Kanatlı et kesimhanesi arıtma tesisi çıkış suyunun fotokatalitik bozunma ile ileri arıtımı: Maliyet analizi, optimizasyon ve modelleme
Advanced treatment by photocatalytic degradation of effluents from treatment plants of poultry slaughterhouse: Cost analysis, optimization and modeling
Yazar: MUSA BÜYÜKADA
Danışman: PROF. DR. FATİH EVRENDİLEK
Abant İzzet Baysal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, bir ileri oksidasyon süreci (İOS) olan titanyum dioksit
(TiO2) destekli fotokatalitik bozunma ile Bolu ilinde bulunan iki farklı kanatlı et
kesimhanesine (tavuk ve hindi) ait çıkış sularının ileri arıtımı (renk, kimyasal oksijen
ihtiyacı (KOİ) ve toplam organik karbon (TOK) giderimleri) ve bunun toplam
giderim maliyeti incelenmiştir. Bu amacı gerçekleştirebilmek ve hata payını
indirgemek için iki farklı eleme ve dört farklı etkileşim tasarımı deneylerin
planlanmasında kullanılmıştır. Etkisi incelenen işletme parametreleri; atık su tipi (1),
lamba tipi (2), bulanıklık (3), havalandırma (4), katalizör dozu (5), reaksiyon süresi
(6) ve başlangıç pH'sıdır (7).
Sonuçlar, lamba tipi, atık su tipi, bulanıklık ve katalizör dozunun doğrusal
olarak renk, KOİ ve TOK giderimi üzerinde etkili olduklarını göstermiştir (p <
0.001). Ayrıca katalizör dozu ve bulanıklığın ikinci mertebe üssel etkilerinin de (p <
0.001) tüm giderimler üzerinde son derece etkili oldukları belirlenmiştir. Toplam
giderim maliyeti ise sadece katalizör dozunun doğrusal bir fonksiyonu olarak
bulunmuştur (p < 0.001).
Optimum eleme tasarımı; renk, KOİ ve TOK giderimleri için Plackett-
Burman tasarımı iken, toplam giderim maliyeti için kısmi faktöriyel tasarım olarak
belirlenmiştir. Optimum etkileşim tasarımı ise, renk, KOİ ve TOK giderimleri için
merkezi karma tasarım, toplam giderim maliyeti için D-optimal tasarımları olarak
belirlenmiştir. Optimum deneme tasarımlarına istinaden türetilen çoklu doğrusal
(olmayan) regresyon modelleri (ÇD(O)R) yanıt değişkenlerinde ki değişkenliği
%99.97 ile %99.99 oranında açıklayabilmiş ve yanıt değişkenlerini %99.95 ile
%99.99 oranında tahmin edebilmiştir. Ayrıca her bir deneme tasarımının %50'si
kadar deney ile gerçekleştirilen bağımsız veri setleri ile yapılan uyumluluk sonuçları,
türetilen ÇD(O)R modellerinin tahminleri ile deneysel sonuçlar arasında %98.1 ile
%99.99 arasında değişen bir uyum olduğunu göstermiştir. Tüm bu sonuçlar türetilen
ÇD(O)R modellerinin başarısını ortaya koymuştur.
Cevap yüzey metodu (CYM) temelli eş zamanlı optimizasyon neticesinde 0-
1 NTU bulanıklık, 0.005-0.01 g/L TiO2, hindi atık suyu ve UVA lamba optimum
işletme şartları olarak belirlenmiş ve bu şartlarda %60-65 renk, %55-65 KOİ ve %50-
55 TOK giderimi ile 0.013-0.015 $/L giderim maliyeti öngörülmüştür. Optimum
şartlarda gerçekleştirilen validasyon deneyleri neticesinde %64.7 renk, %54.9 KOİ,
%48.5 TOK giderimi elde edilmiş ve bunun toplam giderim maliyeti 0.0141 $/L atık
vii
su olarak belirlenmiştir. Sonuçlar CYM temelli eş zamanlı optimizasyonun işletme
parametrelerinin optimize edilmesinde son derece başarılı olduğunu ortaya
koymuştur.
Toplam giderim maliyetinin, bu tez çalışmasında gerçekleştirilen 337 deney
süresince 0.0141 $/L civarında seyretmiş olması bu sürecin ekonomik olma
noktasında beklentileri karşıladığını göstermiştir. TiO2 destekli fotokatalitik
bozunma sürecinin, kanatlı et kesimhanesi çıkış sularının arıtımında ki başarısının
pozitif mali çıktılar ile bir araya gelmesi endüstriyel uygulamalar noktasında önünü
açmaktadır. Bu durum, olası pilot ölçekli ya da endüstriyel uygulamalar adına süreci
makul kılmaktadır.
Son olarak optimum etkileşim tasarımlarına istinaden türetilen en iyi uyumlu
ÇD(O)R modellerin ifade etmekte zorlandığı kısımlar belirsizlik analizleri ile
incelenmiştir. Deterministik ÇD(O)R modellerine ait olan bu belirsizlikler Monte
Carlo simülasyonu ile açıklanmaya çalışılmıştır. Elde edilen sonuçlar renk, KOİ ve
TOK giderimleri ile toplam giderim maliyetinde sırası ile %10, %9, %7 ve 0.0045
$/L standart hatanın olduğunu göstermiştir.

Abstract:
In this dissertation, advanced treatment (color, chemical oxygen demand
(COD), and total organic carbon (TOC)) and their total cost of the effluents of two
different poultry slaughterhouses in Bolu were investigated using titanium dioxideassisted
photocatalytic degradation process as an advanced oxidation process (AOP).
To carry out this purpose and decrease error probability, two screening designs and
four interaction designs were utilized. The seven explanatory variables were the
effluent type (ET), lamb type (LT), turbidity (T), aeration (A), catalyst dose (CD),
reaction time (RT), and initial pH (pH).
Results showed that, LT, ET, CD, and T were significantly effective on color,
COD, and TOC removals (p < 0.001). Also, quadratic effects of CD and T were found
significantly effective on all removals (p < 0.001). Total cost was found as a linear
function of only CD (p < 0.001). Furthermore, no meaningful effects of RT, pH, and
A were found on color, COD, and TOC removals and total cost (p > 0.05).
Plackett Burman design for color, COD, and TOC removals and fractional
factorial design for total cost were determined as the optimum screening designs.
Central composite design and D-optimal design were determined as the optimum
interaction designs for the same order. Multiple (non-) linear regression (M(N)LR)
models that were derived considering the optimum interaction designs stated the
variation in response variables accounting for 99.95 to 99.995% and predicted the
response variables accounting for 99.95% to 99.99%. Besides, the fitness results with
independent data performed by experiment up to 50% of each experimental design
showed that there was a good fitness between the experimental results and predicted
values accounting for 98.1% to 99.99%. All these results demonstrated the accuracy
of M(N)LR models.
60-65% color removal, 55-60% COD removal, 50-55% TOC removal, and
0.013-0.015 $/L total cost were predicted under the optimum operating conditions
of 0-1 NTU turbidity, 0.005-0.01 g/L TiO2, UVA lamb, and turkey effluent based on
response surface methodology (RSM)-based concurrent optimization. 64.7% color,
ix
54.9% COD, and 48.5% TOC removals and 0.0141 $/L total cost were obtained
under the optimum operating conditions. These results demonstrated that RSM-based
concurrent optimization was quite successful in optimization of the operating
conditions.
The fact that the total cost was in the range of 0.0141 $/L wastewater during
a total of 337 experimental runs showed that this process was partially above the
economic point. Although the TiO2-assisted photocatalytic degradation process
succeeded in the advanced treatment of poultry slaughterhouse effluents, the result
was comparable to the expectation of industrial application in the financial sector.
Further studies can be made on cost analysis in order to improve this situation.
Finally, the residuals belonged to conducted the best fit M(N)LR models
considering the optimum interaction designs, which were unaccounted were
examined using an uncertainty analysis. These uncertainties, associated with the
deterministic M(N)LR models were analyzed using Monte Carlo simulations. Results
showed that standard error of 10%, 9%, 7% and 0.0045 $/L color, COD and TOC
removals and total cost.