Arıtma çamurlarının anaerobik çürütülmesinde hidrodinamik kavitasyonun biyogaz verimine etkisi
The effect of hydrodynamic cavitation on biogas efficiency in anaerobic digestion of sewage sludges
Yazar: ESRA DEMİR
Danışman: PROF. DR. FATMA OLCAY TOPAÇ ŞAĞBAN
Bursa Uludağ Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında konserve gıda üretimi yapan bir işletmenin atıksu arıtma tesisinden alınan atık aktif çamur hidrodinamik kavitasyon sistemi ile laboratuvar ölçeğinde dezentegre edilmiştir. Optimum işletme şartlarının belirlenmesi amacıyla gerçekleştirilen dezentegrasyon işleminde 3 mm çaplı orifis plaka tercih edilerek 0,3; 0,5; 0,7 ve 0,9 olmak üzere dört farklı kavitasyon sayısında çalışılmıştır. Belirlenen optimum işletme şartlarında gerçekleştirilen hidrodinamik kavitasyonun atık aktif çamur fiziksel ve kimyasal özelliklerinde meydana getirdiği değişimlerin irdelenmesi amacıyla kavitasyon süresince belirli periyotlarla alınan numunelerde ÇKOİ, AKM, UAKM, viskozite, ÇTKN, ÇTP, çözünebilir karbonhidrat, çözünebilir protein analizleri ve mikrobiyal analizler gerçekleştirilmiştir. Hidrodinamik kavitasyonun anaerobik çürütme işlemleri öncesinde bir ön arıtma metodu olarak kullanılabilme potansiyelinin belirlenmesi amacıyla ise birbirine paralel iki adet anaerobik reaktör işletilmiştir. 20 L hacme sahip olan anaerobik reaktörlerde substrat olarak ham atık aktif çamur ve hidrodinamik kavitasyon ile ön işlem uygulanmış atık aktif çamur kullanılmıştır. F/M oranı 3:1 olacak şekilde yükleme yapılarak mezofilik koşullarda çalışılmıştır. Katı bekletme süresi 63 gün seçilerek belirli aralıklarla alınan çamur numunelerinde pH, uçucu asit,  alkalinite, KOİ,  TKM, UKM, AKM ve UAKM analizleri gerçekleştirilmiştir. Günlük üretilen biyogaz miktarları ve belirli aralıklarla tespit edilen gaz kompozisyon verilerinden yola çıkılarak günlük üretilen metan gazı miktarları hesaplanmıştır.
Optimum işletme şartlarında (orifis plaka çapı:3 mm, kavitasyon sayısı 0,3) gerçekleştirilen hidrodinamik kavitasyon çalışmaları neticesinde ÇKOİ, ÇTKN, ÇTP, çözünebilir karbonhidrat ve çözünebilir protein konsantrasyonlarında belirgin bir artış, viskozite, AKM ve UAKM konsantrasyonlarında ise belirgin bir azalma meydana geldiği, Escherichia Coli, Bacillus Subtilis ve Pseudomonas Aeruginosa türleri için giderim oranlarının %94-%99 aralığında değiştiği tespit edilmiştir. Anaerobik çürütme çalışmaları süresince pH değerlerinin metanojenik bakterilerin optimum çalışma aralığı olan 7,8-8,2 aralığında olduğu, alkalinite değerlerinin sistem pH'sını yeterli düzeyde tamponlamaya yetecek kapasite olduğu, uçucu yağ asidi konsantrasyonlarının metanojenik bakteriler için aşılması önerilmeyen seviyeleri geçmediği açıkça ortaya konmuştur. Hidrodinamik kavitasyonun üretilen biyogaz miktarını %31,  metan gazı miktarını %35 oranında arttırdığı belirlenmiştir. Hidrodinamik kavitasyon ile ön arıtmanın KOİ, TKM, AKM, UKM, UAKM giderimi üzerindeki olumlu etkileri tespit edilmiştir.

Abstract:
In this MSc thesis study, waste activated sludge obtained from wastewater treatment plant of a canned food production facility was disintegrated with hydrodynamic cavitation system at laboratory scale. In order to determine the optimum operating conditions for sludge disintegration, diameter of orifice plate was preferred 3 mm, and sludge disintegration was operated at four different cavitation numbers (0.3, 0.5, 0.7 and 0.9). In order to investigate the changes in physical and chemical properties of waste activated sludge caused by hydrodynamic cavitation performed under determined optimum operating conditions, soluble COD, nitrogen, phosphorus, carbohydrate and protein analyzes with SS, VSS, viscosity, and microbial analyzes were carried out in waste activated sludge samples taken at certain periods during cavitation process. In order to determine the potential of hydrodynamic cavitation as a pretreatment method before anaerobic digestion processes, two parallel anaerobic reactors were operated. In anaerobic reactors having a volume of 20 L, raw waste activated sludge and pre-treated waste activated sludge with hydrodynamic cavitation were used as substrates. F/M rate was preferred 3:1 at anaerobic digestion processes was carried out under the mesophilic conditions. The solid retention time was selected as 63 days and pH, volatile acid, alkalinity, COD, TS, VS, SS and VSS analyzes were performed in sludge samples taken at certain periods. The amounts of methane gas produced per a day was calculated by using the amounts of biogas per a day and gas composition data was determined with certain periods. 
The results of hydrodynamic cavitation studies performed under the optimum operating conditions (orifice plate diameter: 3 mm, cavitation number 0.3) apparently showed that there was a marked increment at the soluble COD, nitrogen, phosphorus, carbohydrate and protein concentrations, and a significant decrease in viscosity with SS and VSS concentrations. On the other hand, it was determined that the removal rates of Escherichia Coli, Bacillus Subtilis ve Pseudomonas Aeruginosa ranged from 94% to 99%.  It was clearly demonstrated that pH values were in the range of 7.8-8.2 which is the optimum working range of methanogenic bacteria during anaerobic digestion studies. In addition, it was determined that volatile fatty acid concentrations did not exceed levels not recommended to be exceeded for methanogenic bacteria and alkalinity values were found to be sufficient to buffer the system pH. The results also showed that there was a increment by 31% at the amount of biyogas and 35% at the amount of methane gas. The positive effect of pretreatment with hydrodynamic cavitation on COD, TS, SS, VS and VSS were observed.