Investigation of ammonia removal and biogas recovery following anaerobic stabilization of the chicken wastes

Nüfusun hızlı bir şekilde artması, beslenme ihtiyaçlarının da artmasına ve buna paralel olarak özellikle hayvancılık endüstrisinin önemli bir kolu olan 'kümes hayvancılığı' sektörü içinde yer alan ve hem yumurta hem de et tavukçuluğu olmak üzere iki farklı koldan oluşan 'tavukçuluk' sektörünün de hızlı bir şekilde büyümesine neden olmuştur. Yaşanan bu gelişmenin beraberinde bu sektörden oluşan atıkların nasıl bertaraf edilmesi gerektiği de önemli bir problem olarak ortaya çıkmıştır. Bunun sebebi ise oluşan bu atıkların yüksek kirlilik oluşumuna sebep olabilecek; hayvan dışkısı, altlık malzemeleri, ölü kuşlar, yumurta kabukları, kırılmış yumurtalar, tüyler ve çeşitli kesimhane atıklarını içermesidir. Ülkemizde ne yazık ki bu alanda yeterli düzenleme olmadığından dolayı, bu atıklar sürdürülebilir yöntemlerle bertaraf edilmemektedir. Bunun neticesinde tavuk atıkları hem toprağın yapısını bozmakta hem de koku ve sivrisinek problemleri gibi insan sağlığını tehdit eden durumlara yol açmaktadır. Ayrıca, yeraltı/yüzey sularına karışarak azot/fosfor kirliliğine, dolayısıyla ötrofikasyona ve uzun süreler beklemeleri durumunda bozunarak metan gibi çeşitli gazların salınımı ile sera etkisine sebep olmakta; böylece çevre sağlığını da ciddi boyutlarda tehdit etmektedir. Açıkta bekleyen atıkta ayrıca; zararlı mikroorganizmaların üreyerek bu atıklara temas eden hayvanlara bulaşmasına ve böylece hastalığa sebebiyet veren mikropların kolayca yayılmasına sebep olabilmektedir. Yüksek protein kaynaklı beyaz ete artan ihtiyacı karşılamak için yetiştirilen tavuklar diyetlerinde önemli miktarda protein ve azot içeren diğer besinleri tüketirler. Diyetle alınan azot içerikli besinlerin hayvansal ürünlere dönüştürülmesi nispeten azdır ve %50- 80 oranında bulunan azot, hem organik hem de inorganik bileşik olarak dışarı atılır. Bunun sonucunda ise amonyak (NH3), azot gazı (N2), diazot monoksit (N2O) ve nitrat (NO3-) olmak üzere dört ana formdan oluşan azot emisyonuna sebep olurlar. Buna ek olarak, yemlerde ve veteriner ilaçların da bulunan arsenik, bakır ve çinko gibi toksik olabilecek ağır metal içeren tavuk atıklarının da doğaya karışmasına sebep olur. Uygun yöntemlerle bertaraf edilmeyen ağır metal içerikli bu atıklar bitkiler için zehirli etkiye sebep olabilir. Ayrıca bu bitkiler ile beslenen organizmaları da olumsuz yönde etkileyebilir, yüzey akıntısı ve sızma ile su sistemlerine karışabilirler. Patolojik açıdan incelendiğinde ise toprak ve su kaynaklarını olumsuz olarak etkileyebilecek potansiyele sahip olan bu atıklarda, doğada uzun süre kalabilen Cryptosporidium ve Giardia spp. gibi parazitler bulunur. Tüm bu olumsuz çevre problemlerinden dolayı, tavuk çiftliklerinden kaynaklanan atıkların gerek çevreye gerek ise insan sağlığına uygun bir şekilde arıtılarak bertaraf edilmesi gerekmektedir. Tavuk atıkları için uygulanan en uygun arıtma alternatifi şüphesiz havasız arıtmadır. Anaerobik arıtma; yüksek kirlilik yüküne sahip organik atıkların arıtımına ve biyogaz gibi kullanılabilir enerjinin geri kazanımına olanak sağlaması ve gübre elde edilmesi gibi avantajları sebebiyle son yıllarda tavuk atıklarının yönetiminde en fazla tercih edilen biyolojik proseslerden biridir. Ancak tavuk gübresinde, yukarıda bahsedildiği üzere yüksek miktarlarda protein ve amino asit bulunmaktadır. Tavuk atıkları ayrıca, yüksek konsantrasyonlarda organik azot içermekte olup; bu atıkların havasız arıtımı sırasında içsel amonyak azotu konsantrasyonu artar. Amonyum iyonlarının fazlası ise inhibisyona sebep olmaktadır. Havasız sistemlerde gözlenen inhibisyon; organik bileşiklerin parçalanması ve reaktörlerde uçucu yağ asiti birikimi ile düşük metan üretimleri gibi işletme problemleri ile anlaşılabilmektedir. Bu sebeple, inhibisyona sebebiyet verebilecek amonyak konsantrasyonunun önüne geçebilmek için ham tavuk atıkları uygun oranlarda seyreltildikten sonra substrat olarak havasız sistemlere beslenmelidir. Fakat bu atıklar seyreltilse bile havasız olarak arıtılmalarını takiben üst sularında hala yüksek amonyak konsantrasyonları olmaktadır. Bu sebeple, havasız sistemleri takiben çürütülmüş tavuk atığının üst fazında bulunacak yüksek azotun giderimi için ilave bir arıtma uygulanması gerekmektedir. Amonyağın giderimi amacıyla uygulanan farklı yöntemlerden; anaerobik amonyum oksidasyonu prosesi en cazip biyolojik azot giderimi alternatiflerinden biridir. Anammox prosesi ile amonyumun (NH4+) zararsız bir gaz olan N2 gazına çevrilmesi esas alınır. Kemolitoototrofik biyodönüşümü içeren Anammox prosesi; Planctomycetes-benzeri bakteriler tarafından gerçekleştirilmektedir. Bu proseste, Anammox bakterileri anoksik şartlar altında elektron alıcı olarak NO2yi okside ederler. Bu tez çalışması ile dünya genelinde ve ülkemizde son yıllarda hızla büyüyen tavukçuluk sektöründen kaynaklanan atıkların seyreltildikten sonra biyolojik olarak anaerobik arıtımını takiben; çıkış suyunda bulunan yüksek amonyak içeriğinin yukarı akışlı bir havasız çamur yataklı reaktör sisteminde gideriminin araştırılması amaçlanmaktadır. Bu kapsamda öncelikle, tavukçuluk sektöründen temin edilen atıklar uygun oranda seyreltilerek (TKM=%5. 6 ve %8.6) anaerobik granül çamur ile aşılanmış laboratuvar ölçekli mezofilik (35 C) sıcaklıkta işletilen tam karışımlı havasız bir reaktörde yarı-sürekli olarak arıtılmıştır. Bunu takiben reaktörün üst fazı, yine mezofilik (35 C) şartlarda işletilen ikinci bir biyolojik reaktör olan HÇYR sistemine beslenmiştir. Orjinalinde havasız bir reaktör olan HÇYR sistemi çalışma kapsamında anammox ve azot giderimen yönelik işletilmiştir. Bu kapsamda ayrıca, HÇYR sistemine beslenecek substrat seyreltilerek, içerisinde Amonyak/Nitrit (NH4+:NO2-) oranı 1.0 olacak şekilde dışarıdan nitrit kaynağı (NaNO2) ilave edilmiştir. Çalışma süresince, HÇYR sisteminin giriş akımında bulunan amonyak konsantrasyonu kademeli olarak arttırılarak; biyoreaktörün izin vereceği amonyak konsantrasyonu ortaya konmuştur. Tez çalışmasının ilk bölümünde, nüfus artışıyla beraber gelişen hayvancılık endüstrisinin önemli bir kolu olan kümes hayvancılığına ait atık özellikleri ve biyogaz potansiyeli açıklanmıştır. Ayrıca, tavuk atıklarının oluşturabileceği tehlikeleri bertaraf etmek için en etkili yöntem olan anaerobik arıtma detaylıca anlatılmıştır. Bunlara ek olarak, araştırmanın amaç ve kapsamı hakkında bilgiler verilmiştir. İkinci bölümde, tavuk atıklarının içeriği, özellikleri, bu atıkların kontrolü ile ilgili mevzuat ve ilgili literatür bilgileri sunulmuştur. Ayrıca, tavuk atıklarının sürdürülebilir yönetimi için arıtma alternatifleri tanıtılmış ve özellikle anaerobik arıtma prosesi ve havasız sistemler hakkında detaylı bilgi verilmiştirÜçüncü bölümde, yüksek azot içeren atıklar arasında bulunan ve özellikle tavuk gübresi gibi atıkların anaerobik reaktörlerde arıtılması sırasında ortaya çıkan işletme problemleri ile anaerobik arıtma sonrasında uygulanabilecek kimyasal ve biyolojik azot giderimi yöntemleri araştırılmış ve biyolojik sistemler arasında özellikle Anammox detaylı olarak açıklanmıştır. Dördüncü bölümde, tez konusu ile ilgili literatürde yer alan daha önceki çalışmalar araştırılmıştır. Çalışmalar sonucunda, Anammox sistemi ile yüksek amonyak giderimi ve tavuk atıklarından en etkili biyogaz geri kazanımı için optimum koşullar belirlenmiştir. Beşinci bölümde, ham tavuk atığı, aşı çamuru, araştırmada kullanılan reaktörler ve işletme koşulları hakkında bilgiler verilmiştir. Bunlara ek olarak, yapılan analizler, analitik yöntemler ve mikrobiyal analizlerin uygulama yöntemleri sunulmuştur. Altıncı bölümünde, tavuk atığının anaerobik çürütülmesini takiben üst fazda bulunan azotun ilave giderimi için yarı-sürekli HÇYR sisteminde elde edilen sonuçlar konvansiyonel parametreler ve günlük biyogaz üretimi temel alınarak sunulmuştur. Altıncı bölüm ayrıca, HÇYR sisteminden işletme boyunca alınan biyokütle çamur numuneleri üzerinde yapılan mikrobiyolojik çalışmaların sonuçlarını da içermektedir. Özellikle mikrobiyal topluluklardaki değişimler yeni nesil dizileme sonuçları ile belirlenmiştir. Tez çalışmasının tüm bulguları yine bu bölümde özet bir tablo içesinde sunulmuştur. Altıncı bölümde sunulan veriler ışığında; dışarıdan nitrit eklenmesi ve anaerobik granüler çamurun aşılanmasıyla, tavuk atığının anaerobik arıtımında önemli miktarda amonyak azotu giderimi olduğu ve Anammox ile heterotrofik denitrifikasyon proseslerinin HÇYR gibi tek bir sistemde bir arada gerçekleşebildiği gözlenmiştir. Yedinci bölümde ise araştırma sonuçları özetlenerek öneriler sunulmuştur. Bulgulara göre; işletme süresi boyunca en yüksek amonyak giderimi %60 oranında ve NH4+:NO2- oranı 1.08 olduğu zaman gerçekleşmiştir. Mikrobiyal çalışma bulgularına göre; biyokütle çamuru örneklerinde elektron alıcı olarak nitriti kullanarak amonyağı azot gazına oksitleyen ve Anammox bakterilerini de içeren Planctomycetes filumu tespit edilmiştir. Ayrıca, Anammox ve denitrifikasyon bakterileri topluluklarının zamanla oranlarında değişime uğradıkları ve Anammox bakterilerinin 120 gün işletme dönemi boyunca önemli oranda arttığı gözlemlenmiştir. Ancak, Planctomycetes ve Proteobacteria filumlarının işletmenin sonunda alınan biyokütle numunesinde azaldığı; bunun yanında Firmicutes ve Bacteroidetes filumlarının ise artış gösterdiği gözlenmiştir. Böylece, yüksek TAN ve karbon içerikli atıksuların arıtımında baskın mikrobiyal türlerin değişiklik gösterebileceği anlaşılmıştır. Bu sonuçlara ek olarak pH, alkalinite, toplam KOİ, çözünmüş KOİ, toplam amonyak azotu, serbest amonyak azotu, nitrat azotu, nitrit azotu, toplam askıda katı madde, uçucu askıda katı madde ve biyogaz üretim parametrelerine ait sonuçlar da bu son bölümde sunulmuştur. Çalışma sonuçlarına göre; ortalama pH giriş ve çıkış akımlarında sırasıyla 7.98 ve 8.28 olarak ölçülmüş, Anammox prosesinin gerçekleşmesi için gerekli olan pH 6.7-8. 3 aralığının sağlandığı gözlemlenmiştir. Alkalinite için giriş ve çıkış ölçüm sonuçları ortalama olarak sırasıyla 1315 ve 889 mg CaCO3/L olarak bulunmuştur. Ortalama toplam KOİ giriş değeri 780 ile 3023 mg/L aralığında değişirken çıkış değerleri ise 271 ile 614 mg/L aralığında ölçülmüş, böylece en yüksek toplam KOİ gideriminin %80 verimle 3. periyotta gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Ortalama çözünmüş KOİ giriş değeri 288 ile 634 mg/L aralığında değişirken; çıkış değerleri ise 207 ile 497 mg/L aralığında ölçülmüş, böylece en yüksek çözünmüş KOİ giderimi %32 verim ile yine 3. periyotta gerçekleşmiştir. Toplam amonyak azotu ortalama giriş değerleri 4 çalışma aralığı dikkate alındığında 119 ile 361 mg/L aralığında değişirken, çıkış değerleri ise 53 ile 152 mg/L aralığında ölçülmüştür. Böylece en yüksek verimin %60 ile 3. periyotta gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Serbest amonyak azotu ise girişte 14-45 mg/L, çıkış akımında 6-38 mg/L aralığında hesaplanarak; her iki akımda da inhibisyon sınırlarının altında olduğu görülmüştür. Nitrat azotu ortalama giriş değerleri 177 ile 124 mg/L aralığında, çıkış değerleri ise 59 ile 82 mg/L aralığında ölçülmüş, %82 azalma ile en yüksek tüketimin 4. Periyotta gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Nitrit azotu için ortalama giriş değerleri 100 ile 300 mg/L aralığında, çıkış değerleri ise 5 ile 9 mg/L aralığında ölçülmüş, en yüksek %98 giderim verimi olduğu hesaplanmıştır. Toplam askıda katı madde giriş ve çıkış değerleri için ortalama olarak sırasıyla 1350 ile 2100 mg/L ve 56 ile 82 mg/L arasında değiştiği gözlemlenmiş, en yüksek giderim veriminin %95 ile 4. Periyotta olduğu hesaplanmıştır. Uçucu askıda katı madde konsantrasyonlarının ise giriş ve çıkış değerleri için ortalama olarak sırasıyla 156 ile 810 mg/L ve 62 ile 93 mg/L arasında değiştiği gözlemlenmiş, en yüksek giderim verimi %93 ile 4. Periyotta olduğu hesaplanmıştır. Toplam biyogaz üretimi ise 2.3 L olmuştur. HÇYR sisteminin gaz hattından alınan gaz numunesinde yaklaşık %43 oranında N2 tespit edilmiştir.