Gıda endüstrisi atıksularından biyolojik yöntemlerle hidrojen eldesi ve değerlendirilmesi

Abstract

Gıda ve içecek endüstrisindeki önemli sektörler genel itibariyle, et ve et ürünleri, unlu mamuller, süt ürünleri, sebze ve meyveler, yağlar, şekerli ve çikolatalı ürünler, alkollü ve alkolsüz içecekler, hazır yemekler ve bebek mamalarından oluşmaktadır. Bu sektördeki endüstrilerin çoğu, oluşan atıksu hacmi, organik kirliliği ve kullanılan su miktarı bakımından önemli endüstriler arasında yer almaktadır. Çünkü üretim, hazırlama ve tüketim sırasında çok miktarda katı atık ve yüksek oranda organik madde içeren kuvvetli karakterde atıksular ortaya çıkmaktadır. Yüksek düzeyde organik madde içeriğine sahip bu endüstrilerin atıksularının arıtılmasında konvansiyonel yöntemler tek başına kullanıldığında yetersiz kalmakta, deşarj standartlarına ulaşılmakta zorluklar yaşanmaktadır. Konvansiyonel yaklaşımda yüksek organik madde içeren atıksuların arıtımı sırasında deşarj limitlerini sağlamada problemler yaşanması sebebiyle enerji verimliliği yüksek alternatif arıtma teknolojilerinin yaygınlaştırılması çevrenin korunması ve ülke ekonomisi açısından önem arz etmektedir. Bu tez çalışmasında, süt endüstrisi gibi ülkemizde üretim miktarı ve kirlilik yükü oldukça yüksek endüstri grubunda yer alan endüstriden kaynaklanan atıksular, biyohidrojen üretiminde ve atıksu arıtımında kullanılmıştır. Söz konusu çalışmada, enerji verimliliği yüksek bir sistemde kuvvetli endüstriyel atıksuların arıtımı ve deşarj standartlarının sağlanması hedefiyle biyolojik hidrojen üretiminin gerçekleştirildiği karanlık fermantasyon ve fotobiyoliz prosesleri incelenmiştir. Farklı proseslerin birlikte kullanılması ile konvansiyonel sistemlere nazaran enerji (hidrojen) üretim veriminin arttırılması, üretilen enerjinin yakıt hücrelerinde doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi, sera gazı salınımının azaltılması, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ve atıksuların deşarj standartlarına ulaşabilecek düzeyde arıtımı araştırılmıştır. Yenilenebilir ve alternatif enerji kullanan, geri kazanıma yönelik önerilen arıtma sisteminin geliştirilmesi ile endüstriyel atıksuların yüksek verimlilikte enerji geri kazanımı konusundaki uygulamaların artırılmasının sağlanacağı ve ülkemiz koşullarında sistemin ekonomik olarak uygulanabilme potansiyelinin belirleneceği bu tez çalışmasında özetle;•Kuvvetli karakterde atıksuların üretildiği gıda endüstrisi atıksuları için karanlık fermantasyon ve fotobiyoliz prosesleri ile biyohidrojen üretimi ve optimizasyonu,•Karanlık fermantasyon prosesinden üretilen H2/CO2 gazının gaz ayırıcı sistemle ayrılması ve•Hidrojenin PEM tipi yakıt hücresinde doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi çalışmaları gerçekleştirilmiştir.Yapılan deneysel çalışmalar neticesinde süt endüstrisi atıksularının biyohidrojen üretimi için oldukça uygun bir kaynak olduğu, membran sistemlerinin biyogaz saflaştırmada yüksek verimde CO2 giderimi sağladığı, üretilen biyohidrojenin değerlendirilmesi için PEM tipi yakıt hücrelerinin en uygun teknoloji olduğu, alglerden biyohidrojen üretiminin mümkün fakat alglerin atıksuları kullanarak hidrojen üretmesinde zorluklar yaşandığı tespit edilmiştir. Sonuç olarak bu tez çalışmasında organik içeriği yüksek kuvvetli endüstriyel atıksuların arıtımının sağlanacağı; alternatif enerji kullanan, işletme maliyeti düşük sürdürülebilir bir arıtma sistemi geliştirilmesi ile atıksuyun katma değeri olan bir ürüne dönüştürülmesi ve enerji/madde geri kazanımı sağlayarak ülkemize ekonomik ve çevreci bir katkı sağlamaya çalışılmıştır.

Important sectors of the food and beverage industry mainly include meat and meat products, bakery products, dairy products, fruits and vegetables, oils, sugar and chocolate products, alcoholic and soft drinks, and baby foods. Many of the industries in this sector are of considerable importance with regard to the amount of water used, and volume and organic content of wastewaters generated since large amounts of solid wastes and high-strength wastewaters are generated during production, preparation and consumption in food industry.Conventional methods of treatment provide poor efficiency for these wastewaters containing high amounts of organic materials, thus achieving treatment objectives to meet discharge standards becomes difficult. For this reason, it is important that applications of energy-efficient alternative treatment techniques be broadened in the aspects of environmental protection and national economics.This thesis aims treatment and biohydrogen production from milk/dairy industry that generated in high amounts in Turkey. The system will achieve strict discharge standards and comprise dark fermentation and photo-biolysis process for biohydrogen production. Compared to conventional processes, this process will provide several benefits such as increased energy (hydrogen) production efficiency, direct use of biohydrogen in fuel cells to produce electricity, reduced greenhouse gas emissions and use of renewable energy sources, and meeting strict discharge standards. Also a renewable alternative energy source, successful application of this new treatment process will lead to a breakthrough in widening the full-scale use of these high energy-efficient systems in Turkey. This research will contribute to the applicability of energy-efficient systems and include the following packages:•Biohydrogen production and optimization of dark fermentation and photo-biolysis process using high-strength food industry wastewater, •Separation of H2/CO2 gas mixture produced in dark fermentation process through gas separation system,•Converting hydrogen directly electricity in a PEM fuel cell.As a result of experimental studies, it was found that dairy industry wastewater was a very suitable source for the production of biohydrogen, membrane systems provided high efficiency CO2 removal in biogas purification, PEM fuel cells were the most suitable technology for the evaluation of produced biohydrogen, biohydrogen production was possible from algae, but there were difficulties in producing hydrogen by microalgae using wastewater. As a result, in this thesis, the treatment of industrial wastewater with high organic content will be provided; by using alternative energy and developing a sustainable treatment system with low operating costs, it has been tried to make an economical and environmental contribution to our country by converting wastewater into a value added product and providing energy / material recovery.