Biogas Production from Cattle Manure and Macroalgae (Cladophora Sp.)

Abstract

Aims: The purpose of this study is to determine the biogas and methane yields of cattle manure and macroalgae wastes, which can be used as raw materials for biogas plants, at the most appropriate mixing ratios, by co-fermentation.

Methods and Results: Biomethane potential (BMP) trials were used to determine potential to obtain biogas from mixtures. In the study, cattle manure and macroalgae materials; 5 different mixtures; 100% Macroalgae (Mixture-1), 69% Macroalgae + 31% Cattle manure (Mixture-2), 42% Macroalga + 58% Cattle manure (Mixture-3), 20% Macroalgae + 80% Cattle manure (Mixture-4) and 100% Cattle manure (Mixture-5) were formed. Dry matter analysis (DM), raw ash (RA), organic dry matter content (ODM), (carbon (C), nitrogen (N), C N^-1, pH, electrical conductivity (EC), chemical oxygen demand (COD) for the determination of chemical contents, neutral detergent insoluble fiber (NDF) and acid detergent insoluble fiber (ADF) values were determined. The mixtures created in BMP trials was found methane content (CH4) 25-62%, daily biogas production 0.02-1.61 L day^-1, CH4 production 0.01-0.94 L day^-1, cumulative biogas production 2.5-27.42 L, cumulative CH4 production 1.15-15.77 L, specific methane production 10.67-186.41 NmL gOM^-1 in the BMP test method.

Conclusions: It was found that Mixture-4 has the highest biogas parameters in BMP trials.

Significance and Impact of the Study: Due to the increase in livestock production, too much organic materiel is generated and improper management of these wastes creates important environmental and health problems. In order to minimize the risks and damages that occur, the correct use of these materials can be considered as biogas. Further, macroalgae can be used as an energy and fermented fertilizer production material in biogas plants to be established in the region by mixing algae manure with cattle manure in appropriate rates in order to eliminate environmental problems such as waste, reek, etc. caused by algae in fresh water areas.

Keywords

• Cattle manure
• macroalgae
• biogas
• biomethane
• chemical analysis

Büyükbaş hayvan dışkısı ve makroalg (Cladophora sp.)’den biyogaz üretimi

Öz

Amaç: Bu çalışmanın amacı, biyogaz tesisleri için hammadde olarak kullanılabilecek büyükbaş hayvan dışkısı ve makroalg materyallerinin, en uygun karışım oranlarında, ko-fermantasyonu ile biyogaz ve metan verimlerinin belirlenmesidir.

Yöntem ve Bulgular: Biyogaz elde etmek amacıyla potansiyel belirlemeye yönelik biyometan potansiyel (BMP) denemeleri kullanılmıştır. Çalışmada, büyükbaş hayvan dışkısı ve makroalg materyallerinin; %7 kuru madde oranında (KM), karbon azot^-1 (C N^-1) oranına göre 5 farklı karışım (%100 Makroalg (Karışım-1), %69 Makroalg+%31 Büyükbaş hayvan dışkısı (Karışım-2), %42 Makroalg+%58 Büyükbaş hayvan dışkısı (Karışım-3), %20 Makroalg+%80 Büyükbaş hayvan dışkısı (Karışım-4) ve %100 Büyükbaş hayvan dışkısı (Karışım-5)) oluşturulmuştur. Kimyasal içeriklerin belirlenmesine yönelik, kuru madde analizi (KM), ham kül (HK), organik kuru madde içeriği (OKM), (karbon (C), azot (N), C N-1, pH, elektriksel iletkenlik (EC), kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), nötr deterjanda çözünmeyen lif (NDF) ve asit deterjanda çözünmeyen lif (ADF) değerleri belirlenmiştir. BMP denemelerinde oluşturulan karışımların; metan oranı %25-62, günlük biyogaz üretimi 0.02-1.61 L gün^-1, günlük metan üretimi 0.01-0.94 L gün^-1, kümülatif biyogaz üretimi 2.5-27.42 L, kümülatif metan üretimi 1.15-15.77 L, özgül metan üretimi 10.67-186.41 NmL gOM^-1 olarak bulunmuştur.

Genel Yorum: BMP denemelerinde en yüksek biyogaz parametreleri Karışım-4’te meydana gelmiştir.

Çalışmanın Önemi ve Etkisi: Canlı hayvan üretiminin artmasına bağlı olarak çok fazla organik materyal oluşmakta ve bu materyallerin yönetiminin uygun yapılamaması önemli çevre ve sağlık problemlerini meydana getirmektedir. Oluşan risk ve zararları en az düzeye indirmek için bu materyallerin doğru kullanımı biyogaz olarak değerlendirilebilir. Ayrıca, tatlı su alanlarında alglerden kaynaklı atık, koku vb çevresel sorunların giderilmesine yönelik olarak algler büyükbaş hayvan dışkısı ile uygun oranlarda karıştırılarak biyogaz tesislerinde enerji ve fermente gübre üretim materyali olarak kullanılabilir.

Anahtar Kelimeler

• Büyükbaş hayvan dışkısı
• makroalg
• biyogaz
• biyometan
• kimyasal analiz.

References

1. AOAC (1990) Official Methods of Analysis. 15th ed. association of official analytical chemists, Washington, DC. US.
2. Aybek A, Üçok S, İspir MA, Bilgili ME (2015) Türkiye’de kullanılabilir hayvansal gübre ve tahıl sap atıklarının biyogaz ve enerji potansiyelinin belirlenerek sayısal haritalarının oluşturulması. Tekirdağ Ziraat Fakültesi Dergisi 12(3): 109-120.
3. Beily ME, Morici G, Crespo D, Schapiro J (2019) Biochemical methane potential of sheep manure: Focus in pathogen removal. International Organization of Scientific Research.
4. Bukvic Z, Kralik D, Tolisic Z (2002). Biomass Methane. Energy Efficiency and Agricultural Engineering. Conference Procedings, 1: 264-270. Rousse, Bulgaria.
5. Delborne JA, Hasala D, Wigner A, Kinchy A (2020) Dueling metaphors, fueling futures:“Bridge fuel” visions of coal and natural gas in the United States. Energy Research & Social Science 61: 101350.
6. Demir N, Yavuz H, Perendeci A, Çakıroğlu C, Celebı SS (2003) Pınarbaşı Göleti'nde (Afşin-Elbistan, Kahramanmaraş) Su Bitkileri Biyokütlesinin İncelenmesi ve Yönetim Metotlarının Değerlendirilmesi. Tarım Bilimleri Dergisi (9)2: 153-161.
7. Dok M, Acar M, Çelik, A, Atagün G, Akbaş U. (2019) Yenilenebilir enerji kaynağı olarak mısır sapının briketlenmesi ve briket fiziksel özelliklerinin belirlenmesi. Mustafa Kemal Üniversitesi Tarım Bilimleri Dergisi 24: 61-70.
8. Ekinci K, Üçok S, Kumbul B S, Tunce H, Güzel H (2018a) Biomethane Potential of Safflower Harvest Residues. Scientific Papers 41.

9. Ferrentino R, Merzari F, Fiori L, Andreottola G. (2019) Biochemical methane potential tests to evaluate anaerobic digestion enhancement by thermal hydrolysis pretreatment. BioEnergy Research 12(3): 722-732.
10. Güneş M (1999) Fotovoltaik sistemin sağladığı elektrik enerjisi ile çalışan bir uygulama sisteminin tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Elazığ.
11. Güngör G. (2002) Anaerobic treatibility and biogas generation potential of broiler and cattle manure. A Master of ScienceThesis, METU, Ankara.
12. Gürbüz A. (2009). Enerji piyasası đçinde yenilenebilir (temiz) enerji kaynaklarının yeri ve önemi, Uluslararası ileri Teknolojiler Sempozyumu (IATS’09), 1-7, 13-15 Mayıs 2009, Karabük.
13. Höök M (2020) Coal and Peat: Global resources and future supply. Fossil Energy 309-331.
14. IEA (2013) International energy agency world energy outlook 2013, International Energy Agency Paris.
15. ISO 6060 (1986) Determination of the chemical oxygen demand, international standards organization, Geneva, İsviçre.Optimising methane yield from anaerobic digestion of manure: Effects of dairy systems and of glycerine supplementation. International Congress Series 1293: 217-220.
16. Karaca C. (2017). Hatay ilinin hayvansal gübre kaynağından üretilebilir biyogaz potansiyelinin belirlenmesi. Mustafa Kemal Üniversitesi Ziraat Fakültesi Dergisi 22(1): 34-39.
17. Kapluhan E (2014). Enerji Coğrafyası Açısından Bir İnceleme: Biyokütle Enerjisinin Dünyadaki ve Türkiye’deki Kullanımı. Marmara Coğrafya Dergisi, Sayı: 30, Temmuz - 2014, s.97-125.
18. Korkmaz E (2017) Marmara denizinden toplanan atık makroalglerin organik atıklarla birlikte biyogaz üretim potansiyelinin değerlendirilmesi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü İstanbul, Yüksek lisans tezi ss: 71.
19. Montingelli ME, Benyounis KY, Stokes J, Olabi AG (2016) Pretreatment of macroalgal biomass for biogas production. Energy conversion and management 108: 202-209.
20. Onursal E (2016) Gül işleme atıklarından biyogaz üretiminde etkili faktörlerin optimizasyonu ve ekonomik analizi. Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Ensitüsü Doktora tezi.
21. Oktit Ş (2000) Fotovoltaik güneş pilleri ve güç sistemleri dünü, bugünü, yarını”, Türkiye’de 8. Enerji Kongresi, Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Gelişimi, Cilt II, Ankara, 47-62.
22. Oliveira JV, Alves MM, Costa JC (2014) Design of experiments to assess pre-treatment and co-digestion strategies that optimize biogas production from macroalgae Gracilaria vermiculophylla. Bioresource Technology 162: 323-330.
23. Roesijadi G, Jones SB, Snowden-Swan LJ, Zhu Y (2010) Macroalgae as a biomass feedstock: a preliminary analysis (No. PNNL-19944). Pacific Northwest National Lab.(PNNL), Richland, WA (United States).
24. Sarapatka B (1993) A Study of Biogas Production during anaerobic fermentation of farmyard manure, Biomass and Bioenergy 5(5): 387-393.
25. Sun O, Uğurlu S, Özer E (1980) Kızılçam türüne ait biyolojik kütlenin saptanması. O.A.E Yayınları. Teknik Bülten Serisi. No :107. Sa : 37- 50. Ankara.
26. Tabatabaei M, Aghbashlo M, Valijanian E, Panahi HKS, Nizami AS, Ghanavati H, Karimi K (2020). A comprehensive review on recent biological innovations to improve biogas production, part 1: upstream strategies. Renewable Energy 146: 1204-1220.
27. TUİK (2016) Türkiye İstatistik Kurumu. Konularına Göre İstatistikler, Tarım. http://www.tuik.gov.tr/UstMenu.do?metod=kategori st (Erişim: 07.01 2017).
28. Üçok S (2016) Sebze ve Meyve Pazar Atiklarinin Biyogaz Üretim Potansiyelinin Belirlenmesi Üzerine Bir Araştirma. Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi, Fen Bilimleri Entsitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 52 s.
29. Vansoset PJ, Robertson JB, Lewis BA (1991) Method for dietary fiber, neutral detergent fiber, and nostarch polysaccharides in relation to animal nutrition. J. Dairy Sci.74: 3583-3597.
30. Yorgun S, Şensöz S, Şölener M (1998) Biyokütle enerjisi potansiyeli ve değerlendirme çalışmaları. Uzman Enerji 8: 44-48.
31. Wilkie CA (2015) Erişim tarihi: 12/2018, http://biogas.ifas.ufl.edu/biogasdefs.asp.