Removal of odor emissions from food fermentation and petrochemical production processes with using biological treatment methods

Hava kirliliği, çevre ve iç ortam havasında bulunan kirleticilerin oluşturmuş olduğu kirliliğe verilen addır. Ancak hava kirliliği günümüze kadar su veya toprak kirliliği gibi diğer kirlilik türlerinden daha az dikkate alınan bir kirlilik türü olmuştur. Günümüzde ise dünya hava kirlenmesi kaynaklı birçok çevresel sorunla karşı karşıya kalmaktadır ve hava kirliliği önemli bir çevresel sorun olarak kabul edilmektedir. Hava kirliliği atmosferde gözle görülebilen partikül maddelerden gözle görülemeyen kükürt dioksit ve karbon monoksit gibi gazlara kadar geniş bir skaladaki kirleticilerin bulunması ile meydana gelmektedir. Her ne kadar hava kirliliği oluşturan volkan aktiviteleri, orman yaygınları gibi bazı doğal faaliyetler olmasına rağmen günümüzde kirlenme genellikle insan faaliyetleri sonucu ortaya çıkan kirlenmedir. Hava kirlenmesine sebep olan emisyonlar içerisinde kokulu atık gaz emisyonları kayda değer bir önem taşımaktadır. Her ne kadar kokuya sebep olan uçucu madde bileşiklerin algılanma seviyesi insan algısına bağlı olmasına ve düşük konsantrasyonlarda zaman zaman tespit edilememesine rağmen, birçok organik ve inorganik kimyasal madde kokulu atık gaz yapısında yer almakta ve de çevre ile insan sağlığına zararlı birçok toksik kimyasalı iz konsantrasyonlarda dahi içermektedir. Koku problemi oluşturan uçucu organik maddelerin önemli bir kısmı troposferde ozon sentezini tetiklemekte ve oksidasyon ürünleri ile sera gazı oluşumlarına sebebiyet vermektedir. Koku emisyonlarının sağlık ve çevresel etkilerinin yanı sıra bu emisyonların irrite edici özellikleri özellikle koku kaynaklarına yakın yerlerde yaşayan insanlarda koku şikayetlerinin artmasına ve çeşitli psikolojik sıkıntıların oluşmasına sebebiyet vermektedir. Özellikle kokuya sebep olan emisyonların yaygın olarak atmosfere yayıldığı atık bertaraf tesisleri, tarımsal faaliyetler ve çeşitli endüstriyel faaliyetler koku probleminin çözümünü öncelikli kılmaktadır. Günümüzde yaygınlaşan endüstriyelleşme ve buna paralel artış gösteren üretim ve de endüstriyel faaliyetler hava kirliliğinin artmasına önemli etkilerle katkıda bulunmuşlardır. Bu faaliyetler artan enerji ihtiyaçlarını genel olarak fosil yakıtlardan karşılarken buna paralel olarak çeşitli atıkgazları, buharları ve partiküler maddeleri atmosfere salmaktadır. Tez çalışması kapsamında incelenen endüstri kollarında en uygun ve verimli koku emisyonu kontrol teknolojisinin seçiminin gerçekleştirilmesi, her şeyden önce koku probleminin tanımlanmasına ve koku kaynağının emisyon karakteristiğinin ortaya konmasına bağlı olmaktadır. Ancak bundan önce gerçekleştirilen çalışmalarda koku emisyonuna sebep olan uçucu organik maddelerinin karakterizasyonu ile ilgili noksanlıklar söz konusudur ve uygun karakterizasyon çalışmalarının gerçekleştirilmesi çok büyük önem taşımaktadır. Günümüzde koku emisyonlarının sensörel etkisinden kaynaklı olarak yaygın olarak kullanılmakta olan gaz kromatografi kütle spektrometri metodu koku probleminin bireyler üzerindeki direk etkisini yansıtamamaktadır. Bu noktada kullanılmaya başlayan dinamik olfaktometri ölçüm metodu ile kokulu bileşiklerin bireyler üzerinde yaratmış olduğu etkiler ölçülebilinmektedir, ancak bu işlem kokulu gaz içeriği hakkında bir bilgi sunmamaktadır. Bu tez çalışması kapsamında simultene olarak gerçekleştirilen analitik ve olfaktometrik atıkgaz karakterizasyonu ile kokulu atıkgaz akımları hem objektif hem de subjektif parametreler cinsinden belirlenerek, kokulu atıkgaz akımları karakterize edilerek en uygun arıtma teknolojisinin seçilmesi sağlanmıştır. Endüstri kolları içerisinde maya fermantasyon prosesi ekmek üretiminde yaygın olarak kullanılmakta ve fermentasyon prosesi sonucu birçok kokulu bileşiği atmosfere salarak tesislere yakın yerleşim yerlerdinde koku problemlerinin oluşmasına sebebiyet vermektedir. Birçok farklı karakterde kötü koku bileşik proses sonucu atmosfere yayılmakla beraber, bu bileşikler tek bir arıtma yöntemi ile arıtılmaya uygun bileşikleri içermektedir. Günümüze kadar yaygın olarak kullanılmakta olan fiziksel/kimyasal gaz arıtma teknolojileri yüksek arıtma maliyetleri ve düşük arıtma verimleri çerçevesinde yerlerini çevre dostu, düşük maliyetli, arıtma alternatiflerinden biyolojik arıtma yöntemlerine bırakmaktadır. Ancak farklı endüstri branşlarında oluşan atık gazların arıtılmasına yönelik doğan farklılıklardan kaynaklı olarak uygulamlarda eksiklikler söz konusu olmaktadır. Tez çalışmasının ilk bölümünde gerçekleştirilen saha çalışması ile ekmek mayası üretimi için gerçekleşen fermantasyon prosesi kokulu atıkgaz emisyonları enstrümental ve olfaktometrik analizler sonucunda objektif ve subjektif parametreler cinsinden karakterize edilmiştir. Karakterizasyon çalışması ile elde edilen atıkgaz akımlarının pilot ölçekli biyofiltre sisteminde arıtılması sağlanmıştır. Saha çalışması kapsamında enstrümental analizlar atıkgaz örneklern kimyasal içeriğini karakterize etme amacıyla gerçekleştirilmiş olunup, elde edilen analiz sonuçlarına göre proseste etanolün ana kokulu emisyon kaynağı olduğu belirlenirken, sistemde ayrıca asetaldehit ve aseton gibi bileşiklere rastlanmıştır ve de ayrıca eser miktarda propanol emisyonunun pik emisyon akımları içerisinde yer aldığı tespit edilmiştir. Analitik ölçümlerle aynı anda gerçekleştirilen dinamik olfaktometri analizleri ile de koku problemi oluşturan emisyonların bireyler üzerinde yaratmış olduğu etkiler belirlenmek istenmiş ve elde edilen sonuçlara göre koku emisyon konsantrasyonlarının yasal limitlerin yaklaşık 40 kat üstünde olduğu belirlenmiştir. Bu bağlamda karakterize edilen proses atıkgaz akımı arıtımı için biyofiltre sisteminin proses akımında da ortaya çıkan 2000 mg m 3 den düşük konsantrasyonda ve yüksek atıkgaz debisindeki akımları arıtmak için diğer arıtma teknolojilerine göre daha uygun olduğu belirlenmiştir. Seçilen biyofiltre sistemi ilk önce kokulu atıkgaz akımlarında bulunan ana koku kaynağı bileşeni olan etanol için işletilmiş ve yaklaşık olarak tam verimle giderim sağlanırken; atık gaz içerisinde bulunan asetaldehit ve asetonunda atık gaz akımına eklenmesi sonucunda % 90 üzerinde etanol ve asetaldehit giderimi sağlanırken aseton ise kısmen sistemde biyodegradasyona uğramıştır. Tez çalışması kapsamında gerçekleştirelen bu ilk çalışma ile kokuya sebep olan uçucu organik maddelerin karakterizasyonu objektif ve subjektif parametreler cinsinden tespit edilmiş olunup, bu emisyonlar biyofiltre sisteminde yüksek verim ile tekil ve çoklu atıkgaz yüklemerinde biyolojik olarak arıtılmıştır. Ancak sistemde aseton arıtımı için özellikle yüksek atıkgaz debileri için kütle transferinin iyileştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır. Tez çalışmasının gerçekleştiği bir diğer sektör olan petrokimya üretim sektörü özellikle üretim faaliyetleri, atık bertaraf alanları ve depolama tankları kaynaklı olarak birçok kokulu atıkgaz akımını atmosfere salmaktadır. Günümüze kadar birçok biyolojik arıtma sistemi aerobik koşullar altında kokulu atıkgaz akımlarının arıtılmasında yaygın olarak kullanılmıştır. Ancak bu noktada özellikle petrokimya endüstrisi emisyonlarının inert atmosferde bulunması ve oksijenin ortamda bulunduğu bölgelerde oluşan patlama riski, aerobik arıtma sistemlerinin kullanılmasını limitlemektedir. Bu etklerin yanı sıra sıra sektörde yaygın olarak raslanan benzen, toluen, etilbenzen ve ksilen emisyonlarının çoklu emisyonlarının oksijensiz ortamlarda arıtılmasına ve arıtım esnasında bileşenlerin birbirleri üzerine olan etkilerine yönelik çok az sayıda çalışma mevcuttur. Bu noktada tez çalışmasının ikinci kısmında BTEX emisyonlarının biyolojik arıtma faaliyetleri sırasında kinetik katsayılarının belirlenmesi amaçlanmış ve belirlenecek kinetik katsayılar çerçevesinde sistem arıtma performanslarının da kayda değer gelişmeler oluşturacağı belirlenmiştir. Gerçekleştirilen ikinci çalışma ile BTEX bileşenlerinin biyodegradasyon metabolik yolları belirlenerek uygun olmayan proses dizayn ve modellemesinin önüne geçilmek istenmiştir. Çalışma kapsamında evsel atıksu arıtma tesisinde oluşan aşı çamuru anoksik koşullarda altında tekil, ikili ve dörtlü BTEX karışımları için aklime edilmiş ve bütün kombinasyonlar için kinetik katsayılarının belirlenmesi hedeflenmiştir. Elde edilen sonuçlar ışığında T ve E bileşiklerinin çok rahatlıkla biyolojik olarak ayrıştığı belirlenirken B ve X bileşiklerinin bunun tam tersine çok zor olarak biyolojik ayrıştığı tespit edilmiştir. Kinetik katsayıların belirlenmesi için matematik modeller olan Monod ve Modifiye Gompertz modelleri kullanılmış ve kinetik katsayılar belirlenirken çoklu kombinasyonlarda bileşenlerin arasındaki etkileşimin etkileri de dikkate alınmıştır. Çalışmalarda Monod matematik modelinin T ve E bileşenleri için çok büyük ölçüde uygunluk sağladığı belirlenirken, Modifiye Gompertz modeli ise biyolojik olarak zor ayrışan B ve X için daha temsil edici değerler sunmaktadır. Bunun yanı sıra Modifiye Gompertz modeli çoklu BTEX karışımları içerisindeki inhibisyon etkisini gösterebilirken, monod modeli bunu sağlayamamaktadır. Tez çalışmasının üçüncü ve son kısmında ise tez çalışmasının ikinci çalışması kapsamında anoksik koşullar altında kinetik katsayıları belirlenen petrokimya üretim sektörlerinde yaygın olarak bulunan BTEX emisyonlarının oksijenin var olduğu koşullarda patlama riskinin önüne geçmek amacıyla, anoksik biyo damlatmalı filtre sisteminde arıtılması gerçekleştirilmştir. Böylelikle emisyonların yaygın olarak bulunduğu inert ortamda patlama riskinin önüne geçilmesinin yanı sıra havalandırma faaliyetleri için gerekli enerji ihtiyacının da azaltılması hedeflenmiştir. Laboratuar ölçekli biyo damlatmalı filtre işletimi, sistem optimizasyonunun gerçekleştirilmesi için sistem pH, yıkama sıvısı hızı, UV eklemesi ile sistemde oluşabilecek potansiyel metabolitlerin ön arıtımı için uygulanması gibi birçok farklı kararlı koşul altında işletilmiştir. Sistemde T ve E bileşenlerinin kinetik katsayıların belirlenmesinde olduğu gibi hızlıca biyolojik olarak ayrıştığı ve yüksek verimle arıtımın gerçekleştiği belirlenirken, B ve X'in biyolojik olarak zor ayrıştığı ve daha düşük arıtma verimleri ile arıtıldığı belirlenmiştir. BTEX bileşenleri içerisinde toluenin sistem işletim parametreleri değişimlerine en hasssas madde olduğu ve bu değişimler sonucunda arıtma veriminin düştüğü tespit edilmiştir. Bu çalışma BTEX bileşenlerinin anoksik koşullar altında biyolojik olarak arıtıldığı ilk çalışma olmuştur ve ancak proses optimizasyonu için bundan sonraki çalışmalarda işletim koşullarında yapılacak iyileştirmelere ihtiyaç duyulmaktadır.