Biohydrogen gas production from wastewater treatment sludge by dark fermentation

Abstract

Fosil yakıt rezervlerinin azalması nedeniyle, yeni ve temiz bir enerji kaynağına ihtiyaç vardır. Hidrojen gazı, temiz ve enerji değerinin yüksek olması nedeniyle fosil yakıtların yerini alabilecek bir enerji kaynağıdır. Hidrojen üretiminde fiziksel, kimyasal yöntemler ve önemli avantajları olan biyolojik yöntemler kullanılmaktadır. Karanlık fermentasyonla hidrojen üretimi en bilinen biyolojik yöntemdir. Diğer biyolojik yönetmelere gore basit işletim şartlarında daha yüksek üretim verimi ve hızı elde edilebilmektedir. Sürdürülebilir biyohidrojen üretimi için yüksek karbon içerikli, ucuz ve sürekliliği olan ham madde gereklidir. Önemli bir çevre kirliliği yaratan arıtma çamurları, yüksek karbon içeriği ve atık madde niteliğinden dolayı biyohidrojen üretimine uygun bir kaynaktır. Arıtma çamurunun bu amaç için kullanılması atık yönetimine ve enerji üretimine önemli bir katkı sağlayacaktır._x000B_Bu tez çalışmasında, arıtma çamurundan ışıksız fermantasyonla hidrojen gazı üretimini etkileyen faktörlerin belirlenmesi, hidrojen üretim hızını ve verimini arttırmak amaçlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, arıtma çamuruna, tek basamak asit hidrolizi ve ısıl işlemle hidroliz, iki basamak asit-ısıl işlemle hidroliz olmak üzere üç farklı ön işlem uygulanmış, maksimum hidroliz verimi sağlayan yöntem belirlenmiş ve hidroliz şartları optimize edilmiştir. Asit-ısıl işlemle hidrolizde optimum hidroliz şartları olan t=60 dk, pH=2 ve T=135 santigrat derece'de toplam şeker derişimi tek basmak asit ve ısıl işlemle hidrolize nazaran, sırasıyla, 4 ve 0.5 kat artmıştır. Projenin ikinci aşamasında, besi ortamı bileşimi ve fermantasyon şartlarının etkisi incelenmiştir. Üretimi etkileyen en önemli faktörlerin pH ve biyokütle derişimi olduğu belirlenmiş ve verim 3.3mol/mol glikoz'a kadar ulaşmıştır. Besi ortamına azot ve protein ilavesi hidrojen gazı üretimine önemli bir katkı sağlamamıştır. Filtrattan hidrolize çamura nazaran daha yüksek üretim verimi ve hızı elde edilmiştir. The decrease in fossil fuel resources revealed an urgent need for new and clean energy sources. Hydrogen is a clean and high energy fuel and considered as potential substitute for fossil fuels. Chemical, physical and biological methods are used for the production but, biological methods have certain advantages over the others. Dark fermentation is one of the biological hydrogen gas production processes. It is simple and practical with high rate and yield of formation. Sustainable biohydrogen production requires available and low cost, carbon containing raw material. Wastewater treatment sludge, which is an important environmental problem, could be a suitable raw material for biohydrogen production due to its high organic substance content. Utilization of waste sludge for hydrogen generation may help sludge management and sustainable energy production._x000B_In the light of these facts, the study aimed to determine the significant factors that affect hydrogen production from waste sludge by dark fermentation. For this purpose, sludge hydrolysis method and conditions were determined in the first stage of the study. Three hydrolysis methods as single stage acid, single stage heat treatment and two stage sequential acid-heat treatment were applied to sludge. Two-stage hydrolysis provided 4 times and 0.5 times higher total sugar concentrations compared to acid and heat treatment,respectively, under optimized conditions as t=60 min, pH=2 and T=135 degrees celcius. In the second stage of the study, the effects of media composition and fermentation conditions on hydrogen gas production from filtrate and hydrolyzed sludge were investigated. The most important factors were initial biomass concentration and fermentation pH. The yield of production reached to 3.3 mol/glucose at 5g/L biomass concentration and at pH=5. External addition of nitrogen and protein did not affect the production substantially. The yields and rates of production form filtrate were slightly higher than the rates and yields from sludge.