Ultrasonik Ön Arıtmanın Tarımsal Biyogaz Tesislerinden Çıkan Artık Biyokütlenin Anaerobik Çürütme Verimine Etkisi

Abstract

Atıksu arıtma tesislerinden sonra veya tarımsal biyogaz tesislerinde uygulanan anaerobik çürütme prosesinde oluşan artık biyokütle çeşitli miktarlarda selüloz, hemi-selüloz ve lignin içermektedir. Son yıllarda, biyo-etanol, biyodizel, metan ve biyo-hidrojen gibi ikinci nesil biyo-ürünlerin üretiminde enerji ekinlerinden ziyade lignoselülozik biyokütlenin kullanılmasının tercihi artış göstermektedir. Bu eğilimin temel nedeni olarak enerji ekinlerinin hale hazırda yüksek talep gören yiyecek ekinleri ile toprak ve su rekabeti gösterilebilir. Ancak, lignin içeriği, selülozun kristalleşmesi, tanecik boyutu gibi bir çok faktör lignoselülozik biyokütlenin içinde bulunan hemiselüloz ve selülozun çürütülme verimini sınırlamatadır. Bu çalışmada, yükek enerjili, düşük frekanslı ultrasonik ön arıtma yönteminin tarımsal biyogaz tesisinin ikincil çürütme tankından çıkan artık biyokütlenin tekrar çürütülme verimine olabilecek katkısının belirlenmesi amaçlanmıştır. Tarımsal biyogaz üretim tesisinin ikincil çürütme tankından alınan çamura çeşitli sürelerle ultrases uygulanmıştır. Ön arıtma uygulanan ve uygulanmayan çamur örnekleri 40 gün süreyle anaerobik şartlarda bekletilerek biyogaz üretimleri izlenmiştir. Aynı işlem atıksu arıtma tesisi anaerobik çürütücüsünden çıkan artık biyokütleye de uygulanarak sonuçlar karşılaştırılmıştır. Elde edilen deneysel sonuçlar tarımsal biyogaz üretim tesisi artık biyokütlesinin anaerobik çürütme veriminin artan ultrasound spesifik enerjisi ile artış gösrerdiğini ortaya koymuştur. Toplam biyogaz üretiminde 2334 kJ/kgTS spesifik enerjide yüzde 21 artış gözlenmiştir. Atıksu arıtma tesisi anaerobik çürütme prosesinden çıkan artık biyokütle ile yapılan deney sonucunda, ultrasonik ön arıtmanın bu biyokütlenin çürütme veriminin üzerinde daha büyük etkisinin olduğu ve bu biyokütlenin anaerobik çürütme hızının daha fazla olduğu gözlenmiştir. Bu çamura 1122 kJ/kgTS ve 5413 kJ/kgTS değerinde spesifik enerji uygulanmış biyogaz üretiminin yüzde 90’ının sırasıyla 13 ve 10 günde tamamlandığı, toplam biyogaz üretiminin 5413 kJ/kgTS spesifik enerji değerinde yüzde 30 arttığı gözlenmiştir. Buna karşın, tarımsal biyogaz üretim tesisi artık büyokütlesinin anaerobik çürütme prosesinde biyogaz üretiminin bütün spesifik enerji değerlerinde 40 günün sonunda maksimum değere ulaşmadığı ancak gaz üretimindeki artış hızının azalmaya başladığı gözlenmiştir. Bu sonuç, lignin içeriği nedeniyle tarımsal artık biyokütlenin anaerobik olarak çürütülebilirliğinin mümkün olduğunu ancak prosesin daha uzun çürütme sürelerine ihtiyaç duyduğunu göstermiştir.

Residual biomass after conventional anaerobic digestion on sewage treatment or farm land biogas plants contains varying amounts of cellulose, hemi–cellulose and lignin. In recent years, production of the second-generation bio-products such as bio-ethanol, biodiesel, methane and bio-hydrogen from lignocellulosic biomass is increasingly being preferred than from energy crops. The main reason for this tendency is, energy crops compete for land and water with food crops that are already in high demand. However, many factors, like lignin content, crystallinity of cellulose, and particle size, limit the digestibility of hemicellulose and cellulose present in the lignocellulosic biomass. In this study, the impact of low frequency high-power ultrasound treatment on the performance of anaerobic digestion on the residual biomass from the secondary digester of a farm land biogas plant is investigated. The sludge taken from secondary digestion tank of a farmland biogas plant was sonicated for varying durations. Untreated and sonicated samples were kept in anaerobic conditions for 40 days and biogas productions of the samples were monitored. Same prosedure was also applied to the samples from anaerobic digester of a wastewater treatment plant and the results were compared. The experimental results showed that, anaerobic digestion efficiency of the residual biomass of farmland biogas plant increased with increasing specific energy of ultrasonic pre treatment. 2334 kJ/kgTS specific energy caused 21 % increase in cumulative biogas production. The results of the tests with the residual biomass wastewater treatment showed that the effect of ultrasonic treatment on anaerobic digestion efficiency of this biomass is higher and anaerobic digestion rate of this biomass was larger. Specific energies 1122 kJ/kgTS and 5413 kJ/kgTS was applied to this biomass and it was observed that 90 % of biogas production completed within 13 and 10 days respectively, and at 5413 kJ/kgTS specific energy, gas production increased by 30 percent. On the other hand, the biogas production of residual biomass of the farmland biogas plant did not reach the maximum level at the end of 40 days at any of the specific eneriges applied, but the biogas production rate started to decrease. This result supported that the anaerobic digestibility of residual biogas of farmland biogas plant was less than that of wastewater treatment plant due to the high lignin content.