Kağıt endüstrisi atık suyunun anaerobik arıtımında iz elementlerin biyometan oluşumuna etkisi
The effect of trace elements in biomethane production from anaerobic treatment of paper mill wastewater
Yazar: DİLAN TOPRAK
Danışman: DOÇ. DR. DENİZ UÇAR
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Alternatif enerji kaynaklarından yaygın kullanılan biyogazın üretim basamaklarının, teknolojilerinin
geliĢtirilmesi ve üretim verimliliğinin arttırılması günümüz çalıĢmalarının amacı olmuştur. Anaerobik
sistemde çalışan mikroorganizmaların daha fazla metan üretebilmeleri ve hassas bir sistem olan
anaerobik basamakların kararlı halde çalışması için iz element ilavesi gerekebilmektedir. Herbir
atıksuya ve kullanılan aşıya göre iz element türü ve ihtiyaç duyulan konsantrasyonu değiĢmektedir.
Kağıt endüstrisi birim ürün başına en fazla su tüketen sektörlerden olup üretilen kağıdın cinsine ve
üretim Ģekline göre değiĢmekle birlikte ton kağıt üretiminde ortalama 50 ton su kullanılmaktadır.
Yüksek kirlilik (3000 - 4000 mg KOĠ/L) içeren bu atıksular büyük oranda biyolojik olarak
parçalanabilir doğası gereği anaerobik arıtımı cazip hale getirmektedir.
Bu tez çalıĢmasında bir kağıt endüstrisinden alınan atıksu ile anaerobik süreçlerde görev alan
mikroorganizmaların biyokimyasal reaksiyonlarında yaygın olarak ihtiyaç duyduğu Fe, Cu, Ni, Co iz
elementleri ve Mg elementinin etkisi araĢtırılmıĢtır. Ġz elementlerin birbirlerinden bağımsız olarak
ilavesi ve hepsinin birlikte olduğu farklı konsantrasyonlar denenerek ideal iz element reçetesinin
oluĢturulması hedeflenmiĢtir. Mezofilik koĢulda 15 günlük inkübasyon sonucunda tek boyutlu
çalıĢmalarda en uygun konsantrasyon değerleri ve metan üretiminde sağlanan yüzdelik artıĢları Fe,
Cu, Ni, Co ve Mg için sırasıyla 5 mg/L, 0.5mg/L, 0.5 mg/L, 0.5 mg/L, 100 mg/L ve %10.05-
%46.51- %14.29-%24.53 ve %17.13‟dır. Tek boyutlu iz element denemelerinde genel olarak
içeriğindeki kalorifik değere sahip olan metan hacminde anlamlı artıĢlar sağlanmıĢtır. Ġz elementlerin
etkilerinin birlikte değerlendirildiği çalıĢmalarda ise Box-Behnken tasarım (BBT) yöntemi
kullanılmıĢtır. Program, 5 iz elementten oluĢan değiĢkenler için 46 denemeden oluĢan bir deney listesi
oluĢturmuĢtur.
Bu deneme kriterlerine göre iĢletilen reaktörlerin inkübasyonu sonrasında elde edilen biyogaz ve
metan değerleri ile her bir bağımlı değiĢken için ANOVA tablosu oluĢturulmuĢ olup biyogaz ve metan
için regrasyon katsayıları sırasıyla 0.9227 ve 0.9182 olarak belirlenmiĢtir. Ayrıca çok boyutlu iz
element denemeleri için gerekli olan optimum değerleri içeren bir iz element reçeteside BBT ile
oluĢturulmuĢtur. Ġz element reçetesine göre Fe, Cu, Ni, Co ve Mg‟den oluĢan çoklu iz element ilavesi
için BBT‟nin belirlediği optimum konsantrasyonları sırası ile 196.8 mg/L, 0.01 mg/L, 1.30 mg/L, 1.31
mg/L ve 50,63 mg/L‟dir. Böylelikle kağıt endüstrisi atıksuyunun anaerobik arıtılmasında çoklu iz
element etkisinin belirlenmesi ve iz element reçetesinin oluĢturulması 46 farklı koĢulun denenmesi ile
kısa sürede belirlenmiĢtir. Belirlenen iz element reçetesi ile kontrol testleri yapılmıĢ ve metan
oranında %18.08 arttş elde edilmiĢtir. Kinetik çalıĢması ile biyogaz ve metan oluşum hacimleri
inkübasyonun 8. güne kadar kontrol grubu ile iz element ilaveli reaktörler birbirine paralel sonuçlar
verirken, inkübasyonun 9. günü itibarıyla iz element ilave edilen reaktör grubunda daha yüksek
biyogaz hacmi ve metan içeriği sağlanmıĢtır. 15 günlük inkübasyon sonrasında iz element içeren
reaktörde metan hacminde %40 artıĢ elde edilmiĢtir. Reaktörden alınan anaerobik çamur
numunelerindeki nükleik asitler MiSeq Reagent kiti ile izole edilmiĢ ve illumina sequencing ile
mikrobiyal kominite de Methanosaeta thermophila türünün baskın olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
The aim of today's studies is to improve the production steps and technologies of biogas, which is
widely used from alternative energy sources, and to increase production efficiency. Trace elements
may be required for microorganisms working in anaerobic system to produce more methane and stable
operation of anaerobic steps, which is a sensitive system. The type of trace element and the required
concentration vary according to each wastewater and the vaccine used. The paper industry is one of
the sectors that consume the most water per unit of product, and it varies depending on the type and
production type of the paper produced, but an average of 50 tons of water is used in ton paper
production. These wastewaters containing high pollution (3000 - 4000 mg COD / L) make the
anaerobic treatment attractive due to its highly biodegradable nature.
In this thesis, the effects of Fe, Cu, Ni, Co trace elements and Mg, which are widely needed in the
biochemical reactions of microorganisms involved in anaerobic processes with wastewater from a
paper industry, were investigated. It is aimed to create the ideal trace element prescription by adding
trace elements independently and trying different concentrations of them all together. As a result of
15-days incubation under mesophilic condition is the most appropriate concentration values and the
percentage increases achieved in methane production in one-dimensional studies for Fe, Cu, Ni, Co
and Mg are 5 mg/L, 0.5 mg/L, 0.5 mg/L, 0.5 mg/L, 100 mg/L and 10.05% - 46.51% - 14.29% -
24.53% and 17.13% respectively. In one-dimensional trace element experiments, significant increases
in methane volume with calorific value in general were achieved. In the studies where the effects of
trace elements were evaluated together, the Box-Behnken design (BBT) method was used. The
program created a test list of 46 trials for variables of different concentrations of these 5 trace
elements.
The biogas and methane values obtained after incubation of the reactors operated according to these
trial criteria and ANOVA table were created for each dependent variable and the regression
coefficients for biogas and methane were determined as 0.9227 and 0.9182, respectively. In addition,
a trace element prescription containing the optimum values required for multidimensional trace
element experiments was created with BBT. According to the trace element recipe, the optimum
concentrations determined by BBT for the addition of multiple trace elements consisting of Fe, Cu,
Ni, Co and Mg are 196.8 mg / L, 0.01 mg / L, 1.30 mg / L, 1.31 mg / L, 50.63 mg / L respectively.
Thus, the determination of the multiple trace element effect in the anaerobic treatment of the paper
industry wastewater and the creation of the trace element recipe were determined in a short time with
the trial of 46 different conditions. Control tests were performed with the determined trace element
prescription and an increase of 18.08% was achieved in the methane ratio. With the kinetic study, the
biogas and methane formation volumes yielded parallel results with the control group and trace
element added reactors until the 8th day of incubation, whereas as of the 9th day of incubation, a
higher biogas volume and methane content were provided in the reactor group in which trace elements
were added. After 15 days of incubation, 40% increase in methane volume was achieved in the reactor
containing trace elements. The nucleic acids in the anaerobic sludge samples taken from the reactor
were isolated with the MiSeq Reagent kit and the Methanosaeta thermophila species was predominant
in the microbial community with illumina sequencing.