Arıtma çamurlarının enerji bitkilerinde biyodizel üretimine etkileri = Effects of sewage sludge on biodiesel production in energy crops

Abstract

Uzun zamandır kullanılan geleneksel fosil yakıtlara, hem doğal çevreye verdikleri zararların artık insan hayatını doğrudan etkilemeye başlaması, hem de miktarları azaldıkça maliyetlerindeki önemli artış gibi nedenlerle yeni alternatif arayışları sürmektedir. Ancak en önemli alternatifleri oluşturan güneş, rüzgar vb. yenilenebilir kaynaklarla yalnızca elektrik enerjisi üretilebildiğinden, bu kaynaklardan üretilen enerjilerin kullanılabilmesi için mevcut teknolojilerin ya bütünüyle yenilenmesi veya önemli ölçüde revizyona uğraması gerekmektedir. Oysaki biyodizel üretimi, konvansiyonel fosil yakıtlarla çalışan mevcut teknolojilere doğrudan uyumlu olmasından dolayı, yenilenebilir enerjilere tamamen geçiş sürecinde çok önemli bir yere sahiptir. Biyodizel üretiminde çeşitli bitkilerden üretilen yağlar kullanılmaktadır. Ancak bu bitkilerin yetiştirme koşulları ile biyodizel verimleri arasındaki ilişkileri açıklayan çalışmalar oldukça sınırlıdır. Bu çalışmanın temel amacı; biyodizel üretiminde kullanılma potansiyeli yüksek olan Ricinus communis L. (castor bean) bitkisinin, günümüzün en önemli organik kökenli katı atıklarından biri olan arıtma çamurlarında yetiştirilmesi ve bu uygulamanın biyodizel verimine olan etkilerinin incelenmesi ve son yıllarda büyük oluşum miktarları nedeniyle en önemli katı atıklardan birisi konumuna gelen arıtma çamurları için alternatif bir bertaraf yöntemi önerilmesidir. Çalışmada arıtma çamurlarının Euphorbiaceae ailesine ait yenmeyen yağlı tohumlu bir bitki olan Ricinus communis (castor been) bitkisinin büyüme, tohum ve yağ eldesi ve dolayısı ile biyodizel üretimine olan etkilerinin incelenmesi amacıyla evsel atık su arıtma çamurları değişik oranlarda saksılı ve toprakta yetiştiricilikte denenmiştir. Saksılı denemeler ile, arıtma çamuru ilavesinin Ricinus communis L. bitki büyümesine olan etkileri incelenirken, toprakta gerçekleştirilen denemelerde, arıtma çamurunun Ricinus communis L. bitkisinin tohum miktarı, yağ verimi ve biyodizel üretimine olan etkileri incelenmiştir. Arıtma çamuru ilavesinin Ricinus communis L. bitkisinin büyümesine olan etkilerinin incelenmesi için, toprak ve ticari torfa değişen (%12.5, %25 ve %50; %V/V) oranlarda arıtma çamuru ilave edilerek yetiştirme ortamı karışımları hazırlanmıştır. Arıtma çamurları, karışımlarda kullanılmadan önce solar kurutma ile kurutulmuştur. Saha çalışması için Ricinus communis L. bitkisinin tohumları viyollerde çimlendirilmiş, saksıda 15 cm boya ulaşana kadar büyütülen bitkiler, tesadüf parselleri deneme planına göre her uygulamada beş tekerrür olacak şekilde dikilmiş ve iki yıl büyütülmüştür. Diğer taraftan arıtma çamurunun bitki büyümesine olan etkilerinin incelendiği denemeler için, tohumlar yetiştirme ortamı karışımları ile doldurulmuş 5 litrelik saksılara dikilmiş ve orada çimlenmesi ve büyümesi sağlanmıştır. Toprak denemeleri ve saksılı uygulamalardaki bitkilerin, birinci ve ikinci yetiştirme yılları sonunda boyları ve gövde çapı ölçülmüştür. Toprak denemelerinde iki yıl büyütülen Ricinus communis L. bitkisinin tohumları her yıl hasat edilmiştir. Tohumlar hasattan sonra kurutulmuş ve her bir uygulamadan alınan tohum miktarını belirlemek amacıyla ayrı ayrı tartılmıştır. Tohumlardan yağ eldesi otomatik sıkma ile gerçekleştirilmiştir. Arıtma çamuru ilavesinin yetiştirme ortamlarının makro ve mikro besin elementi içeriğini yükselttiği görülmüştür. Toprak kullanılan yetiştirme ortamlarında en yüksek mikro besin elementi içeriğinin %50 arıtma çamuru kullanılan uygulamada (Zn:16.32 mg/kg, Cu: 7.32 mg/kg, Mn: 4.92 mg/kg) ölçülmüş, benzer şekilde torf kullanılan yetiştirme ortamları arasında en yüksek bitki besin elementi içeriği de yine %50 arıtma çamuru içeren uygulamada (Zn: 45.94 mg/kg, Cu: 9.12 mg/kg, Mn: 5.92 mg/kg) belirlenmiştir. Arıtma çamuru ilavesi yetiştirme ortamlarının makro bitki besin elementi içeriğini de artırmıştır. Toprak ve arıtma çamuru karışımı ile hazırlanan yetiştirme ortamlarında en yüksek azot oranı %0.64, torf içeren yetiştirme ortamlarında ise %2.08 olarak %50 arıtma çamuru içeren uygulamalarda ölçülmüştür. Toprak kullanılarak hazırlanan yetiştirme ortamlarında en yüksek fosfor içeriği 122 mg/kg olarak belirlenmiştir. Torf kullanılan yetiştirme ortamlarında ise, en yüksek fosfor değeri en fazla arıtma çamuru kullanılan uygulamadan elde edilmiştir. En yüksek potasyum değeri %50 torf ve %50 arıtma çamuru kullanılarak hazırlanan yetiştirme ortamında ölçülmüştür. Saksılarda iki yıl büyütülen bitkilerin, birinci ve ikinci yıl sonundaki boyları ölçülmüştür. Birinci yıl ölçülen en yüksek bitki boyu 0.96 m bulunurken ikinci yıl ölçülen en yüksek bitki boyu 1.4 m olmuştur. Her iki büyüme yılı sonunda, en yüksek bitki boylarının ölçüldüğü uygulama %50 torf ve %50 arıtma çamuru karışımından oluşan uygulamadır. En düşük bitki boyları ise birinci ve ikinci yılda sırasıyla 0.62 m ve 1.05 m olarak %87,5 toprak ve %12,5 arıtma çamuru içeren uygulamada ölçülmüştür. Arıtma çamuru kullanılan tüm yetiştirme ortamlarında elde edilen bitki boyu değerleri, kontrol amacıyla kullanılan %100 toprak (1.yıl: 0.49 m, 2.yıl: 0.62 m) ve torf (1.yıl: 0.56 m, 2.yıl: 0.79 m) doldurulmuş saksılarda yetiştirilen bitkilerin birinci ve ikinci yıl sonundaki bitki boyu değerlerinin üzerinde olmuştur. Arıtma çamurlarının, Ricinus communis L. bitkisinin büyümesine olan olumlu etkileri bitki gövde çapı sonuçlarında da açıkça görülmüştür. Saksı denemelerinde, birinci yıl sonunda ölçülen en yüksek gövde çapı değeri 1.7 cm ile en yüksek oranda arıtma çamuru içeren %50 torf ve %50 arıtma çamuru içeren uygulamada ölçülürken, ikinci yıl sonundaki en yüksek gövde çapı 2.3 cm ile yine bu uygulamada belirlenmiştir. Saksı denemelerinde ölçülen en düşük gövde çapı değeri %100 toprak kullanılan kontrol uygulamasında (0.4 cm) birinci yetiştirme yılı sonunda bulunmuştur. Çalışma kapsamında Sakarya İli Karasu İlçesinde (Türkiye) bulunan bir bahçede, toprağa iki farklı oranda (SSW1:25 ton/ha, 50 SSW1 ton/ha) arıtma çamuru uygulanmış ve bu uygulamanın Ricinus communis L. bitkisinin büyüme ve tohum verimine etkileri incelenmiştir. Uygulama bahçesi silty-sandy toprak texture sahiptir (44.7% silt, 38.9% sand, 16.4% clay). Elde edilen sonuçlar, arıtma çamuru ilavesinin, içeriğindeki yüksek orandaki makro ve mikro besin elementleri ile toprağın bitki büyütme potansiyeline etki eden kimyasal özelliklerini iyileştirdiğini göstermiştir. Arıtma çamuru kullanılan her iki uygulamada da elde edilen toplam azot, potasyum ve fosfor değerleri, kontrol uygulaması olan arıtma çamuru uygulanmamış topraktaki değerlerden yüksek bulunmuştur. Elde edilen sonuçlara göre en yüksek bitki boyu 3.29 m ile en yüksek miktarda arıtma çamuru kullanılan uygulama olan SSW2 uygulamasında görülmüştür. Kontrol uygulaması olarak kullanılan çamur uygulanmamış toprakta yetiştirilen bitkilerin ortama boyları 2.32 m olarak bulunmuştur. En yüksek gövde çapı 4,1 cm olarak en fazla SS kullanılan uygulamada gözlenmiştir. İlk yıl bitkiden elde edilen tohum miktarı düşük gerçekleşmiştir. Çalışma kapsamında, SSW2, SSW1 ve kontrol uygulamasından bitki başına elde edilen tohum miktarları sırasıyla 0.58 kg, 0.23 kg ve 0.15 kg olarak gerçekleşmiştir. Tohumların yağ içerikleri incelenmiş ve en yüksek yağ içeriğinin 45.82% ile en çok arıtma çamuru kullanılan SSW2 uygulamasında elde edildiği görülmüştür. Diğer çamur kullanılan uygulama olan SSW1 uygulamasında bulunan tohum yağ içeriği 44.98% ve kontrol uygulamasından elde edilen yağ içeriği 44.12% olmuştur. Çalışmada elde edilen tüm sonuçlar bir bütün olarak değerlendirildiğinde arıtma çamuru uygulamasının toprağın kimyasal özelliklerini ve bitki büyütme potansiyelini önemli ölçüde iyileştirdiği söylenebilir.

The search for new alternatives to traditional fossil fuels, which have been used for a long time, continues due to the fact that the damage they cause to the natural environment is now directly affecting human life and the significant increase in their costs as their quantities decrease. However, the most important alternatives are solar, wind, etc. Since only electrical energy can be produced from renewable sources, existing technologies must either be completely renewed or significantly revised in order to use the energy produced from these sources. However, biodiesel production has a very important place in the process of complete transition to renewable energies, as it is directly compatible with existing technologies that work with conventional fossil fuels. Oils produced from various plants are used in biodiesel production. However, studies explaining the relationships between the growing conditions of these plants and their biodiesel yield are quite limited. The main purpose of this study is to grow the Ricinus communis L. (castor bean) plant, which has a high potential to be used in biodiesel production, in sewage sludge (SS), one of the most important organic solid wastes of today, to examine the effects of this application on biodiesel yield and to propose an alternative disposal method for sewage sludge, which has become one of the most important solid wastes in recent years due to its large formation amounts. In the study, domestic wastewater treatment sludge was tested in potted and soil cultivation at different rates in order to examine the effects of SS on the growth, seed and oil production and therefore biodiesel production of Ricinus communis L., an inedible oilseed plant belonging to the Euphorbiaceae family. While the effects of SS addition on Ricinus communis L. plant growth were examined in potted experiments, the effects of sewage sludge on seed quantity, oil yield and biodiesel production of Ricinus communis L. plant were examined in soil trials. To examine the effects of sewage sludge addition on the growth of Ricinus communis L. plant, growing medium mixtures were prepared by adding sewage sludge to soil and commercial peat at varying rates (12.5%, 25% and 50%; v/v%). SS was dried by solar drying before being used in mixtures. In the field study SS was applied to the soil at two different rates (25, 50 tons/ha) in a garden located in Karasu District of Sakarya Province (Türkiye), and the effects of this application on the growth and seed yield of Ricinus communis L. (castor bean) plant were examined. The garden has a silty-sandy soil texture (44.7% silt, 38.9% sand, 16.4% clay). The SS that used was taken from the Karasu biological domestic wastewater treatment plant and dried by solar drying (90% DW). After the Ricinus communis L. seeds were germinated in the viols (15 cm), they were planted in 5 replicates in each application ccording to the randomized plots trial plan and their growth was monitored for two years. In the experiments examining the effects of sewage sludge on plant growth, the seeds were planted in 5-liter pots filled with growing medium mixtures and allowed to germinate and grow there. The height and stem diameter of the plants in soil trials and potted applications were measured at the end of the first and second growing years. The seeds of the Ricinus communis L. (Castor Bean) plant, which was grown for two years in soil experiments, were harvested every year. Seeds were dried after harvest and weighed individually to determine the amount of seed removed from each treatment. Oil extraction from seeds was carried out by automatic squeezing. It has been observed that the addition of sewage sludge increases the macro and micro nutrient content of the growing media. In the growing media using soil, the highest micronutrient content was measured in the application using 50% SS (Zn: 16.32 mg/kg, Cu: 7.32 mg/kg, Mn: 4.92 mg/kg), and similarly, among the growing media using peat, the highest plant nutrient element content was determined in the application containing 50% SS (Zn :45.94 mg/kg, Cu: 9.12 mg/kg, Mn: 5.92 mg/kg). The addition of sewage sludge also increased the macro plant nutrient content of the growing media. The highest nitrogen content was measured as 0.64% in growing media prepared with a mixture of soil and sewage sludge, and 2.08% in growing media containing peat, in applications containing 50% SS. The highest phosphorus content in growing media prepared using soil was determined as 122 mg/kg. In growing media using peat, the highest phosphorus value was obtained from the application using the most sewage sludge. The highest potassium value was measured in the growing medium prepared using 50% peat and 50% SS. The heights of the plants grown in pots for two years were measured at the end of the first and second year. The highest plant height measured in the first year was 0.96 m, while the highest plant height measured in the second year was 1.4 m. At the end of both growth years, the application in which the highest plant heights were measured was the application consisting of a mixture of 50% peat and 50% SS. The lowest plant heights were measured in the application containing 87.5% soil and 12.5% SS, as 0.62 m and 1.05 m in the first and second years, respectively. The plant height values obtained in all growing environments using SS were above the plant height values at the end of the first and second year of the plants used for control purposes and grown in pots filled with 100% soil (1.year: 0.49 m, 2.year: 0.62 m) and peat (1st year: 0.56 m, 2nd year: 0.79 m). The positive effects of SS on the growth of Ricinus communis L. were clearly seen in the plant stem diameter results. In pot experiments, the highest stem diameter value measured at the end of the first year was 1.7 cm in the application containing the highest amount of SS, containing 50% peat and 50% SS, while the highest stem diameter value at the end of the second year was determined in this application with 2.3 cm. The lowest stem diameter value measured in pot experiments was found at the end of the first growing year in the control application (0.4 cm) using 100% soil. In the field experiments, SS was applied to the soil at two different rates (SSW1:25, SSW2:50 tons/ha) in a garden located in Karasu District of Sakarya Province (Türkiye), and the effects of this application on the growth and seed yield of Ricinus communis L. (castor bean) plant were examined. The garden has a silty-sandy soil texture (44.7% silt, 38.9% sand, 16.4% clay). The results obtained showed that the addition of SS improved the chemical properties of the soil that affect plant growth potential with its high content of macro and micro nutrients. Total nitrogen, potassium and phosphorus values obtained in both applications using SS were found to be higher than the values in the soil without treatment sludge, which is the control application. According to the results of field trails obtained, the highest plant height, 3.29 m, was seen in the application using the highest amount of SS. The average height of Ricinus communis L. plants grown in soil without SS as a control application was found to be 2.32 m. The highest stem diameter, 4.1 cm, was observed in the application using the highest amount of SS. The seed amount of the plant at the end of the first year was low. The amount of seeds obtained per plant from SSW2, SSW1 and control applications were 0.58 kg, 0.23 kg and 0.15 kg, respectively. The oil content of the seeds was examined and it was seen that the highest oil content was obtained in the SSW2 application with 45.82%. The seed oil content in the SSW1 treatment was 44.98% and the oil content in the control treatment was 44.12%. The results of the study are evaluated as a whole, it can be said that the application of sewage sludge significantly improves the chemical properties and plant growth potential of the soil.