Kombine mikrobiyal elektroliz hücresi ve anaerobik çürütücü kullanılarak büyükbaş hayvansal gübresinden biyogaz üretiminin arttırılması

Dünyadaki toplam enerji üretiminin % 80`ine karşılık gelen fosil yakıt kaynaklarının yakın gelecekte tükeneceği düşünülmektedir. Fosil yakıt kaynaklarının tükenecek olmasından ve çevresel kaygılardan dolayı, dikkatler yenilenebilir enerji kaynaklarına kanalize olmuştur. Dünyanın en çok kullanılan yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi olan biyomas, ayrıca metan üretimi için anaerobik çürütme proseslerinde yaygın şekilde kullanılmaktadır. Son dönemlerde, Mikrobiyal Elektroliz Hücresi (MEH) olarak adlandırılan yeni bir teknoloji, organik materyallerden hidrojen, metan ve diğer değerli kimyasalların üretimi ve aynı zamanda atık ve atıksuların arıtımı için alternatif ve sürdürülebilir bir yaklaşım olarak öne sürülmüştür. MEH ile yapılan çalışmalarda, yeni teknolojinin metan üretimi ve organik madde giderim verimliliği konularında geleneksel anaerobik çürütmeye (AÇ) göre daha iyi olduğu ortaya konulmuştur. Bu sebeple, anaerobik çürütmenin istikrarsız süreç, yetersiz arıtma, düşük oranlı metan üretimi vb. sınırlandırıcı özelliklerinin üstesinden gelebilmek için kombine/entegre MEH+AÇ sistemler öne sürülmüştür. Bugüne kadar MEH`lerde substrat olarak kullanılan organik materyaller, sentetik atıksu, asetat, atık aktif çamur, sızıntı suyu, gıda atıkları, domuz çiftliği atıksuları ve diğer atıklardan oluşmaktaydı. Bununla birlikte, hidrolik bekleme süresi (HBS) ve organik yükleme oranı (OYO) gibi işletme koşulları, reaktörlerin sınırlarını zorlayacak aralıklarda seçilmemiştir. Böylece, bilgimize göre daha önce MEH`lere substrat olarak uygulanmamış olan büyükbaş hayvansal gübre bu çalışmada substrat olarak seçilmiştir. Ayrıca, birçok çalışma sonucunda, MEH teknolojisinin geleneksel AÇ teknolojisine göre daha iyi olduğu ileri sürüldüğünden dolayı, MEH ile AÇ`nin birleştirilerek, geleneksel AÇ teknolojisinin sıkıntılarının üstesinden gelinebileceği ve arıtma ve metan üretme performanslarının arttırılabileceği düşünülmüştür. Sonuç olarak, bu çalışmanın ana amacı kombine mikrobiyal elektroliz hücresi ve anaerobik çürütücüde büyükbaş hayvansal gübreden farklı işletme koşullarında biyogaz üretimin arttırılması olarak belirlenmiştir. İlk önce, MEH+AÇ ve kontrol reaktörlerinde, metan üretimi, organik madde parçalama verimi ve arıtma süresi konularındaki farklılıkları belirlemek için büyükbaş hayvansal gübrenin Biyokimyasal Metan Potensiyeli (BMP) araştırılmıştır. BMP testleri, çalışmanın başlangıcında ve reaktörlerin alışmış olduğu koşullarda gerçekleştirilmiştir. Sonrasında, MEH+AÇ ve kontrol reaktörleri yarı-sürekli çalışma modunda, HBS`si 6 günden 1 güne azaltılarak ve içeriği sabit olan gübre (% 3 UKM, %4,15 TKM) ile beslenerek işletilmiştir. Besleme 5 ila 30 g UKM/L/gün OYO denk gelmiştir. Bundan sonra reaktörler, OYO 22,5 ve 30 g UKM/L/güne karşılık gelecek şekilde 2 günlük sabit HBS`de % 4,5 UKM ve % 6 TKM içeriği sahip gübre ile beslenerek işletilmiştir. Bu esnada farklı işletme koşullarında çalıştırılan MEH+AÇ reaktörleri, 0,3, 0,6 ve 1,0 V`luk enerji ile de desteklenmiştir. Bütün çalışma boyunca, reaktörlerin biyogaz üretimleri, spesifik metan üretimleri, organik uzaklaştırma oranları ve akım üretimleri gözlemlenmiştir. Sonuçlar göstermiştir ki, MEH+AÇ reaktörlerinin biyogaz üretimleri, en düşük OYO olan 5 g UKM/L/gün`den en yüksek OYO olan 30 g UKM/L/gün`e kadar devamlı olarak yükselmiştir. MEH+AÇ`nin biyogaz üretimleri, HBS ve OYO`na bağlı olarak 1,23 L/L/gün (HBS: 6 gün, OYO: 5 g UKM/L/gün, 0,3 V) ile 5,11 L/L/gün (HBS: 2 gün, OYO: 30 g UKM/L/gün, 1,0 V) arasında değişmiştir. MEH+AÇ`nin spesifik metan üretimleri OYO`nun artması ile azalarak, 0,09 ve 0,24 L CH4/g UKM arasında değişmiştir. 0,24 L CH4/ g UKM olan en yüksek spesifik metan üretim oranı, 0,6 V voltaj uygulanan MEH+AÇ`de 6 günlük HBS ve 5 g UKM/L/gün OYO`nda elde edilmiştir. Reaktörlerde üretilen biyogazın metan oranı, bütün işletme koşullarında % 75-80 arasında olmuştur. Bu çalışmada, biyogazdaki metan oranı, uygulanan voltajdan, HBS ve OYO`dan tamamen bağımsız sonuçlanmıştır. 0,6 ve 1,0 V olarak uygulanan voltajlar, 20-30 g UKM/L/gün gibi yüksek OYO`nda gerçekleşen biyogaz üretimleri üzerinde belirgin şekilde etkili olmuştur. Bütün çalışma boyunca, MEH+AÇ reaktörlerinin, biyogaz üretimleri ve spesifik metan üretimleri her bir HBS`nde (6, 4, 3 gün) kontrol reaktörlerinden daha üstün olmuştur. Reaktörlerin enerji değerlendirmeleri göstermiştir ki, (MEH+AÇ)0.3V reaktörü, reaktörlere verilen enerjiye ve alınan enerjye göre, en yüksek enerji verimliliğini sergilemiştir. (MEH+AÇ)0.3V reaktöründen elde edilen metanın enerji içeriği, reaktörlere sağlanan enerji içeriğinin 200 katı kadar olmuştur. MEH+AÇ reaktörlerinde en yüksek KOİ, TKM ve UKM giderim verimleri, 6 günlük HBS ve 5 g UKM/L/gün`lük OYO`nda elde edilmiştir. En yüksek giderim verimleri, sırasıyla KOİ için % 41,4 ile % 44,9, UKM için % 26,1 ile % 29,5 ve UKM için % 34.3 ile % 37,7 arasında gerçekleşmiştir. MEH+AÇ reaktörlerindeki akım üretimleri, uygulanan voltaj miktarlarına kesin olarak bağımlı olmuştur. En yüksek ve en düşük akım üretimleri, sırasıyla 1,0 V ve 0,3 V güç uygulanan reaktörlerde genel olarak 4-6 mA/L ve 1-2,5 mA/L aralığında gerçekleşmiştir. Anahtar Kelimeler: Mikrobiyal elektroliz hücresi, anaerobic çürütme, kombine MEC+AD, metan üretimi, büyükbaş hayvan gübresi, kısa hidrolik besleme süresi