YUKARI AKIŞLI ÇAMUR YATAKLI REAKTÖR TASARIMI VE ANAEROBİK ORTAMDA ATIKLARDAN BİYOGAZ ELDESİ MEHMET İSMET BAYRAKLI

Transkript

1 YUKARI AKIŞLI ÇAMUR YATAKLI REAKTÖR TASARIMI VE ANAEROBİK ORTAMDA ATIKLARDAN BİYOGAZ ELDESİ MEHMET İSMET BAYRAKLI YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ HAZİRAN 201 ANKARA

2

3 TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Mehmet İsmet BAYRAKLI

4 iv YUKARI AKIŞLI ÇAMUR YATAKLI REAKTÖR TASARIMI VE ANAEROBİK ORTAMDA ATIKLARDAN BİYOGAZ ELDESİ (Yüksek Lisans Tezi) Mehmet İsmet BAYRAKLI GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Haziran 201 ÖZET Anaerobik ortamda biyogaz üretimi dünyada yaygın olarak kullanılan bir teknolojidir. Ülkemizde ve dünyada bu sürece etkiyen temel parametrelerin değiştirilmesi üzerine bilimsel çalışmalar yapılmakta ve bu çalışmaların biyogaz üretim verimine etkileri incelenmektedir. Bu çalışma kapsamında, öncelikli olarak yumurta tavuğu dışkısının karakteristik özellikleri tespit edilmiştir. Daha sonra bu dışkı üzerinde yapılan asidik ve bazik ön işlemli ve ön işlemsiz uygulamaların biyogaz üretim miktarları üzerinde oluşturacağı etkileri ve biyogaz içerisindeki metan oranları incelenmiştir. Bu inceleme neticesinde, anaerobik ortamda çürütülmek üzere fermantöre beslenecek olan %22,66 katı madde ve %74,92 uçucu katı madde içeren yumurta tavuğu dışkısının; ön işlemsiz olması ve %7,42 toplam katı madde oranına seyreltilmesi gerekliliği ortaya konmuştur. Fermantasyon sonucu açığa çıkan gazın %78,5 CH 4 değerine sahip olduğu gözlemlenmiştir. Böylece yumurta tavuğu dışkısından maksimum düzeyde biyogaz üretiminin sağlanabilmesi için, ideal ortam koşulları tespit edilmiştir. Elde edilen bu verilere göre iki adet yukarı akışlı çamur yataklı reaktör uygulamalı biyogaz tesisi tasarımı yapılmış ve Sanayi Bakanlığından alınan destek kapsamında bir adet biyogaz tesisinin kurulumu gerçekleştirilmiştir. Bu tesise %7,42 toplam katı maddeli tavuk dışkısı beslemesi yapılmıştır. Mevcut çalışma farklı uygulama ile olmuştur. İki reaktör beraber çalışma, tek reaktör çalışma ve tek reaktör geri besleme sistemi ile çalışma.

5 v Deneysel çalışmalara göre tek reaktörlü sistemde %5-10 arasında daha düşük gaz çıkışı sağlamıştır. Çift reaktörlü uygulama arasında tek reaktörlü sisteme göre %10-12 arasında fazla gaz çıkışı sağlanmıştır. Ayrıca sisteme adapte edilen geri dönüşüm sistemi ile ilk reaktöre göre %-5 arasında gaz artışı sağlanmıştır. Bilim Kodu : Anahtar Kelimeler : Biyogaz, anaerobik teknoloji, yumurta tavuğu dışkısı Sayfa Adedi : 86 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. İbrahim ATILGAN

6 vi DESIGN OF AN UPFLOW ANAEROBIC SLUDGE REACTOR AND PRODUCTION OF BIOGAS FROM ANAEROBIC DIGESTION OF WASTE IN UPFLOW SLUDGE BLANKET REACTORS (M. Sc. Thesis) Mehmet İsmet BAYRAKLI GAZİ UNIVERSITY GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES June 201 ABSTRACT Anaerobic biogas production is a technology which is widely used in developed countries. There are many scientific research studies are conducted all over the world. These studies include the parameters effecting anaerobic biogas production process and production efficiency. In this study, first the characteristics of layer hen manure have been determined, then the effects of pre-treatment of the manure on the biogas production and the methane content of the produced biogas have been examined. As a result of the study, the values of the sludge to be fed to fermenter to decompose in the anaerobic medium have been found as 7.42% Total solid, 7.86% volatile solid, and 78.5% CH 4 Thus, the ideal environment conditions have been identified to achieve the maximum level of biogas production from the manure of layer hen. According to the obtained datas, two upflow anaerobic sludge reactor were made of design within biogas plants. And then one biogas plant was set up with the support of the ministry of industry. The biogas measurements were made continiously in this biogas plant and this gas were compared with previous experimental results. The hen manure which included 7,42% total solid was feed to biogas plant. The working had three different application. These were two reactor, one reactor and the lastly one reactor with recycle system. According to biogas measurements, the two reactor system had more

7 vii production of biogas between 10% and 12% then the one reactor system. Also the one reactor with recycle system had more production of biogas between % and 5% then the one reactor system. Science Code : Key Words : Biogas, anaerobic technology, layer hen manure Page Number : 86 Adviser : Assist. Prof. Dr. İbrahim ATILGAN

8 viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni sürekli olarak destekleyen sayın hocam Yrd. Doç. Dr. İbrahim ATILGAN a, labaratuar ve pilot tabanlı biyogaz tesisi kurulumunda maddi olarak destek sağlayan Sanayi Bakanlığına, çalışma süresince her türlü maddi ve manevi desteğini benden esirgemeyen babam Ahmet Fikret BAYRAKLI ya, annem Cemile BAYRAKLI ya, ablam Fatma Gül BAYRAKLI ya, kardeşim Yunus Emre BAYRAKLI ya ve nişanlım Ceyda DEMİRTAŞ a teşekkürü bir borç bilirim. Ayrıca tez çalışmamda hesaplamalar kısmında Anaerobik Arıtma Ve Uygulamaları adlı kitabından çokça faydalanmış olduğum sayın Prof. Dr. İzzet ÖZTÜRK e teşekkürü bir borç bilirim.

9 ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET...iv ABSTRACT...vi TEŞEKKÜR...viii İÇİNDEKİLER...ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ...xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ...xiii RESİMLERİN LİSTESİ...xv SİMGELER VE KISALTMALAR...xvi 1. GİRİŞ KAYNAK ARAŞTIRMALARI...5. BİYOGAZ TEKNOLOJİSİ Biyogaz Oluşum Aşamaları Biyogaz Özellikleri Biyogaz Verimine Etki Eden Faktörler Sıcaklık Hidrojen iyonu değişimi(ph) Yükleme oranı Alıkoyulma süresi Karbon/Azot oranı Katı madde içeriği Besin elementleri Karıştırma...1

10 x Sayfa..9. Toksik etkiler Uçucu yağ asitleri Anaerobik Reaktör Tipleri Askıda çoğalan sistemler Biyofilm üzerinde çoğalan sistemler DENEYSEL ÇALIŞMA Birinci Aşama İkinci Aşama Üçüncü Aşama Dördüncü Aşama Beşinci Aşama DENEYSEL SONUÇLAR BİYOGAZ TESİS TASARIMI Anaerobik Reaktör Tasarım Parametreleri I.Reaktör Çürütücü(Reaktör) hacmi ve boyutları Gerçek çamur yaşı ve çamur yükleri Çürümüş çamur ve biyogaz hesapları Çürümüş çamur miktarı Çürümüş çamur sıvısı(su fazı) debisinin hesabı Çürümüş çamur suyu tahliye sistemi Çürümüş çamur miktarı karşılaştırmalı hesabı Boru hatları tasarımı...52

11 xi Sayfa 6.. İkinci Reaktör Çürütücü hacmi ve boyutları Gerçek çamur yaşı ve çamur yükleri Çürümüş çamur ve biyogaz hesapları Çürümüş çamur sıvısı(su fazı) debisinin hesabı Çürümüş çamur suyu tahliye sistemi Çürümüş çamur miktarı karşılaştırmalı hesabı Boru hesaplamaları Karıştırıcının Hesabı Çürütücülerdeki Isı Kayıplarının Hesabı Çürütücü atık besleme ısıtma hesabı Çürütücü ısı kayıpları hesabı Isı Analizi Toplam ısı ihtiyacı Isıtma sistemi seçimi ve enerji dengesi Isı Değiştirici Tasarımı Gaz Deposu ve Kompresörleri Gaz depolama küresi hacmi Gaz kompresörleri hesabı Nitrüent Hesabı SONUÇ VE ÖNERİLER...77 KAYNAKLAR...81 ÖZGEÇMİŞ...86

12 xii ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge.1. Biyogazın bileşimi...10 Çizelge.2. Havasız reaktörlerin üstünlük ve kısıtları...18 Çizelge 4.1. Tavuk dışkısı ve aşı çamuru üzerinde TKM ve UKM analizleri...21 Çizelge 4.2. Dışkının yapılan ölçümler neticesinde karakteristik yapısı...22 Çizelge 4.. Nütrient solüsyonu...24 Çizelge 4.4. Kontrol ve numune grupları...25 Çizelge 4.5. Kontrol reaktörlerinin TKM ve UKM analizleri...26 Çizelge 4.6. Haftalık biyogaz içerisindeki metan yüzdeleri...28 Çizelge 6.1. Deneysel çalışmalar neticesinde elde edilen değerler ve kabuller...44 Çizelge 6.2. Karıştırıcı tasarım parametreleri ve ölçüm sonuçları...6 Çizelge 6.. Tasarımda kullanılacak malzeme seçimleri...67 Çizelge 6.4. Isıtma sistemi temel kabulleri...69 Çizelge 6.5. Kompresör hesabı genel sabitleri...72 Çizelge 6.6. Nitrüent Hesabı için temel parametreler...7

13 xiii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil.1. Biyokütlenin anaerobik fermantasyonundaki aşamalar ve Mikroorganizma grupları...9 Şekil.2. Askıda çoğalan reaktör tipleri...15 Şekil.. Biyofilm sistemlerinin reaktör tipleri...17 Şekil 5.1. Kontrol grubu biyogaz eğrisi...29 Şekil 5.2. Orijinal grubu biyogaz eğrisi...0 Şekil 5.. Alkali grubu biyogaz eğrisi...0 Şekil 5.4. Asit grubu biyogaz eğrisi...1 Şekil 5.5. Kontrol grubu günlük toplam biyogaz eğrileri...1 Şekil 5.6. Orjinal grubu günlük toplam biyogaz eğrileri...2 Şekil 5.7. Alkali grubu günlük toplam biyogaz eğrileri... Şekil 5.8. Asit grubu günlük toplam biyogaz eğrileri... Şekil 5.9. Kontrol, orijinal, alkali, asit grubu günlük toplam biyogaz eğrileri...4 Şekil Kontrol grubu günlük toplam biyogaz eğrileri...4 Şekil % lük reaktör grubu günlük toplam biyogaz eğrileri...5 Şekil %6 lık reaktör grubu günlük toplam biyogaz eğrileri...5 Şekil 5.1. %10 lık reaktör grubu günlük toplam biyogaz eğrileri...6 Şekil %1 lık reaktör grubu günlük toplam biyogaz eğrileri...6 Şekil Kontrol grubu haftalık metan oranı eğrisi...7 Şekil Orjinal grubu haftalık metan oranı eğrisi...7 Şekil Alkali grubu haftalık metan oranı eğrisi...7 Şekil Asit grubu haftalık metan oranı eğrisi...8

14 xiv Şekil Sayfa Şekil % lük grubu haftalık metan oranı eğrisi...8 Şekil %6 lık grubu haftalık metan oranı eğrisi...8 Şekil %10 luk grubu haftalık metan oranı eğrisi...9 Şekil %1 lük grubu haftalık metan oranı eğrisi...9 Şekil 6.1. Kurulumu yapılan biyogaz tesisi sistem şeması...4 Şekil 6.2. I.Reaktör ölçüleri...46 Şekil 6.. KM UKM değişimi...50 Şekil 6.4. İki reaktörlü biyogaz tesisi tasarımı...54 Şekil 6.5. II. Reaktör ölçüleri...55 Şekil 6.6. Rushton tipi karıştırıcının standartlara göre ölçüleri...62 Şekil 6.7. Isı değiştiricisi modeli...69

15 xv RESİMLERİN LİSTESİ Resimler Sayfa Resim 5.1. Isıtıcılı manyetik karıştırıcı...9 Resim 5.2. Titrasyon düzeneği...9 Resim 5.. Hassas terazi...40 Resim 5.4. ph metre ve termostat...40 Resim 5.5. Termocouple...40 Resim 5.6. Kül fırını...40 Resim 5.7. Etüv...40 Resim 5.8. Çalkalamalı inkübatör...40 Resim 5.9. Spektrofotometre...41 Resim CO 2 ve N 2 Gazı sistemleri...41 Resim 6.1. Kurulumu yapılan biyogaz tesisi...74 Resim 6.2. Atığın besleme miktarının tespiti...75 Resim 6.. Sıvılaştırma-homojenleştirme...75 Resim 6.4. Ön Besleme tankına çam. girişi...75 Resim 6.5. Besleme tankı üstten görünüş...75 Resim 6.6. Sıvı faz çamur çıkışı...75 Resim 6.7. Katı faz çamur çıkışı...75

16 xvi SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklamalar A Alan, m 2 A K C/N C p D Kontrol Grubu Reaktör Karbon/Azot Oranı Çamurun Özgül Isısı, J/kg C Çap, m E KOİ Giderme Verimi, % e Kompresör Verimi, % f d H H L H R k d K s m ç m g N P P top P x UKM Hücre Kalıntısı/gUKM Biokütle Ölümü Yükseklik, m Isı kaybı, J/Saat Gerekli ısı, J/gün İçsel Solunum Hız Sabiti, g/g.d Yarı Hız Konsantrasyonu, mg/l Çürütücüden Çıkan Toplam Kütle, kg Gaza Dönüşen Kütle, kg Tavuk Sayısı Elektrik Motorunun Gücü, hp Toplam Fosfor, mg/gram toplam katı Çürütücüde Üretilen Net Biyokütle, g/gün

17 xvii Simgeler T So Açıklamalar Sıcaklık, o C Beslenen Atığın KOİ Değeri, kg/ m U Toplam ısı transferi katsayısı, J/s.m 2.C Vaç Vç V R m Y Aktif Çürütücü Hacmi, m Çürütücü Hacmi, Reaktör Hacmi, Hava debisi, kg/s m m Biyokütle Sentez Hızı, guakm/gkoi ρ hava Havanın Yoğunluğu, kg/m μ m Maksimum Özgül Çoğalma Hızı, g/g gün Q w Q CH4 Q gaz Ø h Ø ç Qg Qi Q О Çamur Debisi, Metan Debisi, Gaz Debisi, m /gün m /gün m /gün Hidrolik Bekleme Süresi, gün Çamur Yaşı, gün Reaktörde Üretilen Biyogaz Debisi, Reaktöre Beslenen Atık Su Debisi, Kimyasal Ölçümler, mg/gtk Tavuk Gübresi Numune Aşı Çamuru Numune m /gün m /gün α Üretilen Biyogazdaki CH 4 Yüzdesi, %

18 xviii Kısaltmalar BOİ EGSB HBS(HRT) KOİ Mtep NH -N OÇM TK TKM TKN TKN-N UASB UKM YGM Açıklamalar Biyolojik oksijen ihtiyacı Genleşmiş granüler çamur örtü reaktörü Hidrolik bekleme süresi Kimyasal oksijen ihtiyacı Milyon ton petrol eş değeri Amonyak azotu Ortalama çamur miktarı Toplam Katı Toplam katı madde oranları Makro-kjeldahl metodu Toplam kjeldahl azotu Yukarı akışlı çamur yataklı reaktörler Uçucu katı madde oranları Yaş gübre miktarı

19 1 1. GİRİŞ Günümüzde enerjinin temini ve kullanımı çok güçlü sosyal ve çevresel etkilere sahiptir. Nüfus artışı, lüks yaşantı arzusu, maddi kazanç, hareketlilik ve iletişim ile giderek artan sayıdaki insanın bu arzulara kavuşmak için malzemeye ve teknolojiye ulaşması, artan enerji talebini ve bu talebi karşılamak için de yoğun çabaları beraberinde getirmiştir. Enerji tüketiminin hızla arttığı ve bu alanda tüketimin yüksek boyutlara ulaştığı günümüzde, insanın alışa geldiği enerji kaynaklarının yakın bir gelecekte tükeneceği gerçeğini, bilimsel bulgular ortaya koymaktadır [1]. Fosil yakıtların tükeniyor oluşu, enerji kullanımının her geçen gün artması yenilenebilir enerji kaynaklarının önemini gün yüzüne çıkarmaktadır. Enerji tüketimi fazla olan ülkeler başta olmak üzere tüm dünya ülkeleri yeni çözüm arayışları içerisine girmiş ve enerji kaynaklarının kullanımı konusunda yeni politikalar oluşturmaya başlamıştır [2]. Yapılan ve yapılması planlanan araştırma ve geliştirme faaliyetleri sürekli kullanımı olan, çevreye en az zararlı, geri dönüşümü mümkün ve ucuz enerji kaynaklarının tespitini ve kullanımını desteklemektedir. Anaerobik biyoteknoloji ile biyogaz üretimi yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde yer alan biyokütleden enerji elde edilmesi yöntemlerinden birisidir []. Yenilenebilir bir enerji kaynağı olan biyogazın üretimine imkân oluşturan, her yıl milyonlarca ton atığın bertarafını sağlayan anaerobik biyoteknoloji; tüm dünya genelinde bilinen ve çok yaygın olarak kullanılan bir uygulamadır. Türkiye de biyogaz ile ilgili çalışmalar 1957 yılında başlamıştır yılından sonra toprak, su ve 1980 li yıllarda da Köy Hizmetleri Genel Müdürlüğü kapsamında yürütülen biyogaz üretimi çalışmaları, uluslararası bazı anlaşmalarla desteklenmiş olmasına karşın, 1987 yılında kesintiye uğramıştır. Türkiye nin biyogaz potansiyelinin Mtep/yıl düzeyinde olduğu tahmin edilmektedir [4]. Ayrıca ülkemizde var olan biyogaz tesislerinin sektörlere göre dağılımına bakıldığında, en çok uygulamanın gıda endüstrisinde olduğu görülmektedir. Gıda dışındaki uygulamalar, çöp sızıntı suyu arıtması, kimya, selüloz, kâğıt ve tekstil şeklinde sıralanmaktadır [5].

20 2 Anaerobik biyoteknoloji ile biyogaz üretimi; organik materyallerin (dışkı, bitkiler, çöp, yemek artığı, kimyasal atıklar, vb.) anaerobik şartlarda (havasız ortamda) biyokimyasal fermentasyon ve mikrobiyolojik faaliyetler sonucu parçalanması ile oluşur. Elde edilen %20 havadan daha hafif olan, kalorifik değeri 20 MJ/m bileşiminde %40 75 metan (CH 4 ), %25 60 karbon dioksit (CO 2 ), %2 hidrojen sülfür (H 2 S) ve azot (N 2 ) bulunan yanıcı bir gaz karışımıdır [6]. Biyogaz enerjisi üretim sürecinin temel faydaları; sürdürülebilir bir enerji kaynağı olması, atık değerlendirilmesini sağlaması, çevre kirliliğini önlemesi, atıkların işlenerek toprağa döndürülmesi ile toprağa verim sağlaması ve ekonomiyi desteklemesidir [7]. Anaerobik çürütme ile atıklar, yenilenebilir bir enerji kaynağı olan metana dönüştürülürken çevreye yararlı hale getirilirler. Doğrudan doğaya bırakılan atıklar ise sağlık ve çevre açısından bir tehdit unsuru halindedirler. Çevre ve sağlık üzerinde olumsuz etki bırakan atıkların başında içerdiği yüksek miktarda ki azot oranı nedeniyle tavuk gübresi gelmektedir. Tavuk gübresi bitkilerin yetiştirilmesinde değerli bir gübre olmakla birlikte doğrudan kullanıldığında içerdiği azot ve fosfordan dolayı yer altı ve yer üstü sularının kirlenmesine sebep olmaktadır. Ayrıca yaş tavuk gübresi, sinek ve böcek larvalarının gelişmesi için uygun bir ortam oluşturmaktadır [8]. Tüm bunlara karşılık biyogaz üretimi sırasında anaerobik bakterilerin fermantasyonuyla CH 4, CO 2, H 2 S gibi gazlar açığa çıkarken, gübrede hastalık etkeni olan mikroorganizmalar da yok olmaktadır. Ayrıca gazı alınmış gübrede böcek ve sinek larvalarının yaşaması da fevkalade güçleşmektedir. Bundan dolayı biyogaz üretiminde, enerji üretiminin yanı sıra gübrenin de çevre ve sağlık için tehlike oluşturması önlenmiş olmaktadır. Ayrıca biyogaz üretiminden sonra gübrenin aerobik şartlarda elde edilen gübreye kıyasla, bitki besleme açısından değerinde %20 oranında artış sağlanmaktadır [9]. Biyogaz ve gübre verimi olarak yüksek değerlere sahip tavuk dışkıları ülkemizde her geçen gün dönüşümü sağlanmadan kontrolsüz bir biçimde doğaya bırakılmaktadır yılı verilerine göre yumurta tavuğu, et tavuğu ülkemiz içerisinde yer almaktadır [10].

21 Bu tez çalışması ile sayıları her geçen gün artan ve çevresel anlamda bir tehdit unsuru olan tavuk dışkısının anaerobik süreçler ile yararlı hale dönüştürülebilmesi için havasız ortamda çürütücüye hangi şartlarda (sıcaklık, ph, C/N, HBS vb.) dışkının beslenmesi gerekliliğinin tespiti ve deneysel ortamda dışkının karakteristik özelliklerinin(katı madde, uçucu katı madde, askıda katı madde, KOİ, BOİ ve N, P miktarları) tespitinin birincil olarak yapılması amaçlanmış ve tez çalışması dahilinde ortaya konmuştur. Biyogaz teknolojisi uygulamalarında mevcut atığın biyogaz ve değerli gübre dönüşümüne yönelik birçok sistem bulunmaktadır. Bu sistemler atığın kuru ya da yaş olma durumlarına göre şekillenmektedir. İkinci olarak bu tez çalışması kapsamında arıtma çamurlarının çürütülmesi için kullanılan yukarı akışlı çamur yataklı reaktör uygulamasının(atık suyun çamur yatağından yukarı çıkması ile oluşan anaerobik süreç) tavuk dışkısı ile buluşturulması, mevcut sistem üzerinde bu dışkıya dönük uyarlamaların yapılması, sürecin deneysel ve gözlemsel çalışmalar ile takip edilmesi ile oluşacak farkındalıkların ortaya çıkarılması amaçlanmış ve tez çalışması dahilinde yapılmıştır. Bu çalışmada, biyogaz üretimi için gelişmiş ülkelerde kullanıma geçmiş olan yukarı akışkan çamur yataklı anaerobik reaktörün mevcut atık üzerinde yapılan çalışmalar neticesinde optimum koşullarının belirlenerek bu teknolojinin geliştirilmesi ile birlikte yeniden tasarlanması, yeni teknoloji prototipin üretimi, uygunluk ve performans doğrulama testlerinin yapılması nihai olarak amaçlanmıştır. Ayrıca reaktörde kullanılacak organik atıkların cinsi, miktarı, toksit madde içeriği, kuru madde içeriği, tanecik büyüklüğü, karbon/azot oranı, organik asit içeriği, yoğunluğu gibi temel bileşenleri ve özelliklerinin araştırılması, net verilerin tespiti ve tüm bu verilerin reaktörün tasarımına, maksimum verimi sağlayacak şekilde yansıtılması tez çalışması içerisinde amaçlanmış ve yapılmıştır. Bu çalışma aynı zamanda Sanayi Bakanlığı tarafından kabul görmüş bir proje çalışması olup yaklaşık TL bütçeye sahiptir sayılı Araştırma ve Geliştirme Faaliyetlerinin Desteklenmesi Hakkında Kanun ile tarih ve

22 sayılı Resmi Gazetede yayımlanan Araştırma ve Geliştirme Faaliyetlerinin Desteklenmesine İlişkin Uygulama ve Denetim Yönetmeliği hükümleri çerçevesinde Teknogirişim Sermayesi Desteği Programı kapsamında desteklenen çalışmamızın proje numarası 0018.TGSD.2010 dır. Bu proje kapsamında mevcut tez çalışmasının konusu üzerine TL hibe desteği alınmış olup 01/04/2010 tarihinde proje çalışması dahilinde Enerbay isim tesciline sahip bir şirket kurulmuştur. Tezin yapılabilmesi için gerekli olan her türlü laboratuar cihazı, tez konusunun uygulamalı olarak hayata geçmesinde ihtiyaç duyulan her türlü araç-gereç proje kapsamında alınmıştır. Ayrıca TL lik ayni bir katkı bizler tarafından projeye dahil edilmiştir. Proje süresi bir yıl olup tamamlanmış sonraki 6 ay süresi boyunca deneysel çalışmalar devam etmiş olup daha sonra çalışma sonlandırılmıştır. Bu tez çalışmasında kısaca yumurta tavuğu dışkısının laboratuar ortamında anaerobik işlem öncesi karakteristik analizlerinin yapılması, bu analizler neticesinde çeşitli ön işlemler ve farklı parametrelere sahip ortamlara tabi tutulması ve batch tip sistemlerde bu değişkenlerin mevcut gaz değişimine etkisi gözlemlenmiştir. Bu çalışma ile elde edilen deneysel verilerin ışığında mevcut dışkı yukarı akışlı çamur yataklı reaktör uygulamasına dâhil edilmiştir. Elde edilen veriler ışığında tavuk dışkısının ideal şartlarda fermantasyonuna imkân sağlayacak şekilde reaktör tasarımı yapılmıştır. Daha sonra reaktör sistemi deneysel verilerde elde edilen dışkı değerlerini mukayese etmek üzere işletmeye alınmış ve mevcut verilerin uygulamada ki karşılıkları oluşturulmuştur. Çalışmada gazın içerisinde ki genel değişkenlerin net olarak ortaya konabilmesi için gaz saflaştırma ünitesi de ayrıca oluşturulmuştur. Genel uygulama bir biyogaz tesisi niteliğinde olmuş olup ön besleme tankı, fermantör, geri besleme sistemi, gaz saflaştırma sistemi gibi tüm süreçleri kapsamaktadır.

23 5 2. KAYNAK ARAŞTIRMALARI Biyogaz teknolojisi üzerine dünyada uygulamalı pilot ölçekli ya da endüstriyel bir çok kurulmuş tesis görme imkanı bulunmaktadır. Biyogaz ile alakalı ilk çalışmalar 17.yüzyılda Jan Baptida Van Helmont tarafından çürüyebilen maddeler üzerinde yer alan organik maddelerin mikroorganizmalar aracılığıyla oksijensiz ortamda parçalanmasıyla çıkan bir gazın varlığının tespitiyle başlamıştır [11]. Biyogazın parçalanan organik madde miktarı ile orantılı olduğu 1776 yılında Alessandro Volta tarafından deneysel çalışmalar neticesinde ortaya konmuştur yılında ise bu gaza Karbonlu Hidrojen adı verilmiş ve bu adlandırma 1865 yılında Uluslararası Kimya Kongresinde metan olarak son haline getirilmiştir [12]. Bilimsel olarak biyogaz ile alakalı ilk araştırma 1808 yılında Humphry Davy tarafından sığır gübresinden anaerobik ortamda biyogazın üretilmesidir. Biyogazın ticari kullanımı 1840 yılında Yeni Zelenda Otowa kentinde, 1859 yılında Hindistan Bonbay kentinde biyogaz sistemlerinin kurulumu ile başlamıştır [1] lerden sonra yaygınlaşmaya başlayan biyogaz teknolojisi Dünya üzerinde yapılan istatistikî çalışmada yılları arasında hayvansal ve endüstriyel organik atıkların arıtıldığı 47 si Alman, 22 si Danimarka ve Avusturya da, İsveç ve İsviçre de ise 10 ar adet olmak üzere toplamda 15 adet biyogaz tesisinin olduğu tespit edilmiştir [14]. Ülkemizde ise 1957 yılında Toprak ve Gübre araştırma Enstitüsünde bu çalışmalar başlatılmıştır sonrası yıllarda bu araştırmalar hızlandırılmış 1986 sonrası süreç yavaşlamaya başlamış ve durma noktasına gelmiştir [15]. Bu süreçte ilk olarak iç ortam sıcaklığı 0 o C olan 1 m lük reaktörlerde sığır koyu tavuk gübreleri ayrı ayrı ve karıştırılarak denenmiştir. Bu çalışmalarda en yüksek biyogaz verimi tavuk gübresinden elde edilmiş olup ayrıca tavuk gübresinin karşıma girdiği durumlarda da biyogaz verimi artmıştır (1215 L/ m ). Ankara koşullarında 12 m lük kapasiteli biyogaz tesisinde sığır gübresi üzerine çalışılmıştır. Burada sabit kubbeli Çin tip sistem kullanılmış olup sıcaklıkla oynanmamıştır. 9 o C sıcaklıkta 1,4 m /gün, 20 o C

24 6 sıcaklıkta 5,9 m /gün gaz çıkışı olmuştur. Yine Ankara içinde aynı enstitü kapsamında yapılmış bir çalışmada 20 o C ile 0 o C arasında bir sıcaklıkta mekanik karıştırmalı uygulamalarda 9,97 25,05 m /gün gaz çıkışı olmuştur. Yine başka bir çalışmada hayvan sayılarına göre kurulacak biyogaz tesisi büyüklüğü ortaya konmuştur [16]. Anaerobik sistemlerde tavuk dışkısı üzerine yapılan çalışmalar oldukça yaygındır. Bunların çoğu çeşitli kimyasal, fiziksel ve biyolojik süreçlerde ve farklı ortam parametrelerinde biyogaz verimlerinin araştırılması üzerine olmuştur. Kısaca bu çalışmaların bazılarından bahsedecek olursak; Kalyuzhnyi ve arkadaşlarının 1998 yılında yapmış oldukları çalışmada, tavuk dışkısının sıvı kısmının UASB reaktörlerde anaerobik arıtımını incelemişlerdir. Deneysel çalışmalarda kullanılan tavuk dışkısının sıvı kısmının yapılan ölçüm çalışmaları sonrası 10,5 20,0 gkoi/l, 8,9 15,8 gtkm/l, 8,1 14,7 gukm/l ve ph = 6,2 7,1 olup 5 o C de paralel tip iki adet 26 L lik reaktör ile çalışılacaktır. Reaktörlere besleme yapılmadan önce 1 2 gün boyunca 18 o C - 20 o C sıcaklıkta bekletilerek asit oluşum safhasının geçirilmesi sağlanmıştır. UASB reaktörlerinde organik besleme hızlarının 1 11 gkoi/l.gün aralığında arttırılmış ve 1 2 günlük bekleme sürelerinde çalışma yapılmıştır. Yukarı akışlı çamur yataklı bu reaktör ile yapılan çalışmalarda maksimum biyogaz üretimi hızının 11 gkoi/l.gün organik besleme miktarında,6 L/L.gün olduğu gözlemlenmiştir. Biyogaz içerisindeki metan miktarının %79 81 oranlarında olduğu arıtma çıkışının ph = 8 civarında olduğu gözlemlenmiştir. UASB reaktörlerin bu tür atıkların kullanımında daha iyi verim sağladığı bu çalışma ile ortaya konmuştur [17]. Taze tavuk gübresi santrifüzjlenmiş, sulu kısmına (80 gkoi/l), 4 L lik UBF reaktörde ve 5 o C de anaerobik işlem uygulanmıştır. UBF reaktör anaerobik reaktöre plastik liflerden dolgular eklenerek hazırlanmıştır. Deney süreci günlük iki fazlı başlangıç 19 günlük yatışkın durum bölümlerinden oluşan toplam 77 gün sürmüştür. İlk başlangıç fazında 2,97 kgkoi/m.d organik besleme hızı ile 10.04saat bekleme süresinde %76,85 KOİ giderimi ve ortalama 17,9 Lbiyogaz /kgkoi giderilen

25 7 verimle biyogaz üretilmiştir. İkinci başlangıç fazında ise 11,69 kgkoi m.d organik besleme hızı ile 16,45 saat hidrolik bekleme süresinde %82,47 KOİ giderimi ve ortalama 95, Lbiyogaz/kgKOİ giderilen biyogaz üretilmiştir. Anaerobik çalışmanın 58. gününden sonra 28,85 klgkoi/m.d organik besleme hızı ile 18,7 saat bekleme süresinde %80,0 KOİ giderimi ve ortalama 47,5 Lbiyogaz/kgKOİ giderilen verimle biyogaz üretilmiştir. Böylece UASB ye eklenen dolgularla verimsel etkinliğin artırıldığı ortaya konmuştur [18]. Colaghan ve arkadaşlarının 2001 yılında yapmış olduğu çalışmada meyve sebze atıkları, sığır gübresi ve tavuk gübresi karışımına anaerobik arıtım verimliliğinin etkisi gözlemlenmiştir. Bu çalışmada 18 L lik reaktör kullanılmıştır. Ayrıca tüm çalışma 5 o C mezofilik ortam sıcaklığında 21 gün hidrolik bekleme süresi ile yapılmıştır.,19-5,01 UKM/ m.gün yükleme aralığında değişken yüklemeler yapılmıştır. Deneysel çalışma sonrası sonuçlara bakıldığı zaman sığır gübresi içerisindeki sebze atıklarının %20 den %50 ye çıkarılması metan çıkışını 0,2 ten 0,45 m lere yükseltmiştir. Tavuk gübresi ile sığır gübresinin birlikte fermente edilmesinde olumlu sonuçlara rastlanamamıştır. Tavuk gübresi miktarının artması UKM verimini ve metan üretimini azaltmıştır. Bu azalma sıvı içerisinde yer alan serbest amonyak miktarının artması ve bakteri faaliyetlerinin durması nedeniyle oluşmaktadır [19]. Tavuk çiftliği atık suyunun (78 mgkoi/l, 745 mgboi/l, 0,85 gakm/l ve ph= 6,5),,5 L lik UASB reaktörde, 0 o C de ve 95 günlük alıkonma süresinde anaerobik etkinliği ve metan üretim değerleri araştırılmıştır. Çalışma bitiminde maksimum KOİ giderimi 2,9 kgkoi/m.d organik besleme hızı ve 1,2 saat hidrolik bekleme süresinde %78, ortalama biyogaz üretim hızı ise 1,44 kgkoi/ m.d organik besleme hızında %57 CH 4 içeriği ile 0,26 m biyogaz/ m.d olduğu ortaya konmuştur [20] yılında Ergüder ve arkadaşlarının yapmış olduğu bir çalışmada tavuk besleme çiftlikleri atıklarının anaerobik arıtılabilirliği araştırılmıştır. Çalışmada %89,7 sıvı madde içeren seyreltilmemiş tavuk atığı kullanılmıştır. Çalışma sonrasında litre başına 6,9 7, L metan üretimi sağlanmıştır. Bu çalışmada anaerobik kültürün

26 8 tavuk atığına alıştırılmamış olması metan çıkış miktarını anaerobik sistemlerde çok daha üst seviyelerde olacağına işarettir [21] yılında yapılmış bir çalışmada kümes, ahır ve domuz çiftliklerinden alınan dışkılardaki katı maddelerin biyogaz üretimine etkisi incelenmiştir. En fazla biyogaz oluşumu kümes çiftliklerinden alınan dışkılardan sonra domuz ve en son olarak ahır gübresi dışkılarında oluşmuştur. Katı madde oranı % değerlerinde ayrı ayrı alınmıştır. Ve bu çalışma göstermiştir ki katı madde oranı arttıkça gaz veriminde düşüşler ortaya çıkmaktadır [22]. Taze tavuk dışkısının, tek başına 6 ay çukurda bekletilmiş hali ile anaeronik arıtım çamuru ile farklı oranlarda karıştırılarak 5 o C de, 160 ml lik şişelerde 119 günlük alıkonma (hidrolik bekleme) süresinde, farklı katı madde derişimlerinde (%5 27) metan üretimi araştırılmıştır. Çalışma sonrasında maksimum metan üretimi %5 katı madde oranında 548 mlch 4 /gukm giderilen olarak elde edilmiştir. Taze tavuk dışkısının 6 ay bekletilmiş tavuk dışkısı ile karıştırılması ile metan verimi düşmüştür. Taze tavuk dışkısının yer aldığı karışıma anaerobik çamurun ilavesiyle ideal katı madde oranı %10, olarak tespit edilmiş ve bu karışımda %40 taze tavuk dışkısı, %60 anaerobik arıtma çamuru olacak şekilde karışmasının en uygun olduğu saptanmıştır. Bu karışımda 47 mlch 4 /gukm giderilen metan verimi olduğu tespit edilmiştir [2].

27 9. BİYOGAZ TEKNOLOJİSİ.1. Biyogaz Oluşum Aşamaları Anaerobik fermantasyon, organik maddenin oksijen olmayan ortamda ve karışık bakteri popülasyonu sayesinde ayrışması temeline dayanan, bu esnada çok aşamalı biyokimyasal tepkimelerden oluşan biyolojik bir süreçtir. Bu sürecin sonucunda ürün olarak ağırlıkla metan ve karbondioksit bulunmakla beraber hidrojen, hidrojen sülfür ve azot içeren bir gaz karışımı olmaktadır [24]. Anaerobik Fermantasyon süreci ile biyogaz üretimi metabolizması hidroliz(protein, karbonhidrat ve yağların aminoasitlere, şekerlere, alkollere, peptitlere olan dönüşüm süreci) asidojenez ve asetojenez(uzun zincirli yağ asitl0erine, CO 2, H 2 ve asetata dönüşüm süreci) ve metanojenez(co 2 ve CH 4 e dönüşüm süreci) adı altında 4 ana başlıkta toplanabilir. Bu dört ana başlığı içine alan süreç Şekil.1 de daha net olarak görülebilir. Şekil.1. Biyokütlenin anaerobik fermantasyonundaki aşamalar ve mikroorganizma grupları [21].

28 10.2. Biyogaz Özellikleri Biyogaz renksiz, kokusuz havadan daha hafif, havaya göre yoğunluğu 0,8, oktan sayısı yaklaşık 110, yanma sıcaklığı 700 o C, alev sıcaklığı 870 o C olan bir çok gazı içinde barındıran bir gaz karışımıdır [25]. Biyogaz içerisinde bulunan gaz bileşimi sabit olmayı ortam sıcaklığına, kullanılan gübrenin tipine, su miktarına, ph ına göre değişkenlik göstermektedir. Ancak tipik bir biyogazın bileşimi Çizelge.1 deki gibidir [26]. Çizelge.1. Biyogazın bileşimi [26]. Gazın Cinsi Gazın Toplamda ki Yüzde Bileşeni % Metan(CH 4 ) Karbondioksit(CO 2 ) Azot(N 2 ) 0- Hidrojen(H 2 ) 0,1 Hidrojen Sülfür(H 2 S) 0,0005-0,0002 Amonyak(NH ) 0,0005-0, Biyogaz Verimine Etki Eden Faktörler Tüm biyolojik süreçlerde olduğu gibi anaerobik fermantasyonda da çevresel şartlar metan oluşumuna etki eder. Bunlar; sıcaklık, besin elementleri, yükleme oranı, karıştırma, bekletme süresi gibi fiziksel süreçlerin yanı sıra C/N oranı, ph, Toksik maddeler gibi kimyasal şartlardır...1. Sıcaklık Sıcaklık biyogaz teknolojisinde verimsel etkinliğin ön önemli aktörlerinden bir tanesidir. Anaerobik süreçlerde atığın işletilmesi üç sıcaklık aralığında olmaktadır. Düşük sıcaklık aralığı olan 5 20 o C Orta sıcaklık aralığı olan o C Yüksek sıcaklık aralığı olan o C = Psikrofilik Sıcaklık = Mezofilik Sıcaklık = Termofilik Sıcaklık

29 11 20 o C nin altında biyogaz verimi oldukça düşmekte olup mezofilik termofilik geçiş sıcaklıklarında yine aynı şekilde verimsel düşüşler meydana gelmektedir. Termofilik sistemlerde en uygun sıcaklık 55 o C, mezofilik sistemlerde ise 5-7 o C dir. Biyogaz üretim miktarının sıcaklık azalışı ile azaldığı, sıcaklığın tekrar optimum sıcaklığa getirilmesi ile maksimuma ulaştığı belirtilmektedir [27]...2. Hidrojen iyonu değişimi (ph) Hidrojen iyonu değişimi (ph) anaerobik sistemlerde mikroorganizmaların ideal şartlarda yaşaması ve substratın suda ki çözünürlüğü üzerine oldukça etkilidir. Birçok farklı türden mikroorganizmanın bulunduğu anaerobik süreçlerde bakterilerin değişken ph değerlerinde çalıştığı düşünülürse her bakterinin gelişimine maksimum düzeyde etki edecek bir ph aralığını sabit tutmak kolay değildir. Bu nedenle optimum bir ph aralığında süreci tutmak gerekir. Asit bakterilerinin uygun yaşam aralığı ph: 5,5 8,5 arasındadır. Metan bakterilerinin uygun yaşam aralığı ise ph: 6,5 8,0 arasıdır. Bu yüzden iki bakteri gurubunun beraber yaşayacağı bir aralık olan ph: 6,5 7,5 aralığı sağlanmalıdır.... Yükleme oranı Yükleme oranı anaerobik süreçlerde sürecin önemli aktörlerinden birisidir. Genellikle kg-uk/m -reaktör. Gün (UK: Uçucu katı) olarak gösterilir. Yükleme oranı kuru madde içeriği ve bekleme süresi bağımlılığında oluşan bir faktördür. Birim üreteç hacmine günde yüklenen organik kuru madde miktarını tanımlamaktadır. Yükleme oranın artması ile üreteç özgül metan üretim miktarı da artmaktadır [28]. Yükleme oranı ile ilgili bağıntı aşağıdaki gibidir. K YO = k x T HBS (.1)

30 12 Burada; YO = Yükleme oranı (kg-uk/m-reaktör. gün), TK= toplam katı miktarı (%) HBS = hidrolik bekletme süresi (gün). Sığır gübresinde k değeri yaklaşık 7 olarak alınmaktadır [29]...4. Alıkoyulma süresi Alıkoyma süresi (Bekleme süresi) besleme materyalinin reaktör içinde kaldığı süredir. Alıkoyma süresinin artması, organik maddenin parçalanma hızını artırmaktadır. Ancak en uygun alıkoyulma süresi belirlenmelidir. Örneğin sığır gübresinde beş günlük besleme bir günlük ve yedi günlük beslemeye göre daha fazla biyogaz verimi sağlamaktadır. Aynı şekilde tavuk gübresinde de en iyi alıkoyulma süresi yedi gün olmaktadır [25]. Reaktör Hacmi(m ) HBS= Günlük Debi(m /gün (.2) Ayrıca hidrolik bekleme süresi yeterli olmazsa reaktörden bakteriler daha hızlı kaçar ve uçucu yağ asidi konsantrasyonu artığı için biyogaz üretimi düşmektedir. Reaktör sıcaklığı arttıkça hidrolik bekleme süresi düşer. Yüksek sıcaklıkta biyokimyasal reaksiyonlar daha kısa sürede gerçekleşir. Dolayısıyla hidrolik bekleme süresini uygulanacak sıcaklığa göre seçmek gerekir [0]...5. Karbon/Azot oranı (C/N) Organik atıklar, karbon yönünden zengin olanlar ve azot yönünden zengin olanlar diye ikiye ayrılmaktadır. Karbon biyogaz oluşumu için gerekli iken, azot anaerobik bakterilerin gelişimi ve yeniden üretilmesi için gereklidir. Organik madde içerisinde karbonun en önemli kaynağı karbonhidratlar, azot kaynağı ise protein, nitrat ve amonyaktır [1]. Azotun azlığı hücresel gelişimi engellediği için verimi düşürür, çok olması durumunda da amonyak birikimi söz konusu olur ve ph değeri 8,5 e yaklaşır. Bu da

31 1 sistemin inhibe olmasına neden olur. Böylece kötü kokulu yanmayan bir gaz elde edilir. C/N değeri 8 den düşük olursa bu etki görülmektedir. C/N oranının yüksek olması, bakteri için protein oluşumu ve enerji metabolizmasında gerekli materyallerin sentezlenemeyeceği anlamına gelmektedir. 15:1 0:1 arasındaki C/N oranları anaerobik fermantasyon için uygun olmaktadır [24]...6. Katı madde içeriği Anaerobik fermantasyon sürecinde organik atıkların katı madde içeriği oluşacak biyogaz içerisindeki metan yüzdesini büyük oranda etkilemektedir. Yaş fermantasyon sürecinde fermantörlere doldurulacak olan çamur içerisindeki katı madde oranı %7 - %9 arasında olmalıdır. Düşük katı madde içerikli çamurlarda havasız ortam koşulunu sağlamak zorlaşırken yüksek katı madde içerikli çamurlarda bakteri etkinliğini yitirmektedir [2]...7. Besin elementleri Anaerobik sistemlerde mikroorganizmaların üreme ve yaşamaları için gerekli besin elementlerine ihtiyaç vardır. Bunlar C, N, P, K ve diğer iz elementleridir. Hayvansal atıklarda besin maddeleri yeterli derişim ve uygun besin maddesi oranlarında bulunmaktadır. Ancak bazı tarımsal atıklarda (saman, ot vb) bu elementlerden bazıları yeterli miktarda bulunmamaktadır. Bu yüzden anaerobik sistemlerde besine element derişimleri kullanılan hammaddeye göre ayarlanmalıdır []...8. Karıştırma Karıştırma üretilen biyogazın materyalden uzaklaştırılması, besleme materyalinin bakterilerle temasının sağlanması, çökelmenin ve köpük oluşumunun engellenmesi, homojen sıcaklık dağılımının sağlanması, bakteri dağılımının homojenleştirilmesi, reaktör içerisinde ki ölü bölgelerin azaltılarak efektif reaktör hacminin artırılmasını sağlar. Ayrıca besleme materyalinin içerisinde ki parçacıkların küçültülmesi ve kütle aktarım dirençlerinin azaltılması için de karıştırmaya ihtiyaç duyulmaktadır. İyi ve

32 14 uygun bir karıştırma biyogaz üretimini %50 oranında artırmaktadır. Sürekli karıştırmaya göre gaz verimine çok fazla etki etmediği belirtilmektedir [24]...9. Toksik etkiler Hammadde içerisinde bulunması mümkün olan yağ, deterjan, sabun, DDT gibi maddeler biyogaz oluşumunda belirli limitlerin üstüne çıktığı zaman bakteriler açısından toksik etki oluşturmaktadır. Bu maddelerden en önemlileri, amonyak, amonyum iyonu, çözünebilir sülfitler, bakır, çinko ve nikel gibi metallerin tuzlarıdır. Ayrıca gübrenin karıştırılmasında kullanılacak suyun klorlu olmasına dikkat edilmesi gerekmektedir [4] Uçucu yağ asitleri Reaktörün çalışma koşullarının etkin bir şekilde kontrol edilmesi ve biyogaz üretiminin verimli bir şekilde sürdürülebilmesi için bazı uçucu yağ asitlerinin konsantrasyonunun izlenmesi gereklidir. Proses boyunca UYA (Uçucu yağ asitleri) nın birikimi, doğrudan asit tüketicileri arasında dengesizliği işaret eder. Düşük tamponlu sistemlerde ph, alkalinite ve UYA ölçümü yeterli olurken, yüksek tamponlu sistemlerdeki dengesizlikler için ise sadece UYA ölçümü güvenilir sonuç verebilmektedir [24]..4. Anaerobik Reaktör Tipleri Biyogaz reaktörleri genellikle besleme şekline göre kesikli tip ve sürekli beslemeli tip olarak ikiye ayrılır. Kesikli beslemeli tip reaktörde, besleme materyali reaktöre bir kere doldurulur gazı çıkışı bitene ya da azalana kadar beklenir. Bu sürecin ardından mevcut reaktör yapısı içerisindeki atık boşaltılarak yenisi konulur ve süreç yine baştan başlar ve böylece devam eder. Bu tip sistemler katı maddenin yoğun olduğu besleme materyalinin dönemlik çıktığı ya da az bulunduğu, iri taneli yapıya sahip olduğu durumlarda kullanılır. Bu reaktörlerin günlük bakım süreçleri oldukça rahattır, arızalanma durumları nadirdir. Ancak biyogaz üretimi sürekli azalan bir

33 15 grafik izlemekte olup değişkendir bu nedenle üretim düzensiz olarak sürmektedir. Bu sorunun önüne geçmek için birkaç tane farklı dönemlerde doldurulan reaktörler işletmeye alınır. Her tank gaz çıkışı gaz depolama tankına verilir. Fakat bu çözüm ilk yatırım maliyetini artırmaktadır [24]. Sürekli beslemeli tip reaktörlerde, materyal düzenli aralıklarla reaktöre verilir ve eklenen materyal kadar fermente olmuş materyal çıkartılır. Bu tip reaktörlerde ideal olan kesintisiz besleme ve boşaltmadır fakat pratikte bu uygulanmamaktadır [24]. Anaerobik reaktörler; mikroorganizmaların askıda çoğaldığı veya biyofilm üzerinde çoğaldığı reaktörler olarak iki grupta ele alınabilirler Askıda çoğalan sistemler 1. Klasik Anaerobik Çürütücüler(CSTR) 2. Anaerobik Temas Reaktörleri. Membranlı Anaerobik Reaktörler 4. Havasız Çamur Yataklı Reaktörler 4.1. Yukarı Akışlı Çamur Yataklı Reaktör(UASB) 4.2. Genleşmiş Granüler Çamur Örtü Reaktör(EGSB) Bu sistemlerin reaktör tipleri Şekil.2 de verilmektedir. Şekil.2. Askıda çoğalan reaktör tipleri [5].

34 16 Klasik anaerobik çürütücüler; tam karışımlı ve geri devirsiz reaktörlerdir. Geri devirsiz olduklarından çamur yaşı hidrolik bekletme süresine eşittir. Yavaş çoğalan metan arklerinin sistemden yıkanmaması için çamur yaşı en az 10 gün olmalıdır. Bu nedenle, günlük hidrolik bekletme sürelerinde işletilirler ve buna bağlı olarakta, reaktör hacimleri büyüktür. Hem hacmin büyüklüğü, hem de çıkış suyundaki askıda katı madde konsantrasyonunun yüksekliği bu sistemlerin en önemli mahzurlarındandır. Uygulamada, atık suların arıtılmasından ziyade arıtma çamurlarının çürütülmesi için kullanılırlar [5]. Havasız temas reaktörleri, klasik anaerobik çürütücülere çöktürme tankı ilavesi ile geliştirilmiştir. Çöktürme tankının olması, sisteme geri devir yapılabilmesini mümkün kıldığından daha uzun çamur yaşlarında işletilebilirler. Böylece, hidrolik bekletme süresi azaltılarak reaktör hacimleri küçültülmektedir [24]. Bu sistemlerde yaşanan en önemli problem çamurun çöktürülmesidir. Çöktürme tankına çıkış suyu ile aktarılan biyokütle çöktürme esnasında da biyogaz oluşturmaya devam eder ve çöktürme istenilen etkinliğe ulaşamaz [7]. Çöktürme verimini arttırmak için vakumlu gaz ayırıcı, termal şok veya plakalı çökelticiler kullanılmaktadır. HÇYR sisteminde anaerobik ayrışma atık su çamur yatağından yukarı çıkarken gerçekleşir ve biyogaz üretimi olur. Oluşan biyogaz reaktörün sıvı-katı-gaz ayırıcı birimine ulaştığında ortamdan ayrılır. Bu esnada, yukarı ulaşan biyokütle de sıvı fazdan ayrılarak tekrar çamur yatağına döner ve çıkışta katı madde gözlenmez [8] Biyofilm üzerinde çoğalan sistemler 1. Anaerobik Akışkan Yataklı Reaktörler (FB) 2. Anaerobik Filtreler (AF) [Sabit Yatak]. Anaerobik Döner Diskler 4. Perdeli Reaktörler Bu sistemlerin reaktör tipleri Şekil. te verilmiştir.

35 17 Şekil.. Biyofilm sistemlerinin reaktör tipleri [5]. Hibrid filtreler; alt kısım havasız çamur yatağı üst kısım ise havasız filtre olarak teşkil edilir. Filtre kısmındaki dolgu malzemesi yüksekliği 2 m den az olmayacak şekilde filtre kısmı toplam hacmin %50-70 ini kapsamalıdır. Bu reaktörlerde biyolojik arıtmanın büyük kısmı çamur yatağında gerçekleşir. Üst kısımdaki filtre yapısı sıvı ve katı fazlarının ayrımını sağlar ve biyokütle kaçışını engeller. Ancak son uygulamalarda dolgu malzemesi içinden geçen biyogazdan dolayı çökelmede istenilen etkinliğin sağlanamadığı saptanmıştır. Bu nedenle, dolgulu kısmın reaktör dışında ayrıca teşkilinin daha faydalı olacağı belirtilmiştir. Havasız çamur yataklı filtrenin 5-10 kg KOİ/m -gün lük organik yüklerde başarıyla çalışan birçok kurulu örneği bulunmaktadır [5]. Tüm reaktör uygulamalarının kendi içlerinde üstün ve zayıf yönleri Çizelge.2 de detaylı olarak gösterilmiştir.

36 18 Çizelge.2. Havasız reaktörlerin üstünlük ve kısıtları [9]. Klasik Havasız Çürütücü Havasız Temas Reaktörü Havasız Çamur Yataklı Reaktör Avantajları Farklı atık sular için uygundur. Yüksek askıda katı madde içeren atık sularda etkili olarak uygulanır. Tam karışım ile homojen ortam kolaylıkla sağlanır. Verim çamur stabilitesine bağlı değildir. Özellikle biyolojik çamurda etkili arıtım sağlar. Konsantre atık sular için uygundur. Tam karışım ile homojen ortam kolaylıkla sağlanır. Diğerlerine göre daha yüksek kaliteli çıkış suyu elde edilir. Klasik havasız çürütücüye göre reaktör hacmi azdır. Özellikle biyolojik çamurda etkili arıtım sağlar. Proses kontrolü kolaylıkla yapılır. Yüksek biyokütle konsantrasyonları ve uzun çamur yaşları sağlanır. Yüksek hacimsel organik yükleme yapılabildiğinden hacimleri çok daha azdır. Yüksek kalitede çıkış sağlanır. Mekaniği kolaydır. Etkin karışmış sağlanır. Kısıtları Geniş reaktör hacmi gerekli. Parçalanamayan organik madde girişi ile çıkış kalitesi düşer. Aşırı biyokütle olması çıkış kalitesini düşürür. Düşük çamur yaşmalarında stabilite ve verim çok düşer. Mekanik karıştırıcı gerekli. Biyokütle stabilitesi etkin verim için kritiktir. Sistem mekanik olarak komplekstir. Düşük hidrolik bekletme sürelerinde stabilite sağlanamaz. Verim granüler çamur oluşumuna bağlıdır. Atıksu askıda katı madde içerirse çok düşük yüklerde çalışılır. Deneyime bağlı olarak reaktör tipi değişir. Proses kontrolü tam sağlanamaz. Düşük hidrolik bekletme sürelerinde stabilite sağlanamaz.

37 19 Çizelge.2. (Devam) Havasız reaktörlerin üstünlük ve kısıtları [9]. Havasız Akışkan Yataklı Reaktör Havasız Filtre Hibrid Filtre Yüksek biyokütle konsantrasyonları ve uzun çamur yaşları sağlanır. Yüksek hacimsel organik yükleme yapılabildiğinden hacimleri çok daha azdır. Çok iyi kütle transferi mevcuttur. Yüksek kalitede çıkış sağlanır. İnşa alanı ihtiyacı çok azdır. Verim granüler çamur oluşumundan bağımsızdır. Etkin karışım sağlanır. Proses kontrollüdür. Yüksek biyokütle konsantrasyonları ve uzun çamur yaşları sağlanır. Yüksek hacimsel organik yükleme yapılabildiğinden hacimleri çok daha azdır. Yüksek kalitede çıkış sağlanır. Mekaniği kolaydır. İnşa alanı ihtiyacı çok azdır. Verim granüler çamur oluşumundan bağımsızdır. Etkin karışım sağlanır. Yüksek biyokütle konsantrasyonları ve uzun çamur yaşları sağlanır. Yüksek hacimsel organik yükleme. yapılabildiğinden hacimleri çok daha azdır. Yüksek kalitede çıkış sağlanır. Mekaniği kolaydır. İnşa alanı ihtiyacı çok azdır. Verim granüler çamur oluşumuna az da olsa bağlıdır. Uzun başlangıç evresi gerekli. Çamur yatağının akışkanlaşması ve genleşmesi için yüksek enerji gereklidir. Mekaniksel olarak komplekstir. Dolgu malzemesi maliyeti vardır Düşük hidrolik bekletme sürelerinde stabilite sağlanamaz. Askıda katı madde birikimi verimi düşürür. Yüksek askıda katı madde içeren atıksular için uygun değildir. Proses kontrolü tam sağlanamaz. Dolgu malzemesi maliyeti vardır. Düşük hidrolik bekletme sürelerinde stabilite sağlanamaz. Askıda katı madde içeren atı sularda düşük yükler uygulanır. Proses kontrolü tam sağlanamaz. Düşük hidrolik bekletme sürelerinde stabilite sağlanamaz.

38 20 4. DENEYSEL ÇALIŞMA Bu çalışma dışkının temininden, karakteristik analizlerinin yapılmasına ve fiziksel, kimyasal ön işlemlere tabi tutulmasına kadar birçok işlemi içermektedir. Tez kapsamında ihtiyaç duyulan hammadde Tarım ve Köyişleri Bakanlığı Ankara Tavukçuluk Araştırma Enstitüsü Müdürlüğü nün Ankara Haymana yolu 0.km de yer alan ve yumurta tavukçuluğu yapan (yaklaşık elli bin tavukluk) çiftliğinden günlük taze dışkı alınarak temin edilmiştir. Hijyen koşullarının sağlandığı modern bir tesis olan bu kuruluşta tavuk dışkısına büyük taneli kum, çakıl, kanat vb. yabancı maddelerin girmesi, tesis içersinde yer alan toplama ve taşıma sistemleri sayesinde sistematik olarak engellenmektedir. Deneysel çalışmalarda tekrar bir ön eleme işlemi yapılmamıştır. Beslemesi yapılacak tavuk dışkısı dış ortam koşullarına göre değerlendirilmiştir. Tavuk dışkısının temin edildiği tesiste; tavukların gelişimleri ve dışkıları sürekli gözlem altında olup pamuk küspesi, soya küspesi, çavdar, kepek, bitkisel yağ, vitamin ve mineraller gibi çok çeşitli yemler kullanılmaktadır. Aşılama işleminde kullanılacak aşı çamuru, Ankara- Sincan Yenikent de yer alan Tatlar Arıtma Tesisi nden günlük, taze olarak alınmıştır. Bu çalışmada, anaerobik arıtma öncesi yumurta tavuğu dışkısına çeşitli, ön işlemler uygulanmıştır. Uygulanan ön işlemlerin biyogaz üretim verimine etkileri ve ön işlemsiz uygulamalar arasındaki verimsel farklılıkları incelenmiştir. Yapılan bu çalışmalar, 5 aşamada gerçekleşmiştir Birinci Aşama Hammaddenin ve aşı çamurunun (fermante olmuş çamur) özelliklerinin saptanması, çalışmada uygulanan ilk aşama olmuştur. Katı madde tayini ve uçucu katı madde tayini Nebreska Su Çevre Federasyonu Standart Yöntemlerine göre yapılmıştır [40]. Alınan tavuk dışkısı ve aşı çamuru numunelerinin alındığı ortam koşullarını tam olarak yansıtıp yansıtmadığının tespiti ve numune alınacak kap içerisinde atığın homojen karışımının, sağlanıp sağlanmadığının tespiti için numuneler farklı

39 21 bölgelerden alınarak çoklu paralel ölçümler (tavuk dışkısından beş, aşı çamurundan iki farklı numune alınarak) yapılmıştır. Bu işlemler yapılırken Kern marka 0,0001gr hassas terazi, Nüve etüv, Protherm marka kül fırını ve cam malzemeden yapılmış bir desikatör ve porselen kroze ekipmanlarından faydalanılmıştır. Söz konusu tavuk dışkısı ( ) ve aşı çamuru (O) numuneleriyle ilgili analizler 0,005 gr hassasiyetle Çizelge 4.1 de verilmiştir. Çizelge 4.1. Tavuk dışkısı ve aşı çamuru üzerinde TKM ve UKM analizleri ve O TKM UKM 1 21,95 75, ,40 72,5 21,85 75, ,79 77, ,0 7,5 O 1 1,85 66,8 O 2 12,64 69,76 Deneysel ortamda tavuk dışkısı için yapılan analizlerin ortalama değerleri, toplam katı madde oranı için %22,66 uçucu katı madde oranı için %74,92 olarak bu çalışma süresince kabul edilmiş ve bundan sonra atık karakterizasyonu ve besleme optimal şartların belirlenmesi süreçlerinde tüm çalışma bu veriler üzerinden yapılmıştır İkinci Aşama İkinci aşama olarak; Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ), toplam fosfor, amonyak azotu (NH - N), toplam Kjeldahl azot (TKN) derişimleri İstanbul Teknik Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü Laboratuarı Temel Parametre Analizlerine göre ölçülmüştür [41-44]. Bu ölçümler yapılırken gerekli laboratuar koşulları sağlanarak en hassas sonuçlara ulaşılmıştır. Tüm çalışma boyunca atığın sahip olduğu karakteristik özellikler, yapılan ölçümler sonucu Çizelge 4.2 de yer alan 0,005 gr hassasiyetli sayısal değerler üzerinden yapılmıştır. Bu ölçümler yapılırken Velp Marka tekli ısıtıcılı manyetik karıştırıcı, PG Instruments T80+ UV-VIS

40 22 spektrofotometre, cam malzemeler ve metotlarda yer alan kimyasal bileşenler kullanılmıştır. Çizelge 4.2. Dışkının yapılan ölçümler neticesinde karakteristik yapısı Kimyasal Ölçümler mg/gtk(toplam katı madde) KOİ-----(Kimyasal Oksijen İhtiyacı) 1194 P toplam ---(Toplam Fosfor Miktarı) 16,57 NH - N--(Amonyak Azotu Miktarı) 41,46 TKN----(Toplam Kjeldahl Azot Miktarı) 45,17 Bu aşamada yer alan çalışma içerisinde tavuk dışkısını ön işlemli ve ön işlemsiz olarak sınıflandırmaktayız. Bu çalışma kapsamında yapılmış olan ön işlemler, %22,66 toplam katı madde (TKM), %74,92 uçucu katı madde (UKM) içeren %15 lere kadar seyreltilmiş 6,97 ph değerine sahip orijinal tavuk dışkısına uygulanmıştır. Ayrıca bu çalışmada herhangi bir ön işleme tabi tutulmayan bütün numuneler oda sıcaklığında (25 o C) işlem görmüştür. Bu şekilde dışkı, değişken sıcaklıklarda herhangi bir ön işleme maruz bırakılmamıştır, böylece bu çalışmada ön işlemsiz dışkı için sıcaklık, sabit bir parametre olarak kabul edilmiştir. Ön işlemli dışkılarda ön ısıtma yapılarak verimsel artış yakalandığı için, bu çalışma kapsamında da ön işlemli atığa 5 o C de ön ısıtma yapılmıştır. Böylece öncesinde ısıtılmayan ön işlemsiz dışkı ile öncesinde ısıtılan ön işlemli dışkı arasında da, verimsel anlamda bir değerlendirme yapılmıştır. Burada ısıtma ön işleminin 5 o C de uygulanma nedeni bu sıcaklığın anaerobik fermantasyon süreci sabit sıcaklık değeri olmasıdır. Ön işlemler yapılırken kolay temin edilebilen 1N lik H 2 SO 4 asit çözeltisi ve Ca(OH) 2 baz kullanılmıştır. Oda sıcaklığında yapılan bu çalışmada numuneler, orijinal tavuk dışkısı ön işlemsiz, asidik kimyasal ön işlemli ve bazik kimyasal ön işlemli olarak adlandırılmıştır. İkinci aşama olan bu kısımda kg tavuk dışkısı (%22,66 TKM li) ele alınarak, homojen bir şekilde 4,4 litreye distile su ile tamamlanmıştır. Bu karışımın toplam katı madde miktarı 0,005 hassasiyetle %15 olmuştur. Bu yüzdelik değer özel bir değer olmayıp referans noktası olarak çalışma için seçilmiştir. Artık bu değer

41 2 üzerinden çalışmaya devam edilmiş ve hazırlanmış olan 4,4 litrelik karışım, hacimsel olarak üç eşit parçaya (1,466 lt) bölünerek aşağıda bahsi geçen işlemler uygulanmıştır. Üç eşit parçaya bölmedeki temel maksat bir adet ön işlemsiz ve iki adet ön işlemli dışkı üzerinde çalışma yapılacak olmasıdır. 1- Birinci parçaya (Orijinal tavuk dışkısı 1,466 lt) herhangi bir ön işlem yapılmayarak, direkt reaktörlere doldurulacak şekilde hazır hale getirilmiştir. 2- İkinci parçaya (asidik kimyasal ön işlemli 1,466 lt) 1N lik H 2 SO 4 asit çözeltisi eklenmesiyle, ph değeri 5 e ayarlanmış ve 5 0 C de 2 saat süre ile bekletilmiştir. 10 dakika N 2 ile havalandırma yapılarak daha sonra da Ca(OH) 2 eklenerek ph değeri 7 ye ayarlanmıştır. - Üçüncü parçaya (bazik kimyasal ön işlemli 1,466 lt) Ca(OH) 2 eklenerek ph değeri 10,5 e ayarlanmış ve 5 0 C de 2 saat süre ile bekletilmiştir. 10 dakika N 2 ile havalandırma yapıldıktan sonra 1N lik H 2 SO 4 asit çözeltisi eklenerek aynı şekilde ph değeri 7 ye ayarlanmıştır. Çizelge 4. de yer alan 10 farklı solüsyonun tabloda verilen konsantrasyonlarda hazırlanması, NaHCO un eklenmesi ve geri kalan kısmın 1 litreye tamamlanacak şekilde distile su ile tamamlanmasıyla nütrient solüsyonu hazırlanmıştır. Bu solüsyonun hazırlanmasındaki temel maksat mikroorganizmaların ihtiyaç duyacağı minerallerin sağlanmasıdır. Bu sayede anaerobik fermantasyon sürecinde mikroorganizmaların, reaksiyonlar esnasında ihtiyaç duyacağı tüm nitrüent malzemeler reaktörlere beslenmiş olup yapılan deneysel çalışmalarda ölçümlerini yapacağımız parametreler dışında ki tüm değişkenler sabitlenmiş olacaktır. Bu şekilde sadece ön işlemli ve ön işlemsiz uygulamalar üzerinde değerlendirmeler yapılacaktır. Ayrıca bu solüsyon hazırlanırken fermantasyon için bu minerallerin engelleyici seviyede olmaması durumu ve atığın karakteristik özellikleri incelenmiştir. Örneğin tavuk atığında protein ve amino asitlerin fazla olmasından kaynaklanan yüksek azot içeriği, amonyumun toksik etkisine neden olmaktadır [45].

42 24 Bu gibi eklenecek nitrüent malzemelerin bakteriler üzerinde toksik etki oluşturmayacak sınırları, bu solüsyon hazırlanırken baz alınmıştır. Çizelge 4.. Nütrient solüsyonu Solüsyon ismi Stok Reaktördeki Solüsyon ismi kons.(mg/lt) kons. mg/lt MgSO 4.7H 2 O Metal Solusyonu Stok kons.(mg/lt) Reaktördeki kons. mg/lt KCl MnCl 2.4H 2 O 50 0,5 Na 2 S.9H 2 O NH 4 VO 50 0,5 CaCl 2.2H 2 O CuCl 2.2H 2 O 50 0,5 (NH 4 )2HPO ZnCl ,5 FeCl 2.4H 2 O AlCl.6H 2 O 50 0,5 CoCl 2.6H 2 O NaMoO 4.2H 2 O 50 0,5 KI H BO 50 0,5 Cysteine NiCl 2.6H 2 O 50 0,5 NaHCO gr(toz) NaWO 4.2H 2 O 50 0,5 Na 2 SeO 50 0,5 4.. Üçüncü Aşama Üçüncü aşama olarak; 250 ml lik cam şişeler, 20 adet test (orijinal tavuk dışkısı, alkali ısıtmalı tavuk dışkısı, asidik ısıtmalı tavuk dışkısı) ve 20 adet kontrol (A grubu) reaktörleri olarak 40 adet olacak şekilde hazırlanmıştır. A grubu reaktörler test reaktörleriyle aynı işlemlerden geçirilmiş ancak inkübatöre konulmamıştır, daha sonra ilk andaki reaktör içeriklerini belirlemek üzere analiz edilmişlerdir. Her reaktöre, Çizelge 4.4 te gösterilen miktarlarda anaerobik çamur, tavuk atığı, nütrient solüsyonu ve distile su konulmuştur. Daha sonra 200 ml aktif hacimli reaktörler %75 N 2 ve %25 CO 2 ile havalandırılarak, 20 reaktör (test reaktörleri) 5 0 C de ve 165 rpm devir hızda çalışacak Zhıcheng marka çalkalamalı inkübatöre konulmak suretiyle deneysel çalışma başlatılmıştır. Aşırı ve hızlı karıştırma nedeniyle bakteriler işlevlerini yitirmekte ve biyogaz verimi düşmektedir [46]. Çamur yatağının genleşmesi ile etkin çökelmenin birlikte sağlanabilmesi için gerekli akım hızı 0,5- m/saat tir. Ancak, gerekli karışımın sağlanamadığı durumlarda bu değer 6,0 m/saat e

43 25 kadar arttırılabilir [47]. Bu maksatla uygun karıştırma hızı bu kapsamda özel olarak seçilmiştir. Çalışma mezofilik şartlara göre yapılmaktadır. Mezofilik bölgede optimum sıcaklık 5-7ºC dir [48]. Bu yüzden çalışma sıcaklığı 5ºC olarak sabitlenmiştir. Çalkalamalı inkübatör içerisinde yer alan reaktörlerin 250 mm hacimli olması uygulamada sağladığı kolaylık sebebiyledir. Çizelge 4.4. Kontrol ve numune grupları Kontrol Test Reaktör No Reaktör No Tip Reaktördeki TKM (%) Anaerobik çamur (ml) %15 lik Tavuk Çamuru (ml) Distile Su (ml) Nutrient (ml) 1A- 2A 1,2 %0 Orijinal Dışkı ,4 16,6 200 A- 4 A, 4 % Orijinal Dışkı ,4 16, A 5 %6 Orijinal Dışkı ,4 16, A- 7A 6, 7 %10 Orijinal Dışkı ,4 16, A 8 %1 Orijinal Dışkı ,4 16, A- 10A 9, 10 11A 11 12A- 1 A 12, 1 14A 14 15A- 16A 15, 16 17A 17 18A- 19 A 18, 19 20A 20 % Alkali-ön Aktif Hacim (ml) ısıtma ,4 16,6 200 %6 Alkali-ön ısıtma ,4 16,6 200 %10 Alkali-ön ısıtma ,4 16,6 200 %1 Alkali-ön ısıtma ,4 16,6 200 % Asidik- ön ısıtma ,4 16,6 200 %6 Asidik- ön ısıtma ,4 16,6 200 %10 Asidik-ön ısıtma ,4 16,6 200 %1 Asidik-ön ısıtma ,4 16,6 200 Aşı çamuru 7,56 ph, 250 mg CaCO/L alkalinite ve 158 mg CHCOOH/L uçucu asit içermektedir.

44 Dördüncü Aşama Dördüncü aşama olarak; hazırlanan kontrol reaktörlerinin toplam katı madde oranları (TKM) ve uçucu katı madde oranları (UKM) Nebreska Su Çevre Federasyonu Standart Yöntemlerine göre hesaplanmıştır [40]. Çizelge 4.5 de yer alan 0,005 gr hassasiyetli veriler, kontrol reaktörlerinin TKM ve UKM değerlerini içermektedir. Bu sayede kontrol grubu reaktörlerine karşılık gelen ve çalkalamalı inkübatörde teste tabi tutulan test tipi reaktörlerinin TKM ve UKM değerlerleri hesaplanmış olmaktadır. Kontrol grubu reaktörlerin oluşturulma amacı test tipi reaktörleri karşılaması içindir. Çizelge 4.5. Kontrol reaktörlerinin TKM ve UKM analizleri Kontrol Grubu TKM (%) UKM (%) 1A- 2A 0,57 19,82 A- 4A 4,5 65,24 5A 6,8 65,97 6A- 7A 7,42 7,86 8A 9,60 65,88 9A- 10A,19 40, 11A 6,01 55,87 12A- 1A 8,29 51,90 14A 10,17 60, 15A- 16A 2,69 50,86 17A 5,14 65,90 18A- 19A 6,95 64,76 20A 9,62 67,09 Orijinal Tavuk Dışkısı 11,75 75,26 Anaerobik Çamur 1,42 54,67 Asit Eklenmiş Dışkı 12,02 7,89 Ca(OH) 2 Eklenen Dışkı 14,05 70,07

45 Beşinci Aşama Son aşama olarak her gün saat da tüm reaktörlerin ürettikleri toplam biyogaz miktarları ve haftalık periyotlarla, biyogaz içerisinde yer alan CH 4 gaz miktarları ölçülmüştür. Günlük ve haftalık olarak yapılan bu ölçümler zamana bağlı kümülatif eğrilere çevrilmiştir. Ayrıca bu çalışmada hidrolik bekleme süresi (HBS) 62 gün olarak kabul edilmiş ve ölçümler bu süre boyunca devam etmiştir. Bilindiği gibi hidrolik bekleme süresi (HBS), atık içerisindeki organik maddelerin bakteriler tarafından çürütülmesi sonucu biyogaz üretmesi için gerekli olan süredir [4]. Bu çalışmada bu sürenin 62 gün tutulmasında ki en temel maksat bu organik maddelerin tamamen giderilmesi ihtiyacıdır. Bu süre reaktör gaz çıkış miktarlarının sürekli olarak takip edilmesi ile gaz üretiminde oluşan yüksek düşüş seviyelerine ulaşma durumuna göre tayin edilmiştir. Gaz ölçümleri camdan imal edilmiş manometre düzeneği ile yapılmıştır. Manometre içerisinde ölçümler için cıva yerine su kullanılmıştır. Yapılan ölçümlerde ortaya çıkan su basıncının karşılığı 2,54 mm H 2 O eşittir 0,187 mm H g üzerinden değerlendirilmiştir [49]. CH 4 gazı ölçümü yapılırken KOH solüsyonundan faydalanılmıştır. Reaktörlerde oluşan biyogazın bir kısmı haftada bir gün şırınga ile alınarak kapalı bir serum şişesinde basıncı atmosferik basınca eşitlenmiş olan ve 20 g/l derişiminde KOH içeren çözeltiye verilmiştir. -4 dakikalık karıştırma işlemiyle KOH ın CO 2 ve H 2 S ile tepkimeye girmesi sağlanmıştır. %99.9 oranında metan içeren kalan gaz şırınga ile çözelti şişesinden çekilmiş ve hacmi kaydedilmiştir. Kalan gaz hacminin başlangıçta alınan toplam gaz hacmine oranı biyogaz içindeki metanın oranını vermektedir [50]. Biyogaz içerisinde bulunan CH 4 gazının haftalık ölçümlerinin yüzdesel karşılıkları 0,05 hassasiyetle Çizelge 4.6 da belirtilmiştir.

46 28 Çizelge 4.6. Haftalık biyogaz içerisindeki metan yüzdeleri Reaktörler 1.Hafta 2.Hafta.Hafta 4.Hafta 5.Hafta 6.Hafta Ortalama 1-Kontrol(%0 Orj. Dışkı) ,5 2-Kontrol(%0 Orj. Dışkı) ,7 -% Orijinal Dışkı 62, , ,5 4-% Orijinal Dışkı 56,5 7 78,5 75, ,1 5-%6 Orijinal Dışkı , 81, ,8 6-%10 Orijinal Dışkı ,5 84, ,2 81,2 7-%10 Orijinal Dışkı 67 67,5 8,5 65,5 81, ,5 8-%1 Orijinal Dışkı ,5 9-% Alkali Dışkı ,0 10-% Alkali Dışkı ,8 11-%6 Alkali Dışkı %10 Alkali Dışkı , ,08 1-%10 Alkali Dışkı 55 55,5 68,5 75,5 8, ,8 14-%1 Alkali Dışkı ,5 64, ,50 15-% Asit Dışkı 81, ,91 16-% Asit Dışkı , ,08 17-%6 Asit Dışkı ,66 18-%10 Asit Dışkı , ,08 19-%10 Asit Dışkı , 20-%1 Asit Dışkı , ,75

47 29 5. DENEYSEL SONUÇLAR Bu çalışma kapsamında, ilk olarak tavuk dışkısının karakteristik özellikleri belirlenmiş olup, daha sonra bu özellikleri değiştirmeden uygulanan fiziksel ve kimyasal ön işlemler neticesinde alınan sonuçlar ve biyogaz içerisindeki metan yüzdeleri analiz edilmiştir. Farklı reaktör gruplarının sahip olduğu biyogaz değerlerine Şekil te yer verilmiştir. Bu grafiklerin alt kısmında belirtilen 1 den 20 ye kadar olan rakamsal değerler orijinal, alkali ve asit numune gruplarının reaktör numaralarını göstermektedir. Şekil 5.1. Kontrol grubu biyogaz eğrisi Kontrol grubu biyogaz eğrisi grafiğinde görüldüğü üzere kontrol 1 ve kontrol 2 grupları zaten fermante olmuş çamur olduğu için kısa süre içerisinde bu grupların içerdikleri mevcut bakteriler etkinliğini yitirmekte ve gaz üretimi sıfır seviyelerine düşmektedir.

48 0 Şekil 5.2. Orijinal grubu biyogaz eğrisi Orijinal grubu biyogaz eğrileri farklı katı madde miktarlarını içeren herhangi bir ön işleme maruz kalmamış çamur gruplarıdır. Bu grafikte görüldüğü üzere %6 orijinal çamur grubu ile %1 orijinal çamur grubu arasında olan %10 luk çamur grubu iki ayrı eğride de en üst gaz üretim değerlerine sahiptir. Şekil 5.. Alkali grubu biyogaz eğrisi Alkali grubu biyogaz eğrilerinin bulunduğu Şekil 5. nolu grafikte yer alan her alkali ön işleme maruz kalmış çamur reaktörü günlere göre farklı verimsel değerlere sahip olmaktadır. % alkali ön işlemli çamur reaktör aşırı değişken bir eğriye sahip olmamakla birlikte en düşük gaz çıkış değerlerinden bir tanesidir. %10 alkali reaktöründe kısa süreli artışlar olmasına rağmen yüksek üretim değerleri sürekli değildir. % ila %1 alkali ön işlemli reaktör grupları sürekli olarak alt üretim değerlerine sahiptir.

49 1 Şekil 5.4. Asit grubu biyogaz eğrisi Asit grubu biyogaz eğirleri içerisinde %10 asit ön işlemli reaktör gruplarının değişik zaman süreçlerinde yüksek miktarlı gaz artış değerlerine sahip olduğu ve bu artışların genel toplam içerisinde kümülatif toplamda en fazla gaz miktarına sahip olduğu görülmektedir. % ve %1 asit ön işlemli reaktör gruplarının kümülatif toplamda ve günlük gaz çıkış değerlerinde sürekli ancak düşük miktarlara sahip olduğu gözlemlenmektedir. Şekil 5.5. Kontrol grubu günlük toplam biyogaz eğrileri Kontrol grubu biyogaz eğrileri Şekil 5.5 te görüldüğü üzere düşük üretim değerleri ile başlayıp kısa süre içerisinde son bulmuş ve düşük kümülatif toplam değerlerine sahiptir. 2 nolu kontrol reaktörünün genel toplamda negatif değerlere düşmesinin sebebi gaz basıncı ölçümü yapılırken içeride oluşan negatif basınçtan dolayıdır.

50 2 Kümülatif gaz üretim miktarlarının düşük olmasının en önemli sebebi çamurların fermante olmuş olması ve mevcut anaerobik bakterilerin işlevsel etkinliğini süreç içerisinde yitirmesidir. Şekil 5.6. Orjinal grubu günlük toplam biyogaz eğrileri Herhangi bir ön işleme maruz kalmayan çamur reaktör gruplarının arasında kümülatif anlamda en fazla gaz değerine sahip olan %10 katı madde içeren 7 nolu rektördür. Hemen ardından yine %10 gaz toplam değerine sahip %10 katı madde içeren 6 nolu reaktördür. İki aynı katı madde içeren aynı özellikteki reaktör grupları arasında ki gaz miktarı farklılığı mevcut deneysel çalışma öncesi reaktör grupları hazırlanırken tavuk dışkılarına herhangi bir ön süzme ya da filtreme yapılmamasıdır. Bu yüzden mevcut tavuk dışkılarında kanat, yem gibi benzeri yabancı atıklarda bulunmaktadır. Bu durum; atıkların dağılımında yeterli homojenlik durumunun yakalanamasına sebep olmuştur. Reaktör gruplarının oluşturulması sürecinde tüm partiküler maddelerin alınması tamamen sıvılaştırıp homojen olarak karışımın sağlanması ve bu şekilde çalışmanın başlatılması durumunda aynı katı madde oranını ve aynı gaz verimini yakalamak mümkün olacaktı. Ancak bu çalışmada elde edilen parametreler büyük ölçekli bir uygulamaya yakın değerler olsun diye partikül maddelerin tamamen ayrıştırılması yoluna gidilmemiştir.

51 Şekil 5.7. Alkali grubu günlük toplam biyogaz eğrileri Alkali ön işlemli biyogaz eğrilerinin yer aldığı Şekil 5.7 de görüldüğü üzere %10 katı madde içeren alkali ön işlemli 1 nolu reaktör en fazla üretim değerlerine sahip olmaktadır. Ancak diğer %10 katı madde içeren 12 nolu reaktör en düşük kümülatif değerlerden bir tanesidir. Buda yeterli homojenliğin sağlanaması ve benzer reaktör grupları içerisinde farklı yabancı partiküllerin bulunuyor olmasıdır. Yine bu çalışmada %6 katı madde içerikli 11 nolu reaktör en 1 nolu reaktörden sonra en fazla üretim değerine sahiptir. Şekil 5.8. Asit grubu günlük toplam biyogaz eğrileri Asidik ön işlemli reaktör grupları içerisinde en fazla gaz üretim toplam değeri %10 katı madde içeren 18 nolu reaktördür. Aynı şekilde 19 nolu reaktörde genel toplamda

52 4 18 nolu reaktöre yakın bir değerdedir. % ve %1 reaktör grupları ise genel toplamda diğer reaktörlere göre daha düşük değerdedir. Ancak toplam değerler çok farklı olmayıp birbirine yakın özelliktedir. Şekil 5.9. Kontrol, orijinal, alkali, asit grubu günlük toplam biyogaz eğrileri Tüm biyogaz eğrileri içerisinde kümülatif toplam değerlerine bakıldığı zaman %10 katı madde içeren herhangi bir ön işleme maruz kalmayan orijinal atık içerikli 6 ve 7 nolu reaktörlerdir. Paralel reaktör grupları; Şekil Kontrol grubu günlük toplam biyogaz eğrileri

53 5 Kontrol grubu reaktörler mevcut reaktörlerin içerisinde oluşan ters basınç durumu düşünülmediği durumda yakın değerlere sahiptir. Birebir aynı değerleri verme durumu reaktörler içerisinde fermante olmuş çamurun farklı partiküllerde tam homojen olmayan karışım değerlerine sahip olmasından dolayıdır. Düşük gaz çıkış miktarları ise çamurun zaten fermante olmasından dolayıdır. Şekil % lük reaktör grubu günlük toplam biyogaz eğrileri % lük reaktör grupları arasında en fazla gaz üretim durumu ön işlemsiz orijinal dışkı içeren ve 4 nolu reaktör grubudur. Şekil %6 lık reaktör grubu günlük toplam biyogaz eğriler %6 lık reaktör grupları arasında en fazla gaz üretim değerlerine sahip olan reaktörler in işlemsiz orijinal atık olan 5 nolu reaktör ile alkali ön işlemli 11 nolu reaktördür.

54 6 Şekil 5.1. %10 lık reaktör grubu günlük toplam biyogaz eğrileri %10 luk paralel reaktör grupları arasında en fazla gaz üretim değeri 7 nolu ön işlemsiz orijinal atık içerikli reaktördür. Yine ikinci en fazla gaz üretim değeri 6 nolu orijinal atık içerikli reaktördür. Aradaki toplam fark iki reaktör içerisinde tam homojen bir karışımın sağlanamaması nedeni iledir. Şekil %1 lık reaktör grubu günlük toplam biyogaz eğrileri %1 lık reaktör grubu günlük toplam biyogaz eğrileri içinde en fazla üretim değeri 8 nolu orijinal atık içerikli ön işlemsiz reaktöre aittir. Tüm reaktör grupları içerisinde yer alan reaktör üretim değerleri birbirine yakındır. Çizelge 4.4 te yer alan veriler çalkalamalı inkübatörde teste tabi tutulan reaktörler arasında bulunan kontrol grubu, orijinal grubu, asit grubu ve alkali grubu olarak ön

55 7 işlemlerine göre grafiksel olarak gösterilmiştir (Şekil ). Daha sonra %, %6, %10 ve %1 lük olarak TKM değerlerine göre grafikler haline getirilmiştir (Şekil ). Bu grafiklerin tamamı biyogaz içerisinde ki metan değerini ve bu değerin haftalara göre değişimini yüzdesel olarak göstermektedir. Şekil Kontrol grubu haftalık metan oranı eğrisi Şekil Orjinal grubu haftalık metan oranı eğrisi Şekil Alkali grubu haftalık metan oranı eğrisi

56 8 Şekil Asit grubu haftalık metan oranı eğrisi Paralel reaktör grupları; Şekil % lük grubu haftalık metan oranı eğrisi Şekil %6 lık grubu haftalık metan oranı eğrisi

57 9 Şekil %10 luk grubu haftalık metan oranı eğrisi Şekil %1 lük grubu haftalık metan oranı eğrisi Çalışma resimleri; Resim 5.1. Isıtıcılı manyetik karıştırıcı Resim 5.2. Titrasyon düzeneği

58 40 Resim 5.. Hassas terazi Resim 5.4. ph metre ve termostat Resim 5.5. Termocouple Resim 5.6. Kül fırını Resim 5.7. Etüv Resim 5.8. Çalkalamalı inkübatör

59 41 Resim 5.9. Spektrofotometre Resim CO 2 ve N 2 gazı sistemleri Resim 5.1 de yer alan ısıtıcılı manyetik karıştırıcı deneysel çalışmalardaki balon jojelerin ısıtılması ve homojenliğin sağlanabilmesi için karıştırma işlemlerinin yapıldığı bir düzenektir. Resim 5.2 de yer alan titrasyon düzeneği ile uçucu asit miktarının ölçümü, KOİ ölçümünün yapılması ve diğer kimyasal süreçlerde yer alan titrasyon çalışmalarının yapılması durumlarında kullanılmıştır. Resim 5. te ki hassas terazi tüm deneysel çalışmalarda solüsyonlar ve karışımlar hazırlanırken bileşenlerin ağırlık tespitinin yapılması, katı madde ve uçucu katı madde tespiti yapılırken ağırlık ölçümlerin yapılması süreçlerinde kullanılmıştır. Resim 5.4 te olan ph metre ve termostat deneysel çalışma sürecinde dışkının ön işlemsiz ve ön işlemli durumlarında ph ölçümlerinde ve ph ayarlama durumlarında kullanılmıştır. Sonraki çalışma sırasındada ph ölçümleri için kullanılmıştır. Resim 5.5 te yer alan termocouple ise KOİ ölçümünde, Toplam fosfor ölçümünde, amonyak azotu ölçümünde vi diğer ölçümlerde spektrofotometre öncesi ısıtma ön işleminin yapıldığı cihazdır. Resim 5.6 da yer alan Kül fırını ise uçucu katı madde tespitinin yapıldığı düzenektir. Resim 5.7 de olan cihaz Etüv düzeneğidir. Bu düzenek toplam katı madde tespitinin yapılmasında kullanılır. Resim 5.8 de yer alan cihaz Çalkalamalı inkübatördür. Bu cihaz 250 ml lik şişilerde yapılan anaerobik fermantasyon süreci için gerekli sıcaklık, karıştırma gibi ortam şartlarını sağlayan ve sabitleyen bir sistem olarak kullanılmıştır. Resim 5.92 de yer alan Spektrofotometre

60 42 cihazı ile KOİ, Toplam fosfor, Amonyak Azotu ölçümleri yapılmıştır. Resim 5.10 da yer alan tüpler ise CO 2 ve N 2 gazı sistemleridir. Reaktörlerin havasızlaştırılması ve gaz sistemlerinin oluşturulması süreçlerinde kullanılmıştır.

61 4 6. BİYOGAZ TESİSİ TASARIMI Şekil 6.1. Kurulumu yapılan biyogaz tesisi sistem şeması Biyogaz tesisi kapsamında yapılan tüm çalışma Şekil 6.1 de ayrıntılı olarak gösterilmiştir. Bu şemada yer alan 1.reaktör ve 2.reaktör ayrı ayrı tasarlanmış ve mevcut biyogaz tesisi içerisinde sistem çalışması tekli reaktör ve ikili reaktör olacak şekilde ayrı ayrı uygulamalara dahil edilmiştir. 2 numaralı geri dönüşüm tankı tek reaktörlü uygulamalarda ayrıca sürece dahil edilmiş ve verimsel değişkenlikler takip edilmiştir. Ön besleme tankı bir günlük mevcut ihtiyacı karşılayacak kadar olmalıdır. Bu çalışmada emniyetli olarak 50 litrelik paslanmaz çelikten imal edilmiş orta gövdenin silindirik alt gövdenin ise küresel olduğu bir tank imal edilmiştir. Çamur tankıda aynı hacimde olup sisteme ilave edilmiştir. Flare ise 1m /sa yakma debisine sahip olacak şekilde m yüksekliğinde silindirik bir saç silo içerisine yerleştirilen otomatik yakma ünitesinden oluşmaktadır.

62 Anaerobik Reaktör Tasarım Parametreleri Çizelge 6.1. Deneysel çalışmalar neticesinde elde edilen değerler ve kabuller Hidrolik besleme süresi, øh =20 gün alınır. İlk tasarım işletmeye alma verileri üzerinden yapılacaktır. Øh = Øç (çamur yaşı) Çiftlik kapasitesi Karıştırma sıcaklığı, Ham Çamur Sıcaklığı, yumurta tavuğu T = 5 o C T = 17 o C Çamur Sıvı Özgül Ağırlığı,(%7.4 KM) ρ = 917 kg/ m Toplam Katı, TK = %7.4 Uçucu Katı Madde, UKM/TKM=a Hidrolik bekleme süresi, Tavuk sayısı, UKM=7.86 a=0,74 θc= 20,727 gün N=90 adet Tavuk için günlük gübre üretimi ise ,1 kg (yaş)/gün veya canlı ağırlığın %-4 üdür.(0,0814 kg alıyoruz.) Yapılan tasarım Tarım Bakanlığı Haymana Yumurta Tavuğu Çiftliğinin 1/125 ölçeklendirilmiş halidir. KOİ (SM5220 B:2005 Açık Refask Metdou) Toplam Fosfor(SM4500-P E Askorbik Asil Metodu) NHN (SM4500- NH C:Titrimetrik Yöntem) TKN(SM4500-Norg B:2005 Makro-Kjeldahl Metodu) Biyokütle sentez hızı,y (Overall combined) 1194 mg/gtk 16,57 mg/gtk 41,46 mg/gtk 45,17 mg/gtk 0,08 guakm/gkoi Çamur kütlesine dönüştürülen giderilmiş KOİ frak,e %90 İçsel solunum hız sabiti, kd Maksimum özgül çoğalma hızı Yarı hız konsantrasyonu, Ks m 0,0 g/g.d 0,20 g/g.d 160 mg/l Biyogazın özgül ağırlığının havanınkinin %86 sı olduğu kabul edilmiştir. ρhava kg/m fd=0,15 UKM hücre kalıntısı/gukm biokütle ölümü Gaz içeriği %72 Metan üretimi, 5 o C de 0,4 m / kg KOİ Çizelge 6.1 de yer alan mevcut değerler atık üzerinde yapılan deneysel çalışmalar neticesinde elde edilmiş olup yapılan kabuller ise mevcut atığın kinematik denklemlerde kullanılan parametrelerdir.

63 I. Reaktör Bu tez çalışmasında iki farklı reaktör uygulaması biyogaz tesisi içerisinde denenmiştir. Burada ki temel maksat tek reaktör ve iki reaktör durumlarının verimsel olara tespitinin yapılmasıdır. Bu kısımda reaktörün tekli olması durumunda tasarım şekli oluşturmuştur Çürütücü(Reaktör) hacmi ve boyutları Doğumlarına göre farklı haftalıklarda tavukların ve farklı cinslerde tavukların olması nedeniyle ortalama olarak tavuk ağırlığını 2,2 kg kabul ederek tavuk için günlük gübre üretimini ise 0,0814 kg (yaş)/gün olarak kabul ediyoruz. 0,0814 kg x 0,22 = 0,0179 kg KM/adet tavuk çıkar. (6.1) I.reaktör için günlük çiftlikten alınacak (çamur) yaş gübre miktarı YGM = (0,0179 kg x 250) / 0,22 = 20,4 kg/gün bulunur. (6.2) İlk reaktör 250, ikinci reaktör 140 toplamda 90 tavukluk bir çiftlik için yapılan bir arıtma tesisidir. Q w (besleme debisi) nin tespitinin yapılması; Qw = kg(kuru)/n-gün x 250 N x 917 kg/m =0.066 m /gün (6.) Çürütücü Hacmi ve Boyutları, m Vç = Qw x Ø h = π x (D/2) 2 x H 5, (A= π x (D/2) 2 ) (6.4) Vç = 1,2 m, D=1, m olarak bulundu.

64 46 Şekil 6.2. I.Reaktör ölçüleri Reaktör Kabul Parametreleri; Aşağıda yer alan değerler yukarı akışkan yataklı reaktör modellemesinde kullanılan oransal düzenlemeye göre seçilmiş olup birebir ölçeklendirilmiş boyutlardır. İlave yükseklik Köpük Hacmi, H Hava Payı, H 2 :0,45 m :0,22 m :0,2 m Taban Eğimi : 0,17 Taban Konisi Yükseklik : D/2 x 0,17 = 0,11 m (6.5) Aktif Çürütücü Hacmi, Vaç: (π x (D/2) 2 x H 5 ) + (1/ x π x (D/2) 2 x H 1 ) (6.6) Vaç = 1,68 m Aktif çürütücü hacmi mevcut reaktör yapısı içerisinde çamur ile reaktörün sürekli birebir temas halinde olduğu kısımdır. Yani gaz kısmı harici olan çürütmenin olduğu kısımdır.

65 Gerçek çamur yaşı ve çamur yükleri Gerçek Çamur Yaşı, Øç = (Aktif Çür. Hac., Vaç) / (Çam.Deb., Qw) [24]. (6.7) Øç = 1,68 m / m /gün Øç =20,727 gün olarak bulundu. Gerçek çamur yaşı mevcut çürümenin gerçekleşebilmesi için gerekli olan hidrolik bekleme süresidir. Not: 20 gün olan hidrolik bekleme süresi reaktöre olan eklemeler yüzünden tasarım yapılırken ya 0,727 gün artırılır ya da 1,68 / 20 = 0,684 m /gün olarak debide artışa gidilir. Bu tasarımda HRT yi artırmayı uygun görerek tasarımımıza devam edilmiştir. Günlük Ham Çamur = Tavuk günlük KM üretimi 0,0184 kg (yaş)/gün x Tavuk sayısı Günlük Ham Çamur = 0,0179 kg (kuru)/n-gün x 250 N = 4,475 kg KM / gün çıktı. UKM yükü = Günlük Ham Çamur x (UKM/TKM) [24]. (6.8) Aktif Çürütücü Hacmi, Vç 4,475 kg KM / gün x 0,74 UKM yükü = = 2,42 kg UKM/gün 1,68 olarak bulundu. UKM yükü mevcut atık üzerinde yer alan organik katı madde miktarını ifade eder Çürümüş çamur ve biyogaz hesapları Ort. Çam. Mik. = Tavuk KM üret., 0,0184 kg (yaş) /gün x Tavuk Sayısı (6.9) OÇM = 0,0179 x 250 = 4,475 kg TKM /gün olarak bulundu. Ortalama çamur debisi = 0,066 m /gün önceden bulunmuştu. Ortalama çamur miktarı x10 KM Konsantrasyonu = Ortalama çamur debisi = 6780,0 gr TKM/m (6.10)

66 48 olarak formülden çıkarılmıştır. Bulunan sonuç birim hacimdeki toplam katı madde miktarıdır. UKM/TKM= 0,74 (Deneysel çalışmalar ile önceden tespit edildi) 1 gr biyolojik olarak parçalanan UKM, 1.42 gr BOİ u ye eşittir. Y= 0.08 gr hücre üretilen / gr KOİ tüketilen 1 kd = 0.0 ( gün ) E = 0,90 BOİ u = KM Konsant. x (UKM/TKM) x 1,42 [24]. (6.11) BOİ u = 71247,424 grboi u / m bulunmuştur. Çürütücüde üretilen net biyokütle,px (Fermante olmuş çamur); Y x Ortalama çamur debisi x E x BOİu [24]. (6.12) Px = 1+kd x c Px = - 0,08 x x 0,90 x 71247,424 x ,0 x 20,727 Px =0,2088 kg UKM/gün formülden çıkarıldı. Q CH4 = 0,4[(E x Ortalama çamur debisi x BOİu ) - (1,42 x Px) ] [24]. (6.1) 5 C de metan üretimi katsayısı = 0,4 Q CH4 = 0,4[ ( 0,90 x 0,066 x 71247,424 x Q CH4 = 1,5742 T=5 C de QCH4 x (27+5) Q CH4 = ) - (1,42 x 0,2088) ] m /gün olarak toplam metan debisi formülden çıkarılmıştır. (6.14) Q CH4 = 1,776 m /gün (T=5 C, 1 Atm) bulundu. Oluşan gazın içerisindeki CH 4 yüzdesi %72 olarak kabul edilirse; Qgaz = Q CH4 / 0.72 (6.15) Qgaz = 2,4667 m /gün olarak toplam günlük biyogaz debisi ortaya çıkarılmıştır.

67 49 Sağlaması; E = 2,86 x Qg x α [24]. (6.16) Qi x So E = KOİ giderme verimi Qg = Reaktörde üretilen biyogaz debisi α = Üretilen biyogazdaki CH4 yüzdesi % m /gün Qi = Reaktöre beslenen atık su debisi m /gün So = Beslenen atığın KOİ değeri kg/ m Sağlaması yapıldığı zaman Qgaz değeri 2,46 m /gün olarak ortaya konmuştur. E değeri mevcut KOİ değeri ile 6.16 daki denklemle Qgaz değerinin sağlamasının yapılmasında kullanılır Çürümüş çamur miktarı Çürüme öncesi UKM = Ortalama çamur miktarı x (UKM/TKM) [24]. (6.17) Çürüme öncesi UKM = 4,475 x 0,74 =,115 kg / gün çıkmıştır. Giderilen UKM=0.666 x Çür. Ön. UKM = 2,1856 kg/gün çıkmıştır. (6.18) UKM nin %,4 ü parçalanamaz kabulü yapıldı. Çürütme sonrası kalan TKM = Ortalama çamur miktarı - Giderilen UKM (6.19) TKM kalan = 4,475-2,1856 = 2,2894 kg/gün bulundu. (+Px 0) Çürütme öncesi KM oranı %7.4 Çürütücüye giren toplam kütle = Ort. çamur miktarı / Çürütme öncesi KM (6.20) Çürütücüye giren toplam kütle = 4,475 / 0,074 = 60,47 kg/gün bulundu. Gaza dönüşen kütle, m g = Q gaz x ρ hava x 0.86 (6.21) m g = 2,4667 m /gün x kg/m x 0,86 = 2,46502 kg/gün formülden çıkarıldı. Çürütücüden çıkan toplam kütle, mç mç = Çürütücüye giren toplam kütle - Gaza dönüşen kütle (6.22) mç = 60,47 kg/gün - 2,46502 kg/gün = 58,00798 kg/gün bulundu.

68 50 Çürümüş çamur birikim hızı = Çürütücüden çıkan toplam kütle Çamur Özgül Ağırlığı [24]. (6.2) Çürümüş çamur birikim hızı = 0,06 m /gün formülden çıkarıldı Çürümüş çamur sıvısı(su fazı) debisinin hesabı Çürümüş çamur sıvısındaki KM = S kg/gün Çürümüş çamur sıvısındaki TKM = 6600 mg/l (kabul) (İterasyonla bulundu) Çürümüş çamur sıvısı özgül ağırlığı = 0,990gr/ cm Çürümüş çamurun KM oranı = (%8 kabul) Çürümüş çamur üzerindeki katı madde dengesi yazılırsa: kg/gün x 250 Qw = x 922 kg/m = 0,066 m /gün S/(0,0066) + (2,2894 S)/(0,08) = 58,00798 kg/gün S = 0,2114 kg/gün sonucu çıkarıldı. [24]. (6.24) Şekil 6.. KM UKM değişimi [24]. Şekil 6. de yer alan görsel, fermantasyon süreci ile reaktöre giren çamurun katı madde ve uçucu katı madde miktarında değişimi göstermektedir.

69 51 Çürümüş çamur sıvısı debisi = S / Çürümüş çamur sıvısındaki TKM (6.25) = 0,2114 / (0,0066 x 990) = 0,025 m /gün S Çürümüş çamur sıvısı AKM si = (6.26) Çürümüş çamur sıvısı debisi = 0,2114x1000 x10 = 655 mg/l 0,025 çürümüş çamur sıvısında yer alan askıda katı madde miktarı(akm) olarak bu değer bulundu Çürümüş çamur suyu tahliye sistemi Reaktörün tepe kısmından yapılmıştır. Boru tıkandığında sıcak su basılarak tıkanıklık giderilmiştir. Tahliyenin tepede olması yağ ve köpükle tıkanma halinde kolayca temizlik imkânı tanımıştır. Çürümüş çamur suyunun yukarıdan emniyetle tahliyesi sağlanmıştır. Çamurun doğrudan görsel kontrolü yapılmıştır. Çıkış olurken içeriye hava girişi engellenmiştir Çürümüş çamur miktarı karşılaştırmalı hesabı Çür. Çam. Mik. = Çürüme sonu kalan TKM Çür. çamur suyuyla atılan TKM (6.27) Çürümüş çamur miktarı = 2,2894-0,2114 = 2,0780 kg/gün formülden çıkarıldı. Çürümüş çamur miktarı Çürümüş çamur debisi = Çürümüş çamurun KM oranı x Çamur özgül ağırlığı (6.28) Not: Çürümüş çamur özgül ağırlığı=0,911 gr/ cm (KM oranı %8 e göre hesaplanır ) Çürümüş çamur debisi = 2,0780 0,08 x 911 = 0,0285 m /gün olarak bulundu.

70 52 Not: Yapılan kabuller çerçevesinde giriş debisini kabuller tam karşılamamıştır. Çürümüş çamur debisi fermantasyon süreci içerisinde mevut çamurun fermante olan debisini göstermektedir. 0,066 m /gün eşit olmalı 0,02851 m /gün + 0,025 m /gün. (6.29) Ancak 0,0051 m /gün olarak günlük reaktör içinde fazlalık debi oluşmaktadır. Onun için yukarıda kabuller dahilinde hesaplanan çürümüş çamur sıvısı debisine bu fazlalığı ekleyerek bu sorunu gidermiş olduk. Yani son durum Çürümüş çamur sıvısı debisi =0,075 Çürümüş çamur debisi m /gün. =0,0285 m /gün Reaktör atık besleme debisi =0,0660 m /gün olur Boru hatları tasarımı Çürütücüye ham çamur besleme boru hattı: Ham çamur besleme hattında minimum boru çapı 4 mm olup V 0,5 m/sa hız limiti sağlanacak şekilde, pompalar timer kontrol olarak kesikli işletilmek suretiyle çamur iletilir. Bu hız limiti sürekli sistemde istenilen süre içerisinde mevcut çamurun taşınması için deneysel çalışmalarla tavuk gübresi yükleme oranına göre seçilmiştir. Yükleme oranı hesabı.1 nolu denklemde gösterilmiştir. Pompaların çalışma aralıkları birden fazla pompa aynı anda çalışmayacak şekilde tasarlanır. Yoğunlaşmış çamur kontrol yapısındaki özel vanalarla çürütücülere eşit olarak dağıtılır. Qw = kg/gün x x 922 kg/m = 0,066 m /gün olarak çıktı. (6.0) V x A = 0,066 / 24 m /sa = 0,5 m/sa x A (6.1) A = 5,5 x 10 m 2 formülden çıkarıldı. D boru = 0,087 m = 8,7 mm

71 5 Not: Sürekli pompa çalışması durumunda bu sonuç elde edilir. Kesikli olacaksa akış hızı ve çap tekrar belirlenir. Mevcut yükleme oranına göre beslemenin yapılması gerekliliği ve istenilen süre içerisinde çamurun reaktöre iletilmesi durumu mevcut çamur miktarının farklı bir debi ve boru çapı ile verilmesi gerekliliğini ortaya koyar. Çürütücü çürümüş çamur sıvısı çıkış boru hattı: Burada yükseklik farkından dolayı oluşacak basınç ile aktarım yapılacak olup pompa kullanılmayacaktır. Vç 0.5 m/sa hız limitini sağlayacak şekilde boru kısmı tasarlanacaktır. Çürümüş çamur sıvısı debisi = 0,070 m /gün. V x A = 0,070 / 24 m /sa = 1,5416 x 10 m/sa = V x A (6.2) A =,08 x 10 m 2 formülden çıkarıldı. D boru = 0,06265 m = 62,65 mm alan formülünden çıkarıldı. Çürütücü çürümüş çamur çıkış boru hattı: Çürümüş çamur çıkış hattında minimum boru çapı 4 mm olup V 0.5 m/sa hız limiti sağlanacak şekilde, pompalar timer kontrol olarak kesikli işletilmek suretiyle çamur çekilir. Pompaların çalışma aralıkları birden fazla pompa aynı anda çalışmayacak şekilde tasarlanır. Çürümüş çamur debisi = 0,0290 m /gün V x A = 0,0290 / 24 A = 2,4166x 10 m 2 m /sa = 1,208 x 10 m/sa = V x A (6.) D boru = 0,05547 m = 55,47 mm çıkarıldı.

72 İkinci Reaktör Şekil 6.4. İki reaktörlü biyogaz tesisi tasarımı [24]. İkinci reaktör birinci reaktöre ek olarak sisteme ilave edilmiştir. Burada ki temel maksat iki reaktörlü uygulamada tek reaktöre göre gaz değişim miktarı ve oranının nasıl olacağının tespitidir Çürütücü hacmi ve boyutları Çamur Debisi, m /gün Qw 1 ; ilk reaktörden çıkan %8 katı madde oranlı çürümüş çamur Qw 2 ; atık besleme borusuyla yapılan %7,4 katı madde oranlı çamur Qw 1 = Qw 2 = 0,070 m /gün m /gün 0,0814 kg x 0,22 = 0,0179 kg KM/N (6.4) katı madde miktarı günlük olarak tavuk başına ortaya çıkar. II. reaktör için çiftlikten alınacak gübre mik.=(0,0179kg x 140) / 0,22 = 11,9 kg/gün

73 kg(kuru)/n-gün x 140 N Qw 1= x 917 kg/ m = m /gün bulundu. (6.5) Qw = Qw 1 + Qw 2 = m /gün toplam değer oldu. (6.6) Qw değeri reaktöre beslenecek toplam debiyi ifade eder ve tüm tavuklardan çıkan dışkıları kapsar. Çürütücü Hacmi ve Boyutları, m Vç = Qw x Ø h = π x (D/2) 2 x H 5, (A= π x (D/2) 2 ) (6.7) Vç = 1,2 m, D=1, m olarak formülden çıkarıldı. Şekil 6.5. II. Reaktör ölçüleri Aşağıda yer alan değerler yukarı akışkan yataklı reaktör modellemesinde kullanılan oransal düzenlemeye göre seçilmiş olup birebir ölçeklendirilmiş boyutlardır. İlave yükseklik : 0,45 m Köpük Hacmi,H : 0,22 m Hava Payı,H 2 : 0,2 m Taban Eğimi : 0,17 Taban Konisi Yükseklik : D/2 x 0,17 = 0,11 m (6.9)

74 56 Aktif Çürütücü Hacmi, Vaç: (π x (D/2) 2 x H 5 ) + (1/ x π x (D/2) 2 x H 1 ) (6.40) Vaç = 1,68 m formülden çıkarıldı. Bu hacim çürütücü içerisinde çamur ile sürekli temas halinde olan kısımdır Gerçek çamur yaşı ve çamur yükleri Gerçek Çamur Yaşı, θc= (Aktif Çürütücü Hacmi, Vaç) / (Çamur Debisi, Qw) (6.41) θc = 1,68 m / m /gün θc = 20,727 gün olarak tespit edildi. Not: 20 gün olan hidrolik bekleme süresi reaktöre olan eklemeler yüzünden tasarım yapılırken ya 0,727 gün artırılır ya da 1,68 / 20 = 0,684 m /gün olarak debide artışa gidilir. Bu tasarımda HRT yi artırmayı uygun görerek tasarımımıza devam ettik. İlk reaktörden gelen %8 lik çürümüş çamur içerisindeki katı madde miktarı 2,1185 (kg/gün) olarak ilk hesaplamada bulundu. Günlük Ham Çamur = kg (yaş)/gün x Tavuk sayısı (6.42) Günlük Ham Çamur = 0,0184 kg (kuru)/n-gün x 140 N = 2,576 kg KM / gün olarak bulundu. TKM = 2,576 kg KM / gün + 2,1185 kg KM /gün= 4,6898 kg KM /gün (6.4) UKM/TKM = 0,70 (ilk besleme %8 lik, ikinci besleme %7,4 lük, ortalama %7,766 lik olur.) UKM yükü = Günlük Ham Çamur x (UKM/TKM) (6.44) Aktif Çürütücü Hacmi, Vç UKM yükü = 4,6898 kg KM / gün x 0,70 = 2,997 kg UKM / m -gün bulundu. 1,68 m

75 57 UKM yükü günlük ham çamur üzerinde bulunan uçucu katı madde miktarını ifade eder Çürümüş çamur ve biyogaz hesapları OÇM = 4,6898 kg TKM / gün Ortalama çamur debisi = m /gün KM Konsantrasyonu = Ortalama çamur miktarı x 10 Ortalama çamur debisi = 71057,5757 gr TKM/ m (6.45) 1 gr biyolojik olarak parçalanan UKM=1.42 gr BOİ (6.46) Y=0.08 gr hücreüretilen / gr KOİtüketilen 1 kd = 0.0 ( gün ) E=0,90 BOİ u = KM Kons. x (UKM/TKM) x 1.42 = 71057,5757 gr/ m x 0,70 x 1,42 (6.47) BOİ u =7061,20 gr BOİu / m olarak bulundu. Çürütücüde üretilen net biyokütle, Px = Y x Ortalama çamur debisi x E x BOİu [24]. (6.48) 1+kd x c Px = - 0,08 x x 0,90 x 7061,20 x ,0 x 20,727 P x =0,2069 kg UKM/gün değeri formülden çıkarıldı. Q CH4 = 0,4[ ( E x Ortalama çamur debisi x BOİu) - (1,42 x Px) ] [24] (6.49) 5 C de metan üretim katsayısı = 0,4 Q CH4 = 0,4[ ( 0,90 x 0,066 x 7061,20 x Q CH4 = 1, )-(1,42 x 0,2069) ] m /gün gaz debisi bulundu. Bu değer günlük çıkacak CH 4 miktarıdır. QC CH4 x (27+5) T=5 C de Q CH4 = 27 (6.50) Q CH4 = 1,7607 m /gün (T=5 C, 1 Atm) gaz debisi bulundu.

76 58 Oluşan gazın içerisindeki CH4 yüzdesi %72 olarak kabul edilirse; Q gaz = Q CH4 / 0.72 (6.51) Q gaz = 2,4454 m /gün olarak çıktı. Bu gaz üretilecek toplam biyogaz miktarını ifade eder. Mevcut gaz içerisinde düşük oranda H 2 S ve diğer gazlar olmakta olup oranları nedeniyle ihmal edilmiştir. Çürümüş çamur miktarı; aşağıda ki formülasyon ile bulunur. Çürüme öncesi UKM = Ortalama çamur miktarı x (UKM/TKM) (6.52) Çürüme öncesi UKM = 4,6898 x 0,70 =,2828 kg / gün bulundu. Gid. UKM = 0.6 x Çür. Ön. UKM = 0,6 x,2828 kg / gün = 2,07 kg / gün (6.5) UKM nin %7 si parçalanamaz kabulü yapıldı.(e x (UKM/TKM) =0,6) Çürütme sonrası kalan TKM = Ortalama çamur miktarı- Giderilen UKM (6.54) TKM kalan = 4,6898-2,0682 =2,6216 kg/gün olarak bulundu. (+Px 0) Çürütme öncesi KM oranı %7,766 olarak formüllerden çıkarılmıştır. Ortalama çamur miktarı Çürütücüye giren toplam kütle = Çürütme öncesi KM oranı [24]. (6.55) Çürütücüye giren toplam kütle = 4,6898 / 0,07766 =60,865 kg/gün bulunur. mg = Q gaz x ρhava x 0,86 = 2,4454 Gaza dönüşen kütle mg = 2,447 kg/gün olarak tespit edildi. m /gün x 1,162 kg/m x 0,86 (6.56) Bu kütle organik maddenin bir kısmının giderimi neticesinde oluşur. Giderilen organik madde gaza döüşen kütleyi temsil eder. Çür. çıkan toplam kütle, mç = Çür. giren toplam kütle - Gaza dönüş. kütle (6.57) mç = 60,865 kg/gün - 2,447 kg/gün = 57,9428 kg/gün Katı madde oranı %7,766 için özgül ağırlık = 0,91 gr/ cm olarak ortaya kondu.

77 59 Çürümüş çamur birikim hızı = Çürütücüden çıkan toplam kütle Çamur Özgül Ağırlığı (6.58) Çürümüş çamur birikim hızı= 0,064 m /gün formülden çıkarıldı Çürümüş çamur sıvısı(su fazı) debisinin hesabı Çürümüş çamur sıvısındaki KM = S kg/gün Çürümüş çamur sıvısındaki TKM = 6600 mg/l (kabul) (İterasyon ile bulundu) Çürümüş çamur sıvısı özgül ağırlığı = 0,990gr/ cm Çürümüş çamurun KM oranı = (%8,5 kabul) Çürümüş çamur üzerindeki katı madde dengesi yazılırsa: S Çür. Çam. Sıvısı TKM Çür. Son. Kal TKM-S + = mç Çürümüş çamurun KM oranı (6.59) S 2,6216 -S = 57,9428 kg/gün 0,0066 0,085 S=0,199 kg/gün formülden çıkarıldı. Çürümüş çamur sıvısı debisi Çürümüş çamur sıvısındaki TKM 0,199 = = 0,02968 /gün 0,0066 x 990 = S (6.60) S Çürümüş çamur sıvısı AKM si = (6.61) Çürümüş çamur sıvısı debisi = 0,199 x 10 = 65 mg/l 0,02968 değerleri tespit edildi.

78 Çürümüş çamur suyu tahliye sistemi Reaktörün tepe kısmından yapılmıştır. Boru tıkandığında sıcak su basılarak tıkanıklık giderilmiştir. Tepede olması yağ ve köpükle tıkanma halinde kolayca temizlik imkânı tanımıştır. Çürümüş çamur suyunun yukarıdan emniyetle tahliyesi sağlanmıştır. Çamurun doğrudan görsel kontrolü yapılmıştır. Çıkış olurken içeriye hava girişi engellenmiştir Çürümüş çamur miktarı karşılaştırmalı hesabı Çürümüş çamur miktarı = Çür. Son. Kal. TKM Çür. Çam. Suy. Atıl. TKM (6.62) Çürümüş çamur miktarı = 2,6216-0,199 = 2,4277 (kg/gün) bulundu. Çürümüş çamur miktarı Çürümüş çamur debisi = Çürümüş çamurun KM oranı x Çamur özgül ağırlığı (6.6) Çür. çamur özgül ağırlığı=0,906 gr/ cm (KM oranı %8,5 e göre hesaplanır ) Çürümüş çamur debisi = 2,4277 /(0,085 x 906) = 0,0152 m /gün bulundu. Not: Yapılan kabuller çerçevesinde giriş debisini kabuller tam olarak karşılamamıştır. 0,066 m /gün eşit olmalı 0,02968 m /gün + 0,0152 m /gün. Ancak 0,0047 m /gün olarak günlük reaktör içinde fazlalık debi oluşmaktadır. Onun için yukarıda kabuller dahilinde hesaplanan çürümüş çamur sıvısı debisine bu fazlalığı ekleyerek bu sorunu gidermiş oluruz. Yani son durum Çürümüş çamur sıvısı debisi = 0,0448 m /gün Çürümüş çamur debisi = 0,0152 m /gün Reaktör atık besleme debisi = 0,06600 m /gün olur.

79 Boru hesaplamaları Çürütücüye ham çamur besleme boru hattı; Ham çamur besleme hattında minimum boru çapı 4 mm olup V 0,5 m/sa hız limiti sağlanacak şekilde, pompalar timer kontrol olarak kesikli işletilmek suretiyle çamur iletilir. Pompaların çalışma aralıkları birden fazla pompa aynı anda çalışmayacak şekilde tasarlanır. Yoğunlaşmış çamur kontrol yapısındaki özel vanalarla çürütücülere eşit olarak dağıtılır. 0,0179 kg(kuru)/n-gün x 140 N Qw 1 = x 917 kg/m = m /gün (6.67) V x A = 0,070 / 24 m /sa = 0,5 m/sa x A (6.68) A =,08 x 10 m 2 Dboru = 0,06265 m = 62,65 mm bulundu. Not: Sürekli pompa çalışması durumunda bu sonuç elde edilir. Kesikli olacaksa akış hızı ve çap tekrar belirlenir. Çürütücü çürümüş çamur sıvısı çıkış boru hattı; Burada yükseklik farkından dolayı oluşacak basınç ile aktarım yapılacak olup pompa kullanılmayacaktır. V ç 0.5 m/sa hız limitini sağlayacak şekilde boru kısmı tasarlanacaktır. Çürümüş çamur sıvısı debisi =0,0448 m /gün. (Yukarıda hesaplanmıştır.) V x A = 0,0448 / 24 m /sa = 1,466 x 10 m /sa = 0,5 m/sa x A (6.69) A = 2,87 x 10 m 2 D boru = 0,06048 m = 60,48 mm bulundu.

80 62 Çürütücü çürümüş çamur çıkış boru hattı; Çürümüş çamur çıkış hattında minimum boru çapı 4 mm olup V 0.5 m/sa hız limiti sağlanacak şekilde, pompalar timer kontrol olarak kesikli işletilmek suretiyle çamur çekilir. Pompaların çalışma aralıkları birden fazla pompa aynı anda çalışmayacak şekilde tasarlanır. Çürümüş çamur debisi = 0,0152 m /gün (Yukarıda hesaplanmıştır) V x A = 0,0152 / 24 A = 2,6266 x 10 m 2 m /sa = 1,1 x 10 m /sa = 0,5 x A (6.70) D boru = 0,0578 m = 57,8 mm bulundu Karıştırıcının Hesabı Ege üniversitesinde karıştırıcılar üzerine yıllarında yapılan çalışmada %5 KM oranının üstünde katılar için karıştırıcı fayda sağlayıcıdır. Altındaki oranda çıkan gaz zaten karışımı sağlamaktadır. Mekanik karıştırma yapılırken 4 saatte bir hassas karıştırmanın dev/dak da reaktör hacminin tamamının karıştırılmasını sağlayacak şekilde olmalıdır [1]. Şekil 6.6. Rushton tipi karıştırıcının standartlara göre ölçüleri [1].

81 6 Çizelge 6.2. Karıştırıcı tasarım parametreleri ve ölçüm sonuçları D T Çürütücü çapı = 1,0 m D İ Karıştırıcı çapı; D İ = D T / = 0,4 m H I Akışkan(Atık) yüksekliği; H I = DT = 1,0 m H İ Karış. tabandan yüksekliği; H İ =D T /=0,4 m W Baffle genişliği; W = D İ /10 = 0,1 m L Kanat genişliği; L = D İ /4 = 0,1075 m 0,1 m H Kanat yüksek.; H = D İ /5 = 0,086 m 0,08 m Dd Disk çapı; Dd = Dİ/4 = 5 cm Dh Disk gövde çapı; Dh = D İ /4 = 0,25 m 0, m Ds Disk şaft çapı; Ds =4Dİ/25=0,0688 m 0,07m X Disk kalınlığı; D İ /=0,14 m 0,15 m P TK VR : Elektrik motorunun gücü(hp) : Toplam Katı Madde Oranı(%) : Reaktör Hacmi( m ) Çürütücü 1 için; P = 0,0066 x TK x VR P = 0,0066 x 0,074 x 1,68 P = 6,681 x Çürütücü 2 için; 4 10 (6.71) P = 0,0066 x TK x VR P = 0,0066 x 0,0777 x 1,68 (6.72) P = 7,0154 x 4 10 hp olarak bulunur Çürütücülerdeki Isı Kayıplarının Hesabı Çürütücü atık besleme ısıtma hesabı %7,4 lük giriş debisindeki ham çamurun ısıtılması için gerekli ısı hesabı; Gerekli ısı, H R (J/gün) =? Çamurun özgül ısısı, Cp =4200 J/kg.C) Çürütme sıcaklığı, T 2 = 7 o C

82 64 Yoğunlaşmış çamur sıcaklığı, T 1 = 17 o C Çamur debisi için pik faktörü, 1 (sabit akış var) Pik Debide çamurun katı madde oranı %8 HR = Ortalama çamur miktarı x Pik faktörü x Cp x (T 2 -T 1 ) (6.7) Pik Debide çamurun katı madde oranı OÇM = kg(kuru)/n-gün x 90 N = 6,981 kg TKM/gün bulundu. (6.74) HR 1 = 6,981 x 1 x 4200 x (7-17) ,78 J/gün olarak ortaya çıktı. 0,074 %8 lik 1.reaktör çıkış debisindeki ham çamurun ısıtılması için gerekli ısı hesabı; Gerekli ısı, H R2 (J/gün) =? Çamurun özgül ısısı, Cp =4200 J/kg.C) Çürütme sıcaklığı, T2 = 7 o C Yoğunlaşmış çamur sıcaklığı, T1 = 5 o C Çamur debisi için pik faktörü, 1,2 Pik Debide çamurun katı madde oranı %7,4 OÇM = 2,1185 kg TKM/gün HR 2 = 2,1185 x 1,2 x 4200 x (7-5) 26645,1 J/gün (6.75) 0,08 HR 1 + HR 2 = ,478 J/gün olarak toplam değer tespit edildi. (6.76) Çürütücü ısı kayıpları hesabı Isı kaybı, H L =? (J/Saat) Toplam ısı transferi katsayısı, U=(J/s.m 2.C) Isı kaybı olan alan, A=(m 2 ) Çürütücü işletme sıcaklığı, T 2 = o C

83 65 Dışarıdaki hava sıcaklığı, T 1 = o C HL= U x A x (T 2 -T 1 ) (6.77) Çürütücü çatı, taban ve yan duvarından ısı kaybeder. Tüm yüzey hesaplamalarını yaparsak; Not= Aynı ölçülere sahip iki reaktör yapısı olduğu için tek işlem üzerinden gidilerek daha sonra bulunan sonuçlar iki ile çarpılır. Çatı alanı hesabı; Çatı Alan Konisi Hesabı; At= л x D 1, D x( 0, 45 ) (6.78) At= 2, m olarak formülden bulundu. Yan Yüzey alanı hesabı; Yan yüzey yükseklik, H 5 Ay= 2л x (D/2) x H 5 (6.79) Ay= 2л x 0,65 x 1= 4, m olarak formülden bulundu. Taban alanı hesabı; Taban Konisi Yükseklik: D/2 x 0,17 = 0,11 m (6.80) At= л x D 1, D x( 0,11 ) (6.81)

84 66 At=2,675 2 m olarak formülden bulundu. Isı transfer katsayıları seçimi; Çürütücü çatısı: Çelik kafes çatı 4 mm kalınlığında St-7 yumuşak çelik olacak olup, 1 cm taş yünü ile yalıtımlı olacaktır. Üzeri 2 mm kalınlıkta alüminyum kaplama ile örtülecektir. Uçelik = 50 W/m o C 1 1 x (6.82) 2 U ha k x0,04 10 x50 10 x200 Utaşy = 0,04 W/m o C 1, 2504 Ualim = 200 W/m o C U Uhava = 2800 W/m 2 o C Uçatı= 0,076 W/m 2 o C Yan duvar : Çelik kafes çatı 4 mm kalınlığında St-7 yumuşak çelik olacak olup, 1 cm taş yünü ile yalıtımlı olacaktır. Üzeri 2 mm kalınlıkta alüminyum kaplama ile örtülecektir. Uçelik = 50 W/m o C 1 1 x (6.8) 2 U h Utaşy = 0,04 W/m o A k x0,04 10 x50 10 x200 C 1 Ualim = 200 W/m o, 2504 C U Uhava = 2800 W/m 2 o C Uyan= 0,076 W/m 2 o C

85 67 Taban : Uçelik = 50 W/m o C 1 1 x (6.84) Utaşy = 0,04 W/m o 2 U h C A k x0,04 10 x50 10 x200 1 Ualim = 200 W/m o C, 2504 U Uhava = 2800 W/m 2 o C Utaban= 0,076 W/m 2 o C Toplam ısı kaybı = A x U x (T 2 -T 1 ) (6.85) Çatı ısı kaybı = 2, ,407x10 J/gün bulundu. 2 m x 0,076 W/m o C x (5-17) x 86400sn Duvar ısı kaybı= 4, ,95x10 J/gün bulundu. 2 m x 0,076 W/m o C x (5-17) x 86400sn Taban ısı kaybı= 2, ,278x10 J/gün bulundu. Çürütücüdeki toplam ısı kaybı = 4,696 x 2 m x 0,076 W/m o C x (5-17) x 86400sn 6 10 J/gün olarak tespit edildi. Çizelge 6.. Tasarımda kullanılacak malzeme seçimleri Yalıtım için kullanılacak taş yünü ısı iletim katsayısı 0,04 W/m o C dir. Reaktördeki optimum yalıtım kalınlığı Ankara şartlarında 1,68 m lük hacim için 1 cm dir. Reaktörün yapımında kullanılacak malzeme 4 mm kalınlığında St-7 yumuşak çelik olacaktır. St-7 yumuşak çelik ısı transfer katsayısı 50 W/m o C Aliminyum saç 2 mm kalınlıklı ısı iletim katsayısı 200 W/m o C dir.

86 Isı Analizi Toplam ısı ihtiyacı Borulardan, giriş çıkış durumlarından ve yalıtımdaki eksik kapatmalardan oluşan %25 diğer kayıpları da hesaba katarak 2 reaktörde oluşan toplam kayıp; 6 Çürütücüde ki 4,69x10 J/gün lük toplam ısı kaybı üzerinden ve iki reaktör üzerinden hesabı yaparsak aşağıda ki sonuç elde edilir ,69x10 J/gün x 2 x1, ,478 J/gün =19,789 x10 J/gün (6.86) 824,5719 kj/sa = 229,0478 J/sn=0,22905 kw bulundu Isıtma sistemi seçimi ve enerji dengesi Diğer bir ifadeyle 824,5719 kj/sa ısıtma ihtiyacım doğmaktadır. Ancak reaktörlerden oluşan kayıp içerideki sıcaklığa çok fazla etkimediğinden reaktörlere yapılan yalıtım yeterli bulunmuştur. Ancak ısı değiştiriciler için ,478 J/gün=41,281 kj/sa gerekli enerjiyi çıkan gaz ile sağlayacağız. Çürütücüde üretilen gazın metan içeriği %72 olarak önceki yapılan ölçümlerden tespit edildi. Yani ısıl değeri doğalgazın %72 si alınabilir kcal/sa= 4780,12 kj/sa ısıl kapasiteli bir kombi seçilmiştir. Çürütücüde üretilen gazın metan içeriği %72 olduğu için 4780,12 kj/sa x 0,72 =441,69 kj/sa olup ısıtma için gerekli biyogaz miktarı;

87 69 Çizelge 6.4. Isıtma sistemi temel kabulleri Isıtma sistemi verimi %75 alınır. Doğalgazın alt ısıl değeri 455 kj/m alınır 1 kilocalorie (kcal) = kilojoules (kj) Üretilen gazın metan içeriği %72 olarak alınır. Biyogazın alt ısıl değeri= 455 x 0,72=24865,2 kj/m olur. Biyogaz içerisinde ki tüm gaz bileşenleri ile kabul edilmiştir. Qgaz = 441,69 0,75 x 24865,2 = 0,184 m /sa = 4,4 m / gün bulundu. (6.87) Q 1gaz,2,4454 m /gün Q 2gaz, 2,4667 m /gün=4,9121 m /gün gaz çıkışı mevcuttur. 4,4 m /gün gaz tüketimi olduğuna göre kalan miktar 0,4821 m /gün dür. Kombinin sağlayacağı mevcut fazla kapasite; (441,69 kj/sa - 41,281 kj/sa) = 9 ( yaklaşık 9 kat fazla kapasite ile çalışıyor) (6.88) 41,281 kj/sa Şekil 6.7. Isı Değiştiricisi Modeli 6.7. Isı Değiştirici Tasarımı Çamur çürütücülerin ve ham çamurun ısıtılması, çürütücüdeki çamurun harici ısı değiştiriciler içerisinde devrettirilmesiyle sağlanacaktır.

88 70 Isı değiştiricilerde sağlanan ortalama ısı artışının hesabı: İlk çamur girişi ısı değişimi hesabı; Qs,w = 0, 10 m /gün Qs,x = 0,10 x 917 = 94,7 kg çamur /gün C çamur =4200 J/kg o C Csu=4000 J/kg o C Çamura verilen ısı = 4200 x T = ,78 J/gün / 4200 x 94,7 T = 20 o C sıcaklık artışı sağlanabilir. T x 94,451= ,78J/gün (6.89) (%100 IDT verimi alındı-verimsel düşüş kombi hesaplamasında dahil edildi) Yani çamur 17 o C ile reaktörlere gelecek 7 o C ile beslemesi yapılacaktır. Isı değiştiricisinde dolaşacak su ihtiyacı; IDT ye giriş sıcaklığını 60 C, çıkış sıcaklığını ise 45 C olarak kabul edip işleme devam edelim ,78J/gün = m x 4186 x (60-45) (6.90) m = 126,204 kg/gün olarak formülden çıkarılır. IDT sıvı debisi = 126,204 kg/gün = 0, m /gün olarak çıkmıştır. (6.91) 1000 kg/m İlk reaktörden ikinci reaktöre çamur geçişi ısı değişimi hesabı; Csu= 4186 J/kg C İlk beslemeden sonra IDT içerisinde ki 45 C deki su, diğer boru ile gelen çamuru ısıtır ,1J/gün = 126,204 x 4186 x (45-T2) (6.92) T 2 = 44,5 o C (çok fazla bir oynama olmaz) değeri bulundu.

89 71 İlk çamur girişi ısı değiştirici içerisindeki çamur borusu uzunluğu; IDT 1 deki ortalama çamur sıcaklığı = 17+7 = 27 C (6.9) 2 IDT deki ortalama sıcak su sıcaklığı = = 52,5 C 2 IDT deki ısı transferi katsayısı =4000 kj/sa.m 2.C Sıcak sudan sağlanan toplam ısı = h x A x (52,5-27) x A x 4000 x 24= 7924,7878 kj/ m 2 gün A=,27 x T (6.94) 10 =2 x x (D/2) x L L = 8 m değeri bulundu Gaz Deposu ve Kompresörleri Gaz depolama küresi hacmi Reaktörlerden çıkan biyogazın ilk aşama depolanması, bu gaz içerisinde CO 2 saflaştırma sürecinin yapılması için küresel hacimde çelikten yapılmış paslanmaz özellikte bir küre yapılmıştır. Gaz deposu 1 günlük gazı depolayacak şekilde tasarlanmıştır. Depolanacak gaz hacmi = 4,9121 Depolama basıncı = 5 atm Depolama sıcaklığı= 5 C m (45 C 1 atm de) Depo hacmi, V 2 = P 1 x V 1 x T 2 m = 1 x 4,9121 x (27+45) (6.95) P2 x T 1 5 x (27+5) 4 Gaz küresi çapı: V 2 = r D= 0,62 m olarak tespit edildi. Mevcut gaz deposu aynı zamanda yıkama ünitesinide içinde barındıracak olup hem saflaştırma hem de gazın süreli depolama işlemlerini mümkün kılacaktır.

90 72 Bu gaz ünitesinin sonrasına gazın uzun süreli depolanacağı membran yataklı silindirik bir depolama üniteside ayrıca ilave edilmiştir Gaz kompresörleri hesabı Çürütücülerden çıkan biyogazın basınçlandırılarak gaz deposuna iletiminde kullanılacaktır. Çizelge 6.5. Kompresör hesabı genel sabitleri Ρ biyogaz = 1kg/ m ρ hava = kg/ m Oluşan gazın içerisindeki CH 4 yüzdesi %72 olarak ölçülmüştür. Sıkıştırılan gazın ağırlığı, üretilenin 2 katı olduğu ölçülmüştür. m =Hava debisi(kg/s) R=8.14 kj/k mole K e= kompresör verimi(%75) T 0 =giriş sıcaklığı(5 o C) P 0 =1.0 atm(yüzer çatı içindeki gaz basıncı, genelde 0.4 atm den azdır) P=5 atm (toplam basınçlandırılacak miktar) Üretilen biyogazın standart şartlardaki ağırlığı, 4,9121 üzerinden oluşturulmuştur. m depolanacak gaz hacmi (4,9121 / 0.72) x x 0.86=7,9276 kg/gün (6.96) 4 m = 2x 7,9276 =1,5781 x 10 kg/s değeri çıkmıştır. 24 x 600 Gerekli kompresör gücü, Nk=m x R x T 0 x [ (P/P0) 0,28-1] [24]. (6.97) 8.41 x e

91 7 Nk= 1,5781 x 4 10 x 8.14 x (27+5) x 5 1,0 0,28 1 x 1 = 0,06 kw 8,41 x0.75 = 6,12 Watt. Her biri 0 Watt 2 adet sabit debili gaz kompresörü gereklidir Nitrüent Hesabı Nitrüent malzemeler bazı durumlarda atığın durumunu göre gereklilik gösterebilir. Aksi durumlarda bile bu ilaveler ile mevcut bakterilerin ortamda etkinliğinin, çoğalma hızının, gaz üretim değerlerinin artırılması sağlanmaktadır. Ancak burada ki temel yaklaşım üretilen gaz miktarı fazlasının eklenen nitrüent malzemeye kıyasla oluşturduğu kar zarar grafiklerinin, geri dönüşüm sürelerinin çıkartılması gerekmektedir. Çizelge 6.6. Nitrüent hesabı için temel parametreler [24]. KOİ (SM5220 B:2005 Açık Refask Metdou) Toplam Fosfor(SM4500-P E Askorbik Asil Metodu) NHN(SM4500 C:Titrimetrik Yöntem) TKN(SM4500-Norg B:2005 Makro-Kjeldahl Metodu) Biyokütle sentez hızı,y(overall combined) 1194 mg/gtk 16,57 mg/gtk 41,46 mg/gtk 45,17 mg/gtk 0,08 guakm/gkoi Çamur kütlesine dönüştürülen giderilmiş KOİ frak,e %90 İçsel solunum hız sabiti, kd Maksimum özgül çoğalma hızı Yarı hız konsantrasyonu, Ks m 0,0 g/g.d 0,20 g/g.d 160 mg/l Biyogazın özgül ağırlığının havanınkinin %86 sı olduğu kabul edilmiştir. ρhava kg/m fd; 0,15 UKM hücre kalıntısı/gukm biokütle ölümü %90 KOİ giderimi ile; 1,194 kg/kgtkm x 6,981kgTKM/gün x1000 (6.99) 85,14g/gün = S 0 =80925,786 g/ m K olmuştur. (6.100) 0,10 m /gün S=(1-0,9) x S 0 = 8092,5786 g/ m KOİ bulunmuştur. (6.101)

92 74 Biyokütle üretimi; QxYx(S 0 S) fdxkdxqxyx(s 0 S) x c 1 bx x0,74 1 bx x0,74 Px,TKM= c c (6.102) Px,TKM= 0,10x0, 08x8092,5786 0,15x0, 0x0,10x0, 08x8092,5786 x20, ,0 0,74 1 0,0 x0,74 x Px,TKM= 87,4869+8,16 = 95,6469 g/gün (UKM) bulunmuştur. Tavuk gübresi içerisinde yeterli miktarda N bulunduğundan N ilavesi yapmaya gerek yoktur. Ancak fosfor ilavesi gerekebilir. Reaktör Giriş 1.Çıkış Gaz Deposu Gaz Yıkama 2.Çıkış Isı değiştiricisi Resim 6.1. Kurulumu Yapılan Biyogaz Tesisi

93 75 Resim 6.2. Atığın besleme miktar tespiti Resim 6.. Sıvılaştırma-homojenleştirme Resim 6.4. Ön Besleme tankı çam. girişi Resim 6.5. Besleme tankı üstten görünüş Resim 6.6. Sıvı faz çamur çıkışı Resim 6.7. Katı faz çamur çıkışı