Anaerobik parçalanma prosesinin farklı sektörel atıklar için uygulanması
Application of anaerobic digestion process for different sectoral wastes
Yazar: FATİH YILMAZ
Danışman: PROF. DR. NURİYE ALTINAY PERENDECİ ; PROF. DR. ERKAN ŞAHİNKAYA
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Tez çalışmasının amacı, anaerobik parçalanma prosesinin sahip olduğu sınırlı
sayıda dezavantajın, kombine prosesler ve yenilikçi teknolojiler uygulanarak ortadan
kaldırılmasının sağlanmasıdır. Bu kapsamda, farklı substratlar için proses
performansının geliştirilmesine yönelik üç farklı çalışma gerçekleştirilmiştir.
İlk çalışmanın amacı; anaerobik parçalanma prosesinde hidroliz verimlerinin
düşük olması nedeniyle metan üretim verimi düşük olan lignoselülozik atıklara ön
arıtma uygulanarak metan üretim veriminin artırılmasıdır. Bu kapsamda, Antalya
bölgesinde yoğun üretimi yapılan muz meyvesinin hasat döneminde oluşan muz hasat
atıklarına termal alkali H2O2 ön arıtma uygulanmış ve metan üretim potansiyelinin
artırılması için ön arıtma prosesinin optimizasyonu yapılmıştır. Termal alkali H2O2 ön
arıtma prosesinin optimizasyonu sonucunda; 6 saat reaksiyon süresi, %2,73 H2O2
konsantrasyonu ve 50°C reaksiyon sıcaklığı koşulları optimum ön arıtma proses
koşulları olarak tespit edilmiştir. Optimum ön arıtma koşullarında muamele edilen muz
hasat atıklarının metan üretim verimi, ham muz hasat atıkları numunesine göre %40
artmıştır. Optimum ön arıtma proses koşulları için metan üretim modeli, metan
üretiminde ham numuneye göre %43,2 oranında artış öngörmüştür. Termal alkali H2O2
ön arıtma prosesinin muz hasat atığının, bağ yapısı ve yüzey özelliklerinin
değişmesinde etkili olduğu belirlenmiştir. Anaerobik parçalanma prosesi ile kombine
edilen termal alkali H2O2 ön arıtmanın muz hasat atıklarından yenilenebilir enerji
üretilerek değerlendirilmesinde efektif bir ön arıtma metodu olduğu düşünülmektedir.
İkinci çalışmanın amacı; farklı organik atıkların nütrient içeriklerindeki eksiklik
ve fazlalıkları nedeniyle anaerobik parçalanmada kurulamayan substrat dengesi ve
nütrient eksikliğine bağlı düşük metan üretim veriminin, birlikte anaerobik parçalanma
prosesi ile aşılmasıdır. Bu kapsamda, Antalya bölgesinde faaliyet gösteren alkollü
içecek üretim tesisinin atıkları olan şilempe, üzüm posası ve anasonun birlikte
anaerobik parçalanabilirlikleri incelenmiştir. Şilempe, üzüm posası ve anasonun
karakterizasyon analizleri yapılmış, birlikte anaerobik parçalanabilirlikleri farklı
substrat oranlarında incelenmiş ve kinetik modellemesi yapılarak substratların birlikte
anaerobik parçalanmadaki rolleri atık yönetimi kavramı ile birlikte değerlendirilmiştir.
Çalışma sonucunda, %70 şilempe ve %30 üzüm posası karışımı anaerobik parçalanma
ile metan üretimi için hesaplanan α = 1.09 değeri ile en yüksek sinerjistik etkiyi
göstermiştir. Atıkların anaerobik parçalanma prosesindeki kinetik katsayılarının belirlenmesi için deneysel metan üretim verimleri Modifiye Gompertz modeli, Cone
modeli, Reaction Curve modeli ve Birinci Derece Kinetik model ile modellenmiştir.
Kinetik modellerle deneysel metan üretim sonuçları yüksek determinasyon katsayıları
(R2 = 0,91-0,99) ile başarıyla modellenmiştir. Çalışma sonucunda, %70 şilempe ve %30
üzüm posası karışımı için reaksiyon hız sabiti (k) 0.253-0,371 gün-1, gecikme fazı süresi
(λ) 0,009-0,014 gün, maksimum metan üretim hızı (Rm) 37,4-48,9 mL CH4/gUKMeklenen
olarak hesaplanmıştır. Birlikte anaerobik parçalanma prosesinin alkollü içecek üretim
atıklarının değerlendirilmesinde uygun bir yaklaşım olduğu sonucuna ulaşılmıştır.
Üçüncü çalışmanın amacı ise seyreltik atıksuların anaerobik parçalanma prosesi
ile arıtılmasında gözlenen düşük metan üretiminin ve düşük biyokütle büyüme
problemlerinin membran prosesler ile aşılmasının sağlanmasıdır. Bu kapsamda, sürekli
AnMBR sisteminde evsel atıksuyun arıtılabilme performansı incelenmiştir. Çalışma
sonucunda 23 saat hidrolik bekletme süresi ve 3 LMH akı ile 12 saat hidrolik bekletme
süresi ve 5,7 LMH akıda ortalama %94,3 ve %93,2 KOİ giderim verimleri elde
edilmiştir. Tüm işletme süresince elde edilen ortalama metan üretim verimi 200 mL
CH4/gKOİ'dir. 121 gün süren işletme döneminde ölçülen trans membran basıncı
değerleri 10 mbar ile 30 mbar arasında değişmiş olup tıkanma açısından problem
yaratacak değerler gözlenmemiştir.
Doktora tez çalışması kapsamında elde edilen çıktılar, anaerobik parçalanma
prosesinin uygun çözümler ile Antalya ölçeğinde uygulanma potansiyeli olduğunu
göstermektedir. Doktora tezi, anaerobik parçalanma prosesinin dezavantajlarını ortadan kaldırılmasında, yol gösterici nitelik taşımaktadır.

Abstract:
The aim of the thesis study is to eliminate the limited number of disadvantages
of the anaerobic digestion process by implementing combined processes and innovative
technologies to anaerobic digestion. In this context, three different studies have been
carried out to improve anaerobic digestion process performance for different substrates.
The purpose of the first study is to enhance the methane production of
lignocellulosic waste, which has low methane production potential in anaerobic
digestion due to low hydrolysis efficiency, by the application of the pretreatment
process. In this context, thermal alkaline H2O2 pretreatment was applied to the banana
harvesting wastes formed during the harvesting period of the banana fruit, which is
produced intensively in the Antalya region, and the process optimization of the
pretreatment process was carried out to enhance the methane production potential. As a
result of the optimization procedure of the thermal alkaline H2O2 pretreatment process;
the reaction time of 6 hours, H2O2 concentration of 2.73% and reaction temperature of
50°C were determined as optimum pretreatment conditions. Methane production
efficiency of banana harvesting wastes treated under optimum pretreatment conditions
increased by 40% compared to raw banana harvesting wastes. The methane production
model for the optimized pretreatment process conditions predicted a 43.2% increase in
methane production compared to the raw sample. It has been determined that the
thermal alkaline H2O2 pretreatment process is effective in changing the bond structure
and surface properties of banana harvesting wastes. Thermal alkaline H2O2 pretreatment
process combined with the anaerobic digestion is an effective pretreatment method for
the production of renewable energy from banana harvesting wastes.
The purpose of the second study is to overcome the low methane production
potential due to nutrient deficiency and unbalanced nutrient content, which caused by
the nutrient composition of different organic wastes, by the anaerobic digestion process.
In this context, the anaerobic co-digestion performance of vinasse, pomace, and aniseed,
which are the wastes of the alcoholic beverage production facility operating in the
Antalya region, was investigated. Characterization analysis of vinasse, pomace and
aniseed were performed, and anaerobic co-digestion performance was examined at
different substrate ratios. The roles of substrates in anaerobic digestion were evaluated
together with the concept of waste management. As a result of the study, the mixture of
70% vinasse and 30% pomace showed the highest synergistic effect with the calculated value of α=1.09 for the production of methane by anaerobic digestion. Experimental
methane production potentials of wastes were modeled by Modified Gompertz model,
Cone model, Reaction Curve model, and First Order Kinetic model to determine the
kinetic coefficients of the wastes in the anaerobic digestion process. Experimental
methane production results have been successfully modeled by kinetic models with high
determination coefficients (R2=0.91-0.99). As a result of the modeling, reaction rate
constant (k), lag phase (λ) and maximum methane production rate (Rm) were calculated as 0.253-0.371 days-1, 0.009-0.014 days, and 37.4-48 mL CH4/gVSadded, respectively for
anaerobic digestion of 70% vinasse and 30% pomace mixture. It is concluded that an
anaerobic co-digestion process is an appropriate approach for the evaluation of
alcoholic beverage production wastes.
The purpose of the third study is to overcome the low methane production and
low biomass growth problems observed in the treatment of diluted wastewaters in
anaerobic digestion by the application of membrane processes. In this context, the
treatment performance of domestic wastewater in a continuous AnMBR system was
examined. As a result of the study, average COD removal efficiencies were obtained as
94.3% and 93.2% for 23 hours hydraulic retention time with 3 LMH flux, and 12 hours
hydraulic retention time with 5.7 LMH flux, respectively. The average methane
production potential was measured 200 mL CH4/gKOI for the whole operation period.
Transmembrane pressure values measured during the operating period of 121 days
ranged between 10 mbar and 30 mbar, and no value observed that causes problems in
terms of fouling.
The outputs obtained within the scope of the doctoral thesis study show that the
anaerobic digestion process has a potential to be applied in Antalya scale with
appropriate solutions. The doctoral thesis provides a guidance and comprehensive
understanding for elimination of disadvantages of the anaerobic digestion processes.