Biyoreaktör depo sahalarında nanomalzemelerin davranışları ve atıkların ayrışma prosesleri üzerindeki etkilerinin araştırılması
The fate of nanomaterials in bioreactors landfills and their effects on solid waste degradation
Yazar: SENEM YAZICI GÜVENÇ
Danışman: PROF. DR. MEHMET SİNAN BİLGİLİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Nanopartiküllerin malzemeye kazandırdıkları özellikler sebebiyle, tüketici ürünlerinde kullanımları giderek artış göstermektedir. Düzenli depolamanın, sağlamış olduğu ekonomik avantajlar sebebiyle ülkemizde ve dünyada katı atıkların bertaraf yöntemleri arasında halen sıklıkla tercih edilen bir yöntem olması sebebiyle, nanopartikül içeren ürünler faydalı kullanım ömürleri sonunda doğrudan kentsel katı atıklar (KKA) ile birlikte düzenli depo sahalarında bertaraf edilmektedir. Bu çalışmada, nanomalzeme üretiminde en yaygın olarak kullanılan gümüş nanopartiküller (AgNPs) ve titanyum dioksit nanopartiküllerin (TiO2NPs) KKA ile birlikte aerobik ve anaerobik geri devirli ve klasik anaerobik düzenli depo sahalarında bertaraf edilmesi halinde, depo sahalarında oluşan sızıntı suyu, depo gazı bileşenleri ve yeraltı suyu karakterizasyonu ile biyolojik ayrışma sürecinde etkin mikrobiyal kompozisyon üzerinde meydana gelebilecek etkiler araştırılmıştır.
Bu amaçla, AgNPs ve TiO2NPs'in aerobik ve anaerobik düzenli depo sahalarındaki ayrışma üzerine etkilerini belirleyebilmek için üçü aerobik biyoreaktör, üçü anerobik biyoreaktör ve üçü klasik anerobik olmak üzere 9 adet pilot ölçekli reaktör (iç çapı 80 cm, yüksekliği 350 cm) işletilmiştir. Reaktörlere İstanbul KKA'ını temsil edecek yaklaşık 900 kg KKA ve NP/10000 KKA oranında Ag ve TiO2 nanopartikül yüklenmiştir. Her bir üçlü reaktör takımında birer adet nanopartikül içermeyen kontrol reaktörü, bir AgNPs ve bir TiO2NPs içeren reaktör kullanılmıştır. Çalışmada, aerobik biyoreaktörler 250 gün, anaerobik biyoreaktör ve klasik reaktörler ise 900 gün işletilmiştir. 
Aerobik biyoreaktörler (A-K, A-TiO2 ve A-Ag) sırasıyla 0,02; 0,019 ve 0,016 L/dk-kg atık oranlarında havalandırılmış ve atık stabilizasyonları havalandırmanın etkisiyle anaerobik reaktörlere göre daha kısa sürede gerçekleşmiştir. 250 günlük depolama süresince A-K, A-TiO2 ve A-Ag reaktörlerinde 161, 112 ve 129 L sızıntı suyu oluşumu tespit edilmiştir. Aerobik şartlar altında amonyağın oksidasyonu sebebiyle sızıntı suyu amonyak konsantrasyonları 250 gün sonunda A-K, A-TiO2 ve A-Ag reaktörleri için sırasıyla 450, 100 ve 300 mg/L değerlerine düşmüştür. Organik maddenin aerobik şartlar altında hızlıca ayrışması ile 250 gün sonunda A-K, A-TiO2 ve A-Ag reaktörleri için sırasıyla sızıntı suyu KOİ konsantrasyonları 5000, 1300 ve 1750 mg/L değerlerine düşmüştür. TiO2NPs ve AgNPs'in atıkların aerobik ayrışması üzerine herhangi bir etkisi olmadığı bulunmuştur. A-TiO2 reaktörü sızıntı suyu, yeraltı suyu ve katı atık numunelerinde Ti konsantrasyonları sırasıyla 0,05 mg/L, <0,0001 mg/L ve 376 mg/kg kuru atık; A-Ag reaktörü için Ag konsantrasyonları sırasıyla 0,1 mg/L, <0,0001 mg/L ve 400 mg/kg kuru atık değerlerinde tespit edilmiştir. Aerobik biyoreaktörlerde nanopartiküllerin katı faz üzerinde tutunma ve yığın oluşturma özelliğine bağlı olarak sızıntı suyu ve yeraltı suyunda konsantrasyonları düşük, katı atık üzerinde ise çok daha yüksek olarak ölçülmüştür.
Anaerobik biyoreaktörlerde sızıntı suyu geri devir uygulaması sebebiyle klasik anaerobik reaktörlere göre atık stabilizasyonu daha kısa sürede gerçekleşmiştir. AN-G-K, AN-G-TiO2 ve AN-G-Ag reaktörleri sızıntı suyu oluşum miktarları sırasıyla 444, 230 ve 252 L değerlerinde iken, AN-K, AN-TiO2 ve AN-Ag reaktörleri için sırasıyla 317, 281 ve 274 L değerlerinde ölçülmüştür. AN-G-K, AN-G-TiO2 ve AN-G-Ag reaktörleri sızıntı suyu KOİ konsantrasyonları depolamadan 460, 470 ve 650 gün sonra; AN-K, AN-TiO2 ve AN-Ag reaktörleri için 650, 730 ve 820 gün sonra 5000 mg/L değerlerine düşmüştür. Nanopartiküllerin anaerobik ayrışma sürecinde mikrobiyal faaliyeti engelleyerek, atıkların ayrışmasını ve metan oluşumunu yavaşlattığı belirlenmiştir. AN-G-TiO2 ve AN-TiO2 reaktörleri için 900 gün sonunda sırasıyla Ti konsantrasyonları sızıntı suyu için 0,15 ve 0,04 mg/L ve katı atık numunelerinde 430 ve 320 mg/kg kuru atık; AN-G-Ag ve AN-Ag reaktörleri için sırasıyla Ag konsantrasyonları sızıntı suyu için 0,13 ve 0,15 mg/L ve katı atık numunelerinde 300 ve 190 mg/kg kuru atık değerlerinde tespit edilmiştir. Anaerobik reaktörlerin tüm yeraltı suyu numunelerinde Ti ve Ag konsantrasyonları 0,0001 mg/L'den düşük olarak belirlenmiştir. Aerobik reaktörlerde olduğu gibi anaerobik reaktörlerde de nanopartiküller katı faz üzerinde bir araya gelme ve yığın oluşturma eğiliminde olup, daha yüksek konsantrasyonlarda tespit edilmiştir.

Abstract:
Utilization of nanoparticles in consumer products shows an increase due to bringing innovation to materials. Since landfills are the most widely used disposal method in our country and in all over the world, materials containing nano particles thereafter are disposed with municipal solid wastes (MSW) as they completed their economic life. Silver nanoparticles (AgNPs) and titaniumdioxide nanoparticles (TiO2NPs) are widely used in nanomaterial production. In this study; the effects of AgNPs and TiO2NPs on leachate, landfill gas, groundwater characterization and active microbial composition in biological degradation process as these nanomaterials are disposed in landfills with municipal solid wastes was investigated. 
To determine the effect of AgNPs and TiO2NPs on degradation in aerobic and anaerobic landfills, three aerobic bioreactors, three anaerobic bioreactors and three conventional anaerobic reactors with inner diameter of 80 cm and height of 350 cm were operated. About 900 kg of solid wastes representing İstanbul MSW were disposed in reactors. Ag and TiO2 was added with the ratio of NP/10000 MSW to the reactors except for the control reactors. The three reactor groups were operated aerobically with leachate recirculation, anaerobically with leachate recirculation and anaerobically without leachate recirculation. These reactors groups comprise of one control reactor without any nanoparticle addition, one with Ag addition and one with TiO2 addition. Aerobic biorectors were operated for a period of 250 days whereas anaerobic biorectors and conventional anaerobic reactors were operated for a period of 900 days. 
Aerobic bioreactors (A-C, A-TiO2 and A-Ag) were operated with aeration rates of 0.02; 0.019 ve 0.016 L/minute-kg waste, respectively. Higher stabilization rates were obtained by aeration in aerobic reactors as compared with anaerobic reactors. The amount of leachate generated in A-C, A-TiO2 ve A-Ag reactors were determined to be 161, 112 ve 129 L respectively. Ammonia concentrations of leachate in A-C, A-TiO2 ve A-Ag were found to be 450, 100 ve 300 mg/L after 250 days whereas COD concentrations were determined to be 5000, 1300 ve 1750 mg/L, respectively. No significant effect of TiO2NPs and AgNPs was observed on aerobic solid waste degradation. Ti concentrations of leachate, groundwater and solid waste samples were determined as 0.05 mg/L, <0.0001 mg/L ve 376 mg/kg dry waste in A-TiO2 reactor, Ag concentrations in leachate, groundwater and solid waste samples were determined as 0.1 mg/L, <0.0001 mg/L ve 400 mg/kg dry waste in A-Ag reactor.  Concentrations of the nanoparticles in leachate and groundwater samples were found to be lower as compared with solid phase concentration of the nanoparticles. This can be attributed to the tendency of the nanoparticles to sorption and accumulation mechanisms. 
Stabilization rate was higher in anaerobic bioreactors because of the leachate recirculation. Amount of leachate generated in AN-R-C, AN-R-TiO2 and AN-R-Ag reactors was found to be 444, 230 and 252 L whereas amount of leachate generated in AN-C, AN-TiO2 ve AN-Ag reactors was found to be 317, 281 and 274 L, respectively. COD concentrations of leachate in AN-R-C, AN-R-TiO2 and AN-R-Ag reactors decreased to the value of 5000 mg/L after 460, 470 and 650 days, respectively. In AN-C, AN-TiO2 and AN-Ag reactors COD concentrations decreased to 5000 mg/L after 650, 730 and 820 days, respectively. It can be concluded that nanoparticles decreases the waste degradation and metan generation rate by inhibiting microbial activity in anaerobic decomposition process.  In AN-R-TiO2 and AN-TiO2 reactors, Ti concentrations were determined to be 0.15 and 0.04 mg/L in leachate samples and 430 and 320 mg/kg dry waste in solid waste, respectively after 900 days of operation. In AN-R-Ag and AN-Ag reactors Ag concentrations were found to be 0.13 and 0.15 mg/L in leachate samples and 300 ve 190 mg/kg dry waste in solid phase, respectively. Ti and Ag concentrations were determined to be below 0.0001 mg/L in groundwater samples of all anaerobic reactors. Similar with aerobic reactors nanoparticles show tendency to be adsorbed on solid wastes and accumulate.