ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Selin YÜCEER ANAEROBİK FİLTRELERDE SUBSTRAT GİDERME KİNETİĞİNE SICAKLIĞIN ETKİSİNİN İNCELENMESİ ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ADANA, 2006

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ANAEROBİK FİLTRELERDE SUBSTRAT GİDERME KİNETİĞİNE SICAKLIĞIN ETKİSİNİN İNCELENMESİ Selin YÜCEER YÜKSEK LİSANS ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Bu tez --/--/2006 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği İle Kabul Edilmiştir. İmza. Prof. Dr. Ahmet YÜCEER DANIŞMAN İmza. Doç.Dr. Mesut BAŞIBÜYÜK Üye İmza.. Prof. Dr. İlyas DEHRİ Üye Bu tez Enstitümüz Çevre Mühendisliği Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdürü İmza-Mühür Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ ANAEROBİK FİLTRELERDE SUBSTRAT GİDERME KİNETİĞİNE SICAKLIĞIN ETKİSİNİN İNCELENMESİ Selin YÜCEER ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Danışman: Prof. Dr. Ahmet YÜCEER Yıl : 2006 Sayfa : 95 Jüri : Prof. Dr. Ahmet YÜCEER Doç. Dr. Mesut BAŞIBÜYÜK Prof. Dr. İlyas DEHRİ Bu çalışmada, farklı kirlilik yüküne sahip sentetik atıksuların, farklı sıcaklıklarda arıtım veriminin incelenmesi amacı ile laboratuar ölçekli yukarı akışlı sabit yataklı reaktör, seçilen sentetik atıksu ile 25 ve 35 C sıcaklıklarda beslenmiştir. Reaktöre 24 saatlik bekletme süresinde ilk önce 35 C de sırasıyla 3, 6, 9, 12 ve 15 g KOİ/L kirlilik yüküne sahip sentetik atıksu beslenmiştir. İkinci aşamada ise aynı yüklemeler 25 C de yapılmıştır. Reaktör çıkışında KOİ, ph, alkalinite, AKM ve NH 3 -N değerleri ile reaktörde üretilen gaz hacmi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar Stover-Kincannon Kinetik Modeli ne uyarlanarak her iki sıcaklık için sonuçlar yorumlanmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda, anaerobik filtre sisteminin 35 C sıcaklıkta %90 nın üzerinde arıtım verimiyle çalıştığı gözlenmiştir. Diğer koşullar aynı tutulduğunda 25 C sıcaklıkta %80 civarında KOİ giderim verimi elde edilmiştir. Deney sonuçlarının kinetik modele uyarlanmasıyla 35 C için U max : 76,336 g/l-gün, K B : 76,31 g/l-gün ; 25 C için U max : 41,49 g/l-gün, K B : 42,88 g/l-gün değerleri elde edilmiştir. Elde edilen kinetik sabitlerin biribirine oldukça yakın olduğu ve düşük sıcaklıkta bile yüksek arıtım veriminin elde edilebildiği gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Anaerobik Filtre, Düşük Sıcaklık, Stover Kincannon I

4 ABSTRACT M.Sc. THESIS INVESTIGATED OF EFFECT OF TEMPRATURE TO SUBSTRATE REMOVAL KINETIC IN ANAEROBIC FILTER Selin YÜCEER ÇUKUROVA UNIVERSITY INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING Supervisor: Prof. Dr. Ahmet YÜCEER Year : 2006 Pages : 95 Jury : Prof. Dr. Ahmet YÜCEER Assoc.Prof.Dr. Mesut BASIBUYUK Prof. Ilyas DEHRI The aim of this study is investigation of treatment efficiency due to different pollution loading rates and temparatues by using a lab-scale up-flow packed-bed anaerobic filter fed with the synthetic wastewaters at 25 and 35 C temperatures. Reactor was fed by synthetic wastewaters for 24 hrs hydraulic retention time. Firstly, It was fed with synthetic wastewaters which organic loading 3, 6, 9, 12 ve 15 g COD/l. at 35 C. Secondly It was fed with synthetic wastewaters at 25 C by same loading. The system was observed for COD, ph, NH 3 -N, alkalinity and TSS at the outflow and the produced bio-gas volume. The results of this study for both of temperatures were evaluated to adopt kinetic model of Stover-Kincannon. The studies demonstrated that the anaerobic filter was able to show up to 90% COD removal efficiency for 35 C. As the same condition, 80% removal efficiency of COD was obtained for 25 C. With aplication of kinetic model for analyze results were obtained U max : 76,336 g/l-day, K B : 76,31 g/l-day for 35 C and U max : 41,49 g/l-day, K B : 42,88 g/l-day for 25 C. Keywords : Anaerobic Filter; Low temperatures; Stover Kincannon II

5 TEŞEKKÜR Hayatımın her aşamasında varlığını daima yanımda hissettiğim; bana daima her konuda destek olan ve bu mesleği seçerek ilerlememi sağlayan amcam ve hocam, Çevre Mühendisliği Bölüm Başkanı Sayın Prof. Dr Ahmet YÜCEER e sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Lisans ve yükses lisans eğitimim boyunca zengin bakış açısıyla beni aydınlatan hocam Sayın Dr. Turan YILMAZ a yüksek lisans tez çalışmamda gösterdiği ilgi, sabır ve destekten dolayı teşekkür ederim. Fikirleri ile beni destekleyen tüm bölüm hocalarıma ve asistan arkadaşlarıma, özellikle her konuda fikrini çekinmeden sorduğum Arş. Gör. Orkun Davutluoğlu na ve tez yazma aşamamda gösterdiği ilgi ve yardımdan dolayı Arş. Gör. Seçil Kekeç e teşekkür ederim. Bu tezin her aşamasında yanımda olan Zühal Bozok ve Elçin Çıtırık a sonsuz teşekkürler. Maddi ve manevi her konuda beni destekleyen, sevgi ve ilgisini esirgemeyen aileme teşekkürü bir borç bilirim. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ...I ABSTRACT... II TEŞEKKÜR...III İÇİNDEKİLER... IV ÇİZELGELER DİZİNİ... VI ŞEKİLLER DİZİNİ... VIII 1. GİRİŞ Anaerobik Arıtma Teknolojisi Anaerobik Sistemlerde Dönüşüm Prosesleri Anaerobik Reaktör Tipleri Klasik Anaerobik Çürütücüler Anaerobik Temas Reaktörü Membranlı Anaerobik Reaktörler Yukarı Akışlı Çamur Örtü Reaktörler (UASB) Genleşmiş Granüler Çamur Örtü Reaktörler (EGSB ) Anaerobik Akışkan Yataklı Reaktörler (FB) Anaerobik Filtreler Anaerobik Arıtmada Çevresel Faktörler ph Nutrient Gereksinimi Alkalinite Toksisite Anaerobik Arıtmada Sıcaklığın Önemi Anaerobik Arıtma Kinetiği Monod Modeli Grau Modeli Contois Modeli Chen- Hashimoto Modeli Barthakur Modeli...41 IV

7 Sundstrom Modeli Stover Kincannon Modeli ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL VE METOT Materyal Anaerobik Reaktör Sentetik Atıksu Metot Analitik Yöntemler Deneysel Çalışma BULGULAR ve TARTIŞMA Deneysel Bulgular C Bulguları C Bulguları Deney Sonuçlarının Kinetik Modele Uyarlanması C verilerinin kinetik modele uyarlanması C verilerinin kinetik modele uyarlanması Deney Sonuçlarının Yorumlanması SONUÇLAR VE ÖNERİLER...76 KAYNAKLAR...78 ÖZGEÇMİŞ...86 V

8 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 1. 1 Anaerobik arıtmada bazı kilit reaksiyonlar için serbest enerji değerleri..6 Çizelge 1. 2 Anaerobik çamur örtü reaktörleri için performans değerleri...14 Çizelge 1. 3 Anaerobik çamur örtü reaktörlerinin tasarım yükünün sıcaklıkla değişimi...15 Çizelge 1. 4 Yaygın Kullanılan Anaerobik Arıtma Sistemlerinin Karşılaştırılması..18 Çizelge 1. 5 Yaygın Kullanılan Anaerobik Arıtma Sistemlerinin Başlıca İşletme Sorunları...18 Çizelge 1. 6 Anaerobik arıtmada önemli 8 iz elementin minimum miktarları...20 Çizelge 1. 7 Anaerobik arıtmada bazı organik maddeler için teorik biyokütleye dönüşüm (Y) ve optimum KOİ/N/P oranları...21 Çizelge 1. 8 Sıcaklık ve ph a bağlı sıcaklık fraksiyonları...23 Çizelge 1. 9 Bazı çözünür bileşenlerin farklı sıcaklıklardaki difüzyon katsayılarının 30 C ye bağlı gösterimi...30 Çizelge Düşük kirlilik yüküne sahip bazı atıksuların psikrofilik koşullarda arıtılması...32 Çizelge Laboratuar ölçekli çalışmalarda, tropikal ( 20 C) koşullarda atıksu arıtımı sonuçları...33 Çizelge Asetat, propiyonat, bütirat ve hidrojenin sülfat varlığında ve yokluğunda anaerobik parçalanmasının sitokiyometrisi ve Gibbs serbest enerjisi...34 Çizelge Çeşitli organik maddelerin mezofilik anaerobik arıtımı için kinetik sabitleri...36 Çizelge Glukoz ve amino asitlerin asidojenesis safhası için kinetik sabitleri..37 Çizelge Anaerobik arıtmada k ve Ks in asetat için sıcaklıkla değişimi...37 Çizelge Bazı organiklerin hücre çevrim katsayıları...39 Çizelge 2. 1 Farklı atıksuların EGSB reaktörle psikrofilik koşullar altında arıtım verimi sonuçları...48 Çizelge 2. 2 Kağıt sanayi atıksuları için Stover-Kincannon Modeli ile bulunan kinetik sabitler...49 VI

9 Çizelge 3. 1 Sentetik atıksu bileşimi...56 Çizelge C 3000 KOİ Bulguları...60 Çizelge C 6000 KOİ Bulguları...61 Çizelge C 9000 KOİ Bulguları...61 Çizelge C KOİ Bulguları...62 Çizelge C KOİ Bulguları...62 Çizelge C 3000 KOİ Bulguları...63 Çizelge C 6000 KOİ Bulguları...64 Çizelge C 9000 KOİ Bulguları...64 Çizelge C KOİ Bulguları...65 Çizelge C KOİ Bulguları...65 Çizelge Elde edilen ortalama veriler...66 Çizelge Çalışma sonunda elde edilen kinetik sabitler...71 VII

10 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1. 1 Anaerobik bakteriyel metabolizma...5 Şekil 1. 2 Aerobik ve anaerobik bakteriyel metabolizma (Speece, 1986)...6 Şekil 1. 3 Anaerobik dönüşüm prosesleri...9 Şekil 1. 4 Askıda çoğalan sistemler (Öztürk,2005)...11 Şekil 1. 5 Biyofilm üzerinde çoğalan sistemler (Öztürk, 2005)...11 Şekil 1. 6 EGSB reaktörü...15 Şekil 1. 7 Proses hızının sıcaklığa bağlı değişimi (Öztürk,2005)...28 Şekil 3. 1 Çalışmada kullanılan anaerobik filtre...56 Şekil C de giderilen KOİ-üretilen gaz ilişkisi...66 Şekil C de giderilen KOİ-üretilen gaz ilişkisi...67 Şekil C OLR-%KOİ giderim grafiği...67 Şekil C OLR-%KOİ giderim grafiği...68 Şekil C OLR-KOİ giderim hızı grafiği...68 Şekil C OLR-KOİ giderim hızı grafiği...69 Şekil KOİ-AKM değişimi...69 Şekil C Stover Kincannon Model Grafiği...70 Şekil C Stover Kincannon Model Grafiği...71 VIII

11 1. GİRİŞ Selin YÜCEER 1.GİRİŞ Anaerobik arıtma, son yıllarda Çevre Mühendisliği alanında üzerinde en çok araştırma yapılan arıtma türlerinden biri olmuştur. Teknolojik imkanlardaki gelişmeler, eskiden beri bilinen ve doğada kendiliğinden var olan bu biyolojik arıtım metodunun avantajlarını arttırarak çok miktarda atığın verimli ve ekonomik olarak arıtılabilmesini sağlamıştır. Ülkemizde de anaerobik arıtma, gittikçe daha fazla araştırmaya konu olmuştur. Ancak ülkemizde yeni teknolojilerin kullanılması oldukça pahalı yatırımlar gerektirdiğinden ve atıklardan, pahalı da olsa çabuk ve kolay yoldan kurtulma fikri yaygın olduğundan büyük bir kullanım potansiyeli olan anaerobik arıtma uygulama sahasında yeterince yer almamıştır. Anaerobik arıtma, atık çamur bertarafında, dünya çapında kullanılan en eski ve en önemli prosestir (Cavala ve ark., 2003). Anaerobik arıtma çeşitli çevresel faktörlerden etkilenir, bunlardan biri de sıcaklıktır. Atıksu sıcaklığı genel olarak 35 C ve 55 C değerini bulmamaktadır. Yeryüzünün %50 sinden fazlasında ılıman veya soğuk iklim hakimdir. Evsel ve endüstriyel atıksular bu ortam sıcaklığına bağlı olarak genelde düşük sıcaklıklarda deşarj edilmektedirler (Rebac, 1998). Mezofilik ve termofilik işletme koşullarında arıtım yapabilmek için atıksuyu ısıtmak gerekmekte ve bu çoğu zaman ek bir maliyeti beraberinde getirmektedir.yakın zamana kadar anaerobik arıtma proseslerinin, genel olarak 20 C nin altındaki sıcaklıklar ve seyreltik atıklar için elverişsiz olduğu düşünülmekteydi. Günümüzde geliştirilen çeşitli reaktör tipleri ile yapılan araştırmalar ışığında, çevresel faktörlerin proses üzerindeki etkileri ile olayın biyokimyasal gelişimi ayrıntılarıyla incelenmiş ve seyreltik atıkların düşük sıcaklıklarda bile anaerobik olarak arıtılabileceği ortaya konmuştur (Hawkes, 1982: Öztürk, 1991). Anaerobik reaktörlerdeki termofilik ve mezofilik metanojenlerin bakteriyel büyüme değerleri belirlenmiştir. Ancak sadece iki tür psikrofilik deniz metanojeni ve bir miktar psikrofilik (opt. Sıc. 20 C) ve psikrotropik asetojenik bakteri (opt. Sıc C ) doğal sedimentlerden izole edilebilmiştir. Anaerobik psikrofillerin sadece doğal ekosistemlerde incelenmesi, atıksuların anaerobik 1

12 1. GİRİŞ Selin YÜCEER reaktörlerde psikrofilik koşullar altında arıtımı hakkında bilgi eksikliği olduğunu göstermektedir (Rebac, 1998). Anaerobik arıtma prosesinin; ılıman ve soğuk iklimlerden (atık sıcaklığı 10 C) ziyade tropikal ( 20 C) ve subtropikal ( 20 C) bölgelerde uygulanabilirliği daha yüksektir (M. Papapetropoulou, 1997). Adana gibi subtropikal bölgede yer alan yerleşim birimlerinde atıksuları ortam sıcaklığında veya ona yakın bir sıcaklıkta anaerobik arıtmaya tabi tutmak uygun bir yöntem olarak düşünülmektedir. Bu çalışmada; Anaerobik Filtre Reaktörde (AF), 35 C ve 25 C sıcaklıklarda değişik KOİ değerlerine (3000, 6000, 9000, 12000, mgkoi/l) sahip sentetik atıksuların arıtım verimi incelenmiş ve elde edilen değerler Stover- Kincannon modeline uyarlanarak her bir sıcaklık için kinetik sabitler elde edilmiştir. Bu kinetik sabitler sayesinde ortam sıcaklığına daha yakın olan 25 C de, istenilen arıtma verimini sağlayabilmek için uygun reaktör hacmi ve bekletme süresi belirlenebilmektedir. Böylelikle atıksuyu ısıtma maliyeti düşürülebilmekte ve istenilen verim sağlanabilmektedir. 1.1.Anaerobik Arıtma Teknolojisi Anaerobik arıtmada, organik atıklar farklı mikroorganizma gruplarının ortaklaşa çalışmasıyla, anaerobik bakteri hücrelerine ve esas olarak metan ve karbondioksit şeklinde gaz forma dönüşürler. Anaerobik arıtma, uygun koşullar sağlandığında organik madde giderimine ihtiyaç duyulan çoğu alanda rahatlıkla kullanılabilir. Önceleri atıksu arıtma çamurlarının stabilizasyonunda kullanılan anaerobik arıtma teknolojisi, bir sonraki aşama olarak yüksek KOİ değerine sahip endüstriyel atıksuların arıtımında kullanılmıştır. Günümüzde ise gerek evsel, gerek endüstriyel atıksu arıtımında anaerobik arıtmanın giderme verimleri ve işletme prensipleri üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Anaerobik arıtmanın, aerobik arıtmaya göre özellikle enerji ihtiyacı ve atık çamur oluşumu yönünden üstünlükleri vardır. Anaerobik arıtmanın ilerleyen kademelerinde ortaya çıkan hidrojenin ya da son aşamada ortaya çıkan metanın enerji açısından kullanımının araştırılması günümüzün popüler konularındandır. 2

13 1. GİRİŞ Selin YÜCEER Atıksu arıtımında özel bir alan olan anaerobik parçalanma bir fermentasyon prosesidir. Proses, organik maddenin son indirgenme ürünü olan metan üretimiyle karakterize edilir ve metan üretiminin yanı sıra karbondioksit de son ürün olarak oluşur. Anaerobik parçalanma sırasında oluşan bu iki gaz fazındaki bileşiklerin karışımı biyogaz olarak adlandırılır. Bu proseste oluşan biyogaz metandan dolayı önemli bir enerji kaynağıdır. Anaerobik ve aerobik prosesler arasındaki enerji durumu asetik asitin aşağıdaki reaksiyona göre oksidasyonu ve indirgenmesi sırasında açığa çıkan enerji ile karşılaştırılabilir: C 2 H 4 O 2 + 2O 2 2CO 2 +2H 2 O +207 kkal C 2 H 4 O 2 CH 4 + CO kkal Asetik asitin oksidasyonundan açığa çıkan 207 kkal enerjinin 191 kkal si kimyasal enerji olarak metan formunda kalmaktadır. CH 4 + 2O 2 CO 2 +2H 2 O kkal Bu örnek anaerobik parçalanma sırasında açığa çıkan enerjinin sadece küçük bir kısmının serbest enerji olarak açığa çıktığını ve büyük bir kısmının üretilen metanda kimyasal enerji olarak saklı kaldığını göstermektedir (Yılmaz, 2004). Anaerobik proseslerde organik maddelerdeki kimyasal enerjinin çoğu metan olarak geri kazanılırken, aerobik proseslerde ise bu organik maddelerdeki enerjinin çoğu bakteriyel metabolizma için kullanılır. Bu nedenle de aerobik arıtmada oldukça büyük miktarda bakteriyel hücre üretilmektedir. Aerobik dönüşümde 1 kg KOİ yi gidermek için ortalama 2 kwsa. lik elektrik sarf edilerek, 0.5 kg biyokütle üretilmektedir. Anaerobik dönüşümde ise 1 kg KOİ yi giderirken 0.5 m 3 biyogaz (yaklaşık 0.4 L sıvı yakıta eşdeğer) ve 0.1 kg biyokütle oluşmaktadır. Anaerobik Metabolizma Mikroorganizmalar; Obligat Aeroblar Mikroaerofilik organizmalar Fakültatif Aerob veya Fakültatif Anaeroblar Obligat Anaeroblar 3

14 1. GİRİŞ Selin YÜCEER Olmak üzere 4 e ayrılırlar. Anaerobik bakteriler ökaryotik hücre yapısına sahip olup ekstrem çevre koşullarına adapte olabilirler. Bulundukları çevre koşullarına göre anaerobik bakteriler; termofiller, asidofiller, alkalifiller, haloaneroblar, syntrofikler, COkullananlar dehalogenojen anaeroblar olarak sınıflandırılırlar (M. Papapetropoulou, 1997). Anaeroblar (termofilik ve mezofilikler) atık arıtımında kullanılmaktadırlar. Bunların kullanımının, aerobik proseslere göre bazı avantajları vardır, bunlar: Az atık çamur oluşumu (anaerobik bakterilerin büyüme hızının düşük oluşundan dolayı) Düşük nutrient gereksinimi Havalandırma için enerjiye ihtiyaç duyulmaması Aerobik arıtma için toksik olan bazı halojenli bileşiklerin parçalanabilmesi Anaerobik organizmaların aktivitelerini uygun koşullar altında uzun süre koruyabilmeleri (dönemsel arıtma için ideal) Düşük ilk yatırım maliyeti Düşük alan gereksinimi Proses sonunda ve ara kademede enerji kaynağı olarak kullanılabilen H ve CH4 gazı üretimi Kapalı sistemde çalışmasından dolayı kötü kokunun duyulmaması ve atmosfere zararlı aerosol salınımının olmaması olarak sıralanabilir. Farklı organik bileşenlerin anaerobik parçalanmasında dört farklı mikroorganizma grubuna ihtiyaç vardır. Bunlar hidrolitik, fermentatif, syntrofik ve metanojenik bakterilerdir (M. Papapetropoulou, 1997). Anaerobik arıtma sistemlerinde, diğer biyolojik arıtma sistemlerinde olduğu gibi en önemli mekanizma bakteriyel metabolizmadır. Bakteriyel metabolizma anabolizma ve katabolizmanın aynı anda oluşmasıyla gerçekleşir. Katabolizma, 4

15 1. GİRİŞ Selin YÜCEER kısaca organik maddenin parçalanması, anabolizma ise organik maddenin hücre sentezinde kullanılması olarak tanımlanabilir. Mikroorganizmalar, bütün organizmalar gibi yaşam fonksiyonlarını yerine getirmek ve üremek isterler. Bunun için organik bileşenlerden elde edilen enerjiye ve yapı taşlarına ihtiyaç duyarlar. Mikroorganizmalar tarafından salgılanan enzimlerle enerji açısından zengin, yüksek yapılı organik bileşenlerin parçalanmasıyla düşük enerjiye sahip basit moleküller ve serbest enerji açığa çıkar. Bu serbest enerjinin bir kısmından ATP üretilir ve mikroorganizmanın hücresinde depolanır geri kalan enerji ise ısı enerjisi olarak açığa çıkar. ATP yapımında kullanılan bu enerji; serbest enerji veya Gibbs Reaksiyon Enerjisi [kj/ Reaksiyon] olarak adlandırılır. Bir reaksiyon, Gibbs Reaksiyon Enerjisi sadece negatif değerler aldığında gerçekleşir. Bu değer ne kadar büyükse, reaksiyonlar o kadar hızlı gerçekleşir. Organik maddelerin parçalanması sırasında açığa çıkan enerji aerobik ve anaerobik koşullar altında farklı şekillerde kullanılır. Örneğin Glukozun aerobik parçalanması sırasında toplam olarak kj/mol enerji açığa çıkar, bunun kj/mol ü organizmanın kullanması için açığa çıkan serbest enerjidir. Bu enerjiden 38 ATP üretilir. Anaerobik koşullarda ise ATP üretimi için oluşan serbest enerji 58 kj/mol dür, bu da yalnızca 2 ATP üretimine olanak sağlamaktadır. Bu durum, anaerobik bakterilerin aerobiklere nazaran neden yavaş büyüdüklerini açıklamaktadır (Anaerobtechnik, 2005). Bakteriyel metabolizma aşağıdaki şekille ifade edilebilir: Şekil 1. 1 Anaerobik bakteriyel metabolizma Aerobik ve anaerobik metabolizmanın karşılaştırılması ise aşağıdaki şekille ifade edilebilir: 5

16 1. GİRİŞ Selin YÜCEER Şekil 1. 2 Aerobik ve anaerobik bakteriyel metabolizma (Speece, 1986) Şekilden, anaerobik metabolizma sonucunda biyokütle oluşumunun aerobik metabolizmaya kıyasla ne kadar az olduğu açıkça görülmektedir. Bu da anaerobik arıtmada atık çamur stabilizasyonu sorununu minimuma indirmektedir. Ayrıca aynı miktarda ve kirlilik yükünde atıksuyun arıtımı için gereken reaktör hacmini düşürmektedir. Anaerobik koşullar altında, atıksudaki KOİ nin %90 ından fazlası son ürün olarak metana dönüşür. Oluşan bu enerji formu, biyokütle sentezinde kullanılmadığından, atık çamur bertarafı için gereken maliyet ve alan ihtiyacı düşer (Speece, 1995). Çizelge 1. 1 Anaerobik arıtmada bazı kilit reaksiyonlar için serbest enerji değerleri Reaksiyon G kj Propiyonat Asetat CH 3 CH 2 COO H 2 O CH 3 COO - + H + + HCO -3 +3H Bütirat Asetat CH 3 CH 2 CH 2 COO H 2 O 2CH 3 COO - + H + + 2H Etanol Asetat CH 3 CH 2 OH + H 2 O CH 3 COO - + H + + 2H Laktat Asetat CHCHOHCOO - + 2H 2 O CH 3 COO - + HCO - 3 +H + +2H Laktat Propiyonat 3CHCHOHCOO - 2CH 3 CH 2 COO+CH 3 COO+H + - HCO Laktat Bütirat 2CHCHOHCOO - +2H 2 O CH 3 CH 2 COO - +2HCO - 3+2H 2-56 Asetat Metan CH 3 COO - +H 2 O HCO - 3 +CH 4-31 Glukoz Asetat C 6 H 12 O 6 +4H 2 O 2CH 3 COO - + 2HCO - 3+4H + +4H Glukoz Etanol C 6 H 12 O 6 +2H 2 O 2CH 3 CH 2 OH + 2HCO - 3+2H Glukoz Laktat C 6 H 12 O 6 2CHCHOHCOO - +2H Glukoz Propiyonat C 6 H 12 O 6 +2H 2 2CH 3 CH 2 COO - + 2H 2 O+2H Gibbs serbest enerji değeri negatif olarak ne kadar büyükse, reaksiyon tek başına o kadar hızlı gerçekleşir. Bu durum, anaerobik reaktörlerde uçucu asit birikimin kolay gerçekleşmesini açıklar (J.Mata-Alvarez, 2002). 6

17 1. GİRİŞ Selin YÜCEER 1.2.Anaerobik Sistemlerde Dönüşüm Prosesleri Organik materyallerden metan fermentasyonu; oldukça karmaşık, günümüze kadar ayrıntılı incelenmemiş biyokimyasal bir olaydır. Doğadaki en önemli madde dolaşım zincirlerinden birisi olmasına rağmen henüz tam anlamıyla fotosentezde olduğu gibi açıklığa kavuşturulamamıştır. Metan fermentasyonunda, fermentasyon sonucunda metan, karbondioksit ve çok az miktarda hidrojensülfür oluşmaktadır. Oluşan enerjinin büyük kısmı metan formunda oluşmakta, çok az bir kısmı yeni hücrelerin yapımında kullanılmaktadır (Alternatif Enerji Kaynakları, Mustafa Acaroğlu 2003). Anaerobik arıtmada çok sayıda hidrolitik, fermentatik, asetojenik, syntropik ve metanojenik bakteri rol almaktadır (Lokshina ve Vavilin, 1998). Anaerobik dönüşüm prosesleri başlıca 4 adımda meydana gelir, ancak bazı kaynaklarda bu dönüşüm sürecinin 3 adımda gerçekleştiği belirtilmektedir. Bu dört adım: 1. Hidroliz 2. Asidojenesis 3. Asetojenesis 4. Metanojenesis tir. Dönüşümü üç adımda özetleyen kaynaklarda asidojenesis ve asetojenesis safhası aynı adımda ele alınmaktadır. Anaerobik arıtmada bir grup mikroorganizma organik polimer ve lipidleri daha basit yapıdaki (monosakkarit, amino asit vb.) bileşenlere; ikinci grup mikroorganizma hidroliz ürünlerini organik asitlere, anaerobik arıtmada en çok asetik asite, fermente eder. İkinci grupta yer alan mikroorganizmalar nonmetanojenler olarak adlandırılırlar, fakültatif ve obligat anaerobik bakterilerden meydana gelirler. Bu mikroorganizmalar literatürde asidojenler olarak sınıflandırılırlar. Anaerobik reaktörlerden izole edilen nonmetanojenik bakteriler içerisinde Clostridium spp., Peptococcus Anaerobus, Bifidobacterium spp., Desulphovibrio spp., Corynebacterium spp., Lactobacillus, Actinomyces, Staphylcoccus ve Escherichia Coli sayılabilir. Birinci gruptaki bakteriler ise proteolitik, lipolitik, üreolitik ve selülitik enzimleri üretir. Üçüncü grup 7

18 1. GİRİŞ Selin YÜCEER mikroorganizma ise asidojenlerin ürettiği asetik asit ve hidrojeni metan gazı ve karbondioksite çevirir. Bu çevrimden sorumlu bakteriler zorunlu anaerobdurlar ve metanojenler olarak adlandırılırlar. Metanojenler arasında en önemlileri H ve asetik asit kullananlardır. Bunların çoğalma süreleri oldukça düşük olduğundan, organik maddelerin anaerobik arıtımında hız sınırlayıcı basamağı oluştururlar (Metcalf&Eddy,1991). Yüksek yapıdaki organik moleküllerin olmadığı yerde metanojenesis, hız sınırlayıcı basamaktır (Gavala ve ark., 2003). Anaerobik reaktörlerde iki şekilde metan oluşur. Birincisi, hidrojen ve karbondioksitin birleşmesi, diğeri de formik asit, asetik asit ve metanolün, metan, karbondioksit ve suya dönüşmesidir. Anaerobik parçalanmanın devam edebilmesi için reaktörde metan oluşturan bakterilerle diğer bakteri grupları dinamik bir denge içinde olmalıdır. Ayrıca mikroorganizmaları inhibe eden toksik maddelerin, örneğin ağır metallerin ve sülfürün bulunmaması zorunludur. Ortam ph ı arasında olmalıdır ve PH ı 6.2 civarında tutabilecek miktarda alkalinite bulunmalıdır. Çünkü bu ph değerinin altında metan bakterileri faaliyet gösteremezler. Anaerobik reaktörlerde normal olarak 1000 mg/l ile 5000 mg/l arasında alkalinitenin ve 250 mg/l den daha az yağ asitlerinin bulunması gerekmektedir (Metcalf&Eddy, 1991). 8

19 1. GİRİŞ Selin YÜCEER Şekil 1. 3 Anaerobik dönüşüm prosesleri 9

20 1. GİRİŞ Selin YÜCEER 1.3. Anaerobik Reaktör Tipleri Anaerobik arıtma prosesinin verimini arttırmak için çeşitli konfigürasyonlar denenmiştir. Yeni alternatiflerde esas amaç, biyokütlenin reaktör içerisinde kalma zamanının, dolayısıyla da atık ile mikroorganizmaların yeterli temas süresinin sağlanmasıdır. Anaerobik biyokütle birikimini ve reaktör içindeki bekletme zamanını arttırmak için, tamamen yeni yöntemler benimsenmelidir. Metanojenesis safhasının anaerobik arıtmaya katkısı çok büyük olsa da, prosesin en çok sorun yaratan en hassas kısmıdır. Bu yüzden de anaerobik arıtma prosesinin iyileştirilmesinde belli şartlar sağlanıp, alternatif teknolojiler benimsenirken metanojenesis safhası önem kazanmaktadır (Speece,1986). Anaerobik reaktörler; mikroorganizmaların askıda çoğaldığı veya biyofilm üzerinde çoğaldığı reaktörler olarak iki grupta ele alınabilirler; Askıda çoğalan sistemler: Klasik Anaerobik Çürütücüler (CSTR) Anaerobik Temas Reaktörleri Membranlı Anaerobik Reaktörler Yukarı Akışlı Çamur Örtü Reaktörler (UASB) Genleşmiş Granüler Çamur Örtü Reaktörler (EGSB) Biyofilm üzerinde çoğalan sistemler: Anaerobik Akışkan Yataklı Reaktörler (FB) Anaerobik Filtreler (AF) [Sabit Yatak] Ayrıca bu reaktörlerin çeşitli kombinasyonlarından oluşan Hibrit Reaktörler de mevcuttur. Hibrit reaktörlerde, bir reaktörün avantajı diğerinin dezavantajı yerine kullanılır. 10

21 1. GİRİŞ Selin YÜCEER Şekil 1. 4 Askıda çoğalan sistemler (Öztürk,2005) Şekil 1. 5 Biyofilm üzerinde çoğalan sistemler (Öztürk, 2005) Yüksek hızlı anaerobik reaktörler; yüksek konsantrasyonda aktif biyokütlenin reaktörde tutulabildiği, buna bağlı olarak da yüksek organik yükleme değerinin uygulanabildiği, yüksek çamur yaşının- düşük hidrolik bekletme süresinin sağlanabildiği sistemlerdir. Birbirinden farklı yüksek hızlı anaerobik sistemler son 30 yılda geliştirilmiştir. Örneğin; (Elmitwalli, 2000) Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktör (AF)- Young ve McCarty,1969 Yukarı Akışlı Çamur Örtü Reaktörü (UASB)- Lettinga ve ark., 1979 Akışkan Yataklı Reaktör (AFB)- Switzenbaum ve Jewell,1980 Anaerobik Hibrit Reaktör (AH)- Giuot ve Berg,1984 Anaerobik Biyodisk Reaktör- Friedman,1980 Aşağı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktör- Kennedy ve Guiot,1982 Anaerobik Perdeli Reaktör- Bachmann ve ark.,1985 UASB reaktör bu reaktörler arasında en çok uygulanan modeldir, bunu sırasıyla Anaerobik Filtre ve Anaerobik Hibrit sistemler takip eder (Verstraete ve ark., 1996; Monroy ve ark., 2000). 11

22 1. GİRİŞ Selin YÜCEER Klasik Anaerobik Çürütücüler Klasik anaerobik çürütücüler; tam karışımlı ve geri devirsiz reaktörlerdir. Geri devirsiz olduklarından çamur yaşı hidrolik bekletme süresine eşittir. Yavaş çoğalan metan bakterilerinin sistemden yıkanmaması için çamur yaşı en az bakterilerin spesifik büyüme süresi kadar olmalıdır. En önemli metan bakterilerinden biri de Methanosaeta dır. Bu bakterinin maksimum spesifik büyüme hızı µ max. : 0,1 d -1 dir. Ancak sistemde bakterilerin emniyetle çoğalabilmesi için, spesifik çoğalma hızının 1,6 katı kadar süreye ihtiyaç vardır (ATV-DVKW,2000). Bu nedenle, örneğin bu bakteri grubu için, (1/0,1)*16=16 günlük hidrolik bekletme süresinde işletilmelidirler (Anaerobtechnik,2005). Uygulamada günlük hidrolik bekletme süreleri ile işletilirler, buna bağlı olarak da reaktör hacimleri büyüktür. Hem hacmin büyüklüğü, hem de çıkış suyundaki askıda katı madde konsantrasyonunun yüksekliği bu sistemlerin en önemli mahzurlarındandır.uygulamada, atıksuların arıtılmasından ziyade arıtma çamurlarının çürütülmesi için kullanılırlar Anaerobik Temas Reaktörü Anaerobik temas reaktörleri, tam karışımlı anaerobik reaktörler olup, gaz ayırma ve çökeltme birimlerinden oluşur. Çökelme tankındaki çamur reaktöre geri devir ettirilerek çamur yaşının kontrol edilebildiği bir sistemdir. Karıştırma, ya mekanik olarak ya da biyogazın reaktöre enjekte edilmesiyle sağlanır. Çökelme tankı basit çökelme havuzu veya lamelli çökeltici olarak teşkil edilir. Çökeltme esnasında gaz oluşumu devam ettiğinden çamurun çökelmesi uzun zaman alır ve sorunludur. Anaerobik bakterilerle organik maddenin yeterli temasını sağlamak için reaktör etkili bir şekilde karıştırılır. Anaerobik kontak reaktörlerinde organik yükleme oranları UAKM cinsinden, maksimum 3kg KOİ/ kg UAKM-gün ve hacimsel organik yük olarak da maksimum 12,9 kg KOİ/m 3 -gün olarak verilmiştir (Seyfried ve Saake,1986: Öztürk, 1999). 12

23 1. GİRİŞ Selin YÜCEER Membranlı Anaerobik Reaktörler Membranlı havasız reaktörlerde ana reaktör tam karışımlı bir anaerobik reaktör olup katı madde ayrımı için çökeltme yerine ultrafiltrasyon birimi kullanılır. Membran üzerinde akarken suyu alınan biyokütle sisteme geri döndürülerek çamur yaşı istenilen seviyede tutulmaktadır. Genelde KOİ değeri mg/l nin üzerindeki konsantre ve debisi küçük endüstriyel atıksular için uygun sistemlerdir (Öztürk, 2005). 1,7-8,0 kg KOI/m 3 -gün kirlilik yüküne sahip atıksular için Güney Afrika da örneklerine rastlanmaktadır. Ancak diğerlerine göre pahalı bir sistem olduğundan ve ultrafiltrasyon sistemi anaerobik mikroorganizmaları zedelediğinden çok tercih edilen bir sistem değildir (Anaerobtechnik,2005) Yukarı Akışlı Çamur Örtü Reaktörler (UASB) Bu reaktör tipi 70li yıllarda Lettinga ve arkadaşları tarafından bulunmuştur. Anaerobik atıksu arıtımında en geniş kullanım alanına sahip yüksek hızlı anaerobik reaktör tipidir. Günlük yaşamda kullanılan bütün UASB ler tropikal ve subtropikal koşullarda işletilmektedir. Pilot reaktörler ise ılıman iklimlerde denenmektedir. En önemli özelliği faz ayrımının olmasıdır. Bu parça, reaktörün üstünde yer almaktadır ve reaktörü iki parçaya bölmektedir: arıtmanın gerçekleştiği alt bölüm ve çökelmenin olduğu üst bölüm (Lettinga,1994 ). Yukarı akışlı çamur örtü reaktörlerinin en önemli ve karakteristik özelliği, faz ayırıcılarının bulunmasıdır. Faz ayırıcıların sıvı fazdan kaçan biyogazı toplamak, reaktörün üst kısmındaki ayırıcıda askıda katı maddenin çökelmesini sağlamak, çıkış suyundaki AKM konsantrasyonunu düşük seviyede tutmak ve kesikli olarak gelebilecek yüksek hidrolik yüklerde yükselen çamura alan yaratmak gibi dört önemli fonksiyonu vardır (Yılmaz, 2004). Bu tür sistemlerde mikroorganizmalar yukarı akışlı akımda floklar halinde gelişir. Arıtma; reaktörün alt kısmındaki çamur yatağı ile bunun üst kesimindeki çamur örtüsünce gerçekleştirilmektedir. Beslenen atığın organik madde muhtevasına bağlı olarak; kuvvetli atıklarda, çamur yatağı, seyreltik atıklarda ise çamur örtüsü arıtmada ağırlıklı rol oynamaktadır. Çökelme hızı çok yüksek ağır aktif granüler 13

24 1. GİRİŞ Selin YÜCEER çamur yatağı sayesinde hidrolik bekletme süresinin 3-4 saat gibi değerler almasında dahi biyokütle kaybı olmaksızın sistem işletilebilmektedir. Bu reaktörlerin anaerobik akışkan yataklı reaktörler ve anaerobik filtrelere kıyasla yüksek organik yüklerden daha az etkilenme, yüksek aktiviteli çamur içeriği, tıkanma probleminin olmaması ve ilk yatırım maliyetinin az olması gibi avantajları vardır. Bu tip reaktörlerin dizaynında; yüksek organik madde içerikli atıksular arıtılacaksa atıksuyun organik yükü esas alınır. Ancak düşük organik yüke sahip fakat debisi yüksek atıksular için hidrolik yük esas alınır. Reaktör dizaynıyla ilgili önemli noktalardan birisi de reaktör yüksekliğidir. Yüksek organik yüklemelerde oluşabilecek kanallama problemi, debi dağıtım sistemi kurularak engellenebilir. Debi dağıtım sistemine özellikle; reaktördeki karışımı sağlayacak biyogazın az üretileceği düşük sıcaklık değerlerinde ihtiyaç duyulur. Çizelge 1. 2 Anaerobik çamur örtü reaktörleri için performans değerleri (Acosta, 1993) Atıksu Organik Yükleme Değeri (Kg/m 3 -gün) Sıcaklık ( C) Hacim (L) Giderim (%) Fasulye yıkama atığı VFA Karışımı Ham atıksu Şeker pancarı atıkları * Sentetik nişasta atıkları Kimyasal endüstri atıkları Patates atıkları Parçalanmış atıksu çamuru * likörü Damıtık içki fabrikası atıkları * Sıcak bölgelerde evsel atıksuların anaerobik arıtımında, ayrıca ısıtma olmaksızın %70 in üzerinde KOİ giderimleri sağlanabilmektedir. Özellikle anaerobik çamur örtü reaktörlerinin bu maksatla kullanılmasına çalışılmaktadır. Tamamen yörenin normal iklim şartlarında geniş bir aralıkta değişen sıcaklık değerlerinde 1-4 kg KOİ/m 3 -gün lük organik yükler tatbik edilebilmektedir. Bu yolla mevsimlik çalışan turizm işletmeleri atıksularının arıtılması için de fizibil çözümler elde edilebilir (Ubay, 1993: Öztürk 1999 dan). 14

25 1. GİRİŞ Selin YÜCEER Çizelge 1. 3 Anaerobik çamur örtü reaktörlerinin tasarım yükünün sıcaklıkla değişimi (Öztürk, 1999) Sıcaklık C Tasarım Yükü Kg KOİ/m 3 -gün Genleşmiş Granüler Çamur Örtü Reaktörler (EGSB ) EGSB reaktörler UASB ve akışkan yataklı reaktörlerin avantajlı yönlerinin birleşmesinden oluşur. EGSB reaktörlerde çamur akışkan halde tutulur, ancak akışkan yataklı reaktörlerden farklı olarak inert materyal üzerinde değil de granüler halde tutulur (Rebac,1998). Yüksek verimli UASB olarak da adlandırılabilir. Yükseklikleri m arasında inşa edilir kg KOİ/m 3 -gün aralığında yükleme yapılabilir. Sıvı- katı-gaz ayrımının iyi ayarlanmış olmasından dolayı UASB reaktörlere göre yüksek çamur konsantrasyonuna sahiptirler, ancak reaktör içindeki karışımı sağlamak için kullanılan pompalar enerji ihtiyacını arttırmaktadırlar. Atıksu ve biyokütle arasındaki temas arttığından yüksek arıtım verimi elde etmek mümkündür (Anaerobtechnik,2005). Şekil 1. 6 EGSB reaktörü 15

26 1. GİRİŞ Selin YÜCEER Anaerobik Akışkan Yataklı Reaktörler (FB) Anaerobik akışkan yataklı reaktörlerde, biyokütle küçük çaplı destek malzemesi üzerinde biyofilm tabakası oluşturur. Biyotaneciklerin akışkan halde tutulabilmesi için yüksek orandaki geri devir akımı ile gerekli yukarı akış hızı sağlanır. Anaerobik akışkan yataklı reaktörlerin askıda çoğalan tipteki biyokütlenin (floküler yapı) hakim olduğu sistemlere oranla önemli üstün özellikleri vardır. Kum gibi ağır taneciklerin kararlı çökelme hızları çok yüksektir (50 m/sa). Bu yüzden reaktördeki yukarı akış hızları m/sa gibi yüksek değerlerde tutulmaya çalışılır. Bu derece yüksek yukarı akış hızları sebebiyle atıksu içindeki inert maddelerin reaktörde birikmesi mümkün değildir ve biyokütle aktivitesi çok yüksektir. Özgül yüzeyi 3000 m 2 /m 3 e ulaşan küçük çaplı (0,2-0,8 mm) tanecikler üzerindeki biyofilm halinde tutunan biyokütle miktarı 40 kg/m 3 e ulaşabilir. Yüksek orandaki biyokütle konsantrasyonu sebebiyle, anaerobik akışkan yataklı reaktörlerde çok yüksek arıtma kapasitelerine ulaşılabilir. Bu yüzden anaerobik akışkan yataklı reaktörler kompakt, az yer kaplayan ve son 15 yılda kullanımı yaygınlaşan yüksek hızlı reaktörlerdir. Bunun yanı sıra anaerobik akışkan yataklı reaktörlerin, biyofilm oluşumunun uzun zaman alması, işletmeye alma döneminin uzaması, biyofilm kalınlığının kontrol edilme zorluğu, yüksek orandaki geri devir oranının enerji gereksinimi, taban kısmındaki akım dağıtma yapısının maliyeti ve geri devir durduğunda biyokütlenin briketleşmesi sonra da tekrar akışkanlık kazanmasının uzun zaman alması gibi dezavantajları vardır. Anaerobik akışkan yataklı reaktörlerin işletmeye alınması sırasında önemli hususlardan biri biyofilm oluşumudur. Bunun için dolgu malzemesi seçimi, aşılama tekniği ve organik yük artışı önemli faktörlerdir. Dolgu malzemesi olarak kum, aktif karbon, sinterlenmiş cam malzeme ve sentetik reçineler kullanılabilir. Aşılama işleminde kesikli ve sürekli olmak üzere iki genel teknik vardır. Kesikli aşılamada reaktör hacminin 2/3 si aşı olabilir ve reaktörün geriye kalan hacmi arıtılacak atıksu ile doldurulur daha sonra her gün belli miktarlarda reaktör sıvısı yeni atıksu ile değiştirilir. Organik yük artışı maksimum verim ya da maksimum organik yük esas alınarak yapılır. Hacimsel organik yük açısından 16

27 1. GİRİŞ Selin YÜCEER anaerobik akışkan yataklı reaktörler için oldukça yüksek değerler (60 kg KOİ/m 3 - gün) bildirilmiştir (Heijnen, 1983: Öztürk, 1999) Anaerobik Filtreler Anaerobik filtre ilk olarak 1969 yılında Young ve McCarty tarafından tanımlanmıştır ve çeşitli endüstriyel atıkların arıtımında etkili bir şekilde kullanılmak üzere geliştirilmiştir (Young, 1969). Son 30 yıldır ise yüksek hızlı arıtma sistemi olarak kuvvetli organik atıksuların arıtımında kullanılmaktadır (Öztürk, 1999). Anaerobik filtreler aşağı veya yukarı akışlı olarak dizayn edilirler. Filtrelerde; plastik, seramik ya da benzeri, çözünme ve baskı sonucu kırılmaya dayanıklı malzeme kullanılır. Dolgu malzemesinin yüzey alanı oldukça önemlidir. Aynı hacim için, artan yüzey alanında arıtma verimi artar. Dolgu malzemesi üzerinde ilk yüklemeden itibaren zamanla biyofilm oluşur. Atıksu bu biyofilm tabakasında ve dolgu malzemesi arasında bulunan boşluklarda oluşan anaerobik çamur granüllerinde arıtılır. Filtrelerde zaman zaman tıkanmalar meydana gelebilir, bu tıkanmaların neticesinde kanallanma olmasını önlemek adına sisteme basınçlı gaz (azot ya da sistemde oluşan biyogaz) verilir. Filtrelerde yüksek KOİ değerine sahip atıksuların yanı sıra düşük yüklerdeki atıksular da arıtılır, hidrolik, organik ve toksik etkilere karşı dayanıklıdır, çamur bekleme süreleri yüksek, çamur üretimi düşük ve biyokütle kaybı azdır. Anaerobik filtrelerde geri devir yapılması KOİ giderme verimini önemli miktarda arttırmamasına rağmen sistemin özellikle alkalinite, nütrient ve ısı ihtiyacının azaltılması bakımından önemli bir uygulamadır (Yılmaz, 2004). Anaerobik filtrelerin kısa sürede tıkanmasını önlemek için yüksek AKM içeren atıksuları filtreden önce ön çökeltmeye tabi tutmak uygundur. Young ve Yang anaerobik filtre dizaynındaki en önemli parametrelerin, Hidrolik bekletme süresi, Dolgu malzemesi tipi, Akımın yönü, olduğunu belirtmişlerdir. 17

28 1. GİRİŞ Selin YÜCEER ABD de ve Kanada da 1972 yılından itibaren inşa edilmiş çok sayıda kurulu yukarı akışlı anaerobik filtre vardır. Bu tesislerde hacimsel organik yük kg KOİ/m 3 - gün aralığında değişmektedir. Hidrolik bekleme süreleri de, katı atık sızıntı suyu arıtılan anaerobik filtrelerdeki günlük süre haricinde, 12 ile 96 saat aralığında yer almaktadır. Arıtılan atıklardaki giriş KOİ değerleri de mg/l (ön çökeltmeli atıksu) ile mg/l (fermentasyon atıksuyu) gibi geniş bir aralıkta değişmektedir. Elde edilen KOİ giderme verimleri atık tipine bağlı olarak genelde % aralığındadır. İşletme emniyeti ve sistem veriminin yükseltilmesi gayesiyle birden fazla sayıda filtre veya anaerobik çamur yataklı filtre (hibrid reaktör) inşa edilerek seri bağlı işletilebilirler (Öztürk, 1999). Çizelge 1. 4 Yaygın Kullanılan Anaerobik Arıtma Sistemlerinin Karşılaştırılması (Öztürk, 1999) Karakteristik Davranış Anaerobik Anaerobik Filtre Anaerobik Akışkan Çamur Örtü Yataklı Reaktör İşletmeye alma Biyokütle (çamur) gelişimi Sıvı fazın karışımı Hidrolik şoklara karşı koyma Organik şoklara karşı koyma Askıda katılara duyarsızlık Tıkanmaya duyarsızlık Biyokütle yüzme riski Reaktörün kontrol ihtiyacı - yetersiz, + iyi, ++ çok iyi Reaktörü (+) Çizelge 1. 5 Yaygın Kullanılan Anaerobik Arıtma Sistemlerinin Başlıca İşletme Sorunları (Öztürk, 1999) Anaerobik Çamur Örtü Anaerobik Filtre Anaerobik Akışkan Yataklı Reaktörü Reaktör -Yatak genleşmesinin kontrol -giriş akımını üniform dağıtma -yatak genleşmesini kontrol güçlüğü zorluğu güçlüğü -değişken giriş suyu -yatakta tıkanma ve kanallanma -giriş akımını üniform dağıtma özelliklerine bağlı proses riski zorluğu stabilitesi sorunu -filtrenin periyodik olarak geri -biyopartikül kaçışı -şok yüklerde biyokütle kaybı yıkanma gereği -akışkanlaşma özelliklerinin -inert (inorganik) madde -inert katı madde birikimi değişkenliği birikimi -çıkışta AKM ayırma -biyofilm kopması -biyokütle yüzmesi (kaçması) (çökeltme) ihtiyacı -vanalarda arıza -sürekli geri devir mecburiyeti

29 1. GİRİŞ Selin YÜCEER 1.4. Anaerobik Arıtmada Çevresel Faktörler Anaerobik arıtma çevresel koşullardan aerobik arıtmaya göre daha çok etkilenir. Anaerobik arıtma sistemleri daha dar çevresel koşullarda çalışırlar, ve optimum noktadan uzaklaştıkça arıtma verimleri düşer. Metanojenler, anaerobik arıtmada çevresel koşullardan en çok etkilenen grubu oluştururlar. Bu çevresel faktörler ph, sıcaklık, nutrient gereksinimi, alkalinite ve toksisitedir ph Metan bakterileri için optimum ph aralığı 6,5-8,2 olarak kabul edilir. Anaerobik arıtmada en hassas grup metan bakterileri olduğundan ortam ph ını bu aralıkta tutmak gerekir. Asidojenler, metanojenlere kıyasla daha geniş bir ph aralığında faaliyet gösterirler ancak onlar da ph ın 5,5 in altına düşmesi halinde inhibisyona uğrarlar. Ayrıca, sülfat kullanan bakterilerin kısa süreli (8 sa) ph değişimlerinden metanojenlere kıyasla daha az etkilendiği belirtilmiştir (Leitão ve ark.,2004). ph ın metanojenlerin tolere edebileceği değerlerin dışına çıkması halinde, bu durumdan daha az etkilenen asidojenler baskın hale gelip, reaktörde VFA (uçucu yağ asidi) birikimine neden olabilirler. Anaerobik reaktörlerde CO 2 ve VFA artışı sistemin ph ını düşürürken, protein parçalanmasından oluşan NH 3, reaktörün ph ını yükseltir. Sistemin ph ı gerekiyorsa dışardan alkalinite takviyesi ile dengelenebilir. Herhangi bir sebeple kararlılığını yitiren bir reaktörde, dengesizlik ilk önce toplam uçucu asit konsantrasyonun artması sonucu ph ta ani bir düşüş ile kendini gösterir. ph taki düşüşü bir süre sonra (yaklaşık 2 gün sonra) alkalinitedeki ani azalma izler. Bu esnada gaz üretiminin yavaşlaması, dolayısıyla gaz debisinde bir azalma ve gazdaki CH 4 yüzdesinde bir düşüş gözlenir. Bunların sonucu olarak da reaktör çıkışındaki KOİ konsantrasyonu yükselir ve sistemin verimi düşer (Öztürk, 1999). 19

30 1. GİRİŞ Selin YÜCEER Nutrient Gereksinimi Bütün mikroorganizmaların olduğu gibi, anaerobik mikroorganizmaların da metabolik faaliyetlerini devam ettirebilmeleri için bazı temel ve iz elementlere gereksinimleri vardır. Atıksu arıtımında en genel olarak sudaki C, N ve P lu bileşenlerin miktarının düşürülmesi beklenir. Bakteriler atıksudaki bu bileşenlerin miktarı düşürülürken yeni bakteri hücresi ve enerji açığa çıkar. Anaerobik bakteriler, daha önce de bahsedildiği gibi aerobik bakterilere kıyasla daha az yeni hücre, daha çok enerji üretirler. Metabolik faaliyetlerinde kullandıkları C miktarı aerobik bakterilere kıyasla daha yüksektir. Bu nedenle aerobik arıtma için optimum kabul edilen KOİ/N/P miktarı 100/5/1 iken bu oran anaerobik arıtmada işletmeye alma devresinde 300/5/1-500/5/1 aralığında tutulur. Kararlı halde ise 700/5/1 oranı uygulanabilir (Öztürk, 1999). Bu oranlar aynı miktardaki anaerobik ve aerobik organizmalardan, anaerobiklerin çok daha fazla atık arıtabileceğini ifade eder. C, N ve P gibi makronütrientler yanında Na, K, Mg, Fe, S, Ni, Co, Mo, Se ve W gibi iz elementler de anaerobik arıtma için gereklidir. Özellikle diğer bütün çevre şartları uyumlu iken, yüksek KOİ giderimi gerçekleşmiyorsa iz elementlere dikkat edilmelidir. Anaerobik arıtma için olumlu etkisi tespit edilmiş 8 iz element ve miktarları şekilde verilmiştir: Çizelge 1. 6 Anaerobik arıtmada önemli 8 iz elementin minimum miktarları (Asetat kullanım hızı: kg Asetat/m 3 -gün, Ө c : 5 gün, T: 35 C, ph: 6,8) (Öztürk, 1999) İz Elementler Minimum Miktar (mg/l reaktör-gün) S 10 4 Ca 5 3 Mg 1 3 Fe 1 0,5 Ni 0,2 <0,01 Co 0,1 0,05 K Zn 0,1 0,05 Reaktördeki İz Element Konsantrasyonu (mg/l) 20

31 1. GİRİŞ Selin YÜCEER Çizelge 1. 7 Anaerobik arıtmada bazı organik maddeler için teorik biyokütleye dönüşüm (Y) ve optimum KOİ/N/P oranları (Öztürk, 1999 Organik Bileşik Y (g UKM/g KOİ) Optimum KOİ/N/P Asetik asit 0, / 6,7 / 1 Propiyonik asit 0, / 6,7 / 1 Bütirik asit 0, / 6,7 / 1 Uzun zincirli yağ asitleri 0, / 6,7 / 1 Karbonhidratlar 0, / 6,7 / 1 Yağlar 0, / 6,7 / 1 Proteinler 0, Alkalinite Alkalinite, anaerobik arıtma sistemleri için en önemli parametrelerden biridir. Alkalinite, atıksu bileşimine bağlı olarak metabolik olarak üretilebildiğinden dolayı metabolik alkalinite birçok atıksu için karakteristiktir. Başlangıçta birkaç yüz mg/l olan giriş suyu alkalinitesi arıtma çıkışında birkaç bin mg/l ye yükselebilir. Protein gibi azotlu organik bileşiklerin anaerobik ve aerobik parçalanmasından açığa çıkan amonyum oranına bağlı olarak metabolik alkalinite diye adlandırılan alkalinite oluşur. Bununla birlikte karbonhidratlar, şekerler, aldehitler, ketonlar ve esterler gibi bileşiklerin anaerobik parçalanması sonucu metabolik alkalinite oluşmaz. Proteinin anaerobik parçalanması sırasında amonyak ve bikarbonat oluşum reaksiyonları aşağıdaki gibidir: RCHNH 2 COOH + 2H 2 O RCOOH + NH 3 + CO 2 + 2H 2 NH 3 + H 2 O + CO 2 NH 4 HCO 3 Eğer protein 1/10 azot içeriyorsa tam olarak parçalanmış 1 g/l proteinden 0,1 g/l NH 4 -N oluşur ve oluşan her 0,1 g/l NH 4 -N için 0,36 g/l CaCO 3 a eşdeğer 0,56 g/l NH 4 HCO 3 meydana gelir (Speece, 1996). Sülfatın ve sülfitin indirgenmesinden oluşan alkalinite reaksiyonları ise aşağıdaki gibidir: 4H 2 + SO CO 2 HS - + HCO H 2 O CH 3 COO - + SO HCO - 3 +HS - 21

32 1. GİRİŞ Selin YÜCEER 3 CH 3 COO - + 4HSO HCO HS - + 3H 2 O + 3CO 2 Yarım mol sülfatın veya 1 mol sülfitin indirgenmesinden 1 mol alkalinite oluşur. 96 gram sülfat başına 2 mol : 100 g alkalinite üretilir (CaCO 3 cinsinden). Alkalinitedeki yükselme, indirgenen sülfat miktarına hemen hemen eşittir (Speece, 1996). Reaktördeki alkalinite miktarının kontrolü için, azotlu ve sülfatlı bileşiklerinin ve uçucu yağ asidi miktarının bilinmesi gerekir. Çıkışta ölçülen alkalinite değerinin beklenenin altında çıkması sistemde uçucu yağ asiti birikmesinin habercisi olabilir Toksisite Toksisitenin pek çok farklı tanımı olsa da çevre mühendisliğinde, bakteriyel metabolizma üzerinde olumsuz etki anlamına gelmektedir. Toksikant, toksik etki meydana getiren bileşenlere verilen genel addır. İnhibasyon ise, bakteriyel fonksiyonların azalması olarak tanımlanır. Anaerobik arıtmada toksik etki gösteren başlıca bileşenler; ağır metaller, sülfat, sülfit, kloroform, klorür, fenol, siyanür, amonyum, oksijen ve yüksek konsantrasyondaki katyonlardır. Ağır metaller toksik etkilerini şelatlaşarak, çökelerek veya her ikisini de gerçekleştirerek gösterirler (Speece, 1996). Toksikantlar iki genel sınıfa ayrılırlar: spesifik ve narkotik. Spesifik toksikantlara CN örnek verilebilir; bunlar spesifik fonksiyonları inhibe ederler. Narkotik toksikantlara ise kloroform örnek verilebilir; bu sınıfa dahil olan toksikantlar narkoz etkisi yaratırlar ve mikrobiyal fonksiyonların ilerlemesini engellerler (Speece, 1996). Reaktör dizaynıyla oynanarak ya da farklı işletme koşulları sağlanarak, toksik bileşenleri anaerobik yolla arıtmak mümkündür. Toksik bileşenlerin etkisini belirlemede farklı değerler göz önüne alınır; bunlar toksikant konsantrasyonu, katı bekletme zamanı, biyokütle konsantrasyonu, hücre yaşı, toksikanta maruz kalma süresi ve sıcaklıktır. Genç hücreler toksikantlardan, yaşlılara oranla daha az etkilenirler (Speece, 1996). Toksik etkileri azaltmak için atıksuyu seyreltme uygulanabileceği gibi toksik bileşene aklimasyon da uygulanabilir. Düşük 22

33 1. GİRİŞ Selin YÜCEER dozlarla başlanan toksik madde beslemesi artan dozlarla devam edebilir ve böylelikle bakterinin toksikanta aklimasyonu sağlanabilir. Toksik bileşenlerden en çok metanojenler etkilenirler. Toksik madde giderimi için uygun koşullar aşağıdaki gibi özetlenebilir: toksikant konsantrasyonunun IC 50 değerinden nispeten düşük olması (IC 50 : biyokütlenin %50 sinin inhibe olması için gereken toksikant konsantrasyonu) toksikantın kendi kendine parçalanabilir veya arıtma koşullarında alı konabilir olması biyokütlenin toksikanta karşı aklime olmaya yetenekli olması Toksisite gideriminde sıcaklığın önemi: Optimum sıcaklıklarda (35 C) toksisitenin etkileri kolay düzelir ve sistemin güvenliği daha etkin olarak korunur. Speece ve Yang ın yaptıkları çalışmalarda; sıcaklığın 35 C den 25 C ye düşmesi halinde CN ün toksik etkilerinin daha uzun sürede iyileştiğini belirtmişlerdir. 25 C de gaz üretimindeki geçici inhibasyonun daha yüksek değerlerde olduğunu ve düzelme süresinin de daha uzun olduğunu belirtmişlerdir. Termofilik metanojenler, toksik bileşenlere karşı mezofiliklerden daha hassastırlar. Sıcaklık ayrıca NH 3 toksisitesinde de etkilidir. NH 3 NH 4 e göre çok daha toksiktir ve değişimi sıcaklıkla ph a bağlıdır. Yüksek sıcaklık ve ph değerlerinde sudaki serbest amonyak NH 3 miktarı artar. Çizelge 1. 8 Sıcaklık ve ph a bağlı sıcaklık fraksiyonları (Speece, 1996) ph Sıcaklık ( C) Aşağıda bazı toksikantların özelliklerine değinilmiştir: Oksijen Anaerobik arıtmada sistem kararlılığının sağlanabilmesi için ortamda serbest oksijenin olmaması gerekir. Oksijen, kimyasal olarak bağlı olsa bile arıtma sürecini 23

34 1. GİRİŞ Selin YÜCEER olumsuz olarak etkilemektedir. Bu yüzden ortamda serbest oksijenin yanı sıra NO 3, H 2 O 2, SO - 4, HS - gibi maddelerin de bulunmaması gerekir. Bunların varlığı arıtma verimini düşürür. Kükürt Sülfata pek çok endüstriyel atıksuda yüksek konsantrasyonlarda rastlanır. Anaerobik koşullarda sülfat, sülfat indirgeyen bakteriler tarafından parçalanır ve nihai ürün olarak H 2 S oluşur. Sülfat gideren bakteriler, metan bakterileriyle aynı enerji kaynaklarını kullanırlar; bu yüzden rekabete girerler. Sülfat gideren bakteriler enerjetik olarak metan bakterilerine göre daha avantajlı olduklarından, metan üretimine doğru olan elektron akışını sülfat giderimine doğru çevirerek reaktördeki metan üretiminin düşmesine neden olurlar. Ayrıca ph ve sıcaklık değişimlerine karşı metan bakterilerine kıyasla daha az hassastırlar. Bu rekabetin yanı sıra oluşan H 2 S in yüksek konsantrasyon seviyelerine çıkması sistemi inhibe eder. Ortamdaki H 2 S konsantrasyonunun 250 mg/l ye ulaşması asetattan CH 4 üretimini tamamen inhibe eder (Öztürk, 1999). Uçucu Asitler Asit üretimi sırasında oluşan uçucu asitlerin konsantrasyonlarının yükselmesi sistemde inhibasyona sebep olur. Toplam uçucu asit konsantrasyonu (TUA) değeri mg/l yi aşmamalıdır (Frostell, 1985). Anaerobik reaktörlerde TUA birikiminin muhtemel sebepleri aşağıda sıralanmıştır: iz element eksikliği diğer toksik etkiler aşırı organik yükleme hidrolik kısa devre N ve P yetersizliği H 2 kısmi basıncının yüksek oluşu 24