Sera atıklarına uygulanan kimyasal ön arıtım yöntemlerinin anaerobik arıtılabilirlik üzerine etkilerinin değerlendirilmesi
Evaluation of effects of chemical pretreatment methods on anaerobic digestibility of agricultural residues
Yazar: ENDER US
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ALTUNAY PERENDECİ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Anaerobik bozunma = Anaerobic decomposition ; Cevap yüzey yöntemi = Response surface methodology ; Lignoselülozik yapı = Lignocellulosic structure ; Optimizasyon = Optimization ; Ön işlem = Pretreatment

Özet:
Bu çalışma kapsamında lignoselülozik yapıya sahip sera atıklarına uygulanan termo-kimyasal ön arıtım yönteminin anaerobik parçalanma üzerindeki etkileri incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda Antalya ilinden elde edilen sera atıkları kullanılmıştır. Ön arıtım prosesi üzerinde etkisi olduğu düşünülen bağımsız değişkenler (asit konsantrasyonu, reaksiyon sıcaklığı, reaksiyon süresi, katı madde konsantrasyonuve karıştırma hızı) belirlenmiş ve seçilen cevap değişkenleri (çKOİ artışı, çözünmüş şeker konsantrasyonu ve UAKM konsantrasyonu) üzerindeki etkileri istatistiksel Plackett-Burman analiz yöntemi ile incelenmiştir. En fazla etkiye sahip bağımsız değişkenler cevap yüzey yöntemi kullanılarak optimize edilmiştir. Optimizasyonda çKOİ artışı ve çözünmüş şeker konsantrasyonun maksimize edilmesi hedeflenmiştir. Bağımsız değişkenlerden asit konsantrasyonu maksimize edilirken reaksiyon sıcaklığı ise minimize edilmiştir. Ön arıtım sonrası elde edilen çözünmüş fazdan ve karışım fazından BMP deneyleri gerçekleştirilerek metan üretim etkinlikleri değerlendirilmiştir.çKOİ artışı ve çözünmüş şeker konsantrasyonu için yapılan optimizasyon sonucunda asit konsantrasyonu ve reaksiyon sıcaklığının ön arıtım prosesi üzerinde en etkili bağımlı değişkenler olduğu belirlenmiştir. %2,59 asit konsantrasyonu ve 100°C reaksiyon sıcaklığı optimum koşullar olarak tespit edilmiştir. Optimum koşullarda yapılan ön arıtım validasyon deneyi sonunda %75,80 çKOİ artışı ve 28,63 mg Glikoz/g UKM çözünmüş şeker konsantrasyonu sonucuna ulaşılmıştır. BMP deneyleri sonucunda çözünmüş faz için elde edilen en yüksek metan miktarı 191,68 mL CH4/g KOİ olarak ölçülmüştür. Çözünmüş fazda üretilen maksimum metan miktarına %5 asit konsantrasyonu ve 60 °C reaksiyon sıcaklığı uygulamasından sonra ulaşılmıştır.Karışım fazından elde edilen en yüksek metan miktarı ise 302,86 mL CH4/g UKM olarak asit kullanılmayan 80 °C reaksiyon sıcaklığı koşullarında elde edilmiştir. Bununla birlikte, çKOİ ve çözünmüş şeker için elde edilen optimum koşullarda (%2,59 asit konsantrasyonu ve 100 °C reaksiyon sıcaklığı) ön arıtım uygulaması sonucunda karışım numunelerinin BMP sonuçları düşük değerlerde kalmıştır. Uygulanan ön arıtım sonunda çKOİ artışı ile birlikte çözünmüş şeker konsantrasyonunun artması ve sonuç olarak üretilen metan miktarının da artması beklenirken, BMP sonuçları düşük bulunmuştur. Bu nedenle lignoselülozik kökenli sera atıklarının asidik termal ön arıtım uygulamasında ön arıtım koşulları optimizasyonunun BMP sonuçlarına göre yapılmasının metan üretimini maksimize etmek açısından daha uygun olduğu kararına varılmıştır. MKT deneyleri kapsamında ön arıtım uygulanan numunelerin BMP testleriyapılmış, sonuçlar için proses modeli önerilmiş ve maksimum metan üretimi için optimum koşullar %0 asit konsantrasyonu ve 78,63 °C reaksiyon sıcaklığı olarak tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study agricultural residues composed of lignocellulosic structure were pretreated thermo-chemicaly and effects of thermo-chemical pretreatment on anaerobic digestibility were evaluated. Agricultural residues obtained from Antalya province had been used in experimental studies. Effective parameters on pretreatment process (acid concentration, reaction temperature, reaction time, solid concentration and agitation speed) were determined and its effects on responses (sCOD increase, soluble sugar concentration and VSS concentration) were evaluated by statistical Plackett-Burman design. Acid concentration and reaction temperature, as the most effective parameters, have been optimized using the response surface method, RSM. Two constraints werepplied in optimization tests; first, soluble COD and soluble sugar concentrations were maximized secondly, independent variable acid concentration was maximized while reaction temperature was minimized. Batch BMP tests were conducted in the soluble phase and the mixture phase after pretreatment to evaluate methane production efficiency.As a result of the runs, acid concentration and reaction temperature were found to be the most effective parameters on the pre-treatment process. After the optimization, 2.59% acid concentration and 100 °C reaction temperature were found as optimum values for thermo-chemical pretreatment. After validation experiments, COD increase and soluble sugar concentration have been found 75.80% and 28.63 mg Glucose/g VS, respectively as the highest yield of the desired optimization. The highest methane value of soluble phase preatreated with 5% acid concentration at 60 °C was measured as 196.93 ml CH4/g COD in BMP tests. The highest amount of methane obtained from mixture phase was found 350.39 ml CH4/g VS at 80 °C reaction temperature under acidfree pretretment conditions. However, BMP results of pretreated mixture samples were rather low after the application of optimum conditions (%2.59 acid concentration and 100 °C reaction temperature). At the end of the pretreatment, methane production was expected to be higher with the increase of soluble COD and soluble sugar, however BMP results have shown low values. Therefore, as a better option, for the maximization of methane production in acidic-thermal pretreatment of lignocellulosic greenhouse residues; the optimization was decided to be done in accord with BMP results. BMP tests have been conducted on pretreated samples with RSM runs and a process model has been proposed to simulate the results. Optimum values for maximum methane production were found as 0% acid concentration and 78.63 °C reaction temperature.