T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ KOMPOSTLAŞTIRMA SİSTEMLERİ İÇİN EGZOZ GAZI İÇERİĞİNİ TEMEL ALAN PROSES KONTROL VE YÖNETİM CİHAZININ GELİŞTİRİLMESİ Ahmet SÜSLÜ Danışman Prof. Dr. Recep KÜLCÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ TARIM MAKİNALARI VE TEKNOLOJİLERİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ISPARTA

2 2018 [Ahmet SÜSLÜ]

3

4

5 İÇİNDEKİLER Sayfa İÇİNDEKİLER... i ÖZET... ii ABSTRACT... iii TEŞEKKÜR... iv ŞEKİLLER DİZİNİ... v ÇİZELGELER DİZİNİ... vii SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ... viii 1. GİRİŞ KAYNAK ÖZETLERİ Kompostlaştırma Tanım Parametreler Materyale Ait Parametreler Süreç Yönetimine Ait Parametreler Kalite Parametreleri Kompostlaştırma Sistemleri Kompostlaştırmada Kontrol Stratejileri MATERYAL VE YÖNTEM Materyal Reaktör Sisteminin Tasarımı Gaz sıralayıcı, Gaz Şartlandırma ve Oksijen Analizörü Otomasyon Sistemi PLC (Programlanabilir Lojik Kontrolör) Diğer Modüller Yöntem Kompostlaştırılacak materyal karışımının hazırlanması Geri Dönüş Havası Oranlarının ve Toplam Besleme Miktarının Ayarlanması Reaktörlere Egzoz Havası Geri Dönüşüm Uygulamaları Otomasyon Yazılımının Geliştirilmesi Havalandırma Stratejisi Sıcaklık Takibi Gaz Örneklemesi ve Analizi Eş Zamanlı Ölçümler ve Aralarındaki Matematiksel İlişki Arayüz Tasarımı ARAŞTIRMA BULGULARI TARTIŞMA VE SONUÇLAR KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ i

6 ÖZET Yüksek Lisans Tezi KOMPOSTLAŞTIRMA SİSTEMLERİ İÇİN EGZOZ GAZI İÇERİĞİNİ TEMEL ALAN PROSES KONTROL VE YÖNETİM CİHAZININ GELİŞTİRİLMESİ Ahmet SÜSLÜ Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tarım Makineleri ve Teknolojileri Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Recep KÜLCÜ Bu tez çalışmasında, kompostlaştırma sistemleri için egzoz gazı içeriğini temel alarak yığın içerisindeki O2 konsantrasyonunun tahminlenebilmesini sağlayan proses kontrol ve yönetim cihazı geliştirilmiştir. Denemelerin yürütülmesinde gerekli kontrolü ve elde edilen verilerin dijital ortama kaydedilmesini sağlayan özgün bir otomasyon sistemi oluşturulmuş ve programlanmıştır. Deneme süresince ölçülen sıcaklık verileri tüm reaktörlerde başarılı bir kompostlaştırma işleminin gerçekleştiğini göstermiştir. Bu durum, çalışmanın asıl amacı olan, yığın içi oksijen seviyelerini tahmin etmek için yapılacak modelleme çalışmaları için kullanılacak verilerin, başarılı bir kompostlaştırma işlemini temsil edeceğini göstermiştir. Yürütülen denemelerde Rutgers havalandırma stratejisi uygulanarak sığır gübresi ve saman karışımının kompostlaştırılması sağlanmıştır. 60 litrelik aktif hacme sahip 5 farklı kompost reaktöründe %0, 20, 40, 60 ve 80 oranında egzoz gazı geri dönüşümü yapılarak, her geri dönüşüm oranı için farklı bir model geliştirilmiştir. Bu modeller otomasyon sisteminin, farklı sistemler ve prosesler için kullanılabilirliğini arttıracak niteliktedir. Denemelerde 5 farklı reaktör için belirlenen reaktör içi O2 seviyesini tahmin eden modellerin r 2 değerleri sırasıyla %98.94, %98.47, %95.75, %98.74, %97.09 olarak hesaplanmıştır. Sonuç olarak; reaktör denemelerinden elde edilen tahmin modelleri, PLC tabanlı otomasyon sisteminin yazılımına dahil edilerek, kompostlaştırma sistemleri için fan kontrolleri, sıcaklık ölçümü ve sıcaklık kaydı yapan, aynı zamanda egzoz gazının oksijen konsantrasyonunu analiz ederek yığın içerisindeki oksijen konsantrasyonunu tahmin edebilen bir proses kontrol sistemi geliştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Kompost, Otomasyon, Yığın İçi O2 konsantrasyonu, Egzoz Gazı, Modelleme. 2018, 58 sayfa ii

7 ABSTRACT M.Sc. Thesis DEVELOPMENT OF PROCESS CONTROL AND MANAGEMENT SYSTEM BASED ON EXHAUST GAS CONTENT FOR COMPOSTING SYSTEMS Ahmet SÜSLÜ Süleyman Demirel University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Agricultural Machinery And Technologies Engineering Supervisor: Prof. Dr. Recep KÜLCÜ In this thesis study, a process control and management device has been developed for the composting systems to estimate the O2 concentration in the pile based on the exhaust gas content. A unique automation system has been created and programmed which enables the necessary control and recording of the data obtained in the execution of the experiments in the digital environment. The temperature data measured during the experiment showed that a successful composting process was performed in all reactors. This shows that the data to be used for modeling studies to estimate the oxygen levels in the stack, which is the main goal of the study, will represent a successful composting process. Rutgers' ventilation strategy was applied to make composting of cattle manure and straw mixture. A different model was developed for each recycling rate by exhaust gas at 0, 20, 40, 60 and 80% in 5 different compost reactors with an active volume of 60 liters. These models will increase the usability of the automation system for different systems and processes. The r 2 values of the models estimating the intra-reactor O2 level for 5 different reactors in the experiments were calculated as 98.94%, 98.47%, 95.75%, 98.74%, 97.09%, respectively. As a result; the prediction models obtained from the reactor experiments have been incorporated into the software of the PLC based automation system to develop a process control system that can estimate the oxygen concentration in the pile by analyzing the oxygen concentration of the exhaust gas, fan control, temperature measurement and temperature recording for composting systems. Keywords: Compost, Automation, O2 concentration in the Pile, Exhaust Gas, Modeling. 2018, 58 pages iii

8 TEŞEKKÜR Bu araştırma için beni yönlendiren, hayata dair her konuda karşılaştığım zorlukları bilgi ve tecrübesi ile aşmamda yardımcı olan değerli Danışman Hocam Prof. Dr. Recep KÜLCÜ ye teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarımda yardımlarını esirgemeyen arkadaşlarım Ziraat Mühendisi Nazım GÜNEY, Ziraat Mühendisi Kerem DOĞAN ve Ziraat Mühendisi Muhammad Basher SOLTANİ ye teşekkür ederim YL1-15 No`lu Proje ile tezimi maddi olarak destekleyen Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimi Başkanlığı na teşekkür ederim. Tezimin gerçekleşmesinde 214O266 numaralı proje ile maddi destek sağlayan TÜBİTAK a teşekkür ederim. Tezimin hiçbir aşamasında beni yalnız bırakmayan aileme sonsuz sevgi ve saygılarımı sunarım. Ahmet SÜSLÜ ISPARTA, 2018 iv

9 ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 2.1. Kompostlaşma süreci safhaları... 5 Şekil 2.2. Örnek bir kompost matrisinin şematik gösterimi... 8 Şekil 2.3. Tipik bir kompostlama işleminde sıcaklık-zaman grafiği Şekil 2.4. Ülkemizde tarımsal atıklardan kompost üretim kapasitesinin yıllara göre dağılımı (Külcü ve Çaylak, 2015) Şekil 2.5. Beltsville havalandırmalı yığın metodunun şematik gösterimi Şekil 2.6. Rutgers' (sol) ve Beltsville (sağ) havalandırma stratejilerinin akış diagramları Şekil 3.1. Denemelerde kullanılan reaktörlerin iç yapısı Şekil 3.2. Tasarlanan geri beslemeli kompost reaktörü Şekil adet kompost reaktörü Şekil 3.4. Yığın içi oksijen ölçüm noktası (Sol) Egzoz havası oksijen ölçüm noktası (Sağ) Şekil 3.5. Gaz örneklemesi ve analizinin işleyiş şeması Şekil 3.6. Gaz sıralayıcı panosu Şekil 3.7. Nem tutucu tasarımı Şekil 3.8. Yoğuşturma hacimleri Şekil 3.9. Grove marka oksijen sensörü Şekil Hat üstü ölçüm yapabilen oksijen sensörü Şekil Deney sistemleri için tasarlanmış otomasyon panosu Şekil Deney sisteminde kullanılan MPU modülü Şekil Deney sisteminde kullanılan TC modülü Şekil Deney sisteminde kullanılan ADC modülü Şekil Deney sisteminde kullanılan HMI Şekil Deney sisteminde kullanılan güç kaynağı Şekil Deney sisteminde kullanılan sigorta Şekil Temiz ve geri dönüş havası ayar vanaları Şekil Bir saatlik periyotdaki analiz ve havalandırma uygulamaları Şekil Kompost yazılımı açılış ekranı Şekil Sistem göstergeleri sayfası Şekil Kompost yazılımı ayarlar sayfası Şekil 4.1. Reaktörlerden ölçülen işlem sıcaklıklarının zamana göre değişimi Şekil 4.2. R1 reaktörünün egzoz hattı ve yığın içerisinde ölçülen oksijen konsantrasyonları Şekil 4.3. R1 reaktörünün egzoz hattı ve yığın içerisinde ölçülen oksijen konsantrasyonlarının dağılımı Şekil 4.4. R2 reaktörünün egzoz hattı ve yığın içerisinde ölçülen oksijen konsantrasyonları Şekil 4.5. R2 reaktörünün egzoz hattı ve yığın içerisinde ölçülen oksijen konsantrasyonlarının dağılımı Şekil 4.6. R3 reaktörünün egzoz hattı ve yığın içerisinde ölçülen oksijen konsantrasyonları Şekil 4.7. R3 reaktörünün egzoz hattı ve yığın içerisinde ölçülen oksijen konsantrasyonlarının dağılımı v

10 Şekil 4.8. R4 reaktörünün egzoz hattı ve yığın içerisinde ölçülen oksijen konsantrasyonları Şekil 4.9. R4 reaktörünün egzoz hattı ve yığın içerisinde ölçülen oksijen konsantrasyonlarının dağılımı Şekil R5 reaktörünün egzoz hattı ve yığın içerisinde ölçülen oksijen konsantrasyonları Şekil R5 reaktörünün egzoz hattı ve yığın içerisinde ölçülen oksijen konsantrasyonlarının dağılımı vi

11 ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 2.1. Kompost kalite parametreleri (Kompost Tebliği Ek-2) Çizelge 3.1. Denemelerde kullanılan materyallere ait kuru madde oranları 22 Çizelge 3.2. Denemelerde kullanılan materyallere ve hazırlanan karışıma ait fiziksel ve kimyasal özellikler Çizelge 3.3. Kullanıcı tarafından belirlenebilecek işletme parametreleri Çizelge 5.1. Denemelerde geliştirilen modeller ve r 2 değerleri vii

12 SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ A Numunenin İlk Ağırlığı ADC Analog Dijital Dönüştürücü BD Yığın Yoğunluğunu C/N Karbon Azot Oranı CO2 Karbondioksit DIY Kendin Yap dm Kuru Madde Oranı dw Net Kuru Ağırlığı FAS Serbest Hava Oranı HMI İnsan Makine Arayüzü KM Kuru Madde (%) M Yaş Bazda Nem Oranı (%) MPU Merkezi İşlemci Birimi O2 Oksijen Konsantrasyonu (%) PLC Programlanabilir Lojik Kontrolör SG Özgül Ağırlık TAS Toplam Hava Hacmi TC Termokapl viii

13 1. GİRİŞ Dünyada nüfusun hızla artmasıyla birlikte artan besin ihtiyacı 20. yüzyılında giderilmesi gereken bir problem haline gelmiştir. Besin ihtiyacının giderilmesi için sanayide ve tarımsal üretimde gerçekleştirilen teknolojik atılımlar aynı zamanda çevresel problemlere yol açacak miktarda atığın da açığa çıkmasına sebep olmuştur. Bu atıkların oluşturduğu koku ve çevresel kirlenme ilk zamanlar dikkate alınmayacak kadar az olmasına karşın, artan nüfusa paralel olarak artan üretim miktarları doğanın kendini temizleme mekanizmasını yetersiz kılmıştır. 20. yüzyıldan 21. yüzyıla artarak gelen atık sorunu insanoğlunu çevreye karşı daha duyarlı hale getirmiş ve bu atıkların doğaya geri kazandırılmasına yönelik çalışmaları zorunlu kılmıştır. Biyolojik olarak parçalanabilen atıkların yönetiminde düzenli depolama ve yakma işlemlerine en uygun alternatifler kompostlama ve anaerobik sindirim gibi biyolojik süreçlerdir (Pognani vd., 2009). Ülkemizde atık yönetimi ile ilgili yapılmış yasal düzenlemelerden biri olan Kompost Tebliği bu konuda yapılması gerekenleri açıkça belirtir niteliktedir. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı tarafından 5 Mart 2015 tarih ve sayılı Resmi Gazete de yayınlanmış bu tebliğin amacı; bir faaliyet sonucunda ortaya çıkan veya işletmelerden kaynaklanan biyobozunur atıkların; Çevre ve insan sağlığına zarar vermeden kaynağında ayrı toplanarak yönetiminin sağlanması, Geri kazanımının sağlanarak düzenli depolama tesislerinde bertaraf edilecek miktarının azaltılması, Kompost tesislerinin teknik kriterlerinin belirlenmesi, Kompost tesislerinden elde edilen ürünlerin kalite kriterlerinin belirlenmesi, alanlarında usul ve esasları ortaya koymaktır. 1

14 Tebliğde belirtilen kompost tesislerinin sağlaması gereken şartlar içinde, tez konusuyla bağlantılı öne çıkan teknik özelliklerden bazıları şunlardır; Kompostlaştırma sürecini kontrol etmek amacıyla yığın sıcaklığı günlük olarak, nem içeriği ise haftalık olarak takip edilir ve kayıt sistemi oluşturulur. Kapalı veya yığın kompost tesislerinde; havalandırma sisteminin, uçucu bileşikler, çürüme sonucu ortaya çıkabilecek kirleticiler, mikroorganizma ve alerjenlerin, ortama verilecek emisyonların ve kokunun temizlenmesini sağlayacak şekilde kurulması ve çalıştırılması zorunludur. Hayvansal atık kullanılması durumunda, kompostlaştırma ünitesinde 70 C sıcaklığın en az 1 saat boyunca kesintisiz olarak sağlanması ve sağlandığının belgelenmesi veya tesiste 1 saat 70 C sıcaklığın uygulanacağı hijyenizasyon ünitesi şartı aranır. Bu tebliğle birlikte; özellikle sıcaklık ve nem takibi gibi insan duyularıyla denetlenmesi kararsız sonuçlar doğurabilecek parametrelerin, mevcut veya kurulacak kompost tesislerinde proses kontrol sistemlerinin kullanımını kaçınılmaz kılmıştır. Kontrol sistemleri birçok üretim hattında yalnızca verilerin kayıt altında tutulmasında değil, aynı zamanda üretiminde bir parçası olup, kritik kararların alınmasında da etkili rol oynayabilmektedir. Kompostlaştırma sistemleri yığınların atmosfere açık olma durumuna göre kapalı ve açık sistemler olarak sınıflandırılırken, proses süresince yığına yapılan fiziksel müdahalelere göre karıştırmalı ve statik yığın olarak kategorize edilebilmektedir (Haug, 1993; Külcü, 2002). Aktif havalandırma ve egzoz gazı temizleme özelliğine sahip kapalı kompostlama sistemleri, kontrollü bir hacme sahip olmasından dolayı süreç kontrolü ve emisyon azaltımını mümkün kılmaktadır (Cuhls vd., 2015). Kompostlaştırma sistemlerinde proses kalitesini arttıran en önemli faktör, yığın içerisindeki oksijen konsantrasyonudur (Michel ve Reddy, 1998). Aerobik 2

15 mikrobiyal aktiviteyi desteklemek için kompost yığını havalandırılmalıdır. Havalandırma mikrobiyal aktiviteyi azaltacak miktarda aşırı ısıyı ortadan kaldırırken, ayrıca yığındaki nemi egzoz yoluyla sistem dışına atmaktadır. Genellikle nem ve sıcaklık kontrolü için mikrobiyal aktivitenin ihtiyaç duyduğu havadan daha fazlası gereklidir. Kompost materyali içindeki hava, % 5 ile %15 arasında bir oksijen konsantrasyonuna sahip olmalıdır (Sweeten ve Auvermann, 1988). Yığın içerisindeki oksijen konsantrasyonu %5 in altına düştüğünde aerobik mikroorganizmaların yerini anaerobik mikroorganizmalar almaktadır (Haug, 1993). Bu durum; proses hızını yavaşlatmakta, yığın sıcaklıklarının artmamasına neden olmakta ve metan oluşumu gerçekleşmektedir. Anaerobik mikroorganizmalar sera gazı etkinliği yüksek metan salınımına neden olduklarından dolayı bu işlemin çevre dostu yapısını da bozmaktadır. Bu bağlamda kapalı sistemlerin hem emisyon azaltımı hemde girdi-işlem-çıktı kontrolü anlamında otomasyon sistemleriyle tam uyumlu çalışabildiği anlaşılmaktadır (Süslü ve Külcü, 2016). Tez kapsamında kompostlaştırma sistemleri için egzoz gazı içeriğini temel alan proses kontrol ve yönetim cihazının geliştirilmesi amaçlanmıştır. Öncelikle proses kontrolüne uygun, istenilen oranda egzoz havası ve temiz hava karışımını reaktöre besleyebilen, laboratuvar ölçekli ve kapalı tip 5 adet kompostlaştırma reaktörü tasarlanmıştır. Her reaktörden gaz örneklerinin alınabilmesi ve analizlerinin yapılabilmesi için gaz sıralayıcı ve şartlandırıcı bir otomasyon ara elemanı geliştirilmiş, reaktörlerinin tek bir ana işlem birimi (Main Process Unit - MPU) tarafından kontrol edilebilmesinde gerekli donanım bileşenleri bir araya getirilmiş ve programlanabilir lojik kontrolcü (Programmable Logic Controller-PLC) yazılımı geliştirilmiştir. Seperatörden geçirilmiş sığır gübresi ile saman karışımından elde edilen materyal karışımı her reaktöre eşit ağırlıkta olacak şekilde yerleştirilmiştir. Denemelerde farklı geri dönüş havası (%0, %20, %40, %60, %80) ile temiz hava karışımı aktif olarak beslenmiş, egzoz havası ile eş zamanlı yığın içerisinden alınan gaz örnekleri oksijen konsantrasyonları bakımından karşılaştırılmıştır. Elde edilen veriler ile yığın matrisinde bulunan oksijen konsantrasyonunu egzoz gazı analiz sonuçları üzerinden tahminleyebilen eşitlikler oluşturulmaya çalışılmıştır. 3

16 2. KAYNAK ÖZETLERİ 2.1. Kompostlaştırma Tanım Kompostlaştırma işlemi temel olarak biyolojik materyalin içeriğindeki patojenlerin ve bitki tohumlarının işlevselliğini yok ederek tarımsal üretimde verime katkı sağlayabilen bir ürüne dönüştürmeyi amaçlamaktadır. Kompostlaştırma, materyalin doğal bozunum sürecinde açığa çıkardığı ısıyla istenilen uygun şartlara erişimindeki diğer tüm olumsuz durumların kontrol altına alınması ile mikrobiyolojik süreç sonucunda materyalin denge durumuna gelene kadar gerçekleştirilen biyolojik ayrıştırma işlemidir (Haug, 1993). Kompostlaştırma işlemi boyunca mikroorganizmalar oksijen (O2) tüketirken yüksek miktarda ısı, karbondioksit (CO2) ve su buharı açığa çıkarırlar (Rynk vd., 1992). Tipik bir kompostlaştırma işlemi, hızlı sıcaklık artışı, sürekli yüksek sıcaklıklar ve kompostlanan kütlenin aşamalı olarak soğuması gibi bir dizi aşamadan geçmektedir. Bu çeşitli kompostlaştırma evrelerinde, her biri belirli bir ortama uyarlanmış olan farklı mikroorganizma toplulukları bulunmaktadır (Halet vd., 2006). Kompostlama süreci boyunca yapılan analizlere ilişkin çalışmalar, faaliyet gösteren mikroorganizma topluluklarının sırasıyla mezofilik faz, termofilik faz ve tekrar mezofilik faz olmak üzere üç fazda meydana geldiğini göstermiştir. Yığın sıcaklığı değişimlerine bağlı olarak mezofilik ve termofilik bakteriler arasındaki varlık miktarı değişmekte ve ayrıştırma görevi türler arasında bu yolla devredilmektedir. Sıcaklık değerlerine göre bu farklı tipteki mikroorganizma toplulukları 45 C ve 55 C eşik değerlerinde yaşam alanı bularak süreçteki faz değişimini yaratmaktadır (Shihe vd. 1989). 4

17 Kompostlama çalışmalarının çoğunda sıcaklığın giderek kütle içerisinde birikmesi ve mevcut bakterilerin bu şartlara uyum sağlayamaması sonucunda, bakteri ölümlerinin gerçekleştiği ve yığın sıcaklığının düştüğü gözlemlenmiştir. Termofilik bakteriler için sınır değeri niteliğindeki 55 C değeri sürecin aşamalarının isimlendirilmesinde de etkili olmuştur. Aktif Faz olarak adlandırılan ve sürecin ilk aşaması olan faz, yığının başlangıç sıcaklığının artması ve bir sonraki düşüşe geçtikten sonra tekrar 55 C ye düştüğü belirli bir zaman dilimini göstermektedir. Aktif fazdan sonra gelen Olgunlaşma Fazı ise yığın sıcaklığının ortam sıcaklığına ulaşana kadar geçirdiği zamanı göstermektedir (Şekil 2.1) (Cooperband, 2002). Şekil 2.1. Kompostlaşma süreci safhaları Mezofilik organizmalar en iyi faaliyet gösterdikleri sıcaklık aralığı olan C arasında kompostlama sürecini başlatmaktadırlar. Kompost yığınlarının oluşturulmasından kısa bir süre sonra mikrobiyal aktivite arttıkça, uygun hacim ve yoğunluktaki yığınların içindeki sıcaklıklar artmaktadır. 40 C nin üzerindeki sıcaklıklarda faaliyet gösteren termofilik bakteriler, kompost yığını oluşturulduktan sonraki ilk 24 ile 72 saat arasında yığın içi sıcaklığını 50 ile 70 C sıcaklık bandına ulaştırabilmektedir. Hızla bu sıcaklıklara ulaşan yığın; hammadde özellikleri, yığın boyutu ve çevresel koşullara bağlı olarak birkaç gün ila birkaç hafta bu sıcaklıklarları koruyabilmektedir. Yığındaki besin öğelerinin 5

18 ve enerji içeren materyallerin büyük bir kısmı aktif fazda ayrıştırılır. Kompostlaştırma süreci ilerledikçe mikroorganizmalar için substratlar azalmakta, solunum aktiviteleri gerilemekte ve yığın sıcaklığı ortam sıcaklığında dengelenmektedir (Tchobanoglous ve Kreith, 2002; Chen vd., 2011). Kompostlaştırma prosesi sonunda, organik atıklardan toprak düzenleyici gübre (kompost) üretilir ve sıcaklık optimum değerine ulaşıldığı zaman patojen mikroorganizmalar inaktive edilirler. Konpost karışımları oluştururken bazı koşullar yerine getirilmelidir; bunlar karbon azot oranı (C/N), serbest hava oranı (Free Air Space-FAS) ve nem içeriği gibi parametrelerdir (Külcü, 2015a) Parametreler Kompostlaştırmada hammadde ve proses işleyişi üretilen kompostun yapısını ve dokusunu etkiler (Chatterjee vd., 2013), çoğu araştırmacı için ana hedeflerden biri ayrışma oranını en üst düzeye çıkarmaktır (Baptista vd., 2010). Kompostlaştırma mikrobiyal bir süreç olduğundan dolayı, ortam şartlarının fiziksel ve kimyasal özellikleri çok önemlidir (Cooperband, 2002). Kompostlaştırılacak materyalin mikroorganizma ve patojenler gibi mikrobiyolojik (Haug, 1993; Nakasaki vd., 1996; Epstein, 2011), ph ve karbon azot oranı gibi kimyasal (Rynk vd., 1992; Ogunwande vd., 2008; Guo vd, 2012; Külcü, 2015b) ve FAS, nem içeriği, yığın özkütlesi, yığın boyutu ve porozite gibi fiziksel (Rynk vd., 1992; Haug, 1993; Külcü, 2015a) özellikleri üzerine yapılmış birçok çalışma bulunmaktadır. Literatürde bulunan kompostlaştırmada etkili parametrelere ait yapılmış çalışmalar tez konusu kapsamında değerlendirilerek üç başlıkta sınıflandırılmıştır. İlk başlık kompostlaştırılması düşünülen materyale ait başlangıçtaki fiziksel, kimyasal ve biyolojik özelliklere ait çalışmaların araştırıldığı Materyale Ait Parametreler başlığıdır. İkinci başlık ise kompostlaştırma işlemi boyunca takip ve kontrol edilmiş parametreler ve sonuçları üzerinde yapılmış çalışmaları içeren Süreç Yönetimine Ait Parametreler başlığıdır. Son başlıkta ise kompostlaştırma sürecinden sonra elde edilen kompost ürününe ait kalitenin belirlenmesinde kullanılmış parametrelerin incelendiği Kalite Parametreleri başlığıdır. 6

19 Materyale Ait Parametreler Karbon Azot Oranı (C/N) Organik materyalin mevcut karbon miktarının azot miktarına oranı biyolojik bozunum için kritik bir parametredir ve optimum kompostlaştırma C/N oranı arasında bir değer ile gerçekleşir. Bitmiş bir kompostlaştırma işleminin sonunda C/N oranı, uygulanan prosese göre farklı değerlerde düşüş göstermektedir C/N oranları arasında bir değere sahip olan tamamlanmış kompostta aynı zamanda nem ve kuru madde bakımından da kayıplar meydana gelmektedir (Rynk vd., 1992; Ogunwande vd., 2008; Guo vd, 2012). Yapılmış çalışmalardan edinilen bilgilere göre kompostlaştırılması düşünülen materyalin olgunlaşma kalitesinde en etkili faktör C/N oranıdır. Bu bağlamda tercih edilecek materyaller karbon azot miktarlarına göre seçilmeli ve istenilen oranlarda bir karışım meydana getirebilmelidir. Atık olarak nitelendirilen ve karbonhidrat, protein, yağ gibi makro elementler bakımından zengin olan bitkisel atıklar, kompostlama işleminde karbon kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Yine atık olarak nitelendirilen ve azot içeriği açısından zengin olan hayvan gübreleri ise bitkisel kökenli atıklar ile istenilen C/N oranının elde edilmesinde uygun bir kompozisyon oluşturulabilmektedirler. (Mussatto vd., 2012) Serbest Hava Oranı (Free Air Space-FAS) Yığın hava içeriği ve bu havanın taşınımı; mikroorganizmaların ihtiyaç duyduğu oksijenin optimum şekilde sağlanması ve karbondioksit, fazla nem ve aşırı biriken ısının uzaklaştırılması bakımından önemlidir (Haug, 1993). Süreç verimliliğinde önemli bir etkisi olan serbest hava oranı terimi ilk olarak K. L. Schulze(1961) tarafından Buckingham(1904) ın yaptığı toprak havalanması üzerine çalışmasını temel alarak önerilmiştir (Buckingham, 1904; Schulze, 1961; Epstein, 1996). 7

20 FAS değeri kompostlaştırılacak materyalin hava dolabilecek boşluklu yapısını ifade etmektedir. Kompostlaştırma işlemi boyunca kaybolan nem ve biyolojik ayrışmayla değişen yığın strüktürü, FAS değerinde düşüşe neden olmaktadır. Başlangıç FAS değerinin yüksek olması hava direncini azaltıp, havanın yığın matrisinde homojen dağılmasını sağlarken ısı transferini arttırarak yığının soğumasına neden olur. Düşük FAS değerleriyle oluşturulmuş yığınlarda ise hava geçişi zorlaşmakta ve mikroorganizmalar ihtiyaç duydukları oksijene erişememektedirler. FAS değerini gerçek ölçekli bir yığın için belirlemek zordur, bu nedenle araştırmacılar genellikle FAS değerini tahmin etmek için parçacık yoğunluğunu belirlemek gibi daha basit teknikler kullanmışlardır. Parçacık yoğunluğu, belirli bir hacimdeki kompost malzemesinin kütlesini belirtir. Bu belirli hacimdeki kompost matrisi; katı madde, su veya gazla dolu boşluklardan oluşur (Şekil 2.2)(Su, 2006). Şekil 2.2. Örnek bir kompost matrisinin şematik gösterimi 8

21 Katı partikül içinde bulunan gaz hacmi ile partiküller arasındaki hacmin toplamı toplam hava hacmini (Total Air Space-TAS) ifade eder. Partikül içi boşluklar; açık gözenekli (partiküller arası boşluklarla doğrudan bağlantılı olan) ve kapalı gözenekli (partiküller arası boşluklarla bağlantısı bulunmayan) olarak iki şekilde sınıflandırılırlar. Kapalı gözenekli boşlukların oksijen taşıma ve havalandırma üzerineki etkisinin çok az olması beklendiğinden genellikle FAS değeri teorik modeller üzerinden çıkarılır (Haug, 1993; Su, 2006). Birçok araştırmacı FAS değerini belirlemede genellikle, yığın yoğunluğunu (BD) özgül ağırlık (SG) ile ilişkilendiren aşağıdaki denklemi kullanmaktadır (Epstein, 1996). FFFFFF = BBBB xx dddd (2.1) SSSS Yukarıdaki eşitlikte FAS serbest hava oranını (m³/m³), BD yığın yoğunluğunu (kg/m³), SG özgül ağırlığı (kg/m³) ve dm de kuru madde oranını (%) ifade etmektedir. Literatürde FAS değerini belirlemek için beş farklı kabul görmüş yöntem bulunmaktadır. Bunlar; partikül yoğunluğu metodu (Blake ve Hartge, 1986), gaz piknometresi metodu (Agnew vd., 2003), TMECC A (elenmemiş) ve B (elenmiş) (Test Method for Examination of Composting and Compost) metodları (TMECC, 2002), maksimum nem içeriği yöntemi (Eftoda ve McCartney, 2004) ve kuru akış (Micromeritics, 2000) yöntemidir(wang, 2003). Kompost materyalinin yığın yoğunluğu ve FAS değerini etkileyen birçok faktör vardır. Farklı hacim ve FAS değerleri sağlamak için hacim arttıran ajanların aynı zamanda gözenekli yapısından kaynaklanan su tutma gibi farklı yeteneklere sahip olduğu doğrulanmıştır (McCartney ve Chen, 2000). FAS değeri sürecin ilerleyişi bakımından büyük derecede öneme sahiptir. Mikrobiyal faaliyetin gerçekleşeceği ortam olan materyal, mikroorganizmalar için yeterli besine sahip ve ortam şartlarını uygun kılabilecek şekilde seçilmeli veya oluşturulmalıdır. 9

22 Nem içeriği değeri Amerika Birleşik Devletleri Kompostlaştırma Konseyi (US Composting Council) tarafından 2002 yılında yayınlanan kompost için test yöntemlerinin belirlendiği Test Methods for the Examination of Composting and Compost (TMECC) isimli çalışmada, kompost üzerinde yapılacak test yöntemlerine ait standartlar belirlenmiştir. TMECC a göre kompost veya kompostlaştırılacak ham materyalin nem içeriğini belirlenmesinde izlenmesi gereken yöntem olarak kompost numunelerinin ağırlık değişimi sıfıra düşene kadar (yaklaşık 18 saat ila 24 saat boyunca) 70±5 C'de fırında kurutulması gerektiği belirtilmiştir. Ayrıca 70±5 C'nin üzerindeki sıcaklıklarda, suya ek olarak CO2 gibi bileşiklerin uçucu kaybının oluşmasından dolayı gerçek nem içeriğinin elde edilemeyeceği de belirtilmiştir. Nem oranının hesaplanmasında kullanılacak eşitlikler aşağıda verilmiştir (TMECC, 2002). MM = 1 dddd xx 100 (2.2) AA Eşitlikte hesaplanan M numunenin yaş bazda nem oranını (% g g -1 ), dw etüvde 70±5 C de kurutulmuş materyalin net kuru ağırlığını (g) ve A alınan numunenin ilk ağırlığını(g) temsil etmektedir. Kompostlaştırılacak materyalin parçacıkları arasında ve parçacıklar içinde bazı boşluklar bulunmaktadır. Boşlukların genellikle hava, su veya hava-su karışımı ile dolu olması beklenmektedir. Boşluklar su ile tamamen doldurulursa, parçacıklar arası oksijen taşınımı büyük ölçüde kısıtlanmış olur ve aerobik kompostlaştırma gerçekleştirilemez. Yığından bir miktar suyun uzaklaştırılması boşluklardaki suyun yerini havanın almasını sağlayarak oksijen taşınımının gerçekleşmesini sağlayacaktır. Eğer mikrobiyal hareketliliği kısıtlayacak miktarda su uzaklaştırılırsa nem eksikliğinden dolayı kompostlama aktivitesi düşüşe geçecektir (Haug, 1993). 10

23 Kompostlama sırasında nem içeriği, mikroorganizmaların fizyolojik ve metabolik faaliyetleri için gerekli çözünmüş besin maddelerinin taşınabilmesi açısından önemlidir. Teoride nem olarak doygun bir materyalin biyolojik aktivitesi optimum seviyede ve fakat %15 nem oranının altında ise tamamen durmuş seviyede sayılabilmektedir. Ancak kompostlaştırma sürecinde optimum nem içeriğinin belirlenmesi üzerine yapılmış birçok çalışma %40 ile %60 arasında bir nem içeriğinin mikrobiyal aktivite için yeterli olduğunu göstermiştir. Kompostlaştırmanın başlangıcından sabit hale gelene kadar geçen süre içerisinde nem oranı sıcaklıkla birlikte buharlaşarak yığından uzaklaşmaktadır. Bu sebeple başlangıç nem oranının %40 dan düşük bir değerde başlatılması sürecin ilerleyen aşamalarında nem oranının mikrobiyal aktivitenin gerçekleşemeyeceği seviyelere düşmesine sebep olmaktadır. Başlangıç neminin %65 den yüksek bir değerle başlatılması ise parçacıklar arasındaki mikrobiyal aktivite için gerekli havayla dolu boşlukların yerini suyun almasını sağlamaktadır, bu durum oksijen taşınımına engel olarak anaerobik şartların oluşumuna sebep olmaktadır (Rynk, 1992). Sonuç olarak, materyalin nem içeriği oksijen taşınımında ve sürecin aerobik olarak devam ettirilmesinde yüksek derecede öneme sahiptir. Bu nedenle nem oranının oksijenin taşınımını ve kompostlamayı sınırlayıcı hale geldiği değerler daha önce belirtildiği gibi olsa bile bahsi geçen izin verilen değer aralıkları kullanılan materyalin yapısal direnci ve farklı su tutma kapasitelerine bağlı olduğundan, optimum başlangıç veya süreçteki nem seviyeleri hakkında kesin bir genelleme yapılamaz. Materyalin sıkışmaya karşı direnci ne kadar büyük olursa, izin verilen nem içeriğide artacaktır. Sıkışma direncinin arttırılması için, materyalin bazı hacim arttırıcı ajanlarla karıştırılması dolaylı olarak optimum nem içeriği değerini %75-80 gibi daha büyük değerlere taşıyabilir. Örnek olarak hayvan gübresi ve saman karışımı yaygın olarak uygulanmaktadır. Hayvan gübresi gibi azot miktarı yüksek bir materyal için, nem içeriğinin ve karbon azot oranının arzu edilen değerlere taşınabilmesi bakımından samanla karıştırılması iyi bir kompozisyon oluşturmaktadır (Diaz vd., 2007). 11

24 ph değeri Kompostlaştırmada ph değerinin yüksek ya da düşük olması nadiren zorluklar yaratabilmektedir. Genel olarak organik materyaller 3 ile 11 ph değeri arasında kompostlanabilir, fakat optimum değer aralığı 5,5 ile 8 arasındadır. Organik madde dönüşümlerinde bakteriler anahtar katalizörlerdir ve nötr ph değerini tercih etmektedirler. Buna karşın mantarlar, asit ortamında daha iyi gelişmektedirler. Kompostlaştırmanın erken dönemlerinde organik asitlerin açığa çıkmasından dolayı ph seviyesi 5 in altına düşebilmekte ve sonraki mikrobik popülasyonlar için substrat olarak işlev görerek ph ın yükselmesine sebep olsa da çoğunlukla nötr olarak dengelenir. Bazı durumlarda, kompostun ph değeri 8,5'e kadar yükselebilmektedir. Başlangıç dönemlerinde yüksek sıcaklıklarla birlikte yüksek ph değerleri, amonyağın buharlaşmasıyla azot kaybına neden olabilmektedir (Pichtel, 2005; Diaz vd., 2007). Kompostlaştırmanın erken dönemlerinde ph değerinin artması ile amonyak (NH3) buharlaşması meydana gelir. Bu durum koku probleminin açığa çıkmasının yanısıra azot kaybının artmasından dolayı son ürünün besin içeriğinin azalmasına sebep olur. Organik atıkların kompostlaştırılması sırasında toplam azot kaybı başlangıçtaki azot içeriğinin %50 sini bulabilmekte ve azotun ana formlarından olan NH3 ün bu kayıptaki etkisini yaklaşık olarak %90 a çıkarabilmektedir (Tiquia ve Tam, 2000; Wong vd., 2009; Bernal vd., 2009). Wong ve arkadaşları (2016) kompostlaştırma sırasında mevcut stratejilere ikişkin konuları, azot kaybı perspektifi üzerinden incelemişlerdir. Kompostlama sırasında azot kaybını azaltmak için uygulanan yöntemlerin (kireç veya kömür külü eklemek gibi) organik bozunumun azalmasına neden olduğunu ve kompost süresini arttırdığını belirtmişlerdir. Kompostlaştırmada optimum koşullar düşünüldüğünde, proses modifikasyonları yoluyla N kaybını azaltmak için fazla seçeneğin olmayışının ph'ı dar bir aralıkta kontrol etmeyi zorlaştırdığını ifade etmişlerdir. Düşük fermantasyon ve artmayan sıcaklıklar nedeniyle kötü patojenlerin inhibe olamamasına dikkat çekmişlerdir (Wong vd., 2016). 12

25 Süreç Yönetimine Ait Parametreler Sıcaklık Parametresi Kompostlaştırma sürecinin bir göstergesi olan sıcaklık, mikrobiyolojik aktivite üzerindeki etkisi bakımından önemli rol oynamaktadır. Sıcaklığın kompostlama sürecinin diğer parametreleri üzerinde de etkili olması genellikle neden sonuç ilişkisini belirlemeyi zorlaştırır. Özellikle sıcaklığın nem içeriğini doğrudan etkilenmesi gibi birbirini tetikleyen parametreler, mikrobiyolojik aktivitenin olumlu veya olumsuz şekilde ilerlemesinde de etkilidir. Kompostlama süreci sıklıkla zaman-sıcaklık ilişkileri şeklinde gösterilir. İyi yönetilen bir sistemde, istenen hedeflere ulaşmak için sıcaklık ayarlanır veya manipüle edilir. Örneğin, atıklar insana zarar verebilecek patojenleri içeriyorsa, dezenfektasyon birincil hedef olur (Epstein, 1996). Ülkemizde de bu konuda (patojenlerin ve bitki tohumlarının inaktive edilmesi amacıyla) oluşturulmuş yasal düzenlemelerden biri kompost tebliğidir. Kompost tebliğine göre hayvansal atık kullanılması durumunda, 70 C sıcaklığa ulaşan kompostlaştırma ünitesinin en az 1 saat boyunca kesintisiz olarak durumunu koruması ve bu durumun belgelenmesi veya tesiste 1 saat 70 C sıcaklığın uygulanacağı bir hijyenizasyon ünitesinin bulunması şartı aranır. Zaman-sıcaklık ilişkisi, organik maddenin parçalanma oranını etkiler ve bu nedenle, son kullanıcı için dengeli ve olgunlaşmış bir ürünün üretilmesinde önemlidir. Sıcaklığın mikrobiyal sistem üzerindeki etkisi, organizmanın çeşit ve miktarlarında büyük değişiklikler meydana getirir. Örneğin sürecin ilk safhalarında ayrıştırmada etkili olan mezofilik bakteriler sıcaklığın artmasıyla birlikte yerini termofilik bakterilere bırakmaktadır. Sürecin türü ve kontrol derecesi, sıcaklık ve sonuçları üzerinde büyük etkiye sahiptir. Sıcaklık kontrolünün en iyi şekilde gerçekleştirilebildiği sistemler genellikle statik veya dinamik kapalı sistemlerdir. Statik sistemler sıcaklık artışının en iyi kontrol altında tutulduğu sistemlerdir. Kompostlaştırma sistemlerinde genellikle sıcaklık heterojendir. Genellikle yığının iç kısmından ölçülen sıcaklık yüzeye yaklaştıkça düşmektedir (Epstein, 1996). 13

26 Organik materyal yalıtımlı bir kütle haline getirildikten hemen sonra biyolojik aktivitenin artabilmesi için gerekli şartların sürdürülmesi ile ısı birikimi devamlı olarak sıcaklığın artmasını sağlayacaktır. Ancak ısının birikmesi sonucu artan sıcaklıklar mikrobiyal faatliyetleri engelleyici seviyelere ulaşabilir. Bu artış ile birlikte sistem kendi kendini sınırlama eğilimi göstermiş olur (MacGregor vd., 1981). Statik yığına ait tipik bir kompostlama işleminde sıcaklık verilerinin zamana bağlı grafiği Şekil 2.3 de gösterilmiştir. Grafikde verilmiş olan sıcaklık değerleri temsili olup herhangi bir deneme sonucunda elde edilmiş bir veri dizisini temsil etmemektedir. Şekil 2.3. Tipik bir kompostlama işleminde sıcaklık-zaman grafiği Birçok çalışma sıcaklık eğrisini kompostlaştırma sürecinin anlık durumunu değerlendirmek amacıyla yorumlamaktadır. Fakat Külcü ve Yaldız (2014), çalışmalarından elde etmiş olduğu verilerin istatistiksel değerlendirmeleri sonucunda sıcaklık eğrisi altında kalan alan ile ayrışma oranları arasındaki ilişkiye dikkat çekmiştir (Külcü ve Yaldız, 2014). 14

27 Havalandırma parametresi Süreç yönetiminde üç temel amaç için havalandırma gereklidir. Bunlar; organik materyalin ihtiyaç duyduğu oksijenin karşılanması, nemli yüzeylerden suyun çıkartılarak materyalin kurutulması ve proses sıcaklıklarının kontrol altında tutulmasıdır. Havalandırma sistemi tüm modern kompostlama sistemlerinde proses kontrolünde sağladığı imkanlardan dolayı anahtar noktalarından biri olmuştur (Haug, 1993). Mikrobiyolojik faaliyet sonucu tüketilen oksijenin sisteme sağlanması işlemine havalandırma olarak genel bir isim verilebilir, ancak havalandırma işlemi yöntem olarak incelendiğinde üç farklı şekilde gerçekleştirilebilmektedir. Bunlar; karıştırarak havalandırma, doğal akışlı havalandırma ve zorlamalı havalandırma işlemleridir. Kompostlaştırma işleminde önemli bir faktör olan havalandırmanın en belirleyici özgün değeri havalandırma miktarıdır. Havalandırmanın fazla olması enerji transferini arttırarak sıcaklığın düşmesine, yetersiz olması ise oksijen mevcudiyetinin azalmasına sebep olmaktadır (Rynk vd, 1992; Haug, 1993; Epstein, 1996; Brodie vd, 2000; Diaz vd, 2002; Külcü ve Yaldız, 2004). Mikrobiyolojik faaliyetin sürdürülebilir olması için gerekli havalandırma miktarının hesaplanmasında kullanılan en yaygın yöntem kompostlanacak materyalin içeriğindeki organik madde miktarı üzerinden yapılacak hesaplamadır. Birçok çalışmada çeşitli materyaller ve karışımlar üzerine ideal havalandırma miktarları modellenmeye çalışılmıştır (Külcü ve Yaldız, 2004) Oksijen Tüketimi Yığın içerisindeki oksijen konsantrasyonunun %5 in altına düşmesiyle meydana gelen anaerobik şartlar kompostlama işleminin başarısını önemli derecede olumsuz yönde etkilemektedir. Birçok çalışmada yığının ağırlık merkezinden alınan gaz örnekleri analiz edildiğinde oksijen seviyesinin ilk 1 saat içinde mikroorganizmalar için kritik seviye olan %5 in altına düştüğü gözlemlenmiştir. 15

28 Kompostlama işleminin optimum şekilde ilerlemesi için gereken O2 nin sisteme sağlanmasında uygulanacak havalandırma miktarının belirlenmesine yönelik çalışmalar yapılmış ve kullanılan materyale özgün çeşitli kinetik modeller geliştirilmiştir (Haug, 1993). Yapılmış araştırmalarda, biyolojik bozunabilirlik açısından farklılık gösteren çoğu atığa özgün zorlamalı havalandırma aralıkları önerilmiştir. Bunun yanı sıra kompostlaştırma sürecinde biyolojik aktivitenin hızlandığı veya yavaşladığı dönemlerde oksijen alım hızı da değişiklik göstermektedir. Örneğin Rasapoor ve arkadaşları çok yüksek veya yetersiz oksijen seviyesinden kaçınmak için sürecinin her aşamasına bağlı olarak farklı hava hızı aralıkları önermiştir (Rasapoor vd, 2009) Kalite Parametreleri Bir ürünün kalitesinin belirleyen faktörler kullanılacağı alanda sağlayacağı faydalar üzerinden değerlendirilmektedir. Kompostlaştırma işlemi sonucunda elde edilen ürün olan kompost, içeriğindeki mikro ve makro elementler bakımından yoğun tarımsal üretim yapılan arazilerde oluşan bitki için gerekli besin kayıplarının giderilmesinde etkilidir. Kompost boşluklu yapısı itibariyle devamlı olarak işlenerek bozulan toprak yapısının iyileştirilmesi içinde kullanılmaktadır. Fakat içeriğindeki patojenlerin ve yabancı otların tohumlarını barındırabilen olgunlaşmamış kompost uygulamaları kültür bitkisi yetiştiriciliğinde istenmeyen üretim kayıplarına yol açabilmektedir. Ülkemizde üretilen kompostun satılabilir bir ürüne dönüşmesi için, kalite parametreleri Çevre ve Şehircilik Bakanlığı tarafından 5 Mart 2015 tarih ve sayılı Resmi Gazete de yayınlanan Kompost Tebliği ile belirlenmiştir (Çizelge 2.1). 16

29 Çizelge 2.1. Kompost kalite parametreleri (Kompost Tebliği Ek-2) Parametre Değer ph 5,5 8,5 Kesintisiz olarak 55 C de 2 hafta, 60 C de 1 hafta, 65 C de 5 gün, 70 C de 1 saat, işlem görmüş olacaktır. Patojenler Toplam Bakteri 1x10³ kob/g veya kob/ml Enterobactericia grubu bakteriler < 3cfu/ml Mycobacterium spp Yok (25 gr veya ml) Hijyen değeri Toplam maya ve küf 1<10 4 kob/gr-ml Salmonella spp Yok (25 gr veya ml) Staphylococcus aureus Yok (25 gr veya ml) Bacillus cereus Yok (25 gr veya ml) Bacillus anthracis Yok (25 gr veya ml) Clostridium spp <2 kob/g veya kob/ml Clostridium perfiringens Yok Listeria spp Yok Staphylococcal Enterotoksin Yok E.coli Yok E.coli 0157 Yok Parametre Kompostta ppm (mg/kg kuru madde) Arsenik (As) 20 Kadmiyum (Cd) 3 Krom (Cr) 350 İz elementler Bakır (Cu) 450 Civa (Hg) 5 Nikel (Ni) 120 Kurşun (Pb) 150 Çinko (Zn) 1100 Kalay (Sn) 10 Kompostun Nem içeriği < %30 Karbon/Azot Oranı (C/N) Organik Madde (kuru madde içerisinde) > %35 Mineral iyonlar halindeki tuzlar < 10dS/cm Biyobozunur Olmayan Yabancı Madde İçeriği < %2 (Kuru Ağırlık Olarak) Komposttaki yabani ot değeri < 5adet/lt 10 mm lik elekten ürünün %90 ı geçecektir. Plastik madde ya da diğer mevcut muhtemelen geri dönüşümü olmayan madde parçacıklarının büyüklüğü 10 mm yi geçmeyecektir. Sıcaklık 17

30 Kompostlaştırma Sistemleri Kompostlaştırma sistemleri temel olarak açık ve kapalı sistemler olarak ayrılmaktadır. Açık sistemlerde yığınlar oluşturulmakta ve yığınların oksijen ihtiyacı, statik sistemlerde fanlar tarafından hava üflenerek, karıştırmalı yığın sistemlerinde ise yığın karıştırıcılarla periyodik karıştırma yapılarak karşılanmaktadır. Açık sistemlerde kurulum ve işletme maliyetleri düşük olurken, pastörizasyon işlemi homojen gerçekleşmemekte, yığın sıcaklığı heterojen olmakta, koku problemi ortaya çıkmakta ve kompostlaşma işlemi uzun (3-6 ay) sürmektedir. Açık sistemlerin bu dezavantajlarına karşın kapalı sistemler hızlı ve etkin kompostlaştırma, homojen sıcaklık dağılımı ve biyofiltre kullanımıyla düşük koku salınımı gibi avantajlar sunmaktadır. Bu sistemler tünel, döner tambur ve dikey reaktör sistemleri olarak sınıflandırılabilir. Ancak bu sistemlerde kullanılan proses kontrol cihazları ve diğer kompostlaştırma ekipmanları ileri teknoloji ve bilimsel/teknik bilgi gerektirmektedir. Ülkemizde statik yığın ve kapalı sistemlerin ihtiyaç duyduğu ekipmanları üreten bir işletmenin bulunmayışı bu alanda teknoloji bağımlılığına neden olmakta ve bu sistemlerin ülkemizde yaygınlaşmasına engel teşkil etmektedir (Külcü, 2013). Ülkemizde kentsel atıkların kompostlaştırılması konusunda uzun yıllardır çalışmalar yapılmakta ve üretim gerçekleştirilmektedir. Bu faaliyetler çoğunlukla belediyeler tarafından gerçekleştirilmekte ve tam anlamıyla ticari bir beklentiyle yapılmamaktadır. Ülkemizde İstanbul, Antalya, İzmir ve Denizli de bulunan kompost tesislerinde kentsel atıklardan kompost üretilmektedir. Bu tesislerde kullanılan teknoloji yurt dışı kökenlidir ve kapalı sistemlerden oluşmaktadır. Tarımsal atıkların kompostlaştırılması konusundaki faaliyetler ise 1988 yılında mantar üretim işletmelerinde kurulan kompost tesisleriyle başlamıştır. Bugün ülkemizde T.C. Gıda, Tarım ve Hayvancılık Bakanlığı ndan lisans almış 29 tesis bulunduğu bilinmektedir. Külcü ve Çaylak (2015) ülkemizde faaliyet gösteren tarımsal atıklardan kompost üreten işletmeler ile bir anket çalışması gerçekleştirmiştir. Bu tesislerle gerçekleştirdikleri anket çalışmasında tesislerin kapasiteleri, 18

31 kullanılan hammadde türü ve yaşanan sıkıntılar ile üniversitelerden beklentileri sorulmuştur. Anket sonuçlarına göre ülkemizde tarımsal atıklardan lisanslı olarak kompost üretimi 1988 yılında başlamış ve 2009 yılı rakamlarına göre 29 fabrikayla t/yıl üretim kapasitesine ulaşılmıştır. Şekil 2.4 de gösterilen grafik bu sektörün çok hızlı bir büyümeye sahip olduğunu işaret etmektedir. Ancak bu kapasite ülkemizin yıllık 160 milyon ton hayvan dışkısı ve 12,8 milyon ton bitkisel atık potansiyeli ile karşılaştırıldığında oldukça düşüktür (Külcü ve Çaylak, 2015). Şekil 2.4. Ülkemizde tarımsal atıklardan kompost üretim kapasitesinin yıllara göre dağılımı (Külcü ve Çaylak, 2015) Külcü ve Çaylak (2015), ülkemizde faaliyet gösteren kompost işletmelerinin yaklaşık %3 ünde statik yığın, %66 sında karıştırmalı yığın ve %31 inde kapalı sistemler kullanıldığını belirtmişlerdir. Ülkemizde kullanılan kapalı sistemlerin hemen hepsi tünel tipi kompostlaştırma sistemleridir. Bu sistemler yurt dışından ithal edilmişlerdir. Ülkemizde tarımsal kompostun üretiminde karıştırmalı yığın sisteminin daha çok tercih edilmesine, kompost karıştırıcı üretimini yapan yerli bir firmanın bulunması etkili olmuştur. Statik kompost tesislerinde proses kontrolünü yapan cihaz ve havalandırma ekipmanları, tünel sistemlerinde ise inşaat dışındaki tüm aksamlar yurt dışından ithal edilmektedir. 19

32 2.2. Kompostlaştırmada Kontrol Stratejileri Kompostlama, materyal içerisindeki mikroorganizmaların gelişiminde optimum nem içeriğini koruyarak, gereken oksijenin sisteme sağlandığı aerobik ve termofilik bir biyobozunma prosesidir (Haug, 1993). Günümüzde endüstriyel tesislerde farklı kompostlaştırma teknolojileri kullanılmaktadır. Metot seçimi, yatırım ve işletme maliyetine, kompost olgunluğuna, ham madde mevcudiyetine ve hammaddelere ulaşmak için gereken süreye bağlıdır (Ruggieri vd., 2008). Başarılı bir kompost elde etmek için, sıcaklık, nem içeriği, havalandırma oranı, ph, C/N oranı ve kompost materyali gibi biyolojik aktiviteyi etkileyen faktörler uygun şekilde kontrol edilmelidir (Gao vd., 2010). Anaerobik koşulları önlemek ve organik maddenin aerobik ayrışmasını gerçekleştirmek için gerekli olan oksijenin sağlanması bakımından, tüm bu faktörler arasında havalandırma kompostlama prosesi için en önemli parametredir (Diaz vd, 2002). Bu nedenle, havalandırma mikrobiyal aktiviteyi, substrat degradasyon oranını ve prosesin sıcaklık değişimini doğrudan etkiler (Kuter vd, 1985). Ayrıca, havalandırma oranı materyale daha fazla oksijen nüfuz etmesini teşvik ederek, mikroorganizma faaliyetini arttırır ve buna bağlı olarak reaksiyon hızını artırmaya yardımcı olur (Papadimitriou vd, 2010). Genel olarak, kompostlama işleminde oksijenin sağlanması için karıştırmayla, doğal konveksiyon ve zorlamalı havalandırma yöntemleri kullanılmaktadır (Külcü ve Yaldız, 2004). Dengeli bir havalandırma ile ihtiyaç duyulan oksijenin sisteme sağlandığı ilk havalandırma stratejisi 1983 yılında Beltsville Tarımsal Araştırma Merkezi'nde geliştirilmiştir. İlerleyen zamanda Beltsville Havalandırma Stratejisi olarak anılan bu proses kontrolü temelde her türlü materyale ve kompost üretim sistemine kolayca adapte edilebilmiştir. Beltsville stratejisi en basit haliyle havalandırmanın zamana bağlı açılıp kapatılması olarak açıklanabilir (Willson, 1983). 20

33 Şekil 2.5. Beltsville havalandırmalı yığın metodunun şematik gösterimi Beltsville stratejisinden sonra 1985 yılında geliştirilen diğer bir havalandırma stratejiside Rutgers Havlandırma Stratejisidir. Önceki kompostlama sistemlerinin ayrışmayı önleyen veya yavaşlatan sıcaklıklara ulaşma eğilimini ortadan kaldırmak için geliştirilmiş olan bu strateji, yapısal olarak basitliği ile statik yığınlarda ve reaktör tipi kapalı sistemlerde kolayca uygulanabilmiştir. Bu yöntemde amaç yüksek ayrışma oranını hedefleyerek belirlenmiş sıcaklığın, set değerleri altında kalması için yığın içindeki sıcak havanın bir termostat ve fan yardımıyla sistemden uzaklaştırılmasına dayanmaktadır. Rutgers ve Beltsville havalandırma stratejilerinin karşılaştırmalı işleyiş diagramları Şekil 2.6 da gösterilmiştir (Finstein vd., 1985). Şekil 2.6. Rutgers' (sol) ve Beltsville (sağ) havalandırma stratejilerinin akış diagramları 21

34 3. MATERYAL VE YÖNTEM 3.1. Materyal Denemelerde kompostlaştırılacak materyal olarak kullanılmış olan saman ve sığır gübresi Süleyman Demirel Üniversitesi Tarımsal Araştırma ve Uygulama Merkezinden temin edilmiştir (TARUM). Temin edilen saman ve sığır gübrelerinin organik madde miktarı ve nem tayini Süleyman Demirel Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları ve Teknolojileri Mühendisliği bölümü bünyesindeki Yenilenebilir Enerji Laboratuvarın da gerçekleştirilmiştir. Temin edilen saman, sığır gübresi ve oluşturulan karışıma ait kuru madde oranları Çizelge 3.1 de verilmiştir. Çizelge 3.1. Denemelerde kullanılan materyallere ait kuru madde oranları Materyal Adı Kuru Madde Oranı (%) Reaktör başına kullanılan toplam materyal (kg) Saman %93 0,23 Sığır Gübresi %23 9,9 Kompostlaştırılacak Karışım %25 10, Reaktör Sisteminin Tasarımı Reaktörler içerisinde tabandan 15 cm yüksekte, kompostlaşacak karışımları belirli bir yükseklikte tutmak ve havanın yığın tabanından homojen olarak sağlamanması amacıyla elek taban oluşturulmuştur. Reaktörün orta ekseninde, yığın tabanından 15, 30 ve 45 cm yüksekliklerden ısılçiftler (K tipi) ile sıcaklık ölçümleri yapılabilecek biçimde tasarlanmıştır. Yalıtımın sağlanması amacıyla izolasyon ve kaplama uygulaması gerçekleştirilmiştir. İzolasyon işleminde reaktörler 20 mm kalınlıkta alüminyum yüzeyli polietilen köpük malzemesiyle kaplanmıştır. Tasarıma ait üç boyutlu görünüm Şekil 3.1 de gösterilmiştir. 22

35 Şekil 3.1. Denemelerde kullanılan reaktörlerin iç yapısı Tasarlanan bu temel reaktör sistemi üzerinde, tezin temel amacı olan egzoz gazı analizi ile yığın içerisindeki oksijen konsantrasyonunu tahminleyebilmek için gerekli eklemeler yapılmıştır. Egzoz gazının farklı oranlarda tekrar sisteme geri verilerek temiz hava beslemesi ile diğer geri dönüş oranları arasındaki ilişkilerin belirlenmesi amacıyla oluşturulmuş geri besleme hattı Şekil 3.2 de gösterilmiştir. Havalandırmayı gerçekleştirecek fan olarak salyangoz tipte bir fan seçilmiş ve fanın emiş ve üfleme hattı üzerinde sisteme entegre edilebilecek eklemeler yapılmıştır. Bu eklemeler sonucunda fanın emiş hattı egzoz havasını çekip besleme hattı üzerinden üfleme yapabilir duruma getirilmiştir. Şekil 3.2. Tasarlanan geri beslemeli kompost reaktörü 23

36 Farklı geri dönüş havası oranları ile besleme yapılarak eş zamanlı denemeler yürütebilmek amacıyla 5 adet özdeş reaktör oluşturulmuştur (Şekil 3.3). Bu reaktörlerden her birinde yığın içi ve çıkış havası olmak üzere iki noktada oksijen örneklemelerinin yapılabilmesi için konumlandırılmış gaz boruları mevcuttur (Şekil 3.4). Şekil adet kompost reaktörü Şekil 3.4. Yığın içi oksijen ölçüm noktası (Sol) Egzoz havası oksijen ölçüm noktası (Sağ) 24

37 Gaz sıralayıcı, Gaz Şartlandırma ve Oksijen Analizörü Reaktörlerin ortam sıcaklığı gibi değişken faktörlerden dolayı belirsiz sonuçlar meydana getirmemesi için 5 reaktör aynı anda devreye alınmıştır. Her reaktörden yığın içi gaz örneği ve egzoz gazı örneği olmak üzere 1 analiz süreci boyunca toplam 10 adet örnek alınmış ve analiz edilmiştir. Analiz sayısının çok oluşu ve her reaktörden alınan 2 analizin eş zamanlı yürütülmesi gerekliliğinden dolayı vakumlama ve analiz işlemleri selenoid valfler aracılığıyla belirli bir sıralamayla gerçekleştirilmiştir. Analiz işleminin işleyiş diyagramı Şekil 3.5 de verilmiştir. Şekil 3.5. Gaz örneklemesi ve analizinin işleyiş şeması Gaz Sıralayıcı Pano: Pano üzerine açılmış deliklere contalı şekilde montajlanmış pnömatik bağlantı elemanları (fitting) ile selenoid valfler panoya montaj edilmiştir. Reaktörlerden çıkan egzoz ve yığın içi gaz boruları fittinglerle sızdırmaz şekilde panoya bağlanmıştır (Şekil 3.6) Şekil 3.6. Gaz sıralayıcı panosu 25

38 Pano içerisindeki selenoid valfler normalde kapalı tipte seçilmiş ve 220 V elektrik sağlandığında açık konuma gelebilmektedir. Analizler boyunca sırası gelen reaktör için yığın içi ve egzoz gazı valfleri eş zamanlı olarak açık konuma getirilmiştir. Valflerin açılması için bu pano içerisinde herhangi bir lojik eleman bulunmamaktadır. Açma kapatma kontrolleri PLC tarafından sağlanacak şekilde tasarlanmış ve kablolanmıştır. Gaz şartlandırma panosu içerisindeki 24VDC 220VAC röleler ile PLC den gelen 24V luk açma verisi 220V luk selenoid valflerin açılmasını sağlamaktadır. Herhangi bir reaktör için gerçekleştirilen açılma işleminde vakum pompası otomatik olarak devreye girecek şekilde bağlantıları oluşturulmuştur. Gaz Şartlandırma Panosu: Kompostlaştırma işlemi boyunca vakumlanan gaz örnekleri oksijen sensörlerine ulaşmadan önce gaz şartlandırma panosunda bulunan nem tutucu özelliğe sahip silika jel ile dolu kaplardan geçirilmiştir. Kompostlaştırılacak materyal mikrobiyolojik aktivitenin devamlılığı gereği nemli yapıdadır. Kompost yığınının ısınmasıyla birlikte rahatlıkla taşınabilen su buharıyla karışan gaz örnekleri, oksijen sensörlerinin kabul edilebilir çalışma aralığının dışında nem oranına sahiptir. Alınan gaz örneğindeki nemin azaltılması ve oksijen sensörlerinin doğru ve kararlı şekilde çalışabilmesi amacıyla gaz şartlandırma panosu oluşturulmuştur. Reaktörlerden vakumlanan gaz örnekleri Şekil 3.7 de gösterilen yönlendirici ile silika jel içerisinden geçirilmiştir. Şekil 3.7. Nem tutucu tasarımı 26

39 Fakat analizlerin çok oluşu ve nem içeriğinin yüksek oluşu ilk tasarlanan nem tutucunun yetersiz olduğunu göstermiş ve yeni bir tasarım daha yapılmıştır. Oluşturulan yeni tasarımda gaz silika jel e gelmeden önce boş bir hacimde yoğuşturulduktan sonra silika jel içerisinden geçirilmiştir (Şekil 3.8). Şekil 3.8. Yoğuşturma hacimleri Oksijen Analizörü: Oksijen ölçümü yapan sensörler genellikle kimyasal tip sensörlerdir. Kimyasal sensörler içeriğindeki kimyasal ile ölçülecek gazın oluşturduğu kimyasal tepkimelerin yoğunluğuna göre analog değerler üretmektedirler. Hat üstü oksijen ölçümü için hazır olarak satışa sunulan çoğu ürün bazı özel ortamlarda çalışabilirlik raporları, patent, marka tanınmışığı, ithal ürün oluşu ve benzeri sebeplerden dolayı maliyeti yükseltmektedir. Deney sisteminde kullanılan Grove marka oksijen sensörü DIY (do it yourself) modeline uygun bir ürün oluşundan dolayı tercih edilmiştir (Şekil 3.9). Şekil 3.9. Grove marka oksijen sensörü 27

40 Resimde göründüğü şekliyle ortam tipi ölçüm yapabilen oksijen sensörü, PPRC boru üzerine yerleştirilerek iki ucu sadece fitting noktalarından açık olacak şekilde deney sisteminin ihtiyacı olan hat üstü ölçüm yapabilen bir sensöre dönüştürülmüştür (Şekil 3.10). Şekil Hat üstü ölçüm yapabilen oksijen sensörü 28

41 Otomasyon Sistemi Günümüzde otomasyon sistemleri birçok farklı isimle adlandırılan ama temelinde bir işlemci ve belirlenmiş bir program çerçevesinde istenilen işlemleri yürüten cihazlar bütününü temsil etmektedir. Bu bakımdan incelendiğinde her türlü otomasyon sisteminin kontrol gerektiren her işleme uyumlu olması beklenir, fakat endüstriyel üretim sonucu oluşabilecek ağır ortam şartlarına dayanımı, pano içerisine standartlara uygun olarak yerleşim imkanı tanıması ve pompa veya fan gibi yüksek güç kullanan sistemlerin denetlenebilmesi bakımından PLC ler birçok yerde tercih sebebi olmaktadır. Programlanmış işlemler dizisinin yerine getirilmesi ile elde edilen sonuçların kaydedilerek deneysel verilere dönüştürülmesinde yaygın olarak kullanılan birçok marka ve model PLC bulunmaktadır. Deney sisteminde, Süleyman Demirel Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları ve Teknolojileri Mühendisliği Bölümü Yenilenebilir Enerji laboratuvarında bulunan Delta marka ve röle çıkışlı DVP28SV modelli MPU kullanılmıştır. MPU nun gerçekleştirdiği matematiksel ve mantıksal işlemlemlerin yanı sıra deney sisteminden sıcaklık ve O2 konsantrasyonu verilerin toplanması için de ayrıca modüllere ihtiyaç duyulmuştur. Bunlar, ısılçift ten alınacak sıcaklık verilerinin ve O2 sensöründen alınacak konsantrasyon verilerinin MPU ya aktarılabilmesi için gerekli olan Termocouple ve Analog modülleridir. Ayrıca otomasyon sisteminin kontrolünün başlaması, hangi aralıklarla kayıt ve örnekleme yapılacağı gibi bilgilerin PLC üzerine aktarılıp tanımlanabilmesi için kullanıcı ve makine arasında iletişimi sağlayan HMI (Human Machine Interface) dokunmatik cihazınada ihtiyaç duyulmuştur. Tüm bu ihtiyaçlar doğrultusunda gerekli parçalar biraraya getirilip bağlantıları gerçekleştirilmiş otomasyon panosu Şekil 3.11 de gösterilmiştir. 29

42 Şekil Deney sistemleri için tasarlanmış otomasyon panosu PLC (Programlanabilir Lojik Kontrolör) Programlanmış işlemler dizisinin yerine getirilmesi ile elde edilen sonuçların kaydedilerek deneysel verilere dönüştürülmesinde yaygın olarak kullanılan birçok marka ve model PLC bulunmaktadır. PLC sistemleri kullanıldıkları alanlara göre farklı birçok modülle işlevselliği arttırılarılabilen cihazlardır. Programlanırken kullanılan PLC nin marka ve modeline göre özgün bilgisayar yazılımları bulunmaktadır. PLC ler genel olarak ladder programlama dili kullanırlar. Deney sisteminde kullanılan Delta marka PLC nin programlanması için WPLSoft Versiyon programı kullanılmıştır. Tasarlanan otomasyon sistemi panosunda kullanılan parça ve modüller şu şekildedir; MPU (Main Processing Unit) Modülü TC (ThermoCouple) Modülü ADC (Analog Digital Converter) Modülü HMI (Human Machine Interface) Ekranı Güç Kaynağı Sigorta MPU Modülü: Mevcut laboratuvar altyapısında bulunması itibariyle otomasyon panosunda Delta marka DVP28SV modelli bir merkezi işlem birimi 30

43 kullanılmıştır (Şekil 3.12). Bu birim giriş ve çıkış birimleri üzerinden kontrol sağlayarak, dahili ve harici bellekleriyle verilerin kaydedilmesine imkan tanımaktadır. PLC ye gelen giriş sinyalleri, oluşturulan program mantığına uygun şekilde MPU tarafından yorumlanarak çıkış sinyali üretilir. Ayrıca diğer HMI, TC ve ADC modüllerine ev sahipliği yaparak bu modüller üzerinden verilerin işlemciye aktarılmasını da sağlamaktadır. Şekil Deney sisteminde kullanılan MPU modülü Diğer Modüller TC Modülü: Deney sistemindeki her bir reaktörden okunan sıcaklık değerlerinin santigrad cinsinden dijital veriye dönüştürülmesinde kullanılmıştır. Bir TC modülü 4 kanaldan ölçüm yapabilmektedir. Deney sisteminde 5 reaktörün her birinden 3 er adet ve 1 adet ortam sıcaklığı ölçümü yapabilmek için toplamda 16 kanal sıcaklık ölçüme ihtiyaç duyulmuştur. Ölçümleri sağlayabilmek için otomasyon sisteminde kullanılan TC modülleri Şekil 3.13 de gösterilmiştir. Şekil Deney sisteminde kullanılan TC modülü 31

44 ADC Modülü: Deney sisteminde yığın içi ve egzoz gazı oksijen konsantrasyonlarını analiz etmek için kullanılan O2 sensörünün üretmiş olduğu analog verinin dijital veriye dönüştürülüp MPU ya aktarılmasını sağlayan modüldür. Bir adet ADC modülü 4 sensörden eş zamanlı veri alarak MPU ya aktarabilmektedir. Toplamda 2 adet O2 sensörü kullanıldığı için 1 adet ADC modülü otomasyon panosu için yeterli olmuştur (Şekil 3.14). Şekil Deney sisteminde kullanılan ADC modülü HMI Ekranı: Dokunmatik ekranı ile kullanıcı makine arasında giriş ve çıkış verilerinin görüntülenmesi veya müdahale edilebilmesini sağlamaktadır. Geliştirilen otomasyon sistemine özgün arayüz tasarlanabilme ve kendi içerisinde de mantıksal ve matematiksel işlemleri yapabilmesi bakımından süreç yönetiminin anlık olarak takibine katkı sağlamaktadır. PLC ile devamlı olarak haberleşme portu üzerinden iletişimde kalan HMI ile, otomasyon işleminin başlaması ve durdurulması gibi kullanıcının kolayca müdahale edebileceği bir arayüz tasarlanmıştır. Bu arayüz tasarlama işlemi DOPSoft Version : programı ile gerçekleştirilmiştir. Şekil Deney sisteminde kullanılan HMI 32

45 Güç Kaynağı: Otomasyon panosu içerisinde kullanılmış PLC ve diğer bütün modüller 24V doğru akımla çalışmaktadır. Bu doğrultuda güç kaynağı seçilirken modüllerin tamamı tarafından çekilecek akım hesaplanmış ve en uygun güç kaynağı (5A) ile güç beslemesi gerçekleştirilmiştir. Şekil Deney sisteminde kullanılan güç kaynağı Sigorta: Tüm cihazların güvenliğini ve ana güç bağlantısının gerektiğinde kapatılabilmesini sağlanmak amacıyla şehir şebekesinden gelen elektrik hattı üzerine 16A lik sigorta yerleştirilmiştir. Şekil Deney sisteminde kullanılan sigorta 33

46 3.2. Yöntem Kompostlaştırılacak materyal karışımının hazırlanması Kompostlaştırma işleminde her atığın kendine özgün fiziksel ve kimyasal özellikleri değerlendirilerek en fazla bozunumun sağlanması için optimum karışım oranının belirlendiği literatürde birçok çalışma mevcuttur. Bu çalışmalar doğrultusunda kompostlaştırma işlemi gerçekleştirilecek karışım materyalinde elde edilmesi gereken fiziksel ve kimyasal özellik değerleri, sürecin sağlıklı bir şekilde yürütülmesinde en etkili faktörlerdir. Bunlardan en önemlisi ise mikroorganizmanın faaliyetini doğrudan etkilemekte olan Karbon/Azot oranıdır. Tez kapsamında yürütülmüş denemelerde kullanılan saman, sığır gübresi ve oluşturulan karışıma ait fiziksel ve kimyasal özellikler Çizelge 3.2 de verilmiştir. Çizelge 3.2. Denemelerde kullanılan materyallere ve hazırlanan karışıma ait fiziksel ve kimyasal özellikler Materyal Miktar (kg) Nem (%) OM (%) Toplam C (%) N (%) C/N Sığır Gübresi 39,5 76,48 81,02 42,16 2,55 16,53 Saman 0,8 6,98 91,25 54,23 0,41 132,27 Hammadde Karışımı 40,3 75,10 82,04 43,37 2,34 28, Geri Dönüş Havası Oranlarının ve Toplam Besleme Miktarının Ayarlanması Kompostlaştırılacak materyal karışımının hazırlanmasından sonra 5 farklı özdeş reaktöre 60 litrelik aktif hacme kaşılık gelen 40,3 kg lık hammadde karışımı tartılmış ve reaktör içerisine yerleştirilmiştir. Yükleme sonrasında hava besleme fanlarının bağlantıları gerçekleştirilmiştir. Reaktör başına devreye alınacak materyal içeriği 10 kg kuru madde (KM) içermektedir. Havalandırma miktarı ayarlanırken 0,3 lkgkm -1 dk -1 olacak şekilde seçilmiştir. Yapılan hesaplamaya 34

47 bağlı olarak her reaktör için besleme hattının son noktasında bulunan vana yardımıyla toplam besleme miktarı 3 l/min olacak şekilde ayarlanmıştır. Havalandırmada kullanılan salyangoz fanlar özdeş seçilmiş olup, 180 m³/h debiyle besleme sağlayabilmektedirler. Besleme havasının kompost içerisinden geçerken karşılaştığı dirence basınç oluşturabilmesi için seçilmiş olan bu salyangoz fanlardan elde edilen besleme miktarı, ihtiyaç duyulan besleme miktarını karşılamaktadır. Temiz hava, geri dönüş havası ve egzoz havasının akış sağladığı noktalardan kızgın telli hava hızı ölçer ile hava akış hızları ölçülmüştür. Havanın aktarılmasında kullanılan PPRC borular eşit yarıçaplı olduğundan, doğrusal olarak hava hızları üzerinden hat üstü vanalar yardımıyla temiz hava ve geri dönüş havası karışım oranları ayarlanmıştır. Bir Reaktöre saatlik 180 l hava girişinin saatte 5 dakikalık açık kalma periyodu sırasında uygulanması için ise 36,12 l/min debinin sağlanması gerekmiştir. Havalandırma boruları sabit yarıçapa sahip olup 20,5 mm dir. 36,12 l/min debinin sağlanabilmesi için gerekli hava hızı 1,82 m/sn olarak hesaplanmıştırdir (Şekil 3.18). Şekil Temiz ve geri dönüş havası ayar vanaları 35

48 Reaktörlere Egzoz Havası Geri Dönüşüm Uygulamaları Deney sisteminde bulunan 5 farklı reaktörün her birinde farklı birer geri dönüş havası uygulanmıştır ve geri dönüş oranları sırasıyla %0, 20, 40, 60 ve 80 dir. Deney sisteminde geri dönüş uygulamalarına yer verilmiş olmasının en temel sebebi farklı içerikli gaz ortamları yaratmaktır. Pratiktede uygulanan farklı egzoz havası geri gönüşüm oranlarına sahip tünel tipi sistemler için kullanılabilirliğini arttıracaktır Otomasyon Yazılımının Geliştirilmesi Herhangi bir otomasyon sistemi donanımsal veya yazılımsal olarak oluşturulmadan önce ihtiyaç duyulan kontrol parametrelerinin belirlenmesi gerekmektedir. Tez kapsamında geliştirilecek olan kompostlaştırma sistemleri için egzoz gazı içeriğini temel alan proses kontrol ve yönetim cihazının ihtiyaç duyduğu parametreler; reaktörlerin havalandırılmasında izlenecek stratejinin uygulamasını, bu doğrultuda reaktör içerisinde gelişen biyolojik sürecin sıcaklık üzerinden takibi ve eş zamanlı olarak yığın içerisinden ve egzozdan alınan gaz örneklerinin analiz edilip kaydedilmesi olarak 3 bölümde incelenmelidir Havalandırma Stratejisi Denemelerde; havalandırma stratejisi olarak literatürdeki mevcut Rutgers ve Beltsville olarak adlandırılan iki strateji içinden daha gelişmiş olması ve oluşturulan otomasyon sisteminin rahatlıkla ihtiyaçlarını karşılayabilecek donanıma sahip olması bakımından Rutgers stratejisi tercih edilmiştir. Rutgers havalandırma stratejisine göre fanların çalışma ve durma süreleri sabit bir periyotta belirlenmeli ve yığın sıcaklığının biyolojik aktiviteyi inhibe edici sıcaklıklara ulaşmasını engelleyecek bir set değerinin belirlenmesi gerekmektedir. Yürütülen denemelerde uygulanan fanların çalışma süresi periyodu saatte 5 dakika olarak ayarlanmıştır. Ayrıca gaz örneklemesi içinde yığın içerisindeki 36

49 mevcut birikmiş ve oksijen bakımından tükenmiş olan gazın oksijen oranının çıkış hattında çekilerek analizini sağlamak amacıyla bir sonraki havalandırmadan 6 dakika önce 30 saniyelik bir havalandırma gerçekleştirilmiştir. Havalandırmanın 1 saatlik periyodunu temsil eden grafik Şekil 3.19 de verilmiştir Sıcaklık Takibi Yığın içerisindeki sıcaklık değeri yığındaki biyolojik aktiviteyi temsil eden iyi bir gösterge olması sebebiyle deneme boyunca takip edilmiş ve kayıt altına alınmıştır. Anlık olarak devamlı yapılan ölçümler 1 dakikalık aralıklarla kayıt altına alınmış ve yığın içi sıcaklığın belirlenen 80 C lik set değerine ulaşması durumunda fanları çalışır duruma getirecek şekilde programlanmıştır. Sıcaklık kaydına ait veriler araştırma ve bulgular bölümünde gösterilmiş ve değerlendirilmiştir Gaz Örneklemesi ve Analizi Gaz örneklemesi havalandırma sonucunda doğrudan etkilenen bir parametredir. Havalandırmanın yanıltıcı etkisini en aza indirgemek için bir önceki havalandırmadan 45 dakika sonra yığın içerisinden ve egzoz çıkışından gaz örnekleri alınmıştır. Gaz örneklerinin alınması ve analiz süreci kullanılan donanıma göre tespit edilen en ideal sürelerde gerçekleştirilmiştir. Bu süreleri etkileyen donanımlar vakum pompası ve analiz için kullanılan oksijen sensörüdür. Vakum pompasının yığın içerisinden ve egzozdan çekmiş olduğu gazların sensörün bulunduğu hazneye taşınması için gereken süre boru çapı ve boyuna ve vakum pompasının emiş hızına bağlı olarak 7 sn olduğu hesaplanmıştır. Sensöre gelen gaz vakum esnasında da ölçülmeye devam etmiştir fakat oluşan negatif basınç sensörün doğru sonuç vermesini engellemiştir. Bu olumsuz durum vakum sonrasında elde edilen değerlerin incelenmesi ve 15 sn lik analiz süresinde stabil değerler okunmaya başlandığı görülerek aşılmıştır. Analizler her reaktör için 2 gruptan oluşmaktadır. Birinci grup analizler rutin hava beslemesinden sonraki 45. dakikada yapılan, ikinci 37

50 grup analizlerse birinci grup analizlerin bitiminden hemen sonra başlatılan 30 saniyelik havalandırma sonrası içerideki gazın yer değiştirmesi sağlanarak yapılan analizlerdir. Her analiz grubu kendi içerisinde 3 tekerrüre sahiptir ve eş zamanlı yığın içerisinden ve egzozdan alınan bu gazların oksijen konsantrasyonlarını karşılaştırılabileceği şekilde kayıt altına alınmıştır. Analizler, gaz sıralayıcının reaktörleri sırayla değiştirecek şekilde saatlik rütin havalandırma periyodunu takiben düzenlenmiştir. Toplamda 5 reaktör olması sebebiyle her reaktör 5 saatte bir analiz edilmiştir. Bir saatlik periyotdaki analiz süreçleri Şekil 3.19 de verilmiştir. Şekil Bir saatlik periyotdaki analiz ve havalandırma uygulamaları Eş Zamanlı Ölçümler ve Aralarındaki Matematiksel İlişki Oksijen konsantrasyonu analizlerinde sırası gelen her reaktör için reaktörün iki noktasından eş zamanlı gaz örneklemesi yapılmıştır. Yığın içerisinden ve egzozdan alınan gaz örneklerinin analizleri sonucunda matematiksel olarak aralarındaki ilişkiyi ifade eden eşitlikler hesaplanmıştır. r 2 değerleri üzerinden tahminleme yeteneklerinin 5 farklı çıkış gazı geri dönüşüm oranı için de yüksek doğruluğa sahip oldukları görülmüştür. 38

51 Arayüz Tasarımı Otomasyon sistemleri kullanıcı ile etkileşime geçmeksizin belirlenmiş sabit bir işi gerçekleştirebilen sistemler olabilmekle beraber kullanıcı ile etkileşime geçerek gerek kullanıcıya veri sağlama gerekse kullanıcıdan veri alma anlamında uygulanacak eylemin veya sürecin belirleyici parametrelerini kullanıcının belirlemesi amacıyla bir arayüze ihtiyaç duyarlar. Deney sistemi içinde ihtiyaç duyulan ve prosesin periyodik yapılacak işlemlerinde izlenecek zaman değerlerinin belirlenmesinde kolaylık sağlayan bir arayüz tasarlanmıştır. Bu arayüz ile kullanıcıya havalandırmada, gaz analizinde ve sıcaklık değerlerini kontrol altında tutmada ihtiyaç duyulan parametreleri belirleme imkanı sağlanmıştır. Otomasyon ilk açıldığında görüntülenen sayfada 3 adet buton bulunmaktadır. Bunlar otomasyonu başlatıp durduran Otomasyonu Başlat butonu, Sistem Göstergeleri ve Ayarlar sayfalarına giden sayfa yönlendirici butonlardır (Şekil 3.20). Şekil Kompost yazılımı açılış ekranı 39

52 Sistem Göstergeleri butonuyla açılan sayfada ortam ve reaktörlerin farklı konumlarındaki sıcaklıklara ait değerler, havalandırmayla ilgili çalışmada veya durarak geçen süreye ait değerler ve en son analizi yapılan reaktörün hangisi olduğu bilgileri görüntülenmesi sağlanmıştır (Şekil 3.21). Şekil Sistem göstergeleri sayfası 40

53 Ayarlar butonuyla açılan sayfada ise sistemin işletilmesine yönelik parametrenin kullanıcı tarafından belirlenebilmesini sağlayan ve rakamsal değerler girilebilen butonlar bulunmaktadır. Bu butonlar ve görevlerine ait bilgiler Çizelge 3.3 de verilmiştir. Çizelge 3.3. Kullanıcı tarafından belirlenebilecek işletme parametreleri Buton Adı Besleme Süresi (dk/saat) Analizinin başlayacağı dakika (besleme sonrası) Vakum Süresi (sn) Analiz Süresi (sn) Tekerrür adedi Analizi başlamadan önce yapılacak havalandırma süresi (sn) Görevi Bir saatlik periyottaki havalandırmanın çalışacağı dakikayı belirtir. Birinci grup analizlerin başlayacağı rütin havalandırma sonrasında geçmesi gereken süreyi belirtir Analiz için yığın içerisinden ve egzozdan alınacak gazların O2 sensörüne ulaşana kadar geçmesi gereken süreyi belirtir. O2 sensörüne gelen gazların sensörden stabil bir değer okunana kadar geçirdiği süredir. Birinci grup ve ikinci grup analizlerin kendi içinde tekrarlanma miktarını belirler. İkinci grup analizler başlamadan önce yığın içerisindeki gazların egzoza taşınması için yapılan havalandırma süresini belirler. Denemelerde Kullanılan Değer

54 Şekil Kompost yazılımı ayarlar sayfası 42