Üniversite yerleşkesinde oluşan yemekhane atıkları ile gerçek ölçekli biyometanizasyon tesisinde biyogaz üretimi
Biogas production at full scale biomethanizition plant from food waste generated at university campus
Yazar: ENES AĞUŞ
Danışman: DOÇ. DR. MAHMUT ALTINBAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Biyoenerji = Bioenergy ; Biyogaz = Biogas ; Biyometanizasyon = Biomethanization ; Enerji üretimi = Energy generation ; Gıda atıkları = Food wastes ; Organik atıklar = Organic wastes ; Üniversite yerleşkeleri = University campuses

Özet:
Giderek artan küresel nüfus, beraberinde büyük bir problem olan katı atıkları meydana getirmektedir. Ekonomik ve teknolojik gelişmelerle paralel olarak artan insanoğlu ihtiyacı ile üretilen atık miktarları daha da artmaktadır. Uygun şartlarda yönetilmeyen bu atıklar birçok çevresel ve doğal kirliliğe yol açmaktadır. Atık sızıntı sularının yeraltı ve yerüstü sularına karışarak su kaynaklarını kirletmesi, küresel ısınmaya neden olan sera gazlarının salınımı ile küresel iklim değişikliğine neden olması, koku problemi ile çevresel rahatsızlıklara yol açması ve taşıdığı muhtemel sağlık riskleri nedeniyle, katı atıkların uygun yönetimi daha büyük önem taşımaktadır.
Katı atık yönetiminde küresel ve yerel anlamda en çok tercih edilen düzenli depolama yönteminde, yukarıda bahsedilen kirlilik riskleri kontrol edilememekte ve atıkların bertarafı etkin şekilde yapılamamaktadır. Etkin şekilde yapılamayan atık bertarafı ile muhtemel ekonomik kazançlar da elde edilememektedir. 
Atık yönetiminde ekonomik ve çevresel faktörler göz önünde bulundurularak entegre katı atık yönetimleri geliştirilmiştir. Entegre atık yönetiminde katı atık içeriğindeki tüm bileşenlerin (plastik, metal, kağıt, organik madde vb.) geri dönüşümü ve geri kazanımı amaçlanmaktadır. Katı atık içeriğindeki organik kısmın artımında anaerobik (havasız) arıtma yönteminin kullanılması, hem ekonomik hem de çevresel kazanımlar elde edilmesi yönünden anaerobik arıtmayı ön plana çıkarmaktadır. Temel olarak organik atıkların havasız ortamda biyolojik olarak parçalanması olarak ifade edilebilen anaerobik arıtma ile; organik madde ile birlikte atık olan nütrientlerin geri kazanımı, son ürün olan atıkların toprak şartlandırıcısı olarak kullanımı ve ulaşım, ısınma ve elektrik üretimi gibi farklı amaçlar için kullanılabilen biyogaz üretimi gibi çeşitli kazanımlar elde edilebilmektedir. Ayrıca kontrol edilebilen proses yapısı ile sızıntı suyu, koku ve sera gazı emisyonlarının salınımı problemleri yok olmaktadır.
Üniversite yemekhanesinde oluşan organik atıkların biyogaz üretim veriminin araştırıldığı bu çalışmada tam ölçekli portatif anaerobik reaktör kullanılmıştır. 50 m3'lük hacme sahip reaktör, mezofilik şartlarda (38±1 °C) tek kademeli, tam karışımlı ve sürekli beslemeli reaktör modelinde işletilmiştir. Isıtma ihtiyacı boyler ile, reaktör içerisindeki karışım da çubuklu karıştırıcı (ajitatör) yardımıyla yapılmıştır. 
Çalışma, dört ayrı dönemde yapılmıştır. Kullanılan atık türü, miktarları ve işletme şartları yönünden benzerlik gösteren ilk üç dönemdeki çalışmalar aynı bölümde, dördüncü dönemdeki çalışma da farklı bir bölümde incelenmiştir. İlk üç dönemdeki çalışmada; yemekhanede yemek pişirme işlemi öncesi çıkan ve kaynağında ayrılmış patates, havuç, pırasa, soğan, marul, biber, kereviz gibi sebze atıkları kullanılmıştır. Kullanılan atıkların ortalama TKM değeri %8,1 olarak bulunmuştur. Dördüncü dönemde organik malzeme olarak; patates, elma posası, şeker fabrikası yan ürünü olan melas, mısır silajı ve hayvan kanı kullanılmıştır. Katı atıklar, iki kademeli parçalama işleminden geçirilerek reaktöre beslenmiştir. Birinci parçalama işleminde 20 mm'ye düşürülen atık boyutları, ikinci parçalama işleminde 5 mm'ye kadar düşürülmüştür. Beslenen atıklar, kullanılan atık türüne göre farklı oranlarda su ile karıştırılmıştır.
Reaktöre ait sıcaklık takibi reaktörü kontrol eden otomasyon sistemi ile anlık olarak yapılabilmiştir. Biyogaz debisi ise reaktör gaz çıkış hattında bulunan debimetre ile kaydedilmiştir. Reaktörden belirlenen aralıklarla alınan numunelerle toplam katı madde (TKM), uçucu katı madde (UKM), biyokimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), toplam alkalinite, toplam fosfor, toplam kjeldahl azotu (TKN) gibi parametrelerin analizleri laboratuvar ortamında gerçekleştirilmiştir.
İlk üç dönemde yürütülen çalışmalarda ortalama pH ve alkalinite değerleri sırasıyla 7,3 ve 3606 mg/L CaCO3 olarak bulunmuştur. Dördüncü dönemde pH değeri ortalama 7,4 olarak bulunmuştur. Besleme öncesinde su ile karıştırılan organik atıkların ortalama TKM değeri %2,8 olarak bulunmuştur. İlk üç dönem için sırasıyla ortalama giriş ve çıkış değeri %80,5 ve %51,7 olarak bulunan UKM'nin giderim verimi; birinci, ikinci ve üçüncü dönemde sırasıyla %29,7, %33,1 ve %40,8 olarak bulunmuştur.
İlk üç dönemde %34,6 giderim verimi sağlanan TKN giriş ve çıkış değerleri sırasıyla 1169 mg/l ve 764 mg/l olarak bulunmuştur. TKN ile birlikte ölçülen bir diğer azot formu olan NH3-N'nin giriş ve çıkış değerleri sırasıyla 217 mg/l ve 486 mg/l olarak kaydedilmiştir. Sadece 3. dönemde analizi yapılan TP değerinin giriş ve çıkış değerleri 72,8 mg/l ve 42,0 mg/l olarak bulunmuştur.
Proses veriminin en önemli göstergelerinden biri olan KOİ parametresinin ölçümleri birinci, ikinci ve üçüncü dönemlerde yapılmıştır. Ortalama giriş ve çıkış değerleri sırasıyla 27772 ve 9975 mg/L olan KOİ'nin giderim verimi ortalama %67,8 olarak bulunmuştur.
Farklı miktarda besleme yapılmasından dolayı ilk üç dönemde üretilen biyogaz miktarları arasında büyük farklar gözlenmiştir. Ortalama biyogaz verimi 559 m3 biyogaz/kg UKM ve biyogaz içeriğindeki metan (CH4) oranı %59,7 olarak bulunmuştur.
İlk üç dönem içerisinde en çok organik beslemenin yapıldığı birinci dönemde üretilen toplam biyogaz miktarı 303,739 m3 olarak kaydedilmiştir. İkinci ve üçüncü dönemlerde sırasıyla 159,860 m3 ve 34,945 m3 olarak kaydedilmiştir. Biyogaz üretim verimi de prosese beslenen UKM değerinden hesaplanmıştır. Sırasıyla birinci, ikinci ve üçüncü dönemde yapılan 7007, 2955 ve 1098 kg'lık beslemeler ile 0,601, 0,704 ve 0,372 m3 biyogaz/kg UKM biyogaz üretim verimleri elde edilmiştir.
Birinci, ikinci ve üçüncü dönemlerde sırasıyla ortalama 0,23, 0,12 ve 0,05 kg UKM/m3.gün organik yükleme hızlarında reaktör beslemesi yapılmıştır. Organik besleme hızlarındaki değişim, yemekhaneden alınan atık miktarı ile birlikte değişkenlik göstermiştir. 25 gün boyunca organik madde beslemesi yapılan dördüncü dönemde organik yükleme hızı 0,7 – 8,8 g UKM/m3.gün arasında değişmiştir.  Bu dönemde ortalama organik yükleme hızı 5,5 g UKM/m3.gün olarak gerçekleşmiştir.
Anaerobik reaktörden üretilen biyogazın ısı ve elektrik enerji potansiyeli hesaplanmıştır. Buna göre birinci, ikinci ve üçüncü dönemlerde toplam elektrik enerjisi potansiyeli sırasıyla; 19,1, 11,9 ve 2,2 kW/gün olarak hesaplanmıştır. Dördüncü dönemde bu miktar 182 kW/gün olarak hesaplanmıştır. 
27 gün süren çalışmanın dördüncü döneminde yaklaşık 3000 m3 biyogaz üretimi gerçekleştirilmiştir. Mezofilik şartlarda ve tam karışımlı ve sürekli beslemeli işletme şartlarında çalıştırılan proseste sıcaklık 40±1 °C set değerine sabitlenmiştir. Aşı olarak 40 m3 büyükbaş hayvan dışkısı beslenerek devreye alınan reaktöre daha sonra toplamda 16740 kg patates, 6610 kg elma posası, 5550 kg mısır silajı, 2205 kg melas ve 1365 kg hayvan kanı beslenmiştir. Üretilen biyogazın içeriği portatif biyogaz ölçüm cihazı ile günde iki defa ölçülmüştür. Reaktöre ilk aşı beslemesinden sonraki 7. günde yapılan ilk biyogaz ölçümünde biyogaz içeriğindeki CH4 oranı %42,5, CO2 oranı 54,9 olarak ölçülmüştür. İlerleyen günlerde %62,1'e kadar çıkan CH4 oranı, çalışma boyunca ortalama %53 olarak bulunmuştur. Çalışmanın başında 2212 ppm (part per million- milyonda bir) olarak ölçülen H2S miktarı çalışmanın sonunda 613 ppm olarak ölçülmüştür. Çalışma boyunca ortalama H2S miktarı 591 ppm olarak bulunmuştur.

Abstract:
Growing population of world leads to production of increasing amount of solid waste. Solid waste generation increases with respect to economic and technological developments. Poor management of solid wastes results in environmental pollution. Appropriate management of solid wastes is a necessity due to many reasons such as leachate infiltration to groundwater, greenhouse gas emissions, odor problems, as well as possible health problems arising from solid wastes.
Sanitary landfills, which is the most common solid waste management method, lacks control of above - mentioned risks waste disposal cannot be carried out in the most effective manner. This results in renouncing economic benefits of waste management. 
Integrated waste management practices are commonly applied for waste management regarding to economic and environmental factors. In this method it is aimed to either recycle or recover all waste constituents such as, organic fraction of municipal solid waste, papers, plastics, metals, etc. 
Anaerobic digestion of organic wastes comes to forefront due to its economic potentials, as well as minimized environmental impacts. Anaerobic digestion which can be basically defined as degradation of wastes in oxygen free environment has number of benefits, such as electricity generation from biogas, nutrient recovery, as well as soil fertilizer production potential from digestate. Furthermore, with a controlled process, odor problems, leachate and greenhouse gas emissions are reduced. 
In this study a full-scale anaerobic reactor is used. Reactor has 50 m3 volume and operated continuously under mesophilic (~38 °C) and completely mixed conditions. Reactor is heated by a boiler and mixing is carried out with an agitator. 
The study was carried out in four different periods and the studies in the first three periods were examined in the same section, and the study in the fourth period was examined in a different section. In the first three period of the study, source separated food preparation leftovers, mainly potato, carrot, onion, lettuce, pepper, leek, celery are used. Average solid content of wastes fed to the reactor is found to be 8.12%. In the fourth period, potatoes, apple pulp, molasses, maize silage and animal blood were used as organic materials. Wastes are fed to reactor after two stage macerating. In the first stage, waste dimensions are reduced to 20 mm and after second stage reduced to 5 mm. Digester is fed with water with respect to solid content of daily wastes.
Temperature is controlled by an automated system, while biogas flowrate is measured by a flowmeter located at gas effluent line. Analysis of TS (Total Solids), VS (Volatile Solids), COD (Chemical Oxygen Demand), alkalinity, TP (Total Phosphorus) and TKN (Total Kjekdahl Nitrogen) are carried out at ITU Environmental Engineering laboratory, periodically. 
In the first 3 periods pH values are recorded as 7.1, 7.4 and 7.3 in these periods. Average pH of waste fed to reactor was 4. 
Alkalinity varied in a range of 2900 – 4300 mg CaCO3/L with an average value of 3606 mgCaCO3/L. In the fourth period pH value is recorded as 7,4.
Solids content of feedstock were 3.2%, 3,0% and 2.6% for 3 periods respectively. In 2nd and 3rd periods, reduction in solids content after digestion is observed, while in 1st period, solids content increased. Effluent solids content in first, second and third periods are found to be 5.30%, 2.45% and 0,60%, respectively. 
Influent and effluent VS values are found to be 79.76% and 56.03%, 81.57% and 56.67%, 81.55% and 48,57% of TS, while.VS reduction is found to be 29,7%, %33.0 and %40.8 for 3 periods, respectively. 
Average 34.6% TKN removal was achieved in the first three periods, while influent and effluent values were 1169 mg/L and 764 mg/L respectively. Another form of nitrogen analyzed along with TKN is ammonia nitrogen (NH3 – N). NH3 – N enters anaerobic reactor in the form of urea and protein and increases as a result of protein degradation. Influent and effluent NH3 – N concentrations are found to be 217 mg/L and 486 mg/L, with a 124% increase. 
TP analysis is carried out only in 3rd period while influent and effluent concentrations recorded as 72.8 mg/L and 42 mg/L, respectively. 
COD, one of the most important parameters indicating process stability in measured for the first three periods. Least COD removal is observed in the 1st period, in which organic loading rate was higher than other 2 periods.  In first period 52.5% COD removal is achieved with 24457 mg/L and 15428 mg/L influent and effluent COD concentrations, respectively. In the 2nd period, COD removal was 72.2% with 30632 mg/L and 8511 mg/L influent and effluent COD concentrations, respectively. COD removal was highest in 3rd period with 78.8% with influent and effluent concentrations 28226 mg/L and 5986 mg/L respectively. 
Varying amount of biogas production is observed due to varying loading rates. In the 1st period with highest loading rate among in the first three period, a total of 303.730 m3 biogas production was observed. In 2nd and 3rd periods, 159.860 m3 and 34.945 m3 biogas production is achieved. Biogas production efficiency is calculated with respect to VS fed to reactor. 7007, 2955 and 1098 kg of VS fed to reactor for 3 periods respectively and 0.601, 0.704 and 0.372 m3 biogas/kg VS is achieved. Methane (CH4) content of biogas is analyzed and found to be 59.7%. 
In the first, second and third periods, reactor was fed with organic loading rates (OLR) as 0,23, 0,12 and 0,05 kg UKM/m3.day, respectively. The change in OLR varied with the amount of waste taken from the cafeteria. Average OLR of the fourth period is found to be 5,5 kg UKM/m3.day, while the values ware varying in the range of 0,7 – 8,8 kg UKM/m3.day.
The heat and electrical energy potential of the biogas produced from the anaerobic reactor was calculated. The total electrical energy potential in the first, second and third periods is calculated as 19,1, 11,9 and 2,2 kWh/day, respectively. In the fourth period the electrical energy potential is calculated to be 182 kWh/day.
In the fourth period of the study, total of 2963 m3 biogas production was achieved in 27 study days. In the continuously fed completely mixed reactor, temperature is fixed to ~40°C. pH was continuously monitored throughout this period and a change with 0.2 unit was observed, with an average value of 7.4. Reactor is inoculated with 40 m3 cow manure and fed with 16,740 kg potato, 6610 kg apple pulp, 5550 kg maize silage, 2205 kg molasses and 1365 kg animal blood.
Content of biogas was measured twice a day with a portable biogas measurement device. After the first feeding, CH4 and CO2 contents in the biogas are found to be 42.5% and 59.4% respectively at 7th day. CH4 content increased to 62.1% in the following days and an average value of 53% is achieved throughout the study period. H2S content is measured as 2212 ppm and 613 ppm at the beginning and end of the study respectively, with an average value of 590 ppm.
Istanbul Technical University is a leading university in studies of sustainability and recycling topics. The waste management in the ITU campuses is being done according to Waste Management Guidelines which is published in 2015. In the first step of waste management, many awareness trainings are set up every year for reduction or minimization of waste generation. Secondly, for source sorting of generated wastes, the recycling containers placed in various places. Source sorted plastics, papers and metals are sent to recycling by companies or local authorities and the organic fraction of wastes are treated in biogas treatment plant which is produces electricity and fertilizer as well. By establishing a zero waste management system, in 2021, it has received the Zero Waste Certificate by the T.C. Ministry of Environment, Urbanization and Climate Change.