Farklı çiftlik atıklarının birlikte çürütülmesi ve gaz üretim optimizasyonu
Optimization of gas production by decomposition of different farm wastes
Yazar: OSMAN ALİ ÇİÇEK
Danışman: YRD. DOÇ. DR. MAHMUT ALTINBAŞ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Büyükbaş hayvan atıkları ve bitki atıkları / ürünleri ile işletilen birçok tesis dünya üzerinde bulunmaktadır. Kullanılan atık türlerinin benzer olmasına karşın atıkların içerikleri farklı olabilmektedir. Atıkların nem muhtevaları, altlık veya benzeri ek malzeme içerikleri, bekleme süreleri veya hayvanların yedikleri besin malzemeleri, biyogaz oluşumuna etki etmektedir. Ayrıca, azot ve tuzluluk miktarı yüksek olan tavuk atıklarının biyogaz üretiminde kullanılması, yapılan birçok çalışmanın odak noktası olmuştur. Büyükbaş hayvan atıklarına göre yüksek olan biyobozunurluk oranı, yüksek serbest amonyak azotu konsantrasyonu sebebi ile çürütücü tesislerinde değerlendirilememektedir. Çiftlik atıklarının optimum şekilde kullanılması ve farklı organik atıklardan metan temin edilebilmesi, karbon kaynaklarının daha yararlı kullanılmasını sağlayacaktır.
Bu deneysel çalışmanın amacı, farklı çiftlik atıklarının tek başına veya birlikte çürütülerek biyogaz potansiyellerinin belirlenmesi, çürütme sonucu oluşan ürünlerin karakterizasyonu ve biyogaz üretimini artırıcı koşulların belirlenmesidir. 
Bu kapsamda altlık kullanılan ve kullanılmayan ahırlardan alınan taze ve bayat büyükbaş hayvan atıklarının yanı sıra, bölgedeki kanatlı hayvan eti işleme, depolama ve paketleme endüstrisinin atıksu arıtma kademesinden alınan arıtma çamuru ve flotasyon atığı, büyük ölçekteki bir kesim tesisinin farklı kademelerindeki katı ve yarı katı atıkları ve seperatör kullanan çiftliklerin elde ettikleri katı faz gübreleri de çalışmalara dahil edilmiştir. Farklı atık türlerini içeren bu çalışmada hedef tam entegre bir tesiste oluşan tüm organik atıkların birlikte anaerobik çürütülebilme verimlerini incelemektir. Bu amaç doğrultusunda yapılan çalışmada, bölgedeki arıtma tesisinden ve kesimhaneden 20 farklı atık örneği alınmıştır. Bölgedeki tesis ve çiftlik potansiyelleri düşünülerek, atık karışım oranları belirlenmiş, ayrıca atıkların toplama sıklığının biyogaz üretim potansiyeline etkisi de incelenmiştir. Bu çalışmaların dışında ayrıca yüksek atık oluşum miktralarından dolayı büyükbaş hayvan atıkları ile tavuk atıklarının birlikte çürütülebilirliği çalışmaları da yürütülmüştür. Optimum  çürütücü koşulları için kullanılabilecek azami tavuk dışkısı miktarını belirlemek için aynı yöreden alınan tavuk atıkları ile büyükbaş hayvan atıkları farklı oranlarda karıştırılmış ve biyogaz üretim potansiyelleri incelenmiştir. Tavuk atıklarının yüksek besi elementi içeriğinin, biyogaz üretimine etkisi çalışmalar boyunca incelenmiştir. 
Çiftlik kaynaklı oluşan atıkların birlikte çürütülmesinin araştırıldığı çalışmalar, hacmi 500 – 1000 ml arasında değişen, tam karışımın ve mezofilik koşullarının sağlandığı reaktörlerde gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışmalarda, sığır atıklarının çürütücü tesisine taşıma maliyetinin düşürülmesi amacıyla yapılan susuzlaştırma işleminin metan oluşum potansiyelini (229 m3 metan/ton UKMeklenen) etkilemedeği gözlenmiştir. Birçok  çiftlikte hayvan sağlığı koşullarının iyileştirilmesi adına altlık kullanılmaktadır. Sap-saman karışımının kullanıldığı altlık malzemenin, büyükbaş hayvan atıkları ile kullanıldığında, metan oluşum potansiyelini %12 ila %17 değerleri arasında arttırdığı gözlenmiştir. Ayrıca, atıkların taze veya bayat olarak çürütülmesinin, metan oluşum potansiyeline etkisinin incelenmesi için yapılan çalışmada, taze çiftlik atıkları (günlük) ile hazırlanan kombinasyonların, aynı tür ve miktarda bayat olarak kullanılan atıklar (yaklaşık 14 - 28 gün bekletilmiş) ile kurulan kombinasyonlara göre eklenen UKM miktarı başına %17 - %11 aralığı oranlarında daha fazla metan oluşturduğu tespit edilmiştir. Eser elementlerin etkilerinin de araştırıldığı çalışmalarda, eser element miktarı, kullanılan asit ve alkali stok çözeltisi ile anaerobik mikroorganizmalar için uygun seviyelere getirilmiş ve aynı içerikte kurulan bir anaerobik reaktör ile verimleri karşılaştırılmıştır. Eser element ilavesinin %6,5 oranında daha yüksek biyogaz oluşum verimi sağladığı tespit edilmiştir.
Optimum çürütücü koşulları için kullanılabilecek azami tavuk dışkısı miktarının araştırıldığı çalışmalar, 1000 ml hacimli, tam karışımın ve mezofilik koşullarının sağlandığı reaktörlerde gerçekleştirilmiştir. Toplam eklenen substrat (tavuk atığı) miktarının kütlece %0, %30, %60 ve %100 oranlarında olacak şekilde, büyükbaş hayvan atıkları ile karıştırılmış ve dört farklı biyoreaktör düzeneği kurulmuştur. Reaktörler 30 günlük periyodlarla 7 dönem işletilmiştir. KM, UKM, UAKM, AKM, pH, iletkenlik, alkalinite, toplam fosfor, amonyak ve toplam kjeldahl azotu parametreleri, son 5 dönemin giriş ve çıkışlarında ölçülmüştür. İlk iki periyod sistemin alışması için işletilmiştir ve parametrelerin ölçümü/analizi yapılmamıştır. Reaktör içi TKN konsantrasyonları, tavuk dışkısı kullanılmayarak çalıştırılan reaktörden başlayarak sıraladığımızda, üçüncü periyod itibariyle, ilk period değerlerinin ortalama %17'si kadar yüksek olan 3,46, 3,85, 5,05 ve 5,20 g/L değerlerine ulaşmış ve bu periyod itibariyle maksimum %2 oranında değişim göstermiştir. Organik azotun parçalanması sonucunda artan amonyak azotu miktarı, serbest amonyak azotu konsantrasyonunu dördüncü periyod itibariyle 196, 253, 307 ve 412 mg/L değerlerine ulaştırmıştır. pH değerlerinin 7,84 – 8,23 aralığına ulaştığı dördüncü periyod ve sonrasında pH nötr seviyelere çekilmiş ve tüm reaktörlerdeki serbest amanyak azotu miktarı 100 mg/L'nin altına indirilmiştir. Tavuk dışkısı içermeyen reaktörde metan üretim potansiyelinin başlangıç metan üretimine göre çok değişmediği, başlangıç koşullarına geri döndüğü, serbest amonyak inhibisyonunun tersinir olduğu gözlenmiştir. İçeriğinin (substrat) %30 ve %70 oranını tavuk dışkısının oluşturduğu reaktörlerde, metan üretim potansiyelinin başlangıç metan üretimine göre %10 ila %20 arasında düştüğü gözlemlenmiştir. Serbest amonyak azotu miktarındaki düşüş ile metan oluşum oranlarında artış gözlenmiştir. Ancak bu artış başlangıç metan üretim potansiyellerine göre daha düşük olup bu inhibisyonun metan bakterileri üzerindeki tersinir etkisini göstermektedir. Serbest amonyak seviyesindeki ani artışın, bakteriler için olumsuz koşullar yarattığı görülebilmektedir. Tavuk dışkısının maksimum (%100) oranda kullanılarak işletilen reaktör, %30'u aşkın oranda metan üretim potansiyelini kaybetmiştir. Bu reaktörde gözlenen inhibisyon şiddeti en yüksek seviyededir. Özellikle tavuk atığının fazla kullanıldığı reaktörlerde yüksek olan tuzluluk (iletkenlik) miktarı, reaktörlerde metan oluşum verimini etkileyen bir başka etken olarak görülmektedir. Tamamen tavuk atığı ile işletilen reaktörün son periyodundaki 44,3 mS/cm (28,6 ppt) olan iletkenlik değerleri, tavuk atığının içerdiği iyon miktarının seyreltilmemesi durumunda, metan oluşum veriminin düşük olacağını göstermektedir. Reaktörlerde bulunan Ca, Mg, Se ve Cr iyonları miktarının ortalamaya göre düşük, Fe ve Zn iyonları miktarının ortalama değerlere sahip, Na ve Cu iyonları miktarının ise ortalamadan yüksek olduğu görülmektedir. İçerdiği eser element miktarı bakımından standart atıklar ile örtüşmeyen çiftlik atıkları, eser element takviyesi ile daha yüksek metan üretim verimlerine ulaştırılabilir.

Abstract:
The term biogas refers to a useful gas production mainly from organic waste and waste with high organic content. The isolation of organic material and gas production by fermentation depends on cheap and sustainable resources. For efficient production of biogas (methane), organic compounds / waste must be evaluated. Landfills in urban areas and animal and plant wastes in rural areas make up this source. Cattle and plant wastes are utilized by many facilities throughout the world. However, studies from different countries have failed to produce biogas from chicken waste mainly because of its above limits free ammonia nitrogen levels. Techniques could not be optimized to create a solution to overcome the inhibition problem. Efficient utilization of farm waste and generation of methane from such organic waste is going to make it possible to make use of carbon sources more beneficial. Numerous facilities throughout the world utilize cattle and plant waste / products. Similar waste types can have different compositions. Biogas production is influenced by the water content, presence of bedding or similar additions, storage times, and feeding of the animals. Namely, usage of chicken waste in biogas production has been in focus with its high nitrogen content and salinity. However, its higher biodegradability compared to cattle waste and high free ammonia nitrogen concentration does not allow its use in decomposition facilities. Efficient use of farm wastes and obtaining methane from different organic wastes will allow the carbon sources to be used more beneficially.
The aims of this experimental project are; determination of biogas potentials of different farm wastes decomposed plain and in combinations, characterization of end products of fermentation, and identification of the conditions for enhanced biogas production. In this study, the target animal farms and slaughterhouses that occurs in a fully integrated facility comprising a combination of all organic waste is to examine the efficiency of the anaerobic falsifiability. In the study conducted for this purpose, in the region of 20 different waste treatment plants and slaughterhouses samples were taken. Waste mixing ratios determined by considering the potential in the area farms and also biogas production potential impact of waste collection frequency was also examined. In the second stage, taken from the same locality chicken waste, cattle waste, operated in batch reactors were mixed in different proportions. High nitrogen content of poultry manure, biogas production and reactor efficiency examined the effects were revealed.
For this study several sources are used for sampling: fresh and stale cattle waste from barns with or without beddings; treatment sludge and flotation waste from treatment stage of slaughterhouses, packaging and storage centers of avian animal meat production; solid and semi-solid wastes from a large scale slaughterhouse; and solid phase manure from farms using separator. This study involves various type of waste products and aims to investigate the anaerobic decomposition efficiencies of all organic wastes from an integrated production facility. For this purpose, 20 different waste products are collected from a waste treatment facility and slaughterhouse from the region. The ratios of different wastes in compositions are determined taking the regional facility and farm potentials into consideration. In addition, the impact of the waste collection frequency on biogas production potential was investigated. In the second phase, chicken waste from the same region was experimented in combination with cattle waste in different ratios. Next, the effect nutrient content of chicken waste on biogas production was investigated and reactor conditions were characterized.
Experiments focusing mainly on cattle waste were performed in 500 – 1000ml reactors with complete mixing and mesophilic conditions.  Preliminary trials have shown that the dehydration of cattle waste, which was done to decrease shipping costs, did not affect methane production potential (229 m3 metane/ton VSadded) of the waste. Many farms use bedding to increase health conditions of the animals. Hay (strow stalk) used in beddings have been shown to increase methane production potential 12%-17% when used with cattle manure in mixture. In addition, daily fresh waste was proven to be 17%-11% more efficient in same combinations per added volatile suspended solid in methane production compared to waste stored for 14-28 days. The effects of trace elements were also investigated in terms of anaerobic reactor efficiencies, where trace element amounts were adjusted for the microorganisms via accompanying acid and base solutions. Trace element supplement has been shown to increase biogas yield by 6,5%. 
Experiments focusing mainly on chicken waste were performed in 1000ml reactors with complete mixing and mesophilic conditions. In the glass bottles, time-course measurements of the gas pressure were done via manometer and gas balloons, and gas composition via gas chromatography. During the whole experimentation procedure, the contents of the raw waste and waste mixes in the reactor, nutrient element and heavy metal concentrations were measured by standard methods. Four different reactors were set up in parallel involving chicken waste substrate with 0%, 30%, 60%, and 100% mass ratio to cattle waste in the composition. Reactors were run for 30 day periods for 7 periods in total. TS (total solid), VS (volatile solid), VSS (volatile suspended solid), TSS (total suspended solids), pH, conductivity, alkanity, total phosphorus, ammonia, and total kjeldahl nitrogen parameters were measured at beginnings and endings of the last 5 periods. The TKN concentrations in the reactors at the 3rd period were measured to be 17% higher in average compared to the 1st period. Starting from 0% (no chicken manure) sample, the values of the 3rd period are measured as 3,46, 3,85, 5,05, 5,20 g/L and did not change more than 2%. Free ammonia concentration generated by ammonia nitrogen from degradation of organic nitrogen reached 196, 253, 307 and 412 mg/L at the 4th period. After the pH values reached 7,84 - 8,23 from 4th period on, reactors were neutralized their pH and free ammonia nitrogen levels were kept below 100mg/L. The reactor without chicken manure was observed not to have changed its methane production potential throughout, even being set back to its initial value showing reverse effect of the free ammonia inhibition. In the reactors with 30% and 70% chicken manure on the other hand, methane production potential was dropped 10% - 20%. The decrease in free ammonia nitrogen caused increased methane production. However, this increase is lower than the initial methane production potentials indicating the reverse effect of the inhibition on methane bacteria. It is deducible that the sharp increase in in free ammonia creates unfavorable environment for bacteria. The 100% chicken manure reactor has lost its methane production potential above 30% showing the highest inhibition among samples. Especially, the increased salinity (conductivity) in the reactors with high chicken manure content is another factor affecting the methane production potential. The conductivity value of 44,3 mS/cm (28,6 ppt) measured from the reactor with highest chicken manure content at its last period indicates that if the ion content of chicken manure is not diluted, methane production will be low. The reactors show below average Ca, Mg, Se, and Cr, average Fe and Zn, and above average Na and Cu ion levels. Farm wastes do not have typical waste trace element levels. Hence, supplementing of trace elements can increase methane production from farm wastes. Even limit values of trace elements for anaerobic bacteria are in a wide range, some shows there are sensitive element ranges for any of them.