Biyogaz üretiminde farklı katkı maddelerinin biyogaz verimine etkisinin incelenmesi
Investigation of the effect of different additives on biogas yield in biogas production
Yazar: AHMET CANAN
Danışman: PROF. DR. MEHMET ÖZKAYMAK
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Anaerobik sindirim (AD) sisteminde mikroorganizma faaliyetlerini hızlandırarak biyogaz ve metan üretimini artırmak için farklı katkı maddeleri kullanılmaktadır. Bu çalışmada, demir çelik endüstrisinde ortaya çıkan farklı türden cürufların biyogaz üretimine ve metan verimine etkisi incelenmiştir. Çalışma iki bölüm halinde gerçekleştirilmiştir. İlk bölümde bir entegre demir çelik tesisinden temin edilen yüksek fırın cürufu (YFC) , çelikhane konverter cürufu (ÇKC) ve çelikhane pota cürufu (ÇPC) substrat olarak büyükbaş gübresinin bulunduğu reaktörlere farklı konsantrasyonlarda (%1, %1,5, %2, %2,5, %3) eklenmiştir. Kesikli beslemeli olarak gerçekleştirilen deneylerde en yüksek biyogaz verimi %1 oranında YFC eklenen reaktörde 399,5 mL/gUKM ve metan (CH4) verimi 238,2 mLCH4/gUKM olarak gerçekleşmiştir. En yüksek kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderimleri ise sırasıyla %65,36, %63,88, %54,08 ve %54,96 olarak S1-1, S1-2, S1-5 ve S2-2'de gözlenmiştir. Cüruf eklenen reaktörlerin biyogaz üretim miktarlarının ve metan verimlerinin kontrol reaktörüne göre daha fazla olması cürufun biyogaz üretiminde katkı maddesi olarak kullanılabileceğini göstermiştir.

Çalışmanın ikinci bölümünde, ilk kısımda en iyi verimin elde edildiği YFC'nin farklı karışım oranları, farklı pH ve farklı toplam katı madde (%TKM) miktarları seçilerek deneyler yapılmış ve elde edilen sonuçların cevap yüzey yöntemi (CYY) ile optimizasyon işlemi gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla giriş parametreleri olarak YFC oranı (%0,5-3), pH (5-9) ve TKM (%6-10) seçilmiş ve kümülatif biyogaz üretimi (mL), biyogaz verimi (mL/gUKM), CH4 (%) içeriği, uçucu katı madde (%UKM) ve KOİ (%) giderimlerinin optimizasyonu için CYY'de Box-Behnken (BB) tasarımında bir model geliştirilmiştir. Varyans analizinden (ANOVA) R2 değerleri kümülatif biyogaz üretimi, biyogaz verimi, CH4 içeriği, UKM ve KOİ giderimleri için sırasıyla 0,94, 0,95, 0,96, 0,94 ve 0,94 olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlar dikkate alındığında, istatistiksel ve matematiksel bir araç olan CYY'nin YFC katkı maddesinin anaerobik sindiriminin optimizasyonu ve modellenmesinde başarılı bir şekilde kullanılabileceği görülmüştür. CYY sonuçlarına göre optimum koşullar YFC oranı, pH ve TKM için sırasıyla %2,01, 9 ve %10 şeklinde gerçekleşmiş ve bu şartlarda kümülatif biyogaz üretimi, biyogaz verimi, CH4 içeriği, UKM ve KOİ giderimleri sırasıyla 15420 mL, 543,23 mL/gUKM, %76,3, %61,12 ve %70,85 olarak elde edilmiştir.

Abstract:
Different additives are used to increase biogas production and methane yield by accelerating microorganism activities in the anaerobic digestion (AD) system. In this study, the effects of different types of slags in the iron and steel industry on biogas production and methane yield were investigated. The study was carried out in two parts. In the first part, blast furnace slag (BFS), steelmaking converter slag (SCS), and steelmaking ladle slag (SLS) obtained from an integrated iron and steel plant were added to the reactors in which cattle manure was used as substrate at different concentrations (1%, 1.5%, 2%, 2.5%, and 3%). In the fed-batch experiments, the highest cumulative biogas yield was 399.5 mL/gVS and the methane yield was 238.2 mL CH4/gVS in the reactor to which 1% BFS was added. The highest chemical oxygen demand (COD) removals were observed at S1-1, S1-2, S1-5, and S2-2 by 65.36%, 63.88%, 54.08%, and 54.96%, respectively. The biogas production and methane yields were found to be higher in the slag added reactors than in the control reactor which indicates that slag can be used as an additive in biogas production.
In the second part of the study, experiments were carried out by choosing different BFC mixing ratios, in which the best efficiency was obtained in the first part, different pH and different total solids (TS), and the results obtained were optimized by the response surface methodology (RSM). For this purpose, BFC ratio (0.5-3%), pH (5-9) and TS (6-10%) were selected as input parameters and for optimization of cumulative biogas production (mL), biogas yield (mL/gVS), CH4 (%) content, volatile solids (%VS) and COD (%) removal rates, a model in BB design was developed in RSM. R2 values from analysis of variance (ANOVA) were obtained as 0.94, 0.95, 0.96, 0.94 and 0.94 for cumulative biogas production, biogas yield, CH4 content, VS and COD removal rates, respectively. Considering these results, it has been seen that the RSM, which is a statistical and mathematical programme, can be used successfully in the optimization and modelling of the anaerobic digestion of the BFC additive. According to the RSM results, the optimum conditions were 2.01%, 9, and 10%, respectively for BFC ratio, pH and TS and under these conditions cumulative biogas production, biogas yield, CH4 content, VS and COD removal rates were obtained as 15420 mL, 543.23 mL/gVS, 76.3%, 61.12% and 70.85%.