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
- Tez No: 485353
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2017
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 99
Özet
Nüfusun hızlı bir şekilde artması, beslenme ihtiyaçlarının da artmasına ve buna paralel olarak özellikle hayvancılık endüstrisinin önemli bir kolu olan“kümes hayvancılığı”sektörü içinde yer alan ve hem yumurta hem de et tavukçuluğu olmak üzere iki farklı koldan oluşan“tavukçuluk”sektörünün de hızlı bir şekilde büyümesine neden olmuştur. Yaşanan bu gelişmenin beraberinde bu sektörden oluşan atıkların nasıl bertaraf edilmesi gerektiği de önemli bir problem olarak ortaya çıkmıştır. Bunun sebebi ise oluşan bu atıkların yüksek kirlilik oluşumuna sebep olabilecek; hayvan dışkısı, altlık malzemeleri, ölü kuşlar, yumurta kabukları, kırılmış yumurtalar, tüyler ve çeşitli kesimhane atıklarını içermesidir. Ülkemizde ne yazık ki bu alanda yeterli düzenleme olmadığından dolayı, bu atıklar sürdürülebilir yöntemlerle bertaraf edilmemektedir. Bunun neticesinde tavuk atıkları hem toprağın yapısını bozmakta hem de koku ve sivrisinek problemleri gibi insan sağlığını tehdit eden durumlara yol açmaktadır. Ayrıca, yeraltı/yüzey sularına karışarak azot/fosfor kirliliğine, dolayısıyla ötrofikasyona ve uzun süreler beklemeleri durumunda bozunarak metan gibi çeşitli gazların salınımı ile sera etkisine sebep olmakta; böylece çevre sağlığını da ciddi boyutlarda tehdit etmektedir. Açıkta bekleyen atıkta ayrıca; zararlı mikroorganizmaların üreyerek bu atıklara temas eden hayvanlara bulaşmasına ve böylece hastalığa sebebiyet veren mikropların kolayca yayılmasına sebep olabilmektedir. Yüksek protein kaynaklı beyaz ete artan ihtiyacı karşılamak için yetiştirilen tavuklar diyetlerinde önemli miktarda protein ve azot içeren diğer besinleri tüketirler. Diyetle alınan azot içerikli besinlerin hayvansal ürünlere dönüştürülmesi nispeten azdır ve %50-80 oranında bulunan azot, hem organik hem de inorganik bileşik olarak dışarı atılır. Bunun sonucunda ise amonyak (NH3), azot gazı (N2), diazot monoksit (N2O) ve nitrat (NO3-) olmak üzere dört ana formdan oluşan azot emisyonuna sebep olurlar. Buna ek olarak, yemlerde ve veteriner ilaçlarında bulunan arsenik, bakır ve çinko gibi toksik olabilecek ağır metal içeren tavuk atıklarının da doğaya karışmasına sebep olur. Uygun yöntemlerle bertaraf edilmeyen ağır metal içerikli bu atıklar bitkiler için zehirli etkiye sebep olabilir. Ayrıca bu bitkiler ile beslenen organizmaları da olumsuz yönde etkileyebilir, yüzey akıntısı ve sızma ile su sistemlerine karışabilirler. Patolojik açıdan incelendiğinde ise toprak ve su kaynaklarını olumsuz olarak etkileyebilecek potansiyele sahip olan bu atıklarda, doğada uzun süre kalabilen Cryptosporidium ve Giardia spp. gibi parazitler bulunur. Tüm bu olumsuz çevre problemlerinden dolayı, tavuk çiftliklerinden kaynaklanan atıkların gerek çevreye gerek ise insan sağlığına uygun bir şekilde arıtılarak bertaraf edilmesi gerekmektedir. Tavuk atıkları için uygulanan en uygun arıtma alternatifi şüphesiz havasız (anaerobik) arıtmadır. Anaerobik arıtma; yüksek kirlilik yüküne sahip organik atıkların arıtımına ve biyogaz gibi kullanılabilir enerjinin geri kazanımına olanak sağlaması ve gübre elde edilmesi gibi avantajları sebebiyle son yıllarda tavuk atıklarının yönetiminde en fazla tercih edilen biyolojik proseslerden biridir. Ancak tavuk gübresinde, yukarıda bahsedildiği üzere yüksek miktarlarda protein ve amino asit bulunmaktadır. Tavuk atıkları ayrıca, yüksek konsantrasyonlarda organik azot içermekte olup; bu atıkların havasız arıtımı sırasında içsel amonyak azotu konsantrasyonu artar. Amonyum iyonlarının fazlası ise inhibisyona sebep olmaktadır. Havasız sistemlerde gözlenen inhibisyon; organik bileşiklerin parçalanması ve reaktörlerde uçucu yağ asiti (UYA) birikimi ile düşük metan üretimleri gibi işletme problemleri ile anlaşılabilmektedir. Bu sebeple, inhibisyona sebebiyet verebilecek amonyak konsantrasyonunun önüne geçebilmek için ham tavuk atıkları uygun oranlarda seyreltildikten sonra substrat olarak havasız sistemlere beslenmelidir. Fakat bu atıklar seyreltilse bile havasız olarak arıtılmalarını takiben üst sularında hala yüksek amonyak konsantrasyonları olmaktadır. Bu sebeple, havasız sistemleri takiben çürütülmüş tavuk atığının üst fazında bulunacak yüksek azotun giderimi için ilave bir arıtma uygulanması gerekmektedir. Amonyağın giderimi amacıyla uygulanan farklı yöntemlerden; anaerobik amonyum oksidasyonu (Anammox) prosesi en cazip biyolojik azot giderimi alternatiflerinden biridir. Anammox prosesi ile amonyumun (NH4+) zararsız bir gaz olan N2 gazına çevrilmesi esas alınır. Kemolitoototrofik biyodönüşümü içeren Anammox prosesi; Planctomycetes-benzeri bakteriler tarafından gerçekleştirilmektedir. Bu proseste, Anammox bakterileri anoksik şartlar altında elektron alıcı olarak NO2-'yi okside ederler. Bu tez çalışması ile dünya genelinde ve ülkemizde son yıllarda hızla büyüyen tavukçuluk sektöründen kaynaklanan atıkların seyreltildikten sonra biyolojik olarak anaerobik arıtımını takiben; çıkış suyunda bulunan yüksek amonyak içeriğinin yukarı akışlı bir havasız çamur yataklı reaktör (HÇYR) sisteminde gideriminin araştırılması amaçlanmaktadır. Bu kapsamda öncelikle, tavukçuluk sektöründen temin edilen atıklar uygun oranda seyreltilerek (TKM=%5.6 ve %8.6) anaerobik granül çamur ile aşılanmış laboratuvar ölçekli mezofilik (35 °C) sıcaklıkta işletilen tam karışımlı havasız bir reaktörde yarı-sürekli olarak arıtılmıştır. Bunu takiben reaktörün üst fazı (özüt), yine mezofilik (35 °C) şartlarda işletilen ikinci bir biyolojik reaktör olan HÇYR sistemine beslenmiştir. Orjinalinde havasız bir reaktör olan HÇYR sistemi çalışma kapsamında anammox ve azot giderimen yönelik işletilmiştir. Bu kapsamda ayrıca, HÇYR sistemine beslenecek substrat seyreltilerek, içerisinde Amonyak/Nitrit (NH4+:NO2-) oranı 1.0 olacak şekilde dışarıdan nitrit kaynağı (NaNO2) ilave edilmiştir. Çalışma süresince, HÇYR sisteminin giriş akımında bulunan amonyak konsantrasyonu kademeli olarak arttırılarak; biyoreaktörün izin vereceği amonyak konsantrasyonu ortaya konmuştur. Tez çalışmasının ilk bölümünde, nüfus artışıyla beraber gelişen hayvancılık endüstrisinin önemli bir kolu olan kümes hayvancılığına ait atık özellikleri ve biyogaz potansiyeli açıklanmıştır. Ayrıca, tavuk atıklarının oluşturabileceği tehlikeleri bertaraf etmek için en etkili yöntem olan anaerobik arıtma detaylıca anlatılmıştır. Bunlara ek olarak, araştırmanın amaç ve kapsamı hakkında bilgiler verilmiştir. İkinci bölümde, tavuk atıklarının içeriği, özellikleri, bu atıkların kontrolü ile ilgili mevzuat ve ilgili literatür bilgileri sunulmuştur. Ayrıca, tavuk atıklarının sürdürülebilir yönetimi için arıtma alternatifleri tanıtılmış ve özellikle anaerobik arıtma prosesi ve havasız sistemler hakkında detaylı bilgi verilmiştir Üçüncü bölümde, yüksek azot içeren atıklar arasında bulunan ve özellikle tavuk gübresi gibi atıkların anaerobik reaktörlerde arıtılması sırasında ortaya çıkan işletme problemleri ile anaerobik arıtma sonrasında uygulanabilecek kimyasal ve biyolojik azot giderimi yöntemleri araştırılmış ve biyolojik sistemler arasında özellikle Anammox detaylı olarak açıklanmıştır. Dördüncü bölümde, tez konusu ile ilgili literatürde yer alan daha önceki çalışmalar araştırılmıştır. Çalışmalar sonucunda, Anammox sistemi ile yüksek amonyak giderimi ve tavuk atıklarından en etkili biyogaz geri kazanımı için optimum koşullar belirlenmiştir. Beşinci bölümde, ham tavuk atığı, aşı çamuru, araştırmada kullanılan reaktörler ve işletme koşulları hakkında bilgiler verilmiştir. Bunlara ek olarak, yapılan analizler, analitik yöntemler ve mikrobiyal analizlerin uygulama yöntemleri sunulmuştur. Altıncı bölümünde, tavuk atığının anaerobik çürütülmesini takiben üst fazda bulunan azotun ilave giderimi için yarı-sürekli HÇYR sisteminde elde edilen sonuçlar konvansiyonel parametreler ve günlük biyogaz üretimi temel alınarak sunulmuştur. Altıncı bölüm ayrıca, HÇYR sisteminden işletme boyunca alınan biyokütle çamur numuneleri üzerinde yapılan mikrobiyolojik çalışmaların sonuçlarını da içermektedir. Özellikle mikrobiyal topluluklardaki değişimler yeni nesil dizileme sonuçları ile belirlenmiştir. Tez çalışmasının tüm bulguları yine bu bölümde özet bir tablo içesinde sunulmuştur. Altıncı bölümde sunulan veriler ışığında; dışarıdan nitrit eklenmesi ve anaerobik granüler çamurun aşılanmasıyla, tavuk atığının anaerobik arıtımında önemli miktarda amonyak azotu giderimi olduğu ve Anammox ile heterotrofik denitrifikasyon proseslerinin HÇYR gibi tek bir sistemde bir arada gerçekleşebildiği gözlenmiştir. Yedinci bölümde ise araştırma sonuçları özetlenerek öneriler sunulmuştur. Bulgulara göre; işletme süresi boyunca en yüksek amonyak giderimi %60 oranında ve NH4+:NO2- oranı 1.08 olduğu zaman gerçekleşmiştir. Mikrobiyal çalışma bulgularına göre; biyokütle çamuru örneklerinde elektron alıcı olarak nitriti kullanarak amonyağı azot gazına oksitleyen ve Anammox bakterilerini de içeren Planctomycetes filumu tespit edilmiştir. Ayrıca, Anammox ve denitrifikasyon bakterileri topluluklarının zamanla oranlarında değişime uğradıkları ve Anammox bakterilerinin 120 gün işletme dönemi boyunca önemli oranda arttığı gözlemlenmiştir. Ancak, Planctomycetes ve Proteobacteria filumlarının işletmenin sonunda alınan biyokütle numunesinde azaldığı; bunun yanında Firmicutes ve Bacteroidetes filumlarının ise artış gösterdiği gözlenmiştir. Böylece, yüksek TAN ve karbon içerikli atıksuların arıtımında baskın mikrobiyal türlerin değişiklik gösterebileceği anlaşılmıştır. Bu sonuçlara ek olarak pH, alkalinite, toplam KOİ, çözünmüş KOİ, toplam amonyak azotu, serbest amonyak azotu, nitrat azotu, nitrit azotu, toplam askıda katı madde, uçucu askıda katı madde ve biyogaz üretim parametrelerine ait sonuçlar da bu son bölümde sunulmuştur. Çalışma sonuçlarına göre; ortalama pH giriş ve çıkış akımlarında sırasıyla 7.98 ve 8.28 olarak ölçülmüş, Anammox prosesinin gerçekleşmesi için gerekli olan pH 6.7-8.3 aralığının sağlandığı gözlemlenmiştir. Alkalinite için giriş ve çıkış ölçüm sonuçları ortalama olarak sırasıyla 1315 ve 889 mg CaCO3/L olarak bulunmuştur. Ortalama toplam KOİ giriş değeri 780 ile 3023 mg/L aralığında değişirken çıkış değerleri ise 271 ile 614 mg/L aralığında ölçülmüş, böylece en yüksek toplam KOİ gideriminin %80 verimle 3. periyotta gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Ortalama çözünmüş KOİ giriş değeri 288 ile 634 mg/L aralığında değişirken; çıkış değerleri ise 207 ile 497 mg/L aralığında ölçülmüş, böylece en yüksek çözünmüş KOİ giderimi %32 verim ile yine 3. periyotta gerçekleşmiştir. Toplam amonyak azotu ortalama giriş değerleri 4 çalışma aralığı dikkate alındığında 119 ile 361 mg/L aralığında değişirken, çıkış değerleri ise 53 ile 152 mg/L aralığında ölçülmüştür. Böylece en yüksek verimin %60 ile 3. periyotta gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Serbest amonyak azotu ise girişte 14-45 mg/L, çıkış akımında 6-38 mg/L aralığında hesaplanarak; her iki akımda da inhibisyon sınırlarının altında olduğu görülmüştür. Nitrat azotu ortalama giriş değerleri 177 ile 124 mg/L aralığında, çıkış değerleri ise 59 ile 82 mg/L aralığında ölçülmüş, %82 azalma ile en yüksek tüketimin 4. Periyotta gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Nitrit azotu için ortalama giriş değerleri 100 ile 300 mg/L aralığında, çıkış değerleri ise 5 ile 9 mg/L aralığında ölçülmüş, en yüksek %98 giderim verimi olduğu hesaplanmıştır. Toplam askıda katı madde giriş ve çıkış değerleri için ortalama olarak sırasıyla 1350 ile 2100 mg/L ve 56 ile 82 mg/L arasında değiştiği gözlemlenmiş, en yüksek giderim veriminin %95 ile 4. Periyotta olduğu hesaplanmıştır. Uçucu askıda katı madde konsantrasyonlarının ise giriş ve çıkış değerleri için ortalama olarak sırasıyla 156 ile 810 mg/L ve 62 ile 93 mg/L arasında değiştiği gözlemlenmiş, en yüksek giderim verimi %93 ile 4. Periyotta olduğu hesaplanmıştır. Toplam biyogaz üretimi ise 2.3 L olmuştur. HÇYR sisteminin gaz hattından alınan gaz numunesinde yaklaşık %43 oranında N2 tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Large and modern animal farms have been spreading all over the world in order to meet the increasing nutritional needs of the rapidly increasing population. Poultry farming including both hen egg and meat production has become an important industrial sector in Turkey. Along with this development, the problem of how to dispose of these wastes also occurs. Chicken wastes include not only feces but also egg shells, broken eggs, carcasses, feathers, slaughterhouse wastes, and poultry litters containing high organic content. When these wastes contaminate the groundwater during their usages for agricultural purposes; several adverse environmental effects also occur. Moreover, odor and insects like problems lead to the situations that may threaten human health. Hence, this unavoidable growth in animal wastes necessitates sustainable way of disposal. Anaerobic treatment is one of the mostly preferred biological processes in the management of poultry wastes in recent years due to its advantages such as the treatment of organic wastes with high pollution loads and the recovery of available energy such as biogas and stabilized fertilizer. However, since chicken wastes contain high levels of organic nitrogen due to their protein and amino acid content; the concentration of internal ammonia nitrogen increases during anaerobic treatment of such wastes that may cause inhibition at excess levels. Especially, free ammonia nitrogen (FAN) causes inhibition in anaerobic systems at high pH levels. Inhibition should be controlled carefully by monitoring the pH, alkalinity, organic compounds, volatile fatty acids (VFA) and methane production changes. For this reason, raw chicken wastes should be fed to anaerobic systems as a substrate after dilution in appropriate ratios in order to avoid possible free ammonia concentration at inhibitory levels. However, even after these wastes are diluted, there still may be high concentrations of ammonia in the supernatant/digestate following treatment. Therefore, an additional treatment is often required for further removal of the high nitrogen concentrations in the digestate. Among several methods applied; anaerobic ammonium oxidation (Anammox) process is one of the mostly applied technology. Anammox has attracted much attention for its significant advantages compared to traditional nitrogen removal processes like nitrification/denitrification. For example, the need for organic carbon, aeration and sludge production decreases significantly in this system. Anammox process is based on the conversion of ammonium (NH4+) into N2 gas which is a harmless gas. Anammox process involving chemolithotrophic bioconversion, is carried out by Planctomycetes-like bacteria. In this process, Anammox bacteria oxidize NO2- as an electron acceptor under anoxic conditions. With this thesis study, it is aimed to investigate further removal of high total ammonia nitrogen (TAN) content in the digestate of the anaerobically stabilized chicken wastes from a farm at which only egg production occurs. Further ammonia removal was investigated in a UASB reactor system, which is also an anaerobic reactor originally. However, the UASB reactor was operated at such condition that was favorable to Anammox as well as to ammonia removal. In this context, firstly, chicken wastes from the poultry sector was diluted at an appropriate TS content (5.6 and 8.6%) and was fed to a lab-scale anaerobic mesophilic (35 °C) CSTR inoculated with anaerobic granular sludge from the mesophilic digester of a pulp/cardboard industry. Subsequently, the digestate withdrawn from the reactor was fed to a second anaerobic reactor namely the UASB reactor which was also operated at mesophilic (35 °C) conditions. The substrate which was fed to the UASB reactor was again diluted with tap water in which the nitrite source (NaNO2) was added externally in order to provide the ammonia/nitrite (NH4+:NO2-) ratio as 1.0. As operation continued, ammonia concentration in the inlet stream of the UASB reactor was gradually increased up to about 360 mg/L. Hence, a better understanding of the relationship between the changes in the influent characteristics (e.g., organic strength, ammonia nitrogen etc.) would be provided as well as the route by which ammonia removal was favored in such systems would be evaluated. In the first chapter, after a short introduction related to the animal wastes like poultry industry; the most appropriate treatment alternative for these wastes namely anaerobic digestion and their biogas potential was explained. Moreover, the aim of the study and the scope of the research have been given. In the second chapter, literature information about the content and characteristics of the chicken wastes and legislation related to the control of these wastes are presented. In addition, treatment alternatives for the sustainable management of the chicken wastes were introduced and detailed information especially on anaerobic treatment process and anaerobic systems was provided. In the third chapter, since high nitrogen contents may still be a problem in the digestates of anaerobic reactors especially for the organic wastes like chicken manure; further chemical and biological nitrogen removal methods were investigated. Among the biological systems, Anammox process was explained thoroughly. In the fourth chapter, previous studies in the literature were investigated related to the subject of this thesis. By this way, optimum conditions for further ammonia removal via Anammox system and for the most effective biogas recovery from the chicken wastes were determined. In the fifth chapter, raw chicken wastes, initial inoculum sludge, reactors used in the research and operating conditions were given. Additionally, materials and methods of the research including the analytical methods were explained in detail. In the sixth chapter of the study, the results of the semi-continuous UASB reactor for further nitrogen removal after anaerobic digestion of the chicken waste are presented based on the conventional parameters and daily biogas productions. Sixth section also includes the results of microbiological studies conducted for the initial seed and for the biomass samples taken at different operating times of the UASB reactor treating the diluted chicken waste digestate. Especially, the change in the microbial community was presented by NGS results. All the findings of this thesis study are also summarized in the“Results and Discussions”section. According to this chapter, results indicated that, with the addition of nitrite and inoculation of anaerobic granular sludge, significant decrease of ammonia concentration was observed in the digestate of the diluted chicken waste. In the seventh chapter, conclusions and recommendations were presented by summarizing the findings of this study. According to the results; the highest ammonia removal was obtained during the whole operating time as 60% when the NH4+:NO2-ratio was ca. 1.08. Moreover, about 43% N2 gas content was detected in the samples taken from the gas line of the UASB reactor. According to the findings of the microbial part; Anammox process was observed as one of the routes of ammonia removal at mesophilic temperature of 35 ◦C in the UASB reactor system using non-anammox-specific heterotrophic bacteria containing the inoculum originally methanogenic granular sludge. The Planctomycetes filum was identified in the sludge samples which contain Anammox bacteria. Hence, microbiological analysis confirmed the presence of Anammox and other microorganisms at sufficient ratios needed for N elimination. It is considered that the coexistence of Anammox and denitrification processes could be feasible based on the availability of biodegradable organic carbon. On the other hand, Planctomycetes and Proteobacteria decreased while the Firmicutes and Bacteroidetes increased their relative abundance at great extent in the biomass sample taken at the last operation day. This result indicated that the microbial cultures might shift in the presence of high TAN and carbon concentrations as operation continued.
Benzer Tezler
- Investigation of phosphorus recovery from anaerobic digestion supernatant of diverse wastes
Farklı atıkların anaerobik çürütülmesinin üst suyundan fosfor geri kazanımının incelenmesi
MERVE ATASOY
Yüksek Lisans
İngilizce
2015
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RÜYA TAŞLI
- Nutrient recovery from source separated human urine and the treatment of the residual urine with anaerobic processing and ion exchange/adsorption
Kaynakta ayrılmış idrardan nutrient geri kazanımı ve kalıntı idrarın anaerobik yollarla ve iyon değişimi/adsorpsiyon ile arıtımı
YASEMİN AKDAĞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. AYŞE BİLSEN BAYKAL
- Formaldehyde and iso-propanol treatment in an anaerobic fluidized bed reactor and kinetic evaluations
Havasız akışkan yataklı bir reaktörde formaldehit ve iso-propanol arıtımı ve kinetik değerlendirmeler
MOİZ ELNEKAVE
- Doğantepe (Amasya) zeolitinin (klinoptilolit) atıksulardan amonyak iyonu gideriminde kullanılabilirliğinin araştırılması
The Investigation of use of Doğantepe (Amasya) zeolite (clinoptilolite) for ammonia removal from wastewater
ÜLKER ASLI ATAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2002
Çevre MühendisliğiCumhuriyet ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. MELTEM SARIOĞLU CEBECİ