ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Ceren TULUK ÇEŞİTLİ SUBSTRATLARIN ANAEROBİK ŞARTLAR ALTINDA METAN VE HİDROJENE DÖNÜŞÜM POTANSİYELLERİNİN BELİRLENMESİ ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI ADANA, 2007

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ÇEŞİTLİ SUBSTRATLARIN ANAEROBİK ŞARTLAR ALTINDA METAN VE HİDROJENE DÖNÜŞÜM POTANSİYELLERİNİN BELİRLENMESİ Ceren TULUK YÜKSEK LİSANS TEZİ ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI Bu tez 24 /12 /2007 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir. İmza:... İmza:... İmza:... Öğr.Gör.Dr. Turan YILMAZ Prof.Dr.Ahmet YÜCEER Prof.Dr. İlyas DEHRİ DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu tez Enstitümüz Çevre Mühendisliği Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdürü Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 Sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunu ndaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ ÇEŞİTLİ SUBSTRATLARIN ANAEROBİK ŞARTLAR ALTINDA METAN VE HİDROJENE DÖNÜŞÜM POTANSİYELLERİNİN BELİRLENMESİ YÜKSEK LİSANS TEZİ Ceren TULUK ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ ANA BİLİM DALI Danışman : Öğr.Gör.Dr. Turan YILMAZ Yıl : 2007, Sayfa: 128 Üye : Öğr.Gör.Dr. Turan YILMAZ Prof.Dr. Ahmet YÜCEER Prof.Dr. İlyas DEHRİ Bu çalışmada, evsel bir atıksu arıtma tesisinin anaerobik parçalanma ünitesinden alınan aşı çamuru kullanılarak başta glikoz içeren sentetik atıksu olmak üzere bitkisel yağ üreten bir fabrikanın rafinasyon ünitesinden ve peynir üretimi yapan bir işletmeden alınan atıksu numunelerinin anaerobik şartlar altında hidrojene dönüşüm potansiyeli, hidrojen potansiyeli belirlendikten sonra kalan kalıntının metana dönüşüm potansiyeli ve ayrıca her bir atıksu numunesinin biyokimyasal metan potansiyelleri araştırılmıştır. Çalışma sonunda 35 0 C de ısıl ön işlem uygulanmış aşı çamuru kullanılarak yapılan biyokimyasal hidrojen potansiyeli deneyi sonunda glikoz içeren sentetik atık suyun maksimum biyokimyasal hidrojen potansiyeli, 0,59 mol H 2 / mol, ph ile ön işlem uygulanmış aşı çamuru kullanılarak glikoz içeren atık suyun maksimum biyokimyasal hidrojen potansiyeli, 0,053 mol H 2 / mol olarak bulunmuştur C de ise ısıl ön işlem uygulanmış aşı çamuru kullanılarak yapılan biyokimyasal hidrojen potansiyeli deneyi sonunda glikoz içeren sentetik atık suyun maksimum biyokimyasal hidrojen potansiyeli, 0,85 mol H 2 / mol, ph ile ön işlem uygulanmış aşı çamuru kullanılarak glikoz içeren atık suyun maksimum biyokimyasal hidrojen potansiyeli, 1,97 mol H 2 / mol olarak bulunmuştur. Peynir altı suyunun biyokimyasal hidrojen potansiyeli ise maksimum 2,08 mol H 2 / mol olarak bulunurken, bitkisel yağ sanayi atıksuyunda hidrojen üretimi gözlenmemiştir. Numunelerin hidrojene dönüşüm potansiyelleri belirlendikten sonra kalan kalıntıların biokimyasal metan potansiyelleri glikoz ve peynir altı suyu için sırasıyla 0,48 ve 0,15 L CH 4 / g KOİ olarak bulunmuştur C de ph ı 7 ye ayarlanan aşı çamuru kullanılarak yapılan glikozun, peynir altı suyunun ve bitkisel yağ sanayi atıksuyu suyunun biyokimyasal metan potansiyeli deneyi sonunda biyokimyasal metan potansiyelleri sırasıyla 0,44, 0,37 ve 0,54 L CH 4 / g KOİ olarak bulunmuştur. Anahtar Kelimeler: Anaerobik arıtma, hidrojen, metan, biyokimyasal metan potansiyeli (BMP), biyokimyasal hidrojen potansiyeli (BHP) i

4 ABSTRACT MSc THESIS BİOCHEMİCAL METHANE AND HYDROGEN POTENTİAL OF DİFFRENET SUBSTRATES UNDER ANAEROBİC CONDİTİONS Ceren TULUK DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCE UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor : Öğr.Gör.Dr. Turan YILMAZ Year : 2007, Page: 128 Jury :Öğr.Gör.Dr. Turan YILMAZ Prof.Dr. Ahmet YÜCEER Prof.Dr. İlyas DEHRİ In this study, anaerobic digester of municipial treatment plant wastewater sludge is used for investigating the hydrogen and methane production potential of syntetic wastewater which include glucose, vegatable oil plant wastewater and chesee whey process wastewater under anaerobic conditions. At the end of this study it was found out that, fermentation studies of H 2 production from the syntetic wastewater which include glucose showed that a H 2 yield of 0,59 mol H 2 / mol was achieved at 35 0 C and with heat pretreatment sludge and a H 2 yield of 0,053 mol H 2 / mol was achieved at 35 0 C and with acid pretreatment sludge. And also a H 2 yield of 0,85 mol H 2 / mol was achieved at 60 0 C and with heat pretreatment sludge and a H 2 yield of 1,97 mol H 2 / mol was achieved at 60 0 C and with acid pretreatment sludge. And H 2 production from cheese whey wastewater showed that a 2,08 mol H 2 / mol was achieved at 60 0 C and with acid pretreatment sludge. But no hydrogen was found in vegatable oil plant wastewater. Methane potential of remind from biochemical hydrogen potential assay of glucose and chesee whey wastewater are 0,96 and 0,30 L CH 4 / g COD respectively. Biochemical methane potential of syntetic watewater which include glucose, cheese whey wastewater and vegatable oil plant wastewater are 0,44, 0,37 ve 0,54 L CH 4 / g COD respectively. Key Words: Anaerobic treatment, hydrogen, methane, biochemical methane potential (BMP), biochemical hydrogen potential of hydrogen (BHP) ii

5 TEŞEKKÜR Tez konumun belirlenmesinde ve bu tezin hazırlanması sırasında her türlü bilgi ve yardımını esirgemeyen sayın Prof. Dr. Ahmet YÜCEER e ve danışman hocam sayın Öğr.Gör.Dr. Turan YILMAZ a teşekkürlerimi sunarım. Aynı zamanda tez sürem boyunca yardımlarından dolayı bölümümüz hocalarından sayın hocam Yrd. Doç. Dr. Çağatayhan B. ERSÜ ye, bölümümüz asistanlarından sayın hocalarım Demet KALAT a ve İ.Orkun DAVUTLUOĞLU na ve sevgili arkadaşım Elçin ÇITIRIK a, bölümümüz yüksek lisans öğrencilerinden sevgili arkadaşlarım Ayşegül DEMİR ve Korhan YILMAZ a teşekkür ederim. Ayrıca tez sürem boyunca benden maddi ve manevi yardımlarını esirgemeyen sevgili aileme teşekkürlerimi bir borç bilirim. Ceren TULUK iii

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ...I ABSTRACT...III TEŞEKKÜR...IV İÇİNDEKİLER...IV ÇİZELGELER DİZİNİ...VIII ŞEKİLLER DİZİNİ...XI 1. GİRİŞ Bakteriyel Metabolizma Oksidasyon Katabolizması Fermantasyon Katabolizması Anabolizma Anaerobik Arıtma Ve Anaerobik Sistemlerde Dönüşüm Prosesleri Hidroliz Asidojenesis Asetojenesis Metanojenesis Anaerobik Arıtmanın Mikrobiyolojisi Anaerobik Proses Uygulamaları Anaerobik Arıtmanın Avantajları Anaerobik Arıtmanın Dezavantajları Anaerobik Arıtma Sistemleri Sürekli Karıstırmalı Tank Reaktörü (CSTR) Anaerobik Kontak Reaktörü Anaerobik Akışkan Yataklı Reaktörler (AFBR) Anaerobik Filtreler Yukarı Akışlı Anaerobik Çamur Örtü Reaktörler Anaerobik Baffle Reaktörler (AFBR) Anaerobik Ardısık Kesikli Reaktörler (ASBR)...17 iv

7 1.8. Anaerobik Reaktör Teknolojisindeki Gelişmeler İki Fazlı Anaerobik Sistemler Asidojenesis Metanojenesis İki Fazlı Sistemlerde Optimizasyon Parametreleri Ve Kriterleri Proses Kontrolü ve İşletme Sıcaklık ph ve Alkalinite Organik Yükleme Hızı ve Hidrolik Bekletme Süresi Besi Maddeleri ve Toksisite Nütrientler Hidrojen Üretimi Biyolojik Yollarla Hidrojen Üretimi Fotosüreçler Direkt Biofotoliz Dolaylı Biofotoliz Foto-fermentasyon Biyolojik Su-Gaz Yer Değiştirme Reaksiyonu Anaerobik Biyohidrojen Üretimi (Dark Fermentasyon) Anaerobik Hidrojen Üretimini Etkileyen Faktörler Sıcaklık ph Hidrolik Bekletme Süresi Anaerobik Hidrojen Üretiminin Mikrobiyolojisi Substrat Reaktör Dizaynı Mikrobiyal İnhibasyon Isıl İşlem ph ile Ön İşlem Biyogaz...49 v

8 Biyogazın Tanımı Biyogazın Isıl Değeri Biyogaz Oluşumunun Mikrobiyolojisi Fermantasyon ve Hidroliz Asetik Asidin Oluşumu Metanın Oluşumu Biyogaz Oluşumunu Etkileyen Faktörler Sistemin ph Derecesi Sıcaklık Alıkonma Süresi Karıştırma Uygun Hammadde Seçimi ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR MATERYAL VE YÖNTEM Materyal Anaerobik Reaktörler Anaerobik Çamur Substratlar Metod Analitik Yöntemler Deneysel Çalışma BULGULAR ve TARTIŞMA Deneysel Bulgular Anaerobik Çamurun Biyokimyasal Hidrojen ve Metan Potansiyellerinin Belirlenmesi Biyokimyasal Hidrojen Potansiyelinin Belirlenmesi (BHP Deneyi) Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli Belirlendikten Sonra Kalan Kısmın Biyokimyasal Metan Potansiyelinin Belirlenmesi Biyokimyasal Metan Potansiyelinin Belirlenmesi (BMP Deneyi) Tartışma Glikozun Anaerobik Şartlar Altında Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli.81 vi

9 Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli Belirlendikten Sonra Kalan Kalıntı Glikozun Biyokimyasal Metan Potansiyelinin Belirlenmesi Glikozun Anaerobik Şartlar Altında Biyokimyasal Metan Potansiyeli Peynir Altı Suyunun Anaerobik Şartlar Altında Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli Belirlendikten Sonra Kalan Kalıntı Peynir Altı Suyunun Biyokimyasal Metan Potansiyelinin Belirlenmesi Peynir Altı Suyunun Anaerobik Şartlar Altında Biyokimyasal Metan Potansiyeli Bitkisel yağ sanayi atıksuyu Suyunun Anaerobik Şartlar Altında Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli Belirlendikten Sonra Kalan Kalıntı Bitkisel Yağ Sanayi Atıksuyunun Metan Potansiyelinin Belirlenmesi Bitkisel Yağ Sanayi Atıksuyunun Anaerobik Şartlar Altında Biyokimyasal Metan Potansiyeli SONUÇLAR VE ÖNERİLER KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ vii

10 ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 1.1. Organik Bileşiklerin Oksidasyonu Sırasında Açığa Çıkan Serbest Enerji Değerleri.5 Çizelge 1.2. Tek ve iki fazlı anaerobik arıtma sistemlerinin karşılaştırılması Çizelge 1.3. Anaerobik arıtmada bazı organik maddeler için teorik biyokütleye dönüşüm (Y) ve optimum KOİ/N/P oranları...31 Çizelge 1.4. Anaerobik arıtmada önemli 8 iz elementin minimum miktarları (Asetat kullanım hızı kg asetat/m 3 )...31 Çizelge 1.5. Biyogaz bileşimi 49 Çizelge 1.6. Çeşitli kaynaklardan elde edilebilecek biyogaz verimleri ve biyogazdaki metan miktarları...50 Çizelge 1.7. Farklı atıklardan elde edilen biyogazların özellikleri...51 Çizelge 1.8. Bazı yakıt türlerinin biyogaz ile karşılaştırılması Çizelge 1.9. Biyogaz ve doğalgazın özelliklerinin karşılaştırılması Çizelge Bazı maddelerin C/N oranları...57 Çizelge 3.1. Bira Fabrikası Anaerobik Çamur Özellikleri...67 Çizelge 3.2. Evsel Atıksu Arıtma Anaerobik Çamur Özellikleri..67 Çizelge 3.3. Glikoz karakteristiği..67 Çizelge 3.4. Peynir Altı Atık Suyu Karakteristiği..68 Çizelge 3.5. İz Elementler...68 Çizelge 4.1. Aşı Çamurunun Biyokimyasal Hidrojen Üretme Potansiyeli Bulguları...71 Çizelge 4.2. Aşı Çamurunun Biyokimyasal Metan Üretme Potansiyeli Bulguları...71 Çizelge 4.3. Substrat Olarak Glikoz Kullanılarak Yapılan BHP Deneyi Bulguları...72 Çizelge 4.4. Substrat Olarak Glikoz Kullanılarak Yapılan BHP Deneyi Bulguları...72 viii

11 Çizelge 4.5. Çizelge 4.6. Çizelge 4.7. Çizelge 4.8. Çizelge 4.9. Çizelge Çizelge Çizelge Çizelge Çizelge Çizelge Çizelge Çizelge Çizelge Çizelge Substrat Olarak Glikoz Kullanılarak Yapılan BHP Deneyi Bulguları...73 Substrat Olarak Glikoz Kullanılarak Yapılan BHP Deneyi Bulguları...73 Substrat Olarak Peynir Altı Suyu Kullanılarak Yapılan BHP Deneyi Bulguları..73 Substrat Olarak Bitkisel Yağ Sanayi Atıksuyu Kullanılarak Yapılan BHP Deneyi Bulguları...74 Substrat Olarak Glikoz Kullanılarak Yapılan BHP Deneyi Bulguları...74 Substrat Olarak Glikoz Kullanılarak Yapılan BHP Deneyi Bulguları...74 Substrat Olarak Glikoz Kullanılarak Yapılan BHP Deneyi Bulguları...75 Substrat Olarak Glikoz Kullanılarak Yapılan BHP Deneyi Bulguları...75 BHP Belirlendikten Sonra Kalan Kısmın Biyokimyasal Metan Potansiyeli ve Elde Edilen Parametrelerin Sonuçları 76 BHP Belirlendikten Sonra Kalan Kısmın Biyokimyasal Metan Potansiyeli ve Elde Edilen Parametrelerin Sonuçları...76 BHP Belirlendikten Sonra Kalan Kısmın Biyokimyasal Metan Potansiyeli ve Elde Edilen Parametrelerin Sonuçları...76 BHP Belirlendikten Sonra Kalan Kısmın Biyokimyasal Metan Potansiyeli ve Elde Edilen Parametrelerin Sonuçları...77 BHP Belirlendikten Sonra Kalan Kısmın Biyokimyasal Metan Potansiyeli ve Elde Edilen Parametrelerin Sonuçları...77 Substrat Olarak Glikoz Kullanılarak Yapılan BMP Deneyi Bulguları...78 Substrat Olarak Glikoz Kullanılarak Yapılan BMP Deneyi Bulguları...78 ix

12 Çizelge Çizelge Substrat Olarak Peynir Altı Suyu Kullanılarak Yapılan BMP Deneyi Bulguları..78 Substrat Olarak bitkisel Yağ Sanayi Atıksuyu Kullanılarak Yapılan BMP Deneyi Bulguları...79 x

13 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1. Anaerobik Arıtımın Mikrobiyolojisi Şekil 2. Fermantasyonla biokütlenin hidrojene biyokimyasal parçalanması Şekil 3.1. Reaktörlerin Genel Görünümü Şekil 4.1. Glikoz Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli (35 0 C de ısıl işlem uygulanarak) Şekil 4.2. Glikoz Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli (35 0 C de ph ile işlem uygulanarak) Şekil 4.3. Glikoz Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli (ph ile ön işlem uygulayarak) Şekil 4.4. Glikoz Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli (Isıl işlem uygulanarak) Şekil 4.5. Glikozun Farklı Sıcaklıklarda Ve Ön İşlem Uygulamalarındaki Biyokimyasal Hidrojen Potansiyelleri Şekil.4.6. Kalıntı Substrattan Elde Edilen Biyokimyasal Metan Potansiyeli Şekil.4.7. Kalıntı Substrattan Elde Edilen Biyokimyasal Metan Potansiyeli Şekil 4.8. Glikozun Biyokimyasal Metan Potansiyeli Şekil 4.9. Peynir Altı Suyunun Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli Şekil Peynir Altı Suyunun Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli Şekil Kalıntı Peynir Altı Suyundan Elde Edilen Biyokimyasal Metan Potansiyeli Şekil Peynir Altı Suyunun Biyokimyasal Metan Potansiyeli Şekil Bitkisel Yağ Sanayi Atıksuyu Biyokimyasal Hidrojen Potansiyeli Şekil Kalıntı Bitkisel Yağ Sanayi Atıksuyundan Elde Edilen Biyokimyasal Metan Potansiyeli xi

14 Şekil Bitkisel Yağ Sanayi Atıksuyunun Biyokimyasal Metan Potansiyeli xii

15 1. GİRİŞ Ceren TULUK 1. GİRİŞ Dünya nüfusunun her geçen gün artması, insanoğlunun temel ihtiyaçlarının yeter ve nitelikli düzeyde üretilmesi zorunluluğunu doğurmaktadır. Teknolojinin gelişmesi insanoğlunun hayat standartlarını yükseltip yaşamasını kolaylaştırırken kişi başına düşen enerji tüketimi de artmaktadır. Bu da doğal olarak dünyada enerji üretiminin artmasına sebep olmaktadır. Dünyanın enerji ihtiyacının her geçen gün artması, fosil kökenli enerji kaynaklarının yakın bir gelecekte tükenecek olması, tahrip edilen doğal dengenin dünya üzerinde başta iklimler ve sıcaklık değişiklikleri olarak kendisini göstermesi, bilim adamlarını fosil kökenli enerji kaynaklarının daha verimli olarak kullanılmasını diğer taraftan çevreyle dost, yenilenebilir alternatif enerji kaynaklarının daha etkin bir şekilde kullanılması konusunda çalışmaya yönlendirmiştir. Aksi taktirde dünyada yakın bir gelecekte bir enerji dar boğazı yaşanılması kaçınılmaz bir gerçektir. Gelinen bu noktada fosil kaynaklı enerji üretim ve kullanımından kaynaklanan çevresel olumsuzluklar ve fosil kaynakların kısıtlılığı gibi noktalar göz önünde bulundurulduğunda çevresel olumsuzlukları az olan ve kaynak kısıtlılığı göstermeyen yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmek gerektiği açıkça görülmektedir. Bu sebeple günümüzde klasik enerji kaynaklarına ek olarak, yeni ve yenilenebilir enerji kaynağı olarak isimlendirilen güneş, rüzgar, jeotermal, hidrojen, biokütle, deniz-dalga enerjileri gibi enerji kaynakları üzerine çalışmalar ve araştırmalar yapılmakta ve uygulamalar gerçekleştirilmektedir. 1970'li yıllarda başlayan enerji krizleriyle birlikte daha az enerji kullanan sistemler üzerinde yoğun araştırmalar başlatılmış ve hem bu probleme çözüm getirmek amacıyla hem de aerobik proseslerde karşılaşılan işletme problemlerine sahip olmamasından dolayı anaerobik proseslere ilgi yeniden artmıştır. Çünkü çözünebilir organik maddeler aerobik proseslerde katı organik maddelere (biyokütle) dönüştürülmekte ve bunların uzaklaştırılması da ayrıca sorun olmaktadır. Bir başka deyişle problem bir formdan bir başka forma dönüştürülmektedir. Ayrıca oksijen transfer hızının düşük olmasından dolayı aerobik proseslerde uygulanan organik yüklemelerde kısıtlamalar meydana gelmektedir. Özetle, anaerobik proseslerin havalandırmaya ihtiyaç duymamaları, az çamur üretimi, az nütrient (N ve P) gerektirmesi ve metan gazının 1

16 1. GİRİŞ Ceren TULUK ticari bir değere sahip olmasından dolayı yoğun çalışmalar başlatılmış ve son yıllarda kullanım alanları hızla artmıştır. Hızlı sanayileşmenin bir sonucu olarak çevre kirlenmesi de artmaktadır. Atık miktarları toplumların refah seviyesine ve şehirlerde yoğunlaşmasına bağlı olarak hızla artmaktadır. Bilhassa sanayilerin yoğun olarak bulunduğu bölgelerde doğanın kendi kendini yenileyebilme kapasitesi aşıldığında yoğun bir kirlilik ortaya çıkmaktadır. Bu yoğun kirlilik neticesinde mevcut ekolojik denge de hızla bozulmaktadır. Atıksulardaki kirleticiler genellikle çözünmüş ve askıdaki organik maddelerdir. Günümüzde, organik madde içeriği yüksek endüstriyel atıksuların arıtılmasında anaerobik arıtma prosesleri oldukça yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu endüstriler; meyva suyu, bira kimya, alkol damıtımı, süt/peynir, balık/deniz ürünleri, şeker ve kağıt endüstrileridir. Özellikle yüksek hızlı anaerobik reaktörlerin geliştirilmesinden sonra hem atıksuların arıtılmasında, hem de yenilenebilir kaynakların kazanılması açısından kabul edilen bir teknoloji olmuştur (Hulshoff ve Lettinga, 1986). Yenilenebilir enerji kaynaklarından bir tanesi olan biyogaz organik atıkların oksijensiz ortamda fermente olması sonucu oluşan yanıcı bir gazdır. Biyogaz teknolojisi özellikle gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde sürekli gündemde kalan ve önemini artıran alternatif bir enerji kaynağıdır. Özellikle biyogazın gaz motorlarında yakılabilmesi ve elektrik enerjisi üretilebilmesi bu teknolojinin kullanımını artırmıştır. Fotosentez amacıyla bitkiler tarafından tutulan enerjinin sadece 1/150 si insanların beslenmesi için kullanılmaktadır (Wellinger ve ark., 1984). Hayvanlar ise yemdeki besin maddelerinin ancak %45 inden yararlanabilirler ve bitki besin maddelerinin yarısından fazlası dışkı ile ahır gübresine geçer (Evliya, 1964). Bu nedenle beslenme amacıyla kullanılamayan bitkisel ve hayvansal atıkların yenilenebilir ve çevre dostu enerji kaynağı olarak kullanılması uzun yıllar boyunca araştırılmış ve bazı sonuçlar uygulamaya aktarılabilmiştir. Bilim adamları ilk kez 1630 yılında organik maddelerin anaerobik fermantasyonundan yanıcı bir gaz elde edilebileceğini saptamışlardır. Organik madde ile yanıcı gaz üretimi miktarı arasında direkt ilişki olduğu 1776 yılında belirlenmiştir. 2

17 1. GİRİŞ Ceren TULUK Anaerobik arıtmada yağ, protein ve karbonhidrat gibi kompleks organik maddeler, hidroliz enzimleri tarafından şekerlere, amino asitlere ve yağ asitlerine çevrilir. Bu ortam ürünleri daha sonra asidojenler tarafından bozunarak uçucu yağ asitleri (UYA), CO 2 ve hidrojene dönüştürülür. Son olarakta oluşan bu ürünler metanojenler tarafından metan gazına çevrilir (Harper ve Pohland, 1986). Konvansiyonel bir anaerobik arıtma sisteminde; hidroliz, asidifikasyon ve metan fazı tek bir reaktörde gerçekleşir. Bu tip bir sistemde uçucu yağ asitleri (asetik, propiyonik, bütirik asit vd.) üretimi ve kullanım hızı mikroorganizma kültürünün yaşam koşullarında dengesizlik yaratmayacak şekilde olmalıdır (Mayabhate ve Gupta, 1998). Şok yükler, işletme koşullarındaki değişimler yada substratın bozunma hızındaki değişimlere bağlı olarak anaerobik reaktörlerdeki ani ph düşmesi ve dengesizlikler gözlemlenir. Sonuç olarak anaerobik reaktörlerin dengesi bozulur ve metan üretimi kesilir (Maharaj ve Elefsiniotis, 2001). Literatürde çeşitli atıksularla yapılan çalışmalarda, konvansiyonel sistemlerde karşılaşılan bu tip arıza ve instabilite problemlerine oldukça geniş olarak yer verilmiştir (Zoetemeyer ve ark., 1982). Bu tip operasyonel problemler asidifikasyon ve metan fazlarının ayrı olarak işletildiği iki fazlı anaerobik arıtma sistemlerinin geliştirilmesine neden olmuştur (Sanjoy ve Madura, 1996). Teknik olarak, iki fazlı anaerobik sistemler asit bakterilerinin (asidojenler) ve homoasetojenik bakteri (asetojenler), metan arche (metanojenler) türlerinin yaşam koşullarının ayrı ayrı optimize edilmesini ve böylece bakterilerin farklı ortam koşulları ihtiyacından kaynaklanan zayıf stabilite durumlarına meydan verilmemesini sağlar. Bu prosesler daha kolay kontrol edilir ve şok yüklere karşı daha az hassastır (Chartain ve Zeikus, 1986). Literatürde asetojenik/metanojenik fazların optimum işletme koşulları ile ilgili çok sayıda çalışma yapılmasına karşın, asidojenik fazla ilgili bilgi oldukça azdır (Cohen ve ark., 1979). Son yıllarda, bilinen tüm yakıtlar içerisinde birim kütle başına en yüksek enerji içeriğine sahip olması (Üst ısıl değeri MJ/kg, alt ısıl değeri 120,7 MJ/kg) petrol yakıtlarına göre ortalama 1.33 kat daha verimli bir yakıt olması, yakıt olarak kullanıldığı enerji sistemlerinde, su buharı dışında çevreyi kirletici ve sera etkisini artırıcı hiçbir gaz ve zararlı kimyasal 3

18 1. GİRİŞ Ceren TULUK maddeyi atmosfere vermemesi gibi özelliklere sahip H 2 gibi değerli ortam ürününün asidojenik fazda oluştuğunun ortaya çıkması ile bu faza ait çalışmalar artmıştır. Bu çalışmada çeşitli substratların (glikoz, peynir altı suyu ve yağ sanayi atıksuyu) anaerobik arıtmanın asidojenesis basamağında hidrojen üretme potansiyelleri, hidrojen üretiminden sonra kalan kısmın anaerobik şartlar altında metan üretme potansiyelleri ve ayrıca her bir substratın metan üretme potansiyelleri araştırılmıştır Bakteriyel Metabolizma Biyolojik arıtma sistemlerinde organik maddenin giderimi için en önemli mekanizma bakteriyel metabolizmadır. Metabolizma, organik maddenin enerji kaynağı veya hücre materyalinin sentezi için bir kaynak olarak kullanımını açıklar. Organik madde stabil son ürünlere dönüştürülerek enerji kaynağı olarak kullanılıyorsa proses katabolizma olarak tanımlanır. Eğer organik madde hücre sentezinde kullanılıyorsa proses anabolizma olarak tanımlanır. Anabolizma enerji tüketen bir proses olduğundan katabolizma ile aynı anda olur. Atıksuların bileşeninde yaygın olarak bulunan bazı organik bileşiklerin oksidasyonu sırasında açığa çıkan serbest enerji miktarları Çizelge.1.1 de verilmiştir. 4

19 1. GİRİŞ Ceren TULUK Çizelge 1.1. Organik Bileşiklerin Oksidasyonu Sırasında Açığa Çıkan Serbest Enerji Değerleri (Haandel ve Lettinga,1994) Bileşik Kkal/mol kkal/koi elektron/c-atom Okzalik asit 82 5,13 1 Formik asit 68 4,29 2 Sitrik asit 916 3,58 3 Glikoz 686 3,57 4 Laktik asit 326 3,39 4 Asetik asit 207 3,23 4 Fenol 723 3,22 4,67 Benzen 761 3,17 5 Aseton 410 3,20 5,33 Etanol 312 3,25 6 Metanol 165 3,44 6 Metan 191 2, Oksidasyon Katabolizması C x H y O z genel kimyasal formülüyle tanımlanan organik madde, oksidasyon katabolizması sonucu mineral ve stabil son ürünlere dönüşür. Atıksu arıtma tesislerinde organik maddelerin oksidasyonunda çözünmüş oksijen, nitrat, veya sülfat kullanılabilir. Bu üç oksidantın indirgenme yarı reaksiyonları aşağıdaki gibidir. 4e + 4H H 2 0 5e + 6H + + N N H 2 0 8e + 8H + + S0 4 = S = + 4H 2 0 5

20 1. GİRİŞ Ceren TULUK Zorunlu aerobik organizmalar, organik madde oksidasyonu için sadece oksijen kullanabilirler. Fakültatif organizmalar (aerobik arıtma sistemlerinde çok miktarda bulunan) oksidant olarak oksijeni ve nitratı kullanabilir. Ancak nitrat ve sülfat indirgeyen bakteriler ancak oksijensiz ortamda gelişebilir. Oksidasyon katabolizması solunum olarak adlandırılır ve oksidant olarak oksijen kullanımı aerobik solunum, diğer oksidantların kullanımı ise anaerobik solunum olarak adlandırılır Fermantasyon Katabolizması Organik maddenin katabolik fermantasyonu elektron transferi olmaksızın ortamda bir oksidantın olmadığı zaman gerçekleşir. Atıksu arıtımında özel bir alan olan anaerobik parçalanma bir fermantasyon prosesidir. Proses, organik maddenin son indirgenme ürünü olan metan üretimiyle karakterize edilir ve metan üretimi 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. İki proses arasındaki enerji durumu asetik asitin aşağıdaki reaksiyona göre oksidasyonu ve indirgenmesi sırasında açığa çıkan enerjiyle karşılaştırılabilir. C 2 H 4 O 2 + 2O 2 2CO 2 + 2H 2 O 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 CO 2 + 2H 2 O kkal 6

21 1. GİRİŞ Ceren TULUK Bu örnek anaerobik parçalanma sırasında açığa çıkan enerjinin sadece küçük bir fraksiyonunun serbest enerji olarak açığa çıktığını ve büyük bir fraksiyonunun üretilen metanda kimyasal enerji olarak saklı kaldığını göstermektedir Anabolizma Anabolizmanın en genel tanımı organik maddenin hücre sentezinde kullanılmasıdır. Anabolizma enerji tüketen bir proses olduğundan katabolizma ile birlikte olur. Anabolik aktiviteden oluşan mikroorganizma kütlesi (X) ile organik maddenin metabolize edilen miktarı (S) arasında Y= -(dx/ds) şeklinde bir bağıntı vardır. Burada (Y) substratın biyokütleye dönüşüm sabitidir. Oksijenin ve nitratın oksidant olarak kullanıldığı oksidasyon metabolizma prosesinde Y nin sayısal değeri 0,45 g UAKM/g KOİ olarak verilmiştir (Marais ve Ekama,1976: Haandel ve Lettinga 1994). Anaerobik parçalanmada ise Y nin değeri 0,02 g UAKM/g KOİ gibi oksidasyona dayalı metabolizmaya göre çok küçük değerdedir (Mc Carty,1990; Haandel ve Lettinga, 1994). Bunun sonucu olarak aerobik atıksu arıtma sistemlerinde oluşan mikroorganizma miktarı anaerobik atıksu arıtma sistemlerine oranla çok fazladır. Ancak metabolize edilen organik maddenin ne kadarının katabolizmada ne kadarının da anabolizmada kullanıldığını belirlemek için Y sabitinin bilinmesi yeterli değildir. Bunun için mikroorganizma kütlesinin bir ölçüsü olarak birim uçucu askıda katı madde (UAKM) miktarının KOİ eşdeğerinin bilinmesi gerekmektedir. Birim mikroorganizma kütlesinin KOİ eşdeğeri (p) 1,48 g UAKM/g KOİ olarak verilmektedir (McCarty,1964; Haandel ve Lettinga,1994). Buna göre aerobik mikroorganizmalar için Y=0,45 g UAKM/g KOİ olduğundan Y*p=0,67 ve metabolize edilen KOİ nin % 67 si anabolik aktivite sonucu biyokütleye dönüşürken %33 ü katabolik aktivite sonucu enerji olarak açığa çıkar. Anaerobik mikroorganizmalar için Y=0,02 g UAKM/g KOİ olduğundan Y*p=0,03 ve metabolize edilen KOİ nin %3 ü anabolik aktivite sonucu biyokütleye dönüşürken % 97 gibi büyük bir kısmı katabolik aktivite sonucu enerjiye dönüştürülür ve bu enerjinin yaklaşık %92 si CH 4 formunda kimyasal enerji olarak saklıdır. Bu durum 7

22 1. GİRİŞ Ceren TULUK anaerobik arıtmaya, sistemden uzaklaştırılması gereken fazla çamur açısından önemli bir avantaj sağlamaktadır Anaerobik Arıtma Ve Anaerobik Sistemlerde Dönüşüm Prosesleri Endüstriyel ve evsel atıksuların arıtımında kullanılan anaerobik arıtma teknolojisi yaklaşık yüz yıl önce kullanılmaya başlanan eski bir teknolojidir (McCarthy, 1982). Atıktaki enerjinin geri kazanımına olan ilginin artması ve aerobik arıtma sırasında ortaya çıkan çamurun fazla olması ve bunun yarattığı çevre sorunları anaerobik biyoteknolojiye olan ilginin artmasına neden olmuştur. Anaerobik parçalanma farklı mikroorganizma gruplarının rol aldığı oldukça kompleks bir biyokimyasal prosestir (Parkin ve Owen, 1986). Oksijene karşı hassas olan veya oksijen varlığında tamamen inhibe olan bu bakteri konsorsiyumu organik maddeleri biyolojik yollarla CH 4 ve CO 2 ye dönüştürür (Vartak ve ark., 1997; Gujer ve Zehnder, 1983). Bu dönüşümler temel olarak üç safhada gerçekleşir: 1) Yüksek moleküllü organik maddelerin hidrolize olarak küçük moleküllü organik maddelere dönüşümü (hidroliz) 2) Küçük moleküllü organik maddelerin asit bakterileri tarafından asetata dönüşümü (asetojenesis) 3) Asetat, H 2 ve CO 2 den metan bakterileri tarafından metan üretimi (metanojenesis) Hidroliz Hidroliz aşamasında karmaşık yapılı organik moleküller (protein, yağ, karbonhidrat), mikroorganizmaların hücre dışı enzimleri ile hücre duvarından geçebilecek kadar küçük ve daha basit yapıda moleküllere (yağ asiti, gliserin, aminoasit, peptit, disakkaritler, vs.) dönüşmektedir (Bastone ve ark., 2004; Hwang, 1995; Burke, 2001). Bu aşamada selüloz, lignin ve hemiselüloz gibi karbonhidratlar glikoz, pentoz ve heksoza; proteinler, polipeptid ve aminoasitlere; ve yağlar ise alkoller, asitler ve hidrojene dönüşmektedir (Speece, R.E., 1996; Gökçay, C.F. ve 8

23 1. GİRİŞ Ceren TULUK ark., 2001). Fakat bazı bileşikler anaerobik bakteriler tarafından kolaylıkla parçalanamamaktadır veya yavaş hidrolize olmaktadırlar (Kennedy ve Van den Berg, 1982). Bu durumda hidroliz hız sınırlayıcı basamak olarak kabul edilmektedir ve substratın anaerobik arıtma için uygunluğu belirlenmelidir (Kapsar ve Wuhrmann, 1978; Hulshoff pol ve ark., 2004) Asidojenesis Hidroliz aşamasında oluşan çözünmüş bileşikler, asidojen bakterileri tarafından asetat, propiyonat, bütirat ve diğer kısa zincirli organik yağ asitlerine dönüştürülmektedir. Bu aşamada çözünmüş karbonhidratlar etanol, H 2 ve CO 2 e, amino asitler, süksinik asit ve H 2 e, yağ asitleri ise asetat ve H 2 e dönüşmektedir (Speece, R.E., 1996; Gökçay, C.F. ve ark., 2001). Üretilen uçucu yağ asitlerinin kompozisyonu, ph, sıcaklık, hidrolik bekletme süresi, organik yükleme hızı, karbonhidrat, protein ve yağların oranı, nutrientlerin uygunluğu ve kullanılan mikroorganizma tipine bağlı olarak değişmektedir (McCarty ve Smith, 1986; Hwang, 1995; Pind ve ark., 2003; Ahn ve ark., 2004) Asetojenesis Bu basamakta, asidojenesisde oluşan asetik asit dışındaki diğer uçucu yağ asitleri asetik asit, hidrojen ve karbondioksite dönüştürülür. Uçucu yağ asitlerinin yan ürünlerinin tamamıyla parçalanabilmesi için hidrojenin kısmi basıncının düşük olması önemli bir faktördür. Hidrojen üretimi ve tüketimi arasındaki denge mikrobiyal simbiyotik ilişki ile sürdürülür (Gujer ve Zehnder, 1983). 9

24 1. GİRİŞ Ceren TULUK Metanojenesis Metanojenesis aşamasında ise, asetojenesis aşamasında oluşan organik asitler, H 2 ve asetat, metanojen mikroorganizmalar tarafından kullanılmakta ve biyogaza dönüştürülmektedir. Bu aşamada oluşan metanın % 70 i asetatın dekarboksilasyonu, geriye kalanı ise hidrojen kullanan metan bakterileri tarafından CO 2 in indirgenme reaksiyonları ile oluşmaktadır (Speece, R.E., 1996; Gökçay, C.F. ve ark., 2001). Karbondioksit ve hidrojenden metan üreten bakteriler, asetat kullanan bakterilerden daha hızlı büyümektedir (Henzen ve Harremoes, 1983). Bundan dolayı anaerobik arıtmada asetotrofik metanojenler hız sınırlayıcıdır. Asit oluşumu metan oluşumuna göre oldukça hızlı bir adımdır ve özellikle yüksek organik yüklemelerde asit birikimi, dolayısıyla ph düşüşü bir sonraki adım olan metan üretimini kısıtlar veya engeller. Protein ve amino asitler gibi yapısında azot bulunduran bileşiklerin ayrışması sonucu amonyum açığa çıkar. Amonyum anaerobik sistemleri yüksek konsantrasyonlarda ( mg/l) inhibe edebilir (Soubes ve ark, 1994; Speece, 1996) Anaerobik Arıtmanın Mikrobiyolojisi Anaerobik arıtım prosesi, nehirlerde, göllerde, okyanus sedimentlerinde, bataklıklarda, toprakta ve geviş getiren hayvanların işkembelerinde doğal olarak oluşmaktadır. Anaerobik arıtımda mikroorganizmalar, dinamik bir denge içerisindedir. Anaerobik fermentasyonda görev alan mikroorganizmalar; Hidrolitik fermantatif bakteriler H 2 üreten asetojenik bakteriler H 2 tüketen asetojenik ve homoasetojenik bakteriler CO 2 indirgeyen metanojenik bakteriler Asetoklastik metanojenik bakteriler 10

25 1. GİRİŞ Ceren TULUK Anaerobik Arıtımın Mikrobiyolojisi KompleksOrganikMaddeler Hidrolitik Fermantatif Bakteriler BasitOrganik Bileşikler HİDROLİZ Hidrolitik Fermantatif Bakteriler Uzun ZincirliYağ Asitleri ACİDOGENESİS H 2 üreten Asetojenik Bakteriler ACETOGENESİS METHANOGENESİS CO 2 indirgeyen Metanojenik Bakteriler H 2, CO 2 ACETOGENESİS H 2 tüketen Asetojenik ve Homoasetojenik bakteriler CH 4, CO 2 Asetat METHANOGENESİS Asetoclastic Metanojenik Bakteriler Şekil 1. Anaerobik Arıtımın Mikrobiyolojisi (Hawkes, 2002) Anaerobik Proses Uygulamaları Son 20 yıla kadar anaerobik arıtma sadece atıksu tasfiye çamurunun hacmini azaltmak için kullanılmaktaydı. Ancak son 20 yılda anaerobik arıtma evselden endüstriyele birçok atıksu arıtımı için oldukça çekici bir alternatif olmuştur (Ahn ve Forster 2000). Anaerobik parçalanmanın en yaygın uygulamalarından biri, evsel atıkların aerobik arıtımı sonucu açığa çıkan atık biokütlenin azaltılmasıdır. Bu sistemler % 70 oranında metan, geri kalanında da başta CO 2 olmak üzere, az miktarlarda H 2 S, CO ve H 2 içeren biogaz üretirler. Çürütücüden çıkan bu gaz atıksu arıtım tesislerinde elektrik enerjisi olarak veya ısıtma amaçlı kullanılabilmektedir. Bisküvi-çikolata, mısır-patates nişastası, zeytin yağı üretim tesisleri, şeker pancarı-patates, meyvesebze işleme tesisleri, deniz ürünleri işleme ve konserve yapımı tesisleri, şarap ve bira fabrikaları, peynir ve ekmek mayası imalathaneleri gibi değişik endüstriyel proseslerden çıkan katı ve sıvı atıkların anaerobik arıtımı ile % 70 den fazla KOİ giderimi sağlanmaktadır (Mtz. Viturtia ve Mata-Alvarez, 1989; Ranade ve ark., 11

26 1. GİRİŞ Ceren TULUK 1989; Van Der Merwe ve Britz, 1993; Beccari ve ark., 1996; Cronin ve Lo, 1998; Leal ve ark., 1998, Kato ve ark., 1999, Rodenhizer ve Boardman, 1999). Endüstriyel kaynaklı proseslerden çıkan atıkların anaerobik parçalanması sonucu oluşan gazın metan içeriği, atık suyun bileşimine ve konsantrasyonuna bağlı olarak değişmektedir. Peynir ve etanol üretimi yapan tesisler gibi çeşitli endüstriyel tesisler atıksu arıtımı sırasında toplam proses ihtiyacından daha fazla miktarlarda enerji üretirler (Speece, 1996). Çiftlik hayvanı, domuz ve kümes hayvanlarının gübreleri gibi tarımsal kaynaklı atıkların anaerobik parçalanması, sadece enerji üretimi açısından değil aynı zamanda koku ve patojen giderimi sağlaması bakımından dikkat çeken bir prosestir. Mandıra atıklarının anaerobik parçalanması sırasında mandıranın ve ekstra otuz evin tüm enerji ihtiyacını karşılayabilecek 2000 kw saat eşdeğerinde enerji üretilmektedir (BioCycle, 2000) Anaerobik Arıtmanın Avantajları Geleneksel aktif çamur yöntemiyle kıyaslandığında anaerobik arıtma şu temel avantajları sağlar (Lettinga, 1995; Speece, 1996): * Teknik olarak basit ve yatırımı düşük reaktörlerde gerçekleştirilir. * Enerji kullanmaz, hatta biyogaz şeklinde faydalı enerji üretir. * Yeni reaktör teknolojisi ile yüksek hidrolik yükleme ve bunun sonucu olarak daha düşük reaktör hacmi mümkün olmaktadır. * Besin gereksinimi geleneksel aktif çamur yöntemine göre daha düşüktür; KOİ:N:P oranı 750:5:1 oranlarında tutulabilir. * Substratın büyük bölümü biyogaza dönüştüğünden, çamur üretimi oldukça düşüktür. * Anaerobik reaktörlerdeki mikroorganizmalar, uzun süre karbon kaynağı beslemeden spor formuna geçiş ile aktivitelerini koruyabilmektedirler. Bu özellik, mevsimsel çalışan şeker, gıda, konserve gibi endüstriler için anaerobik teknolojiyi cazip kılmaktadır. 12

27 1. GİRİŞ Ceren TULUK Aktif çamur prosesinde temel eleman havalandırma havuzudur. Havalandırma havuzunda oluşan hava kabarcıkları, askıda bakterilerin büyümesine ve atıksu içindeki organik maddelerin okside olmasını sağlar. Ancak havalandırma teçhizatları, atıksu arıtma tesisinde kullanılan toplam enerjinin % 50 sinden fazlasını tüketir (Briggs ve ark., 2003). Bu yüzden anaerobik arıtma prosesi gibi havalandırma ihtiyacı olmayan dolayısıyla daha az enerji tüketen prosesler, aerobik arıtma prosesine göre tercih edilmektedir (Demirel ve Yenigün, 2002). Anaerobik arıtmanın aerobik arıtmaya nazaran daha az enerji ihtiyacının olmasının yanı sıra üretilen metanın da enerji olarak bir değeri vardır (Metcalf ve Eddy, 2003). Arıtma tesislerinde oluşan çamurun bertarafı ve uzaklaştırılması arıtma tesisleri için önemli bir problemdir. Ayrıca işletme maliyetinin önemli bir kısmını teşkil eder. Anaerobik arıtmada organik maddelerin büyük bir çoğunluğu metan formunda atıksudan uzaklaştırıldığı için aerobik arıtmaya göre çok düşük miktarlarda çamur üretimi olur Anaerobik Arıtmanın Dezavantajları Yukarıda sayılan avantajlarının yanında anaerobik arıtmanın bazı dezavantajlarının olduğu iddia edilmiştir. Tarihsel olarak anaerobik arıtmanın yavaş ve sınırlı sayıda organik atığın arıtımı için uygun olduğu ve anaerobik arıtmanın yüksek KOİ li atıklar için (>5 g/l) yüksek sıcaklıkta (yak C) ve yüksek hidrolik bekleme sürelerinde işletilmesi gerektiği kabul edilmiştir. Oysa son yıllarda yapılan araştırmalar bu varsayımların geçersiz olduğunu göstermiştir (Stuckey, 1998). Ayrıca anaerobik sistemlere atfedilen başta H 2 S ün sebep olduğu koku problemi son yıllarda geliştirilen gaz arıtma yöntemleri ile çözülmüştür (Türker, 2000a,b). 13

28 1. GİRİŞ Ceren TULUK 1.7. Anaerobik Arıtma Sistemleri Sürekli Karıştırmalı Tank Reaktörü (CSTR) Sürekli karıştırmalı tank reaktörleri, atıksuyun sürekli karıştırıldığı, sistemin sürekli veya kesikli işletildiği anaerobik sistemlerdir. Üretilen biogaz reaktörün üst kısmından toplanırken çökelen çamur reaktörün alt kısmından boşaltılır. Bu tip sistemlerde karıştırma. mekanik olarak yada biogazın veya arıtılmış atıksuyun reaktöre geri devir ettirilmesi ile sağlanır. Mezofilik arıtma için organik yükleme oranı (OLR), 2,3 KOİ/m 3 -gün olup termofilik arıtma için bu oran 5,6 KOİ/ m 3 - gün dür (Tang ve Wang, 1997). Bu tip reaktörlerin avantajları; yüksek oranlarda yüzen katı ve büyük partikül içeren atıksuların parçalanabilmesidir. Dezavantajı ise çürütücüde aktif çamurun tutulmasının zor olmasından dolayı düşük arıtma veriminin elde edilmesidir Anaerobik Kontak Reaktörü Anaerobik kontak reaktörler, bir çürütücü ve bir çökelme tankından oluşur. Çökelme tankındaki çamur reaktöre geri devir ettirilerek çamur yaşı kontrol edilebilen bir sistemdir (Tang ve Wang, 1997). Çökeltme tankı basit çökelme havuzu veya lamelli çökeltici olarak teşkil edilir. Çürütücüdeki çamurun geri devir ettirilmesiyle çamur konsantrasyonunun yüksek oranlarda tutulabilmesi (10-15g/l), yüksek yükleme oranlarına izin vermesi (2-10 kg/m 3 -gün), kısa bekletme süresi, yüksek oranda yüzen katı ve büyük granül içeren atıksuyu arıtabilme kapasitesi, geleneksel çürütücülere göre çıkış suyu kalitesinin daha iyi olması bu sistemin avantajlarını oluşturmaktadır. Bu sistemin dezavantajları ise çökeltim, geri devir ve gazın toplanması için ekipman gereksinimi olması ve çökelme tankında katı-sıvı faz ayrımının geleneksel çürütücülere göre daha zor olmasıdır. 14

29 1. GİRİŞ Ceren TULUK Anaerobik Akışkan Yataklı Reaktörler (AFBR) 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. Atıksu akışkan yatağın üzerinden geçerken atıksu içindeki organik maddeler akışkan yatak üstünde tutunmuş biyofilm ile temas eder. Bu temas sonucu organik maddeler anaerobik olarak parçalanır. Anaerobik akışkan yataklı reaktörlerin, reaktör içindeki bakteri konsantrasyonunun yüksek olması, hidrolik bekletme zamanın kısa olması, kg KOİ/m 3 -gün gibi organik yükleme oranlarına izin vermesi, tıkanma probleminin olmaması, organik giderim veriminin yüksek olması, katı bekleme süresinin uzun olması gibi avantajları vardır. Çok fazla enerji gerektirmesi, biyofilm oluşumunun uzun zaman alması, işletmeye alma döneminin uzaması, biyofilm kalınlığının kontrol edilme zorluğu, yüksek orandaki geri devir oranının enerji gereksinimi, taban kısmında akım dağıtma yapısının maliyeti ve geri devir durduğunda biyokütlenin briketleşmesi ve sonra tekrar akışkanlık kazanmasının uzun zaman alması gibi de dezavantajları vardır (Tang ve Wang, 1997) Anaerobik Filtreler Anaerobik filtreler reaktöre verilen atıksuların dolgu malzemesi boşluklarında ve yüzeyindeki aktif biyokütle ile etkin temasın sağlandığı bir arıtma sistemidir. Reaktördeki biyokütle belli oranda filtre dolgu malzemesi üzerinde ince bir biyofilm tabakası halinde tutunur, atıksu içindeki organik maddeler, biyofilm tabakasındaki bakteriler tarafından parçalanır. Bu sayede üretilen biyogaz reaktörün üst kısmından toplanır. Bu sistemlerde uygulanan hidrolik bekletme süresi 12 ile 96 saat arasında değişirken uygulanan hacimsel organik yük 0,2 ile 16 kg KOİ/ m 3 gün arasında değişmektedir (Young ve Dahab, 1983). Anaerobik filtreler ikiye ayrılır. Bunlar atık suyun reaktörün üst kısmından verildiği yukarı akışlı anaerobik filtreler ile atıksuyun reaktörün üst kısmından verildiği aşağı akışlı anaerobik filtrelerdir (Tang ve Wang, 15

30 1. GİRİŞ Ceren TULUK 1997). Anaerobik filtrelerde kullanılan dolgu malzemesi yüksek hacim/alan oranı sağlayan, bakterinin tutunması için pürüzlü yüzeye sahip, temin edilmesi kolay ve ekonomik, dayanıklı, uygun şekil, porozite ve büyüklüğe sahip inert bir madde olmalıdır (Bonastre ve Paris, 1989). Anaerobik filtreler için en önemli dizayn parametreleri; hidrolik bekletme süresi, dolgu malzemesinin özellikleri ve akış yönüdür (Young ve Yang, 1989). Start up periyodu için kontrol parametreleri ise aşı miktarı ve özellikleri, substrat bileşimi, nutrient ve substratın tampon kapasitesi, başlangıç hidrolik bekletme süresi, akış yönü, geri devir oranı, reaktörün tipidir (Bonastre ve Paris, 1989). Organik yükleme oranının 16 kg/ KOİ/m 3 -gün den daha fazla olabilmesi, organik madde giderim oranı yüksek olması, çamur geri devri ve karıştırma gerektirmemesi, start up periyodunun kısa, biyofilm bekleme zamanının uzun olması bu sistemin avantajlarını oluşturmaktadır. Sistemin dezavantajları ise filtrelerin temizlenmesinin zor olması ve yüzücü madde içeren atıksularda filtrelerin tıkanma problemleridir (Tang ve Wang, 1997) Yukarı Akışlı Anaerobik Çamur Örtü Reaktörler Yukarı akışlı anaerobik çamur örtü reaktörler, reaktörün dip kısmında çökelmiş biyokütlenin bulunduğu çamur yatağı, proseste üretilen biyogaz ile süspansiyon halindeki çamurun karışım halde olduğu çamur örtüsü, gaz katı ayrılma bölgesi ve çökelme bölgesinden oluşur. Bu reaktör tipi, anaerobik filtreler ve anaerobik akışkan yataklı reaktörlerle karşılaştırıldığında, yüksek organik yüklemelere karşı direnç göstermesi, yüksek spesifik aktiviteli yüksek konsantrasyonda çamur içermesi, düşük yatırım maliyeti, tıkanma problemlerinin olmaması ve düşük enerji gereksinimi gibi avantajlara sahiptir. Bu tip reaktörlerin en önemli özelliği, çamurun yüksek konsantrasyonlarda bulunmasını sağlayan anaerobik çamurun granülasyondur. Granülasyon oluşma sürecinin zaman alması yukarı akışlı anaerobik çamur örtü reaktörlerinin dikkat çeken dezavantajlarındandır. UASB reaktörlerinde granül oluşumunu etkileyen faktörler; iz metal ilavesi (demir, nikel, kobalt, manganez, biyokütlenin spesifik aktivitesi, propiyonat ve H 2 tüketim aktivitesi ve asidojen aktivitesi üzerinde hızlı bir 16

31 1. GİRİŞ Ceren TULUK artışa neden olmaktadır), azot ve kalsiyum ilavesi, metanojenlerin türü ve substratlardır (Speece, 1996). Start up periyodu, yüksek yukarı akış hızı sağlanması için ortalama 1000 mg/l KOİ ile başlatılmalıdır. Granüllerin oluşumundan sonra KOİ 2000 mg/l nin üzerine çıkabilir. Start up periyodu için en iyi yukarı akış hızı 0,72-0,96 m/gün dür. 1 mg/l nin üstündeki NH 4 -N konsantrasyonları granülasyon inhibasyonuna neden olmaktadır (Speece, 1996) Anaerobik Tampon Reaktörler (AFBR) Anaerobik tampon reaktörler tamponlar kullanılarak bakteriyel büyümeyi sağlayan birçok bölmeye ayrılırlar. Anaerobik tampon reaktörlerin reaktör içinde fazla bakteri konsantrasyonunun bulunması, organik yükleme oranı oranının yüksek olması, hidrolik bekletme zamanının kısa olması, tıkanma problemlerinin olmaması, geri devir gerektirmemesi ve parçalanmaya karşı dirençli atıksuları arıtabilmesi gibi avantajları vardır. Tek dezavantajı ise levhaların pahalı olmasıdır Anaerobik Ardışık Kesikli Reaktörler (ASBR) Anaerobik ardışık kesikli reaktörler askıda büyüyen sistemlerdir (Sung ve Dahue, 1992; Dague ve Pidaparti, 1992; Schmit ve Dague, 1993; Zhang ve ark., 1997). Bu sistemler anaerobik kontakt reaktörlere benzer biçimde işletilirler. Aradaki tek fark anaerobik ardışık kesikli reaktörlerde katı ayırma işleminin reaktörün içinde gerçekleşmeyip ayrı bir arıtma ünitesinde gerçekleşmesidir. Bu sistemler katı bekletme zamanını (SRT) hidrolik bekletme zamanından (HRT) ekonomik olarak ayırması için kullanılmaktadır. Aynı zamanda fazla miktarlarda atıksuyu uzun SRT de ve kısa HRT de arıtabilmektedir (Zhang ve ark., 1997). ASBR 4 prosesten oluşur. Bunlar doldurma, reaksiyona girme, çökelme ve boşaltmadır. Çökelme zamanı genellikle 10 ile 30 dakika arasında değişmektedir. Reaktör seyreltilmiş atıksularda iyi bir arıtma verimi sağlayabilmekte ve düşük sıcaklıklarda isletilebilmektedir (Speece, 1996). 17

32 1. GİRİŞ Ceren TULUK 1.8. Anaerobik Reaktör Teknolojisindeki Gelişmeler Anaerobik reaktör teknolojisindeki önemli gelişmeler ancak 1950 lerden sonra olmaya başlamıştır öncesinde reaktörlerde mekanik karıştırma uygulanmıyordu. Daha sonra, karıştırma sisteminin uygulanmasıyla elde edilen yüksek hız, modern yüksek hızlı anaerobik sistemlerin (high rate digestion) yolunu açmıştır. Anaerobik kontak (contact) prosesi ile reaktördeki biyokütle konsantrasyonunu artırmanın önemi anlaşılınca aerobik aktif çamur sisteminden ilham alınarak sedimantasyon tankı anaerobik sisteme ilave edilmiş ve atıksuyun hidrolik bekletme süresi önemli ölçüde azaltılmıştır. Anaerobik kontak reaktörleri için organik yükleme hızları (OLR) 1-5 kg KOİ/m 3 saat(gün) civarındadır (McCarthy, 1982, Nahle, 1991). Çamuru reaktör içinde tutmanın diğer bir yolu, biyokütleyi uygun bir yüzeyde biyofilm halinde veya serbest granül halinde tutmak ve reaktör içinde kalmasını sağlayarak atıksu alıkonma süresinden bağımsız hale getirmek mümkündür. Bu şekilde kullanılan immobilizasyon (immobilization) yöntemleri sadece arıtma için değil diğer biyoteknolojik prosesler için yaygın olarak kullanılmaktadır (Tanaka ve ark., 1993). Bu kavramın uygulanmasıyla anaerobik arıtmada yüksek hızlı reaktörler geliştirilmeye başlanmıştır (Hickey ve ark., 1991). Anaerobik kontak reaktörlerinden sonra, aerobik sızıntılı akış reaktörleri (trickling filters) model alınarak anaerobik filtreler (AF) geliştirilmiştir. Bu, sabit film (fixed film) reaktörleri ilk kez 1970 de endüstriyel boyutta uygulanmaya başlanmış ve organik yükleme hızları 0,2-16 kg KOİ/m 3 gün arasında değişmektedir (Young, 1991). Son yirmi yıldaki gelişmelerin en önemlilerinden birisi de yukarı akışlı anaerobik çamur (upflow anaerobic sludge blanket, UASB) reaktörünün geliştirilmesidir (Lettinga ve ark., 1980). UASB nin temel prensibi reaktörün altından beslenen atıksuyun reaktörün alt bölümünde granül halinde bulunan ve kolay çökebilen çamur tabakası ile temasına dayanır. Atıksu daha sonra reaktörün içindeki veya dışındaki ayırma sisteminden geçerek gaz, sıvı ve katı olarak ayrılır. Biyokütle tekrar reaktörün içine döndürülürken gaz ve sıvı reaktörü terkeder. UASB reaktörlerinde mekanik karıştırma yoktur. Karışma, çamur tabakası ve atıksuyun 18

33 1. GİRİŞ Ceren TULUK teması ile üretilen biyogazın etkisiyle gerçekleşir. UASB reaktörleri bugün anaerobik arıtmada en yaygın olarak kullanılan reaktörlerdir. Organik yükleme hızları 5-15 kg KOİ/m 3 gün civarındadır.bu reaktörün başarısı granülasyon prosesinin doğru olarak gerçekleşmesine bağlıdır. Son yıllarda granülasyon mekanizmasının anlaşılması konusunda çok çalışma yapılmıştır (Schmidt ve Ahring, 1996). Granülasyonun iyi anlaşılması sadece UASB lerde değil akışkan yatak gibi biyokütlenin bir yüzeye tutturulduğu reaktörlerde de önemlidir (Lettinga, 1995). Lettinga ve Hulshoff Pol (1991) dünyada 1991 yılına kadar 205 adet UASB reaktörü olduğunu belirtmiştir, fakat bu rakamın 1999 yılında 750 civarında olduğu sanılmaktadır (Zoutberg ve Eker, 1999). Akışkan yatak reaktörlerinde biyokütle bir film halinde taşıyıcının yüzeyinde immobilize olur ve burada büyür. Biyokütle ile kaplı olan taşıyıcı, reaktörün içinde atıksu ile akışkanlaşır. İmmobilizasyonun amacı, reaktör içinde yüksek biyokütle konsantrasyonları tutarak birim hacimde giderilen KOİ miktarını artırmaktır. Biyofilm oluşumu ve aşırı büyüyen biyokütlenin bir kısmının biyofilmden kopması (detachment) dinamik bir olay olduğundan kontrolu zordur ve bu reaktör içinde farklı yoğunlukta immobilize granüllerin oluşumuna ve yatağın katmanlaşmasına (stratification) neden olur (Shieh ve Keenan, 1986; Heijnen ve ark., 1989). Atıksudaki partikül madde, akışkan yatağın hidrodinamiğini bozduğu için istenmemektedir. Anaerobik prosesler, endüstriyel boyutta 1980 lerde uygulanmaya başlanmıştır. Çeşitli şirketler ABD, Hindistan, Hollanda, Fransa ve Almanya da akışkan yatak anaerobik arıtma sistemleri kurmuştur (Heijnen ve ark., 1989, 1991; Iza, 1991, Schwarz ve ark., 1996). Fransız Degremont firması arasında 26 adet akışkan yatak tesisi kurmuştur. Anaerobik sistemlerin kararlı haldeki operasyonları sırasında organik yükleme hızlarının 60 kg KOİ/m 3 gün ün üzerine çıkabildiği belirtilmektedir (Holst ve ark., 1997). Buna karşın bazı firmalar, daha sonra akışkan yatak reaktörlerinin yukarıda sayılan olumsuzluklarını önlemek için Genleşmeli Granül Çamur (Expanded Granular Sludge Bed, EGSB) reaktörleri ile değiştirmiştir (Frankin ve ark., 1992; Vesprille ve ark., 1994). EGSB, akışkan yatak reaktörleri ile UASB nin avantajlarını 19