Ardışık kesikli reaktörlerde aerobik granül üretimi ve azot gideriminde kullanımının araştırılması

TÜBİTAK ÇAYDAG15.11.201

Mikroalgal ve anaerobik mikrobiyel kültürlerin kullanımı ile entegre besiyer madde giderimi, sera gazı mitigasyonu ve biyo-yakıt ve biyo-ürün eldesi

TÜBİTAK ÇAYDAG15.08.2015Mikro algal kültürlerin kullanımı ile önemli bir sera gazı olan CO2’in mitigasyonu çok yeni bir araştırma alanıdır. Mikro algal kültürler ile besiyer madde giderimi ve atık mikro algal biyokütleden biyogaz, hidrojen ve gübre eldesi çeşitli araştırmalara tek başına ya da birlikte konu olmuş uygulamalardır. Ancak, bu projenin konusunu oluşturan mikro algal ve anaerobik mikrobiyel kültürlerin entegre besiyer madde giderimi, sera gazı mitigasyonu ve biyo-yakıt ve biyo-ürün eldesi için birlikte kullanıldığı entegre bir biyoproses konfigürasyonun geliştirilmesi özgün bir yaklaşımdır. Bu inovatif konfigürasyon sadece atık su arıtımı ve CO2 mitigasyonu gibi önemli atık yönetimi sorunlarına bir katkıda bulunmakla kalmayacak, biyoyakıt (biyogaz ve biyohidrojen) ve biyoürün (gübre) eldesi de sağlayabilecektir. Bu projenin en önemli çıktısı hem evsel hem de endüstriyel atık suların atık CO2 kaynakları (örneğin endüstriyel baca gazları) ile birlikte arıtılabilmesini sağlayan özgün bir biyoteknolojik proses konfigürasyonunun geliştirilmesi olacaktır. Bu sürece paralel olarak sağlanacak olan biyoyakıt ve biyoürün eldesi, sadece atık valorizasyonuna değil, sürdürülebilir atık yönetimine de önemli bir örnek oluşturabilecektir. Atık sulardan azot ve fosforun %90-100 arasında değişen verimle giderimi, fotobiyoreaktörlerde sağlanan 0,16-0,26 g/L.gün CO2 tutma hızı, mikro algal biyokütleden elde edilen metan verimi (249 mL CH4/g TUKM), hidrojen verimi (2,47 mL H2/g TUKM) ve detayları bu raporda sunulan projemizin diğer sonuçları hipotezimizi destekler bir ilk adım niteliğindedir. Diğer bir deyişle, mikro algal ve anaerobik mikrobiyel kültürlerin entegre besiyer madde giderimi, sera gazı mitigasyonu ve biyo-yakıt ve biyo-ürün eldesinde birlikte kullanımı olasıdır. Bu üç farklı amaca aynı anda hizmet edecek olan bir inovatif biyoproses konfigürasyonunun optimizasyonu çalışmalarımızın bundan sonraki aşamasını oluşturacaktır.The mitigation of CO2 which is an important greenhouse gas by using microalgal cultures is a very new research area. Nutrient removal by microalgal cultures and anaerobic digestion of waste microalgal biomass and subsequent biogas, biohydrogen and fertilizer production were relatively investigated in the past. However, the research on these areas concentrated on only one or two of these tasks. Therefore, the integrated bioprocess configuration which is investigated in this project to provide integrated nutrient removal, greenhouse gas mitigation and bio-fuel and fertilizer production by using both microalgal and anaerobic microbial cultures is an innovative approach. This innovative configuration will not only contribute to nutrient removal from wastewaters and CO2 mitigation but also generate bio- fuels (biogas, biohydrogen) and bio-products (fertilizer). The impact of this project will be a cost-efficient biotechnological process configuration for the treatment of both domestic and industrial wastewaters as well as waste CO2 sources such as flue gas. Moreover, the parallel bio-fuel and bio-product generation will be a good example of waste valorization and sustainable waste management approach. Nitrogen and phosphorus removal from wastewaters with 90-100% efficiency, achievement of significant CO2 mitigation rates (0,16-0,26 g/L.day) in photobioreactors, methane production from microalgal biomass with a yield of 249 mL CH4/g VS, dark fermentative hydrogen production with a yield of 2.47 mL H2/g VS and other results of our project which are presented in this report not only support our initial hyphothesis but also constitute the first step toward its realization. In other words, an integrated approach enabling nutrient removal, greenhouse gas mitigation and bio-fuel and fertilizer production by using microalgal and anaerobic cultures is possible. Optimization of an inovative bioprocess configuration which will serve for all these three objectives will be the next phase of our research

Birleşik kültür geliştirilmesi ve düşük kirlilikteki atıksuların arıtımında kullanılması

This study was carried out to develop combined cultures which were composed of anaerobic and aerobic cultures, and could survive and operate under alternating aerobic and/or microaerobic / anaerobic conditions in semi-continuous and Upflow Sludge Blanket (USB) reactors. Granular combined cultures with median diameter of 1.28-1.86 mm and 0.8 mm were developed from suspended anaerobic and aerobic cultures in semi-continuous and USB reactors, respectively. Significant specific methanogenic activity (SMA, 14-42 mL CH4/g VSS.hr) and specific oxygen uptake rate (SOUR, 6-47 mg DO/g VSS.hr) values of combined granules in semi-continuous reactors were comparable to those of anaerobic and aerobic granules. Similarly, combined granules in USB reactors exhibited noteworthy SMA and SOUR values of 11-77 mL CH4/g VSS.hr and 10-75 mg DO/g VSS.hr, respectively. Combined granules developed in semi-continuous reactors were found to overcome the drawbacks of both anaerobic and aerobic granules such as the need for long start-up and low stability, respectively. Combined cultures were also developed from anaerobic granular and suspended aerobic cultures in three USB reactors aerated at 10 mL air/min for 4 hours/day (R2), every other day (R3) and 24 hours/day (R4). The use of combined cultures was found to be advantageous compared to the anaerobic granules for the treatment of low strength wastewaters. During municipal wastewater treatment at influent 5-day biochemical oxygen demand (BOD5) concentration of 53-118 mg/L (Hydraulic retention time, HRT: 0.75 day), combined cultures in R2, R3 and R4 exhibited average BOD5 removal efficiencies of 52, 75 and 76%, respectively. Combined granules developed in USB reactor also displayed significant BOD5 removal efficiencies (66-68%) during municipal wastewater application (HRT: 0.75 day). Combined cultures/granules developed in USB reactors might be proposed as an alternative for municipal wastewater treatment due to their advantages such as achievement of required discharge standards, prevention of biomass loss / settleability problems unlike activated sludge systems and possible methanogenic activity as well as high settling characteristics comparable to those of anaerobic granules.Ph.D. - Doctoral Progra

Üç-aşamalı (Karanlık-fermantasyon, metanojenesis ve foto-fermantasyon) sistemlerde organik atıklardan entegre biyohidrojen ve metan üretiminin araştırılması

TÜBİTAK MAG01.04.2015Bu projenin amacı, birim organik maddeden elde edilen enerjiyi, diğer bir deyişle, toplam hidrojen ve metan üretimini arttırmak için, üç-aşamalı karanlık fermantasyon, metanojenesis ve foto-fermantasyon konfigürasyonunun geliştirilmesi ve enerji veriminin maksimizasyonu amacıyla üçlü sistemin uygun işletim koşullarının belirlenmesidir. Önerilen üç-aşamalı konfigürasyon bugüne kadar çalışılmamış, özgün bir sistemdir. Bu teknolojinin geliştirilmesi için her aşama, kesikli işletilen ve(ya) ardışık-kesikli modda sürekli işletilen reaktörlerle kademeli olarak entegre edilmiştir. Üç-aşamalı konfigürasyon, sentetik atıksu ve uygulama olarak şeker fabrikası atığı / yan ürünü melas ile çalıştırılmıştır. Baskın olan popülasyon dinamiğinin belirlenmesi için moleküler analizleri de gerçekleştirilmiştir. Proje çıktıları, önerilen üç-aşamalı konfigürasyonlardan (kesikli veya ardışık-kesikli reaktör - AKR- entegrasyonlarından) elde edilen maksimum toplam (brüt) ısıl enerji değerinin 13,47- 16,11 kJ/g çKOİeklenen, H2 bazında maksimum verimin ise 9,18-10,80 mol H2/mol heksoz aralığında olduğunu göstermiştir. Bu değerler, iki-aşamalı karanlık fermantasyon + fotofermantasyon sistemlerinde bugüne kadar elde edilen en yüksek verimden (7,2 mol H2/mol heksoz) %27-50; iki-aşamalı hidrojen sistemlerinin kurulumu için ekonomik değer sınırını oluşturan 8 mol H2/mol heksoz veriminden de %14-37 fazladır. Üç-aşamalı sistem konfigürasyonları, iki-aşamalı karanlık fermantasyon + metanojenesis sistemlerinden elde edilen enerjiye (13,15-14,64 kJ/g çKOİ) benzer ölçüde enerji üretmektedir. Bulgular, üç-aşamalı konfigürasyondan elde edilen enerjinin, iki-aşamalı karanlık fermantasyon + metanojenesis sistemlerinden elde edilebilecek teorik değere oldukça yakın (%89-96) olması açısından da önemlidir. Maksimum enerji ve verim eldesi (16,11 kJ/g çKOİ ve 10,80 mol H2/mol heksoz), AKR-Karanlık fermentasyon + AKR- Metanojenesis + Kesikli fotofermantasyon entegre sisteminde sağlanmıştır. Bu projede önerilen konfigürasyonla, ülkemiz hedefleri içerisinde yer alan, yenilenebilir enerji üretimi, atıkların kontrolsüz bertarafı ve olası sera-gazı salınımının azaltımı için alternatif bir teknoloji, ve sürdürülebilir kalkınma hedefi gerçekleştirilebilmiştir. Ayrıca, yeşil teknolojinin iki xxiv önemli ham maddesi, metan ve hidrojen, aynı konfigürasyonla ve önemli bir verim eldesiyle üretilmiştir.The aim of this project is to develop a three-stage dark-fermentation, methanogenesis and photofermentation configuration for improvement of total energy, in other words, total hydrogen and methane production from unit organic matter and determine the operational conditions of three-stage system for maximization of energy yield. Three-stage configuration proposed is an original system that has not been studied so far. In order to develop this configuration, each stage operated in batch and/or continuous sequencing-batch mode was gradually integrated. Three-stage configuration was operated with synthetic wastewater and the waste/by-product of sugar industry, i.e. molasses, the latter as an application. Molecular analysis were also performed to determine dominant microbial population dynamics. Results revealed that maximum total(gross) heat energy of 13.47-16.11 kJ/g sCODadded and maximum yield of 9.18-10.80 mol H2/mol hexose were obtained via the proposed three-stage configurations (batch or sequencing batch reactor-SBR- integrations). These values are 27- 50% greater than the maximum value (7.2 mol H2/mol hexose) practically obtained so far from two-stage dark-fermantation+photofermantation systems, and 14-37% greater than 8 mol H2/mol hexose defined to be the economic threshold for application of two-stage dark- fermantation+photofermantation systems. Three-stage configuration produces an energy yield similar to that of two-stage dark- fermantation+methanogenesis systems (13.15-14.64 kJ/g sCOD). Results are also of significance for producing energy yields quite close (89-96%) to the theoretical values obtained from two-stage dark-fermantation+methanogenesis systems. Maximum energy and yield values (16.11 kJ/g sCOD and 10.80 mol H2/mol hexose) were obtained in SBR-Dark fermantation + SBR-Methanogenesis + Batch-photofermantation system. With the configuration proposed in this project, country policies such as renewable energy production, an alternative technology for the reduction of uncontrolled waste disposal and greenhouse gas emissions, and sustainable development have been realized. In addition, two important raw materials of green technology, hydrogen and methane, have been gained in the same configuration with significant yields