Sığır gübresi, mısır silajı ve şeker pancarı küspesinden termal, kimyasal ve fiziksel ön işlemler uygulanarak biyogaz üretiminin incelenmesi
Investigation of biogas production by applying thermal, chemical and physical pretreatments from cattle manure, corn silage and sugar beet pulp
Yazar: HALİL ŞENOL
Danışman: PROF. DR. ÜNSAL AÇIKEL
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering

Özet:
Bu çalışmada taze sığır gübresi, mısır silajı ve şeker pancarı küspesi karışımlarından anaerobik koşullarda biyogaz üretimi incelenmiştir. Anaerobik fermantasyonda ön işlemsiz koşullarda, sığır gübresi, mısır silajı ve şeker pancarı küspesi farklı oranlarda karıştırılarak optimum kütlece karışım oranı sırasıyla 2:1:1 olarak belirlenmiştir. Bu karışım oranının toplam suda çözünmesi % 42,1 ve biyogaz üretim hızı 180,5 ml/g KM olarak gerçekleşmiştir. Bu karışım oranına sırasıyla termal, alkali, asit, termokimyasal ve ultrases dalgası ön işlemleri uygulanmıştır. 
Termal ön işlemler 100, 120, 150 ve 180 °C'de 10, 20, 30, 60 ve 120 dakika sürelerde uygulanmıştır. En yüksek biyogaz verimi, 180 °C'de 60 dakika ön işlem uygulanan reaktörde 362,1 ml/g KM değerinde olmuştur ve % 100,6 daha fazla biyogaz üretimi gerçekleşmiştir. Termal ön işlem sonucunda % 48,9 daha fazla su çözünme sağlanmıştır. KOİ giderimi bu reaktörde % 80 oranında gerçekleşmiştir. 
Alkali ön işlemler 8N KOH ve 8N NaOH çözeltileri ile gerçekleştirilmiştir. Reaktöre alkali miktarı, reaktörde bulunan katı madde oranının kütlece % 5, % 10, % 15, % 20 ve % 30'u kadar eklenmiştir. NaOH ön işlemi sonucunda en yüksek biyogaz oluşumu % 20'si kadar alkali eklenen reaktörde 288,7 ml/g KM miktarında olup, % 59,9 daha fazla üretim gerçekleşmiştir. Aynı reaktörde fazla suda çözünme % 32,4 oranında, KOİ giderimi % 69,0 oranında gerçekleşmiştir. KOH ön işlemi sonucunda en yüksek biyogaz oluşumu % 15'i kadar alkali eklenen reaktörde 301,2 ml/g KM miktarında olup, % 66,8 daha fazla biyogaz üretimi gerçekleşmiştir. Aynı reaktörde fazla suda çözünme % 30,5 oranında, KOİ giderimi % 73,1 oranında gerçekleşmiştir.
Asit ön işlemler kütlece % 15'lik H2SO4 ve kütlece % 15'lik HNO3 çözeltileri ile gerçekleştirilmiştir. Reaktöre asit miktarı, reaktörde bulunan katı madde oranının kütlece % 5, % 10, % 15, % 20 ve % 30'u kadar ayrı ayrı eklenmiştir. H2SO4 ön işlemi sonucunda en yüksek biyogaz oluşumu % 20'si kadar asit eklenen reaktörde 258,5 ml/g KM miktarında olup, % 43,2 daha fazla üretim gerçekleşmiştir. Aynı reaktörde fazla suda çözünme % 32,4 oranında, KOİ giderimi % 66,1 oranında gerçekleşmiştir. HNO3 ön işlemi sonucunda en yüksek biyogaz oluşumu % 20'si kadar asit eklenen reaktörde 301,4 ml/g KM miktarında olup, % 66,9 daha fazla üretim gerçekleşmiştir. Aynı reaktörde fazla suda çözünme % 26,6 oranında, KOİ giderimi % 66,1 oranında gerçekleştirilmiştir.
Termokimyasal ön işlemler kütlece % 15'lik H2SO4, kütlece % 15'lik HNO3, 8N KOH ve 8N NaOH çözeltileri ile gerçekleştirilmiştir. Reaktöre asit ve alkali miktarı, reaktörde bulunan katı madde oranının kütlece % 5, % 10, % 15, % 20 ve % 30' u kadar ayrı ayrı eklenmiştir. Asit termokimyasal ön işlemler sonucunda H2SO4-termal ön işlemi, HNO3-termal ön işleminden daha etkili olmuştur. H2SO4-termal ön işlemi sonucunda en yüksek biyogaz oluşumu % 10' u kadar asit eklenen reaktörde 355,6 ml/g KM miktarında olup, % 97,0 daha fazla üretim gerçekleşmiştir. Aynı reaktörde fazla suda çözünme % 55,8 oranında, KOİ giderimi % 75,4 oranında gerçekleştirilmiştir. Alkali-termokimyasal ön işlemler sonucunda KOH-termal ön işlemi, NaOH-termal ön işleminden daha etkili olmuştur. KOH-termal ön işlemi sonucunda en yüksek biyogaz oluşumu % 10'u kadar asit eklenen reaktörde 458,4 ml/g KM miktarında olup, % 153,9 daha fazla üretim gerçekleşmiştir. Aynı reaktörde fazla suda çözünme % 90,5 oranında, KOİ giderimi % 87,1 oranında gerçekleştirilmiştir. 
Ultrases dalgası ön işlemi 5, 10, 20, 30, 50 ve 100 kj şiddetinde ve sırasıyla 5, 10, 20, 30 ve 60 dakika sürelerde uygulanmıştır. Ultrases dalgası ön işlemi sonucunda en yüksek biyogaz oluşumu 100 kj şiddetinde ve 20 dakika uygulanan ön işlem koşulları altında 270,6 ml/g KM miktarında olup, % 49,9 daha fazla üretim gerçekleşmiştir. Aynı reaktörde fazla suda çözünme % 90,5 oranında, KOİ giderimi % 67 oranında gerçekleşmiştir. 
Sonuç olarak sığır gübresi, mısır silajı ve şeker pancarı küspesinin anaerobik fermantasyondaki optimum kütlece karışım oranına uygulanan termal, alkali, asit, termokimyasal ve ultases dalgası ön işlemleri sonucunda biyogaz veriminde artış incelenmiştir. Biyogaz verimini en fazla artıran ön işlem termokimyasal ön işlemler olmuştur.

Abstract:
In this study, biogas production was investigated from fresh cattle manure, corn silage and sugar beet pulp mixtures under anaerobic conditions. In anaerobic digestion conditions, cattle manure, corn silage and sugar beet pulp were mixed in different ratios and the optimum mass mixture ratio was determined as 2:1:1, respectively. The total water dissolution rate was 42.1% and the biogas production rate was 180.5 ml/g TS. Thermal, alkaline, acid, thermochemical and ultrasonic wave pretreatments were applied to this mixture ratio, respectively.
Thermal pretreatments were applied at 100, 120, 150 and 180 °C for 10, 20, 30, 60 and 120 min. The highest biogas yield was 362.1 ml/g TS in the reactor treated at 180 °C for 60 min and 100.6 % incremental yield was achieved. As a result of the thermal pretreatment, 48.9 % incremental water dissolution was achieved. sCOD removal was 80 % in this reactor.
Alkaline pretreatments were performed with 8N KOH and 8N NaOH solutions. The amount of alkali to the reactor was added to 5 %, 10 %, 15 %, 20 % and 30 % of the solids content in the reactor. As a result of the NaOH pretreatment, the highest biogas production was 288.7 ml/g TS in 20 % alkaline added reactor and 59.9 % incremental production. In the same reactor, water dissolution was realized as 32.4 % and sCOD removal was 69.0 %. As a result of KOH pretreatment, the highest biogas formation was 301.2 ml/g TS in the reactor with alkaline added up to 15 % and 66.8 % incremental production was realized. In the same reactor, incremental water dissolution was 30.5 % and sCOD removal was 73.1 %.
Acid pretreatment was carried out with 15 % by mass of H2SO4 and 15 % by mass of HNO3 solutions. The amount of acid to the reactor was added separately to 5 %, 10 %, 15 %, 20 % and 30 % of the solids content of the reactor. As a result of the H2SO4 pretreatment, the highest biogas production amounted to 258.5 ml/g TS in the reactor with acid addition of 20 % and 43.2 % incremental yield was realized. In the same reactor, water dissolution was realized as 32.4 %, removal of COD by 66.1 %. As a result of HNO3 pretreatment, the highest biogas formation was 301.4 ml / g TS in the reactor with 20 % acid addition, and 66.9 % incremental production was realized. In the same reactor, incremental water dissolution was realized as 26.6 %, COD removal was 66.1 %.
Thermochemical pretreatments were performed with 15 % by mass H2SO4, 15 % by mass of HNO3, 8N KOH and 8N NaOH solutions. The amount of acid and alkali in the reactor was separately added up to 5 %, 10 %, 15 %, 20 % and 30 % of the solids content of the reactor. As a result of acid thermochemical pretreatments, H2SO4-thermal pretreatment was more effective than HNO3-thermal pretreatment. The highest biogas formation as a result of H2SO4-thermal pretreatment was 355.6 ml/g TS in the reactor with 10 % acid addition and 97.0 % incremental yield was realized. In the same reactor, incremental water dissolution was realized as 55.8 %, removal of COD by 75.4 %. As a result of alkaline-thermochemical pretreatments, KOH-thermal pretreatment was more effective than NaOH-thermal pretreatment. As a result of KOH-thermal pretreatment, the highest biogas formation was 458.4 ml/g TS in the reactor with 10 % acid addition. In the same reactor, incremental water dissolution was 90.5 % and COD removal was 87.1 %.
The ultrasound wave pretreatment was applied at 5, 10, 20, 30, 50 and 100 kj and 5, 10, 20, 30 and 60 minutes respectively. As a result of the ultrasound wave pretreatment, the highest biogas production amounted to 270.6 ml/g TS at the rate of 100 kj and under pretreatment conditions applied for 20 min. In the same reactor, incremental water dissolution was 90.5 % and COD removal was 67 %. 
As a result, an increase in biogas yield was investigated as a result of thermal, alkaline, acid, thermochemical and ultases wave pretreatment applied to optimum mass mixture ratio of cattle manure, corn silage and sugar beet pulp in anaerobic digestion. The pre-treatment which increased the biogas yield was thermochemical pretreatments.