Büyükbaş hayvan gübresi ve makroalg (cladophora sp.) atıklarının ko-fermantasyonu ile biyometan üretimi
Production of biomethane with co-fermantation of cattle manure and macroalgae (cladophora sp.) wastes
Yazar: SERDAR ÜÇOK
Danışman: DOÇ. DR. ALİ AYBEK
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyosistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Ziraat = Agriculture

Özet:
Teknolojinin gelişmesi ve artan nüfusla birlikte enerji ihtiyacına duyulan talep de artmaktadır. Dünya genelinde çevreye zararlı etkileri olan fosil enerji kaynaklarının (petrol, kömür, doğalgaz vb.) kullanımın yüksek oranda gerçekleştirilmesi, bu enerji kaynaklarının hızla azalmasına yol açmaktadır. Bu durum yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmeyi zorunlu hale getirmiştir. Temiz, çevreci, enerji verimliliği yüksek olan yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi de biyogazdır. Biyogaz ve metan üretiminin arttırılması için bitkisel materyaller hayvansal materyallere karıştırılarak anaerobik fermantasyon işlemine tabi tutulmaktadır. Farklı materyallerin belli oranlarda karıştırılarak anaerobik fermantasyon işlemi uygulanmasına ko-fermantasyon denilmektedir. Ko-fermantasyon ile farklı materyallerin en uygun karışım oranları belirlenerek enerji verimliliği artırılmaktadır.
Bu çalışmanın amacı, biyogaz tesisleri için hammadde olarak kullanılabilecek büyükbaş hayvan gübresi ve makroalg atıklarının, en uygun karışım oranlarında, ko-fermantasyonu ile biyogaz ve metan verimlerinin belirlenmesidir. Bu amaçla, büyükbaş hayvan gübresi ve makroalg materyallerinin; %7 ve %9 kuru madde oranında, C/N oranına göre 5 farklı karışım (Karışım-1, Karışım-2, Karışım-3, Karışım-4, Karışım-5) oluşturulmuştur. Karışımlardan biyogaz elde etmek amacıyla potansiyel belirlemeye yönelik BMP denemeleri ve uygulamaya yönelik olan sürekli beslemeli, tam karıştırmalı CSTR denemeleri kullanılmıştır. Ölçümler, BMP'de 60 günlük, CSTR'de ise 30 günlük sürelerde gerçekleştirilmiştir. BMP denemeleri ile hazırlanan karışım materyallerinin biyogaz (metan oranları, günlük biyogaz üretimi, günlük metan üretimi, kümülatif biyogaz üretimi, kümülatif metan üretimi, özgül metan üretim değerleri) ve cüruf (karbon (C), azot (N), C/N, kuru madde (KM), organik kuru madde (OKM), pH, elektriksel iletkenlik (EC), kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), nötr deterjanda çözünmeyen lif (NDF) ve asit deterjanda çözünmeyen lif (ADF)) parametreleri belirlenmiştir. Bu denemelerinde ele alınan her bir kuru madde oranı için en verimli biyogaz parametrelerine sahip olan karışımlar bulunmuştur. Bulunan bu karışımlar 4 adet 50 L'lik reaktörden (R1, R2, R3, R4) oluşan CSTR denemelerinde denemeye alınmıştır. %7 kuru madde oranında elde edilen en iyi 2 karışım, R1 ve R2'de, %9 kuru madde oranı elde edilen en iyi 2 karışım ise R3 ve R4 reaktörlerine yaş halde, günlük 2 L'lik yükleme oranıyla gerçekleştirilmiştir.
Çalışma sonucunda; BMP denemelerinde en yüksek biyogaz parametrelerinin elde edildiği Karışım-4 için C/N oranı %7 kuru madde oranında 14.56, %9 kuru madde oranında ise 15.45 olarak belirlenmiştir. BMP denemelerinde karışımların %7 kuru madde oranı; metan oranı %25-62, günlük biyogaz üretimi 0.02-1.61 L/gün, günlük metan üretimi 0.01-0.94 L/gün, kümülatif biyogaz üretimi 2.5-27.42 L, kümülatif metan üretimi 1.15-15.77 L, özgül metan üretimi 10.67-186.41 NmL/gOM, %9 kuru madde oranı ise metan oranı %24-62, günlük biyogaz üretimi 0.01-1.40 L/gün, günlük metan üretimi 0.01-0.91 L/gün, kümülatif biyogaz üretimi 2.14-28.10 L, kümülatif metan üretimi 1.25-16.07 L, özgül metan üretimi 15.60-192.15 NmL/gOM olarak bulunmuştur. CSTR denemelerinde ise reaktörlerde oluşan günlük biyogaz üretimi 28.71-57.30 L/gün, günlük metan üretimi 17.36-35.50 L/gün, günlük metan oranı %57.5-64.5, kümülatif biyogaz üretimi 1101.06-1271.47 L, kümülatif metan üretimi 666.93-786.99 L ve CO2 oranı %33.75-41.25 olarak belirlenmiştir. BMP denemelerinde; biyogaz parametrelerinde kuru madde oranı, karışımlar, kuru madde oranları ve karışımların interaksiyonun etkisi istatiksel olarak önemli düzeyde (P<0.05) bulunurken, CSTR denemelerinde ise; karbondioksit hariç, biyogaz parametrelerinde reaktörler arasındaki fark istatitiksel olarak önemli düzeyde (P<0.05) bulunmuştur.Tatlı su alanlarında alglerden kaynaklı atık, koku vb çevresel sorunların giderilmesine yönelik olarak algler bölgedeki büyükbaş hayvan gübresi ile uygun oranlarda karıştırılarak bölgede kurulacak biyogaz tesislerinde enerji ve organik gübre üretim materyali olarak kullanılabilir.

Abstract:
With the development of technology and the growing population is increasing demand for their energy needs. There is a high use of fossil energy sources worldwide. The rapid decrease in fossil energy sources has made it necessary to turn to new and renewable energy sources in terms of damaging the environment. One of the renewable energy sources that are clean, environmentally friendly and energy efficient is biogas. In order to increase biogas and methane production, vegetable materials are mixed with animal materials and subjected to anaerobic fermentation process. The application of anaerobic fermentation by mixing different materials in certain proportions is called co-fermentation. Energy efficiency is increased by determining appropriate mix of different materials by co-fermentation.
The purpose of this study is to determine the biogas and methane yields of cattle manure and macroalgae wastes, which can be used as raw materials for biogas plants, at the most appropriate mixing ratios, by co-fermentation. For this purpose, cattle manure and macroalgae materials; 5 different mixtures (Mixture-1, Mixture-2, Mixture-3, Mixture-4, Mixture-5) were created according to the C / N ratio at 7%and 9% dry matter rate. BMP for potential determination and CSTR test methods for continuous feeding application were used to obtain biogas from the mixtures. Measurements were carried out in the BMP test method for 60 days, and in the CSTR test method for 30 days. Measurements were carried out in the BMP test method for 60 days, and in the CSTR test method for 30 days. Biogas parameters (methane ratios, daily biogas production, daily methane production, cumulative biogas production, cumulative methane production, specific methane production values) and slag parameters (carbon (C), nitrogen (N), C/N, dry matter (KM), organic dry matter (OKM), pH, electrical conductivity (EC), chemical oxygen demand (COD), neutral detergent insoluble fiber (NDF) and acid detergent insoluble fiber (ADF). Mixtures with the most efficient biogas parameters were found for each solidity ratio discussed in this test method. Mixtures with the most efficient biogas parameters were found for each solidity ratio discussed in this test method. These mixtures were tested in the CSTR test method consisting of 4 units 50 L reactors (R1, R2, R3, R4). The best 2 mixtures obtained in 7%solids were carried out in R1 and R2, and the best 2 mixtures obtained in 9%solids were carried out R3 and R4 reactors with a daily loading rate of 2 L in raw form materiel.
As a result of the study; As a result of the study; in Mixture-4, where the highest biogas parameters were obtained in the BMP test method, the C / N ratio of 7%dry matter rate was found to be 14.56, and the C / N ratio of 9%dry matter rate was 15.45. While for %7 dry matter rate was found methane content (CH4) 25-62%, daily biogas production 0.02-1.61 L/day, daily CH4 production 0.01-0.94 L/day, cumulative biogas production 2.5-27.42 L, cumulative CH4 production 1.15- 15.77 L, specific methane production 10.67-186.41 NmL/gOM in the BMP test method, for %9 dry matter rate was found methane content (CH4) 24-62%, daily biogas production 0.01-1.40 L/day, daily CH4 production 0.01-0.91 L/day, cumulative biogas production 2.14-28.10 L, cumulative CH4 production 1.25-16.07 l, specific methane production 15.60-192.15 NmL/gOM in the BMP test method. In CSTR reactors was found as daily biogas production 28.71-57.30 L/day, daily CH4 production 17.36-35.50 L/day, daily methane rates 57.5-64.5%, cumulative biogas production 1101.06-1271.47 L, cumulative CH4 production 666.93-786.99 L and CO2 ratio 33.75-41.25%. In the BMP test method; In biogas parameters, dry matter rate ratio, mixtures, dry matter rates and the effect of the interaction of the mixes are statistically significant (P <0.05), while in the CSTR test method; Except for carbon dioxide, the difference between reactors in biogas parameters has been found to be statistically significant (P <0.05). Macroalgae can be used as an energy and organic fertilizer production material in biogas plants to be established in the region by mixing algae manure with cattle manure in appropriate rates in order to eliminate environmental problems such as waste, reek, etc. caused by algae in fresh water areas.