Yakıt hücresi entegre yapay sulak alanlarda farklı dolgu malzemelerinin atıksu giderim ve biyoelektrik üretim potansiyeline etkisinin araştırılması
The effect of constructed wetland with different filling materials integrated with fuel cell on wastewater removal and bioelectric generation potential
Yazar: ANIL YAKAR
Danışman: PROF. DR. CENGİZ TÜRE ; DOÇ. DR. ONUR CAN TÜRKER
Eskişehir Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Biyoloji = Biology ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Enerji = Energy

Özet:
Doktora tez araştırmasında, farklı dolgu malzemelerine sahip yukarı akışlı yapay sulak alana entegre yakıt hücresi (YSA -YH) sistemleri tasarlanarak, atık su arıtımına eş zamanlı olarak biyoelektrik üretimi değerlendirilmiştir. Tez çalışması ile YSA - YH sistemlerinde farlı dolgu malzemelerinin atık su arıtma prosesi ve biyoelektrik üretim potansiyeli üzerindeki etkisini araştırılması ve daha yüksek atık su arıtma ile daha yüksek biyoelektrik üretim performansının elde edilmesi için en verimli dolgu malzemesi tipinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda, dört adet mezokozm ölçeğinde YSA – YH kurulmuş ve uygun konsantrasyonlarda sentetik olarak oluşturulmuş atık sular verilerek sistemler test edilmiştir. Doğal koşullar altında yürütülen çalışma da, dört farklı dolgu malzemesi (torf, kum, zeolit ve volkanik cüruf) kullanılmış ve bu malzemelerin entegre sistemler içerisindeki atık su arıtma ve biyoelektrik ürettirme potansiyelleri ortaya çıkarılmıştır. Entegre sistemler üzerinde 120 gün boyunca gerçekleştirilen deneylerde zeolit dolgu malzemesine sahip YSA -YH sisteminin diğer sistemlere göre hem atık suları temizleme hem de biyoelektrik üretme potansiyeli açısından daha yüksek bir verimde çalıştığı bulunmuştur. Bu kapsamda,  zeolit tabanlı entegre sistemin ortalama nitrat, amonyum, kimyasal oksijen ihtiyacı ve toplam fosfor giderimi sırasıyla % 81,1, % 93,1, % 92,1 ve % 96,7 olarak tespit edilmiştir. Zeolit dolgu malzemesinin entegre sistem içerisinde gösterdiği bu verimlilik, bu dolgu malzemesinin daha geniş spesifik yüzey alanı, daha gözenekli bileşimi ve farklı çerçeve yapısından kaynaklandığı ortaya konulmuştur. Bununla birlikte, çalışma süresi boyunca zeolit tabanlı YSA - YH entegre sisteminin diğer dolgu malzemeleri ile kurulan entegre sistemlere göre daha yüksek seviyede bir biyoelektrik üretimi gerçekleştirdiği tespit edilmiş olup, ortalama çıkış voltajı, güç yoğunluğu ve Koulombik verimliliği de sırasıyla 1,008 ± 0,14 V, 15,1 mWatt/m2 ve % 1,64 olarak kaydedilmiştir. Bu veriler ışığında, kullanılan zeolitin YSA-YH entegre sistemi içerisinde organik substratın parçalanmasını kolaylaştırarak elektron akışının katalizlenmesinin arttığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak, kurulan entegre sistemler içerisinde zeolitin dolgu malzemesi olarak kullanılması, torf, volkanik cüruf ve ince kumun entegre sistemlerde kullanılmasına göre daha yüksek arıtma verimi ve daha yüksek biyoelektrik üretimi gerçekleştirdiğini belirtmektedir.

Abstract:
In the Ph.D. thesis research, wastewater treatment and simultaneously bioelectricity generation was evaluated by designing fuel cell integrated with up-flow constructed wetland with different filling materials. The aim of this study was to investigate the effect of different filler materials on the wastewater treatment process and bioelectricity production potential in CW - FC systems and to determine the most efficient filler type for higher wastewater treatment and higher bioelectric production performance. In this context, four mesocosm scale CW - FCs were established and the systems were tested by giving synthetically formed wastewater at appropriate concentrations. In the study carried out under natural conditions, four different filling materials (peat, sand, zeolite and volcanic cinder) were used and the potentials of these materials in integrated systems for wastewater treatment and bioelectricity generation were revealed. In the experiments carried out on integrated systems for 120 days, it was found that the CW-FC system with zeolite filling material operates at a higher efficiency in terms of both wastewater cleaning and bioelectricity potential than other systems. In this context, the average nitrate, ammonium, chemical oxygen demand and total phosphorus removal of the zeolite-based integrated system were determined as 81.1%, 93.1%, 92.1%, and 96.7%, respectively. It was introduced that the efficiency of the zeolite filler in the integrated system results from a wider specific surface area, a more porous composition, and a different framework structure. Besides, it was determined that the zeolite-based CW- FC produces a higher level of bioelectricity than the integrated systems established with other filling materials during the working period and the mean output voltage, power density, and Coulombic efficiency was recorded as 1,008 ± 0,14 V, 15 1 mWatt / m2 and 1.64% respectively. In light of these data, it was found that the catalysis of the electron flow was increased by facilitating the degradation of the organic substrate in the CW-FC integrated system of the zeolite used. As a result, the use of zeolite as a filling material in integrated systems indicates that peat, volcanic slag, and fine sand achieve higher treatment efficiency and higher bioelectric production than integrated systems.