Methane Production From Hydrolysis Product Baker’s Yeast Process Wastewater And Organic Food Waste

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 201519. yüzyıldan sonra, insan nüfusu giderek artmıştır ve bu artış yüzünden artan endüstriyel sahadaki gelişmeler atık üretimi fazlalaştırmıştır. Fazlalaşan bu atık miktarları günümüzde önemli bir sorun haline gelmiştir. Fazlalaşan atık miktarı, atık yönetimini çözülmesi gereken önemli bir konu haline getirmektedir. İnsan aktivitelerinden, ticari ve endüstriyel çalışmalar tarafından açığa çıkan bu atıkların çevre ve insan sağlığına zarar vermeden arıtılması gerekmektedir. İnsanlar çağlardan beri daha ileriye doğru ilerlemeyi hedeflemiş olup yaptıkları gelişmeler ile endüstriyel faaliyetleri artırmışlardır. Artan endüstriyel faaliyetler ve değişen yaşam koşulları enerjiye olan ihtiyacı arttırmış ve insanları bu konu ile ilgili bir çözüm bulmaya yöneltmiştir. Giderek artan bu atık miktarı özellikle Türkiye gibi gelişmekte olan ülkelerde doğru yönetilememekte, hem görsel olarak kötü durmakta, ülke prestijini zayıflatmakta, hemde aynı zamanda insan sağlığına dolaylı ve direkt olarak zarar vermektedir. Türkiye gibi özellikle enerji konusunda büyük ölçüde dışarıya bağımlı olan ülkelerde bu sorun ciddi olarak ele alınmalı ve bu problem fırsata dönüştürülmelidir. Gelişmiş bir çok ülkede bu sorun uzun zaman önce ele alınmış olup konu ile ilgili çözümler üretilmiş, yeni teknolojiler ortaya çıkmış ve sıfır atık politikası güdülmüştür. Artan nüfus artışıyla birlikte yeni ve sürdürülebilinir enerji kaynaklarının eldesi önemli bir konu olarak hayatımıza girmektedir. Nüfus artışıyla enerji ihtiyacı orantılı olarak artmaktadır. Hayatımızın her alanında kullandığımız enerji kaynakları giderek azalmakta ve büyük bu durum büyük bir tehdit oluşturmaktadır. Bu büyük sorunun varlığını farkeden bir çok ülke yenilenebilinir enerji kaynakları ile olan çalışmalara destek vermekte ve teşvikler hazırlamaktadır. Günümüzde özellikle çöp sahaları, atık su arıtma tesisleri, hayvan atıkları ve organik atıklar ile çalışan tesislerin sayısı giderek artmakta olup halkımız bu konuda yönetiminde katkıları ve teşvikleri sayesinde giderek artan bir biçimde bilinçlenmektedir. Bu projelerden elde edilen enerji sayesinde dışarıya olan bağımlılık giderek azalmakta ve atık oranları büyük ölçüde azalmaktadır. Bu konu ile ilgili yapılan çalışmalar her yeni projede bir zorunluluk haline gelmekte hem enerji verimliliği hemde yenilenebilir enerji kaynakları üzerine verilen önem artmakta ve bu sayede dünyamız daha yaşanılır bir hale gelmektedir. Atıkların organik kısımları mikroorganizmalar tarafından önemli ürünlere dönüştürülmektedir. Bu ürünler enerji eldesi için önemli birer kaynak olarak kabul edilmektedir. Organik atıkların arıtımında bir çok yöntem kullanılmakta olup anaerobik ayrıştırma bu yöntemler arasında umut verici bir method olarak göze çarpmaktadır. Organik maddelerin anaerobik arıtımı oksijensiz ortamda anaerobik mikroorganizmalar sayesinde gerçekleşmektedir. Anaeobik arıtım sonucu elde edilen ürünler enerji eldesi açısından faydalı olup, organik atıkların, anaerobik arıtımı enerji eldesi ve arıtım performansı bakımından daha fazla ele alınması gereken bir konu olmuştur. Anaerobik arıtım sonucu ortaya çıkan metan gazı bir çok şekilde değerlendirilebilinir bir gaz olup, yenilenebilinir bir enerji kaynağı olması dolayısıyla çevre koşullarını iyileştirmede büyük rol oynamaktadır. Anaerobik arıtım sonucu oluşan biyogaz (metan ve hidrojen) enerji için kullanılabilinirken, katı atıkların anaerobik arıtımı sonucu elde edilen son ürün gübre olarak kullanılabilinmektedir. Anaerobik arıtım sonucu ortaya kullanılabilir iki ürün çıkması, metan gazının enerjide, son ürünün ise gübre olarak kullanılabilinir olması anaerobik arıtımın faydalarını daha fazla göz önüne sermektedir. Metan ve hidrojen günümüzde kullanılan fosil atıklardan daha az zararlı oldukları için, çevresel kirlenmenin azalmasına da yardımcı olmaktadırlar. Bu yüzden bu projelere olan ilgi artmalı ve yetkili kişiler bilinçlendirilmelidir. Anarobik arıtım bir çok atık çeşidine uygulanan bir arıtım türüdür. Örnek olarak hayvan gübresi tesisleri Avrupa’nın bir çok ülkesinde oldukça yaygın olup ülkemizde de yavaş yavaş ilgi görmektedir. Çöp sahalarında bulunan organik atıklarda anaerobik arıtım ile metan gazına dönüşmekte ve çöp sahaları artık daha düzenli hale gelerek birer enerji santrali olarak karşımıza çıkmaktadırlar. Anaerobik arıtmaya verilecek bir diğer örnek ise oldukça sık rastladığımız atık su arıtma tesisleridir. Özellikle evsel atıksu arıtma tesislerinden elde edilen çamurun anaerobik çürütücülerde metan gazına dönüştürülmesi ve bu metan gazından enerji elde edilmesi büyük ölçüde fayda sağlamaktadır. Ülkemizde atık su arıtma tesislerinde bulunan bu enerji santralleri giderek artmakta olup bu durum ülke ekonomisi içinde oldukça yararlı bir durum olarak nitelendirilmektedir. Yukarıda da anlatıldığı gibi anaerobik arıtım yenilenebilir enerji kaynakları üzerine oldukça faydalar sağlamakta ve birçok atık grubu üzerine uygulanabilmektedir. Bu çalışmada kullanılan atıklar maya üretim atıksuyu ve organik yemek atığı olmak üzere iki çeşittir. Bu çalışmanın amacı, maya atıksuyu ve organik yemek atığının havasız ortamda arıtılması ve metan üretiminin incelenmesidir. Maya atıksuyu ve yemek atığı organik atıklar olup enerji içerikleri oldukça yüksektir. Maya atıksuyu maya üretim endüstrisi atığı olup anaerobik arıtım ile arıtılan ve enerji elde edilen bir çok tesis bulunmaktadır. Bu çalışmada maya atıksuyu ve organik yemek atığının anaerobik ortamda arıtılması ve metan gazı üretilmesi amacı ile iki aşamalı anaerobik sistem kullanılmıştır. Maya atıksuyu polisakkarit ve organik polimerler, tuzluluk ve sülfat konsantrasyonlarını içeren yüksek KOI’ye sahip bir atıksudur. Bununla birlikte atıksularda bulunan yüksek sülfat konsantrasyonu anaerobik arıtma proseslerinde bazı sorunlara yol açabilmektedir; bu sorunları dört madde ile vermek verekirse bunlar; a) sülfatın sülfat indirgeyen metanojenler tarafından kullanılması, b) sülfitin çıkış suyunda yüksek miktarda çözünmüş oksijen konsantrasyonuna neden olması, c) biyogaz içinde fazla bulunan H2S’in aşındırıcı etkisi, d) sülfat indirgeyici bakterilerle metanojenler arasındaki rekabetin metan üretimini etkileyip düşürmesi olarak belirtilebilir. Yukarıda da belirtildiği gibi bu çalışmada iki aşamalı anaerobik arıtmanın ikinci aşaması incelenmektedir. Sistemin ilk aşaması başka bir çalışmada incelenmiş olup, sistemin çıkış suyu ikinci aşamada besleme olarak kullanılmıştır. Bu kapsamda, ilk olarak maya atıksuyu ve organik yemek atığı AnMBR kullanılarak termofilik koşullarda nötral pH ile işletilmiştir. Bu ilk aşamadan sonra elde edilen yüksek UYA içerikli atıksu ikinci aşamada besleme olarak kullanılmıştır. İkinci aşamada metan üretimini gözlemek için yapılan çalışmada HÇY tipi reaktör kullanılmış olup, mezofilik koşullarda işletilmiştir. Toplamda reaktörler yaklaşık olarak 1,5 sene boyunca işletilmiştir. Sistem 2 g.KOİ/L.gün’lük hacimsel yükleme hızı ile başlamış, ve çalışmanın sonlarında metan üretimini artan hacimsel oranlar bazında incelemek amacıyla hacimsel oranlar artırılmıştır. Sözü geçen hacimsel yükleme hızıları çalışmanın sonunda yaklaşık 12 g.KOİ/L.gün’e kadar çıkarılmış olmaktadır. Maya atıksuyu hidroliz ürünleri ile beslenen HÇYR’nin 2 g.KOİ/L.gün hacimsel yükleme hızı ile işletilen ilk döneminde KOİ giderim verimi %75 olarak hesaplanmış, teorik ve gözlenen günlük metan üretimleri ise sırasıyla; 0.64 ve 0.18 L.CH4/gün olarak ölçülmüştür. 11.37 g.KOİ/L.gün hacimsel yükleme oranı ile 11 gün işletilen son dönemde ise KOİ giderim veriminde %40’lik bir düşüş hesaplanmış ve metan üretimi gözlenmemiştir. Maya atıksuyu hidroliz ürünleri ile beslenen HÇYR’de elde edilen en iyi günlük metan üretimi ise 4. dönemde 7.49 g.KOİ/L.gün hacimsel yükleme hızı koşulunda 0,43 LCH4/gün olarak ölçülmüştür. Yemek atığı hidroliz ürünleri ile beslenen HÇYR’den elde edilen KOİ giderim verimi, teorik ve gözlenen günlük metan üretimi ise sırasıyla; %87, 0.67 ve 0.55L.CH4/gün olarak bulunmuştur. 12,07 g.KOİ/L.gün hacimsel yükleme hızı koşulu ile 11 gün işletilen son dönemde ise KOİ giderim verimi %65’lere kadar düşmüş ve metan üretimi gözlenmemiştir. Yemek atığı hidroliz ürünleri ile beslenen HÇYR’de gözlenen en iyi günlük metan verimi ise 2. dönemde 3.95 g.KOİ/L.gün hacimsel yükleme hızı koşulu altında gerçekleşmiş olup, 0.89 L.CH4/gün olarak ölçülmüştür.After the 19th century, with increasing human population and developings in industrial area waste generation has risen. Since waste piles reached big amounts, waste management became an important issue to solve. Wastes which are generated by human activities, commercial or industrial, should be managed for not to be dangerous for both environmental and publich health. With increasing in population, having new and renewable energy sources have became an important problem also. Organic part of solid waste has been accepted as a worthy resource which can be converted to important product with helps of microbially mediated transformantions. There are several methods to treat organic wastes. In these methods, anerobic degradation seems to be a promising approach. Since biogas is one of the most precious end product of anaerobic degradation, it can be considered as an recovery process for the management of these wastes. The aim of this study is to investigate methane production potential and treatibility of baker’s yeast process wastewater and organic food waste. For that purpose two-stage anaerobic system is used. Yeast wastewater is a wastewater with high COD that contains polysaccharides, organic polymers, salinity and suphate. High sulphate concentrations generates some problems for anaerobic treatment of wastewater. It is indicated that as a result of anaerobic treatment of wastewaters with high sulphate, sulphite accumulation occurs.(Khanal and Huang, 2003) On the other hand high sulphate concentration in wastewater could relate various problems in anaerobic treatment processes; a) sulphate could be reduced to sulphite inhibitin methanogens, b) sulphite could cause high dissolved oxygen concentration demand in the effluent, c) excess production of H2S in biogas could lead corosion problems, d) the competition between sulphate reducing bacteria and methanogens could decrease the methane production from the organic substance(Lettinga and Hulshoffpol, 1991; Rinzema and Lettinga, 1988). The first stage of the system was operated in another study, then the effluent of that study used in this study for methane production. In this scope, firstly baker’s yeast process wastewater and organic food waste were treated in AnMBRs, which are operated under thermophilic conditions and at neutral pH. After this first stage, high VFA content effluent is obtained and used as an influent for the second stage. In the second stage EGSB reactors are used for methane production and they are operated under mesophilic conditions. In total, reactors are operated approximately one and a half year. The systems has started with 2 g.COD/L.day volumetric organic loadings for both reactors and increased to around 12 g.COD/L.day. On the first term of EGSBR, which is fed with hydrolysis products of baker’s yeast wastewater, with VLR of 2 g.COD/L.day, COD removal efficiency is calculated as 75%, theoretical and observed methane productions are measured as 0.64, 0.18 L.CH4/day respectively. On the last term with VLR of 11.37 g.COD/L.day during the 11 days of operation period, it is observed that COD removal efficiency is decreased by 40%, therefore methane production could not be observed. The optimum methane production for EGSB reactor which is fed with hydrolysis products of baker’s yeast wastewater is detected as 7,49 g.COD/L.day with methane production of 0.43 LCH4/day. COD removal efficiency, theoretical and observed methane production on the first period of EGSB reactor with is fed with hydrolysis products of organic food waste are calculated and measured as 87%, 0.67, and 0.55 L.CH4/day respectively. In the last term of VLR of 12.07 g.COD/L.day it is seen that COD removal efficiency is dropped to 65% and consequently methane production could not be observed. The optimum methane production of EGSB which is fed with hydrolysis products of organic waste, is measured as 0.89 LCH4/day on the second term of 3.95 g.COD/L.day VLR with 85% COD removal efficiency.Yüksek LisansM.Sc