Sürdürülebilir atık yönetimi kapsamında organik atıkların solucan ile kompostlaştırılması: İTÜ Ayazağa kampüsü örneği
Composting organic wastes with worms within the scope of sustainable waste management: The case of ITU Ayazaga campus
Yazar: AYŞE NUR USTA
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN GÜVEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Dünya nüfusunun günden güne artmasıyla birlikte doğal kaynaklar ve hammaddeler hızla tükenmektedir. Bu hızlı tüketimin sonucu olarak katı atık oluşumu artış göstermektedir. Oluşan katı atıkların yönetimi ve bertarafı tüm dünya için önem arz etmektedir. Çünkü atıklar uygun şekilde yönetilmedikleri takdirde çevre ve insan sağlığı açısından risk oluşturmaktadır. Oluşan atık miktarını azaltabilmek ve oluşabilecek risklerin önüne geçmek amacıyla atık yönetiminde yeni yaklaşımlar ve yöntemler uygulamaya konmaktadır. Atık oluşumu tamamen engellenemese bile atık yönetiminde sürdürülebilir yaklaşımların uygulanmasıyla çevreye verilen zarar minimize edilebilmektedir. Atık yönetiminde sürdürülebilir yaklaşımlar, çevre dostu ve ekonomik atık yönetim uygulamalarını beraberinde getirirken; bazı atıkların hammadde olarak kullanılmasıyla enerji ve hammadde kaynaklarının aşırı tüketiminin önüne geçilebilmektedir.
Katı atıkların önemli bir miktarını organik katı atıklar oluşturmaktadır. Organik katı atıkların bertaraf edilmesinde en sık kullanılan yöntemlerden biri ise kompostlaştırmadır. Atıkların kaynağında ayrı toplanıp kompostlaştırılmasıyla birlikte düzenli depolama tesislerine gönderilen atık miktarı azaltılabilmektedir. Ayrıca kompostlaştırma işlemi sonucunda oluşan kompost önemli bir toprak düzenleyicidir. 
Kompostlaştırma birçok farklı yöntemle yapılabilmektedir. Son yıllarda ilgi çeken ve kullanım sıklığı artan kompostlaştırma yöntemlerinden biri ise solucan ile kompostlaştırmadır. Organik atıkların solucan ile kompostlaştırılmasıyla oluşan vermikompost (solucan kompostu) önemli bir toprak düzenleyicidir ve organik gübre olarak değerlendirilmektedir. Organik atıkların solucanlarla kompostlaştırılması atıklardan kaynaklanan çevre kirliliğinin azaltılmasına katkı sağlarken, vermikompostun tarımda kullanılması kimyasal gübre kullanımından kaynaklanan çevresel etkilerin azaltılmasına katkı sağlayabilmektedir. Solucan ile kompostlaştırmayla organik atık yönetimine önemli bir çözüm getirilirken tarımsal girdi olarak kullanılabilecek bir ürün elde edilmektedir. Böylece çevreci, ekonomik ve sürdürülebilir atık yönetimi sağlanabilmektedir.
Yapılan tez çalışmasında İstanbul Teknik Üniversitesi Ayazağa Kampüsünde oluşan organik atıkların solucan ile kompostlaştırılması araştırılmıştır. Çalışma kapsamında kampüste oluşan yemek, çim ve budama atıkları solucan ile kompostlaştırmaya tabi tutulmuştur. Kompostlaştırma işlemi için 6 metre uzunluğunda, 1,25 metre genişliğinde ve 80 cm derinliğinde yatağa sahip olan bir sürekli akış sistemli kompostlaştırma reaktörü ve Eisenia Fetida türü solucanlar kullanılmıştır. Reaktör 5 farklı bölmeye ayrılıp birim alanda eşit miktarda solucan bulunacak şekilde solucanlar reaktöre eklenmiştir. Reaktörün 5 bölmesi için kampüste oluşan atıklardan 5 farklı atık karışımı oluşturulmuştur. Karışım 1 tamamen yemek atığından, Karışım 2, %50 yemek ve %50 çim atığından, Karışım 3, %80 çim ve %20 budama atığından, Karışım 4, %40 yemek, %40 çim ve %20 budama atığından ve Karışım 5, %80 yemek ve %20 budama atığından oluşturulmuştur. Oluşturulan atık karışımları 8 haftalık bir ön kompostlaştırma işlemine tabi tutulup solucanlar için kolay tüketilebilir bir mama haline getirilmiştir. Daha sonra 5 farklı karışımla reaktörün beş farklı bölmesindeki solucanlar beslenmeye başlamıştır. Reaktör yeterli doluluğa ulaştıktan sonra ilk vermikompost hasadı yapılmış ve 1 ay süreyle 4 defa hasat yapılmıştır.
Reaktöre yerleştirilen solucanların beslenmesi reaktörün üst tarafından yapılmıştır. Solucanlara mama olarak ön kompostlaştırılmış atık karışımları verilmiştir. Reaktörün üstünden besin eklendikçe solucanlar reaktörün tabanından yukarıya doğru hareket etmektedir. Reaktör tabanında bulunan bıçak sistemi sayesinde üretilen vermikompost, reaktörün tabanından hasat edilmektedir. Böylece hasat yapılırken solucanların reaktörden çıkmamaları sağlanmaktadır.
Deneysel çalışmaların başında kullanılan ham atıklar, ön kompostlaştırılmış atık karışımları ve çalışmanın sonunda elde edilen vermikompost laboratuvarda analiz edilmiştir. Bu çerçevede pH, elektriksel iletkenlik, toplam katı madde, toplam uçucu katı madde, toplam kjeldahl azotu, toplam organik karbon, toplam fosfor, makro-mikro element ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca elde edilen vermikompost numunelerinin patojen içeriği analiz edilmiştir.
Elde edilen vermikompostların nem içeriği %70,7-74,3 aralığında iken organik madde içeriği %51,9-59,6 arasında değişmiştir. Vermikompostların pH değeri 7,00-7,38 aralığında değişmişken elektriksel iletkenlik değeri 4,35-5,91 mS/cm aralığında bulunmuştur. Vermikompostların toplam kjeldahl azotu içeriği ise %2,04-2,48 aralığında olmuştur. %50 yemek ve %50 çim atığı içeren Karışım 2'den elde edilen vermikompostun en yüksek azot içeriğine sahip olduğu tespit edilmiştir. Vermikompostların toplam organik karbon içeriği %25,68-32,64 aralığında bulunmuştur. Toplam organik karbon ve toplam kjeldahl azotu arasındaki ilişkiye bağlı olan karbon/azot (C/N) oranı ise 12,60-13,66 arasında hesaplanmıştır. Vermikompostların toplam fosfor ve potasyum içeriği sırasıyla 934-1.430 mg/kg ve 14.922-22.261 mg/kg ölçülmüştür. %80 çim ve %20 budama atığından oluşan Karışım 3'ten elde edilen vermikompostun en düşük fosfor ve potasyum içeriğine sahip olduğu bulunmuştur. Vermikompostlarda patojen tespiti için toplam koliform, Escherichia coli ve Salmonella analizi yapılmıştır. Hiçbir vermikompostta Salmonella tespit edilmemiştir. Buna karşın vermikompostlar toplam koliform ve Escherichia coli içerdiği tespit edilmiştir.
Yapılan analizler sonucunda, elde edilen vermikompostun incelenen parametrelerin birçoğu için ulusal ve uluslararası mevzuatta belirlenen kriterlere uygun olduğu sonucuna varılmıştır. Mevzuatta belirtilen kriterleri sağlamayan parametreler toplam koliform ve Escherichia coli'dir. Bulunan patojenlerin giderilmesi için vermikompostun için 70 °C'de 1 saatlik ısıl işlem görmesi önerilmiştir.
Deneysel çalışma kapsamında solucanların farklı atık karışımlarıyla beslenmelerinin çoğalmaları üzerindeki etkisini incelemek amacıyla 2 defa solucan sayımı yapılmıştır. Sayımlardan biri solucanlar atık karışımlarıyla beslenmeye başlanan ilk haftada, diğeri ise atık karışımlarıyla beslemenin tamamlandığı hafta yapılmıştır. Sayım sonuçlarına en çok artış Karışım 4 ile beslenen solucanların bulunduğu Bölme 4'te gerçekleşmiştir. En az artış ise Karışım 1 ile beslenen solucanların olduğu Bölme 1'de gerçekleşmiştir. Genel olarak en fazla solucan artışı %20 budama atığı içeren karışımlarla beslenen bölmelerde (Bölme3, Bölme 4, Bölme 5) gerçekleşmiştir. 
Çalışma kapsamında, kampüste oluşan organik atıkların solucanla kompostlaştırılması ve DDT'ye (Düzenli Depolama Tesisi) gönderilmesi ekonomik olarak kıyaslanmıştır. Solucanla kompostlaştırma senaryosu için yıllık toplam maliyet ve yıllık toplam kazanç hesaplanıp fayda/maliyet (F/M) oranı 1,12 olarak bulunmuştur. F/M oranının 1'den büyük olması yatırımın karlı olduğunu göstermektedir.
Yapılan tez çalışması neticesinde, solucan ile kompostlaştırma tekniğinin İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) Ayazağa Kampüsünde oluşan organik atıklarının yönetiminde kullanılabileceği sonucuna varılmıştır. Üniversite kampüsleri yaşam ve iş alanlarına örnek olabileceği için buralardaki sürdürülebilirlik ve atık yönetim uygulamaları önem taşımaktadır. Bu sebeple araştırma, geliştirme ve uygulama merkezi olan üniversitelerin, örnek teşkil edecek şekilde atık yönetim yöntemleri uygulamaları sürdürülebilir kalkınma amaçlarına ulaşılabilmesi açısından önem taşımaktadır. Böylece İTÜ Ayazağa Kampüsünde solucan ile kompostlaştırma tekniğinin kullanılması benzer kurumlara örnek teşkil edecektir. Ayrıca bu tekniğin uygulanması halinde İTÜ'de Sıfır Atık Yönetiminin uygulanması konusunda önemli bir adım atılmış olacaktır. Buna ek olarak uluslararası üniversite sıralamalarında her yıl daha üst sıralamalar elde eden İTÜ, bu uygulamayla daha başarılı sonuçlar elde edebilecek ve Yeşil Kampüs kimliğini güçlendirebilecektir.

Abstract:
With the increase in the world population day by day, natural resources and raw materials are depleted rapidly. As a result of this rapid consumption, solid waste generation increases. The management and disposal of solid waste is important for the whole world. Because if wastes are not managed properly, they pose a risk to the environment and human health. New approaches and methods are put into practice in waste management in order to reduce the amount of waste generation and prevent possible risks. Even if the waste generation cannot be completely prevented, the damage to the environment can be minimized by applying sustainable approaches in waste management. While sustainable approaches in waste management bring along environmentally friendly and economical waste management practices; by using some wastes as raw materials, excessive consumption of energy and raw material resources can be prevented.
Organic solid wastes constitute a significant amount of solid wastes. Composting is one of the most commonly applied methods for the disposal of organic solid waste. By collecting and composting the waste separately at the source, the amount of waste sent to sanitary landfills facilities can be reduced. In addition, the compost produced as a result of the composting process is an important soil conditioner.
Composting can be done in many different methods. One of the composting methods, which has become popular in recent years and has increased in frequency, is composting with earthworms. Vermicompost, which is formed by composting organic wastes with earthworms, is an important soil conditioner and is considered as organic fertilizer. While composting organic wastes with earthworms contributes to the reduction of environmental pollution caused by wastes, the use of vermicompost in agriculture can contribute to reducing the environmental impacts caused by the use of chemical fertilizers. While composting with worms brings an important solution to organic waste management, a product that can be used as agricultural input is obtained. Thus, environmentally friendly, economical and sustainable waste management can be achieved.
In the conducted thesis study, the composting of organic wastes generated in Istanbul Technical University Ayazağa Campus by composting with earthworms was investigated. Within the scope of the study, food, grass and pruning wastes generated in the campus were subjected to earthworm composting. A continuous flow-through composting reactor and Eisenia Fetida worms were used for composting. The reactor was divided into 5 different compartments and earthworms were added to the reactor so that there was an equal number of earthworms per area. The reactor used in the study was 6 meters long, 1.25 meters wide and 80 centimeters high. The continuous flow-through reactor is one of the most technological tools used for the production of vermicompost. Worms of the species Eisenia Fetida are the most common type of earthworm used in vermicompost production because it has the highest adaptation capacity among other species. This species has high reproductive potential and is resistant to acidic environments. In addition, this species feeds more and produces more vermicompost than other species. For the 5 compartments of the reactor, 5 different waste mixtures were formed from the wastes generated on the campus. Mixture 1 was all food waste, Mixture 2 was 50% food and 50% grass waste, Mixture 3 was 80% grass and 20% pruning waste, Mixture 4 was 40% food, 40% grass and 20% pruning waste, and Mixture 5 was 80% food and 20% pruning waste. An easily consumable food for worms were turned from an 8-week pre-composting process which was the subject of the created waste mixtures. Then the worms in five different compartments of the reactor began to feed with 5 different mixtures. The first vermicompost harvest was done after the reactor reached sufficient occupancy and 4 harvests were made for 1 month.
The worms placed in the reactor were fed from the top part of the reactor. Worms were fed with pre-composted waste mixtures. As food is added from above, the worms in the reactor move upward. Thanks to the blade system at the bottom of the reactor, the produced vermicompost was harvested. Thus, while harvesting, the worms were not left from the reactor.
At the beginning of the experimental studies, raw waste materials used, pre-composted waste mixtures, and the compost obtained at the end of the study were analyzed in the laboratory. Within this framework, pH, electrical conductivity, total solid content, total volatile solid content, total kjeldahl nitrogen, total organic carbon, total phosphorus, macro-micro element measurements. In addition, the pathogen content of the vermicompost samples were analyzed.
The moisture content of the obtained vermicomposts was between the range of 70.7% to 74.3%, while the organic matter content varied between 51.9% to 59.6%. The pH value of vermicomposts ranged from 7.00 to 7.38, and the electrical conductivity value was found to be between 4.35 and 5.91 mS/cm. The total kjeldahl nitrogen content of vermicomposts varied between 2.04% to 2.48%. Vermicompost obtained from Mixture 2, consisting of 50% food waste and 50% grass clippings, had the highest nitrogen content. The total organic carbon content of vermicomposts changed between 25.68% to 32.64%. The C/N ratios, which are related to the relationship between total organic carbon and total Kjeldahl nitrogen, were calculated between 12.60 and 13.66. The total phosphorus and potassium contents were measured from934 to 1,430 mg/kg and 14,922 to 22,261 mg/kg, respectively. Vermicompost obtained from Mixture 3, consisting of 80% grass and 20% pruning waste, had the lowest phosphorus and potassium content. Total coliform, Escherichia coli, and Salmonella analyses were conducted to detect pathogens in the vermicomposts. No Salmonella was detected in any vermicompost. However, it was found that vermicomposts contained total coliform and Escherichia coli.
As a result of the conducted analyses, it has been concluded that the obtained vermicompost met the criteria set by national and international regulations for many of the parameters. The parameters that do not meet the criteria specified in the regulations were total coliform and Escherichia coli. To eliminate the found pathogens, it was recommended that the vermicompost undergo a thermal treatment at 70°C for 1 hour.
As part of the experimental study, two worm counts were conducted to examine the effect of feeding worms with different waste mixtures on their population growth. One count was conducted during the first week of feeding worms with waste mixtures, while the other count was done at the end of the week when feeding with waste mixtures was completed. The count results showed that the highest increase occurred in Compartment 4, where worms were fed with Mixture 4. The least increase was observed in Compartment 1, where worms were fed with Mixture 1. Generally, the highest worm population growth occurred in compartments (Compartment 3, Compartment 4, Compartment 5) fed with mixtures containing 20% pruning waste.
Within the scope of the study, the composting of the organic wastes generated on the campus with earthworms and sending them to a sanitary landfill were economically compared. For the worm composting scenario, the annual total cost and annual total earnings were calculated and the cost/benefit (C/B) ratio was found to be 1.12. A C/B ratio greater than 1 indicates that the investment is profitable.
As a result of the thesis study, it was concluded that the composting with worms can be used in the management of organic wastes generated on the Istanbul Technical University (ITU) Ayazağa Campus. By collecting and disposing of organic waste separately at the source, there will be a significant reduction in the amount of waste sent to sanitary landfills. In addition, vermicompost will be obtained, which is a good quality soil conditioner. The obtained vermicompost can be used in landscaping works in campus green areas.
Sustainability and waste management practices in university campuses are important because they can be an example for living and business areas such as campuses. For this reason, the waste management practices of universities, which are research, development and application centers, are important in terms of achieving sustainable development goals. Thus, the use of vermicomposting technique in ITU Ayazağa Campus will set an example for similar institutions. In addition, in the case of applying this technique, an important step will be taken in the implementation of Zero Waste Management at ITU. In addition, ITU, which achieves higher rankings in international university rankings every year, will be able to achieve more successful results and strengthen its Green Campus identity with this practice.