Kentsel ve/veya meyvesuyu atıksu arıtma tesisi sulu çamurlarının biyogaza dönüşümünde ön işlem etkisinin araştırılması
Investigating the effects of pretreatment in the conversion of wet sludge from urban sources and/or fruit juice wastewater treatment plants into biogas
Yazar: ESİN HANDE BAYRAK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ERGÜN PEHLİVAN
Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Biyogaz = Biogas

Özet:
Endüstriyel ve evsel atıksuların arıtımında kullanılan anaerobik arıtma teknolojisi; yaklaşık yüz yıl önce kullanılmaya başlanan, eski bir teknolojidir. Anaerobik arıtmaya olan ilgi; aerobik arıtma sırasında ortaya çıkan çamurun fazlalığı ve bu çamurun yarattığı çevre sorunları ile anaerobik arıtmada enerji geri kazanımı sebepleriyle artmıştır. Anaerobik arıtım ile; arıtma derecesine bağlı olarak, son ürün olarak temiz enerji kaynağı olan biyogaz elde edilmektedir. Anaerobik arıtma işleminin en önemli avantajı; çamurun stabilize edilerek, organik madde içeriğinin azaltılması ve biyokatı adı verilen çevreye zararsız, kolay susuzlaştırılabilen ve kompost olarak kullanılabilen bir maddeye dönüştürülmesidir. Anaerobik arıtma işleminin diğer bir avantajı ise; anaerobik çürümenin son ürünü olan biyogazın bünyesindeki metanın enerji elde etmek amacıyla kullanılabilmesidir.
Bu çalışmada, atıksuların arıtılmasıyla üretilen biyolojik arıtma çamuru ve meyve suyu üretim işletmelerinden çıkan arıtma çamuru hammadde olarak kullanılmıştır. Hammaddelerden biyogaz üretim verimleri ve verimin arttırılması için bazı ön işlemler uygulanmıştır. Çalışmada kütlece % 10 katı madde içeren sulu fazlar hazırlanmıştır. Bu karışımlara yapılan ön işlemler; sulu fazlara katı maddenin kütlece % 10, 15 ve 20'si kadar kimyasal madde (H2SO4 veya NaOH) ekleme, kimyasal madde ilave edilmiş ve edilmemiş sulu karışımları, ayrı ayrı mikrodalga ve hotplate ısıl işlemlere tabi tutma (10, 20, 30 min sürelerinde) şeklindedir. Yapılan ön işlemlerin ardından, ön işlemsiz ve ön işlemli sulu fazlarda, katı maddelerin suda çözünme yüzdeleri saptanmıştır. En yüksek suda çözünürlüğün saptandığı, sulu fazların pH'ları, asit ve baz kullanılarak 7'ye ayarlanmıştır. Ardından; sulu fazlar 35 oC'de, 65 gün süreyle inkübatörde bekletilmiş ve 5 günde bir, sulu fazlardaki biyogaz, metan, BOİ5, KOİ, MLSS, pH ve uçucu madde ölçümleri yapılmıştır. Elde edilen biyogaz sonuçları Duncan testi başta olmak üzere çeşitli modeller kullanılarak, biyogaz üretimine en uygun model belirlenmiştir.     
Çalışma sonunda;  Dimes Meyve Suyu Atıksu Arıtma Tesisi için; ön işlemsiz numunede suda çözünme değeri % 49,56'dan ön işlem sonrası                                      (% 15 NaOH+10 min MW) % 89,85'e çıkmıştır. Tokat AAT biyogaz ünitesi öncesi çamurda; ön işlemsiz numunede suda çözünme değeri % 51,96'dan ön işlem sonrası   (% 20 H2SO4+30 min MW) % 84,21'e çıkmıştır. Tokat AAT biyogaz ünitesi sonrası  çamurda; ön işlemsiz numunede suda çözünme değeri  % 49,4'den ön işlem sonrası     (% 20 NaOH+10 min HP) % 70,01'e çıkmıştır. % 50 Dimes Meyve Suyu Atıksu Arıtma Tesisi çamuru ile % 50 Tokat AAT biyogaz ünitesi öncesi çamuru karışımında ise;  ön işlemsiz numunede suda çözünme değeri % 49,38'den ön işlem sonrası           (% 20 H2SO4+30 min HP) % 83,01'e  çıkmıştır.
Biyogaz verimlerine bakıldığı zaman, Tokat AAT biyogaz ünitesi öncesi çamurunun % 20'lik H2SO4+30 min MW ön işlemi sonunda suda çözünmüş katı madde başına en yüksek biyogaz üretim verimi (396,34 mL biyogaz/g suda çözünmüş katı madde) elde edilmiştir. Kullanılan g çamur başına en yüksek biyogaz üretim verimi (23,40 mL biyogaz/g çamur) ise % 50 Dimes Meyve Suyu Atıksu Arıtma Tesisi çamuru ile % 50 Tokat AAT biyogaz öncesi çamuru karışımının % 20 H2SO4+30 min HP ön işleminin sonunda elde edilmiştir. Giderilen UM başına elde edilen en yüksek biyogaz üretim verimi de (722,32 mL biyogaz/ g UM giderimi) Tokat AAT biyogaz öncesi çamurun yine % 20 H2SO4+30 min MW ön işlemi sonunda elde edilmiştir. 
65 günlük mezofilik parçalanma sonunda metan içeriği % 42,60 ile % 58,90 arasında bulunmuştur. 
 Yapılan çalışma sonucunda tüm ön işlemler hem suda çözünmeyi hem de biyogaz üretim verimini artırmıştır. Dimes Meyve Suyu Atıksu Arıtma Tesisi çamuruyla karıştırılarak biyogaz eldesinde kullanılması hem bu atığın biyogaz verimliliğini artırarak ekonomik olarak değerlendirilmesi, hem de, kentsel atıksu arıtımı sebebiyle Tokat AAT'nden çıkan çamurda zaman zaman problem yaratan yüksek AOX değerinin seyrelmeyle kabul edilebilir limitlere indirilmesini sağlayacaktır. 
Öte yandan Tokat AAT biyogaz sonrası çamur numunelerinde de, ön işlemsiz numuneler açısından arıtma tesisinde kullanılan çamurun % 67,74 oranında biyogaza dönüştüğü kalan oranın biyogaz sonrası çamura geçtiği tespit edilmiştir. 
	Tesisteki 22 günlük inkübasyon sonunda üretilen elektrikle tesisin ihtiyacı olan elektriğin % 36'sı karşılanmaktadır. Deneysel çalışmalar sonunda 22 günlük biyogaz verileri kullanıldığında; % 20'lik H2SO4+30 min MW ön işlemi sonunda biyogaz üretim verimi 3,41 kat artmakta bu durumda da; tesisin ihtiyacı olan tüm elektrik karşılandığı gibi, üretilen elektriğin % 23'ü kadar fazladan elektrik üretimi söz konusu olacaktır. EPDK 2014 verilerine göre bu elektrikten yılda 110.230 TL kazanç sağlanabilecektir.

Abstract:
The anaerobic treatment technology used in the treatment of industrial and domestic wastewater is an old technology which was introduced a hundred years ago. The interest in anaerobic treatment has increased due to some reasons such as  excess sludge resulting during aerobic treatment and the environmental issues created by this output of sludge, and the recycling of the energy through anaerobic treatment. Depending on the degree of treatment, anaerobic treatment yields biogas as an end product, which is a source of clean energy. The most important advantage of anaerobic treatment is that the sludge is stabilized, its organic content is reduced and that it is converted into an environment friendly, easily dehydrated substance called bio-solid, which can also be used as compost. Another advantage of anaerobic treatment is that the methane in the biogas, the end product of anaerobic digestion, can be utilized to produce energy.  
In this study, the biological treatment sludge from treated wastewater and the treatment sludge from fruit juice processing plants were used as raw material. Some pretreatments were applied to increase the efficiency of biogas production from the raw material. Aqueous phases containing 10 % solid matter by mass were prepared in the study. The pretreatments applied to these mixtures were adding chemical substances (H2SO4  or NaOH), 10, 15 or 20 % of the solid matter by mass, into the aqueous phases and subjecting aqueous mixtures with chemical content and those without chemical content to heat treatment separately in microwave and hotplate (in 10, 20 and 30 min durations). After the preliminary process, the water solubility percentages of the solid substances in aqueous phases with pretreatment and without pretreatment were determined. The pHs of the aqueous phases which yielded the highest water solubility were adjusted to 7 using acid and base. Then the aqueous phases were incubated for 65 days at 35 oC, and the biogas, methane, BOD5, COD, MLSS, pH, and volatiles in the aqueous phases were measured every five days. Based on the findings, the most appropriate model to produce biogas was determined using various models, mainly the Duncan test.          
At the end of the study, the water solubility value in the sample without pretreatment from Dimes Fruit Juice Wastewater Plant increased from 49.56 % to 89.85 % following pretreatment (15 % NaOH+10 min MW). In Tokat AAT pre-biogas sludge, the water solubility value in the sample without pretreatment increased from 51,96 % to 84,21 % after pretreatment (20 % H2SO4+30 min MW). In Tokat AAT post-biogas sludge, the water solubility value in the sample without pretreatment increased from 49,4 % to 70,01 % after pretreatment (20 % NaOH+10 min HP). In the mixture involving 50 % Dimes Fruit Juice Wastewater Plant sludge and 50 % Tokat AAT pre-biogas sludge, the water solubility value in the sample without pretreatment increased from 49.38 % to 83.01 % after pretreatment (20 % H2SO4+30 min HP). 
Considering the biogas yields, the highest biogas production yield per water soluble solid matter was obtained following 20 % H2SO4 + 30 min MW pretreatment of Tokat AAT pre-biogas sludge (396,34 mL biogas/g water soluble solid matter). The highest biogas production yield per g sludge was obtained following                             20 % H2SO4 + 30 min HP pretreatment of 50 % Dimes Fruit Juice Wastewater Plant sludge and 50 % Tokat AAT pre-biogas sludge mixture (23.40 mL biogas/g sludge). The highest biogas production yield per treated UM was obtained following                  20 % H2SO4+30 min MW pretreatment of Tokat AAT pre-biogas sludge               (722,32 mL biogas/g treatment). 
After 65 days of mesophilic digestion, it was found that the methane content range from 42.60 %  to 58.90 %.
As a result of the implementations, all pretreatments increased both water solubility and biogas production efficiency. Using Tokat AAT sludge in biogas production by mixing it with Dimes Fruit Juice Wastewater Treatment Plant sludge will both ensure the economical evaluation of this waste by increasing the biogas yield of it and thin out the AOX value emerging in Tokat AAT sludge and sometimes causing problems due to urban wastewater treatment and help reduce this value to acceptable limits.      
On the other hand, it was determined that in Tokat AAT post-biogas sludge samples, the sludge used in the treatment plant regarding samples without pretreatment converted to biogas in 67.74 % rate and that the remaining proportion transferred to post-biogas sludge.  
36 % of the electricity need of the plant can be met with the electricity produced at the end of the 22 days of incubation in the plant.
Based on the 22 day biogas data, it can be seen that the biogas production yield increases 3.41 times as a result of 20 % H2SO4 + 30 min MW pretreatment. In this case, not only will all the power need of the plant be met, there will also be surplus electricity production, as much as 23 % of the total production. According to EPDK (EMRA) data, a TL 110.230 gain will be obtained from this electricity annually.