Biyokütle santrali külü bitki besin elementlerinin geri kazanımı ve gübre kaynağı olarak kullanımı
Recovery of plant nutritional elements and usage as a fertilizer source from fly ash composed of biomass plant
Yazar: GÜLDANE ASLI TURP
Danışman: PROF. DR. SAİM ÖZDEMİR
Sakarya Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Son yıllarda biyoatıkları yönetmek için yaygın olarak kullanılan biyokütle yakma tesisleri  bitki besin elementi açısından zengin biyokütle külü (BK) üretmekte, ancak BK'nın tarımsal olarak faydalı kullanımı son derece sınırlıdır. Biyokütle külünün en belirgin parametresi pH (13.04) değerinin yüksek olmasıdır. Biyokütle külü için iletkenlik değerleri 27,43 mS cm-1 aralığında kaydedilmiştir. Uçucu külde yanmamış karbon miktarı düşük ve yaklaşık %1.98 değerinde tespit edilmiştir. Endüktif Eşleşmiş Plazma Optik Emisyon Spektrometresi (ICP-OES) sonuçları, BK'nın temel bileşiminin yüksek konsantrasyonlarda potasyum, fosfor ve kalsiyum içerdiğini, ancak silika, alüminyum ve demir oksitler gibi toprak elementlerinin içeriğinin nispeten düşük olduğunu göstermiştir. Bu çalışmada tespit edilen bitki besin elementlerinden özellikle P ve K yüksek bulunmuştur. Çalışmada kullanılan kül, biyokütle ham maddesi içinde % 80 tavuk altlığı kullanılan örneklerden alınmıştır. BK'daki kümes hayvanı altlığından kaynaklanan fosfor ve diğer makro/mikro besinler, bu atığı biyo-gübreler için değerli bir ham madde kaynağı haline getirmiştir. Bu açıdan, tarımsal-endüstriyel artıklar tarafından üretilen BK, yararlı bir bitki besin kaynağı olarak kabul edilebilir fosfor bileşiklerinin çözündürülmesi için, bir dizi kimyasal reaksiyon ve biyolojik etkileşim yoluyla fosforu biyolojik olarak kullanılabilir formlara dönüştüren süreçler olarak tanımlanabilecek çeşitli teknolojiler geliştirilmiştir. 
Sürdürülebilir atık yönetimi ve besin elementlerinin bitkisel üretim döngüsüne tekrar dahil edilebilmesi için çevre dostu atık yönetimi sağlayan vermikompostlama yöntemi ile BK elementlerinin bitki alımına uygun hale getirilmesi amaçlanmıştır. BK, tavuk altlığı, orman ve tarımsal hasat artıklarını yakan biyokütle enerji santralinden temin edilmiş ve nihai azot (N), fosfor (P) ve potasyum (K) içeriklerini elde etmek için, %0.0 (T0), %3.5 (T1), %7.0 (T2) ve %10 (T3) oranında sığır gübresine karıştırılmıştır.  Başlangıçta, karışımlar kokulu gazları uzaklaştırmak için 3 hafta boyunca aerobik olarak kompostlanmıştır ve ardından 60 gün boyunca vermikompostlamaya tabi tutulmuştur. Ardışık fosfor ekstraksiyon sonuçları, vermikompostlamanın toplam fosfor (TP) ve Olsen-P çözünürlüğünü BK dozlarına bağlı olarak sırasıyla %69-%79 ve %5-%8 oranında önemli ölçüde iyileştirdiğini göstermiştir. Biyokülün yüksek pH seviyesi, test edilen tüm BK vermikompost numunelerinde, vermikompostlamadan sonra nötr aralık seviyesine gelmiştir. Vermikompost numunelerinin nihai besin bileşimi, T0 için "N 1.31, P 0.53, K %0.90" (toplam %2.74), T1 için "N 1.02, P 0.63, K %1.90" (toplam %3.55), T2 için "N 0.8, P 1.78, K %3.86" (toplam %7.16) ve T3 için "N 0.84, P 2.64, K %6.32" (toplam %9.94) olmuştur. 
İncelenen bütün BK vermikompost örneklerinde, tespit edilen maksimum P fraksiyonları, sırasıyla, zayıf asitte çözünür Fe- ve Al-bağlı P olmuş, ardından çözünmeyen artık fraksiyon, alkalide çözünür ve Olsen fosfor fraksiyonları gelmiştir. Diğer yandan, BK uygulamalarında toplam fosfor (TP) içeriği %1.41 ile %1.77 arasında değişirken kontrol (T0) için %0.63 olmuştur.
Sonuçlar, BK karışımlarının kompost sıcaklıklarını artırdığını ve vermikompostlama aşamasında başarılı bir solucan aktivitesine izin verdiğini göstermiştir. Tüm solucan gübresi örneklerinde indikatör enzim aktiviteleri sırası ile; üreaz > β-glukosidaz > alkalin fosfataz > asit fosfataz > arilsülfataz şeklindedir. Fosfat çözücü mikroorganizmalar, fosfataz enzimlerini ve enzim aktivatörlerini, düşük moleküler ağırlıklı organik asitleri ve hümik asitleri bir arada kullanarak bitki nutrientlerini çözüp, biyoyararlı forma dönüştürmüştür. Biyokül oranının artması ile fosfataz aktivitesi azalma eğilimi göstermiştir. Bunun yanısıra tüm numunelerde üreaz enzim aktivitesinin diğer enzim aktivitelerine kıyasla yüksek olmasının sebebinin termofilik faz aşamasının mikrobiyal popülasyonda hızlı bir çoğalma göstermesine bağlanmıştır. Yüksek BK solucan gübresi işlemlerinde hem β-glukosidaz hem de üreazın spesifik aktivitelerindeki azalma, BK'nın büyük ölçüde organik karbon ve nitrojenden yoksun olduğundan bu işlemlerin düşük organik madde ve nitrojen katkısı ile açıklanmıştır. Tüm enzimatik aktivitelerin biyokül oranının artışına bağlı olarak azalması mevcut substrat oranının azalması ve biyokülün en önemli özelliği pH değerinin alkali etkisinin sebep olabileceği öne sürülmüştür.  
Sığır gübresi ve BK kullanılarak hazırlanan vermikompost örneklerinin metagenomik analiz sonuçlarına göre,Proteobakteriler (K-%23.77, T0-%18.44, T1-%24.34, T2-%23.5, T3-%27.4) Bakteriyoidler (K-%30.5, T0-%15.7, T1-%29, T2-%11.49, T3-%13.94) ve Planctomycetota (K-%9.44, T0-%15.32, T1-%12.5, T2-%20.3, T3-%19.85) tüm örneklerde baskın bakteri filumu olarak belirlenmiştir.
Vermikompost numunelerinde enzim aktiviteleri ile mikrobiyal çeşitlilik arasında gerçekleştirilen Çoklu Lineer Regrasyon (ÇLR) hesaplamalırında yüksek korelasyonlar gözlenmiştir. T0, T1, T2 ve T3 için enzim aktiviteleri ile bakteri popülasyonu arasındaki çoklu lineer regresyon R2 değerleri, sırasıyla 0.90, 0.65, 0.73 ve 0.90 olarak hesaplanmıştır. Besin elementi çözünürlüğü için Flavobacteriales, Burkholderiales, Saccharimonadales ve Pseudomonadales'in enzim aktiviteleri üzerindeki uyarıcı etkisi önemli ve pozitif bulunmuştur. Solucan gübrelerindeki enzim aktivitesinin bakteri popülasyonu ile ilişkili olduğu bakteri filumunun asit fosfataz, alkalin fosfataz, arilsülfataz, β-glukosidaz ve üreaz aktivitelerini önemli ölçüde desteklediği görülmüştür. Tüm numunelerde üreaz enzim aktivitesi en yüksek aktivite değerlerini göstermiştir. Üreaz enzimi karmaşık organik azotlu maddenin daha basit formlara dönüştürülmesinde önemli bir rol oynamıştır. Bitki gelişiminde olmazsa olmaz organik içeriklerden biri olan organik azot formlarının üre formuna dönüşümünde etkili olan hidrolitik enzimler üreten Cytophagales popülasyonu T0, T1, T2 ve T3 oranları sırasıyla %8.44, %6.14, %5.97, %8.09' dur.
Bitki besin elementince zengin solucan kompostlarının bitki büyüme ve gelişmesine etkisi fasulye (Phaseolus vulgaris L.) bitkisinde denenmiştir. BK ile nutrient içeriği zenginleştirilmiş vermikompost örneklerinin potansiyel gübreleme etkinliği, fasulye bitkisi üzerinde yapılan, bitki yetiştirmeye uygunluk parametreleri; klorofil içeriği, kök nodülasyonu ve leghemoglobin analizleri ile yaprak nutrient analizleri kullanılarak değerlendirilmiştir. Fasulye bitkisi, topraktan fosfor alımı ve özellikle fosfor gübresine karşı hassas olduğu ve bu bitkide fosfor en sınırlayıcı besin maddesi olarak rapor edildiğinden, model ürün olarak seçilmiştir. Sonuçlar, BK içeren vermikompostun bitkilerinin büyümesini destekleyebileceğini, yapraklardaki klorofil içeriğini artırabileceğini ve biyolojik nitrojen fiksasyonunun aktivasyonuna yardımcı olan leghemoglobin sentezini önemli ölçüde artırdığını (p < 0.05) göstermiştir. Sonuç olarak, BK'nın biyo-atıkla solucan gübresi haline getirilmesinin, besin elementi çözünürlüğünü iyileştirebileceğini ve zenginleştirilmiş solucan gübresinin yavaş salınımlı gübre üretimi için sürdürülebilir biyo-temelli bir teknoloji olabileceğini göstermiştir. Üretilen vermikompost bitki büyüme ve gelişiminin pozitif etkilemiş, böylece besin elementi döngüsünü kapatmak için geri dönüşüm kapasitesini artırabileceğini açıkça göstermiştir.

Abstract:
Biomass incineration plants, which have been widely used in recent years to manage crop and forest residue biowaste, produce nutrient-rich biomass ash (BA), but its agricultural use has been limited. Biomass has a high pH (13.04) monitoring feature, the most prominent parameter of its ash. The conductivity values for the biocule are also 27.43 mS cm-1 in diameter. The amount of unburned carbon in the fly ash was found to be low and at a value of approximately 1.98%. This proves that the combustion has taken place completely. The Inductively Coupled Plasma Optical Emission Spectrometer (ICP-OES) results showed that the basic composition of BA includes high concentrations of potassium, phosphorus and calcium, but the content of earth elements such as silica, aluminum and iron oxides is relatively low. Among the plant nutrients determined in this study, especially P and K were found to be high. The ash used in the study was taken from the samples using 80% chicken litter in the biomass raw material. Phosphorus and other macro/micronutrients from poultry litter in the UK make this waste a valuable raw material source for biofertilizers. In this respect, BA produced by agro-industrial residues can be considered as a useful plant food source. Various technologies have been developed for the solubilization of phosphorus compounds, which can be defined as processes that convert phosphorus into bioavailable forms through a series of chemical reactions and biological interactions. 
Considering the urgent needs for sustainable waste management, this study aimed to fill the research gap in this field by focusing on vermicomposting method to dissolve potential plant nutrients for crop fertilization. High pH, low solubility of limited plant nutrients, and adverse effects on microbial communities are common disadvantages of BA vermicomposting. BA was collected from the biomass power plant burning poultry litter, forest and crop harvest residues and added to cattle manure to obtain the final nitrogen (N), phosphorus (P) and potassium (K) contents of 0.0% (T0), 3.5% (T1), %. 7.0 (T2) and 10% (T3) are included. Initially, the mixtures were precomposted aerobically for 3 weeks to remove toxic gases and then vermicomposted for 60 days. The sequential phosphorus extraction results showed that vermicomposting improved total phosphorus (TP) and Olsen-P solubility by 69%-79% and 5%-8%, respectively, depending on BA doses. The high pH level of the biocule reached the neutral range level after vermicomposting in all BA vermicompost samples tested. The final nutrient composition of the vermicompost samples was "N 1.31, P 0.53, K 0.90%" (2.74% total) for T0, "N 1.02, P 0.63, K 1.90%" (total 3.55%) for T1, "N 0.8, P 1.78, F 3.86%" (7.16% total) and for T3 "N 0.84, P 2.64, F 6.32%" (9.94% total). 
In all BA vermicompost samples examined, the maximum P fractions detected were weakly acid-soluble Fe- and Al-bonded P, respectively, followed by the insoluble residual fraction, alkali-soluble and Olsen phosphorus fractions. On the other hand, total phosphorus (TP) content in BA applications varied between 1.41% and 1.77%, while it was 0.63% for control (T0).
The results showed that mixtures of BA increased fermentation temperatures and allowed successful earthworm activity in the next vermicomposting phase. In all vermicompost samples, the indicator enzyme activities are urease > β-glucosidase > alkaline phosphatase > acid phosphatase > arylsulfatase, respectively. Phosphate-dissolving microorganisms use phosphatase enzymes and enzyme activators, low molecular weight organic acids and humic acids together to dissolve plant nutrients and convert them into bioavailable form. The phosphatase activity tended to decrease with the increase in the biomass ratio. In addition, the reason for the high urease enzyme activity in all samples compared to other enzyme activities was attributed to the rapid proliferation of the thermophilic phase stage in the microbial population. The reduction in the specific activities of both β-glucosidase and urease in high BA vermicompost treatments was explained by the low organic matter and nitrogen contribution of these treatments as BA was largely devoid of organic carbon and nitrogen. It has been suggested that the decrease in all enzymatic activities due to the increase in the biocul ratio, the decrease in the available substrate ratio and the alkaline effect of the pH value, the most important feature of the bioculum.  
According to the metagenomic results of vermicompost samples prepared using cattle manure and BA, Proteobacteria (K-23.77%, T0-18.44%, T1-24.34%, T2-23.5%, T3-27.4%) Bacterioids (K-30.5%, T0-15.7%, T1-29%, T2-11.49%, T3-13.94%) and Planctomycetota (K-9.44%, T0-15.32%, T1-12.5%, T2-20.3%, T3-19.85%) were determined as the dominant bacterial phylum in all samples.
High correlations were observed in Multiple Linear Regression (MLR) calculations performed between enzyme activities and microbial diversity in vermicompost samples. The coefficients of determination (R2) obtained from multiple regressions between enzyme activities and bacterial population for T0, T1, T2, and T3, were calculated as 0.90, 0.65, 0.73 and 0.90, respectively. The stimulating effect of Flavobacteriales, Burkholderiales, Saccharimonadales and Pseudomonadales on enzyme activities was found to be significant and positive. It has been observed that the bacterial phylum, in which the enzyme activity in worm castings is related to the bacterial population, significantly supports acid phosphatase, alkaline phosphatase, arylsulfatase, β-glucosidase and urease activities. Urease enzyme activity showed the highest activity values in all samples. The urease enzyme plays an important role in converting complex organic nitrogenous matter into simpler forms. Cytophagales population producing hydrolytic enzymes that are effective in the conversion of organic nitrogen forms, which is one of the indispensable organic ingredients in plant development, to urea form, T0, T1, T2 and T3 ratios are 8.44%, 6.14%, 5.97%, 8.09%, respectively.
In addition, plant growing trials were conducted to determine the vermicompost effects on common beans (Phaseolus vulgaris L.). Potential fertilization efficiency of nutrient-enriched vermicompost samples with BA, parameters of suitability for growing on bean plant; The chlorophyll content was evaluated using root nodulation and leghemoglobin analyzes and leaf nutrient analyzes. The bean plant was chosen as a model crop since it is sensitive to phosphorus uptake from the soil and especially to phosphorus fertilizers, and phosphorus was reported as the most limiting nutrient in this plant. The results showed that BA-containing vermicompost could promote the growth of plants, increase the chlorophyll content in leaves, and significantly increased leghemoglobin synthesis in the nitrogen fixation of root nodules (p < 0.05). As a conclusion, vermicomposting of BA could improve the solubility of nutrients from BA and that nutrient-enriched vermicompost could be a sustainable bio-based technology for slow release fertilizer production. Moreover, vermicomposted nutrient-rich waste material can improve the nodulation and nitrogen fixing ability of legume crops, thereby increasing the recycling capacity to close the nutrient cycle.