Evsel atıksu arıtma tesisi çamurları ile termokimyasal ön arıtım uygulanmış lignoselülozik atıkların birlikte anaerobik parçalanabilirliğinin değerlendirilmesi
Co-digestion of sewage sludges with thermochemically pretreated greenhouse residues
Yazar: LÜTFİYE DUMLU
Danışman: YRD. DOÇ. DR. ALTUNAY PERENDECİ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2011
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu tez kapsamında, lignoselülozik kökenli sera atıklarının anaerobik parçalanabilirliğini arttırmak amacıyla atıklara anaerobik parçalanma öncesi termal-H2SO4, termal-HCl, termal-NaOH ve termal-Ca(OH)2 ön arıtım prosesleri uygulanmıştır. Arıtma çamurlarının anaerobik parçalanabilirliğini geliştirerek biyogaz üretimini arttırmak için arıtma çamurlarına termokimyasal ön arıtımla muamele edilen sera atıkları ağırlıkça %20, 40, 50, 60, 80 ve 100 oranlarında ilave edilmiş ve metan üretim potansiyelleri standart BMP testi ile değerlendirilmiştir. Arıtma çamuru ve ham sera atıklarının birlikte anaerobik parçalanabilirliğinde, arıtma çamuruna eklenen ham sera atığının karışımdaki miktarının arttırılmasıyla tKOİ giderim veriminin azaldığı, UKM giderim verimi, metan üretimi ve toplam reaksiyon hız sabitinin arttığı belirlenmiştir. Karışım numuneleri arasında en yüksek kümülatif metan üretimi 299,40 mLCH4/gUKM değeri ile 20:80 karışım oranından elde edilmiştir. Sera atıklarına termal-H2SO4 ön arıtım prosesi uygulamasından sonra arıtma çamuru ile birlikte anaerobik parçalanabilirliğinde, arıtma çamuruna termal-H2SO4 ön arıtım uygulanan numunelerin ilave edilmesiyle atıkların reaksiyon hız sabitlerinin ve UKM giderim verimlerinin azaldığı ve bu azalmaların metan üretimine yansıdığı tespit edilmiştir. Bu çalışmada termal-H2SO4 ön arıtımla muamele edilen sera atıklarının arıtma çamurunun anaerobik parçalanabilirliğini geliştirmediği sonucuna ulaşılmıştır. Sera atıklarına uygulanan bir diğer asit ön arıtım prosesi ise termal-HCl ön arıtımdır. Arıtma çamuruna, termal-HCl ön arıtım prosesi uygulanan numunelerin (1,44H ve OPT1) eklenmesiyle reaksiyon hız sabitlerinde önemli fark olmadığı, UKM ve tKOİ giderim verimlerinin arttığı ve bu artışın metan üretimine yansıdığı gözlenmiştir. Arıtma çamuruna 1,44H (60°C reaksiyon sıcaklığı- %5 kuru madde miktarı - %1,44 HCl konsantrasyonu- 324 rpm karıştırma hızı - 1 saat reaksiyon süresi) ve OPT1 (60°C reaksiyon sıcaklığı - %5 kuru madde miktarı - %0 HCl konsantrasyonu - 500 rpm karıştırma hızı- 1 saat reaksiyon süresi) numunelerinin eklenmesi ile oluşturulan karışım numuneleri arasında en yüksek kümülatif metan miktarları 20:80 karışım numunesinden sırasıyla 362,10 mLCH4/gUKM ve 313,62 mLCH4/gUKM olarak elde edilmiştir. Sera atıklarına termal-NaOH ön arıtım prosesi uygulamasından sonra arıtma çamuru ile birlikte anaerobik parçalanabilirliğinde; arıtma çamuruna termal-NaOH ön arıtım prosesi uygulanan numunelerin (60N ve 70N) ilave edilmesiyle reaksiyon hız sabitlerinde önemli fark olmadığı, ancak UKM ve tKOİ giderim verimleri ile metan üretim verimlerinin arttığı tespit edilmiştir. Arıtma çamuruna 60N (60°C reaksiyon sıcaklığı - %5 kuru madde miktarı -%0NaOH konsantrasyonu - 0 rpm karıştırma hızı ? 1 saat reaksiyon süresi) ve 70N (70,98°C reaksiyon sıcaklığı - %5 kuru madde miktarı %0,23 NaOH konsantrasyonu - 0 rpm karıştırma hızı - 1 saat reaksiyon süresi) numunelerinin ilave edilmesiyle oluşturulan karışım numuneleri arasında en yüksek metan üretimleri sırasıyla 360,44 mLCH4/gUKM ve 364,19 mLCH4/gUKM değerleri ile 20:80 numunesinden elde edilmiştir. Arıtma çamuru ve termal-NaOH ön arıtım uygulanan sera atıklarının birlikte kullanılabilirlikleri değerlendirildiğinde optimum karışım oranları 40:60 ve 20:80 olarak tespit edilmiştir. Sera atıklarına uygulanan diğer ön arıtım prosesi ise termal- Ca(OH)2 ön arıtımdır. Arıtma çamuruna termal-Ca(OH)2 ön arıtım prosesi uygulanan 0,11K (60°C reaksiyon sıcaklığı - %5 kuru madde miktarı - 0,11 gr Ca(OH)2/g atık - 0 rpm karıştırma hızı - 1 saat reaksiyon süresi) ve K4 (60°C reaksiyon sıcaklığı - %5 kuru madde miktarı - 0 gr Ca(OH)2/g atık - 233 rpm karıştırma hızı- 1 saat reaksiyon süresi) numunelerinin eklenmesiyle reaksiyon hız sabitlerinin yaklaşık aynı olduğu, ancak UKM ile tKOİ giderim verimlerinin ve metan üretiminin arttığı belirlenmiştir. Arıtma çamuruna 0,11K ve K4 numunelerinin eklenmesiyle oluşturulan karışım numuneleri arasında en yüksek metan miktarları sırasıyla 314,78 mLCH4/gUKM ve 279,62 mLCH4/gUKM değerleri ile 20:80 karışım numunesinden elde edilmiştir. Arıtma çamuru ve termal-Ca(OH)2 ön arıtım uygulanan atıkların birlikte kullanılabilirlikleri değerlendirildiğinde optimum karışım oranları 50:50, 40:60 ve 20:80'dir. Bu tez ile termal-NaOH, termal-Ca(OH)2, termal-HCl yöntemi ile muamele edilen sera atıklarının arıtma çamuruna ilave edilmesiyle anaerobik parçalanabilirliğin arttığı, ancak termal-H2SO4 yöntemi ile muamele edilen sera atıklarının arıtma çamuru ile birlikte anaerobik parçalanabilirliğinin gelişmediği belirlenmiştir. Bununla birlikte termal-NaOH ön arıtım prosesi ile muamele edilen sera atıklarının arıtma çamuruna ilave edilmesiyle metan üretiminin diğer termokimyasal ön arıtım (H2SO4, HCl ve Ca(OH)2 proseslerinden daha verimli olduğu tespit edilmiştir. Arıtma çamuru ve termokimyasal ön arıtımla muamele edilen sera atıklarının enerji üretimi için birlikte anaerobik parçalanması Antalya bölgesi için alternatif bir prosesdir.ANAHTAR KELİMELER: Arıtma çamuru, birlikte anaerobik parçalanma, biyokimyasal metan potansiyeli, sera atığı,

Abstract:
In this thesis, thermal-H2SO4, thermal-HCl, thermal-NaOH and thermal-Ca(OH)2 pretreatment processes were applied to the lignocellulosic greenhouse residues in order to enhance the anaerobic digestion. To enhance co-digestion of sewage sludge, thermochemically pretreated lignocellulosic greenhouse residues were added to sewage sludge with a ratio 20, 40, 50, 60, 80 and 100% by weight to evaluate their methane production potentials with the standart biochemical methane potential (BMP) test. When co-digestion of sewage sludges with raw greenhouse residues were evaluated, removal rate of tCOD is decreased, however VS reduction, methane production and reaction rate constants have been increased by increasing the amount of greenhouse residues in the mixture. The highest methane production value was obtained as 299.40 mLCH4/gVS when the mixing ratio was 20:80. In the co-digestion of sewage sludge with pretreated greenhouse residues by thermal-H2SO4, reaction rate constants and VS reduction rates were decreased with the addition of pretreated samples by thermal-H2SO4 to the sewage sludge. Methane production were also adversely affected. This research revealed that the greenhouse residues which were pretreated by thermal-H2SO4 didn?t enhance the co-digestion of sewage sludge. Another acidic pretreatment process applied on greenhouse residues was thermal-HCl pretreatment. It was detected that the addition of pretreated samples (1.44H and OPT1) by thermal- HCl to the sewage sludge showed no considerable variation in the reaction rate constant. Furthermore, VS reductions, tCOD removal rates and methane production were increased. The highest cumulative methane productions were found as 362.10 mLCH4/gVS and 313.62 mLCH4/gVS from the 20:80 mixing ratio of 1.44H (60°C ? 5% TS - 1.44% HCl - 324 rpm - 1 hour) and OPT1 (60°C ? 5% TS ? 0% HCl - 500 rpm - 1 hour) samples with the sewage sludge, respectively. When co-digestion of sewage sludge with thermal-NaOH pretreated greenhouse residues were evaluated, no significant difference were observed in the reaction rate constants, however VS reductions and tCOD removal rates were increased with the addition of pretreated samples (60N-70N) by thermal-NaOH to the sewage sludge. These increments were positively reflected to methane production. The highest cumulative methane production are 360.44 mLCH4/gVS and 364.19 mLCH4/gVS from the 20:80 mixing ratio of 60N (60°C ? 5% TS ? 0% NaOH ? 0 rpm ? 1 hour) and 70N (70.98°C ? 5% TS ? 0.23% NaOH ? 0 rpm ? 1 hour) samples with the sewage sludge, respectively. When the codigestion of the sewage sludge and the thermal-NaOH preatreated greenhouse residues were evaluated, the optimum mixing ratios were obtained as 40:60 and 20:80. The thermal-Ca(OH)2 pretreatment application was another alkaline pretreatment process applied on greenhouse residues. It was detected that the reaction rate constants were similar by the addition of pretreated samples (0.11K and K4) by thermal- Ca(OH)2 to the sewage sludge. However VS reductions and tCOD removal rates and also methane production were increased. The highest cumulative methane productions were found as 314.78 mLCH4/gVS and 279.62 mLCH4/gVS from the 20:80 mixing ratio of 0.11K (60°C ? 5% TS ? 0.11 gr Ca(OH)2/g waste - 0 rpm ? 1 hour) and K4 (60°C ? 5% TS ? 0 gr Ca(OH)2/g waste ? 233 rpm ? 1 hour) samples with the sewage sludge, respectively. The optimum mixing ratios were obtained as 50:50, 40:60 and 20:80 for co-digestion of sewage sludge and thermal- Ca(OH)2 preatreated greenhouse residues. In this thesis, co-digestion of sewage sludges with greenhouse residues was enhanced when thermochemically (thermal-NaOH, thermal-Ca(OH)2 and thermal- HCl) pretreated samples were used. However, thermal- H2SO4 pretreated greenhouse residues indicated no considerable enhancement in sewage sludge co-digestion. Furthermore, the results indicated that thermal-NaOH pretreatment process is promising since pretreated greenhouse residues significantly increases the methane production, when compared to other thermochemical pretreatment. Co-digestion of sewage sludge with thermochemically pretreated greenhouse residues to increase the biogas production has presented as an alternative process for energy production of organic wastes in Antalya province.KEYWORDS: Sewage sludge, co-digestion, biochemical methane potential, , greenhouse residues, and thermochemical pretreatment