Büyükbaş hayvan gübresinin anaerobik çürütülmesinde Van Gölü sedimentinin aşı ve kosubstrat olarak kullanımının optimizasyonu
Optimization of the use of Lake Van sediment as an inoculum and co-substrate in the anaerobic digestion of cattle manure
- Tez No: 1016784
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH ŞEVKİ ERKUŞ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Ziraat, Enerji, Agriculture, Energy
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Van Yüzüncü Yıl Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyosistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu doktora tez çalışmasında, dünyanın en büyük soda gölü olan Van Gölü'nün sedimentinin (LS) büyükbaş hayvan gübresi (CM) ile anaerobik birlikte çürütülmesindeki etkisi sistematik olarak araştırılmıştır. Çalışmanın temel hipotezi, Van Gölü sedimentinin barındırdığı alkalitoleranslı mikrobiyal toplulukların ve iz element bakımından zengin mineral profilinin, sığır gübresiyle birlikte çürütme sürecinde biyometan verimini olumlu yönde etkileyebileceği yönündedir. Bununla birlikte, sedimentin yüksek başlangıç pH'ı (9.76 ± 0.05) ve yaklaşık 5-6 g/L sodyum içeriği iki temel kısıtlayıcı risk faktörü olarak önceden tanımlanmış ve deneysel tasarım bu doğrultuda yapılandırılmıştır. Beş farklı LS:CM hacimsel oranı (CM100, CM75, CM50, CM25, LS100) üzerinden yürütülen doz-yanıt deseninde, 36.5 ± 1 °C mezofilik koşullarda 35 günlük kesikli reaktörler işletilmiş; biyogaz ve metan üretimi, geliştirilen ESP32 mikrodenetleyici tabanlı IoT (Nesnelerin İnterneti) ölçüm sistemiyle gerçek zamanlı olarak izlenmiştir. Reaktörlerin yapısal bileşenleri eriyik yığma modelleme (FDM) tekniğiyle üç boyutlu olarak üretilmiş; PETG kapaklar ve TPU tıpalar laboratuvar ortamında biyoreaktör güvenilirliğini sağlamıştır. Performans değerlendirmesi, kümülatif metan ve biyogaz verimi, modifiye Gompertz kinetik modeli, fizikokimyasal parametre dönüşümleri (pH, alkalinite, çKOİ, TN, NH₃-N, TKM, UKM), lignoselüloz parçalanması, iz element davranışı ve 16S rRNA gen amplikon dizilemesine dayalı mikrobiyal topluluk analizleri yoluyla yapılmıştır. Bulgular, reaktör performans sıralamasının çoklu bağımsız parametre seti üzerinden tutarlı biçimde CM100 > CM75 > CM50 ≈ CM25 ≈ LS100 örüntüsüne yakınsadığını ortaya koymuştur. Sığır gübresi mono-çürütmesi (CM100), 236.45 ± 13.25 mL CH₄/g UKM ve 474.48 ± 32.00 mL biyogaz/g UKM kümülatif verim ile literatürdeki sığır gübresi çürütmeleri için raporlanan tipik aralığın üst yarısında konumlanmıştır. Van Gölü sedimenti mono-çürütmesi (LS100) ise yalnızca 36.54 ± 0.76 mL CH₄/g UKM verim sağlamış ve bu değer CM100 performansının %15.5'i düzeyinde kalmıştır. Sinerji indeksi (SI) hesaplamaları, CM75, CM50 ve CM25 reaktörlerinin tümünde sinerji indeksinin 1.0 değerinin altında olduğunu (sırasıyla 0.96; 0.93 ve 0.60) ve sistemin antagonistik bir davranış sergilediğini doğrulamıştır. Mikrobiyal topluluk analizleri, arke fraksiyonunda eşik tipi bir çöküş örüntüsü ortaya koymuştur: CM100 reaktöründe %34.00 olan arke oranı, sediment dozu arttıkça CM75'te %9.23, CM50'de %1.03, CM25'te %1.19 ve LS100'de %1.04 düzeyine gerilemiştir. Bu örüntü, LS'nin %25'ten yüksek dozlarda metanojenik popülasyonun reaktör ortamına yerleşmesini ve aktivitesini baskılayan aktif bir proses stresörü olarak işlev gördüğünü göstermektedir. Tek Sağlık (One Health) perspektifinden yürütülen 16S rRNA tabanlı mikrobiyom karşılaştırması, soda gölü ortamının dayattığı poliekstremofilik baskının zoonotik ve fırsatçı patojen taksonları üzerinde belirgin bir filtreleme etkisi oluşturduğunu da göstermiştir (Escherichia-Shigella için 7.9 kat, Enterobacteriaceae için 10.1 kat ve Burkholderiaceae için 42.3 kat azalma). Sonuç olarak, ön işlem yapılmaksızın yüksek oranlarda eklenen Van Gölü sedimentinin sığır gübresi anaerobik çürütmesinde sinerjik bir kosubstrat olarak değil, eşik davranışlı bir antagonistik proses stresörü olarak işlev gördüğü belirlenmiştir. Bu çalışma, alkalin sediment kaynaklarının anaerobik çürütme uygulamalarında değerlendirilmesi için doz sınırlarını, ön işlem gereksinimlerini ve izleme stratejilerini tanımlayan ampirik bir referans çerçevesi sunmakta; ayrıca soda gölü sedimentinin tarımsal yayılı kaynaklı mikrobiyal kontaminasyona karşı doğal çevresel filtre işlevi gördüğüne dair ilk nicel kanıtları sağlamaktadır.
Özet (Çeviri)
In this doctoral dissertation, the effect of sediment from Lake Van (LS) — the world's largest soda lake — on the anaerobic co-digestion of cattle manure (CM) was systematically investigated. The principal hypothesis of the study was that the alkalitolerant microbial communities harboured in Lake Van sediment, together with its mineral profile rich in trace elements, could positively affect biomethane yield during co-digestion with cattle manure. However, the elevated initial pH of the sediment (9.76 ± 0.05) and its sodium content of approximately 5–6 g/L were identified a priori as two key constraining risk factors, and the experimental design was structured accordingly. A dose–response design comprising five LS:CM volumetric ratios (CM100, CM75, CM50, CM25, LS100) was conducted in batch reactors operated under mesophilic conditions (36.5 ± 1 °C) for 35 days. Biogas and methane production were monitored in real time by means of a custom-developed IoT (Internet of Things) measurement system based on ESP32 microcontrollers. Structural reactor components were fabricated by fused deposition modelling (FDM); PETG caps and TPU stoppers ensured bioreactor reliability under laboratory conditions. Performance was evaluated through cumulative methane and biogas yields, modified Gompertz kinetic modelling, transformations of physicochemical parameters (pH, alkalinity, sCOD, TN, NH₃-N, TS, VS), lignocellulose degradation, trace-element behaviour, and microbial community analyses based on 16S rRNA gene amplicon sequencing. The findings revealed that the performance ranking of the reactors consistently converged on the pattern CM100 > CM75 > CM50 ≈ CM25 ≈ LS100 across multiple independent parameters. Mono-digestion of cattle manure (CM100) yielded 236.45 ± 13.25 mL CH₄/g VS and 474.48 ± 32.00 mL biogas/g VS, placing it within the upper half of the typical range reported in the literature for cattle-manure digestion. Mono-digestion of Lake Van sediment (LS100), in contrast, produced only 36.54 ± 0.76 mL CH₄/g VS, corresponding to merely 15.5% of the CM100 performance. Synergy index (SI) calculations confirmed that all three co-digestion reactors (CM75, CM50 and CM25) exhibited SI values below unity (0.96, 0.93 and 0.60, respectively), indicating that the system as a whole displayed antagonistic behaviour. Microbial community analyses revealed a threshold-type collapse in the archaeal fraction: the archaeal proportion of 34.00% observed in CM100 declined to 9.23% in CM75, 1.03% in CM50, 1.19% in CM25 and 1.04% in LS100 with increasing sediment dose. This pattern demonstrates that, at doses above 25%, LS functions as an active process stressor that suppresses the establishment and activity of the methanogenic population in the reactor environment. A 16S rRNA-based microbiome comparison performed from a One Health perspective further showed that the polyextremophilic pressure imposed by the soda-lake environment exerts a pronounced filtering effect on zoonotic and opportunistic pathogenic taxa (7.9-fold reduction for Escherichia–Shigella, 10.1-fold for Enterobacteriaceae, and 42.3-fold for Burkholderiaceae). In conclusion, Lake Van sediment added at high doses without pretreatment does not function as a synergistic co-substrate in cattle-manure anaerobic digestion but rather behaves as a threshold-dependent antagonistic process stressor. The study provides an empirical reference framework defining the dose limits, pretreatment requirements and monitoring strategies relevant for the valorisation of alkaline sediment sources in anaerobic digestion applications, while also offering the first quantitative evidence that soda-lake sediment acts as a natural environmental filter against agriculturally derived microbial contamination.
Benzer Tezler
- Sivas atıksu arıtma tesisi arıtma çamurlarının farklı ek besi maddeleri kullanılarak anaerobik birlikte çürütülmesinin (Codigestion) araştırılması
Investigation of codigestion of Sivas wastewater treatment plant treatment sludges by using different cosubstrates
TURGAY BİŞGİN
Doktora
Türkçe
2019
Çevre MühendisliğiSivas Cumhuriyet ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELTEM SARIOĞLU CEBECİ
- Portakal işleme atıklarının büyükbaş hayvan gübresi ile ko-fermantasyonu
Co-fermentation of processed orange wasteswith cattle manure
LEVENT GÜRSEL ALBAYRAM
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
ZiraatKahramanmaraş Sütçü İmam ÜniversitesiBiyosistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ALİ AYBEK
- Büyükbaş hayvan gübresinin anaerobik sindirimi başlangıcında rumen içeriğinin kosubstrat ve inokulüm olarak kullanılması
Using of rumen content as a cosubtrate and an inoculum at the start-up of anaerobic digestion of cattle manure
KORAY TUNCAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
ZiraatVan Yüzüncü Yıl ÜniversitesiBiyosistem Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ FATİH ŞEVKİ ERKUŞ
- Anaerobic treatability and biogas generation potential of broiler and cattle manure
Et tavuğu ve büyükbaş hayvan gübresinin anaerobik arıtılabilirliği ve biyogaz üretim potansiyeli
GAMZE GÜNGÖR
Yüksek Lisans
İngilizce
2002
Çevre MühendisliğiOrta Doğu Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÖKSEL N. DEMİRER
- Impacts of Oxytetracycline on performance of thermophilic anaerobic manure digesters and active microbial population
Oksitetrasiklinin termofilik anaerobik dışkı çürütücülerinin performansı ve aktif mikrobiyal popülasyon üzerine etkileri
FULYA SUZEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN İNCE