Yüksek azot içerikli organik atıkların havasız arıtımı: Biyogaz potansiyeli ile mikrobiyal türlerin araştırılması

Gelişmekte olan ülkeler kategorisinde bulunan ülkemizde son yıllarda nüfusta meydana gelen hızlı artışa paralel olarak gıda sektöründe de artış gösteren ihtiyacın karşılanabilmesi için bu sektörde birçok farklı kol gelişmiştir. İnsan vücudu için oldukça önemli olan ve hücre yapısının temel organik maddesini oluşturan proteince zengin et ve yumurta gibi iki önemli kaynağın temin edildiği tavukçuluk sektörü, bu kollardan en önemlilerinden birini oluşturmaktadır. Bu bağlamda, beyaz et tüketimi son yıllarda hızla artarak; kanatlı hayvanlardan kaynaklanan atıklar da ekosistemi tahrip ederek; önemli çevre problemlerine sebep olmaktadır. 2017 yılı, Ocak ayı TÜİK verilerine göre ülkemizde, tavuk yumurtası üretimi bir önceki yıla göre %7.4 oranında artarak yaklaşık 1.6 milyar adet olmuştur. Tavuk eti üretimi ise bir önceki yılın aynı ayına göre yaklaşık %13 oranında artış göstererek, yaklaşık 162000 ton olarak rapor edilmektedir. Hayvan dışkısı, altlık malzemeleri, ölü kuşlar, yumurta kabukları, kırılmış yumurtalar, tüyler ve çeşitli kesimhane atıklarını içeren kümes hayvan atıkları, özellikle ülkemizde bu alanda yeterli düzenleme olmadığından dolayı, kontrolsüz bir şekilde tarlalarda gübre olarak; ya da sadece kesimhane atıklarına ait yan ürünlerin değerlendirildiği ünitelerde yem malzemesi olarak kullanılmaktadır. Fakat tavuk atıklarının kontrolsüz bir şekilde yönetimi, çevresel açıdan istenmeyen problemler doğurabilmektedir. Bu sebeple, ülkemizde kümes hayvancılığı sektöründe yaşanan bu gelişme; kanatlı hayvanların yetiştirildiği çiftliklerden kaynaklanan ve gün geçtikçe artan miktarlardaki atıkların ne şekilde bertaraf edilecekleri sorusunu da beraberinde getirmiştir. Tarım ve hayvancılık faaliyetleri sonucu oluşan atıklardan biyogaz eldesine olanak sağlayan havasız arıtma prosesleri, kirlilik yükünü azaltırken aynı zamanda bu proseslerden yenilenebilir bir enerji kaynağı olan biyogaz geri kaznımının da gerçekleşmesi sebebiyle en çok tercih edilen biyolojik arıtma teknolojisidir. Bu tez çalışması kapsamında, sadece yumurta üretiminin gerçekleştirildiği bir tavuk çiftliğinden kaynaklanan hayvansal atıkların, mezofilik sıcaklıkta (35 C), farklı katı madde oranlarında işletilen anaerobik kesikli test düzenekleri ile ilk olarak optimum katı madde yükleme oranı belirlenmiştir. Daha sonra, belirlenen optimum TKM oranında yarı-sürekli anaerobik bir sistem işletilmiş ve yine tavuk atıklarının havasız arıtılabilirliği ile biyogaz potansiyeli araştırılmıştır. Böylelikle, tavuk atıklarının havasız arıtımının gerçekleştirildiği gerçek ölçekte işletilen sistemlerde gözlenebilecek işletme problemlerinin daha temsil edici bir şekilde ortaya konması amaçlanmıştır. Bunun yanında, tavuk atıklarının havasız arıtımı sırasında ortamda bulunan organik maddelerin gideriminden sorumlu mikrobiyal komünite ve yine bu proseslerde yüksek azot içeriklerinden dolayı ortaya çıkması muhtemel inhibisyona uyum sağlayabilecek türlerin tespiti, DNA izolasyonunu takiben 'Yeni Nesil Dizileme ' yöntemi ile bakteriyel ve arkeyal grupların miktarları ise gerçek zamanlı kantitatif Polimeraz Zincir Reaksiyonu ile belirlenmiştir. Böylece, tavuk atıklarının anaerobik sistemler ile arıtılabilirliği, sadece mühendislik tasarım parametreleri seviyesinde değil aynı zamanda hücre içi seviyede de incelenebilmiştir. Bu tez çalışmasının ilk bölümünde, çalışmanın amaç, kapsam ve önemi yer almaktadır. İkinci bölümde ise, anaerobik biyoteknoloji, tavuk atıklarının havasız arıtımı ve anaerobik arıtımın mikrobiyolojisinin anlatıldığı detaylı bir literatür araştırması yer almaktadır. Üçüncü bölümde 'Materyal ve Yöntem' kısmı yer almakta olup; çalışmada substrat olarak kullanılan tavuk atığı ile reaktörlere işletmeye alma dönemlerinde ilave edilen aşı çamurunun karakterizasyonu sunulmuştur. Çalışmada kullanılan reaktörler, ekipmanlar ve analitik yöntemler ile mikrobiyolojik çalışmaların deneysel kısmı da yine üçüncü bölüm içerisinde yer almaktadır. Çalışmanın 'Bulgular ve Değerlendirme' kısmının yer aldığı dördüncü bölümde, kesikli test düzeneklerindeki optimizasyon sonuçları ile optimum TKM oranında işletilen yarı-sürekli reaktörde tavuk atıklarının havasız arıtılabilirlik sonuçları konvensiyonel parametreler ve günlük olarak ölçülen biyogaz üretimleri esas alınarak sunulmuştur. Dördüncü bölüm aynı zamanda Erasmus kapsamında gerçekleştirilen ve aynı tavuk atıkları gibi yüksek organik ve azot içerikli yemek atıklarının, bir yardımcı substrat kaynağı ile termofilik sıcaklıkta havasız olarak çürütüldüğü çalışma sonuçlarını da içermektedir. Ayrıca, gerek kesikli gerekse yarı-sürekli havasız biyoreaktörlerde tavuk ve yemek atıkları ile gerçekleştirilen mikrobiyolojik çalışmaların sonuçları da yine bu kısımda bulunmaktadır. Çalışmanın 'Sonuç ve Yorumlar' kısmında, tez çalışmasının tüm bulguları özetlenmiştir. Çalışma sonuçları mezofilik şartlarda (35 C) farklı katı madde oranlarında işletilen anaerobik kesikli test düzeneklerinde en yüksek biyogaz verimini, TKM=%5. 6 olan biyoreaktörde yaklaşık 239 lt/kg UKMbeslenen olarak göstermiştir. Kesikli sistemlerde elde edilen qPCR analiz sonuçlarına göre, biyogaz üretiminin sonlandığı 32 günlük inkübasyon süresi sonunda alınan biyokütle örneklerinde; metanojenlerin miktarı önemli ölçüde artış göstermiştir. İstatistiksel analiz sonuçları da UYA konsantrasyonunda gözlenen tüketim ile toplam metanojenlerin sayıları arasında da belirgin bir uyum olduğunu ortaya koymuştur (p<0.05). Kesikli çalışma sonuçlarına göre elde edilen optimum TKM oranında işletilen yarı-sürekli diğer bir anaerobik sistemde ise günlük ortalama biyogaz üretimi 670 ml/gün olarak elde edilmiştir. Bunun yanında, yarı-sürekli reaktörde çKOİ giderim verimi %62, TKM ve UKM giderim verimleri ise sırasıyla %53 ve %54 olarak bulunmuştur. AKM giderimi %50 ve UAKM giderimi ise %61 olarak ölçülmüştür. Kesikli sistemde TAN değişimi yaklaşık 1300 ile 5600 mg/lt aralığında gözlenmiştir. Yarı kesikli sistemde ortalama TAN konstrasyonu yaklaşık olarak 2300 mg/lt iken ortalama FAN konsantrasyonu yaklaşık 250 mg/lt olarak hesaplanmıştır. Çalışma boyunca sistemde pH'ın 8.0 değerinin üzerine çıktığı dönemler dışında; FAN konsantrasyonları literatürde inhibisyon için öngörülen aralıkların altında hesaplanmıştır. Yüksek FAN değerleri, biyogaz üretimleri üzerinde bir miktar olumsuz etki gösterse bile çalışmanın geneli dikkate alındığında serbest amonyaktan kaynaklanan inhibisyonun çok belirgin olmadığı belirlenmiştir. qPCR sonuçları ise bakteri, metanojen ve arke topluluklarının miktarlarında anlamlı artışlar göstermiştir. Çalışmanın 'Sonuç ve Yorumlar' kısmında ayrıca Erasmus Programı süresince tavuk atığı gibi yüksek organik içerikli bir atık olan yemek atığının farklı organik yükleme hızlarında termofilik şartlardaki anaerobik arıtımı da araştırılmıştır. Bu kapsamda, aynı OYH değerinde; yardımcı substrat olarak %20 oranında saman ilavesi yapılmış olan reaktördeki metan verimi, hiç saman içermeyen kontrol ve %10 oranında saman içeren reaktörlere kıyasla daha fazla olduğu görülmüştür ve bu değerin yaklaşık 563 mL/gUKM/gün olduğu bulunmuştur. Bu reaktörlerde, Euryarchaeota, Proteobacteria ve Actinobacteria'ı takiben Firmicutes ve Bacteroidetesler türlerinin baskın olduğu yapılan NGS çalışmaları sonucunda belirlenmiştir. Erasmus kapsamında yapılan çalışma sonuçları ışığında, ilave yardımcı substrat olan samanın yemek atığının çürütülmesinde anaerobik arıtılabilirlik ve metan verimliliği üzerinde daha etkili olduğunu ortaya koymuştur. Firmicutes, Bacteroidetes ve Euryarchaeota türlerinin yemek atığı ve samanın birlikte çürütüldüğü havasız reaktörlerde baskın filum olarak tespit edilmesi sonucunda; bu üç mikrobiyal türün yemek atığı ve saman içerisinde bulunan organik maddelerin ayrışmasından sorumlu olduklarını ortaya koymuştur. Ayrıca, yemek atığının %20 saman ilaveli reaktörde birlikte çürütüldüğü sistemde en yüksek metan verimi gözlenmiş ve yine en yüksek Euryarchaeota filumu da bu reaktörde tespit edilmiştir.