Atıkların hidrotermal karbonizasyonunun araştırılması ve çevresel etkilerinin belirlenmesi = Investigation of hydrothermal carbonization of wastes and determination of environmental effects

Abstract

Bu çalışmanın ana amacı arıtılması ve bertarafı zor olan atık biyokütleden hidrotermal karbonizasyon yöntemi ile yüksek enerji içerikli yakıtlar üretilmesi ile proses esnasında oluşacak atıkların çevresel etkilerinin belirlenmesidir. Her yaşam alanında oluşan mutfak atığı, düzenli depolama alanlarının artmasına neden olan belediye katı atıkları ve arıtma tesislerinin en önemli problemlerinden olan arıtma çamurları HTK prosesi için hammadde olarak seçilmiştir. Hidrotermal karbonizasyon çalışmalarında değişen sıcaklık (180 °C, 200 °C, 220 °C, 230 °C, 240 °C, 260 °C, 280 °C, 290 °C, 300 °C), bekletme süresi (30 dk, 1, 4, 6, 8, 12, 16, 24 saat) ve atık/su (%10, %25, %30, %50, %75) oranı gibi proses parametrelerinin hidrokömür kalitesi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Elde edilen hidrokömürlerin karakteristiği incelenerek hidrotermal karbonizasyon şartlarının susuzlaştırılabilirlik, karbon içeriği ve enerji değerine katkısı araştırılmıştır. Hidrotermal karbonizasyon işlemi sırasında %70-%80 oranında CO2 içeren gaz ürünleri oluşmuştur. Sıvı üründe pH değerlerinin azaldığı, iletkenlik değerlerinin ise arttığı görülmüştür. Hidrotermal karbonizasyon proses suyu ortalama 30.000-36.000 mg/lt aralığında kimyasal oksijen ihtiyacı içermektedir. En yüksek enerji içeriği mutfak atığı ile yapılan çalışmada %75 katı oranında 24 saat ve 290 °C sıcaklıkta 31,63 ± 0,19 MJ/kg olarak bulunmuştur. Belediye katı atığında en yüksek enerji değeri %30 katı oranında 12 saat 260 °C sıcaklıkta elde edilen hidrokömürde 23,49 ± 2,01 MJ/kg olarak ölçülürken kentsel arıtma çamuru için en yüksek enerji değeri olan 20,93 ± 0,23 MJ/kg, %50 katı oranında 12 saat 220 °C sıcaklıkta oluşan hidrokömürde elde edilmiştir. Enerji değerlerindeki artışlar elementel analiz sonuçları ile desteklenmiş ve linyit kömürüne göre daha yüksek karbon içeriğine sahip hidrokarbon elde edilmiştir. Hidrotermal karbonizasyon işleminde, tüm numunelerin karbon içerikleri giriş maddesine göre artarken, aynı zamanda oksijen miktarında da azalma gözlenmiştir. Hidrotermal karbonizasyon reaksiyonu ile atıkta değişimlerin gerçekleşmesi FTIR, SEM, XRD analiz sonuçları ile örtüşmüştür. Hidrotermal karbonizasyonun çevresel etkilerinin gözden geçirilmesi ihtiyacı vurgulanarak yaşam döngüsü analizi yapılmıştır. YDA sonuçları HTK ve anaerobik çürütme proseslerinin kombinasyonunun, enerji geri kazanım potansiyelleri nedeniyle yakmaya göre daha az çevresel etkiye sahip olduğunu göstermiştir.

This study mainly aims to understand the potential of producing fuels with high energy content from waste biomass, which is difficult to treat and dispose, through a hydrothermal carbonization method and to determine the environmental impacts of its post-process products. Kitchen waste generated in every living area, municipal solid wastes that cause an increase in sanitary landfills, and sewage sludge, which is one of the most important problems of treatment plants, were chosen as feedstocks for the HTC process. The effects of process parameters such as different temperature (180 °C, 200 °C, 220 °C, 230 °C, 240 °C, 260 °C, 280 °C, 290 °C, 300 °C), holding time (30 min, 1, 4, 6, 8, 12, 16, 24 hours) and waste/water ratio (10%, 25%, 30%, 50%, 75%) on hydrochar quality were investigated. By examining the characteristics of the obtained hydrochars, the contribution of hydrothermal carbonization conditions to dewaterability, carbon content and energy value was investigated. Gas products containing 70%-80% CO2 were formed during the hydrothermal carbonization process. It was observed that the pH values of the liquid product decreased, while the conductivity values increased. Hydrothermal carbonization process water contains an average of 30,000-36,000 mg/lt of chemical oxygen demand. The highest energy content was found to be 31.63 ± 0.19 MJ/kg at 290 °C for 24 hours at a rate of 75% solid in the study conducted with kitchen waste. While the highest energy value in municipal solid waste is 23.49 ± 2.01 MJ/kg in hydrochar obtained at 260 °C for 12 hours at a rate of 30% solids, the highest energy value for urban sewage sludge is 20.93 ± 0.23 MJ/ kg, 50% solid ratio was obtained in hydrochar formed at 220 °C for 12 hours. The increases in energy values were supported by the results of elemental analysis and hydrocarbons with higher carbon content were obtained compared to lignite coal. In the hydrothermal carbonization process, while the carbon contents of all samples increased compared to the input material, it was also observed that the oxygen content decreased. The changes in the waste with the hydrothermal carbonization reaction coincide with the results of FTIR, SEM, XRD analysis. A life cycle analysis has been carried out, emphasizing the need to review the environmental impacts of hydrothermal carbonization. LCA results showed that the combination of HTC and anaerobic digestion processes have a less environmental impact than incineration due to their energy recovery potential.