Arıtma çamurlarının hidrotermal karbonizasyonu ile elde edilen ürünlerin yararlı kullanım alternatiflerinin araştırılması
Investigation of beneficial use alternatives of products obtainedby hydrothermal carbonization of sewage sludge
Yazar: BETÜL FIRAT
Danışman: DOÇ. DR. ÖZLEM DEMİR
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Biyokütlenin hidrotermal karbonizasyonu sonucu elde edilen ürünlerin tekrar kullanılabilmesi son
zamanlarda dikkat çeken bir çalışma alanı haline gelmiştir. Hidrotermal karbonizasyon işleminin
biyokütle için bir ön kurutma gerektirmemesi arıtma çamurları için uygun bir yöntem olabileceğine
işaret etmektedir. Bu çalışmada, arıtma çamurlarının yönetimine bir nebze de olsa katkı sunmak
açısından kentsel atıksu arıtma tesisi çamurlarının hidrotermal karbonizasyon işleminden geçirildikten
sonra elde edilen ürünlerin yararlı kullanım alternatifleri değerlendirilmiştir. Çalışmada, öncelikle
hidrotermal karbonizasyon işlemine etki eden parametrelerin (çamur/su oranı, sıcaklık, süre)
optimizasyonu maksimum ısıl değer ve enerji verimine Box-Behnken İstatistiksel Deney Tasarım
Yöntemi'ne göre gerçekleştirilmiştir. Elde edilen hidrokömürler için dört farklı yararlı kullanım
alternatifi (anaerobik çürütücüde metan oluşum verimliliğinin artırması, hidrokömürden fosfor geri
kazanımı, adsorpsiyon ile ağır metal gideriminde adsorban olarak kullanabililirliği ve toprak iyileştirici
olarak kullanılabilirliği) değerlendirilerek her bir kullanım alanı için en uygun hidrokömür özellikleri
ortaya konmaya çalışılmıştır. Üst ısıl değerlerinin (HHV) 15.97-18.22 MJ/kg arasında değiştiği
görülmüştür. Hidrokömürlerin ısıl değer artış yüzdelerinin %95.29 (1 sa, 215°C, v/w: 0.1) ve %108.71
(3 sa, 250°C, v/w: 0.07) aralığında olduğu bulunmuştur. Adsorpsiyon çalışmalarında ise ağır metallerde
giderim sağlanmıştır. Optimizasyon sonuçlarına göre: çinko verim ≥%99.51, kurşun için verim
≥%99.98, nikel için verim ≥%87.79, demir için verim ≥%99.75, bakır için verim ≥%99.45, kobalt için
verim ≥%87.00, kadmiyum için verim ≥%99.34 olarak elde edilmiştir. Fosfor geri kazanım
çalışmasında sıcaklık, süre ve Mg(OH)2 etkileri analiz edilmiştir.Hidrokömürlerde fosfor %23.96-97.58
arasında geri kazanılmıştır. Bu çalışmada süre ve Mg(OH)2 miktarı en önemli parametrelerdir.
Hidrokömürün toprak üzerindeki etkilerinde çalışma sonuçlarına bakıldığında, toprağa uygulanan
hidrokömür materyalleri incelenen (kireç, organik madde, yarayışlı fosfor, toplam azot, katyon değişim
kapasitesi (KDK), değişebilir ve çözünebilir katyon (Ca+2, Na+2, Mg+2 ve K+2) parametreler açısından
kontrollere göre iyileştirmeler sağlamıştır. Anaerobik çürütücüde metan oluşum verimliliğinin üzerinde
de anlamlı sonuçlar elde edilmiştir. Çalışma 12 iş günü süresince takip edilmiştir Anaerobik çürütme
deneyleri boyunca kümülatif metan verimleri 15.75-221.67 %LEL CH4 olarak elde edilmiştir.
Çalışmada, yüksek metan eldesinin, yüksek sıcaklık ve yüksek sürelerde elde edilen hidrokömür sıvı
fazının eklenmesi ile kurulan reaktörlerde gözlendiği belirlenmiştir.

Abstract:
The reuse of the products obtained from hydrothermal carbonization of biomass has recently become a
field of study that has attracted attention. The fact that hydrothermal carbonization process does not
require pre-drying of biomass indicates that it may be a suitable method for sewage sludge. In this study,
the beneficial use alternatives of the products obtained after hydrothermal carbonization of municipal
wastewater treatment plant sludges were evaluated in order to contribute to the management of sewage
sludges. In the study, firstly, the optimization of the parameters affecting the hydrothermal
carbonization process (sludge/water ratio, temperature, time) was carried out according to the BoxBehnken Statistical Design of Experiments Method for maximum thermal value and energy efficiency.
Four different beneficial use alternatives (increasing methane formation efficiency in anaerobic
digester, phosphorus recovery from hydrochar, use as adsorbent in heavy metal removal by adsorption
and use as soil amendment) were evaluated for the obtained hydrocoals and the most suitable hydrochar
properties for each application area were tried to be revealed. The upper heating values (HHV) were
found to vary between 15.97-18.22 MJ/kg. The percentage increase in the heating value of the
hydrocoals was found to be between 95.29% (1 h, 215°C, v/w: 0.1) and 108.71% (3 h, 250°C, v/w:
0.07). In adsorption studies, heavy metals were removed. According to the optimization results: zinc
yield ≥99.51%, lead yield ≥99.98%, nickel yield ≥87.79%, iron yield ≥99.75%, copper yield ≥99.45%,
cobalt yield ≥87.00%, cadmium yield ≥99.34%. The effects of temperature, time and Mg(OH)2 were
analyzed in the phosphorus recovery study. Phosphorus was recovered between 23.96-97.58% in
hydrocoal. In this study, time and Mg(OH)2 amount are the most important parameters. Significant
results were also obtained above the methane formation efficiency in the anaerobic digester. Cumulative
methane yields during the anaerobic digestion experiments were 15.75-221.67 %LEL CH4. In the study,
high methane yields were observed in reactors with the addition of hydrochar liquid phase obtained at
high temperatures and high times.