Döngüsel ekonomi yaklaşımı ile anaerobik çürütücü çıkış suyundan amonyum sülfat geri kazanımı
Ammonium sulfate recovery from anaerobic digester effluent with a circular economy approach
Yazar: AYNUR YILDIRIM
Danışman: DOÇ. DR. EBRU KOCA AKKAYA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Dünya nüfusunun artması ve fosil kaynakların tükenmeye başlaması ile yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ihtiyaç ve talep artmaktadır. Bunlar arasında yüksek organik içerikli atıksulardan enerji elde edilen biyogaz tesisleri alternatif bir kaynak olarak gösterilmektedir. Biyogaz tesislerinde oluşan anaerobik çürütücü çıkış suyu (AD), yüksek konsantrasyonlarda azot (N) ve fosfor (P) içermesi ile döngüsel ekonomi kapsamında sentetik gübre üretiminde kullanılmasına olanak sağlamaktadır. Sentetik gübre üretiminde kullanılan geleneksel yöntemler yüksek enerji tüketimi ve sera gazı emisyonlarına yol açarken, AD'nin bu amaçla değerlendirilmesi fosil kaynak ihtiyacını ve çevresel etkileri azaltabilir. Bu bağlamda, anaerobik çürütücü çıkış suyunun döngüsel ekonomi prensibiyle gübre üretiminde alternatif bir kaynak olarak kullanılması, sürdürülebilirlik açısından önemli bir fayda sağlayacaktır.
Biyogaz tesislerinde uygulanan anaerobik çürütme işlemi sonucunda organik atıklar mikroorganizmalar tarafından oksijensiz ortamda parçalanarak biyogaz ve değerli yan ürünler elde edilmektedir. Bu süreçten elde edilen çıkış suyu, içeriği sebebiyle tarımsal uygulamalarda gübre olarak kullanılabilmesine karşın uygun yönetilmediğinde çevresel risk oluşturmaktadır. AD'nin gübre alternatifi olarak değerlendirilmesi, hem atık yönetimi hem de tarımsal verimlilik açısından büyük önem taşımaktadır. Anaerobik çürütme nütrient gideriminde etkili olmadığı için çıkış suyunda (fermente ürün) azot ve fosfor konsantrasyonları yüksek olmaktadır. 
AD çıkış suyundan gübre eldesinde farklı yöntemler uygulanmaktadır. Bu çalışmada AD'den amonyumun giderilmesinde kullanılan proseslerden amonyak sıyırma işlemi uygulanmış, sonrasında sıyrılan amonyak sülfirik asit çözeltisi içerisinde Amonyum Sülfat formunda tutulmuştur. Amonyak sıyırma işlemi parametrelerinin en etkili olduğu seviyeler Taguchi deneysel tasarım metodu ile belirlenmiştir. Amonyak sıyırma işlemi pH:9, sıcaklık:50°C, hava debisi:8 L/dk ve süre:4 saat koşulları altında gerçekleştirilmiş ve işlem sonucunda %97,6 giderim verimi sağlanmıştır. Devamında sülfürik asitli çözeltide absorbe edilen Amonyum Sülfat 103 °C'de kurutulmuştur. Kurutma sonucunda 5,1275 g kristal elde edilmiş ve elde edilen toz numunede yüzey görüntüleme ve XRD analizleri yapılmıştır. Laboratuvarlarda kullanılan amonyum sülfat kristali ile yapılan karşılaştırma sonucunda elde edilen kristal yapının amonyum sülfat (mascagnite) olduğu tespit edilmiştir.

Abstract:
With the increase in the world population and the depletion of fossil resources, the need and demand for renewable energy sources are increasing. Among these, biogas plants, which obtain energy from wastewater with high organic content, are shown as an alternative source. The anaerobic digester effluent (AD) from biogas plants contains high concentrations of nitrogen (N) and phosphorus (P), allowing it to be used in synthetic fertilizer production within the scope of circular economy. While traditional methods used in synthetic fertilizer production lead to high energy consumption and greenhouse gas emissions, the use of AD for this purpose can reduce the need for fossil resources and environmental impacts. In this context, the use of anaerobic digester effluent as an alternative resource in fertilizer production with the circular economy principle will provide a significant benefit in terms of sustainability.
As a result of the anaerobic digestion process applied in biogas plants, organic wastes are broken down by microorganisms in an anaerobic environment to produce biogas and valuable by-products. Although the effluent obtained from this process can be used as fertilizer in agricultural applications due to its content, it poses an environmental risk when not managed properly. The evaluation of AD as a fertilizer alternative is of great importance for both waste management and agricultural productivity. Since anaerobic digestion is not effective in nutrient removal, nitrogen and phosphorus concentrations are high in the effluent (fermented product).
Different methods are applied to obtain fertilizer from AD effluent. In this study, ammonia stripping process, which is one of the processes used to remove ammonium from AD, was applied and then the stripped ammonia was kept in the form of Ammonium Sulfate in sulfuric acid solution. The most effective levels of ammonia stripping process parameters were determined by Taguchi experimental design method. Ammonia stripping was carried out under the conditions of pH: 9, temperature: 50°C, air flow rate: 8 L/min and time: 4 hours and 97.6% removal efficiency was achieved. Ammonium sulfate absorbed in sulfuric acid solution was dried at 103 °C. As a result of drying, 5.1275 g crystal was obtained and surface imaging and XRD analyzes were performed on the powder sample obtained. As a result of the comparison with the ammonium sulfate crystal used in laboratories, it was determined that the crystal structure obtained was ammonium sulfate (mascagnite).