Organik atıklardan sürdürülebilir enerji geri kazanımı: Biyolojik ve termal geri kazanım proseslerinin analizi
Sustainable energy recovery from organic wastes: Analysis of biochemical and thermal processes
Yazar: HASAN SUPHİ ALTAN
Danışman: PROF. DR. SEVAL SÖZEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Biyolojik verim = Biologic output ; Organik atıklar = Organic wastes ; Sürdürülebilir enerji = Sustainable energy ; Termal verimlilik = Thermal efficiency

Özet:
Yürütülen tez çalışması kapsamında farklı kaynaklarda üretilen enerji potansiyeli yüksek olan organik atıklardan, alternatif teknolojiler kullanılarak sürdürülebilir şekilde yenilenebilir enerji geri kazanımının fizibilitesi ortaya konmaktadır. Çalışma kapsamında ele alınan organik karakterdeki evsel katı atıklar, endüstriyel içeriğe sahip olmayan arıtma çamurları, ülke genelinde yaygın olarak yürütülen hayvancılık faaliyetlerinden kaynaklanan atıklar ve ülke genelinde bölgesel olarak majör tarımsal faaliyetler neticesinde açığa çıkan atıkların enerji geri kazanımı ile ülke enerji arz çeşitliliğine ve enerji ekonomisine önemli bir katkı sağlanabileceği tahmin edilmektedir. 
Çalışmanın temeli kapsamlı bir literatür araştırmasına dayanmaktadır. İlk olarak ülke genelinde enerji üretimine uygun olan katı atık potansiyeli araştırılmış ve evsel katı atıklar, endüstriyel içeriğe sahip olmayan arıtma çamurları, majör hayvancılık faaliyetlerinden kaynaklanan atıklar ve her bir coğrafi bölgede yaygın olan tarım faaliyetlerinden kaynaklanan atıklar için literatür kaynaklı miktar tespiti yapılmıştır. Bir sonraki basamakta ise organik madde muhtevası yüksek olan katı atıkların enerji geri kazanımı için yaygın olarak kullanılan prosesler detaylı  araştırılmış ve termal geri kazanım prosesleri kapsamında yakma, gazifikasyon (gazlaştırma), piroliz ve biyolojik enerji geri kazanım prosesleri kapsamında ise anaerobik çürütme (digestion) prosesi simüle edilerek, bu proseslerin modellenmesine yönelik parametreler tespit edilmiştir. 
Evsel katı atık miktarlarının tespitinde TÜİK verilerinden faydalanılmış, her bir il için yıllara bağlı miktarlar tespit edilmiştir. Evsel/Kentsel atıksu arıtma tesislerinden kaynaklanan arıtma çamurlarının miktarı, TÜİK veri tabanında ilan edilen atıksu arıtma miktarları ile ilişkili olarak hesaplanmıştır. Söz konusu hesaplamada coğrafi bölge özellikleri ve arıtma tesislerinin konfigürasyonları dikkate alınmış ve her bir il için oluşan arıtma çamurlarının miktarı tespit edilmiştir. Hayvancılık faaliyetlerinden kaynaklanan atıkların miktarının tespitinde ise Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü tarafından oluşturulan Biyokütle Potansiyel Atlası veri tabanından faydalanılmıştır. Buna göre çalışma kapsamında ele alınmak üzere büyükbaş, küçükbaş ve kanatlı hayvan yetiştirme faaliyetlerinden kaynaklanan atık miktarları il bazında tespit edilmiştir. Tarım faaliyetlerinden kaynaklanan atıkların tespitinde ise ülke genelinde tarım faaliyetlerinin değişken olması nedeniyle bölgesel yaklaşım ile ilerlenmiştir. Yapılan literatür çalışmasının kaynağını hayvancılık faaliyetlerinden kaynaklanan atıklarda olduğu gibi Biyokütle Potansiyel Atlası oluşturmaktadır. Çalışma genelinde her bir coğrafi bölge için o bölge içerisinde en fazla miktarda üretilen üç farklı atık tipi esas alınmıştır. Mısır ve buğday atıklarının her coğrafi bölgede en fazla açığa çıkan tarımsal atık türleri olduğu tespit edilmiş, bu atıklara ilave olarak Marmara Bölgesi için ayçiçeği atıkları, Ege ve Akdeniz Bölgeleri için domates atıkları, Karadeniz Bölgesi için fındık atıkları, İç Anadolu ve Doğu Anadolu Bölgeleri için arpa atıkları ve Güneydoğu Anadolu Bölgesi için ise pamuk atıkları çalışma kapsamına alımıştır. Her bir atık türü için il bazında miktarlar tespit edilmiştir.  
Çalışmanın bir sonraki aşaması organik katı atıkların il ve coğrafi bölge bazında karakteristik tayininin yapılması ve atık envanteri oluşturulmasıdır. Oluşturulan atık envanterinde her bir atık türünün miktarına ek olarak fiziksel, kimyasal ve biyokimyasal özellikleri tespit edilmiştir. Evsel katı atık özellikleri her ilde yapılmış atık kompozisyonu çalışmaları ile belirlenmiş, akabinde atık kompozisyonundaki materyallerin literatürde yer alan fiziksel, kimyasal ve biyokimyasal özellikleri kullanarak atığın geri kazanımına etki eden parametreler tespit edilmiştir. Kompozisyonu oluşturan her bir materyal için detaylı literatür araştırması yapılmış ve analiz sonuçlarına bağlı olarak her bir ildeki karışık evsel katı atıkların fiziksel, kimyasal ve biyokimyasal parametreleri tespit edilmiştir. Arıtma çamurlarının il bazında karakteristiklerinin tespiti için Çevre ve Şehircilik Bakanlığı Evsel/Kentsel Arıtma Çamurlarının Yönetimi Projesi kapsamında her bir coğrafi bölgeden seçilmiş temsil edici illerde yer alan arıtma tesislerine ait çamur numunelerinin analiz sonuçları, benzer il ve benzer tesis yaklaşımıyla diğer illere uyarlanmıştır. Buna göre, her bir ilde üretilen atıksu arıtma çamurları için fiziksel, kimyasal ve biyokimyasal parametreler tespit edilmiştir. Hayvancılık faaliyetlerinden ve tarımsal faaliyetlerden kaynaklanan atıkların fiziksel, kimyasal ve biyokimyasal parametreleri, her atık türüne ait her bir parametrenin birden fazla literatür kaynağı araştırılarak tespit edilmiş, il bazında karışık hayvancılık atıkları ve tarımsal atıklar için söz konusu parametrelerin büyüklükleri  saptanmıştır. 
Tez çalışmasının atık envanteri oluşturulmasından sonraki aşamasında, enerji üretim potansiyelinin modellenmesine yönelik modeller formülize edilmiş ve her bir proses için algoritmalar oluşturulmuştur. Yakma teknolojisine dayalı enerji üretiminin simülasyonu Tchobanoglous ve Kreith'in çalışmalarındaki yakma temel analizine dayalı yapılmıştır. Valide edilmiş girdilere bağlı olarak kütle ve enerji dengesine dayalı MS Excel tabanlı model yazılmış, atık yakma sonucunda oluşacak buhar miktarı hesaplanarak üretilebilecek enerji miktarları simüle edilmiştir. Gazlaştırma teknolojisi ile enerji üretiminin modellenmesinde ASPEN Plus yazılımından faydalanılmıştır. Ham atıktan sentez gazına kadar takip edilen akım şeması ASPEN Plus yazılımı üzerinde oluşturulmuş ve çeşitli bilimsel yayınlar kapsamında valide edilmiş girdilere bağlı olarak gazlaştırma sonucunda oluşacak sentez gazı miktar ve kompozisyonu tespit edilmiştir. Akabinde bu gazın yakılması ile elde edilebilecek enerji miktarları MS Excel bünyesine aktarılarak simüle edilmiştir. Piroliz teknolojisi ile enerji üretiminin modellenmesinde de gazlaştırma prosesinde uygulanan yöntem takip edilmiştir. Gazlaştırmadan farklı olarak piroliz 550°C ve 750°C olmak üzere iki farklı reaktör sıcaklığında simüle edilmiştir. Benzer şekilde ham atıktan, sentez gazı üretimine kadarki akım şeması piroliz prosesine uygun girdilerin tespitiyle birlikte ASPEN Plus yazılımında oluşturulmuş ve proses sonunda üretilebilecek sentez gazı miktar ve karakteristikleri tespit edilmiştir. Akabinde, söz konusu sentez gazının yakılması ile geri kazanılabilecek enerji miktarları hesaplanmıştır.  Anaerobik çürütme teknolojisi ile enerji üretiminin simülasyonu ise temel anaerobik reaksiyonların MS Excel ortamında modellenmesine dayalı yürütülmüştür. Oluşturulan model, önceki aşamalarda literatür verilerine dayalı olarak hesaplanan ve her bir atık türü için miktarı tespit edilmiş olan spesifik metan oluşturma potansiyellerine bağlı olarak kurulacak tesislerde üretilebilecek maksimum biyogaz çıkışının tespit edilmesi şeklinde kurgulanmıştır. Buna bağlı olarak üretilecek olan biyogazın yakılması ile birlikte enerji geri kazanım potansiyelleri simüle edilmiştir. 
Enerji üretim potansiyelinin modellenmesine yönelik formül ve algoritmaların oluşturulmasının ardından atık bertaraf ve geri kazanım simülasyonlarının yapılması için 5 farklı senaryo oluşturulmuştur. Birinci senaryo, kentsel katı atıkların uygun şekilde yakma, gazlaştırma, piroliz ve anaerobik çürütme proseslerine alınması neticesinde her bir bölgedeki atıkların enerji geri kazanım potansiyellerinin hesaplanmasıdır. İkinci senaryoda aynı işlemler evsel/kentsel arıtma çamurları için takip edilmiştir. Oluşturulan üçüncü senaryoda bir ve ikinci senaryodaki işlemler hayvancılık faaliyetlerinden kaynaklanan atıklar için takip edilmiştir. İkinci ve üçüncü senaryoda da, hayvancılık faaliyetlerinden kaynaklanan atıkların termal prosesler ile geri kazanımı öncesinde kurutma prosesi uygulanarak nem oranının düşürülmesi sağlanmıştır. Dördüncü senaryo atıkların karıştırılarak birlikte geri kazanımını kapsamaktadır. Kentsel katı atıklar, arıtma çamurları, hayvancılık atıkları ve tarımsal atıklar karıştırılarak organik karışık atık elde edilmiş ve elde edilen karışık atık üzerinde yakma, gazlaştırma ve piroliz prosesleri simüle edilmiştir. Söz konusu senaryoda arıtma çamurları ve hayvancılık atıklarının nem muhtevasının yüksek olması nedeniyle karışıma ilave edilmeden önce kurutma prosesi uygulanmıştır. Beşinci senaryo, dördüncü senaryo ile benzerlik taşımaktadır. Dördüncü senaryodan farklı olarak kentsel katı atıklar için atık ayrıştırma uygulanmış ve biyobozunur olan kentsel katı atıklar, arıtma  çamurları, hayvancılık atıkları ve tarımsal atıklar ile karıştırılarak anaerobik çürütme prosesine tabi tutulmuş ve enerji geri kazanım potansiyelleri hesaplanmıştır. 
Geliştirilen senaryolara bağlı olarak yapılan simülasyon çalışmaları neticesinde yedi coğrafi bölge için enerji geri kazanım potansiyelinin matrisi oluşturulmuştur. Buna göre yakma, gazlaştırma, 550°C ve 750°C sıcaklıkta piroliz ve anaerobik çürütme prosesleri ile kentsel katı atıkların, arıtma çamurlarının, belirlenen hayvancılık atıklarının ve tarımsal atıklar da dahil olmak üzere çalışma kapsamında ele alınan tüm organik karışık atıkların enerji geri kazanım potansiyellerini içeren bir matris oluşturulmuştur. 
Elde edilen temel sonuç ve bulgulara göre, enerji kaynaklarının çoğunu ithal eden ülkemiz genelinde üretilen kentsel katı atıklardan elde edilebilecek en yüksek enerji miktarı 260 kWh/kişi/yıl olup, aynı dönemde gerçekleşen toplam tüketimin %8'ine karşılık gelmektedir. Bu durum kentsel atıkların yüksek verimde toplandığı ülkemizde ciddi bir enerji kaynağı yaratılması açısından kritiktir. Benzer şekilde belirli noktalarda üretildiği için toplanması diğer atık türlerine kıyasla daha pratik olan kentsel arıtma çamurlarının geri kazanımı ile üretilebilecek enerji miktarı toplam elektrik tüketimin yaklaşık %1'ini oluşturmaktadır. Ülke genelinde üretilen organik atıkların çoğunluğu ele alındığında, asıl enerji potansiyelinin hayvancılık atıkları ve tarımsal atıklarda olduğu açıkça görülmektedir. Hayvancılık atıklarının tamamının sahip olduğu enerji potansiyeli, tüketilen elektriğin %25'ine eşdeğerdir. Kentsel katı atık, arıtma çamurları, hayvancılık atıkları ve bölge bazında belirlenmiş tarımsal atıkların tamamının geri kazanımı ile tüm ülkenin elektrik enerjisi tüketiminin yaklaşık %60'ının karşılanabileceği ortaya konmuştur.

Abstract:
Within the scope of the thesis study, the feasibility of sustainable renewable energy recovery from organic wastes produced in different sources with high energy potential, using alternative technologies is revealed. It is estimated that a valuable contribution can be made to the country's energy supply diversity and energy economy with the energy recovery of organic domestic solid wastes, sewage sludge without industrial content, wastes originating from livestock activities widely carried out throughout the country, and wastes released as a result of regional major agricultural activities throughout the country, which are considered within the scope of the study. 
Within the scope of this study, the feasibility of sustainable renewable energy recovery from organic wastes produced in different sources with high energy potential, using alternative technologies is revealed. It is estimated that a valuable contribution can be made to the country's energy supply diversity and energy economy with the energy recovery of domestic solid wastes of organic character, sewage sludge without industrial content, wastes originating from livestock activities widely carried out throughout the country, and wastes generated as a result of major agricultural activities regionally throughout the country, which are considered within the scope of the study.
In the determination of the domestic solid waste amounts, Turkstat data was used, and the total domestic solid waste amounts were determined for each province depending on the years. The amount of sewage sludge originating from the domestic/urban wastewater treatment plants has been calculated in relation to the wastewater treatment amounts announced in the Turkstat database. In the calculation in question, the geographical region characteristics and the configurations of the treatment plants were taken into account. Thus, the total amount of sludge formed for each province was determined. The Biomass Potential Atlas database created by the Ministry of Energy and Natural Resources, General Directorate of Renewable Energy was used to determine the amount of wastes from livestock activities. Accordingly, the amount of waste arising from cattle, sheep and poultry raising activities to be considered within the scope of the study was determined on a provincial basis. It has been decided to proceed with a regional approach in the determination of wastes arising from agricultural activities, due to the variety of agricultural activities throughout the country. The source of the literature study is the Biomass Potential Atlas, as in the wastes arising from livestock activities. It has been determined that corn and wheat wastes are the most generated agricultural waste types for each geographical region, in addition to this, sunflower wastes for Marmara Region, Tomato wastes for Aegean and Mediterranean Regions, hazelnut wastes for Black Sea Region, barley waste for Central Anatolia and Eastern Anatolia Regions, and cotton waste for the Southeastern Anatolia Region are included in the scope of the study. Quantity determinations were made on a provincial basis for each type of waste.
In the next stage of the study, the characteristic determination of the organic solid wastes on the basis of provinces and geographical regions and the creation of a waste inventory. In the waste inventory created, in addition to the amount of each type of waste, its physical, chemical and biochemical properties were determined. In order to determine the characteristics of domestic solid waste, the characteristics of the waste composition determinations made for each province were determined, and then the parameters affecting the recovery of the waste were determined by using the physical, chemical and biochemical properties of the materials in the waste composition. A detailed literature review has been made for each material constituting the composition, and based on the analysis results based on elementary analysis, lower and upper calorific value determination, determination of ash and moisture content and specific methane production potential of each material, the physical, chemical and biochemical parameters were determined. Within the scope of the Ministry of Environment and Urbanization Domestic/Municipal Sewage Sludge Management Project for the determination of the characteristics of sewage sludge on a provincial basis, the analysis results on the sludge samples taken from the treatment plants located in the representative provinces selected from each geographical region were adapted to other provinces with a similar province and similar facility approach. Accordingly, physical, chemical and biochemical parameters were determined by determining the results of the analysis based on elementary analysis, lower and upper calorific value determination, moisture content determination and specific methane production potential for the wastewater treatment sludge produced in each province. In order to determine the physical, chemical and biochemical parameters of the wastes originating from livestock and agricultural activities, each parameter for each waste type was determined from more than one literature source, and these parameters were determined for mixed livestock and agricultural wastes on a provincial basis. 
The next stage of the thesis work after creating the waste inventory is to formulate models for modeling the energy production potential and to create algorithms for each process. The simulation of energy generation based on combustion technology is based on the combustion fundamental analysis in the work of Tchobanoglous and Kreith. Based on the validated inputs, an MS Excel-based model depending on mass and energy balance was written, and the amount of energy that could be produced was simulated by calculating the amount of steam to be generated as a result of waste incineration. The flow chart starting from raw waste to synthetic gas was created on ASPEN Plus software and the amount and composition of synthetic gas to be formed as a result of gasification, depending on the inputs validated within the scope of various scientific publications, were determined. Subsequently, the amount of energy that can be obtained by incinerating this gas was transferred to MS Excel and simulated. The method applied in the gasification process was also followed in the modeling of energy production with pyrolysis technology. Different from gasification, pyrolysis was simulated at two different reactor temperatures, 550 and 750°C. Similarly, the flow chart from raw waste to synthetic gas production was created in ASPEN Plus software together with the determination of the appropriate inputs for the pyrolysis process, and the amount and characteristics of synthetic gas that can be produced at the end of the process were determined. Afterwards, the amount of energy that can be recovered by incinerating the synthetic gas has been calculated. Simulation of energy production with anaerobic digestion technology was carried out based on modeling of basic anaerobic reactions in MS Excel environment. The model created was designed to determine the maximum biogas output that can be produced in the facilities to be established, depending on the specific methane generation potentials calculated for each waste type based on the literature data. Accordingly, the energy recovery potentials were simulated with the incineration of the biogas to be produced.
After the formulation of formulas and algorithms for modeling the energy production potential, 5 different scenarios were created for waste disposal and recovery simulations. The first scenario is to calculate the energy recovery potentials of the wastes in each region as a result of the appropriate incineration, gasification, pyrolysis and anaerobic digestion processes of municipal solid wastes. In the second scenario, the same processes were followed for domestic/urban sewage sludge. Different from the first scenario, in the second scenario, a drying process was applied to a certain level before the thermal processes for the sewage sludge. In the third scenario created, the processes in the first and second scenarios were followed for the wastes from livestock activities. In the third scenario, as in the second scenario, the humidity rate was reduced by applying the drying process before the wastes from livestock activities are recovered by thermal processes. The fourth scenario created covers the recycling of wastes together. Organic mixed waste was obtained by mixing municipal solid wastes, sewage sludge, livestock wastes and agricultural wastes determined for each geographical region, and incineration, gasification and pyrolysis processes were simulated on the mixed waste obtained. In this scenario, due to the high moisture content of sewage sludge and livestock waste, a drying process was applied before adding to the mixture. The fifth scenario is similar to the fourth scenario and energy recovery was simulated from the combined organic wastes within the scope of the study. Different from the fourth scenario, waste sorting was applied for municipal solid wastes and biodegradable municipal solid wastes were mixed with sewage sludge, livestock waste and agricultural wastes and subjected to anaerobic digestion process and energy recovery potentials were calculated.
As a result of the simulation studies based on the developed scenarios, a matrix of energy recovery potential was created for seven geographical regions. Accordingly, a matrix is created which consists the energy recovery potentials of municipal solid wastes, sewage sludges, determined livestock wastes and mixture of all organic wastes under the scope of this study including agricultural wastes with the incineration, gasification, pyrolysis at 550 and 750°C and anaerobic digestion processes. 
According to the main results and findings, the highest amount of energy that can be obtained from municipal solid wastes produced in our country, which imports most of the energy resources, is 260 kWh/person/year, which corresponds to 8% of the total consumption in the same period. This situation is critical in terms of creating a significant amount of energy source in our country where municipal wastes are collected with high efficiency. Similarly, the amount of energy that can be produced by the recycling of municipal sewage sludge, which is more practical to collect than other types of waste because it is produced at certain points, constitutes approximately 1% of the total electricity consumption. Considering the majority of organic wastes produced throughout the country, it is clearly seen that the main energy potential is in livestock wastes and agricultural wastes. The energy potential of all livestock wastes across the country corresponds to recovering 25% of the electricity consumed. The recovery of all municipal solid waste, sewage sludge, livestock waste and agricultural wastes determined on a regional basis is approximately equal to 60% of the entire country's electrical energy consumption.