Tavuk Gübresindeki Katý Maddenin Sudaki Çözünürlüðüne Asidik Öniþlemlerin Etkileri

Transkript

1 14, 53, Tavuk Gübresindeki Katý Maddenin Sudaki Çözünürlüðüne Asidik Öniþlemlerin Etkileri Ýlker ARDIÇ, Fadime TANER Mersin Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliði Bölümü, Çiftlikköy-MERSÝN Özet Bu çalýþmada, taze tavuk gübresindeki katý maddenin sudaki çözünürlüðüne, termal, asidik kimyasal ve asidik termokimyasal öniþlemlerin etkileri araþtýrýlmýþtýr. Öniþlemler, tavuk gübresinin kütlece %10'luk sulu karýþýmlarýna, karýþýmdaki katý maddeye göre kütlece %10, %15 ve %20'si oranýnda H 2 eklenerek ve asit kullanmadan, oda sýcaklýðýnda ve suyun normal kaynama sýcaklýðýnda, bir ve iki saatlik sürelerde uygulanmýþtýr. Sudaki çözünme yüzdeleri, karýþýmlar cam pamuðundan süzüldükten sonra, cam pamuðu üstünde kalan katý madde üzerinden gravimetrik olarak saptanmýþtýr. Çalýþma sonunda maksimum sudaki çözünürlük, %20 oranýnda H 2 eklenip, iki saat termokimyasal öniþlem ile ve kütlece %40,93 olarak belirlenmiþ ve asidik öniþlemlerin tavuk gübresindeki katý maddenin sudaki çözünürlüðünü artýrdýðý sonucuna varýlmýþtýr. Anahtar Kelimeler: Tavuk gübresi, tavuk gübresinin asidik öniþlemi, tavuk gübresinin sudaki çözünürlüðü. The Effects of Acidic Pretreatment of Chicken Manure to Increase Water Solubility Abstract In this study, the effects of thermal, acidic chemical and acidic thermochemical pretreatment on the water solubility of chicken manure have been investigated. The aqueous slurries of the chicken manure (10% by mass) have been treated with H 2 (10%, 15% and 20% by mass of the solid) and without chemicals, at room temperature and at the normal boiling temperature of water for one and two hours separately. The percentages of water solubility of solid chicken manures were determined gravimetrically by filtering the aqueous mixtures with glass wool. From the results it was found that the maximum water solubility (40.93% by mass) was obtained from the thermochemical pretreatment with 20% H 2 for two hours and that acidic pretreatment of chicken manure increases the water solubility of chicken manure. Keywords: Acidic pretreatment of chicken manure, chicken manure, water solubility of chicken manure. GÝRÝÞ Anaerobik iþlemler, günümüzde katý atýklarýn deðerlendirilmesi ve fosil yakýtlarýn kullanýmýna alternatif olarak, yenilenebilir ve çevre dostu enerji üretiminde kullanýlmaktadýr. Anaerobik iþlem sonucu oluþan biyogaz ise %50-80 CH 4 ile %20-50 CO 2 ve çok az miktarlarda H 2, CO ve H 2 S gibi diðer gazlardan oluþmaktadýr (Speece 1996). Oluþan biyogaz önemli bir gaz yakýt olarak (Staffort ve ark. 1980) iþletmelerde deðerlendirildiði gibi, boru hatlarýyla konutlarda da kullanýlabilmekte, ayrýca çýkan atýklar da tarým alanlarýnda gübre olarak deðerlendirilebilmektedir (Hanse 2000). Katý atýklarýn bu iþlemlerle deðerlendirilebilmesi kullanýlan hammaddenin biyolojik olarak parçalanabilirliðine baðlýdýr. Bu da biyogaz ve metan üretim verimlerini etkilemektedir. Büyük moleküllü yapýdaki maddeler mikroorganizmalar tarafýndan daha zor ve uzun sürede parçalandýðýndan, anaerobik sistemlerde reaktöre beslenen hammaddedeki katý madde oraný ve hammaddenin yapýsý sistem verimini sýnýrlayan etken olmaktadýr. Anaerobik sistemlerde maksimum biyogaz üretim veriminin reaktöre verilen hammaddedeki katý maddenin kütlece %6 ile %10 arasýnda olduðunda gerçekleþtiði ve metan üretim veriminin, kütlece %12 katý madde oranýnýn aþýlmasý durumunda ise düþtüðü görülmektedir (Desai ve ark. 1994, Lay ve ark. 1997). Anaerobik iþlem verimini artýrmak amacýyla uygulanan yöntemlerden birisi, kullanýlan hammaddeye çeþitli öniþlemler uygulayarak, hammaddenin suda çözünmüþ forma dönüþtürülerek anaerobik No: 53,

2 Ý. ARDIÇ, F. TANER reaktörlere beslenmesidir. Bu öniþlemlerin baþýnda ise termokimyasal öniþlemler gelmektedir. Termokimyasal öniþlemler, arýtma çamuruna uygulanmýþ ve biyogaz üretim verimi %75 oranýnda artmýþtýr (Sawayama ve ark. 1995, Sawayama ve ark. 1996). Bir baþka çalýþmada ise kaðýt atýklara asidik ve bazik termokimyasal öniþlem uygulanmýþ ve kaðýt atýklarýn biyolojik parçalanabilirliðinde önemli bir artýþ saðlanmýþtýr (Clarkson ve Xiao. 2000). Portakal kabuðu ile yapýlan çalýþmada ise yine termokimyasal öniþlemlerin, hem hammaddenin sudaki çözünürlüðünde hem de anaerobik iþlem veriminde etkin olduðu belirtilmiþtir (Taner ve ark. 1998). Bu çalýþmada, H 2 kullanýlarak taze tavuk gübresindeki katý maddenin asidik kimyasal ve asidik termokimyasal öniþlemler ile sudaki çözünürlüðünün artýrýlmasý araþtýrýlmýþtýr. MATERYAL VE METOT Hammadde Çalýþmada, Mersin'de yumurta tavukçuluðu yapan bir çiftlikten alýnmýþ taze tavuk gübresi kullanýlmýþtýr. Hammadde Ýle Ýlgili Analizler Analizler yapýlmadan önce homojenliðin saðlanmasý amacýyla hammadde iyice karýþtýrýlmýþtýr. Nem ve kül analizleri Standart Metotlara (Anonymous 1985) göre yapýlmýþtýr. Nem ve kuru madde analizleri için tartýlan örnekler, 70 C' de sabit tartýma gelene kadar etüvde kurutularak gravimetrik olarak saptanmýþ, ve orijinal maddenin kütlece %'si olarak hesaplanmýþtýr. Uçucu madde ve kül analizleri, kül fýrýnýnda 600 C' de 2 saat bekletilerek gravimetrik olarak yapýlmýþ ve kuru madde üzerinden hesaplanmýþtýr. Analizler paralel üçer numune ile olarak yürütülerek çalýþýlmýþ ve sonuçlar ortalama deðer olarak verilmiþtir. Çalýþmada kullanýlan taze tavuk gübresinin bazý özellikleri Tablo 1'de verilmiþtir. Uygulanan Öniþlemler Öniþlemler, orijinal tavuk gübresinin kütlece %10 katý madde içeren sulu karýþýmlarýna uygulanmýþtýr. Öniþlem uygulanacak karýþýmlardan, OS'da (oda sýcaklýðý) iþlem yapýlacaklar için beherler, SNKS'da (suyun normal kaynama sýcaklýðý) iþlem yapýlacaklar için ise rodajlý erlenler kullanýlmýþtýr. Tablo 1. Çalýþmada kullanýlan tavuk gübresinin bazý özellikleri. 40 Özellik Kütlece % miktar Nem 78,96 Toplam Kat ý Madde 21,04 Uçucu Katý Madde* 64,35 Kül* 35,65 * Katý maddenin % si (kuru temelde) Karýþýmlar için 20 gram taze tavuk gübresi tartýlmýþ ve üzerine, karýþýmda kütlece %10 katý madde olacak þekilde saf su eklenmiþtir. Çalýþmada asit olarak deriþik H 2 (%98'lik, d=1,84 g/ml) çözeltisi kullanýlmýþtýr. Asit kullanýlmadan yapýlan çalýþmalar ise kontrol ve karþýlaþtýrma amacýyla yapýlmýþtýr. Asit ilavesi ile yapýlan çalýþmalar, taze tavuk gübresinin kütlece %10 katý madde içeren sulu karýþýmlarýna, karýþýmdaki katý maddeye göre kütlece %10, %15 ve %20'si olacak þekilde H 2 eklendikten sonra, *OS'da yapýlanlar bir ve iki saat laboratuar koþullarýnda bekletilerek ve *SNKS'da yapýlanlar ise bir ve iki saat kaynatýlarak yapýlmýþtýr. Kimyasal madde kullanýlmadan yapýlan öniþlemler ise, orijinal tavuk gübresinin kütlece %10 katý madde içeren sulu karýþýmlarýna, *OS'da yapýlanlar bir ve iki saat laboratuar koþullarýnda bekletilerek ve *SNKS'da yapýlanlar ise bir ve iki saat kaynatýlarak yapýlmýþtýr. Taze tavuk gübresine uygulanan öniþlemlerin tümü ve öniþlem koþullarý Tablo 2'de belirtilmiþtir. Sudaki Çözünürlüðün Saptanmasý Çalýþmada, katý maddeyi sulu fazdan ayýrmak i- çin, karýþýmlar cam huni içerisine yerleþtirilen ve daha önceden yýkanýp kurutularak darasý alýnmýþ cam pamuðundan süzülmüþtür. Cam pamuðunda suda çözünmüþ madde kalmamasý için cam pamuðu saf su ile yýkanýp sulu faz toplanmýþ ve hacmi belirlenmiþtir. Yýkanmýþ cam pamuklarý ise tekrar kendi petri kaplarýna konularak 70 C'ye ayarlanmýþ etüvde sabit tartýma gelinceye kadar kurutulmuþtur. Cam pamuðunda kalan suda çözünmemiþ katý madde miktarý saptanarak tavuk gübresinin suda çözünen ve çözünmeyen katý madde %'leri hesap- Tablo 2. Taze tavuk gübresine uygulanan öniþlemler. Ön iþlem No ÝÞLEMLER Ýþlem Süresi (h) Ýþlem Sýcaklýðý ( o C) 1 Katý maddenin kütlece %10 u kadar H ,5 2 Katý maddenin kütlece %10 u kadar H 2 1 SNKN 3 Katý maddenin kütlece %10 u kadar H ,5 4 Katý maddenin kütlece %10 u kadar H 2 2 SNKN 5 Katý maddenin kütlece %15 i kadar H ,5 6 Katý maddenin kütlece %15 i kadar H 2 1 SNKN 7 Katý maddenin kütlece %15 i kadar H ,5 8 Katý maddenin kütlece %15 i kadar H 2 2 SNKN 9 Katý maddenin kütlece %20 si kadar H ,5 10 Katý maddenin kütlece %20 si kadar H 2 1 SNKN 11 Katý maddenin kütlece %20 si kadar H ,5 12 Katý maddenin kütlece %20 si kadar H 2 2 SNKN 13 Kör 1 25,5 14 Kör 1 SNKN 15 Kör 2 25,5 16 Kör 2 SNKN No: 53, 2004

3 Tavuk Gübresindeki Katý Maddenin Sudaki Çözünürlüðüne Asidik Öniþlemlerin Etkileri Ekoloji lanmýþtýr. BULGULAR VE TARTIÞMA Tavuk gübresindeki katý maddenin asidik öniþlemlerden sonra sudaki çözünürlükleri Þekil 1'de verilmiþtir. Þekil 1'de görüldüðü gibi, asidik kimyasal ve asidik termokimyasal öniþlemlerde, tavuk gübresindeki katý maddenin sudaki çözünürlüðü, öniþlem süresi ve öniþlem sýcaklýklarýndaki artýþlarla artmaktadýr. Tavuk gübresindeki katý maddenin sudaki çözünürlüðü ile ilgili bulgular ve yorumlar, kullanýlan asit miktarýna göre aþaðýda alt baþlýklar halinde verilmiþtir. %10 Oranýnda H 2 Kullanýmýnýn Sudaki Tavuk gübresinin, kütlece %10 katý madde içeren sulu karýþýmlarýna, karýþýmdaki katý maddeye göre kütlece %10'u kadar H 2 eklenerek yapýlan öniþlemlerde, tavuk gübresindeki katý maddenin sudaki maksimum çözünürlüðü kütlece %37,53 olup 2 saatlik asidik termokimyasal öniþlem sonucu elde edilmiþtir. Öniþlem süresindeki artýþla tavuk gübresindeki katý maddenin sudaki çözünürlüðü artmaktadýr. Asit kullanýlmayan öniþlemlerde, iþlem süresindeki artýþla sudaki çözünürlükte %3 artýþ saðlanýrken, asit eklenerek yapýlan öniþlemlerde %7'lik bir artýþ saðlanmýþtýr. Buradan da, tavuk gübresindeki katý maddenin sudaki çözünürlüðünde, asidik kimyasal öniþlemlerin, asit kullanýlmadan yapýlan öniþlemlerden daha etkin olduðu görülmektedir (Þekil 1). Bu durumun gübrede bulunan veya yemden karýþan niþastanýn hidrolizinden ileri geldiði söylenebilir. Bilindiði gibi asidik ortamda niþastadaki a (1-O-4) baðýnýn kopmasý ve niþastanýn sudaki çözünen þekerlere dönüþümü kolay olmaktadýr (Whistler ve ark. 1984). %10 asit kullanýlarak yapýlan kimyasal ve termokimyasal öniþlemlerde, sudaki çözünürlüðün artýrýlmasýnda, iþlem sýcaklýðýndaki artýþýn etkin olduðu, ancak iþlem süresindeki artýþýn katý maddenin sudaki çözünürlüðünde fazla etkin olmadýðý gözlenmiþtir (Þekil 1). Buradan da, katý maddenin kütlece %10'u kadar asit kullanýldýðýnda, tavuk gübresindeki katý maddenin sudaki çözünürlüðünde, asidik termokimyasal öniþlemlerin, asidik kimyasal öniþlemlerden daha etkin olduðu sonucuna varýlmaktadýr. Burada, ýsýl iþlem asidik ortamda niþastanýn daha hýzlý ve kolay hidrolize uðramasýna yol açmaktadýr (Whistler ve ark. 1984). %15 Oranýnda H 2 Kullanýmýnýn Sudaki Tavuk gübresinin, kütlece %10 oranýnda katý madde içeren sulu karýþýmlarýna, karýþýmdaki katý maddeye göre kütlece %15'i kadar H 2 kullanýlarak yapýlan asidik kimyasal öniþlem ile, tavuk gübresindeki katý maddenin, bir saatlik öniþlem süresinde kütlece %35,62'si ve iki saatlik öniþlem süresinde kütlece %35,06'sýnýn, asidik termokimyasal öniþlemlerde ise, bir saatlik öniþlemde kütlece ,74 37,19 34,12 37,53 35,62 36,09 35,06 38,33 37,80 38,38 37,44 40,93 31,80 33, ,63 23,41 20 % 10 % 15 % h 2h 1h 2h 1h 2h 1h 2h 10 5 oda nkn oda nkn oda nkn oda nkn oda nkn oda nkn oda nkn oda nkn Hammaddeye uygulanan öniþlemler Þekil 1. Asidik öniþlemlerin tavuk gübresindeki katý maddenin sudaki çözünürlüðüne etkileri. No: 53,

4 Ý. ARDIÇ, F. TANER %36.09'unun ve iki saatlik öniþlemde ise kütlece %38,33'ünün sudaki çözünür hale geldiði saptanmýþtýr (Þekil 1). Asidik öniþlemlerle, asit kullanýlmadan yapýlan öniþlemler karþýlaþtýrýldýðýnda, katý maddenin asidik ortamda sudaki çözünürlüðünde gözlenen artýþýn, gübrede bulunan niþastanýn asidik ortamda kolay parçalanmasýndan ileri geldiði söylenebilir. Asidik termokimyasal öniþlemin katý maddenin sudaki çözünürlüðüne etkisinde ise, bir saatlik iþlemde kullanýlan asit miktarýndaki artýþa karþýlýk azalma, iki saatlik öniþlemde ise artma þeklinde gözlenmektedir. %20 Oranýnda H 2 Kullanýmýnýn Sudaki Tavuk gübresinin, kütlece %10 oranýnda katý madde içeren sulu karýþýmlarýna, karýþýmdaki katý maddeye göre kütlece %20'si kadar H 2 kullanýlarak yapýlan asidik kimyasal öniþlem ile, tavuk gübresindeki katý maddenin, bir saatlik öniþlem süresinde kütlece %37,80'inin ve iki saatlik öniþlem süresinde ise %37,44'ünün, asidik termokimyasal öniþlemlerde ise, bir saatlik öniþlem süresinde kütlece %38,38'inin ve iki saatlik öniþlem süresinde ise katý maddenin %40,93'ünün, suda çözünür hale geldiði saptanmýþtýr (Þekil 1). Katý maddenin %15'i oranýnda asit kullanýlan öniþlemlerde olduðu gibi, %20 oranýnda asit kullanýlan öniþlemlerde de, öniþlem süresi, katý maddenin sudaki çözünürlüðünde etkin olmamýþtýr. Kullanýlan asit miktarýndaki artýþ da katý maddenin sudaki çözünürlüðünü önemli ölçüde artýrmamýþtýr. Katý madenin %20'si oranýnda H 2 kullanýldýðýnda, katý maddenin sudaki çözünürlüðünde gözlenen az miktardaki artýþýn, gübrede bulunan niþastanýn asidik ortamda kolay parçalanmasýndan kaynaklandýðý þeklinde yorumlanabilir. Asit kullanýlarak yapýlan tüm öniþlemlerde iki saatlik sürede elde edilen çözünürlük bulgularý karþýlaþtýrýldýðýnda, en yüksek çözünürlük (%40,93), %20 oranýnda H 2 kullanýlan iki saatlik termokimyasal öniþlem ile elde edilmiþtir. Bu deðer, asit kullanýlmadan yapýlan iki saatlik termal öniþlemden elde edilen sudaki çözünürlük yüzdesinden (%33,23), %23 kadar daha yüksektir (Þekil 1). Asit kullanýmýnýn, niþastayý hidrolize uðratarak, katý maddenin suda çözünmesini saðladýðý biçiminde yorumlanabilmektedir. Tavuk gübresinin kimyasal madde kullanýlmadan yapýlan termal öniþlemlerinde ise, bir saatlik sürede sudaki çözünürlükte %41'lik bir artýþ gözlenirken, iki saatlik sürede ise artýþ %42 olarak gözlenmiþtir (Þekil 1). Burada görüldüðü gibi, sýcaklýk ve basýnç koþullarýnýn deðiþtirilmesi ile arýtma çamurunda olduðu gibi (Penaud ve ark. 2000a, 2000b) bu tür atýklarýn sudaki çözünürlüklerinin daha da artýrýlmasý mümkün olabilmektedir. SONUÇ VE ÖNERÝLER Çalýþma sonucunda tavuk gübresindeki katý maddenin sudaki çözünürlüðünün, asidik kimyasal ve asidik termokimyasal öniþlemler ile arttýðý, sudaki maksimum çözünürlüðün, katý maddeye göre kütlece %20 oranýnda H 2 eklenip, iki saat termokimyasal öniþlem ile elde edildiði belirlenmiþ ve sudaki çözünürlüðün kütlece %40,93 olduðu saptanmýþtýr. Eklenen asit miktarý arttýkça, hem oda sýcaklýðýnda, hem de SNKS'da sudaki çözünürlük artmaktadýr. Buradan, daha fazla miktarlarda asit kullanýlarak sudaki çözünürlüðün arttýrýlmasý mümkün görünmektedir. Ancak biyogaz üretim amacýyla hammaddenin suda çözünmüþ formda kullanýlmasý düþünüldüðünde, %20'nin üzerine asit eklenmesi durumunda anaerobik sistemde sülfat iyonu deriþimi artacaktýr. bu durum ise anaerobik ortamda sülfür iyonu deriþimini artýracaðýndan, asidik öniþlemlerdeki asit miktarýnýn katý maddeye göre %20 oranýnda kullanýlmasýnýn daha uygun olacaðý sonucuna varýlmýþtýr. KAYNAKLAR Anonymous (1985) Standard Methods for Examination Water and Wastewater. 16th Edition, American Public Assoc., Washington D.C. Clarkson WW, Xiao W (2000) Bench-scale anaerobic bioconversion of newsprint and office paper. Water Science and Technology 41, 3, Desai M, Patel V, Madamvar D (1994) Effect of temperature and retention time on biomethanation of cheese whey-poultry waste-cattle dung. Environmental Pollution 83, Hanse MT (2000) Danish Bioenergy Solutions, Reliable Efficiency. Center for Biomass Technology Pub., Soborg. Lay JJ, Li YY, Noike T (1997) Influences of ph and moisture content on the methane production in high-solid sludge digestion. Water Research 31, 6, Penaud V, Delgenès JP, Moletta R (2000a) Influence of thermochemical pretreatment conditions on 42 No: 53, 2004

5 Tavuk Gübresindeki Katý Maddenin Sudaki Çözünürlüðüne Asidik Öniþlemlerin Etkileri Ekoloji solubilization and anaerobic biodegradability of a microbial biomass. Environmental Technology 21, Penaud V, Delgenès JP, Moletta R (2000b) Characterization of soluble molecules from thermochemical pretreated sludge. Journal of Environmental Engineering 126, 5, Sawayama S, Inoue S, Tsukahara K, Ogi T (1996) Thermochemical liquidization of anaerobically digested and dewatered sludge and anaerobic pretreatment. Bioresource Technology 55, 2, Sawayama S, Inoue S, Yagishita T, Ogi T, Yokoyama SY (1995) Thermochemical liquidization and anaerobic treatment of dewatered sewage sludge. Journal of Fermentation Bioengineering 79, 3, Speece RE (1996) Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewater. Arche Press, Tennessee. Staffort DA, Hawkes DL, Horton HR (1980) Methane production from wasteorganic matter. Revision of a 1974, Agriculture Canada Publication, No: 1528, Canada. Taner F, Aydogan A, Baydar G (1998) The effect of thermochemical pretreatment for anaerobic biodegradability of orange peel. In: Proc. of 10th Int. Conf., Wurzburg, 8-11 June 1998, Germany, Whistler RL, BeMilller JN, Parchall EF (1984) Starch; Chemistry and Technology. Academic Press, New York. No: 53,