Unlocking sustainability in wastewater denitrification through waste-derived volatile fatty acids
Atıktan kaynaklanan uçucu yağ asitleri yoluyla atıksu denitrifikasyonunda sürdürülebilirlik kilidinin açılması
- Tez No: 898518
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER, PROF. DR. MOHAMMAD J TAHERZADEH
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Biyoteknoloji, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, 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: 140
Özet
Atık su arıtımı, atık suyun çevreye desarj edilmesi öncesi kirleticileri ve askıda katı maddeleri uzaklaştırmak için tasarlanmış çok önemli bir işlemdir. Evsel atık sularda bulunan başlıca besin kirleticilerinden biri nitrojendir. Biyolojik arıtma prosesi, atık su arıtma tesislerinde (AAT) besin giderimi için kullanılan en yaygın prosestir. Geleneksel olarak atık su, organik karbon kaynağının, heterotrofik denitrifikasyon maddeleri için denitrifikasyon prosesinde bir elektron vericisi olarak görev yaptığı nitrifikasyon ve denitrifikasyon prosesleri yoluyla nitrojenin uzaklaştırılmasına tabi tutulur. Bu nedenle biyolojik azot giderimi sırasında atıksu arıtımında karbon kaynakları önemli bir rol oynamaktadır. Dahada sıkılastırılan ya da öngörülen deşarj standartlarının etkisiyle artan denitrifikasyon ihtiyacı, harici karbon kaynaklarına olan talebin artmasına yol açıyor. Atık su arıtımında geleneksel olarak kullanılan metanol veya etanol gibi harici karbon kaynakları çoğunlukla fosil kökenli kaynaklari kullanarak elde ediliyor ve bu da çevresel ve ekonomik kaygıları artırıyor. Bu konuları ele almak için bu tez calışması, denitrifikasyonda karbon kaynağı için daha etkili bir çözümü araştırmaktadır: Atıklardan türetilen uçucu yağ asitleri (UYA'lar)'nin kullanımı. UYA'lar, karbon zincirleri 2 ila 6 arasında değişen (asetik asit, propiyonik asit, bütirik asit vb.) yağ asitleridir ve ara metabolitler olarak çeşitli organik atık malzemelerin anaerobik fermentasyonu (AF) sırasında elde edilebilir. Atıkların UYA'lara dönüştürülmesi, giderek artan atık miktarının azaltılmasına yönelik ek bir araç da sunuyor. Sonuç olarak UYA'lar, ekolojik etkileri azaltırken denitrifikasyon süreçlerini optimize etme konusunda umut vaat eden sürdürülebilir bir alternatif sunuyor. Sürdürülebilir UYA üretimi için batık anaerobik membran biyoreaktörlerinin (MBR'ler) uygulanabilirliğini doğrulayan uzun vadeli fermantasyon ve filtrasyonu birleştiren sistem kurulmuştur ve 11,8 g/L'ye kadar konsantrasyonda hızlı UYA üretimi başarıyla gerçekleştirilmiştir. Optimum koşullar altında, fermente patates protein likörü (FPPL) substratı ve aşı olarak tavuk gübresi kullanılarak 1 g UKM/L/gün organik yükleme oranı (OLR) için 0,65 g UYA/g UKMbeslenen gibi yüksek bir verim elde edildi. İkinci deneysel çalışmada, yüksek amonyum içeren UYA çıkış suyu, tavuk gübresi (CKM) türevi UYA çıkış suyu, amonyumun uzaklaştırılması için iyon değiştirme işlemine tabi tutulmuştur. Amonyum giderme potansiyeli, düşük maliyetli bir doğal iyon değiştirici olan klinoptilolit kullanılarak araştırıldı. Maksimum adsorpsiyon xxiv kapasitesi (qm) 15,7 mg NH4+/g klinoptilolit olarak bulunmuştur. Belirlenen optimum koşullarda amonyum giderimleri karşılaştırılmış ve sentetik ve AF-UYA çözeltileri için 12 saatlik denge süresinde sırasıyla ortalama %93 ve %94'lük ortalama amonyum giderim verimleri bulunmuştur. Genel bulgular, çözeltiyi yüksek amonyum içeriğinden arındırmak için VFA'ların asidojenik fermantasyonu gibi biyolojik işlemlerle birleştirildiğinde klinoptilolitin mükemmel iyon değişimi potansiyeline sahip olduğunu gösterdi. Metanol gibi fosil kökenli malzemeler, ileri biyolojik atıksu arıtımında denitrifikasyon prosesinde dış karbon kaynağı olarak sıklıkla kullanılmaktadır. Gıda atıklarının anaerobik parçalanması ile üretilen uçucu yağ asitleri (UYA'lar), denitrifikasyon için karbon kaynağı olarak hareket etme, karbon ayak izini ve malzeme maliyetlerini azaltma potansiyeline sahip sürdürülebilir bileşiklerdir. UYA'ların harici karbon kaynağı olarak uygulanması, atık su arıtımında sürdürülebilir denitrifikasyon için yeni bir olasılık sunmaktadır. Yapılan çalışmalarda, gıda atıklarından elde edilen UYA'ların (AF-UYA) denitrifikasyon sonrası süreçte etkinliği, karbon kaynağı olarak sentetik VFA ve metanol ile karşılaştırmalı olarak araştırılmıştır. Asetik asit, tek test edilen VFA'lar arasında en yüksek giderim verimine sahipti ve 0,44 g NOx-N giderilen/m2/gün denitrifikasyon oranıyla kıyaslanabilir bir verime işaret ediyordu. AF-UYA'da uzaklaştırılan NOx-N/m2/gün 0,61 mg denitrifikasyon oranına sahipken, sVFA'da uzaklaştırılan NOx-N/m2/gün oranı 0,57 mg idi, bu da AF-UYA'daki safsızlıkların denitrifikasyonda önemli bir rol oynamadığını göstermektedir . AF- UYA'nın atık su arıtma tesislerinde denitrifikasyon için umut verici bir karbon kaynağı alternatifi olduğu kanıtlandı. Devam çalışmasında, karbon kaynağı olarak yalnızca AF-UYAPPL eklenmiş olmasına rağmen, metanolden (1,04 ± 0,46 mg NOx-N uzaklaştırılmış/m2/gün) daha yavaş bir denitrifikasyon kapasitesine (0,56 ± 0,13 mg NOx-N uzaklaştırılmış/m2/gün) sahip olmuştur. Metanolün %50'ye kadarı atıktan türetilmiş AF-UYAPPL ile değiştirilebilir ve saf metanol ile karşılaştırılabilir performansa (1,08 ± 0,07 mg NOx-N uzaklaştırılmış/m2/gün) ulaşılabilir. Bu, VFA'ların metanolle birlikte eklenmesinin performans açısından saf metanol ile tamamen rekabet edebileceğini kanıtlanmaktadır. Bu entegrasyon, fosil kaynaklı kaynaklara olan bağımlılığı azaltırken paralel denitrifikasyon performansı sağlayan sürdürülebilir bir yaklaşım olarak ortaya çıkmıştır. Bu, UYA'ların metanolle birlikte eklenmesinin performans açısından saf metanol ile tamamen rekabet edebileceğini kanıtlamakta ve atık su arıtma tesislerine potansiyel olarak karbon ayak izlerini azaltmadir, aynı zamanda atıklardan geri kazanılan besinlerden faydalanırken pratikte daha sürdürülebilir hale gelme konusunda umut verici bir fırsat sunmaktadir. Bu çalışmanın sonuçları, atık su arıtma tesislerinde sürdürülebilir denitrifikasyon için atıklardan türetilen UYA'larının kullanımının potansiyelini vurgulamaktadır. UYA'ların kullanımı, sadece çevresel etkileri azaltmakla kalmaz, aynı zamanda ekonomik açıdan da avantajlar sunar. Geleneksel fosil kökenli karbon kaynaklarına olan bağımlılığı azaltarak, atık su arıtma süreçlerinin daha sürdürülebilir ve maliyet etkin hale gelmesine katkıda bulunur. Ayrıca, atıkların değerli bir kaynağa dönüştürülmesi, döngüsel ekonomi prensiplerine uygun olarak atık yönetiminde yeni xxv bir paradigma oluşturur. Bu bağlamda, UYA'ların geniş çapta benimsenmesi, hem çevresel sürdürülebilirliği artıracak hem de atık su arıtma tesislerinin operasyonel verimliliğini yükseltecektir. Sonuç olarak bu tez, atık su arıtma tesislerinin ötesinde, değerli kaynakların geri kazanıldığı yerler olarak AAT'leri yeniden tasavvur etmektedir. UYA üretimi ile katma değerli kullanım arasında köprü kurmak, biyorafinerileri güçlendirme ve çevre dostu atıksu çözümlerini teşvik etme potansiyelini barındırmaktadır.
Özet (Çeviri)
Wastewater treatment is a crucial process, designed to remove contaminants and suspended solids from wastewater prior to its discharge into the environment. One of the primary nutrient contaminants found in municipal wastewater is nitrogen. Biological treatment process is the most common process employed in wastewater treatment plants (WWTPs) for nutrient removal. Traditionally, wastewater has undergone nitrogen removal through nitrification and denitrification processes, where organic carbon source has served as an electron donor in the denitrification process for heterotrophic denitrifiers. Therefore, carbon sources play an important role in wastewater treatment during biological nitrogen removal. The growing need for improved denitrification, driven by stricter nutrient discharge standards, is leading to an increased demand for external carbon sources. External carbon sources conventionally used in wastewater treatment such as methanol or ethanol are often acquired from fossil derived sources, raising environmental and economic concerns. To address these issues, this thesis explores a more effective solution for carbon source in denitrification: waste-derived volatile fatty acids (VFAs). VFAs are fatty acids with carbon chains ranging from 2 to 6 (such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, etc.), generated and can be obtained during the anaerobic digestion (AD) of various organic waste materials as intermediate metabolites. The transformation of waste into VFAs also offers an additional means to reduce the ever-increasing amount of waste. Consequently, VFAs present a sustainable alternative that shows promise in optimizing denitrification processes while mitigating ecological impacts. Long-term fermentation and filtration, affirming the viability of immersed anaerobic membrane bioreactors (MBRs) for sustainable VFA generation was constructed and rapid generation of VFAs at a concentration of up to 11.8 g/L could be successfully achieved. The effect of pH in the batch experiments on the production and yield of VFAs during acidogenic digestion was evaluated. Under the optimal conditions, a high yield of 0.65 g VFAs/g VSfed was obtained for the organic loading rate (OLR) of 1 g VS/L/d using FPPL substrate and chicken manure as inoculum. The results show that the application of sequential multi-step bioconversion of potato starch industry residues has the potential to increase the variety of value-added products generated from a single organic residue while enhancing nutrient recovery capacity. In the second experimental work, VFA effluent with high ammonium, chicken manure (CKM) derived VFA effluent, was subjected to ion exchange process to remove ammonium. Ammonium removal potential was explored by using a low-cost natural xx ion exchanger, clinoptilolite. Experiments were conducted for both synthetic and actual VFA (AD-VFA) solutions, and the effects of different parameters were investigated with batch and continuous studies. It was observed that the Langmuir- type isotherm provided the best fit to the equilibrium data in the isotherm investigations carried out with the AD-VFA solution. The maximum adsorption capacity (qm) was found as 15.7 mg NH4+/g clinoptilolite. The effect of some operational parameters on process performance such as pH, initial NH4+ loading and potassium ion (K+) concentration were investigated. The pH had a negligible effect on ammonium removal for a pH range of 3-7, while the removal efficiency of ammonium decreased with the increase of initial NH4+ loading and K+ concentration. At the optimum conditions determined in batch experiments, the ammonium removal from synthetic and AD-VFA solutions were compared and average ammonium removal efficiencies of 93 and 94% were found in 12 h equilibrium time for synthetic and AD- VFA solutions, respectively. Overall findings indicated that clinoptilolite has excellent potential for ion exchange when combined with biological processes such as acidogenic fermentation of VFAs to purify the solution from high-ammonium content. Fossil-based materials such as methanol are frequently used in the denitrification process of advanced biological wastewater treatment as external carbon source. Volatile fatty acids (VFAs) produced by anaerobic digestion of food waste, are sustainable compounds with the potential to act as carbon sources for denitrification, reducing carbon footprint and material costs. The application of VFAs as external carbon source presents a novel possibility for sustainable denitrification in wastewater treatment. In the studies performed, the effectiveness of food waste-derived VFAs (AD-VFA) was investigated in the post-denitrification process in comparison with synthetic VFA and methanol as carbon sources. Acetic acid had the highest rate of disappearance among single tested VFAs with a denitrification rate of 0.44 g NOx-N removed/m2/day, indicating a preferential utilization pattern. While AD-VFA had a denitrification rate of 0.61 mg NOx-N removed/m2/day, sVFA had a rate of 0.57 mg NOx-N removed/m2/day, indicating that impurities in AD-VFA did not play substantial role in denitrification. AD-VFA proved to be promising carbon source alternative for denitrification in wastewater treatment plants. In the continuation study, although solely added AD-VFAPPL as a carbon source had a slower denitrification capability (0.56 ± 0.13 mg NOx-N removed/m2/day) than methanol (1.04 ± 0.46 mg NOx-N removed/m2/day), up to 50% of the methanol can be replaced by waste-derived AD- VFAPPL and achieve comparable performance (1.08 ± 0.07 mg NOx-N removed/m2/day) with the pure methanol. This proves that the co-addition of VFAs together with methanol can fully compete with pure methanol in performance. This integration emerges as a sustainable approach, attaining parallel denitrification performance while reducing reliance on fossil-derived sources. This proves that the co-addition of VFAs together with methanol can fully compete with pure methanol in performance, providing a promising opportunity for wastewater treatment plants to potentially reduce their carbon footprint and become more sustainable in practice while benefiting from recovered nutrients from waste. xxi In conclusion, this thesis reimagines WWTPs as places that recover valuable resources, going beyond only wastewater treatment. Bridging VFA generation with value-added usage holds the potential to strengthen biorefineries and promote environmentally friendly wastewater solutions.
Benzer Tezler
- Public art in the context of urban landscape; The case of istanbul, Yeldeğirmeni
Kent Peyzajı Bağlamında Kamusal Sanat; İstanbul, Yeldeğirmeni Örneği
SAJA ALAA DARWEESH AL-GHANIMI
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Mimarlıkİstanbul Okan ÜniversitesiMimarlık Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NEVBAHAR ATALAY
- Binek araçlar için salıncak kolu tasarımı ve topoloji optimizasyonu
Control arm design and topology optimization for passenger cars
FATMA NUR BÜYÜK
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Makine MühendisliğiBursa Uludağ ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. FATİH KARPAT
- Yeşil liman kriterlerinin AHS metodu ile analiz edilerek liman performans değerlendirilmesinin yapılması
Performance evaluation of green port criteria by analyzing with the AHP method
ELİF DEMİR
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Deniz Bilimleriİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZCAN ARSLAN
- Gemilerde demirleme operasyonlarının emniyet optimizasyonu için model önerisi
Model proposal for safety optimization of ship anchoring operations
AHMET LÜTFİ TUNÇEL
Doktora
Türkçe
2024
Denizcilikİstanbul Teknik ÜniversitesiDeniz Ulaştırma Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ÖZCAN ARSLAN
- Prefabrik beton yapı malzemelerinin geri dönüşüm agregası olarak beton parke yapımında kullanılabilirliğinin araştırılması
Investigation of usability of prefabricated concrete construction materials as recycled aggregate in concrete paving construction
MURAT MEMİŞOĞULLARI
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
İnşaat MühendisliğiKonya Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ NAİL KARA