Bütüncül bir arıtma yaklaşımıyla sızıntı sularından katma değeri yüksek biyopolimer ve biyokompozit eldesi ve sürdürülebilir arıtım teknolojisinin geliştirilmesi /
Yazar: BENGİSU ÇİFTÇİOĞLU GÖZÜAÇIK
Danışman: PROF. DR. BÜLENT KESKİNLER
Gebze Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Katı atık düzenli depolama alanlarında üretilen sızıntı suları; yüksek miktardaki organik maddeye ek olarak azotlu maddeler, ağır metaller, klorlanmış organik/inorganik tuzları ihtiva etmektedir. Yüksek kirliliğe sahip bu atıksuların toplanması, depolanması ve arıtılması ile ilgili çevresel etkileri en aza indirmek için etkili bir arıtım stratejisi gerekmektedir. Halihazırda sızıntı suyunun arıtılması için kullanılan konvansiyonel yöntemler büyük ölçüde arıtıma odaklanmıştır. Ancak gıda krizi, küresel ısınma, mikroplastik kirliliği gibi küresel ölçekte yaşanan kaygılar sebebiyle, günümüzde sızıntı suları yönetiminin, sadece mevzuata uyum değil, aynı zamanda sızıntı sularının tekrar kullanılabilir bir kaynak ve katma değerli yan ürünlere dönüştürülmesi perspektifi ile ele alınmasının bir zorunluluk haline geldiği anlaşılmaktadır. Atıksu arıtımına bu perspektiften bakıldığında, sızıntı sularının ihtiva ettiği uçucu organik asitler oldukça dikkate değer bir kaynaktır. Bu sebeple, uçucu organik asitlerin hem atıksudan geri kazanılması hem de biyoplastiklere dönüştürülmesi petrole olan bağımlılığı azaltması ve petrol kaynaklı çevresel kaygılara bir çözüm sunması açısından son derece elzemdir. Ayrıca sızıntı sularının arıtımı birden fazla arıtma prosesinin bir arada kullanımını gerektiren konvansiyonel arıtma yaklaşımı sebebiyle yüksek işletme maliyetlerine ve operasyonel güçlüklere neden olmakta ve arıtılabilirliği açısından hala endişe uyandıran bir konu olarak güncelliğini korumaktadır. Bununla birlikte hammaddesi sızıntı sularından geri kazanılarak üretilen biyoplastiklerin ekonomik katkısı yüksek arıtım maliyetlerinin üstesinden gelebilmek için umut vaadeden bir yaklaşım olarak değerlendirilmektedir.
Bu kapsamda, bu çalışmada konvansiyonel sızıntı suyu arıtımına bir alternatif olarak, sızıntı suları organik asit içeriğinin Mekanik Buhar Sıkıştırma (MVR) teknolojisi ile distile edilmesi, distilatın Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) üretiminde karbon kaynağı olarak kullanılması ve üretilen PHBV'nin biyokompozit gibi katma değeri yüksek ürünlere dönüştürülmesi hedeflemiştir. Bu çalışma, üç aşamada gerçekleştirilmiş olup, birinci aşamada MVR'ye entegre biyolojik proses ile çöp sızıntı suyunun etkili şekilde arıtımı sağlanırken, %84,9 oranında UYA geri kazanılmıştır. İkinci aşamada, Cupriavidus necator ile C/N/P oranının ve besleme rejiminin PHBV depolanması üzerindeki etkileri araştırılmış, 2 kademeli besleme ve azot kısıtlaması ile % 96 oranında PHBV depolamasına (g PHBV/g DCW) ulaşılmıştır. Biyopolimerin artan termal özelliklerine işaret eden 3HV'nin 3HB'ye oranı, atık sudan geri kazanılan uçucu organiklerin propiyonik ve valerik asit içermesi nedeniyle % 45'e kadar ulaşmıştır. Çalışmanın son aşaması olan üçüncü aşama ise ikinci aşamada üretilen biyoplastikler ile bir başka atık kaynağı olan kenevir liflerinden katma değeri yüksek biyokompozitlerin üretilmesidir. Sonuç olarak bu çalışma, arıtımı en güç atıksuların başında gelen sızıntı sularının etkili arıtımına, ekonomik katma değere sahip, hammaddesi atıklardan geri kazanılmış biyopolimer ve biyokompozit üretimi ile entegre edilmiş teknolojilerin geliştirilmesine, hem temiz üretim teknolojlerine hem de endüstriyel simbiyoza önemli bir örnek teşkil etmektedir.

Abstract:
Leachate produced in landfills contains nitrogenous substances, heavy metals, chlorinated organic/inorganic salts in addition to high amounts of organic matter. An effective treatment strategy is required to minimize the environmental impacts associated with the collection, storage and treatment of these highly polluted wastewaters. Conventional methods currently used to treat leachate are largely focused on treatment. However, due to global concerns such as the food crisis, global warming, microplastic pollution, etc., it has become imperative to address wastewater management not only from the perspective of compliance with legislation, but also from the perspective of transforming wastewater into a reusable resource and value-added by-products. From this perspective, volatile organic acid contained in leachate are a remarkable resource. Therefore, both the recovery of volatile organic acid from wastewater and their conversion into bioplastics is essential to reduce petroleum dependency and provide a solution to petroleum-related environmental concerns. In addition, leachate treatment is still a concern due to the high operating costs and operational difficulties associated with the conventional treatment approach, which requires the use of multiple treatment processes in combination. However, the economic contribution of bioplastics and biocomposites produced by recovering raw materials from leachate is considered as a promising approach to overcome high treatment costs.
In this context, as an alternative to conventional leachate treatment, this study aimed to distill the organic acid content of leachate by Mechanical Vapor Compression (MVR) technology, use the distillate as a carbon source in the production of Poly(3-hydroxybutyrate-co-3-hydroxyvalerate) (PHBV) and convert the PHBV into high value-added products such as biocomposites. This study was carried out in three stages. In the first stage, the biological process integrated into the MVR provided effective treatment of landfill leachate and 84.9% of volatile organic acid was recovered. In the second stage, the effects of C/N/P ratio and feeding regime on PHBV storage were investigated by Cupriavidus necator and 96% PHBV storage (g PHBV/g DCW) was achieved with 2-stage feeding and nitrogen limitation. The ratio of 3HV to 3HB, resulting in increased thermal properties of the biopolymer, reached up to 45% due to the propionic and valeric acid content of volatile organics recovered from wastewater. The final stage of the study was the production of high value-added biocomposites from bioplastics produced in the second stage and hemp fibers, another waste source. As a result, this study provides an important example of both cleaner production technologies and industrial symbiosis by developing technologies integrated with the effective treatment of leachate, which is one of the most difficult wastewaters to treat, and the production of biopolymers and biocomposites whose raw materials are recovered from waste and wastewater.