Adding value to the liquid fraction of biogas digestate - Sürmeli, Recep Önder (My University, 2024)
Anaerobik çürütme işleminin bir yan ürünü olan fermente ürünün yönetimi, önemli çevresel ve ekonomik zorluklar sunmaktadır. Fermente ürünün katı fraksiyonu (KFÜ) nispeten daha kolay işlenebilirken, sıvı fraksiyon (SFÜ), içerdiği yüksek makro ve mikro besi maddesi miktarı nedeniyle daha fazla dikkat gerektirmektedir. Bu besi maddelerinin geri kazanılması, çevresel etkilerin azaltılması ve sürdürülebilir tarımsal uygulamaların desteklenmesi açısından önemlidir. Bu tez, SFÜ’den fosfat ve amonyum geri kazanımını, strüvit kristalizasyonu ve Mg ile modifiye edilmiş biyokömür kullanarak adsorpsiyon yöntemleriyle incelemektedir. Çalışmanın ilk kısmında, atık manyezit tozunun (AMT) besi maddesi geri kazanımı için magnezyum çözünürlüğünü artırmak amacıyla kalsine edilmesi ele alınmıştır. Kalsinasyon denemeleri, magnezyumun uygun miktarda elde edilmesini sağlamak için 500°C ile 900°C arasında değişen sıcaklıklarda ve farklı sürelerde gerçekleştirilmiştir. Ardından, kalsine edilmiş AMT'nin (AMT-K) ve ham AMT'nin strüvit çökelme verimliliği, Akışkan Yataklı Reaktör (AYR) deneyleri ile değerlendirilmiştir. 900°C'de 0,25 saat boyunca kalsine edilen AMT-K (AMT-K900,0,25), sentetik çözeltilerde %96 ve gerçek SFÜ örneklerinde %75 fosfor giderimi sağlamıştır. Maliyet analizi, 700°C'de 1 saat boyunca kalsine edilen AMT-K'nin (AMT-K700,1) en ekonomik seçenek olduğunu ortaya koymuş ve MgO ve MgCl2 ile karşılaştırıldığında sırasıyla %38 ve %57 oranında maliyet tasarrufu sağladığı görülmüştür. Çalışmanın ikinci kısmında, Aspergillus niger fungal biyokütlesi içinde AMT immobilize edilerek sentezlenen yeni bir fungal bazlı Mg modifiye biyokömür (Mg-FBK) fosfat ve amonyum geri kazanımı için kullanılmıştır. 650°C'de üretilen bu biyokömür (Mg-FBK650), geliştirilmiş yüzey özellikleri ve homojen MgO dağılımı göstererek fosfat (PO43-) ve amonyum (NH4+) için önemli ölçüde artan adsorpsiyon kapasitesi sergilemiştir. Sentetik çözelti ile yapılan deneylerde, biyokömür (BK), pH 9'da 595 mg PO43-/ g BK adsorpsiyon kapasitesine ulaşmıştır. Gerçek SFÜ kullanılarak yapılan deneylerde ise biyokömür, 502 mg PO43-/ g BC ve 150 mg NH4+/ g BC adsorpsiyon kapasitesi sağlamıştır. Mekanistik analizler, Mg-FBK650 biyokömürdeki besin maddesi gideriminin, özellikle organik madde, azot ve fosfor açısından yetersiz olan topraklarda yavaş salınımlı bir biyogübre olarak uygulanabilir olduğunu doğrulamıştır. Bu tezin bulguları, anaerobik fermente ürünün sürdürülebilir yönetimi için strüvit kristalizasyonu ve Mg ile modifiye edilmiş fungal destekli biyokömür kullanarak adsorpsiyonun önemli bir potansiyele sahip olduğunu göstermektedir. Atık materyaller ve yenilikçi geri kazanım teknolojilerinin kullanımıyla bu tez, biyogaz tesislerinde açığa çıkan fermente ürünün değerlendirmesinde döngüsel ekonomi ilkelerini ilerleterek çevresel sürdürülebilirlik ve kaynak verimliliğini teşvik etmektedir.

The management of biogas digestate, a by-product of anaerobic digestion, presents significant environmental and economic challenges. While the solid fraction of digestate (SFD) is relatively easier to process and manage, the liquid fraction (LFD) demands greater attention due to its high concentrations of essential macro- and micronutrients, which must be recovered to mitigate environmental impacts and support sustainable agricultural practices. This thesis focuses on the recovery of phosphate and ammonium from LFD through struvite crystallization and adsorption using Mg-modified biochar. The first part of the study involves calcining waste magnesite dust (WMD) to enhance its magnesium solubility for nutrient recovery. Calcination trials were conducted at temperatures ranging from 500°C to 900°C, with varying durations for each temperature to optimize Mg availability. Fluidized Bed Reactor (FBR) experiments subsequently evaluated the struvite precipitation efficiency of calcined WMD (WMD-C) against raw WMD. The highly calcined WMD-C prepared at 900°C for 0.25 hours (WMD-C900,0.25) achieved phosphorus removal of 96% in synthetic solutions and 75% in real LFD samples. Cost analysis revealed WMD calcined at 700°C for 1 hour (WMD-C700,1) as the most economically favorable, with cost reduction of 38% and 57% compared to MgO and MgCl2, respectively. The second part of the study introduces a novel magnesium-modified biochar (Mg-FBC), synthesized by immobilizing WMD within fungal biomass from Aspergillus niger. The resulting fungal based Mg-modified biochar, produced at 650°C (Mg-FBC650), exhibited enhanced surface characteristics and an even distribution of MgO, which significantly improved its adsorption capacity for phosphate (PO43-) and ammonium (NH4+). In experiments with synthetic solution, the biochar (BC) achieved 595 mg PO43-/ g BC at pH 9. In experiments with real LFD, the biochar achieved adsorption capacities of 502 mg PO43-/ g BC and 150 mg NH4+/ g BC. Mechanistic analysis confirmed that nutrient removal on Mg-FBC650 biochar holds promising potential as a slow-release bio-fertilizer, particularly for application in soils deficient in organic matter, nitrogen and phosphorus. The findings of this thesis demonstrate the substantial potential of two nutrient recovery processes, struvite crystallization and adsorption using Mg-modified fungal supported biochar, for the sustainable management of liquid fraction of anaerobic digestate. By harnessing waste materials and innovative recovery technologies, this thesis study advances circular economy principles in biogas digestate valorization, promoting environmental sustainability and resource efficiency.
Biyogaz tesislerinde açığa çıkan fermente ürünün değerlendirilmesi
Keywords: Amonyum; Atık yönetimi; Besin Maddesi Geri Kazanımı; Biochar; Biogas; Biyogaz; Biyokömür; Çevre mühendisliği; Çevre politikası; Digestate; Environmental engineering; Environmental policy; Fermente ürün; Fosfat; Fungal Biomass; Fungal Biyokütle; Magnesite; Magnesium; Magnezyum; Manyezit; Modified Fungal Biochar; Modifiye Fungal Biyokömür; Nutrient recovery; Phosphate; Struvite; Strüvit Ammonium; Waste management