Yüksek azot içerikli organik atıkların havasız arıtımı: Biyogaz potansiyeli ile mikrobiyal türlerin araştırılması
Anaerobic digestion of organic wastes with high nitrogen contents: An investigation on biogas potential and microbial communities
- Tez No: 465406
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: Türkçe
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 110
Özet
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 (anaerobik) 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 (35ºC), farklı katı madde (TKM) 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 (NGS)' yöntemi ile bakteriyel ve arkeyal grupların miktarları ise gerçek zamanlı kantitatif Polimeraz Zincir Reaksiyonu (qPCR) 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 (saman) 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 (35ºC) 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
Özet (Çeviri)
Food sector in Turkey has developed in various ways during recent years to meet the demand resulting from an increase in population as a developing country. Poultry sector that provides two protein rich sources -meat and eggs- which crucial for the wellbeing of human health, is one of the major sectors of the food industry. However, an increase in the consumption of white meat had resulted in an increase in breeding of these animals and therefore an increase in animal wastes, which disturb the ecosystem and cause environmental problems. According to TUIK data of January 2017, chicken egg production has increased by 7.4% compared to previous year and reached 1.6 billion. Chicken meat production has also increased by approximately 13% in comparison to 12 months in prior and reported to be 162000 tons. Poultry wastes -animal wastes, bedding materials, dead birds, egg shells, broken eggs, feathers and various slaughterhouse wastes- are used as field fertilizer or as feed for rendering units at slaughterhouses without control in Turkey due to lack of relevant regulations. However, uncontrolled management of chicken wastes may cause environmental problems. For this reason, the developing poultry industry requires a solution for the disposal of the increasing amount of waste from poultry farms. Anaerobic digestion is a technology widely used for treatment of organic wastes. During the process the wastes are degraded with a simultaneous energy production in the form of biogas; hence anaerobic digestion is the most preferred among biological treatment technologies. In addition, anaerobic digestion is a very efficient process for poultry litter that allows collectable biogas production with an average methane content of 60%. Within the scope of this study, the aim is to determine the optimum solids loading rate using anaerobic batch reactors that are operated at mesophilic temperature (35ºC) at different total solids (TS) ratios and then to investigate the biogas potential of chicken wastes in a semi-continuous system operated at the determined optimum TS ratio. Therefore a clear picture of the management problems that may arise in an operation where the chicken waste is treated through anaerobic digestion in an industrial scale is presented. In addition, considering the gap in the current literature, anaerobic treatment of chicken wastes was not only investigated at the level of engineering design parameters but also at the intracellular level. In this context, microbial communities responsible for the removal of the organic substances were determined by 'Next Generation Sequencing (NGS)' and bacterial and archael groups were quantified by real-time quantitative polymerase chain reaction (qPCR). The species that could adapt to the possible inhibition due to the high nitrogen content in these processes was also determined. Anaerobic digestion depends on several parameters (e.g., pH, temperature, substrate type, C/N ratio, and hydraulic retention time) for an effective performance. Different groups of microorganisms are involved and suitable conditions must be established to keep all the microorganisms in balance. Anaerobic digestion of animal manure and slurries offers several benefits by improving their fertilizer qualities, reducing odors and pathogens and at the same time producing a renewable fuel (i.e., biogas). Anaerobic digestion involves four different steps; hydrolysis, acidogenesis, acetogenesis, and methanogenesis. Different bacterial/archaeal communities work in a syntrophic relationship with each other to form methane. In hydrolysis, complex carbohydrates, fats, and proteins are first hydrolyzed to their monomeric forms. In the second phase (acidogenesis), monomers are further degraded into short-chain fatty acids such as acetic acid, propionic acid, butyric acid, isobutyric acid, valeric acid, isovaleric acid, caprionic acid etc. During acetogenesis, these short-chain acids are converted into acetate, hydrogen, and carbon dioxide. In the last phase, methanogens convert these intermediate products into methane and carbon dioxide. Almost one-third of methane formation is due to the reduction of carbon dioxide by hydrogen. The main objective of this study was to investigate the anaerobic treatability of the diluted chicken manure and to determine the optimum solids loading rate using batch reactors and its biogas potential in a lab-scale semi-continuous anaerobic digester. Moreover, the microbial diversity in the samples taken during digestion was also identified using qPCR and Illumina Miseq NGS techniques. The aim, scope and importance of the study are explained at the first part of the thesis. The second part contains detailed information from literature on the anaerobic biotechnology and its microbiology as well as anaerobic treatment of chicken manure. Characterization of the chicken waste and the inoculum used in the study are described in the third part namely 'Materials and Methods'. Reactors, equipment and analytical methods used in the study as well as microbiological experiments are presented in this section. In the fourth section of the study, the optimization results of the batch tests and anaerobic treatability results of the chicken waste in the semi-continuous reactor that have been operated at the optimum TS% are presented based on the conventional parameters and daily biogas productions. Fourth section also includes results of anaerobic thermophilic digestion of food waste with high organic and nitrogen content – similar to chicken waste- with an co-substrate; a study executed within Erasmus program. Results of microbiological studies conducted on chicken and food waste in fed batch and semi-batch anaerobic bioreactors are also in this section. All findings of the thesis study are summarized in“Results and Conclusions”section. Highest anaerobic biogas production per kg of VS was determined as 239 L -5.6% biomass production per VS- at batch reactors run under mesophilic conditions with different solid ratios. According to qPCR results of fed batch systems, methanogens increased significantly in the biomass samples taken after an incubation period of 32 days in which the biogas production is finished. Statistical analysis have also shown that there is a certain trend between total methanogens and VFA consumption (p
Benzer Tezler
- Investigation of ammonia removal and biogas recovery following anaerobic stabilization of the chicken wastes
Tavuk atıklarının havasız stabilizasyonu sonrasında anaerobik amonyak giderimi ve biyogaz geri kazanımının araştırılması
GÖKŞEN PEKYAVAŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2017
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ
- Portakal posasından (Citrus sinensis L.) kimyasal aktivasyon ile aktif karbon üretiminde proses parametrelerinin etkisinin incelenmesi
Investigation by the effects of process parameters on the production of activated carbon by chemical activation from orange pulp (Citrus sinensis L.)
GÜLDEN DEMİR ÖZYILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Gıda MühendisliğiSakarya ÜniversitesiGıda Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DİLEK ANGIN
- Bakır-Hümik asit kompleksleşme özelliklerinin floresans ve iyon seçici elektrod ölçümleriyle değerlendirilmesi
Assesment of copper-humic acid complexation using ion selective electrodes and fluorescence spectrometry
LEYLA GAMZE EGESEL
- Microalgal biomass and oil production using leachate
Sızıntı suyu kullanılarak mikroalg biyokütlesi ve yağ/lipid üretimi
ZAREEN TAJ KHANZADA
Doktora
İngilizce
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SÜLEYMAN ÖVEZ
- Bitki atıklarından yavaş salınımlı gübre üretimi için kitosan kapsül hazırlama
Preparation of chitosan capsule for slow release fertilizer production from plant waste
SEMA TOFAN ATALAY