Biyokömürün biyogaz tesisi atıksularının arıtımında adsorban özelliğinin ve tarımda kullanım olanaklarının araştırılması
Investigation of adsorbent properties of biochar in the treatment of wastewater from biogas production and its usage possibilities in agriculture
Yazar: ÖZLEM ÜSTÜNDAĞ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SELÇUK GÖÇMEZ ; PROF. DR. SONAY SÖZÜDOĞRU OK
Aydın Adnan Menderes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Toprak Bilimi ve Bitki Besleme Ana Bilim Dalı / Toprak Bilimi Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Ziraat = Agriculture
Dizin: Adsorpsiyon = Adsorption ; Biyokömür = Biochar ; Enzim aktivasyonu = Enzyme activation ; Piroliz = Pyrolysis ; İzotermler = Isotherms

Özet:
Amaç: Bu çalışmada; yüksek organik yüke sahip hayvansal kaynaklı atıksuların arıtılmasında farklı piroliz sıcaklarından elde edilmiş biyokömürlerin adsorpsiyon kapasitesini izotermler üzerinden belirlemek, topraklara azot ve fosforca doyurulmuş biyokömür uygulamalarının toprakların bazı fiziksel, kimyasal, mikrobiyolojik ve biyokimyasal özellikleri üzerine olan etkilerini incelemek amaçlanmıştır.
Materyal ve Yöntem: Biyogaz tesisi katı atıklarından 3 farklı piroliz sıcaklığında (250, 450, 650°C) biyokömür elde edilmiş, piroliz sıcaklığının biyokömürün adsorban özelliğine, elementel kompozisyonuna, spesifik yüzey alanına ve gözenekliğine olan etkisi belirlenmiştir. Elde edilen biyokömürlerin Langmuir ve Freundlich adsorpsiyon izotermlerinden yararlanılarak N ve P adsorpsiyon kapasiteleri belirlenmiştir. Biyokömürler, biyogaz tesisi atıksuları ile günlük olarak doyurularak NH4, NO3, P ve KOİ parametrelerine ait giderim grafikleri elde edilmiştir. Adsorpsiyon kapasitesine göre seçilen N ve P'ca doyurulmuş ve doyurulmamış biyokömürler 1, 2 ve 3 ton da-1 olacak şekilde topraklara uygulanmıştır. 90 gün süre ile mısır (Zea Mays L.) bitkisi yetiştirilmiştir. Çalışma, sera koşullarında 3 tekerrürlü saksı denemesi olarak yürütülmüştür. Denemenin 20, 40, 60 ve 90. günlerinde alınan toprak örneklerinde CO2 oluşumu, mikrobiyal biyomas, N-mineralizasyonu, dehidrogenaz, üreaz, alkalin fosfataz ve β-glukozidaz enzim aktiviteleri ile deneme başlangıcı ve 90. günlerdeki toprakların pH, EC, KDK, organik madde, N, P, K, Na, Ca, Mg miktarındaki değişimler belirlenmiştir. Sera denemesinin sonunda hasat edilen bitkilerde kuru madde, makro ve mikro besin elementi içerikleri tespit edilmiştir.
Bulgular: Piroliz sıcaklığı 250, 450, 650°C olan biyokömürlere ait spesifik yüzey alanı sırasıyla 1.77, 3.59, 5.72 m2.g-1 olarak tespit edilmiştir. Elde edilen izoterm parametrelerine göre NO3 ve P adsorpsiyonunun Langmuir izoterminde, KOİ ve NH4 adsorpsiyonunun Freundlich izoterminde daha iyi sonuç verdiği tespit edilmiştir. Atıksu arıtımında piroliz sıcaklığı 650°C olan biyokömürün NO3, P ve KOİ için, 450°C olan biyokömürün NH4 için maksimum adsorpsiyon gösterdiği ve giderim yüzdelerinin daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Toprakların pH, EC, O.M ve makro element içerikleri artan biyokömür dozları ile artış gösterirmiştir. Biyokömürün uygulama dozlarındaki artışa bağlı olarak CO2 oluşumu, mikrobiyal biyomas-C, N-mineralizasyonu, dehidrogenaz, alkalin fosfataz, üreaz ve  
β-glukozidaz enzim aktivitelerinde istatiksel anlamda önemli bir artış tespit edilmiştir. 
Sonuç: Biyogaz tesisi katı atıklarından üretilen ve piroliz sıcaklığı 650°C olan biyokömürün adsorban özelliğinin 250 ve 450°C'de üretilen biyokömürlere kıyasla daha yüksek olduğu belirlenmiştir. Biyogaz tesisi atıksularının arıtımı esnasında N ve P'ca doyurulmuş biyokömürlerin, doyurulmamış biyokömüre kıyasla toprakların mikrobiyolojik ve biyokimyasal parametreleri üzerinde daha fazla etkili olduğu ve en iyi sonucun 3 ton da-1 doymuş biyokömür uygulamasından elde edildiği tespit edilmiştir.

Abstract:
Objective: In this research, it was aimed to determine the adsorption capacity of biochars obtained from different pyrolysis temperatures in the treatment of animal wastewaters with high organic load through isotherms and to examine the effects of biochar applications saturated with nitrogen and phosphorus on some physical, chemical, microbiological and biochemical properties of soils.
Materials and Methods: Biochars were produced at 3 different pyrolysis temperatures (250, 450, 650°C) from the solid digestate collected from biogas and it was determined that the effect of pyrolysis temperature on adsorbent properties, elemental composition, specific surface area and porosity of biochar. N and P adsorption capacities of biochars were determined by using Langmuir and Freundlich adsorption isotherms. Biochars were saturated with biogas plant wastewater daily and the removal graphs of NH4, NO3, P and COD parameters were obtained. Biochar, saturated and unsaturated with N and P, selected according to its adsorption capacity, was applied to the soil at 1, 2 and 3 tons da-1 and maize (Zea Mays L.) plant was grown for 90 days. The experiment was carried out in the greenhouse as a pot experiment with 3 replications. CO2 production, microbial biomass, N-mineralization, and the activities of dehydrogenase, urease, alkaline phosphatase and β-glucosidase were determined in soil samples which were taken on the 20th, 40th, 60th and 90th days of the experiment. In addition, the changes in pH, EC (electrical conductivity), CEC (cation exchange capacity), organic matter, and the amounts of N, P, K, Na, Ca, Mg in the soils taken at the beginning and on the 90th days of the experiment were determined. At the end of the experiment, the amounts of dry matter, macro and micro nutrient contents of the harvested plants were also determined.
Findings: The specific surface areas of biochars with pyrolysis temperatures of 250, 450, and 650°C were determined as 1.77, 3.59 and 5.72 m2.g-1, respectively. According to the obtained isotherm parameters, it was determined that the adsorption of NO3 and P gave better results in the Langmuir isotherm, and the adsorption of COD and NH4 in the Freundlich isotherm. In wastewater treatment, it was determined that biochar with pyrolysis temperature of 650°C showed maximum adsorption for NO3, P and COD, while biochar at 450°C showed maximum adsorption for NH4 and removal percentages were higher. The pH, EC, organic matter and macro element contents of the soils increased with increasing biochar doses. CO2 production, microbial biomass-C, N-mineralization, dehydrogenase, alkaline phosphatase, urease and β-glucosidase enzyme activities significantly increased depending on the increase in the application doses of biochar.
Conclusion: It has been determined that the adsorbent property of biochar, which is produced from the solid digestate collected from biogas and has a pyrolysis temperature of 650°C, is higher than biochars produced at 250 and 450°C. The biochars saturated with N and P during the treatment of liquid biogas digestate were more effective on the microbiological and biochemical parameters of the soils compared to the unsaturated biochar, and the best result was obtained from the application of 3 ton da-1 saturated biochar.