Büyükbaş hayvansal atıkların biyometanizasyon süreçlerinin iyileştirilmesinin araştırılması
Investigation of improving biomethanization processes of cattle manure
Yazar: FATİH TUFANER
Danışman: DOÇ. DR. YAŞAR AVŞAR
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Anaerobik arıtma = Anaerobic treatment ; Sığır gübresi = Cattle manure

Özet:
Bu çalışmada, farklı işletme şartlarında büyükbaş hayvan gübresine (BBHG) organik yükü yüksek atık ilavesi ile arıtma veriminin ve biyometan üretiminin iyileştirilmesi araştırılmıştır. Deneysel çalışmada, birbirine paralel 5 adet 6.15 L hacimli yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör (YAHÇYR) kullanılmıştır. Reaktörler mezofilik şartlarda (36.5-37°C) 10.000 mg TKOİ/L organik yükleme oranı (OYO) ile işletilmişlerdir. Reaktörlere beslenecek atıklar, birinci dönemde tek kademe ön işlemden ikinci dönemde ise iki kademeli ön işlemden geçirilmişlerdir. Deneysel çalışmalarda organik yükü yüksek atıkların %5, %10, %20, %40 ve %50 oranlarında BBHG'ne ilavesinin biyogaz üretimine etkileri gözlemlenmiştir. Birinci reaktörde (R1), kontrol amaçlı olarak sadece büyükbaş hayvan gübresi (BBHG) kullanılmıştır. İkinci reaktörde (R2), çim atıkları ilave atık olarak kullanılmıştır. Üçüncü reaktörde (R3), %33.3 çim atıkları, %16.7 evsel organik atıkları (mutfak organik atıkları), %16.7 endüstriyel organik atıkları (%50 zeytin prinası ve %50 pamuk küspesi karışımı) ve %33.3 arıtma çamuru karışımı ilave atık olarak kullanılmıştır. Dördüncü reaktörde (R4), %50 evsel organik atıklar ve %50 endüstriyel organik atıkların karışımı ilave atık olarak kullanılmıştır. Beşinci reaktörde (R5), ise arıtma çamuru ilave atık olarak kullanılmıştır. Çalışmalar 20 ve 10 gün olmak üzere iki farklı hidrolik bekleme süresi (HBS) ile yürütülmüştür.
Reaktörlerin içinde, giriş ve çıkışında pH, alkalinite, toplam kimyasal oksijen ihtiyacı (TKOİ), çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı (ÇKOİ), toplam katı madde (TKM), uçucu katı madde (UKM), askıda katı madde (AKM) ve uçucu askıda katı madde (UAKM) analizleri yapılmıştır. Sadece reaktör giriş ve çıkışında ise biyolojik oksijen ihtiyacı (BOİ), toplam Kjeldahl azotu (TKN), amonyak azotu (NH3-N), toplam fosfor (TP), çözünmüş fosfor (PO4-3-P) ve klorür (Cl-) analizleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca reaktör içerisindeki anaerobik floküler çamurun ve çalışmanın ilerleyen safhalarında teşekkül eden granül çamurların SEM (taramalı elektron mikroskobu) görüntüleri alınmış ve EDX (Enerji Dağılımlı X-ışınları) analizleri yapılmıştır. Tez kapsamında ayrıca birlikte arıtım prosesi için yapay sinir ağları (YSA) tabanlı modelleme ve simülasyon çalışmaları yapılarak anaerobik sistemin deneysel verileri ile günlük biyogaz üretim miktarı arasındaki ilişkinin bütünselliği ortaya çıkarılmıştır. Ayrıca bu tez kapsamında ülkemiz yerli sanayisinde yapılabilecek biyogaz tesisleri için maliyet analizi çalışmaları da yapılmıştır.
Yapılan deneysel çalışmalar neticesinde R1, R2, R3, R4 ve R5 reaktörlerinde HBS 20 gün ve 10 gün periyotlarında sırasıyla ortalama %79±4, %78±4, %80±4, %81±6, %80±5 ve %76±7, %74±8, %79±6, %79±8, %80±5 oranlarında TKOİ giderimi ile beraber ortalama 0.63±0.19, 0.68±0.23, 0.64±0.17, 0.75±0.21, 0.67±0.23 ve 0.92±0.24, 0.95±0.30, 0.97±0.27, 1.10±0.29, 0.95±0.28 L/gün biyogaz üretimi gerçekleşmiştir. R2 reaktöründe, günlük biyogaz üretimine en fazla olumlu katkının BBHG'ne %20 (TKOİ olarak) oranında çim atıkları ilavesi durumunda (HBS: 20 gün) %27 oranında olduğu tespit edilmiştir. R3 reaktöründe, günlük biyogaz üretimine en fazla olumlu katkının BBHG'ne %20 (TKOİ olarak) oranında bütün atıkların (çim atıkları, evsel-endüstriyel organik atıkları ve arıtma çamuru) karışımının ilavesi durumunda (HBS: 20 gün) %13 oranında olduğu tespit edilmiştir. R4 reaktöründe, günlük biyogaz üretimine en fazla olumlu katkının BBHG'ne %20 (TKOİ olarak) oranında evsel ve endüstriyel organik atıkları karışımının ilavesi durumunda (HBS: 10 gün) %23 oranında olduğu belirlenmiştir. R5 reaktöründe ise günlük biyogaz üretimine en fazla olumlu katkının BBHG'ne TKOİ olarak %20 oranında arıtma çamuru ilavesi durumunda (HBS: 20 gün) %26 oranında olduğu tespit edilmiştir. Bununla birlikte modelleme çalışmaları; BBHG'ne, deneysel çalışmalarda kullanılan ilave atıkları %30 seviyelerine kadar karıştırmanın günlük biyogaz üretimine olumlu katkılarının olduğunu göstermiştir. Ayrıca, çalışmada kullanılan ham atıkların belirli bir çapa (<5 mm) kadar indirilerek (<1 mm elek altı atıkların) beslenmesi biyogaz üretim performansına olumlu katkı yaparken daha da fazla parçalamanın (<1 mm) ise performansı düşürdüğü tespit edilmiştir.

Abstract:
In this study, the improving of treatment efficiency and biomethane production has been investigated with the addition of wastes containing high levels of organic matter to cattle manure (CM) in different operation conditions. In this experimental study, 5 parallel 6.15 L upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor has been used. These reactors have been operated at mesophilic conditions (36.5-37°C) with organic loading rate (OLR) of 10.000 mg TCOD/L. The wastes that will be fed to the reactors were treated with single and two-stage pretreatment in the first and second period, respectively. In the experimental studies, wastes containing high levels of organic matter are added to CM at the rates of 5%, 10%, 20%, 40% and 50%, and their effects to the production of biogas have been observed. In the first reactor (R1), only cattle manure (CM) was used for control purposes. In the second reactor (R2), grass wastes were used as additional waste. In the third reactor (R3), 33.3% grass wastes, 16.7% homemade organic wastes (kitchen organic wastes), 16.7% industrial organic wastes (50% cottonseed meal and 50% olive press cake mix), and 33.3% sludge mixtures were used as additional wastes. In the fourth reactor (R4), 50% homemade organic wastes and 50% industrial organic waste mixtures were used as additional wastes. In the fifth reactor (R5), sludge mixtures were used as additional wastes. Studies were conducted under two different hydraulic retention time (HRT) of 20 and 10 days.
Parameters such as pH, alkalinity, total chemical oxygen demand (TCOD), dissolved chemical oxygen demand (DCOD), total solids (TS), volatile solids (VS), suspended solids (SS) and volatile suspended solids (VSS) were monitored in the reactors, influent and effluent of the reactors. The other parameters such as biological oxygen demand (BOD), total Kjeldahl nitrogen (TKN), Ammoniacal nitrogen (NH3-N), total phosphorus (TP), orthophosphate (PO4-3-P) and chloride (Cl-) were monitored in the reactors, influent and effluent of the reactors. Moreover, SEM (Scanning Electron Microscope) photographs have been taken of anaerobic floccular and granular sludge that was formed from the later stages of the study in the reactors and their EDX (Energy Dispersive X-ray) analysis have been carried out. In the thesis, by developing artificial neural network (ANN) based modeling and simulation studies for the treatment process, the integrity of the relationship between the experimental data of anaerobic system and the daily amount of biogas production has been demonstrated. Furthermore, in the thesis, cost analysis studies have been conducted for the biogas plants that can be established in our country's domestic industry.
As a result of the experimental studies, in the R1, R2, R3, R4 and R5 reactors, at the period of HRT 20 days and HRT 10 days, on average %79±4, %78±4, %80±4, %81±6, %80±5 and %76±7, %74±8, %79±6, %79±8, %80±5 TCOD removal as well as 0.63±0.19, 0.68±0.23, 0.64±0.17, 0.75±0.21, 0.67±0.23 and 0.92±0.24, 0.95±0.30, 0.97±0.27, 1.10±0.29, 0.95±0.28 L/day biogas productions are realized. In R2 reactor, the most positive contribution to the daily production of biogas was found to be 27% in the case of adding 20% (as TCOD) grass waste to cattle manure (HRT: 20 days). In R3 reactor, the most positive contribution to the daily production of biogas was found to be 13% in the case of adding of a mixture of 20% (as TCOD) all wastes (grass waste, homemade-industrial organic wastes and sludge) to cattle manure (HRT: 20 days). In R4 reactor, the most positive contribution to the daily production of biogas was found to be 23% in the case of adding a mixture of 20% (as TCOD) homemade and industrial organic wastes to cattle manure (HRT: 10 days). In R5 reactor, the most positive contribution to the daily production of biogas was found to be 26% in the case of adding 20% (as TCOD) sludge to cattle manure (HRT: 10 days). In addition, modeling studies show that there is a positive contribution to the daily production of biogas in the case of mixing up to 30% additional wastes to cattle manure used in experimental studies. Moreover, it was determined that while feeding (<1 mm sieve wastes) the raw wastes after reducing their diameters to a certain value (<5 mm) has positive contribution to biogas production performance, further shredding them (<1 mm) cause performance degradation.