Seyreltik Kanatlı Hayvan Endüstrisi Atıklarının Havasız Arıtımı Ve Mikrobiyal Toplulukların Kantitatif Analizi

Abstract

Günümüzde ekosistemin bozulmasına sebep olan unsurlardan olan hızlı sanayileşme, tüketim miktarlarındaki artış ve yoğun şehirleşme gibi sebeplerden dolayı önemli çevre sorunları da ortaya çıkmaktadır. Son yıllarda atıksuların arıtımı için uygulananteknolojilerdeki gelişmelere paralel olarak; oksijensiz arıtma teknolojisi, kuvvetli organik madde içeren tarımsal atıksuların ve hayvan çiftliklerinden kaynaklanan atıksuların arıtıldığı tesislerde ortaya çıkan arıtma çamurlarının arıtılmasında yoğun olarak uygulanmaktadır. Hayvan çiftliklerinden kaynaklanan atık suların kirlilik potansiyeli de yüksektir. Bu tür endüstriyel faaliyetlerden oluşan atıksular, arıtılmadan alıcı ortamlara verildiği zaman yüksek miktarda kirlilik oluşturmaktadır. Hayvancılık işletmelerinin ortaya çıkardığı kirlilik kaynakları, endüstriyel ve kentsel kirlilik kaynaklarından da daha geniş alanlara yayılabilmektedir. Bunun nedeni ise, noktasal kirlilikten farklı olarak, su ya da genel olarak biyosferdeki kirliliğin tespit edilmesinin daha zor olmasıdır. Yayılı kirlilik kaynakları (gübreler, hayvansal atıklar vb.) yeraltı sularına veya yüzeysel sulara ulaşarak su kaynaklarının kalitesini bozmakta ve kullanılamaz hale getirmektedir. Anaerobik arıtma prosesleri, atıklardan enerji geri kazanımını sağlayarak, atıkların nihai olarak uzaklaştırılmaları açısından en çok tercih edilen bir biyolojik arıtma teknolojisidir. Anaerobik şartlarda arıtma ile atıksuların içerisindeki organik maddeler enerji amacı ile kullanılarak biyogaza dönüştürülebilir. Böylece, hem atıksuyun kirlilik yükü azaltılır, hem de yenilenebilir bir enerji kaynağı olan biyogaz üretimi gerçekleştirilebilir. Son yıllarda hızlı bir ivme ile gelişen tavukçuluk sektörü, bazı çevresel problemleri de beraberinde getirmektedir. Özellikle beyaz et tüketiminin, dünya çapında olduğu gibi, Türkiye’de de son yıllardaki hızlı artışı; hayvancılık sektöründe büyük oranda et ve yumurta işletmelerinin çoğalmasına neden olmuş ve bu durum Türkiye’de, kümes hayvanlarından kaynaklanan katı ve sıvı atıkların önemli oranda artmasına sebep olmuştur. Çevre sorunlarına neden olan tavuk çiftliklerinin atıkları, aynı zamanda önemli bir ekonomik potansiyel taşımaktadır. Hayvansal atıkların çoğu gübre ve yem üretimi gibi amaçlarla kullanılmaktadır. Kanatlı hayvanlardan kaynaklanabilecekdışkı miktarına bakıldığında; ortalama olarak bir kümes hayvanından yılda 0,022 ton gübre ortaya çıkmaktadır. Böylece, Türkiye’de yılda üretilen yaklaşık 7 milyon ton civarındaki kanatlı hayvan gübresinin ciddi çevre problemlerine yol açacağı ön görülmektedir. Tavuk gübresinin karakteristik özelliği katı madde içeriğinin %10-30 arasında, NH4-N konsantrasyonlarının ise oldukça yüksek (~ 8 g/L) olması sebebiyle - yüksek miktarlarda protein ve amino asit içerikleri - yüksek konsantrasyonlarda organik azot içermektedir. Anaerobik arıtma uygulaması için uygun bir substrat olan tavuk gübresinden yüksek miktarlarda metan gazı elde edilebilmektedir. Havasız arıtma uygulaması, çevre kirliliğinin önlenmesi ve enerji ihtiyacı gibi hususların önemli bir kısmına çözüm sunmaktadır. Türkiye’de de havasız arıtma konusunda yapılan araştırmalar gün geçtikçe gelişim göstermektedir. Havasız arıtma, hızlı ve fizibıl bir şekilde organik atıkların yönetimine/arıtımına çözüm sunmakta olup; bu sebeple oldukça fazlauygulama potansiyeline sahiptir. Fakat yeni teknolojilerin kullanılmasının oldukça pahalı olduğu Türkiye’de havasız arıtma uygulamalarıhenüz tam olarak yeterli değildir. Bu kapsamda, Havasız Çamur Yataklı Reaktör (HÇYR)’ler gibi yüksek hızlı havasız sistemlerin, özellikle hayvan atıkları gibi yüksek organik madde içeriğine sahip atıkların arıtımında uygulamaları da literatürde henüz çok kısıtlıdır. Genel olarak havasız çamur yataklı reaktörler; havasız filtrelerdeki sentetik dolgu malzemesinin pahalı olması, tıkanma, kanallanma, büyük debilerdeki aşırı yük ve biyokütle kaybı gibi dezavantajları olmayan, içerisinde yatak malzemesi bulunmayan, ayrı bir mekanik karıştırma ve harici bir çöktürme birimine ihtiyaç duyulmadığı için yüksek hızlı bir sistemlerdir. Arıtma, reaktörün alt kısmında bulunan granüler yapıdaki çamur yatağı ile bunun üst kesimindeki çamur örtüsünde gerçekleştirilmektedir. Türkiye’de inek, koyun ve kümes hayvanları sayısının yaklaşık olarak sırasıyla 13, 30 ve 265 milyon olduğu göz önüne alınırsa; yıllık atık kapasiteleri sırasıyla 128, 25, 8 milyon ton civarında hesaplanmaktadır. Yıllık toplam katı madde miktarları (TKM) ise 16.2, 6,1 ve 1,9 milyon ton değerlerindedir. Katı maddenin metana dönüşüm oranının 0,150 m3 CH4/kg TKM olduğu kabul edilirse; metan üretiminin yılda yaklaşık 1,87 milyar m3 olduğu hesaplanabilir. Buna göre yıllık enerji geri kazanım potansiyeli (%60 geri kazanım olduğu kabul edilirse) 5,43 milyon MW-saat olmakta ve bu değer 620 MW’lık bir enerji tesisine karşılık gelmektedir. Tavuk gübresi gibi yüksek kirlilikteki atıkların HÇYR sistemleri ile arıtımları sayesinde yüksek oranda organik madde gideriminin yanında çok yüksek miktarlarda biyogaz geri kazanımı da mümkün olabilmektedir. HÇYR sistemlerinde biyogaz geri kazanımı değerlendirilirken, reaktör içerisindeki biyokütlenin özelliklerinin de mutlaka incelenmesi gerekmektedir. Bu kapsamda, son yıllarda uygulamaları oldukça artmış olan moleküler tekniklerden yararlanılmaktadır. HÇYR sistemleri gibi yüksek hızlı havasız reaktörlerin en önemli özelliklerinden biri, bu reaktörlerde yüksek miktarlarda granül anaerobik çamurun bulunabilmesidir. Diğer havasız sistemlerin yatak malzemesi boşluklarında kısmen gerçekleşen granülasyon; HÇYR sistemlerinde herhangi bir dolgu malzemesi olmadığı halde oluşturulabilmektedir. Çamur hacim indeksi (ÇHİ) < 40 mL/g ve metan verimi yüksek olan bu çamurdaki granüllerin ortalama çapları 1-2 mm olup bazı hallerde 5 mm’ye kadar artış gösterebilmektedir. Reaktördeki granül çamurun hem farklı tipte anaerobik bakterilerin oluşumuna hem de mikrobiyal yapısı ile bileşimine dikkat edilmesi gerekmektedir. Granüller genellikle yapısı kompleks katmanlıdır. Dış yüzeyde, tam olarak fermantatif bakteriler ve hidrojenotrofik metanojenler bulunur. İç tabakada ise asetik asit kullanan (asetiklastik) metanojenler ve hidrojen üreten bakteriler bulunmaktadır. Bunun yanında, farklı türlerde anaerobik bakterilerin, granüller içerisinde birlikte bulunabilmektedir. Bu tez çalışmasında, 6,45 L hacime sahip olan laboratuvar ölçekli bir HÇYR kullanılmıştır. Reaktör, 1 m yükseklikte ve 90 mm çapında pleksicam kolonlardan oluşmuştur. Reaktör; konik bir giriş kısım silindirik bir gövde, bir gaz-sıvı-katı ayırıcı bölme ve bir çıkış savağı olmak üzere 4 ana parçadan meydana gelmektedir. Sisteminin farklı noktalarından kolay bir şekilde numune alabilmek ve reaktörün etkili hacmi boyunca biyokütle değişimi hakkında bilgi sahibi olabilmek amacıyla silindirik gövde üzerine 5 adet numune alma musluğu monte edilmiş. Çalışmada, iki farklı çiftlikten gelen tavuk atığı numunelerinden yararlanılmıştır. Laboratuvara getirilen atık daha sonra +4°C’de muhafaza edilmiştir. Çalışmanın işletmeye alma süresinde, daha önceden tavuk atığına adapte olmuş olan granül aşı çamuru kullanılmıştır. Reaktör, doğal ortam (oda) sıcaklığında işletilerek, herhangi ilave bir ısıtma uygulanmamıştır. Besleme sırasında reaktörün yoğun substrat ile tıkanmaması amacıyla ham tavuk atığı 1+6 oranında seyreltilmiş ve bu karışım 4,00 mm çaplı elekten geçirildikten sonra reaktörün giriş kısmından yukarı akışlı olacak şekilde sisteme beslenmiştir. Reaktörün her gün seyreltilmiş tavuk atığı beslenmesine dikkat edilmiş ve çalışma süresince HÇYR farklı hidrolik bekletme süreleri ile işletilmiştir (~13-26 gün). Reaktörde oluşan biyogaz günlük olarak bir gaz metre yardımıyla kaydedilmiştir. Reaktörde gerçekleşen giderimlerin araştırılmasıiçin pH, alkalinite, toplam ve çözünmüş KOİ, AKM, UAKM gibi konvansiyonel parametreleri düzenli olarak ölçülmüştür. Ayrıca, mikrobiyolojik aktivitelerin çeşitliliği ve miktarı hakkında da çalışmalarda bulunulmuştur. Tez çalışmasının başında, çalışmanın esası ve önemi hakkında detaylı bilgi verilmiştir. Çalışma kapsamında literatürdeki benzer araştırmalar hakkında bilgiler de verilmiştir. Havasız arıtmaya etki eden faktörler ile havasız arıtmada kullanılan sistemlerden kısaca bahsedilerek çalışmada kullanılan HÇYR sistemleri hakkında genel bilgilere yer verilmiştir. Havasız arıtma sürecinde mikroorganizmaların rolü hakkında literatür bilgilerine de yer verilmiştir. Ayrıca hayvan atıklarının, özellikle tavuk atıklarının karakteristik özellikleri hakkında bilgi sunulmuştur. Tez çalışmasının ‘Materyal ve Yöntem’ kısmında, çalışmada kullanılan tavuk atığı ve granül aşı çamurunun özelliklerinden bahsedilmiştir. İki farklı seyreltik tavuk atığının karakterizasyonu, HÇYR’nin işletme koşulları, yapılan deneylerde kullanılan ekipmanlar ve analitik yöntemler hakkında da bilgi verilmiştir. Çalışmanın ‘Sonuçlar ve Tartışma’ kısmında, günlük olarak ölçülen işletme sıcaklık değerleri ile biyogaz üretimleri gibi veriler de verilmiştir. Granül aşı içeren HÇYR’den elde edilen arıtma verimi sonuçları konvansiyonel parametrelerde izlenen değişimleri içerecek şekilde çizelgeler ve grafikler halinde sunulmuştur. Ayrıca, reaktördeki çamur yatağına ait mikrobiyolojik çalışmalar da gerçekleştirilerek; toplulukların miktarları tespit ve tayin edilmiştir. Anaerobik arıtma proseslerinde kompleks organik bileşiklerin metan gazına dönüştürülmesinde, çeşitli mikroorganizma grupları yer almaktadır. Çalışmanın sonuç kısımında, doğal ortam sıcaklığında (herhangi bir ilave ısıtma uygulanmaksızın) iki farklı seyreltik tavuk atığı ile beslenen ve farklı hidrolik bekleme süreslerinde işletilen HÇYR’de gerçekleşen biyogaz üretimleri giderilen TKOİ, parametresi açısından analiz edilmiştir. Buna göre, bekletme süresinin yaklaşık 13 gün olduğu deney düzeneğinde günlük ortalama biyogaz üretim miktarları Atık I için 2365 mL/gün ve Atık II için 2140 mL/gün’dür. Bunun yanında, havasız çamur reaktörde toplam KOİ giderim verimleri Atık I için %89, Atık II için ise %90 bulunmuştur. Diğer yandan çözünmüş KOİ giderim verimleri Atık I’de %63, Atık II’de %75’tir. Her iki çamur için de AKM ve UAKM giderim verimleri benzer bulunmuştur. Atık I’de AKM giderimi %98, UAKM %97 olarak ölçülmüş, bu değer Atık II ’de %99 olarak bulunmuştur.

Anaerobic digestion is widely known as a natural process, which converts the biomass (plants, animals or their wastes) to energy and which is now used as one of the most appropriate waste treatment alternatives owing to pollution control and energy recovery. In anaerobic digestion, naturally occurring microorganisms are used to breakdown organic materials and produce biogas, a mixture of mainly methane and carbon dioxide. Many agricultural and industrial wastes can release undesired methane into the atmosphere, but treatment and recovery of this gas by anaerobic treatment processes reduces this source of atmospheric methane. In addition, biogas can be combusted to produce renewable electricity. Hence, anaerobic treatment is a preferred waste treatment process since it produces, sufficiently than consumes, energy and the products of anaerobic digestion have value and can be sold to offset treatment costs. In this respect, poultry litter, a combination of accumulated chicken manure, feathers, and bedding materials (obtained from broiler houses), are ideal candidates for anaerobic digestion because they contain high levels of easily biodegradable materials. Since animal wastes contain high ammonia concentrations, these wastes have high buffering capacities. Moreover, all animal wastes have lower TS contents (3-5% for the piggery wastes and 6-9% for the cattle wastes) than the organic fraction of municipal solid wastes. Besides, poultry manure contains significant concentrations of organic nitrogen due to the presence of high levels of protein and amino acids. Of the nitrogen in fresh manure, 60-80% is typically in the organic form, such as urea and protein. Depending on the environmental conditions, a large percentage of this organic nitrogen (40-90%) is converted into ammonia within a year. Thus, during anaerobic digestion of poultry manure, the concentration of endogenous ammonia nitrogen might rise considerably. In this study, anaerobic treatability of chicken (laying hen) manure was evaluated in a laboratory scale Anaerobic Sludge Bed (ASB) reactor inoculated with the granular sludge source already adapted to chicken manure and the reactor was operated at ambient temperature in order to avoid external heating up to mesophilic temperatures. Since heat requirement for raising the temperature of the incoming feed for anaerobic digestion is eliminated, energy recovery from anaerobic treatment of chicken manure could be realized with less operating costs. Reactor was fed daily with the diluted chicken manure (with an influent feed ratio of 1 kg of fresh chicken manure to 6 liter of tap water) at different HRT values (~8.6-26 days). The treatment performance of the ASB reactor was evaluated with the assessment of the biogas production and some conventional parameters like total and soluble chemical oxygen demand (Total COD and Soluble COD), total suspended solids (TSS), nitrogen, pH and alkalinity changes. Additionally, operational temperature and the produced biogas results were also recorded daily. In microbiological studies, quantification analysis of bacteria, archaea, and methanogens have been done using real time PCR method. Results indicated that average daily biogas productions were 2365 and 2140 mL/day for Slurry-I and Slurry-II, respectively at the same HRT ~ 13 days. Besides, average Total COD removal efficiencies in the ASB reactor were around 89% and 90% for Slurry-I and Slurry-II, respectively. On the other hand, average Soluble COD removal efficiencies were about 63% for Slurry-I and 75% for Slurry-II. Regarding TSS and VSS removals, similar results were observed for both slurries. For Slurry-I, TSS and VSS removal efficiencies were ca. 98 and 97%, respectively, whereas they were both 99% for Slurry-II. Microbiological analysis showed a shift in methanogenic community during biogas recovery and as the number of bacterial community decreased, the amount of archaea increased through the effective digestion volume of the ASB reactor. Moreover, the number of methanogens displayed an uptrend like archaeal community. Methanogenic community showed correlation with acetate concentration in both Slurry-I and Slurry-II.