Meyve işleme endüstrisi atıkları ve arıtma çamurunun anaerobik kofermantasyonu: Fizikokimyasal ön işlemlerin biyogaz üretimine etkisinin araştırılması
Anaerobic cofermentation of fruit processing industry waste and sewage sludge: Investigation of the effect of physiochemical pretreatments on biogas production
Yazar: HABİBE ELİF GÜLŞEN AKBAY
Danışman: PROF. DR. HALİL KUMBUR
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Anaerobik = Anaerobic ; Biyogaz = Biogas ; Endüstriyel atıklar = Industrial wastes ; Membran filtrasyon tekniği = Membrane filtration technique ; Organik atıklar = Organic wastes ; Organik sıvılar = Organic liquids ; Ön işlem = Pretreatment

Özet:
Bu doktora tez çalışmasında öncelikle meyve işleme endüstrisine (MİE) ait elma, nar ve kara havuç atıkları ile evsel nitelikli atıksu arıtma tesisi arıtma çamurunun (AÇ) tekli, ikili, üçlü ve dörtlü karışımlarının kesikli beslemeli anaerobik kofermantasyon prosesi ile mezofilik sıcaklıkta biyogaz üretim potansiyeli belirlenmiştir. Çalışma sonucunda anaerobik kofermantasyon için en uygun karışım oranı %75 MİE atığı ve %25 AÇ olacak şekilde seçilmiştir. Seçilen atık karışımına biyogaz üretim potansiyelinin geliştirilmesi amacı ile ultrasonik (US), mikrodalga (MD), elektro-oksidasyon (EO), alkali (AL), asidik (AS), Fenton prosesi (FP), termal (T), ultrasonik-alkali (US-AL) ve ultrasonik-asidik (US-AS) olcak şekilde farklı ön işlemler ile muamele edilmiştir. Farklı ön işlemler ile muamele edilen karışımların çözünmüş karbonhidrat (ÇK) derişimleri, ön işlemsiz karışıma kıyasla %19 ile %210 arasında, çözünmüş protein (ÇP) derişimleri %4 ile %93 arasında ve çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı (ÇKOİ) derişimleri %40 ile %200 arasında artış göstermiştir. En iyi organik madde çözünmesi; T,US-AL, AL, MD, US ve AS ön işlemler ile sağlanmıştır. En fazla kümülatif biyogaz ve metan üretimi sırası ile ortalama 0,6 ve 0,9 kat artış oranı ile US-AL ön işlem ile gerçekleşmiştir. Termal, derişik AL ve AS ön işlemlerinin biyogaz ve metan üretimlerini azalttığı belirlenmiştir. Monod modeli ile elde edilen en yüksek korelasyon katsayıları FP, US ve US-AL ön işlemleri ile sırasıyla %99,94; %99,82 ve %99,73 değerlerinde elde edilmiştir. US-AL ön işlem ile elde edilen metan gazının satışı ile 0,151 $/gUKM (14,85 $/Lkarışım) net kazanç elde edilebileceği belirlenmiştir. US-AL ön işlem ile muamele edilen karışımın, yarı-sürekli beslemeli sistemde ve tam karışımlı anaerobik biyoreaktörde (TKAnBr) 10 gün ve 30 gün'lük hidrolik bekleme süreleri ile işletilmesi sonrasında günlük biyogaz üretimleri sırası ile ortalama 1,23 L/gün ve 1,58 L/gün iken kümülatif biyogaz üretimleri 36,86 L ve 47,47 L olmuştur. Yarı-sürekli beslemeli anaerobik fermantasyon sonunda oluşan fermente çamurların ve membran filtrasyonu ile elde edilen süzüntülerin organik sıvı gübre, toprak iyileştirici ve topraksız kültürlerde bitki yetiştiriciliği amacı ile kullanılabileceği belirlenmiştir.

Abstract:
In this doctoral thesis, biogas production potentials of single, double, triple, and quadruple waste mixtures of apple, pomegranate, black carrot wastes resulting from fruit processing industry (MIE) and sewage sludge (AÇ) from domestic wastewater treatment plant were determined by the anaerobic co-digestion process at mesophilic temperature. As a result of the study, the optimum substrate mixing ratio for anaerobic co-digestion was selected as 75% MIE wastes and 25% AÇ. In order to enhange the biogas production potential, the optimum mixture was treated with ultrasonic (US), microwave (MD), electro-oxidation (EO), alkaline (AL), acidic (AS), Fenton process (FP), thermal (T), ultrasonic-alkaline (US-AL), and ultrasonic-acidic (US-AS) pre-treatments. The dissolved carbohydrate (ÇK), protein (ÇP) and chemical oxygen demand (ÇKOİ) concentrations of the different pretreated mixtures increased by 19% to 210%, 4% to 93%, and 40% to 200%, respectively compared to the untreated mixture. The best organic matter dissolution was achieved with T, US-AL, AL, MD, US and AS pre-treatments. The highest cumulative production of biogas and methane was achieved by US-AL pre-treatment with an average increase of 0.6 and 0.9 times, respectively. It has been determined that thermal, concentrated AL and AS pre-treatments reduce biogas and methane productions. The highest correlation coefficients (R2) achieved with the Monod kinetic model were obtained with FP, US, and US-AL pretreatments as 99.94%, 99.82%, and 99.73%, respectively. It has been determined that a net profit of 0.151 $/gVS (14.85 $/Lmixture) can be obtained by selling the methane produced as a result of the US-AL pre-treatment. In TKAnBr, the daily and cumulative biogas production of the US-AL pretreated mixture, which was operated in the semi-continuous system at HRT:10 days, was 1.23 L/day and 36.86 L, respectively. These values were 1.58 L/day and 47.47 L, respectively for HRT:30 days operating conditions. It has been determined that the fermented sludges (digestate) remained at the end of semi-continuous anaerobic co-digestion and the filtrates obtained by membrane filtration of these sludges can be used for organic liquid fertilizer, soil improver, and plant cultivation in soilless cultures.