Atıksu arıtma çamurlarından biyohidrojen elde edilme potansiyelinin değerlendirilmesi
Evaluation of biohydrogen production potential from sewage sludge
Yazar: İLKNUR ŞENTÜRK
Danışman: PROF. DR. HANİFE BÜYÜKGÜNGÖR
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology ; Enerji = Energy ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Kentsel atıksu arıtma tesislerinde üretilen arıtma çamurunun, arıtımı ve bertarafı önemli bir çevresel problemdir. Kullanılmadan deşarj edilen bu biyokütle kalıntıları potansiyel bir enerji kaynağıdır. Ancak iyi bir yönetim olmadığı için önemli çevresel problemler yaratır. Son zamanlarda, anaerobik fermantasyonla hidrojen üretmek için çamur kullanımına odaklı bazı çalışmalar yapılmıştır.
Bu çalışmada atıksu arıtma tesislerinden çıkan önemli bir atık türü olan atık aktif çamurdan, karanlık fermantasyonla hidrojen gazı üretimi araştırılmıştır. Kesikli sistem anaerobik fermantasyonda, pH ve sıcaklık parametreleri için optimum işletme koşulları belirlenmiştir. 45±1°C'de ve pH 5'de en iyi verimin alındığı görülmüştür.
Atık çamur yapısında bulunan doğal mikroorganizmalarla optimum koşulların belirlenmesinin ardından, atık çamura yapılacak anaerobik aşılamanın etkisi araştırılmıştır. Ancak anaerobik kültür içinde bulunan mikroorganizmalar, yüksek miktarda metan üretimine neden olmuş ve hidrojen üretiminin inhibe olmasına yol açmıştır. 24 saat sonunda atık aktif çamurdan elde edilen verim 92894 mL/m3 iken, aşılama sonrası verim Set 2'de 1803 mL/m3'e düşmüştür. Metanojenlerin etkisini ortadan kaldırmak için anaerobik kültüre ısıl ön işlem uygulandığında (Set 3), 24 saat sonunda elde edilen H2 verimi ise 61533 mL/m3'dür. Bu nedenle karanlık fermantasyon deneylerine aşılama yapılmadan devam edilmiştir. 
En son aşamada atık aktif çamurdan elde edilecek biyohidrojen üretimini geliştirmek ve atık çamurun çözünebilirliliğini artırmak için atık çamura altı farklı (asidik, bazik, ısıl işlem, sterilizasyon, dondurma-çözme ve metanojenik inhibitör ilavesi) ön işlem metodu uygulanmıştır. Uygulanan tüm önişlemler, çamurun yapısında bulunan protein, karbonhidrat ve KOİ'nin çözünürlüğünü artırmıştır. En iyi çözünürlük (%) değerleri, bazik ön işlem, ısıl ön işlem ve sterilizasyon uygulanan atık aktif çamur örneklerinde görülmüştür. Sadece asidik ve bazik ön işlem uygulanan reaktörlerde, kontrol reaktörüne kıyasla daha yüksek konsantrasyonda hidrojen gazı çıkışı olduğu gözlemlenmiştir. Bir günün sonunda işlem görmemiş atık çamurda okunan H2 değeri 53256 mL/m3 iken, asidik ön işlem uygulamasından sonra 64806 mL/m3, bazik ön işlemde ise 77495 mL/m3 olmuştur.
Anahtar Kelimeler: Arıtma Çamuru; Biyohidrojen Üretimi; Karanlık Fermantasyon; Ön işlem.

Abstract:
The treatment and disposal of sewage sludge generated in urban wastewater treatment plants are important environmental problems. Unused, discarded biomass residues are a potential energy resource, which at present are not well managed and thus pose significant environmental problems. Recently, some studies are focusing on using the sludge to produce hydrogen by anaerobic fermentation. 
In this study, hydrogen gas production by dark fermentation from waste activated sludge, a major waste type resulting from wastewater treatment plants, was investigated. In batch system anaerobic fermentation experiments, optimum operating conditions were determined for pH and temperature parameters. The optimum conditions were determined to be 45±1°C and pH 5.
After determining optimum conditions with natural microorganism found in the structures of waste sewage sludge, the impact of anaerobic seeding that will be applied to the waste sewage sludge was investigated. However, the microorganisms present in the anaerobic culture caused the production of large amounts of methane and hydrogen production has led to inhibition. While the yield obtained from waste activated sludge was 92894 mL/m3 at the end of 24 hours, yield after seeding in the Set 2 fell to 1803 mL/m3. When heat pretreatment was applied to the anaerobic culture (Set 3) to eliminate the effect of methanogens; H2 yield obtained after 24 hours became 61533 mL/m3. Therefore, dark fermentation experiments were continued without addition of seed culture. 
In the final stage, six different pretreatments methods (acidic, basic, heat treatment, sterilization, freeze-thaw and, methanogenic inhibitor addition) were applied to improve biohydrogen production to be obtained from waste activated sludge and to increase solubilization of waste sludge. All pretreatment methods increased solubilization of proteins, carbohydrates and COD in the structure of sludge. The best solubilization (%) values were observed in the waste activated sludge samples which underwent basic pretreatment, heat pretreatment and sterilization. Only in the reactors, which underwent acidic and basic pretreatment methods, the concentration of hydrogen gas was higher than control reactor. While the H2 value read in waste sludge was 53256 mL/m3 at the end of the day, it was 64806 mL/m3 after acidic pretreatment application and 77495 mL/m3 H2 after basic pretreatment application. 
Key Words: Biohydrogen Production; Dark Fermentation; Pretreatment; Sewage Sludge.