Ön Arıtılmış Deponi Sızıntı Suyunda Mikroalg Büyütülmesi

thumbnail.default.placeholder
Tarih
2015-08-27
Yazarlar
Metin, Umut
Süreli Yayın başlığı
Süreli Yayın ISSN
Cilt Başlığı
Yayınevi
Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Özet
Günümüzde, modern Dünya’nın yüzleşmek zorunda olduğu en büyük sorunlar atıkların bertaraf edilmesi süreçlerinin sürdürülebilir kalkınma hedefini sağlanaması için gittikçe yetersiz hale gelinmesi vedurmadan artmaya devam eden enerji ihtiyacını karşılayacak uygun bir kaynağa sahip olunamamasıdır. Günümüzde içinde yaşadığımız çevrenin dengesinin korunarak sürdürülebilirliğin sağlaması, alıştığımız hayat tarzının devam ettirilebilmek için önemlidir. Bu sebeple doğal kaynakların korunması büyük önem teşkil etmektedir. Özellikle sınırlı su kaynaklarının korunması dikkat edilmesi gereken bir konudur. Bu sebeple hali hazırda kirlenmiş suların temiz su kaynaklarına doğrudan verilmemektedir. Kirlenmiş sular, başta içersindeki organik karbondan, bulanıktan, askıdaki katı maddedelerden, renkten, kokudan, azot, fosfordan ve ağır metalden arındırılmaktadır. Fakat her ne kadar organik karbon giderimi belli standartlara oturtulmuş olup neredeyse tamamen giderimi gerçekleştirilmesine rağmen, azot ve fosfor için böyle bir standarttan bahsetmek mümkün değildir. Azot ve fosfor giderimi 3. aşama arıtım olarak adlandırılmakta olup birçok artım tesisi bu gelişmişlikte olmadığı gibi olan tesislerde ise bu arıtım süreçleri karmaşık olup arıtım maliyetlerini yükseltmektedir. Biyoljik azot ve fosfor giderim sistemleri karmaşık olup, kimyasal giderim süreçleri ise daha farklı kirlenmelere sebep olabilmektedir. Bu maddelerin temizlenmeden alıcı ortamlara alınması ise alıcı ortamlarda ötrofikasyona sebep olmaktadır. Bunun sonucunda sınırlı su kaynakları kirlenerek hem içme ya da diğer amaçlar sebebiyle kullanılmasını engellemekte, hem de alıcı ortaın ekosistemini yok ederek bizi doğrudan ya da dolaylı olarak ekonomik kayba sebepolmaktadır. Dolayısyla bu maddelerin kirlenmiş sulardan daha etkili ve eknomik bir yöntem ile gideriminin yönteminin bulunması gerekmektedir. 2010 yılı verilerine göre Dünya enerji ihtiyacının %79,7'si fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. 2011 yılı verilerine göre, tahminler eğer yeni bir kaynak bulunmadığı takdirde petrolün 35 yıl, doğalgazın 37 yıl, kömürün ise önümüzdeki 107 yıl içinde tükeneceğini göstermektedir. Tükenmeye yüz tutmuş bu kaynakların yerine yenisi konunması şarttır. Bu enerji açığının giderilebilmesi için yenilenebilir ve çevre dostu enerji kaynakları geliştirilmesi gerekmektedir. Ayrıca, fosil yakıt kullanımı atmosferde CO2 birikmesine, ve dolayısyla sera etkisine sebep olması ve bu etkinin iklim değişikline yol açması büyük bir sorun teşkil etmektedir. Yenilenebilir birçok farklı enerji kaynağı olmasına rağmen biyoyakıtlar üretilmesi için yüksek teknoloji gerekmemesi ve hali hazırda kullanımda olan sistemler değişikliğe gidilmeden ya da çok az değişiklik gerekterimesi sebebiyle diğer kaynaklardan 1 adım öne çıkmaktadır. Birçok farklı biyoyakıt tipi vardır. Bunlara örnek olarak biyohidrojen, bioyogaz, singaz, biyoethanol ya da diğer biyoalkoller, biyodizel veya yeşil dizel örnek verilebilir. Bu farklı kaynaklar 3 farklı grupta yoğunluklarına göre gaz biyoyakıtlar, düşük yoğunluklu (ve düşük moleküler ağırlıklı) sıvı biyoyakıtlar ve yüksek yoğunluklu (ve yüksek moleküler ağırlıklı) sıvı biyoyakıtlar olarak sınıflandırılabilir. Gaz biyoyakıtlar birim kütle başına en fazla enerji içeriğini sahip olmasına rağmen, depolamanın ve taşımanın sorunlu olması bunları biyoyakıtlar arasında ilk tercih olmasına engel olur. Düşük yoğunluklu sıvı biyoyakıtlar birim kütle başına üç tip biyoyakıt arasından en az enerji içeriğine sahip olması sebebiyle tercih edilebilirliğini azaltır. Yüksek yoğunluklu biyoyakıtlar hem birim kütle başına düşük yoğunluklu sıvı biyoyakıtlardan daha yüksek enerji sahip olması ve gaz biyoyakıtların doğasında olan sorunlara sahip olmaması sebebiyle, biyoyakıt çeşitleri arasından en tercih edilebilcek olandır. Yüksek yoğunluklu sıvı biyoyakıtlar arasından biyodizel en geniş kullanım alanı olan ve gelecek vaad eden bir yakıt türüdür.  Biyodizel, petrol kaynaklı  dizele eşdeğer olarak kullanılabilir bir yakıttır. Günümüzde, biyodizel günümüzde büyük çoğunlukla yağ içeriği yüksek kültür bitkilerinden elde edilir. Ayrıca mikroalgal ve selülozik bir biyokütleden de biyodizel üretimi vardır. Fakat bunlardan yapılan üretim daha çok pilot ölçekli olup, toplam biyodizel üretimi içindeki hacmi %1’den azdır. Yağ içeriği yüksek kültür bitkilerinin biyodizel üretiminde kullanılması yukarıda bahsedilen sorunlara çözüm olmasına rağmen yeni bir sorun ortaya çıkarmaktadır. Bu sorun, gıda kaynağı olabilecek olan kaynaklar yakıt olarak kulanılması sorunudur. Dahası Dünya genelinde sadece taşımacıklıkta kullanılan yakıta eşdeğer biyodüzel üretmek için Dünya’daki bütün tarım alanları bile yetersiz gelmektedir. Dolayısıyla yağ içeriği yüksek kültür bitkilerinin biyodizel üretiminde kullanılması karşılaştığımız sorunu çözmekte yetersizdir. Fakat, eğer biyodizel üretiminde mikroalgal biyokütlenin kullanılması durumunda bu sorun ortadan kaldırabilmekte, ayrıca mikroalglerin kültür bitkilerinden çok daha hızlı büyüme yeterliliğine sahip olması, yetişitirilmesinde verimli tarım alanlarına ihtiyaç duyulmaması, atık ve kirlenmiş sularda büyüyebilme yetenekleri gibi karakteristik sahip olduğu birçok faklı özellikten dolayı mikroalgal biyokütledenbiyodizel üretimini çok daha verimli hale getirmektedir. Bütün bu sahip olduğu avantajlara ve 1960’lardan beri süre gelen iyileştirme çalışmalarına rağmen, mikroalgal kütleden ekonomik olarak petrol kaynaklı dizelden ile rekabet edebilir biyodizel  üretimi gerçekleştirilememiştir. Bunun başarılamasının en asıl sebebi ise teknik olmaktan ziyade mikroalgal biyokütleden biyodizel üretim maliyetlerinin yüksek olmasıdır. 1960 yılınden beri yapılan çalışmalar göstermiştir ki hali hazırda birçok farklı etmenden kaynaklanan yüksek maliyet sorunu, sorunların sadece biri ya da bir kısmının çözülerek aşılamıyacağını göstermiştir. Bu maliyet sorununun çözülebilmesi  çözülmesi gereken sorunlar şöyle sıralanabilir. İlk olarak mikroalg üretim sürecinde besi yerinde kullanılcak besin maddelerinin daha ucuza temini ve yine mikroalg üretimin içinde gerçekleştiği fotobiyoreaktörin yüksek büyüme verimini yüksek olmayan maliyetler gerçekleştirilebilcek şekilde tasarımlanması  sağlanmalıdır. İkinci olarak biyodizel üretiminde kullanılacak mikroalgal biyokütlenin hasat ve yağ çıkarılması işlemlerinin, dahası bu yağın biyodizele dönüşümünü sağlayan transesterifikasyon maliyetlerinin düşürülmesi sağlanmalıdır. Üçüncü olarak, biyorafineri üretim modeli uygunlmalı yani düşük değerlikli bir ürün olan biyodizel üretimi yapılırken, mikroalglerin sentezlediği bilindiği birçok farklı yüksek değerlikli madde yağ hasadı yapıldıktan sonra  kalan biyokütleden katma değer üretme amacıyla bu yüksek değerlikli maddelerin saflaştırması gerçekleştirilmedilir. Dördüncü olarak ise tümleşik tesis yaklaşımın gerçekleştirimesi gerekmektedir. Yani, örneğin, mikroalg üretimi yapılırken, mikroalglerin büyümesi olan CO2 kaynağı tümleşik tesiste bulunan termik santralin baca çıkış gazından karşılanmalı, böylelikle besi yerinde kullanılcak besin maddedis olan CO2 elde edilmiş olacak iken,  aynı zamanda tesis baca filtreleme masrafların kurtulacak ve dolayı bu duruda biyodizel maliyetlerinin düşmesine katkıda bulunacaktır. Son olarak ise, mikroalglerin kendi doğalarından kaynaklanan  sınırlandırmalar genetik mühendisliği yöntemleri aşılarak çok daha verimli suş elde edilmesi gerekmektedir. Yukarıda değilen sorunla çözüm üretebilme amacıyla geniş kapsamlı bir çalışmanın ilk aşaması olarak Synechocystis sp. PCC 6803 alg türü değişik oranda seyreltilmiş ön arıtımı gerçekleştirilmiş sızıntı suyunda büyümesi gözlemlenmiş, kültürleme işleminin bitiminden sonra azot ve fosfor giderim oranları tespit edilmiştir. Burda besi ortamı olarak ön arıtılmış sızıntı suyu seçimiyle üretim sürecinde besi yerinde kullanılcak besin maddelerinin masrafsız temini sağlanmış, ayrıca bu kirlenmiş suda bulunan azot ve fosforun giderilmesi için yeni bir yöntem önerilmiş olmaktadır. Ayrıca, tümleşik tesis yaklaşımı çerçevesine uygun olarak hem biyodizel üretimi hem de atık giderimin gerçekleştirilip gerçekleştirilemiyeceği gözlenmesi amaçlanmıştır. Yüksek büyüme yeteneğine sahip, genetik haritası hali hazırda çıkartılmış, uyum sağlama yeteneği yüksek olan ve genetik müdahele için kullanılması gereken araçları iyi tanımlanmış Synechocystis sp. PCC 6803 türü suş iyileştirilmesi amacının daha kolay gerçektirilebilesine olanak sağladığı için seçilmiştir. Synechocystis sp. PCC 6803 türü %20, %40, %60, %80 ve %100 oranın derişimlerde ön arıtılmış sızıntı suyu içeren besi ortamlarında büyütülmüştür. Kültürlerimiz 32±2°C sıcklığında, içerisine 1 L/dk miktarında hava verilerek, 100-300 değerleri arasında değişen soğuk beyaz led ışık altında 24 saat kesintisiz aydınlatma altında 500 saat süreyle büyütülmüştür. Karıştırma, kültür içersine verilen havalandırmanın şiddetiyle sağlanılmıştır. Kültürler 1’lik erlenler içersinde büyütülmüş olup başlangıç kültür hacmi ise 500 ml’dir. Her farklı derişim 4’lü tekrar yapılarak çalışılmıştır. Büyüme 680 nm’de optik yoğunluk ölçülerek yapılmıştır. Her farklı derişim için optik yoğunluk-zaman grafiği çıkartılmıştır. Ayrıca, her farklı derişim için özgül büyüme hızı ve ikiye katlanma süresi hesaplanmıştır. Ayrıca “optik yoğunluk-toplam askıda katı madde (TAKM)” grafiğinden elde edilen değerler ile her bir besi yerinde üretien teorik TAKM değeri hesaplanmıştır. Ön arıtımı yapılmış sızıntı suyunun ve besi yerlerinin büyütmenin başlangıcında ve bitişinde olmak üzere karakterizasyonu yapılmıştır. Total kjeldahl azotu, amonyok azotu, ortofosfat, toplam askıda katı madde, uçucu askıda katı madde, pH ve alkanite değerleri hesaplanmıştır. Total kjeldahl azotu, amonyok azotu ve ortofosfat tayini standart yöntemler kullanılarak gerçekletirildi.  Yapılan çalışmaların sonuçlarına göre artan sızıntı suyu derişimi ile birlikte kültürlerde gözlmelenen büyümenin azaldığı gözlemlenmiştir. Seyreltilmemiş sızıntı suyunda (%100 derişim) ise büyümenin nerdeyse tamamen baskılandığı gözlemlenmiştir. Dolayısıyla bu derişimdeki ölçümler sonuçlara katılmamıştır. %20 derişimde en yüksek gözlemlenen OD680 değeri 1,816, %40 derşimde en yüksek gözlemlenen OD680 değeri 1,0893, %60 derşimde en yüksek gözlemlenen OD680 değeri 0,8146 ve %80 derşimde en yüksek gözlemlenen OD680 değeri 0,578’dir. %20 derişimde bulunan özgül büyüme hızı 0,00753 h-1 ve ikiye katlanma süresi ise 91,95 saat, %40 derişimde bulunan özgül büyüme hızı 0,008868 h-1 ve ikiye katlanma süresi ise 78,35 saat, %60 derişimde bulunan özgül büyüme hızı 0,00937 ve ikiye katlanma süresi ise 73,95 saat, ve %80 derişimde bulunan özgül büyüme hızı 0,014088 ve ikiye katlanma süresi ise 49,19 saattir. %20 derişimde gözlemlenen TKN giderim oranı %51,819, amonyak ozanı giderim oranı %28,855 ve organik azot giderim oranı ise 90,33’dir. %40 derişimde gözlemlenen TKN giderim oranı %44,57, amonyak ozanı giderim oranı %19,36 ve organik azot giderim oranı ise 86,85’dir. %60 derişimde gözlemlenen TKN giderim oranı %40,603, amonyak ozanı giderim oranı %14,88 ve organik azot giderim oranı ise 83,72’dir. %80 derişimde gözlemlenen TKN giderim oranı %20,196, amonyak ozanı giderim oranı %7,473 ve organik azot giderim oranı ise 41,53’dir. %20 derişimde gözlemlenen ortofosfat giderim oranı %94,88, %40 derişimde gözlemlenen ortofosfat giderim oranı %96,69, %60 derişimde gözlemlenen ortofosfat giderim oranı %89,22, ve %80 derişimde gözlemlenen ortofosfat giderim oranı %88,08’dir. Yapılan çalışmalrın sonuçlarına göre sonuçlara göre ön arıtıma tabi tutulmuş sızıntı suyunda gözlemlenen büyüme oranlı istenilen seviyede olmadığı gözlemlenmiştir. Yüksek fosfat giderimi gözlemlenmiştir. Fakat başlangıç fosfor derişim düşük olduğun gözlemlenen değerlerin yüksek olması beklenen bir durumdur. Yeterince büyüme olmadığı için tam olarak azot giderimi gerçekleştirilememiştir. Organik azot giderimin yüksek olmasının sebebi olarak ise heterotrofik büyümenin varlığı olduğu düşünülmektedir.
79.7% of world’s energy needs is supplied by fossil fuels. Estimates indicate that oil will run out in the next 35 years, natural gas will run out in the next 37 years, and coal will run out in the next 107 years. Renewable and environmentally friendly energy resources should developed to address the world's energy deficit. Biodiesel is a promising energy source that provides this necessary. Although Biodiesel is a renewable and environmentally friendly energy source, because of the production of biodiesel, which is alternative the petro-diesel usage, is more expensive than production petro-diesel, it does not have widespread use. Many different methods have been proposed in order to reduce the cost of biodiesel. One of these systems is biorafinery system. When carrying out the production of biodiesel by using biorafinery system, while also valuable products/output work is performed. On the other hand, to sustain ecological balance to protect our lifestyle and future of our offspings waste reduction and recycling must carried out even more efficiently than before. Lately, In line with this vision, nitrogen and phosphorus, which before given the receiving environment with the effluent water, intended to benefit.  In this study, algal strain Synechocystis sp. PCC 6803 was growth on pre-treated landfill leachate (PLL) with different dilution rate and determining the biodiesel production potential and wastewater cleaning efficiency of nitrogen and phosphorus were measured. Our goal is to determine that using leachate as medium cost-effective solution for algal biodiesel production and Synechocystis sp. PCC 6803 is usable for the nitrogen and phosphorus removal from pre-treated landfill leachate. Synechocystis sp. PCC 6803 strain grown on mediums, of which dilution rate differ from each other, for 500 hours. These dilutions are 20%, 40%, 60%, 80% and 100%. However, Synechocystis sp. PCC 6803 not grown on medium contains 100% of pre-treated landfill leachate. Thus, data of these mediums were not been taken into account.  Our strain were cultured at 32±2°C with a continuous white led illumination with intensity of 100-300 µE/m–2*s-1. Our cultures were aerated with air that aeration speed is 1 L/min. Growths of the culture was determined via optical density measurement. For each different medium, which has different dilution rate, optical density time graphs was prepared. According to our data, with increased concentration of pre-treated landfill leachate organic N removal efficeny dropped. Especially, medium %80 PLL, removal efficiency dropped significantly. Removal efficiency of %20 PLL, %40 PLL, %60 PLL and %80 PLL are about %90, %86, %83 and %41, respectively. According to our data, with increased concentration of pre-treated landfill leachate TKN removal efficeny dropped. Especially, medium %80 PLL, removal efficiency dropped significantly. Removal efficeny of %20 PLL, %40 PLL, %60 PLL and %80 PLL are about %51, %44, %40 and %20, respectively. According to our data, with increased concentration of pre-treated landfill leachate ammonia-N removal efficeny was drop. However, ther is no quick drop observed from grap. Removal efficeny of %20 PLL, %40 PLL, %60 PLL and %80 PLL are about %28, %19, %14 and %7, respectively. According to our data, with increased concentration of pre-treated landfill leachate organic N removal efficeny was drop. Especially, medium %80 PLL, removal efficeny drop significanly. Removal efficeny of %20 PLL, %40 PLL, %60 PLL and %80 PLL are about %90, %86, %83 and %41, respectively. Removal efficeny of orthophosphate of medium %20 PLL, %40 PLL, %60 PLL and %80 PLL are about %94, %96, %89 and %88, respectively according to our work. Maximum OD680 value which was seen is 1,816 for medium with 20% dilution rate. Spesific growth rate of medium with 20% dilution was found 0,00753 h-1 and doubling time of medium with 20% dilution was determined 91,96 hours. Maximum OD680 value which was seen is 1,089 for medium with 40% dilution rate. Spesific growth rate of medium with 40% dilution was found 0,00887 h-1 and doubling time of medium with 40% dilution was determined 78,35 hours. Maximum OD680 value which was seen is 0,815 for medium with 60% dilution rate. Spesific growth rate of medium with 60% dilution was found 0,00937 h-1 and doubling time of medium with 60% dilution was determined 73,95 hours. Maximum OD680 value which was seen is 0,578 for medium with 80% dilution rate. Spesific growth rate of medium with 80% dilution was found 0,01409 h-1 and doubling time of medium with 80% dilution was determined 49,20 hours. According to our results, high orthophosphorus removal rate was observed. This is expected results because, our medium contain very low orthophosphorus concentration.  Because of the low growth amount im medium, total kjeldahl nitrogen removal efficieny is not high.It thought that high organic N removal amount caused by contamination of heterotrophic organisms.
Açıklama
Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2015
Anahtar kelimeler
Atık Su, Sızıntı Suyu, Biyodizel, Mikroalg, Siyanobakteri,  synechocystis Sp. Pcc 6803, Azot Giderimi, Fosfor Giderimi, Wastewater, Leachate, Biodiesel, Microalgae, Cyanobacteria,  synechocystis Sp. Pcc 6803, Nitrogen Removal, Phosphorus Removal
Alıntı