Algal growth in human urine pretreated with ion exchange process: Effect of different coagulants on harvesting efficiency
İyon değişimi prosesi ile ön arıtma yapılmış insan idrarında alg büyümesi: Farklı koagülanların hasat verimi üzerine etkisi
- Tez No: 958552
- Danışmanlar: PROF. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- 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: 125
Özet
Son yıllarda dünya nüfusu 8,2 milyara ulaşmış olup, bu sayının 2080'lerde 10,3 milyara çıkması beklenmektedir. Nüfus artışı, su, gıda ve enerji gibi doğal kaynakların yoğun tüketimine yol açmaktadır. 2030 yılı itibarıyla gıda, su ve enerji talebinin sırasıyla %35, %40 ve %50 oranında artması öngörülmektedir. Bu artan taleplerin karşılanabilmesi, kaynak yönetiminde yenilikçi ve sürdürülebilir yaklaşımlar geliştirilmesini gerektirmektedir. Azot ve fosfor, yaşam için hayati öneme sahip elementlerdir ve nüfus artışı ile birlikte kullanımları da artacaktır. Bununla birlikte, atmosferde bol miktarda bulunan azot, yoğun enerji kullanan Haber-Bosch yöntemi ile sabitlenirken, fosfor ise sınırlı ve dünya genelinde dengesiz bir şekilde dağıtılmış olan madenlerden elde edilmektedir. Bu elementler tarım için kritik öneme sahip olsa da gübre üretimi yoğun kaynak ve yüksek enerji kullanan bir süreç olmaya devam etmektedir. Bu nedenle, alternatif besin geri kazanım yöntemlerine geçiş, yalnızca tarımsal üretimin sürdürülebilirliği açısından değil, aynı zamanda gübre üretimiyle ilişkili sera gazı emisyonlarının azaltılması yönünden de önemli bir adımdır. İnsan faaliyetleri sonucu oluşan atıksular, yüksek düzeyde değerli besin maddeleri içermektedir. Ancak mevcut atıksu yönetim sistemleri,“arıt ve deşarj et”yaklaşımına dayanmaktadır. Bu durum besin maddelerinin kaybolmasına ve su kaynaklarına ulaştığında ötrofikasyona neden olmaktadır. Enerji tüketimini azaltmak ve sınırlı kaynakları korumak için sürdürülebilir yönetim uygulamaları geliştirilmelidir. Ekolojik sanitasyon (ECOSAN) sistemleri, geleneksel atıksu arıtımına sürdürülebilir bir alternatif sunmaktadır. Bu yaklaşım, atıksu akımlarının kaynağında ayrıştırılmasını sağlayarak değerli besin maddelerinin geri kazanımını ve yeniden kullanımını mümkün kılmaktadır. Geri kazanım veya yeniden kullanım amacına bağlı olarak, atıksu iki veya üç ayrı akıma ayrılabilir. İki akımlı sistemde atıksu siyah su ve gri su olarak ayrılırken, üç akımlı sistemde sarı su, gri su ve kahverengi su ayrı olarak toplanmaktadır. Bu akımlardan biri olan sarı su (idrar), evsel atıksuyun yalnızca %1'ini oluştursa da atıksuyun içerisindeki toplam azotun %80'ini, fosforun %50'sinden fazlasını ve potasyumun %50'sinden fazlasını içermektedir. Sarı suyun evsel atıksudan ayrılması, atıksu yönetiminde besin döngüsünü etkin bir şekilde kapatabilir. Atıksuyu besin kaynağı olarak kullanarak mikroalg yetiştirilmesi, ekonomik ve çevresel faydaları nedeniyle son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Besin maddelerinin, özellikle azot ve fosforun, uzaklaştırılması düşük maliyetle sağlanabilirken, aynı zamanda protein, lipit, karbonhidrat ve temel vitaminler açısından zengin mikroalg biyokütlesi üretilebilmektedir. Bu biyokütle, biyogübre ve biyoyakıt için sürdürülebilir bir kaynak olarak hizmet edebilir. Kaynağında ayrıştırılmış insan idrarından besin maddelerinin uzaklaştırılması ve seyreltik ya da konsantre idrar kullanılarak mikroalg türlerinin yetiştirilmesi literatürde geniş çapta araştırılmıştır. Ancak, ön arıtımı yapılmış idrar kullanılarak Spirulina platensis yetiştirilmesine yönelik çalışmalar oldukça sınırlıdır. Bu çalışma, ECOSAN yaklaşımı çerçevesinde, kaynağında ayrıştırılmış insan idrarının mikroalg yetiştirmek amacıyla bir besin maddesi olarak potansiyelini değerlendirmeyi amaçlamıştır. Hidrolize idrardaki yüksek amonyum konsantrasyonunu azaltmak ve Spirulina platensis için toksik olmayan bir besin maddesi oluşturmak amacıyla iyon değişimi yöntemiyle ön arıtma uygulanmıştır. Ayrıca bu çalışma, biyokütlenin hasadı için kimyasal koagülanlardan alüm ve kitosanın etkinliğini de incelemiştir. Bu kapsamda, insan idrarı İstanbul Teknik Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü'nde bulunan iki idrar ayrıştırıcı tuvalet ve bir pisuvar sisteminden toplanmıştır. Toplanan idrar, üreyi amonyağa dönüştürmek ve hidroliz işleminin tamamlanması amacıyla depolanmıştır. Amonyak, iyon değişimi için gerekli olan azot formu olup, doğal bir zeolit olan klinoptilolit kullanılarak uzaklaştırılmıştır. İyon değişimi sonrası kalan sıvı faz, önceden adapte edilmiş Spirulina platensis mikroalglerinin bir fotobiyoreaktörde yetiştirilmesi için besin maddesi olarak kullanılmıştır. Biyokütle büyümesi, 680 nm, 690 nm, 720 nm ve 750 nm dalga boylarında optik yoğunluk (OD) ölçümleri ve kuru ağırlık analizi ile günlük olarak izlenmiştir. Maksimum büyüme sağlandıktan sonra mikroalgler hasat edilmiştir. Amonyum konsantrasyonu başlangıçta 1747 ± 26 mg/L olarak ölçülmüş, toplama sürecinin sonunda ise 4400 ± 100 mg/L'ye yükselmiştir. Hidroliz işlemi sırasında amonyak konsantrasyonu 5010 ± 10 mg/L'ye yükselmiş, pH ve elektriksel iletkenlik sırasıyla 9.03 ± 0.005 ve 26650 ± 50 µS/cm olarak ölçülmüştür. Önceki çalışmalara dayanarak, başlangıç amonyum yüklemesi için 10 mg NH₄⁺/g klinoptilolit oranı optimum değer olarak seçilmiştir. İlk ön arıtma deneyi beş gün boyunca yürütülmüş olup, uzaklaştırmanın büyük bir bölümü ilk gün gerçekleşmiştir ve üçüncü günden sonra konsantrasyonda anlamlı bir değişiklik gözlemlenmemiştir. Başlangıçta 10 mg NH₄⁺/g klinoptilolit yüklemesi ile yapılan iyon değişimi yöntemiyle hidrolize uğramış idrardan %74.3 amonyak, %94.4 toplam fosfor (TP), %72.3 toplam azot (TN) ve %52.2 KOİ uzaklaştırılmıştır Spirulina platensis, iyon değişimi ile ön arıtılmış insan idrarı kullanılarak fotobiyoreaktörde başarıyla yetiştirilmiştir. Dokuz günlük yetiştirme periyodunun sonunda, 680 nm dalga boyunda OD, 2.21'e ulaşmış ve biyokütle konsantrasyonu VSS analizi ile 1615 mg/L olarak ölçülmüştür. TN, NH₄⁺-N, TP ve KOİ konsantrasyonları sırasıyla %64, %48, %80 ve %48 oranında azalmıştır. Kitosan ve alum için koagülan türü ve optimum dozajı belirlemek amacıyla bir kavanoz testi gerçekleştirilmiştir. Alum ve kitosan koagülanları için üç farklı deney gerçekleştirilmiştir. Kitosan koagülanı, 3000 mg/L dozunda %38,9 ± 0,5 oranında maksimum hasat verimine ulaşırken, alum koagülanı 1250 mg/L dozunda %97,3 ± 0,1 oranında maksimum verime ulaşmıştır. Sonuçlar, 1250 mg/L konsantrasyonundaki alumun hasat işlemi için en etkili seçenek olduğunu göstermiştir. Hasat işlemi, 1250 mg/L alum dozu kullanılarak gerçekleştirilmiş ve 680 nm dalga boyunda %97.3 verim elde edilmiştir. Bu tez çalışması, kaynağında ayrıştırılmış ve ön arıtmaya tabi tutulmuş idrar kullanılarak Spirulina platensis yetiştirmenin, mikroalgler aracılığıyla besin geri kazanımı için sürdürülebilir bir yaklaşım olduğunu ortaya koymuştur. Tez çalışması kapsamında önerilen yöntemin doğal kaynakları koruyucu ve enerji tasarrufu sağlayan bir yöntem olduğu ve sürdürülebilir tarım için kullanım potansiyelinin yüksek olduğu düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
Recently, the global population has reached 8.2 billion and is expected to increase, eventually reaching 10.3 billion by the 2080s. This population growth has led to extensive consumption of natural resources such as water, food, and energy. By 2030, the predicted increase in demand for food, water, and energy is expected to rise by 35%, 40%, and 50%, respectively. Meeting these growing demands will require innovative and sustainable approaches to resource management. Nitrogen and phosphorus are essential elements for life, and their consumption will increase proportionally with population growth. However, nitrogen, the most abundant element in the air, must be fixed through the energy-intensive Haber-Bosch process, while phosphorus is obtained via mining, with limited and unevenly distributed reserves worldwide. These elements are crucial for agriculture; however, the reliance on non-renewable energy sources for ammonia synthesis via the Haber-Bosch process, combined with the scarcity and unequal distribution of phosphate rocks, poses a risk to future fertilizer production. Therefore, shifting to alternative nutrient recovery methods is not only essential for the sustainability of agricultural production, but also a step toward reducing greenhouse gas emissions associated with fertilizer production. Wastewater, generated by human activities, contains high levels of valuable nutrients. However, current wastewater management systems follow a“treat and discharge”approach, which not only leads to the loss of these nutrients but also contributes to eutrophication in natural water bodies. Sustainable management practices need to be developed to reduce energy consumption and preserve limited resources. Ecological sanitation (ECOSAN) systems offer a sustainable alternative to conventional wastewater treatment. This approach separates wastewater streams at the source, enabling the recovery and reuse of valuable nutrients. Depending on the intended reuse or recovery purpose, wastewater can be separated into two or three streams. The two-stream system divides wastewater into black water and grey water, whereas the three-stream system separates it into yellow water, grey water, and brown water. Among these streams, yellow water (urine) constitutes only 1% of domestic wastewater but contains 80% of nitrogen, over 50% of phosphorus, and more than 50% of potassium. Separating yellow water from domestic wastewater could effectively close the nutrient loop in wastewater management. Microalgae cultivation using wastewater as a nutrient source has attracted significant attention due to its economic and environmental benefits. Nutrient removal, primarily nitrogen and phosphorus, can be achieved cost-effectively, while simultaneously producing microalgae biomass rich in proteins, lipids, carbohydrates, and essential vitamins. This biomass can serve as a sustainable resource for biofertilizers and biofuels. While nutrient removal from source-separated human urine (SSHU) and the cultivation of microalgae species using diluted or concentrated urine have been widely studied, research specifically on the cultivation of Spirulina platensis using pretreated urine remains limited. This study aimed to evaluate the potential of SSHU as a nutrient medium for microalgae cultivation within the ECOSAN framework. Ion exchange pretreatment was applied to reduce the high ammonium concentration in hydrolyzed urine and create a non-toxic growth medium suitable for Spirulina platensis. The study also investigated the effectiveness of alum and chitosan as chemical coagulants for biomass harvesting. For this purpose, human urine was collected from two urine-diverting toilets and a urinal located at the Department of Environmental Engineering, Istanbul Technical University. The collected urine was stored to convert urea into ammonium through hydrolysis. Ammonium was removed using clinoptilolite, a natural zeolite, as an adsorbent. Pretreated human urine after ion exchange was used as a growth medium to cultivate acclimated Spirulina platensis microalgae in a photobioreactor. Biomass growth was monitored daily by measuring the optical density (OD) at 680 nm, 690 nm, 720 nm, and 750 nm, and through dry weight analysis. After reaching maximum growth, the microalgae were harvested. Ammonium concentration was 1747 ± 26 mg/L, increasing to 4400 ± 100 mg/L by the end of the collection period. During the hydrolysis process, ammonium concentration reached 5010 ± 10 mg/L, while pH and electrical conductivity (EC) were measured as 9.03 ± 0.005 and 26650 ± 50 µS/cm, respectively. Based on previous studies, an ammonium loading rate of 10 mg NH₄⁺/g clinoptilolite was selected as the optimal initial loading rate. The initial pretreatment experiment was conducted over five days. the majority of the removal occurred on the first day of operation and no significant changes in concentration were observed after three days. Through ion exchange with an initial clinoptilolite loading of 10 mg NH₄⁺/g, 74.3% of ammonium, 94.4% of total phosphorus (TP), 72.3% of total nitrogen (TN), and 52.2% of chemical oxygen demand (COD) were removed from hydrolyzed urine. The Spirulina platensis was successfully cultivated in the photobioreactor using pretreated human urine as a growth medium. Spirulina growth was achieved under a free ammonia concentration of 927 mg/L, with a growth rate of 0.185 d-1. After a nine-day cultivation period, the biomass concentration reached 1.62 g/L, while the OD at 680nm (OD680) reached 2.21. Throughout the entire cultivation period, pH level was maintained at 10 ± 0.02. The removal efficiencies for TN, NH4+-N, TP, and COD parameters were 64%, 48%, 80%, and 48%, respectively. A jar test was carried out to determine the coagulant type and optimum dosage for chitosan and alum. Three different experiments were performed for chitosan and alum coagulants. The chitosan coagulant achieved a maximum harvesting efficiency of 38.9 ± 0.5% at a dosage of 3000 mg/L, whereas the alum coagulant achieved a maximum harvesting efficiency of 97.3 ± 0.1% at a dosage of 1250 mg/L. The results demonstrated that alum, at a concentration of 1250 mg/L, was the most effective for harvesting. Harvesting was conducted using 1250 mg/L alum dosage, achieving 97.3% efficiency at OD680. This research highlights the potential of cultivating Spirulina platensis using pretreated, source-separated urine (SSU) as a sustainable approach to nutrient recovery via microalgae uptake. It demonstrates a promising, resource-conserving, and energy-conserving method that supports sustainable agriculture.
Benzer Tezler
- Kaynağında ayrı toplanmış insan idrarında mikroalg yetiştirilmesi
Microalgae cultivation in source seperated human urine
DOĞUKAN TUNAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MAHMUT ALTINBAŞ
PROF. DR. BESTAMİ ÖZKAYA
- Biotransformation of pregnenolone by penicillium olsonii
Pregnenolonun penicillium olsonii ile biyotransformasyonu
ATHEER SAUD WASMI AL-SAMARRAI
- Carbondioxide capturing from industrial flue gas via calcium carbonate inducing microorganisms
Kalsiyum karbonat oluşumunu tetikleyen mikroorganizmalar ile karbondioksit yakalama
MERT KOLUKISAOĞLU
Doktora
İngilizce
2025
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MAHMUT ALTINBAŞ
- Alg-türevli nanogözenekli karbon sentezi ve karbondioksit (CO2) yakalama performansının incelenmesi
Synthesis of algae-derived nanoporous carbon and investigation of its carbon dioxide (CO2) capture performance
KHADIJA MAMMADYAROVA
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Kimya MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MÜGE SARI YILMAZ