Patates işleme endüstrisi atıksularının anaerobik tam karışımlı kontakt reaktörde mezofilik ve termofilik şartlarda arıtılabilirliğinin incelenmesi ve modellenmesi
Investigation on the treatability and modelling of potato-processing wastewaters in a completely mixed anaerobic contact reactor under mesophilic and thermophilic conditions
Yazar: ELİF ŞENTÜRK
Danışman: DOÇ. DR. GÜLEDA ENGİN
Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü / Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2010
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Anaerobik arıtma = Anaerobic treatment ; Uçucu yağ asitleri = Volatile fatty acids

Özet:
Patates işleme endüstrisinde yıkama, soyma ve ilave proses işlemleri sonucu büyük miktarda atıksu oluşmaktadır. Bu atıksular nişasta ve protein gibi biyolojik parçalanabilen bileşiklerden oluşmaktadır. Yüksek kimyasal oksijen ihtiyacı, toplam askıda katı madde konsantrasyonları yüksektir. Patates işleme endüstrisi atıksularının arıtımı tercih edilirken organik ve zararlı maddelerin çevreye olan etkilerini minimize edecek proseslerin seçimi gereklidir.Yüksek hızlı anaerobik reaktör grubuna giren anaerobik kontakt reaktörde patates işleme endüstrisi atıksularının mezofilik ve termofilik şartlarda arıtılabilirliği incelenmiştir. Farklı organik yükleme hızında ve farklı hidrolik bekleme süresinde anaerobik arıtma için önemli olan parametrelerin (giderme verimi, uçucu yağ asitleri ve gaz kompozisyonu) seyri takip edilmiştir. Termofilik şartlarda yapılan çalışmalarda uygulanan 0,6-8 kg KOİ/m3.gün'lük organik yükleme hızlarında kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderim verimi % 86-97 ve biyogazdaki metan içeriği % 68-89 olarak bulunmuştur. Metan üretim hızı da yaklaşık olarak 0,42m3 CH4/kg KOİgiderilen olarak hesaplanmıştır. Mezofilik şartlarda yapılan çalışmalarda uygulanan 1,1-5 kg KOİ/m3.gün'lük organik yükleme hızlarında ise KOİ giderim verimi % 78-92 ve biyogazdaki metan içeriği % 80-89 olarak bulunmuştur. Metan üretim hızı da yaklaşık olarak 0,394 m3 CH4/kg KOİgiderilen olarak hesaplanmıştır. Termofilik ve mezofilik denemelerden elde edilen sonuçlar ışığında termofilik anaerobik kontakt reaktörde daha yüksek organik yükleme hızlarında çalışılabileceği görülmüştür.Termofilik anaerobik kontakt reaktöre asetat yüklemesi yapılarak sistemin verdiği tepki incelenmiş ve yaklaşık bir günde sistemin eski haline döndüğü gözlenmiştir. Ayrıca mezofilik şartlarda yapılan çalışmanın son aşamasında sisteme şok yükleme uygulanmış ve sistem performansı değerlendirilmiştir. Mezofilik şartlarda sistemin daha kararlı olması nedeniyle şok yükleme etkisini 15 saat gibi kısa bir sürede tolere etmiş ve sistem kararlı hale ulaşmıştır.Çalışma sonucunda hem termofilik hem de mezofilik şartlarda farklı organik yükleme hızlarındaki sistemin kararlı hale ulaştığı andan itibaren elde edilen verilerden yararlanılarak farklı kinetik modeller başarıyla uygulanmıştır. Bu modellerle substrat dengesi, maksimum tüketim hızı ve hacimsel metan üretim hızı belirlenmiştir. Modeller için bulunan regresyon katsayılarının yüksek olması (0,970?0,999) uygulanabilirliliğini göstermektedir. Bunlara ek olarak matematiksel bir model olan Anaerobik Digestion Modelling 1 (ADM1) her iki koşulda (mezofilik ve termofilik) elde edilen datalara uygulanmıştır. Modelin metan üretimi, pH için yaptığı tahminler çok iyi olup çıkış KOİ konsantrasyonu için ise tahmin zayıftır.

Abstract:
In potato processing industry, large amounts of water is formed as result of peeling, washing and other additional processes. These wastewaters contain various biodegradable compounds, such as starch and protein. Since the chemical oxygen demand and the total suspended solids concentration of such wastewaters are quite high, the decision on the selection of treatment processes should consider to minimize the effects of organic compounds on environment.In this study, the treatability of potato processing wastewaters was investigated under mesophilic and thermophilic conditions in an anaerobic contact reactor which is regarded as a high rate anaerobic reactor. The parameters, such as treatment efficiency, volatile fatty acids and biogas produced, which have significant importance for anaerobic treatment were monitored during the course of the experimental study. Under thermophilic conditions, the COD removal efficiency and methane composition in biogas were determined to be 86-97 % and 68-89 %, respectively, for organic loading rates of 0,6-8 kgCOD/m3.d.. The methane production rate was calculated and found to be approximately 0,42 m3 CH4/ kg CODremoved. Under mesophilic conditions, the COD removal efficiency and methane composition in biogas were determined to be 78-92 % and 80-89 %, respectively, for organic loading rates of 1,1-5 kgCOD/m3.d. The methane production rate was also calculated and found to be approximately 0,394 m3 CH4/ kg CODremoved. Considering all the results obtained from the experiments run under both mesophilic and thermophilic conditions, it was concluded that higher organic loading rates can be applied to thermophilic anaerobic contact reactorReactor response to acetate loading under thermophilic conditions was also investigated and it was observed that the system was able to recover in a day time. Furthermore, in the final stage of the study carried out under mesophilic conditions, the effects of shock loading were investigated. As it is well known, such systems are steadier under mesophilic conditions, the reactor used in this study tolerated the effects of shock loading and reached steady-state conditions under 15 hours.At end of the study, various kinetic models have been applied by using the data obtained at the steady-state under various organic loading rates for both mesophilic and thermophilic conditions. With the kinetic models used, the substrate balance, the maximum utilization rate and the volumetric methane production rate were determined. High regression values (0,970-0,999) obtained indicated that these models can be applied successfully to the system used. Additionally, a mathematical model, namely the Anaerobic Digestion Model 1 (ADM 1), has been implemented to the data obtained during the experimental studies. Although the model results obtained have shown that the predictions for pH and methane production were satisfactory, the predictions for effluent COD concentration were of poor quality.