TAVUK GÜBRESİNDEN BİYOGAZ ÜRETİMİ İÇİN EN UYGUN KOŞULLARIN BELİRLENMESİ

Transkript

1 TAVUK GÜBRESİNDEN BİYOGAZ ÜRETİMİ İÇİN EN UYGUN KOŞULLARIN BELİRLENMESİ Mustafa Serhat EKİNCİ YÜKSEK LİSANS TEZİ KİMYA MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ HAZİRAN 2007 ANKARA

2 Mustafa Serhat EKİNCİ tarafından hazırlanan TAVUK GÜBRESİNDEN BİYOGAZ ÜRETİMİ İÇİN EN UYGUN KOŞULLARIN BELİRLENMESİ adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Yrd. Doç. Dr. S. Ferda MUTLU Tez Yöneticisi Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Kimya Mühendisliği Anabilim Dalında Yüksek Lisans tezi olarak kabul edilmiştir. Başkan : : Prof. Dr. Mübeccel ERGUN Üye : Prof. Dr. Nurdan SARAÇOĞLU Üye : Prof. Dr. Yavuz BEYATLI Üye : Doç. Dr. İrfan AR Üye : Yrd. Doç. Dr. S. Ferda MUTLU Tarih : 19/06/2007 Bu tez, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü tez yazım kurallarına uygundur.

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 orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Mustafa Serhat EKİNCİ

4 iv TAVUK GÜBRESİNDEN BİYOGAZ ÜRETİMİ İÇİN EN UYGUN KOŞULLARIN BELİRLENMESİ (Yüksek Lisans Tezi) Mustafa Serhat EKİNCİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Haziran 2007 ÖZET Bu çalışmada tavuk dışkılarının kesikli sistemde, anaerobik özümleyiciden alınan aşı kullanılarak anaerobik arıtımı ve biyogaz üretim yatkınlığı incelenmiştir. Bu amaçla, 250 ml hacimli 20 adet cam reaktör kullanılmıştır. Reaktör sıcaklığı ve ph ı denetlenmiş ve değişik tasarım koşulları ardışık olarak sağlanmıştır. Anaerobik arıtım süresince, mikroorganizmaların etkinlikleri sonucu oluşan gazlar dereceli büretlerde toplanmıştır. Reaktör karışımını; değişik yüzdelerde tavuk dışkısı ve aşı mikroorganizma içeren anaerobik özümleyicilerden alınan arıtma çamuru oluşturmaktadır. Bu çalışmada, tavuk dışkılarının anaerobik dönüşümü üzerine sıcaklık ( 0 C) (X 1 ), ph (X 2 ) ve tavuk dışkısı katı yüzdesinin (ağ./ağ.) (X 3 ) etkisi incelenmiştir. Deneyler, Box-Wilson deneysel tasarım yöntemine göre tasarlanmıştır. Deneysel sonuçlar Design Expert Trial paket programı ile istatiksel olarak değerlendirilmiştir. Deneysel sonuçların değerlendirilmesi sonucunda, bağımlı değişken olarak seçilen gaz oluşum hızı, KOİ giderim hızı ve asetik asit oluşum hızları yukarıda verilen bağımsız değişkenlerin bir fonksiyonu olarak aşağıdaki model eşitlikleri ile ifade edilmişlerdir.

5 v Y 1 (Gaz oluşum hızı, ml/g katı atık.gün) = 7,31 + 1,12*X 1-1,19*X 2-0,89*X 1 X ,77*X 2 X 3 + 0,69*X 1-1,15*X 3 R 2 = 0,8704 Y 2 (KOİ giderim hızı, mg KOİ/L.g katı atık.gün) = 360, ,12*X 1-21,12*X 2-36,34*X ,06*X 1 X ,43*X 1 X ,38*X 2 X 3-53,74*X ,37*X ,57 X 3 R 2 = 0,9775 Y 3 (Asetik asit oluşum hızı, mg/l.g katı atık.saat ) = 31,61+ 1,22*X 1 + 1,44*X ,70*X 3-0,93*X 3 R 2 = 0,7911 En yüksek gaz oluşum hızı (10,17 ml/g katı atık.gün), 37 0 C sıcaklıkta, 6,5 ph değerinde, 7,54 katı yüzdesinde, en yüksek KOİ giderim hızı (368,17 mg KOİ/L.g katı atık.gün), 35 0 C sıcaklıkta, 6,9 ph değerinde, 7,01 katı yüzdesinde, en yüksek asetik asit oluşum hızı (34,75 mg/l.g katı atık.saat) 37 0 C sıcaklıkta, 7,5 ph değerinde, 9,73 katı yüzdesinde bulunmuştur. Bilim Kodu : Anahtar kelimeler : Anaerobik arıtım, tavuk dışkısı, aşı, istatiksel analiz Sayfa Adedi : 106 Tez Yöneticisi : Yrd. Doç. Dr. S. Ferda MUTLU

6 vi DETERMINATION OF OPTIMUM CONDITIONS FOR BIOGAS PRODUCTION FROM HEN MANURE (M.Sc.Thesis) Mustafa Serhat EKİNCİ GAZI UNIVERSITY INSTITUE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY June 2007 ABSTRACT In this study, optimum conditions for the treatment and biogas production tendency of hen manure were determined by using batch system with using anaerobic sludge reactor inoculum. Twenty glass reactors each having 250 ml volume were used. Reactor temperature and ph can be controlled and different design conditions can be provided simultaneously. Gases produced as a result of the activities of microorganisms during the anaerobic digestion were collected in graduated burettes. Reaction mixture consists of in different percentages hen manure and inoculation microorganisms containing treatment sludge that was taken from an anaerobic digester. In this study, effects of temperature ( 0 C) (X 1 ), ph (X 2 ), and hen manure percent solid (w./w.) (X 3 ) on anaerobic conversion were investigated. Experiments were designed by using Box-Wilson experimental design method. Statistical analysis of experimental results were made by using Design Expert package program. After evaluation of the experimental results, dependent variables; gas production rate, rate of reduction of COD and acetic acid production rate was expressed by model equations as a function of independent variables below.

7 vii Y 1 (Gas production rate, ml/g solid.day ) = 7,31 + 1,12*X 1 1,19*X 2-0,89*X 1 X 3 0,77*X 2 X 3 + 0,69*X ,15*X 3 R 2 = 0,8704 Y 2 (Rate of reduction of COD, mg COD/L.g solid.day) = 360, ,12*X 1 21,12*X 2 36,34*X ,06*X 1 X ,43*X 1 X ,38 X 2 X 3 53,74*X ,37*X ,57 X 3 R 2 = 0,9775 Y 3 (Acetic acid production rate, mg/l.g solid.hour ) = 31,61+ 1,22*X 1 + 1,44*X ,70*X 3 0,93*X 3 R 2 = 0,7911 The highest production of gas was found (10,17 ml/g solid.day) was obtained when temperature, ph and solid percent were 37 0 C, 6,5, 7,54 respectively. The highest reduction of COD rate was found (368,17 mg COD/L.g solid.day) was obtained when temperature, ph and solid percent were 35 0 C, 6,9, 7,01 respectively. The highest production of acetic acid was found (34,75 mg/l.g solid.hour) was obtained when temperature, ph and solid material ratio were 37 0 C, 7,5, 9,73 respectively. Science Code : Key Words : Anaerobic digestion, hen manure, inoculation, statistical analysis Page Number : 106 Adviser : Assist. Prof. Dr. S. Ferda MUTLU

8 viii TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli katkılarını ve manevi desteğini esirgemeyen sayın hocam Yrd. Doç. Dr. S. Ferda MUTLU ya, katkılarından dolayı laboratuvar çalışanlarına ve çalışma arkadaşlarıma, desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen ve her zaman bana moral veren çok sevdiğim aileme çok teşekkür ederim. Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Biriminin 06/ kodlu projemize vermiş olduğu maddi destek için teşekkür ederim.

9 ix İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT.... vi TEŞEKKÜR.. viii İÇİNDEKİLER ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ..xv RESİMLERİN LİSTESİ... xvii SİMGELER VE KISALTMALAR...xviii 1. GİRİŞ 1 2. TAVUK GÜBRESİNDEN BİYOGAZ ÜRETİMİ İÇİN EN UYGUN KOŞULLARIN BELİRLENMESİ Anaerobik Arıtım Anaerobik Arıtımın Temelleri Mikrobiyoloji Anaerobik mikroorganizmalar arasındaki karşılıklı ilişkiler Biyokimya Anaerobik arıtımda basamaklar arasındaki denge Anaerobik Sindirim Süreçlerine Genel Bir Bakış Proses Değerlendirmesi Reaktör Tasarımı Kesikli reaktör..18

10 x Sayfa Sürekli karıştırmalı tank reaktör (CSTR) Katı geri beslemeli sürekli karıştırmalı tank reaktörü Piston akışlı reaktör Yukarı akışlı çamur yataklı reaktör (UASB) Film reaktörleri İki fazlı reaktör Biyogaz Biyogazın özellikleri Biyogaz üretiminde kullanılabilen atıklar Biyogazın ısıl değeri Biyogazın kullanım alanları Biyogaz niceliğini ve üretim hızını etkileyen etkenler Dünyada ve Türkiye de Biyogaz Üretimi Dünyada biyogaz üretimi Türkiye de biyogaz üretimi Deneylerin Çok Faktörlü Planlanması (Box-Wilson Yöntemi) Kaynak Araştırması Materyal ve Yöntem Deneylerde kullanılan tavuk gübresinin özellikleri Deneysel değişkenlerin belirlenmesi Box-Wilson deneysel tasarım yöntemi ile gaz oluşumu, KOİ giderimi ve asetik asit oluşumu için yapılacak deneylerin belirlenmesi...60

11 xi Sayfa Deney Düzeneği Reaktör Bağlantı elemanları Gaz toplama sistemi Analiz Yöntemleri Kimyasal oksijen ihtiyacı (Spektrofotometrik yöntem) Alkalinite (Asit kapasitesi) tayini Asetik asit miktarı tayini Gaz ölçümü Deneysel Bulgular ve Tartışma Başlangıç analiz sonuçları Gaz oluşumu için elde edilen bulgular KOİ giderimi için elde edilen bulgular Asetik asit üretimi için elde edilen bulgular SONUÇLAR ve ÖNERİLER KAYNAKLAR.101 EKLER..104 EK-1 KOİ kalibrasyon eğrisi için yapılan ölçümler.105 ÖZGEÇMİŞ..106

12 xii ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Başlıca anaerobik mikroorganizma grupları.5 Çizelge 2.2. Metan bakterilerinin kullandıkları besin maddeleri.. 8 Çizelge 2.3. Çeşitli kaynaklardan elde edilebilecek biyogaz verimleri ve biyogazdaki metan miktarları Çizelge 2.4. Tipik bir biyogaz bileşimi Çizelge 2.5. Değişik tavuk atıklarının gübre olarak besin bileşimi...28 Çizelge 2.6. Nem düzeyine göre tavuk gübresinin bileşimi Çizelge 2.7. Biyogaz üretilmiş ve normal koşullarda elde edilmiş gübrelerin kimyasal özellikleri...29 Çizelge 2.8. Metan bakterilerin etkin oldukları sıcaklıklara göre çeşitleri...31 Çizelge 2.9. Zehirleyici maddelerin anaerobik ayrışma sürecini engelleyen derişimleri Çizelge Avrupa da 1994 yılı itibariyle endüstriyel anaerobik arıtma tesislerinin ülkelere göre dağılımı Çizelge Dünya daki anaerobik arıtma tesislerinin sektörlere göre dağılımı.37 Çizelge Anaerobik arıtmada reaktör kullanımında eğilimler Çizelge Gelişmekte olan ülkeler veya kıtalarda biyogaz tesisleri Çizelge Türkiye de kullanılan anaerobik biyoteknoloji reaktörleri Çizelge Üç değişken için eksen, etken ve merkez noktaları.. 46 Çizelge Üç faktörlü ikinci dereceden plan matrisi Çizelge Farklı sayıdaki değişkenler için no ve α değerleri...48 Çizelge ANOVA testinde kullanılan değerler...48

13 xiii Çizelge Sayfa Çizelge Deneysel tasarım değişkenleri, seviye ve aralıkları Çizelge Deneysel tasarım matrisinin kodlanmış ve doğal değerleri ile 2 3 faktöryel merkezi bileşim değerleri Çizelge Gaz oluşumu ve asetik asit deneylerinde kullanılan tavuk gübresi ile KOİ ölçümünde kullanılan tavuk gübresinin özellikleri Çizelge Oluşan gaz miktarları Çizelge Gaz oluşum hızları Çizelge Gaz oluşum hızı için hesaplanan katsayılar ve istatiksel hesaplamalar 72 Çizelge Gaz oluşum hızı için model denklemine Anova testi uygulanarak elde edilen sonuçlar..73 Çizelge Gaz oluşum hızı için deneysel olarak bulunan ve modelden hesaplanan değerler ve % hata değerleri..75 Çizelge saat sonundaki KOİ giderimi sonuçları Çizelge KOİ giderim hızı için bulunan katsayılar ve istatiksel hesaplamalar Çizelge KOİ giderim hızı için model denklemine Anova testi uygulanarak elde edilen sonuçlar..81 Çizelge KOİ giderim hızı için deneysel olarak bulunan ve modelden hesaplanan değerler ve % hata değerleri.. 83 Çizelge Alınan örneklerdeki asetik asit miktarları Çizelge Zaman ile alınan numunelerdeki asetik asitlerin oluşum hızları...89 Çizelge Asetik asit oluşum hızı için hesaplanan katsayılar ve istatiksel hesaplamalar Çizelge Asetik asit oluşum hızı için model denklemine Anova testi uygulanarak elde edilen sonuçlar Çizelge Asetik asit oluşum hızı için deneysel olarak bulunan ve modelden hesaplanan değerler ve % hata değerleri

14 xiv Çizelge Sayfa Çizelge Gaz oluşum hızı, KOİ giderim hızı ve asetik asit oluşum hızı için belirlenen en uygun koşullar. 98

15 xv ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Anaerobik ayrışma basamaklarının genel gösterimi Şekil 2.2. Anaerobik arıtma sürecinin basamakları Şekil 2.3. Anaerobik sindirim sürecinin genel şekli Şekil 2.4. Kesikli reaktör Şekil 2.5. Sürekli karıştırmalı tank reaktör Şekil 2.6. Katı geri beslemeli sürekli karıştırmalı tank reaktörü Şekil 2.7. Piston akışlı reaktör Şekil 2.8. Yukarı akışlı çamur yataklı reaktör (UASB) Şekil 2.9. Akışkan yataklı ve genleşmiş yataklı reaktörler Şekil İki fazlı sistemler Şekil Anaerobik arıtmada kullanılan diğer reaktörler Şekil Anaerobik arıtmada sıcaklığın gaz üretimine etkisi Şekil Deney düzeneği ve gaz toplama sistemi Şekil Deneysel olarak bulunan ve modelden hesaplanan gaz oluşum hızlarının karşılaştırılması Şekil Gaz oluşum hızı üzerine sıcaklık ve ph ın etkisi Şekil Gaz oluşum hızına sıcaklık ve ph ın etkisinin eş yüzey eğrileri ile gösterimi Şekil Gaz oluşum hızına katı yüzdesi ve sıcaklığın etkisi Şekil Gaz oluşum hızına katı yüzdesinin ve sıcaklığın etkisinin eş yüzey eğrileri ile gösterimi Şekil Gaz oluşum hızına katı yüzdesi ve ph ın etkisi...78

16 xvi Şekil Sayfa Şekil Gaz oluşum hızına katı yüzdesi ve ph ın etkisinin eş yüzey eğrileri ile gösterimi...78 Şekil Deneysel olarak bulunan ve modelden hesaplanan KOİ giderim hızlarının karşılaştırılması Şekil KOİ giderim hızı üzerine sıcaklık ve ph ın etkisi Şekil KOİ giderim hızı üzerine sıcaklık ve ph ın etkisinin eş yüzey eğrileri ile gösterimi Şekil KOİ giderim hızı üzerine sıcaklık ve katı yüzdesinin etkisi.85 Şekil KOİ giderimi hızı üzerine sıcaklık ve katı yüzdesinin etkisinin eş yüzey eğrileri ile gösterimi...86 Şekil KOİ giderim hızı üzerine ph ve katı yüzdesinin etkisi 86 Şekil KOİ giderim hızı üzerine ph ve katı yüzdesinin etkisinin eş yüzey eğrileri ile gösterimi Şekil Deneysel olarak bulunan ve modelden hesaplanan asetik asit oluşum hızlarının karşılaştırılması Şekil Asetik asit oluşum hızı üzerine ph ve sıcaklığın etkisi Şekil Asetik asit oluşum hızı üzerine ph ve sıcaklığın etkisinin eş yüzey eğrileri ile gösterimi Şekil Asetik asit oluşum hızı üzerine katı yüzdesi ve sıcaklığın etkisi...96 Şekil Asetik asit oluşum hızı üzerine katı yüzdesinin ve sıcaklığın etkisinin eş yüzey eğrileri ile gösterimi Şekil Asetik asit oluşum hızına katı yüzdesi ve ph ın etkisi. 97 Şekil Asetik asit oluşum hızına katı yüzdesi ve ph ın etkisinin eş yüzey eğrileri gösterimi....97

17 xvii RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 2.1. Deney düzeneği....62

18 xviii SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler C/N Nd No X 1 X 2 Açıklama Karbon azot oranı Tasarımdaki deney sayısı Merkez noktada yapılan deney sayısı Sıcaklık değişkeni, 0 C ph değişkeni X 3 Katı madde yüzdesi, (%) Y 1 Y 2 Y 3 U i Gaz oluşum hızı, ml/g katı atık.gün KOİ giderimi, g KOİ/l.g katı atık Asetik asit oluşum hızı, g/l.g katı atık.saat i değişkeninin kodlu değeri α Uç nokta değerleri, 1,68 R 2 K X i X io X i β o β i β ij Regresyon katsayısı Değişken sayısı i değişkeninin gerçek değeri i parametresinin ortalama değeri i parametresinin adım ağırlığı Kayma Doğrusal modelin katsayıları Karesel modelin katsayıları

19 xix Simgeler Є f η Açıklama Y için hata Serbestlik derecesi Cevap yüzeyi Kısaltmalar Açıklama ABR ANOVA ASKİ CSTR HKO HKT HRT KOİ MKO MKT THKT TK TKN UASB UK Anaerobik baffled reaktör Analysis of Variance Ankara Su ve Kanalizasyon İdaresi Sürekli karıştırmalı tank reaktör Hata karelerinin oranı Hata karelerinin toplamı Hidrolik alıkonma süresi Kimyasal oksijen ihtiyacı Model karelerinin oranı Model karelerinin toplamı Toplam hata karelerinin toplamı Toplam katı Toplam Kjeldahl azotu Yukarı akışlı çamur yataklı reaktör Uçucu katılar

20 1 1.GİRİŞ İnsanoğlunun artan gereksinimleri, enerji gereksinimlerinin ve çevre sorunlarının da artışını beraberinde getirmiştir. Bu enerji gereksinimlerinin karşılanmaması ve çevre sorunlarının önüne geçilememesi ülkemizi ve dünyamızı daha yaşanabilir bir hale getirmeye engel olmaktadır. Organik atıkların havasız ortamda arıtılması ile hem biyogaz oluşumu ile enerji elde edilebilir hem de bu atıklar yüksek nitelikte gübreye dönüştürülebilir. Böylece enerji gereksinimi ve çevre kirliliği sorunlarının önüne bir ölçüde geçilebilir. Fosil yakıtlarından elde edilen enerjinin tükenmeye yaklaşmış olması ve bu atıkların yüksek ithalat giderleri ve çevre sorunlarını da getirmesi, biyogaz gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının önemini arttırmaktadır. Biyogaz, hayvan gübreleri ve bitkisel atıklar gibi organik atıkların oksijensiz ortamda mikrobial parçalanması ile açığa çıkan, büyük bir kısmını metan gazının oluşturduğu (%50-70) bir gazdır. Organik atıkların oksijensiz ortamda parçalanması, içinde birçok mikroorganizmaların rol aldığı biyokimyasal bir süreçtir. Anaerobik arıtım genel olarak üç aşamalı bir süreç olarak ele alınabilir. İlk aşama olan hidroliz basamağında mikroorganizmalar tarafından üretilen hücre dışı enzimler polimerik organik bileşikleri basit çözülebilir bileşiklere ayrıştırır. İkinci aşamada asit oluşturan bakteriler basit organik bileşikleri uçucu asitlere dönüştürür. Son aşamada ise asetik asit kullanan metan bakterileri asetik asidi parçalayarak, hidrojen kullanan metan bakterileri hidrojen ve karbondioksiti kullanarak metan üretirler. Biyogaz tesislerinin en verimli şekilde çalışması için biyogaz üretimine etki eden etkenlerin iyi anlaşılması gerekmektedir.

21 2 Bu çalışmanın amacı tavuk gübresinden biyogaz üretim basamakları için uygun koşulların belirlenmesidir. Bu doğrultuda sıcaklık, ph ve katı madde yüzdesinin (ağırlık/ağırlık) biyogaz üretim basamaklarında, gaz oluşum hızına, kimyasal oksijen ihtiyacı giderimin hızına ve asetik asit oluşum hızına etkileri incelenmiştir.

22 3 2. TAVUK GÜBRESİNDEN BİYOGAZ ÜRETİMİ İÇİN EN UYGUN KOŞULLARIN BELİRLENMESİ 2.1. Anaerobik Arıtım Anaerobik arıtım organik atıkların oksijensiz ortamda biyolojik süreçlerle parçalanarak, CH 4, CO 2, ve H 2 S gibi son ürünlere dönüştürülmesidir. Organik atıkların çürümesi sonucu metan ortaya çıktığı 18. yy dan beri bilinmektedir. 19.yüzyılın ortalarında bu ayrışmada bakterilerin rol oynadığı anlaşılmıştır. Bununla birlikte anaerobik arıtmanın evsel atık su arıtma tesisi çamurlarının çürütülmesinde kullanılabileceği 1881 yılında ortaya koyulmuştur. Bu tarihten sonra anaerobik arıtmanın atık su arıtımındaki uygulamaları ile ilgili çalışmalarda süreç biyokimyası ve mikrobiyolojisi alanındaki gelişmelere koşut bir artış görülmüştür. Yakın zamana kadar yalnız biyolojik arıtma çamurlarının çürütülmesinde uygulanan havasız arıtma süreci, son yıllarda endüstriyel ve evsel atık suların arıtılmasında da yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır [1]. Aerobik sistemler enerji maliyetlerinin hızla artmaya başladığı 1970 li yıllara kadar atık su arıtımında en çok kullanılan sistemler idi. Artan enerji maliyetleri, kullanılan arıtma sistemlerinin yatırım ve işletme giderleri bakımından yeniden incelenmesini gündeme getirmiş ve bunun sonucu olarak da anaerobik arıtma sistemleri geliştirilmiştir [1]. Anaerobik arıtmanın tercih edilmesini gerektiren birçok neden bulunmaktadır: - Kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) değeri 1500 mg/l den büyük olan atık suların anaerobik arıtımı, aerobik arıtmaya göre önemli ölçüde daha ekonomiktir, - Anaerobik arıtma sistemlerinde oluşan biyolojik çamur miktarı aerobik sistemlere göre çok azdır. Genelde aerobik arıtmaya giren 100 gram organik karbondan yaklaşık 50 gram biyolojik çamur oluştuğu halde anaerobik arıtmada buna karşı ortaya çıkan çamur miktarı 1 ila 5 gram dolaylarındadır. Dolayısıyla anaerobik arıtmada giderilen organik karbonun % i biyogaza dönüştürülür,

23 4 - Anaerobik arıtma tesisleri, aerobik sistemlere göre daha az alan kaplarlar, - Besin (N,P) gereksinimi aerobik süreçlerin % 5-20 si dir, - Anaerobik biyokütle aktivitesini kaybetmeksizin aylarca tutulabilir, - Aerobik süreçlerdeki 500~200 kw-sa / 100 kg KOİ lik bir havalandırma enerjisine karşılık anaerobik süreçlerde böyle bir gereksinim yoktur. Böylelikle enerji tüketilmez, aksine enerji (biyogaz) üretilir. Anaerobik yolla 100 kg KOİ giderimi sonunda 2700 kw-sa eşdeğeri net enerji üretilebilir[1]. Anaerobik arıtmanın bu üstünlükleri yanında bir kısmı atık türüne de bağlı olmak üzere bazı sakıncalıkları da vardır. Düşük sıcaklık veya çok seyreltik ve düşük alkalinitesi olan atık sular ile boşaltım standartlarının çok düşük biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ 5 ) ve/veya toplam azot ve fosfor sınırları gerektirdiği durumlarda anaerobik arıtma tek başına uygun olmayacaktır. Anaerobik arıtma ile ilgili aşağıda verilen kısıtlar da göz önünde tutularak gerekli hallerde aerobik arıtma yöntemlerinin seçilmesi daha uygun olabilir. - İşletmeye alma süresinin daha uzun olması - Seyreltik ve karbonhidratlı atıklarda düşük alkaliniteye bağlı ek alkalinite gereksinimi - Seyreltik atıklarda üretilen metanın reaktörlerin ısıtılması için yeterli olmayışı - Sülfatlı atık sularda H 2 S ve koku sorunu - Klorlu organiklerin anaerobik arıtmada, aerobik arıtmaya göre daha zararlı oluşu - Düşük sıcaklıklarda arıtma hızının düşük oluşu - Yüksek biyokütle aktivitelerinin oluşabilmesi için NH 4 derişimlerinin de mg/l gibi yüksek düzeylerde tutulma gereği - Bazı tür endüstriyel atıklarda reaktör içinde ve boru aksamında önemli inorganik çökelti ve taşlaşma sorunları [1].

24 5 2.2 Anaerobik Arıtımın Temelleri Mikrobiyoloji Anaerobik arıtma asit bakterileri ve metan bakterileri başta olmak üzere değişik mikroorganizma gruplarının rol aldığı oldukça karmaşık bir biyokimyasal süreçtir. Asit bakterileri ve metan bakterileri de kendi arasında her biri ikişer alt gruba ayrılmaktadır(çizelge 2.1). Çizelge 2.1. Başlıca anaerobik mikroorganizma grupları [1] Asit Bakterileri Metan Bakterileri Bütirik ve propiyonik asit üretenler Asetik asit üretenler Asetik asit kullananlar Hidrojen kullananlar Organik atıkların anaerobik ayrışması en genel halde üç basamaklı bir süreç şeklinde ele alınabilir (Şekil 2.1). 1. Mikroorganizmalar tarafından üretilen hücre dışı enzimlerin organik bileşikleri basit çözülebilir bileşiklere ayrıştırdığı hidroliz basamağı 2. Asit oluşturan bakterilerin basit organik bileşikleri uçucu asitlere dönüştürdüğü asit üretim basamağı 3. Asetik asit kullanan metan bakterilerinin asetik asiti parçalayarak, hidrojen kullanan metan bakterilerinin hidrojen ve karbondioksiti kullanarak metan ürettikleri metan üretimi safhası

25 6 Şekil 2.1. Anaerobik ayrışma basamaklarının genel gösterimi [2] Hidroliz Hidroliz, hücre dışı enzimlerce gerçekleştirilen oldukça yavaş bir süreçtir. Bu sürecin hızını etkileten en önemli etkenler ph, sıcaklık ve mikroorganizma bekleme süresi (çamur yaşı) dir. Yağlar çok yavaş hidrolize olduğundan önemli ölçüde yağ ve diğer yavaş hidrolize olan maddeler içeren atıkların anaerobik arıtımında hidroliz hız sınırlayıcı bir faktör olabilmektedir. Özellikle bazı selülozlu atıkların anaerobik arıtımında da hidroliz sınırlayıcı rol oynar. Lignin de oldukça karmaşık bir maddedir ve rasgele moleküler yapısı dolayısı ile anaerobik koşullarda hiç hidroliz olmaz veya tepkime hızı çok düşük olur [1]. Asit üretimi Bu basamakta hidroliz ürünleri asetik asit veya reaktördeki işletme koşullarının kararlı olmaması halinde, propiyonik, bütirik, izobütirik, valerik ve izovalerik asit gibi, ikiden fazla karbonlu yağ asitlerine dönüştürülür. Kararlı anaerobik süreçlerdeki yağ asitleri derişimi oldukça yüksek düzeylerde bulunur ( mg HAc/L). Anaerobik reaktörlerin işletmeye alınma basamağında uçucu asit derişiminin mg HAc/L yi geçmemesi arzu edilir. Asit üretimi basamağında iki farklı bakteri grubu görev yapmaktadır. Birinci grup bakteriler organik polimerlerin

26 7 hidrolizinde ve sonrasında da açığa çıkan monomerler gibi hidroliz ürünlerinin organik asit ve çözgenlere dönüştürülmesinde rol alırlar. Bazı asidojenik bakteri türleri (homoasetojenik bakteri) karbonhidratları kullanarak asetik asit üretirler [1]. Diğer bir tür de belirli koşullarda H 2 üretir. Homoasetojenik diye tanımlanan bir bakteri türü ise hidrojen, karbondioksit ve formik asit tuzunu asetata fermente ederler [3]. Asetik asit bakterileri çoğalmaları için gerekli enerjiyi organik asit ve çözgenlerin asetik asit, H 2 ve CO 2 e parçalanması sonucu açığa çıkan enerjiden sağlarlar. Termodinamik nedenlerle asetik asit bakterileri sadece H 2 kullanan mikroorganizma alt grupları ile birlikte yaşarlar. Asetik asit bakterileri aynı zamanda H 2 üreten asetojenik bakteriler olarak da anılmaktadırlar. -2 Düşük SO 4 derişimlerinde belirgin olmamakla birlikte sülfat gideren bakteriler de özellikle metan üretimini çeşitli şekillerde etkileyebilmektedir. Bu bakteriler bir yandan bazı organik asit ve alkolleri asetik aside oksitlerken aynı zamanda sülfatları da H 2 S e dönüştürmektedirler. H 2 S metan bakterileri için lüzumlu bir besin olduğundan, H 2 S in başka kaynaklardan karşılanmaması halinde ortamdaki sülfatın -2 kullanılması gereklidir. Bununla birlikte SO 4 derişimi çok yüksek olursa, sülfat giderimi sonucu, H 2 S derişimi metan bakterileri için zehirli olabilecek düzeylere ulaşabilir ve sülfat gideren bakteriler metan bakterileri ile H 2 için rekabete -2 girebilirler. Ortamda yeterince SO 4 olmaması halinde sülfat gideren bakteriler asetik asit üreten bakteriler gibi H 2 üretecek tarzda etkinlik gösterebilmektedirler. Asit üretim hızı metan üretim hızına göre daha büyük olduğu için, çözünmüş organik madde derişimlerindeki ani artış asit üretiminin artması sonucu sistemde asit birikimine yol açar. Böyle bir durum bir sonraki adım olan metan üretimi adımında zehirlenmeye neden olabilir. Asit üretimine koşut olarak, protein ve aminoasitlerin + ayrışmasından NH 4 da açığa çıkar. Amonyum derişimi genelde havasız süreçlerde zehirlenmeye neden olacak düzeyde olmamakla birlikte azotça zengin endüstriyel atık sularda sorun oluşturabilir [1].

27 8 Metan Üretimi Metan üretimi yavaş bir süreçtir ve genellikle havasız arıtmada hız sınırlayıcı basamak olarak kabul edilmektedir. Metan, asetik asidin parçalanması ve/veya H 2 ile CO 2 in birlikte kullanılması sonucu üretilir. Havasız reaktörlerde üretilen CH 4 in yaklaşık %30 u H 2 ve CO 2 den %70 i ise asetik asidin parçalanmasından oluşmaktadır. H 2 ve CO 2 den metan üreten bakteriler, asetik asit kullanan bakterilere nazaran çok daha hızlı bir şekilde çoğalmaktadırlar. Dolayısı ile ortamda yeterli H 2 ve CO 2 olduğu ve H 2 kısmi basıncı da uygun olduğu sürece bu yolla CH 4 üretimi devam eder. Ancak metan üretimi basamağının her zaman hız sınırlayıcı olması söz konusu değildir, bazen hidroliz basamağı daha kritik olabilir. Anaerobik arıtma sürecinin basamakları Şekil 2.2 de ayrıntılı olarak verilmiştir. Metan bakterileri, fizyolojik yapıları gereği en etkili şekilde ph= aralığında etkinlik gösterirler. Grup halinde metan bakterilerinin kullanabilecekleri besin maddeleri oldukça sınırlı olup bunlar asetik asit, H 2 ve tek karbonlu bileşiklerdir (Çizelge 2.2). Çizelge 2.2. Metan bakterilerinin kullandıkları besin maddeleri [1] Besin maddeleri CO 2 + 4H 2 Asetik asit Metonal Son ürünler CH 4 + 2H 2 O 0,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + 0,5 H 2 O 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + 0,5 H 2 O Metilamin + 0,5 H 2 O 0,75 CH 4 + 0,25 CO 2 + NH 3 Dimetilamin + H 2 O 1,5 CH 4 + 0,5 CO 2 + NH 3 Trimetilamin + 1,5 H 2 O 2,25 CH 4 + 0,75 CO 2 + NH 3

28 9 Şekil 2.2. Anaerobik arıtma sürecinin basamakları [1] Anaerobik mikroorganizmalar arasındaki karşılıklı ilişkiler Asetat kullanan metan bakterileri fermentasyon bakterileri ile ortak çalışarak asetik asit derişimi ve ph ı denetlerler. Asetat kullanan metan bakterilerinin çoğalma hızları fermentasyon bakterilerinin çoğalma hızlarına göre yavaştır. Dolayısı ile organik yükün artması durumunda asit üretimi istenen şekilde gerçekleşebildiği halde, metan üretimi aynı hızla gerçekleşmeyebilir. Bu yüzden reaktörde aşırı uçucu asit birikimi gerçekleşebilir. Anaerobik arıtma sürecinin durumu biyogaz içeriğindeki Hidrojen derişimi izlenerek açıklanabilir. Gaz fazındaki Hidrojen derişiminin artması halinde hidrojen kullanan bakterilerce CO 2 ve H 2 den CH 4 üretimi azalmaktadır. Bu en basit şekilde glikozun şok yükler halinde beslenmesi sonucu anaerobik reaktörlerde oluşan aşağıdaki tepkime ile açıklanabilir.

29 10 Sisteme glikoz ani olarak verildiğinde, fermentasyon (asit) bakterileri bu şok yüke kısa sürede uyum göstererek yukarıdaki tepkimeye göre asetik asit üretirler. Bu durum ph ın düşmesine neden olur ve metan bakterilerinin rol oynadığı reaksiyonların hızını yavaşlatarak ortamda H 2 birikmesine yol açar. Reaktörde H 2 derişiminin artması - Toplam asit üretim hızının düşmesine yol açar. Bu halde sistemin kararlı hale dönebilmesi için ek zaman gerekir. - Bütirik ve propiyonik asit derişimlerinin artmasına neden olur. Bu da asetik asit üretimini ve asetat kullanan metan bakterilerinin CH 4 üretmelerini engeller. Karmaşık organik maddelerin metana dönüştürülmesinde hidrojen üreten ve hidrojen kullanan bakteriler de önemlidir. Hidrojen üreten ve kullanan bakteriler için hidrojenin kısmi basıncı ile serbest enerji düzeyi arasındaki ilişki konunun önemini daha net bir şekilde açıklamaktadır. Buna göre propiyonik asidin asetik asit ve hidrojene parçalanabilmesi için ortamdaki H 2 in kısmi basıncının 10-4 atmosferi (100 mg/l) aşmaması gerekir. Bu düşük basınç ortamında hidrojen kullanan metan bakterileri için gerekli enerji kısmi basıncın 1 atm olması haline göre önemli ölçüde azaltılmış olmakta ve sonuç olarak tepkime kolaylaştırılmaktadır. Diğer bir deyişle birim hacim Hidrojeni kullanmak için gerekli bakteri miktarı daha da azalmaktadır. Bu yüzden H 2 kullanan metan bakterilerinin en yüksek hızla etkinliği için H 2 kısmi basıncının atm aralığında tutulması büyük önem taşır [1] Biyokimya Anaerobik reaktörlerde arıtılan organik atıkların içeriğindeki başlıca organik maddeler polisakkaritler, lignin, proteinler, azotlu bileşikler ve yağlardır. Bu