Arıtma çamurlarının tarımsal amaçlı kullanıma yönelik biyokül ile stabilizasyonu ve gübre içeriğinin zenginleştirilmesi
Stabilization of sewage sludge with biomass for agricultural use and enrichment of fertilizer content
- Tez No: 1017663
- Danışmanlar: PROF. DR. SAİM ÖZDEMİR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Arıtma çamuru, Sürdürülebilir çevre, Treatment sludge, Sustainable environment
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Sakarya Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Nüfus artışıyla miktarı hızla çoğalan arıtma çamurları; zengin besin (N, P, K) ve organik madde içeriği sayesinde tarım için değerli bir toprak düzenleyicidir, ancak içerdiği patojenler ve ağır metal riskleri nedeniyle dikkatle yönetilmesi gerekir. Öte yandan, biyokütle yakma tesislerinden açığa çıkan küller de yararlı gübre elementleri barındırmasına rağmen, aşırı yüksek pH değeri (pH ≥ 13) ve kilitli mineral yapısı yüzünden doğrudan gübre olarak kullanılamaz. Özetle; çevresel ve ekonomik sürdürülebilirliğin sağlanması adına, bu iki atığın içerdikleri besin maddelerinin bitkilerin doğrudan faydalanabileceği biyo-yararlı formlara dönüştürülerek güvenli bir şekilde tarıma kazandırılması zorunludur. Bu çalışma, biyokütle külünün güçlü alkali (yüksek pH) yapısından faydalanarak atık su çamurundaki hastalık yapıcı mikroorganizmaları bertaraf etmeyi ve çamurun zengin organik dokusu ile mikrobiyal çeşitliliğini kullanarak küldeki temel bitki besin elementlerini sinerjik bir uyumla bitkilerin alabileceği forma dönüştürmeyi hedeflemektedir. Temeldeki asıl gaye, ortaya çıkan bu yenilikçi karışımı yalnızca bir atık yönetimi olarak görmek yerine; hem asidik karakterli toprakları ıslah eden doğal bir düzenleyiciye hem de tarımsal verimliliği artıracak zengin bir gübre kaynağına dönüştürmektir. Bu araştırmada, arıtma çamurundaki patojenik Escherichia coli ve termotoleran koliformları etkisiz kılmak için sisteme artan dozlarda (T1: %20, T2: %30, T3: %50, T4: %75 ve T5: %90) biyokütle külü entegre edilmiş ve sonuçlar biyokütle külü uygulanmamış kontrol grubuyla (T0) karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. İlaveten, geliştirilen bu karışımın fındık gibi çok yıllık tarımsal alanlarda nihai bir toprak iyileştirici olarak potansiyelini değerlendirmek üzere, %7 NPK içeren T2: %30 dozunun asidik topraklara uygulandığı bir saksı deneyi kurgulandı; toprağın pH dengesi ile bitki tarafından alınabilir besin maddesi kapasitesi incelendi. Bu çalışma, Sakarya Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü bünyesinde, yerel kaynaklı atıkların stabilize edilerek yeniden kullanım potansiyellerinin belirlenmesi amacıyla gerçekleştirilmiştir. Araştırmada ana materyal olarak Sakarya ili Karaman Atıksu Arıtma Tesisi'nden temin edilen, %80 nem içeriğine sahip susuzlaştırılmış arıtma çamuru kullanılmıştır. Stabilizasyon maddesi olarak ise bölgedeki bir biyokütle enerji santralinden elde edilen, ağırlıklı olarak kümes hayvanı gübresi yakımı sonucu oluşan ve başlangıç pH değeri 13,5 olan biyokütle külü tercih edilmiştir. Avrupa Atık Listesi'ne göre (100101 ve 100103 kodları) tehlikeli olmayan atık sınıfında yer alan bu külün, yüksek alkali özelliği ile çamurdaki patojenleri gidermedeki etkinliği test edilmiştir. Deneysel süreçte, pH değerini 12 seviyesine ulaştırmak ve stabilize etmek amacıyla 100 g çamur numunelerine farklı ağırlık oranlarında (%0, 20, 30, 50, 75 ve 90 m/m) kül ilave edilmiştir. Her bir karışım oranı üçer kez tekrarlanmış ve ABD EPA standartları uyarınca“B Sınıfı Biyokatı”kriterlerine uyumun kontrolü için 48 saatlik pH izlemesi gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonucunda, mikrobiyolojik yoğunluğun 2.000.000 MPN/g sınırının altına çekilerek, arıtma çamurunun güvenli bir toprak düzenleyici veya atık ürün formuna dönüştürülmesi hedeflenmiştir. Sisteme ilave edilen biyokütle külü miktarı arttıkça, karışımın pH değerinde istatistiksel olarak anlamlı bir yükseliş gözlemlenmiştir. Bu bağlamda, yalnızca yüksek dozlu T4 ve T5 uygulamalarının iki saatlik süre zarfında pH 11 ve üzeri değerlere ulaşabildiği tespit edilmiştir. Kül ilavesi ortamdaki mikrobiyal popülasyonu radikal biçimde düşürürken; özellikle E. coli artan alkaliniteye karşı şiddetli bir duyarlılık sergileyerek 1 log CFU/g seviyesinin altına inmiş, fakat tamamen yok edilememiştir. Aynı durum termotoleran koliform bakteriler için de geçerli olmuş; bu patojenler hızla inaktive edilmelerine rağmen tespit edilebilirlik sınırının altına düşürülememiştir. Elde edilen veriler; biyokütle külü ve arıtma çamuru karışımından oluşan biyokatı karışımının asidik toprakları nötr pH seviyelerine taşıdığı, toprağın killi yapısını killi-tınlı bir dokuya dönüştürdüğü ve organik madde miktarını zenginleştirdiği yönündeki hipotezimizi güçlü biçimde doğrulamaktadır. Karışımın bünyesindeki K, Ca ve Mg oksitleri ile karbonat ve hidroksit formundaki aktif bazik bileşenlerin yarattığı kireçleme etkisi sayesinde, toprağın pH değeri sırasıyla 1,23, 2,00 ve 2,41 birimlik artışlar kaydetmiştir. Bu uygulama, asidik topraklarda bulunan toplam ve çözünebilir bazik katyonların dengesini ideal bir yapıya kavuşturmuştur. Son olarak, biyokatı ilavesi sayesinde asidik topraklardaki potasyum, fosfor, magnezyum, çinko ve bakır gibi bitkilerce doğrudan alınabilen makro ve mikro besin elementlerinin konsantrasyonları yeterli ve verimli seviyelere ulaşmıştır. Biyokütle külü ilavesiyle ulaşılan yüksek pH seviyeleri, indikatör bakteri popülasyonlarını yasal olarak kabul edilebilir eşiklere çekmede başarılı olmuş; bu sayede biyokatıların tarımsal kullanımına yönelik patojen standartları tam anlamıyla karşılanmıştır. Geliştirilen biyokütle külü ve arıtma çamuru kombinasyonu, asidik karakterli toprakların ıslahında çok boyutlu bir iyileştirici madde olarak öne çıkmaktadır. Özellikle külün sahip olduğu güçlü aktif alkalinite, karışıma üstün bir kireçleme kapasitesi kazandırmıştır. Bunun yanı sıra, hazırlanan bu karışım asidik topraklardaki bazik katyonların hem toprağa tedarik edilmesi hem de toprakta tutunması süreçlerini optimize ederek kritik bir görev üstlenmiştir. Ayrıca araştırma kapsamında incelenen kontrol toprağının makro besin maddesi (N, P, K) düzeylerinin, bitki besleme önerileri için belirlenen alt sınırın altında ve yetersiz düzeyde olduğu tespit edilmiştir. Deney öncesi analizlerde topraktaki çözünür konsantrasyonu 18,62 mg/kg olarak ölçülmüş, bu değerin tarımsal verimlilik açısından yetersizlik aralığında yer aldığı görülmüştür. Buna karşın, toprağa uygulanan biyokatı atık ilavesinin çözünür fosfor içeriği üzerinde istatistiksel olarak çok önemli () artışlar sağladığı belirlenmiştir. Kontrol grubuyla kıyaslandığında konsantrasyonları sırasıyla; T1 uygulamasında 37,56 mg/kg, T2 uygulamasında 71,96 mg/kg ve T3 uygulamasında 79,28 mg/kg seviyelerine yükselmiştir. Elde edilen tüm değerler arasında istatistiksel olarak anlamlı farklar gözlemlenmiş; özellikle T2 ve T3 dozlarının toprağı“yeterli”besin aralığına taşıdığı saptanmıştır. Bu sonuçlar; biyokütle külü ve biyokatı kombinasyonunun, toprak makro besin elementlerini iyileştirme, kimyasal kısıtlamaları minimize etme ve besin profili avantajlarını maksimize etme noktasındaki kritik potansiyelini ortaya koymaktadır. Bu çalışma, atık çamur örneklerinin besin içeriğinin ve gübreleme potansiyelinin biyokütle külü ilavesiyle artırılabileceğini göstermiştir. Ayrıca, çeşitli yeniden kullanım uygulamaları için atık çamurun doğru şekilde karakterize edilmesi için patojenlerin ve gösterge mikroorganizmaların ortadan kaldırılması çok önemlidir. Değişen dozlarda alkali biyokütle külü ilavesi, pH'da 8 ila 12 arasında bir artışa neden olmuştur. pH'daki bu artış, E. coli ve termotoleran fekal koliformlarda 3 log azalmaya katkıda bulunmuş ve kalan gösterge mikroorganizmalar, ABD Çevre Koruma Ajansı (USEPA) tarafından arazi uygulaması için belirlenen B Sınıfı standartlarını karşılamıştır. Sonuç olarak, alkali biyokütle külü ile işlem, çamurun pH'ını yükseltmekle kalmamış, aynı zamanda muhtemelen artan pH'ın gösterge mikroorganizmalar üzerindeki zararlı etkisi nedeniyle patojenleri de baskılamıştır. Hem atık çamurunda hem de odun külünde besin maddelerinin bulunması nedeniyle, elde edilen karışım tarımda kullanılabilir.
Özet (Çeviri)
Sewage sludge (SS) refers to the solid residue produced during the treatment of municipal wastewater. In recent years, urbanization and the establishment of new wastewater treatment facilities have significantly enhanced wastewater treatment capacity. This advancement has correspondingly led to a notable increase in SS production on global and regional levels. According to the most recent statistics, annual SS production in Sakarya is projected to reach 40,186 tons by 2024. Presently, there is no established method for recycling this substantial amount of SS, with storage basins and landfill disposal being the primary approach. While EU regulations permit the application of SS to soil mainly for rehabilitation purposes, it is important to note that SS may contain heavy metals, pathogens, and toxic chemicals, which, if mismanaged, can pose significant environmental and public health risks. In recent years, there has been a growing interest in the utilization of biomass, particularly regarding its combustion characteristics that enable CO2-neutral emissions. However, a significant concern arising from the expanding biomass industry is the increasing production of biomass ash. This fine, alkaline powder contains essential plant nutrients, including potassium (3.0–49.2 wt%), calcium (1.6–34.8 wt%), and phosphorus (0.4–26.4 wt%), along with various micronutrients that are absorbed by the biomass during its growth phase, with the exception of nitrogen. Given the tendency of soils to become depleted of organic matter and essential nutrients, a major challenge lies in repurposing the organic-rich biowastes and biomass ashes generated from the combustion of agricultural waste into effective fertilizers for land application. The relatively high concentrations of plant nutrients found in biomass ash and its elevated pH indicate its potential as a valuable additive for stabilizing sewage sludge and enhancing the bioavailability of nutrients for agricultural applications. This research investigates the potential of using the high pH properties of biomass ash (BA) to eliminate pathogens in sewage sludge (SS) and to synergistically solubilize key plant nutrients contained in the biomass ash by leveraging the organic matter and microbial biodiversity inherent in SS. Ultimately, the objective is to convert this treated material into a resource that not only ameliorates acidified soil conditions but also supplies essential nutrients for agricultural fertilization. To inactivate Escherichia coli and thermotolerant coliforms in SS, five doses of BA were applied: 20% (T1), 30% (T2), 50% (T3), 75% (T4), and 90% (T5), and these were compared to a control treatment with no BA (T0). Additionally, a pot experiment was conducted by mixing acidic soils with T2 containing 7% NPK, and soil pH and soluble plant nutrients were determined for consideration as a final product amendment in perennial fruit plantations (hazelnut). The experiments were conducted at the Department of Environmental Engineering, Sakarya University, Sakarya Turkey. Dewatered sewage sludge at moisture content of 80% collected from a local municipal wastewater treatment plant Karaman, Sakarya Province, Turkey. The biomass ash, on the other hand, was collected from biomass power plant fly ash mainly combusting poultry litter in the Sakarya province, with an initial pH of 13.5. Ashes generated from biomass combustion are classified as a solid waste according to the European List of Wastes (EC, 2000) codes 100101 and 100103 for and is classed as an absolute non-hazardous code. To determine the dosage of alkaline additives to be added to the SS in order to reach an initial pH of 12, a preliminary experiment was conducted using a 100 g SS sample in a plastic beaker of 500 ml volume in triplicate at different proportions (0, 20, 30, 50, 75 and 90 % (m/m)). The pH of the treatments was monitored over a period of 48 hours in order to obtain B class biosolid meeting the US EPA standards. Class B biosolids are defined as treated sludge that meet a microbiological limit of 2,000,000 MPN/g. The biomass ash mixed sewage sludge (BS) at T3 level (containing 8.3% NPK) were applied at a rate of 20 g DM (dry mass) kg−1 soil, equivalent to 40 Mg ha−1 (recommend level based on soil analysis) (T1), 25 g DM kg−1 soil equivalent to 50 Mg ha−1 (T2) and 30 g DM kg−1 soil, equivalent to 60 Mg ha−1 assuming field bulk density of 1.33 g cm−3 and a 15-cm incorporation depth at field. The BS dosage was chosen based on the provincial manure application recommendation, soil test reference, and the annual nutrient-providing capacity of BS (Ozdemir et al., 2029). Portions of 10 kg of each air-dried soil + BS treatment were mixed homogeneously with each amendment and placed into 24-cm-diameter, 24-cm-high pots. Additionally, a non-BS-amended control soil (T0) was used for comparison. A complete randomized block design was composed of four BS treatments, each with four replicates. Hazelnut bare-root nurseries were used as test plants because of their high acreage in the test soil in the region. This design resulted in a total of 16 pots (4 treatments × 4 replicates. The pots were planted with 1 individual rooted hazelnut seedling in each pot on April 15, 2005. The plants were cultivated under open-air conditions in Sakarya, Turkey, following standard agricultural practices. The pots were watered daily with rooftop-collected rainwater to maintain soil moisture levels between 60–70% of the maximum water-holding capacity. After the 7-month vegetation period (November 15, 2025), soil samples were collected from the pots, air-dried, passed through a 2-mm sieve, and analysed for pH, electrical conductivity (EC), OM, and DTPA-extractable Cu and Zn, as previously described. Increasing doses of biomass ash significantly increased the mixture's pH. Notably, only the T4 and T5 treatments reached a pH ≥ 11 within 2 hours. The incorporation of biomass ash led to a marked reduction in microbial counts. E. coli exhibited high sensitivity to the elevated pH, with levels reduced to below 1 log CFU/g, although not to undetectable levels. Similarly, thermotolerant coliforms were quickly inactivated but were not reduced below the detection threshold. The findings corroborated our hypothesis that, compared with the control, the combined application of a biomass ash biosolid mixture significantly elevated soil pH to a neutral level, improved soil texture from clay to clay-loam, and increased soil organic matter. BS increased soil pH by 1.23, 2.00, and 2.41 units due to the presence of active alkalis, such as carbonates, hydroxides, oxides of K, Ca, and Mg present in the biosolid biomass ash mixture that contributed to the liming efficacy of biomass ash. The ratio between total and soluble basic cations in acidic soils was also favorably optimized by BS. Additionally, BS significantly increased the plant-available macro- and micro-nutrients, such as K, P, Mg, Zn, and Cu, in acidic soils to sufficient levels. The pH conditions provided by biomass ash were adequate to lower bacterial indicator levels to acceptable limits, thereby complying with pathogen regulation standards of biosolid. Biomass ash sewage sludge mixture showed multi-functions of ameliorating acidic soils. BA presented the greatest liming efficacy due to its highest active alkalinity. BA, SS mixture played an important role in adjusting the supply and retention of basic cations in acidic soils. This study demonstrated that the nutrient content and fertilizing potential of sewage sludge samples can be enhanced by incorporating biomass ash. Additionally, it is crucial to eliminate pathogens and indicator microorganisms to properly characterize sewage sludge for various reuse applications. The addition of alkaline biomass ash at varying doses resulted in a pH increase, ranging from 8 to 12. This rise in pH contributed to a 3-log reduction in E. coli and thermotolerant faecal coliforms, with the remaining indicator microorganisms meeting the Class B standards set by the USEPA for land application. Consequently, the treatment with alkaline biomass ash not only elevated the pH of the sludge but also suppressed pathogens, likely due to the detrimental impact of increased pH on the indicator microorganisms. Due to the presence of nutrients both in sewage sludge and wood ash, the obtained mixture might be used in agriculture.
Benzer Tezler
- Katı yakıtların akışkan yatakta yakılması ve katı miktarının yatak yüksekliğine etkisi
Combustion of solid fuels in the fkuidized beds and the effects of solid quantity to the height of bed
KAMİL BEKİR KOÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
1987
Makine MühendisliğiGazi ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. ALİ YÜCEL UYAREL
- Toraks ölçümleri ve solunum fonksiyonlarının antrenmanlarla değişimi
Başlık çevirisi yok
ERDOĞAN LİMAN
- Üzüm sularının pastörizasyonu ve kontsantresi sırasında hidroksimetilfurfural oluşumu üzerinde bir araştırma
Başlık çevirisi yok
ŞERİFE ŞAHİN
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Gıda MühendisliğiEge ÜniversitesiTarım Ürünleri Teknolojisi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYDIN URAL
- Tekstil boyamacılığında atık flottede boyama imkanları üzerine araştırma
Başlık çevirisi yok
MEHMET YAKARTEPE
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Tekstil ve Tekstil MühendisliğiEge ÜniversitesiTekstil Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. KERİM DURAN