Mikrobiyal yakıt hücrelerinde sülfat indirgeyen bakteriler ile renk giderimi ve elektrik üretimi
Electricity generation and color removal at sulfate-reducing conditions in microbial fuel cell
Yazar: VİLDAN AKGÜL
Danışman: DOÇ. DR. KEVSER CIRIK
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik ve Bilimleri Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Biyoteknoloji = Biotechnology ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Tekstil endüstrisi günümüzde modern toplumun en büyük sektörlerinden biri olarak kabul edilmektedir. Tekstil endüstrisinde uygulanan boyama basamağı ise çevre kirliliği açısından en büyük riski oluşturmaktadır. Tekstil atıksuyunda yer alan ana kirleticiler organik maddeler, sülfat, toksik ve inhibitör bileşikleri, yüzey aktif maddeler, pH, tuz ve atıksuyun en sıkıntılı bileşenleri olarak kabul edilen renkli boyalardır.Tekstil atıksuları genellikle orta veya yüksek konsantrasyonlarda sülfat içermektedir.Tekstil endüstrisi boyama çıkış sularında sülfat konsantrasyonunun1000-2500 mg/L'ye ulaşabildiği tahmin edilmektedir (Davies, 2007). 
Biyolojik arıtma prosesleri çevre dostu teknolojiler olarak bilinmektedir ve anaerobik koşullar boyarmadde ve sülfat içeren renkli tekstil atıksularının arıtımında en elverişli koşulları oluşturmaktadır.Anaerobik koşullarda atıksudaki organik maddenin oksidasyonu ile açığa çıkan elektronlar sistemde son elektron alıcısı olarak görev yapan boyarmaddeye gitmekte ve renk giderilmektedir. Sülfat ise anaerobik koşullarda sülfat indirgen bakteriler ile biyolojik olarak sülfür bileşiklerine indirgenir.
Anaerobik koşullarda renk ve sülfat gideriminde sorumlu mikroorganizmaların büyüme hızı düşük olduğundan konvansiyonel askıda büyüyen sistemlerde yüksek çamur yaşları (≥ 15 gün) ve uzun bekletme süreleri (≥ 2 gün) tercih edilmektedir. Aslında biyofilm oluşturarak büyüme prensibi, yüksek çamur yaşlarında özel mikroorganizmaların büyümesini kolaylaştırarak parçalanmaya dirençli kirleticilerin biyolojik oksidasyonunu sağlamakta verenk giderimi için daha elverişli gözükmektedir. Bu bağlamda, organik atıklardaki kimyasal enerjiyi mikroorganizmalar yardımı ile direk olarak elektrik enerjisine dönüştürebilen mikrobiyal yakıt hücresi (MYH), hem atıksu arıtımı hem de enerji üretim potansiyeli göz önüne alındığında ilgi çekici bir seçenek olarak karşımıza çıkmaktadır. MYH reaktöründe atıksu arıtımı, anot (anaerobik) elektrot üzerinde biyofilm oluşturarak büyüyen mikrobiyal topluluk tarafından gerçekleştirilmektedir. Biyofilm tabakası, atıksu içeriğindeki organik bileşikleri okside ederek hidrojen iyonuna ve elektronlara dönüştürürler. Açığa çıkan bu elektronlar ise elektrot ve iletken bir tel yardımı ile katot bölümündeki elektron alıcısına taşınarak (genellikle bu oksijendir) elektrik üretimi gerçekleştirilmektedir. 
Bu çalışmanın temel amacı, çift bölmeli sürekli beslemeli MYH sisteminde sülfat indirgeyen bakteriler ile renk giderimi ve biyoelektrik üretiminin araştırılmasıdır. Çalışmada ilk olarak, artan sülfatkonsantrasyonunun elektrik üretimine olan etkisi farklı kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ)/sülfat oranlarını (1000 mg/L giriş KOİ konsantrasyonu) içeren işletme koşullarında incelenmiştir. Daha sonra ise elde edilen en başarılı KOİ/sülfat oranında farklı hidrolik bekletme süresi (HRT) (12-48 saat) ile MYH sisteminin optimizasyonu sağlanmıştır. Çalışmanın son aşamasında ise anot bölmesine verilen farklı giriş boya konsantrasyonlarının (50-1000mg/L, Remazol vrilliant Violet 5R) renk giderimi ve elektrik üretimine olan etkisi incelenmiştir.
Çalışmanın ilk aşamasındaMYH farklı KOİ/sülfat oranlarında işletilmiş ve 1000 mg/L KOİ 600 mg/L sülfat denk gelen 1,66 KOİ/sülfat oranı optimum olarak belirlenmiştir. İkinci aşamada belirlenen bu optimumoranda farklı hidrolik bekleme sürelerinin (HRT:12-48sa) KOİ ve sülfat giderimi üzerine etkisi incelenmiştir. Bu optimum koşulda sülfat ve KOİ giderim verimleri sırasıyla %35 ve %98'e ulaştı ve maksimum güç yoğunluğu 23W/m2.Sonuçlar sürekli beslemeli MYH'de farklı HRT'lerin sülfat ve KOİ giderim verimlerinde önemli bir rol oynadığını göstermiştir ve 36 sa HRT optimum olarak belirlenmiştir.Çalışmanın geri kalanında KOİ giderimperformansı üzerindeazo boyarmadde ve sülfatın rekabeti artan boyar madde konsantrasyonlarındaincelenmiştir.MYH performansı bakımından 750 mg/L boya konsantrasyonu optimum olarak belirlenmiştir bu koşullarda %92,4 renk giderim verimi ve 24,7W/m2güç yoğunluğu elde edilmiştir.

Abstract:
Textile industry is regardedas one of the largest sectors of modern society
at the present time. The painting step applied to the textile industry constitutes the biggest risk in terms of environmental pollution.The main pollutants situated in textile wastewater are rganics, sulphate, toxic and inhibitory compounds, surfactants, pH, salt, and colored dye which is considered to be the most adversity components of the waste water. Textile wastewater generally contains  high or low concentrations of sulphate.It is estimated that sulfate concentration can reach up to 1000-2500 mg/L in the textile dyeing effluent(Davies, 2007). 
Biological treatment processesis known as an environmentally-friendly technologies and anaerobic conditionsconstitutes the most favorable conditions in the treatment of colored textile wastewater containing dyes and sulfate.In anaerobic conditions, electrons released from the oxidation of organic matter in the wastewater goes through the dyestuffs, which serves as the final electron acceptor and thereby the color is removed. The sulphate is biologically reduced to sulphide compound with sulfate-reducing bacteria under anaerobic conditions.
As microorganism responsible for anaerobic azo dye reduction has relatively low growth rate, high sludge ages (≥15d) and long hydraulic retention time (≥2d) are preferred in the conventional suspended growth systems. Indeed, bioreactor configurations based on attached growth is more suitable for biological color removal and provides the biological oxidation of pollutants resistant to degradation by facilitating the growth of specific microorganisms in high sludge ages. In this context, microbial fuel cell (MFC) that converts the chemical energy in organic wastes directly to electrical energy with the help of microorganisms have gained a lot of attention in recent years providing simultaneous wastewater treatment and electricity production. In MFC, wastewater treatment is realized by biofilm layer on the anode electrode. Biofilm layer oxidizes organic compounds in wastewater and convert it to hydrogen ions and electrons. These released electrons flow through a resistor to a cathode at which the electron acceptor (usually oxygen) is reduced and power generation is performed.
The main aim of this study is to investigate the bioelectricity production and sulfate containing wastewater treatment in continuously-fed dual chambered MYH. Initially, MYH operated with different chemical oxygen demand (COD)/sülfat ratio at constant COD of 1000 mg/L to evaluate the effect of increased sulfate concentration on electricity production. Further, the MYH equipped with best-performed COD/sülfat ratio was used to investigate the effect of varying HRT (12 – 48 hour) on MYH performance. In the rest of the study, we investigated the performance of MYH for synthetic azo dye-containing textile wastewater treatment and electricity generation at the varyied dye content.
In the first part of this study, MFC was operated at different COD/sulphate ratio and COD/sulfate of 1.66 was found optimum, corresponding to 1000 mg/L COD and 600mg/L sulphate.Sulphate and COD removal efficiencies reachedto 35% and 98% respectively, and maksimum power density was 23 W/m2 in these optimum operational condition. In the second part, the effect of different hydraulic retention time (HRT: 12-48h) on COD and sulphate removal performance were investigated at the optimum conditions obtained from the first part of the study.The results showed that various HRT played an important role on COD and sulphate removal efficiency in the continuously fed MFC and HRT of 36h was found favorable.The rest of the study,the effect of competition between azo dye and sulphate on the COD removal performance was investigatedat the increasing azo dye concentration (50-1000 mg/L). Azo dyeconcentration of 750 mg/L were found favorablein terms of the high MFC performance,corresponding to color removal efficiency of 92.4%, and power generation of 24.7W/m2.