Laboratuvar ölçeklı̇ bı̇r mı̇krobı̇yal yakıt hücresı̇nde atık su arıtımı ve elektrı̇k üretı̇mı̇
Wastewater treatment and electricity generation in a laboratory scale microbial fuel cell
Yazar: GİZEM HAZAN AKÇAY
Danışman: PROF. DR. İRFAN AR
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Enerji = Energy ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Mikrobiyal yakıt hücreleri (MYH), kirleticilerin biyolojik arıtımı ve enerji dönüşüm teknolojisi gibi özellikleri nedeniyle son yıllarda büyük ilgi görmektedir. Bu teknoloji, organik maddenin bakteriyel metabolizma ile doğrudan elektrik enerjisine çevrildiği reaktörlerden oluşmaktadır. Organik atıkların arıtımı, enerji üretimindeki verimlilik ve reaktör malzemelerindeki maliyet gibi parametrelerin iyileştirilmesi amacıyla son yıllarda birçok çalışma yapılmaktadır. Yapılan bu çalışmada; 2 farklı reaktör tasarımı ve 3 farklı kompozit elektrot tasarımı gerçekleştirilmiştir. Bu tasarımların arıtma verimi ve elektrik üretim kapasitesi üzerine etkisi incelenerek optimum reaktör tasarımı ve elektrot tasarımı belirlenmiştir. Daha sonra; belirlenmiş olan optimum reaktör/elektrot tasarımı ile substrat olarak çeşitli atık suların (sentetik, evsel ve endüstriyel) kullanıldığı çalışmalar yürütülmüştür. Son olarak medyatör ilavesinin etkisi incelenerek tez çalışması tamamlanmıştır. Yapılan her bir çalışma için, Dizayn Expert 7.0.0 paket programına ait tam faktöriyel tasarım optimizasyonu yapılmıştır. Ayrıca tasarlanan elektrotların ve çalışmalarda kullanılan membranın SEM analizi gerçekleştirilmiştir. Çalışmadan elde edilen sonuçlara göre; optimum reaktör/elektrot tasarımı ile sentetik atık suyun substrat olarak kullanıldığı çalışmada; maksimum gerilim 677,74 mV, maksimum güç yoğunluğu 91,86 mW/m2 ve KOİ giderimi %80,52 olarak elde edilmiştir. Evsel atık suyun substrat olarak kullanıldığı çalışmada; maksimum gerilim 560,17 mV, maksimum güç yoğunluğu 62,75 mW/m2 ve KOİ giderimi %81,42 olarak elde edilmiştir. Endüstriyel atık suyun substrat olarak kullanıldığı çalışmada ise; maksimum gerilim 556,24 mV, maksimum güç yoğunluğu 61,88 mW/m2 ve KOİ giderimi %34,72 olarak elde edilmiştir. Son olarak sentetik atık suyun substrat olarak kullanıldığı çalışmada, medyatör ilavesinin maksimum gerilimde %2,5 ve maksimum güç yoğunluğunda ise %5 artış sağladığı görülmüştür.

Abstract:
Microbial fuel cells (MFCs) have attracted great interest in recent years due to their features such as biological treatment of pollutants and energy conversion technology. This technology consist of reactors where organic matter is directly converted into electrical energy by bacterial metabolism. In recent years, many studies are carried out in order to improve parameters such as treatment of organic wastes, efficiency in energy production and cost of reactor materials. In this study; 2 different reactor designs and 3 different composite electrode designs were carried out. Optimum reactor design and electrode design were determined by examining the effects of these designs on treatment efficiency and electricity generation capacity. Then; studies were carried out in which various waste waters (synthetic, domestic and industrial) were used as the substrate with the optimum reactor/electrode design determined. Finally, the thesis study was completed by examining the effect of mediator addition. Full factorial design optimization in the Design Expert 7.0.0 package program was performed for each study. In addition, SEM analysis of the designed electrodes and the membrane used in the studies were carried out. According to the results of the research; in the study where synthetic wastewater was used as a substrate with optimum reactor/electrode design; maximum voltage, maximum power density and COD removal were obtained as 677,74 mV, 91,86 mW/m2 and 80,52% respectively. In the study where domestic wastewater was used as a substrate; maximum voltage, maximum power density and COD removal were obtained as 560,17 mV, 62,75 mW/m2 and 81,42% respectively. Then, in the study where industrial wastewater was used as substrate; maximum voltage, maximum power density and COD removal were obtained as 556,24 mV, 61,88 mW/m2 and 34,72% respectively. Finally, the study carried out to determine the effect of mediator usage on voltage and power density, showed that usage of mediator increased the maximum voltage as 2.5% where as it caused the increase 5% in maximum power density.