belirlemek için, otomatik biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) test sistemi kullanılarak termofilik (55°C) koşullarda çalışılmıştır. Özel tasarlanmış (1 L kapasiteli, silindirik boyutlandırılmış) bir reaktörde, iç kısmında katot ve dış kısmında anot elektrodu konumlandırılarak elektrohidroliz işlemi gerçekleştirilmiştir. Bu reaktörde 20 V gerilimde, 30 ve 60 dakika boyunca elektrohidroliz ön işlemi organik atıklara uygulanmıştır. Ön işlem uygulanmamış ve uygulanmış (30 dakika ve 60 dakika) organik atık numunelerinin g uçucu katı madde başına metan üretimleri sırasıyla 225±2 mL, 231±4 mL ve 248±7 mL olarak ölçülmüştür. Elektrohidroliz ön işlem uygulandığında, hidroliz aşamasındaki lag fazı, 30 dakika uygulama için %43, 60 dakika uygulama için ise %40 azalmıştır. Bu tez kapsamında, ayrıca organik atıklardaki kompleks makro moleküllerden basit moleküllere dönüştürülmesini artırmak için enzim ön işlemi araştırılmıştır. Enzim ön işlem uygulamasında ise Aspergillus oryzae'den elde edilen alfa amilaz enzimi, organik atıkların bozunmasının incelenmesi amacıyla kullanılmıştır. Alfa amilaz enziminin altı farklı konsantrasyonu (0.15, 0.3, 0.5, 1.0, 1.5 ve 3.0 mg/g UKMeklenen) doğrudan toz olarak ilave edilmiş ve otomatik biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) testleri gerçekleştirilmiştir. Çalışmadan elde edilen BMP test sonuçlarına göre metan veriminde yaklaşık %17,5 artış elde edilirken, lag fazında da %19,3'lük azalma gözlemlenmiştir. 0,5 mg/g UKMeklenen enzim ilave edildiğinde optimum sonuçlar elde edilmiş ve alfa amilazın organik atıkların biyolojik parçalanabilirliğini ve biyogaz üretimini artırmadaki verimliliği ortaya konmuştur. Elektrohidroliz ve enzim ön işlem uygulamalarında BMP testi sonuçları Modifiye Gompertz modeli ile değerlendirilmiştir. Her iki ön işlem için, deneysel sonuçlar model sonuçlar ile örtüşmüştür. BMP testi sonuçları, özellikle enzim ön işlem uygulamasında deneysel ve simüle edilmiş değerler arasında güçlü bir ilişki olduğunu göstermiştir. Özetle, bu tez, AÇ verimliliğini optimize etmek ve çevresel faydaları en üst düzeye çıkarmada KKA'ların organik fraksiyonunun bileşimini ve özelliklerini anlamanın ve yönetmenin önemine ışık tutmaktadır. Mekanik ayırma ünitelerinin verimliliği, elektrohidroliz ve enzim ön işlemlerinin uygulanması, KKA'ların organik fraksiyonunun anaerobik çürütülmesinde biyogaz üretimini arttırmada umut verici stratejiler olarak ortaya çıkmaktadır. Bununla birlikte, bu yaklaşımların büyük ölçekte uygulanabilmesi için daha fazla araştırma yapılması ve optimizasyonu gerekmektedir. Atık yönetimi sektörü, bu gelişmelerden yararlanarak daha sürdürülebilir uygulamalara yönelebilir, çevresel etkiyi azaltabilir ve döngüsel ekonomiye geçişte katkıda bulunabilir.
Özet (Çeviri)
Municipal Solid Waste (MSW) management is a worldwide issue with significant effects on public health, community welfare, environmental sustainability, and economic progress which includes items like packaging, food scraps, newspapers, and more, coming from homes, businesses, and industries. Effective MSW management is vital for sustainable urban development, emphasizing waste segregation, recycling, and treatment to minimize landfill reliance and harness waste-to-energy technologies. Tailoring waste management systems to local contexts is crucial, considering factors like waste composition and financial resources. From this perspective, this thesis focused on the characterization of MSW and increasing biogas production by applying different pretreatment strategies to organic fraction of MSW (OFMSW). Due to increasing population worldwide, it is essential to understand the MSW characteristics to apply efficient waste management strategies. The organic fraction of MSW (OFMSW) holds potential for energy recovery through anaerobic digestion (AD), offering municipalities economic opportunities besides environmental benefits. In the first study, waste composition and physiochemical of the mechanically separated OFMSW (ms-OFMSW) at a full-scale AD plant in Türkiye was evaluated. ms-OFMSW predominantly comprised of organic matter (76.45 ± 1.71%), alongside recyclable (8.99 ± 1.56%) and non-recyclable (14.56 ± 1.69%) components according to the findings of this study. Environmental assessment was conducted using Environmental Protection Agency's online tool (Recyculator tool) underscored the substantial energy and water savings associated with segregating recyclable materials (metal, glass and plastic) from the waste stream. Moreover, this study highlighted the importance of efficient pre-separation units in enhancing OFMSW digestibility and maximizing environmental benefits. AD is recognized as an effective waste management strategy for different types of waste with the potential to mitigate greenhouse gas emissions (GHGs) while concurrently generating renewable energy. The physicochemical characteristics of OFMSW can significantly influence the AD process's efficiency and biogas production. Hydrolysis, a pivotal step in AD, is often rate-limiting for degradation of waste, particularly for substrates like OFMSW. In the second and third studies, electrohydrolysis and enzyme pretreatment were explored to improve hydrolysis efficiency. Experiments showed that doubling electrohydrolysis treatment time (from 30 minutes to 60 minutes) led to notable improvements in methane production, with a significant reduction in the lag phase. Methane production increased by 3–10% following electrohydrolysis pretreatment, underscoring its potential to expedite the AD process and enhance biogas yields. While in the enzyme pretreatment, anaerobic degradation of organic waste was investigated by employing alpha amylase enzyme which was obtained from Aspergillus oryzae. According to the results, a significant increase in the methane yield and a decrease in the lag phase was observed. Optimum results were obtained with the addition of 0.5 mg of enzyme per g volatile solids (VS) added, highlighting the effectiveness of alpha amylase in enhancing the biodegradability and biogas production of OFMSW. In summary, this thesis sheds light on the importance of understanding and managing OFMSW characteristics to optimize AD efficiency and maximize environmental benefits. Efficient pre-separation units, electrohydrolysis and enzyme pretreatment emerge as promising strategies for enhancing OFMSW digestibility and biogas production in AD processes. However, further research is warranted to fully explore and optimize these approaches for practical implementation on a larger scale. By leveraging these advancements, the waste management sector can move towards more sustainable practices, reducing environmental impact and contributing to the transition to a circular economy.
Benzer Tezler
- Application of different strategies to improve aerobic granular sludge process performance for treatment of municipal wastewater
Kentsel atıksu arıtımında aerobik granüler çamur prosesinin arıtma performansını iyileştirmek için farklı stratejilerin uygulanması
ŞADİYE KOŞAR
Doktora
İngilizce
2022
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Physiological investigation of Rhodobacter sphaeroides
Rhodobacter sphaeroides in fizyolojik incelenmesi
ÖZGE ÖZMERAL
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesiİleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ZEYNEP PETEK ÇAKAR
- Türkiye sağlık sektöründe rekabet stratejileri: Hastaneler üzerine bir araştırma
Competition strategies in turkey health sector: A study on hospitals
MAHMUT AKBOLAT
- Asembiyotik bakteriyel diazotrofların topraklardaki etkilerinin ve mevcut mikrobiyolojik özellikler ile etkileşimlerinin incelenmesi
Investigation of the effects of asembiotic bacterial diazotrophs in soil and its interactions with indigenous microbiological properties
SEVDE AYYILDIZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
ZiraatEge ÜniversitesiToprak Bilimi ve Bitki Besleme Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HÜSEYİN HÜSNÜ KAYIKÇIOĞLU