Effect of trace metals in anaerobic digestion of chicken manure


Thesis Type: Postgraduate

Institution Of The Thesis: Marmara University, Faculty of Engineering, Environmental Engineering, Turkey

Approval Date: 2015

Thesis Language: English

Student: RAHİM MOLAEY

Supervisor: BARIŞ ÇALLI

Abstract:

Anaerobik çürütme, tarımsal, endüstriyel ve evsel atıkların azaltılmasının yanı sıra değerli biyogaz ve fermente ürün (digestate) üretmekte kullanılan sürdürülebilir teknolojilerden birisidir. Anaerobik çürütmenin en yaygın kullanıldığı uygulamalar olan gübrenin, tarımsal ve endüstriyel atıkların enerjiye dönüştürülmesi yüksek oranda ekonomik karlılığa bağlıdır. Anaerobik çürütmenin en büyük sorunu yüksek yatırım ve işletme maliyetleri ve reaktör kararsızlıklarıdır. Bundan dolayı, daha verimli ve düşük maliyetli anaerobik çürütme uygulamaları için mikroorganizmalara ideal şartların sağlanması gerekir. Anaerobik mikroorganizmaların enzimolojisinden dolayı, anaerobik çürütme prosesi bazı belirli elementlerin iz miktarda bulunmasına fazlasıyla bağlıdır. Tavuk gübresinde anaerobik çürütme için kritik önemi olan bazı iz elementlerin eksikliğinin olduğu düşünülmesine rağmen, literatürde tavuk gübresinin anaerobik olarak çürütülmesinde iz elementlerin etkisi çalışılmamış bir konudur. Bundan dolayı, bu çalışmada, azotça zengin tavuk gübresinden biyogaz üretilmesinde, yüksek amonyak konsantrasyonlarında iz element ilavesinin etkisi incelenmiştir. Kesikli biyo-metan potansiyeli testleri, uçucu yağ asitleri (UYA) ve ham tavuk gübresinin substrat olarak kullanıldığı ve laboratuvar ölçekli tavuk gübresi ve haşhaş küspesinin beraber çürütüldüğü anaerobik reaktörden alınan aşı çamurunun, farklı toplam amonyum azotu (TAN) konsantrasyonlarında iz element katkılı ve katkısız olarak kullanılmasıyla gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar, asetik asit, bütirik asit ve tavuk gübresinin kullanıldığı setlerde yüksek amonyak azotu konsantrasyonlarında iz element katkısının daha çok biyogaz üretimine katkıda bulunduğunu göstermektedir. BMP testlerine göre iz element katkısı, asetik asitten biyogaz üretiminde 675 mg/l ve 5225 mg/l TAN konsantrasyonlarında sırasıyla %8 ve %13.5 daha fazla biyogaz üretilmesine sebep olmuştur. Benzer bir eğilim 2950 mg/l TAN’da asetik asit ve bütirik asitten biyogaz üretiminde de gözlemlenmiştir. Asetik asit ve bütürik asitin kullanıldığı setlerde, iz element katkısı olanlar olmayanlara göre sırasıyla %12 ve %18 daha fazla biyogaz üretmiştir. Tavuk gübresiyle yapılan BMP testlerinde ise, iz element katkısının düşük, orta, yüksek ve çok yüksek TAN konsantrasyonlarında sırasıyla %4, %6, %7.5 ve %18 oranlarında biyogaz üretimini arttırdığı belirlenmiştir. ABSTRACT Anaerobic digestion (AD) is one of the sustainable technologies for decreasing the agricultural, industrial, and domestic wastes, while, producing valuable biogas and digestate. The wide spread application of AD for transformation of manure, agricultural and industrial wastes to energy is highly dependent on economic profitability. The major drawback of AD is particularly related to high capital and operational costs and instability of the reactor. Hence, for application of more efficient and lower cost AD, it is necessary to provide the optimal conditions for microorganisms that carry out the digestion process. Based on the enzymology of anaerobic microorganisms, the AD process is strongly dependent on the existence of trace amounts of some specific metals. Although the chicken manure (CM) is considered to be deprived in terms of some trace metals (TMs) which have critical importance for AD, in the literature there is a lack of study on the effects of TMs on anaerobic digestion of CM. Therefore, in this study, the effect of trace metal supplementation on biogas production from nitrogen rich CM at elevated ammonium concentration was investigated. Batch bio-methane potential tests were performed using volatile fatty acids (VFAs) and raw CM as substrate and digestate of a lab-scale anaerobic chicken manure and spent poppy straw co-digester as inoculum at different total ammonium nitrogen (TAN) concentrations with and without trace metal supplementation. Results revealed that, trace metal supplemented sets produced more biogas from acetic-, butyric-acid and raw CM at elevated total ammonia nitrogen concentration. The TMs supplementation has resulted in 8% and 13.5% more biogas production from acetic acid at 675 mg/l and 5225 mg/l TAN, respectively. A similar trend was observed in biogas production from acetic- and butyric acid at 2950 mg/l TAN. TMs supplemented sets produced 12% and 18% more biogas than the sets with no extra TMs from acetic- and butyric acid, respectively. In BMP tests with chicken manure, TMs supplementations improved the biogas production from CM by 4%, 6%, 7.5% and 18% at low, moderate, high and very high TAN concentrations, respectively.