High-temperature pyrolysis of sewage sludge: Synergistic effects of co-pyrolysis with rice straw and composite plastic wastes
Atık su arıtma çamurunun yüksek sıcaklık pirolizi: Çeltik sapı ve kompozit plastik atıklar ile birlikte pirolizin sinerjik etkileri
- Tez No: 991319
- Danışmanlar: PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR, PROF. DR. ALPER SARIOĞLAN
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya Mühendisliği, Çevre Mühendisliği, Enerji, Chemical Engineering, Environmental Engineering, Energy
- Anahtar Kelimeler: Alternatif enerji kaynakları, Atık arıtma, Atık su arıtma, Atık su arıtma tesisleri, Kopiroliz, Sürdürülebilir enerji, Temiz enerji, Yenilenebilir enerji, Yenilenebilir enerji kaynakları, Çamur arıtma, Alternative energy resources, Waste treatment, Waste water treatment, Waste water treatment plants, Copyrolysis, Sustainable energy, Clean energy, Renewable energy, Renewable energy resources, Sludge treatment
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Hızla artan sanayileşme ve kentleşme, büyük miktarlarda kanalizasyon çamurunun sürekli olarak üretilmesine neden olmakta; bu da çevresel problemlerle birlikte kaynak geri dönüşümü açısından önemli sorunlar ortaya çıkarmaktadır. Küresel atık su arıtma kapasiteleri nüfus artışıyla birlikte arttıkça, yıllık kanalizasyon çamuru üretiminin istikrarlı bir şekilde artması bekleniyor. Bu durum, mevcut atık yönetimi altyapıları üzerinde ek baskılar oluşturacak ve daha sürdürülebilir arıtma stratejilerinin gerekliliğini ortaya çıkaracaktır. Evsel arıtma çamuru, mikro kirleticiler, patojenler ve ağır metaller gibi organik bileşenler, besin maddeleri ve kirleticiler açısından zengindir. Arıtma çamurunun karmaşık ve heterojen yapısı, özellikle ilaçlar, endokrin bozucu bileşikler ve antibiyotik dirençli genler gibi artık büyük çevresel tehditler olarak kabul edilen yeni kirleticiler göz önüne alındığında, stabilizasyonunu ve güvenli bir şekilde bertarafını giderek daha da zorlaştırmaktadır. Denize boşaltma, depolama ve yakma, çevresel riskler oluşturan ve ekonomik olarak uygulanabilir olmayan sürdürülebilir olmayan uygulamalardır. Birçok bölgede, sıkı çevre düzenlemeleri, sınırlı arazi mevcudiyeti ve artan bertaraf maliyetleri, alternatif değerlendirme yollarının aranmasını hızlandırdı. Buna karşılık, termokimyasal dönüşüm prosesleri, özellikle piroliz, sürdürülebilir arıtma çamuru arıtımı için umut verici yöntemler olarak tanımlanmaktadır. Piroliz, oksijensiz bir ortamda organik atıkları termokimyasal olarak parçalayabilen ve sentez gazı, biyo-yağ ve biyoçar üretebilen, yenilenebilir enerji ve malzeme geri kazanımından potansiyel olarak kâr sağlayan bir işlemdir. Gazlaştırma veya hidrotermal sıvılaştırma gibi diğer termokimyasal seçeneklerle karşılaştırıldığında, piroliz, operasyonel esnekliği, daha düşük emisyonları ve hammadde bileşimindeki geniş farklılıkları idare edebilme yeteneği nedeniyle özellikle avantajlıdır. Ancak, arıtma çamuru pirolizi tek başına yüksek kül içeriği, düşük enerji verimliliği ve düşük ürün verimi gibi sorunlarla karşı karşıyadır. Arıtma çamurunun diğer atıklarla birlikte termal olarak işlenmesini içeren birlikte piroliz (ko-piroliz) prosesi, bu sınırlamalara bir çözüm olarak dikkat çekmektedir. Çamurun biyokütle veya plastik atık akışlarıyla karıştırılmasıyla, eş pirolizin uçucu madde giderme davranışını iyileştirdiği, kalorifik değeri iyileştirdiği ve aksi takdirde tek beslemeli pirolizde sınırlı olacak istenen ikincil reaksiyonları teşvik ettiği gösterilmiştir. Bu çalışmada, yüksek gaz verimi ve hidrojen üretimi amacıyla atık su arıtma çamuru (SS), çeltik sapı (RS) ve kompozit plastik atıklar (polietilen-PE ve polipropilen-PP) karışımları için ko-pirolizin sinerjik etkisi araştırılmıştır. Bu hammaddeler, birden fazla atık sorununu aynı anda çözebilecek bütünleşik bir değerlendirme yaklaşımı geliştirme amacıyla, üç ana küresel atık kategorisini (belediye, tarım ve plastik) temsil edecek şekilde seçildi. Bu bağlamda, yüksek sıcaklık piroliz teknolojisinin uygulanabilirliği, döner tipte bir kesikli reaktör ve endüstriyel açıdan uygun koşullar altında çalışan sonsuz döner vidalı tipte sürekli bir reaktörde özgün bir şekilde incelenmiş ve gerçek dünya koşullarına uygunluğu ile ölçeklenebilirliği değerlendirilmiştir. İki farklı reaktör tasarımının kullanılması, laboratuvar ölçeğindeki kontrollü koşullar ile sürekli endüstriyel işleme davranışları arasında kapsamlı bir karşılaştırma yapılmasına olanak tanıyarak, kütle transferi sınırlamaları, ısı dağılımı ve operasyonel kararlılık hakkında bilgi sağladı. Hammaddeler arasındaki sinerjik etkileri değerlendirmek ve hidrojen ile gaz üretimini en üst düzeye çıkaracak optimum karışım oranlarını belirlemek amacıyla, deneyler 850°C'de gerçekleştirilmiştir. Plastiklerden kaynaklanan uzun zincirli hidrokarbonların parçalanmasını artırmak, radikal oluşumunu teşvik etmek ve çatlama reaksiyonlarını yoğunlaştırmak amacıyla yüksek sıcaklık işlemine özellikle vurgu yapılmıştır. Yapılan deneylerde, çalışma sıcaklıklarının 850°C'ye artırılmasıyla gaz verimleri iyileştirilmiştir. Bu sıcaklık aralığının, kanalizasyon çamurundaki refrakter organik maddelerin parçalanmasını hızlandırdığı ve daha derin ikincil reaksiyonları kolaylaştırdığı, böylece yoğunlaşabilir buharların kalıcı gazlara daha verimli bir şekilde dönüştürülmesine yol açtığı görülmüştür. Sonuçlar, yalnızca atık su arıtma çamuru pirolizine kıyasla; SS, RS ve PP'in ko-pirolizinin, hammaddeler arasındaki sinerjik etkileşimler nedeniyle gaz verimlerini önemli ölçüde iyileştirdiğini ve ürün dağılımını da etkilemiş olduğunu göstermiştir. Bu sinerjik davranış, kömür oluşumunun baskılanması, uçucu maddelerin salınımının artması ve serbest radikallerin bulunabilirliğinin artması gibi daha hafif ve daha enerji yoğun gazların oluşumuna katkıda bulunan etkenlerde açıkça görüldü. Arıtma çamuru ve çeltik sapı pirolizi, bu hammaddelerin yüksek oksijen içerikleri nedeniyle CO ve CO₂ oluşumunu desteklerken, plastikler hammadde karışımlarına eklendiğinde daha fazla metan ve hafif olefin üretilmiştir. Gaz bileşimindeki bu değişim, oksijenli türlerin hidrojen çıkarma reaksiyonlarını kolaylaştırdığı, plastiklerin ise kolayca çatlayan uzun zincirli hidrokarbonlar sağladığı biyokütle ve plastiklerin tamamlayıcı ayrışma yollarını yansıtmaktadır. Bu durum, arıtma çamuru ve/veya pirinç samanının ayrışmasıyla başlangıçta oluşan ve plastiklerin uçucu maddelere karşı ayrılma reaksiyonlarını teşvik edebilecek radikallere bağlanmıştır. Özellikle, arıtma çamuru, çeltik sapı ve plastiklerin üçlü karışımı (SSPPRS - %50 SS, %25 PP, %25 RS), sürekli reaktörde %31,04 oranında H₂ içeren ve %78,85 toplam gaz verimi sağlayan bir sonuç üretmiş; bu değerler, kesikli sistemde elde edilen sonuçların üzerinde gerçekleşmiştir. Bu olağanüstü performans, aktif radikal yollarını sürdürmek için yeterli hidrojen donörü, çatlama öncüsü ve oksijenli bileşik sağlayan optimum oranın sağlandığı hammadde dengelemesinin önemini vurgulamaktadır. Buhar dealkilasyonu, buhar krakingi ve su-gaz kayması gibi ikincil reaksiyonların, pirolizin birincil ürünlerinden olan yoğunlaşabilir buharların reaktör içerisindeki yüksek sıcaklık bölgelerine aşırı maruz kalması durumunda, yüksek gaz verimlerinin ortaya çıkmasında etkili olduğu kabul edilmiştir. Sürekli sistemdeki buhar kalış süresinin uzatılması, iç termal çatlama bölgesi ile birleşince katran ve ağır hidrokarbonların ayrışmasını daha da hızlandırdı, bunun sonucunda daha temiz gaz akımları ve azaltılmış yoğunlaşabilir fraksiyonlar elde edildi. Su kaybını içeren organik bileşenlerin dehidrasyonu, reaktif bir piroliz atmosferi yaratmak için buhar sağlayabilir. Plastik bakımından zengin karışımlar, yüksek H₂ ve CH₄ konsantrasyonları sayesinde, bazı koşullarda 22 MJ/Nm³'ün üzerinde yüksek ısıl değere sahip sentez gazı üretmiştir. Ko-piroliz ayrıca biyoçarın kalitesini de artırmıştır; RS açısından zengin karışımlardan elde edilen biyoçarlar daha yüksek karbon ve sabit karbon verimine sahipken, plastik açısından zengin karışımlar malzemelerde uygulama potansiyeli olan yapısal olarak kararlı çarlar üretmiştir. Bu varyasyonlar, hammadde bileşimine bağlı olarak kömür özelliklerinin ayarlanabilirliğini vurgulayarak, adsorbanlar, toprak iyileştiriciler veya takviye edici dolgu maddeleri gibi özelleştirilmiş kömür bazlı ürünler için yollar sunar. Ayrıca, FTIR ve XRF analizleri, biyoçarların yapısal dönüşümlerini ve mineralizasyonunu ortaya koyarak, katı kalıntıların toprak iyileştirici veya çevresel iyileştirme amacıyla uygulanabilirliğini doğrulamıştır. Fonksiyonel gruplarda, inorganik fazlarda ve mineral kristalinitesinde gözlemlenen değişimler, bu kömürleşmiş atıkların çevre teknolojilerinde yeniden kullanılma potansiyelini desteklemektedir ve atıkların en aza indirilmesine ve dairesel malzeme akışlarına katkıda bulunmaktadır. GC-MS analizi, sürekli pirolizin azotlu ve aromatik bileşiklerin verimini artırdığını, kesikli pirolizin ise daha fazla oksijenat, alifatik ve fenolik ürettiğini göstermiştir. Bu kompozisyonel farklılıklar, reaktör hidrodinamiğinin buhar fazı reaksiyonları üzerindeki etkisini ortaya koymakta ve sürekli sistemlerin aromatizasyon ve deoksijenasyon yollarını daha iyi kolaylaştırdığını göstermektedir. Bu çalışmayla, sürekli piroliz sistemi, gaz verimi, enerji verimliliği, proses kararlılığı ve ürün tutarlılığı açısından kesikli reaktörlerden üstün olduğunu kanıtlamıştır. Vidalı mekanizma, büyük ölçekli dağıtım için olmazsa olmaz olan homojen ısıtmayı, gelişmiş karıştırmayı ve azaltılmış operasyonel dalgalanmaları mümkün kılmıştır. Sürekli piroliz sisteminde, sentez gazı formunda enerji geri kazanımı %80'lere kadar çıkmış ve deneysel hata payları da daha düşük bulunmuştur. Artan kalış süresi ve sürekli reaktöre entegre termal kraking ünitesinin etkisiyle ikincil reaksiyonlar daha fazla gerçekleşmiş; bu durum hem hidrojen üretimini artırmış hem de sentez gazının kalitesini iyileştirmiştir. Bu durum, özellikle hidrojen açısından zengin gaz üretimi hedeflendiğinde, termokimyasal dönüşüm süreçlerinde reaktör tasarımının temel önemini vurgulamaktadır. Ayrıca, ekonomik analizler, atıktan hidrojene dönüşüm yollarının maliyet açısından rekabetçi olduğunu ve karbon kredileri de hesaba katıldığında kg H₂ başına 2,2-3,5 Avro'ya ulaşabileceğini ve gelecekteki yenilenebilir hidrojen projeksiyonlarına uygun olduğunu göstermektedir. Sonuç olarak, bu çalışma, yüksek sıcaklık pirolizinin evsel atık su arıtma çamuru, çeltik sapı ve atık plastikler gibi farklı atık türleri için kullanılabileceğini ve ko-pirolizin atıkları hidrojene dönüştürmenin etkili bir yolu olduğunu, çevresel ve ekonomik faydalar sağladığını ve döngüsel ekonomi hedeflerini desteklediğini göstermiştir. Bu atık akışlarının tek bir termokimyasal platforma entegre edilmesi, çoklu atık değerlendirmesini başarmak, çevresel yükleri azaltmak ve yenilenebilir enerji taşıyıcıları üretmek için pratik bir strateji göstermektedir. Entegre bir termokimyasal dönüşüm sürecinde atıkların hidrojene dönüştürülmesi, bertaraf maliyetlerini düşürerek döngüsel ekonomiyi destekler ve sürdürülebilir bir şekilde üretilebilen yenilenebilir hidrojen ve katma değerli yan ürünlerin üretimi için yeni bir yol yaratır. Kesikli ve sürekli sistemlerin karşılaştırılması, endüstriyel uygulamalar açısından prosesin ölçeklendirilmesinin gerekliliğini vurgulamakta; sürekli piroliz prosesi ise üstün verimlilik ve ürün kalitesi ile öne çıkmaktadır. Genel olarak bu çalışma, yüksek sıcaklıkta eş-pirolizin kapsamlı bir değerlendirmesine katkıda bulunmakta ve atıktan hidrojene dönüşüm teknolojilerinin ticari olarak kullanıma sunulması için sağlam bir çerçeve oluşturmaktadır.
Özet (Çeviri)
Rapid industrialization and urbanization have led to the continuous generation of large amounts of sewage sludge, which in turn poses significant environmental problems and presents major challenges for resource recovery. As global wastewater treatment capacities expand with population growth, the annual production of sewage sludge is expected to rise consistently, placing additional pressures on existing waste management infrastructures and necessitating more sustainable treatment strategies. Municipal sewage sludge is rich in organic components, nutrients, and contaminants such as micropollutants, pathogens, and heavy metals. The complex and heterogeneous nature of sewage sludge makes its stabilization and safe disposal increasingly difficult, especially considering emerging contaminants such as pharmaceuticals, endocrine-disrupting compounds, and antibiotic-resistant genes, which are now recognized as major environmental threats. Dumping at sea, landfilling, and incineration are unsustainable practices that pose environmental risks and are not economically viable. In many regions, strict environmental regulations, limited land availability, and rising disposal costs have accelerated the search for alternative valorization routes. In contrast, thermochemical conversion processes are identified as promising means for sustainable sludge treatment, especially pyrolysis. Pyrolysis is a process that can thermochemically decompose organic waste in an oxygen-depleted environment and generate syngas, bio-oil and biochar, bringing potential profits from renewable energy and material recovery. Compared with other thermochemical options such as gasification or hydrothermal liquefaction, pyrolysis is particularly advantageous due to its operational flexibility, lower emissions, and ability to handle wide variations in feedstock composition. However, sewage sludge pyrolysis alone is faced with problems such as high ash content, low energy efficiency, and poor product yields. Co-pyrolysis, which involves thermally treating sewage sludge alongside other wastes, has garnered attention as a solution to these limitations. By blending sludge with biomass or plastic waste streams, co-pyrolysis has been shown to enhance devolatilization behavior, improve calorific value, and promote desirable secondary reactions that would otherwise be limited in single-feed pyrolysis. In this study, the synergistic effect of co-pyrolysis for the mixtures of sewage sludge (SS), rice straw (RS) and composite plastic wastes (PE&PP) has been investigated with the aim of high gas yields and hydrogen generation. These feedstocks were selected to represent three major global waste categories; municipal, agricultural, and plastic with the intention of developing an integrated valorization approach that can address multiple waste challenges simultaneously. In this context, the applicability of high-temperature pyrolysis technology was uniquely explored at both a rotary-type batch reactor and a rotating screw-type pilot-scale continuous reactor operating under the industrially relevant conditions to assess real-world applicability and scalability. Using two distinct reactor designs allowed for a comprehensive comparison between laboratory-scale controlled conditions and continuous industrial processing behavior, providing insights into mass transfer limitations, heat distribution, and operational stability. Experiments were conducted at 850°C to determine optimum mixture ratios for maximizing hydrogen and gas production while evaluating synergetic effects among the feedstocks. High-temperature operation was particularly emphasized in order to intensify cracking reactions, promote radical formation, and enhance the decomposition of long-chain hydrocarbons originating from plastics. In the experiments, gas yields were improved by increasing the operating temperatures up to 850°C. This temperature range was found to accelerate the breakdown of refractory organic matter in sewage sludge and facilitate deeper secondary reactions, leading to more efficient conversion of condensable vapors into permanent gases. The results demonstrated that co-pyrolysis of SS, RS, and PP significantly improved gas yields and altered product distribution due to synergistic interactions between feedstocks compared to sewage sludge pyrolysis alone. Such synergistic behavior was evident in the suppression of char formation, enhanced release of volatiles, and increased free radical availability, all of which contributed to the formation of lighter and more energy-dense gases. While the pyrolysis of sewage sludge and rice straw favored CO and CO₂ formation due to the high oxygen contents of these feedstocks, more methane and light olefins were produced when the plastics were added to the feedstock blends. This shift in gas composition reflects the complementary decomposition pathways of biomass and plastics, where oxygenated species facilitate hydrogen abstraction reactions, while plastics supply long-chain hydrocarbons that readily undergo cracking. This was ascribed to the initially generated radicals from the decomposition of sewage sludge and/or rice straw that might promote the scission reactions of plastics towards volatiles. Particularly, ternary mixtures of sewage sludge, rice straw, and plastics—SSPPRS (50% SS, 25% RS, 25% PP)—produced 78.85% of gas yield with its H₂ portion of 31.04% with the continuous reactor, surpassing batch system results. This outstanding performance underscores the importance of feedstock balancing, where the optimal ratio provides sufficient hydrogen donors, cracking precursors, and oxygenated compounds to sustain active radical pathways. Secondary reactions such as steam de-alkylation, steam cracking, water gas shift and so on were regarded as being responsible for the high gas yields when the primary products of pyrolysis, i.e., condensable vapors, were much exposed to the hot zones inside the reactor. The extended vapor residence time in the continuous system, combined with its internal thermal cracking zone, further promoted the decomposition of tars and heavy hydrocarbons, resulting in cleaner gas streams and reduced condensable fractions. The dehydration of organic components involving the loss of water may supply steam to create a reactive pyrolysis atmosphere. The high H₂ and CH₄ concentration in plastic-rich blends generated high heating value syngas, which was more than 22 MJ/Nm³ in some cases. Co-pyrolysis also enhanced the quality of biochar; RS-rich blend-derived biochar had better carbon and fixed carbon yield, while plastic-rich blends generated structurally stable chars with application potential in materials. These variations highlight the tunability of char characteristics depending on feedstock composition, offering pathways for customized char-based products such as adsorbents, soil amendments, or reinforcing fillers. Additionally, FTIR and XRF determination confirmed the structural transformations of biochars and mineralization as an indication of the applicability of the solid residues as a soil amendment or environmental remediation. The observed changes in functional groups, inorganic phases, and mineral crystallinity further support the potential reuse of these chars in environmental technologies, contributing to waste minimization and circular material flows. GC-MS analysis demonstrated that continuous pyrolysis favored the yield of nitrogenous and aromatic compounds, while batch pyrolysis produced more oxygenates, aliphatics, and phenolics. These compositional distinctions reveal the influence of reactor hydrodynamics on vapor-phase reactions, suggesting that continuous systems better facilitate aromatization and deoxygenation pathways. In this study, the continuous pyrolysis system proved to be superior to batch reactors in terms of gas yield, energy efficiency, process stability and product consistency. The screw-driven mechanism enabled uniform heating, improved mixing, and reduced operational fluctuations, all of which are essential for large-scale deployment. Energy recovery in the form of syngas was up to 80% in continuous operation, and the experimental error margins were found to be lower. Secondary reactions were also favored with increased residence time and with the combined thermal cracking unit of the continuous reactor, yielding more hydrogen and improving gas quality. This highlights the fundamental importance of reactor design in thermochemical conversion processes, particularly when aiming for hydrogen-rich gas production. Furthermore, economic analyses suggest that waste-to-hydrogen pathways are cost-competitive, achieving €2.2–3.5 per kg H₂ when carbon credits are included, in line with future renewable-hydrogen projections. In conclusion, the study showed that high-temperature pyrolysis can be used for different types of wastes like sewage sludge, rice straw, and waste plastics, and it proves that co-pyrolysis is an effective way to turn waste into hydrogen, which offers environmental and economic benefits and supports circular economy goals. The integration of these waste streams into a single thermochemical platform demonstrates a practical strategy for achieving multi-waste valorization, reducing environmental burdens, and producing renewable energy carriers. Conversion of wastes to hydrogen in an integrated thermochemical conversion process fosters the circular economy by putting the disposal costs down and creates a new route for generation of renewable hydrogen and value-added by-products that can be sustainably produced. The comparison between batch and continuous systems underscores the necessity of process scale-up for industrial applications, with continuous pyrolysis offering superior efficiency and product quality. Overall, this work contributes a comprehensive assessment of high-temperature co-pyrolysis and establishes a robust framework for advancing waste-to-hydrogen technologies toward commercial deployment.
Benzer Tezler
- Katı yakıtların yanma reaktivitesinin farklı yaklaşımlarla incelenmesi
Investigation of combustion reactivity of solid fuels with different approaches
BUSE BİLKİÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SERDAR YAMAN
- Yüksek basınçlı termal gravimetrik analiz ile biyokütle, atıksu arıtma çamuru, plastik ve karışımların piroliz kinetiği ve gazlaştırma reaktivitesinin araştırılması
Investigaton of pyrolysis kinetics and gasification reactivity of biomass, sewage sludge, plastic and mixtures by high pressure thermal gravimetric analysis
HİLAL YAZICI
Yüksek Lisans
Türkçe
2026
Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALPER SARIOĞLAN
- İzmir'de bazı yolların kapatılarak yaya bölgeleri oluşturma da kent peyzajını geliştirme açısından yeniden planlanması üzerinde araştırmalar
Başlık çevirisi yok
BAHAR TÜRKYILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Şehircilik ve Bölge PlanlamaEge ÜniversitesiŞehir ve Bölge Planlama Ana Bilim Dalı