Müh. Fak., Çevre Müh. Böl.

Transkript

1 4181 Anaerobik Arıtma Sistemlerinde Proses Tasarımı 1. Ders GİRİŞ, Mühendislik Fakültesi Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir

2 GİRİŞ TARİHÇE,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 2

3 Atıksulardaki kirleticilerin etkileri Evsel atıksular: Atıksular kullanım şekillerine bağlı olarak çok çeşitli kirleticiler içerir. Evsel atıksularda en temel kirleticiler organik maddeler (KOİ, BOİ), partiküler bileşenler (AKM), çözünmüş bileşenler ve makronütrientler olarak sayılabilir. Endüstriyel atıksular: Endüstriyel atıksuların karakteri ile ilgili genel bir değerlendirme yapılamaz. Suyun kullanıldığı proses tipine ve kullanım maksatlarına bağlı olarak endüstriyel atıksular daha spesifik olarak ele alınır ve atıksu arıtma prosesi seçimi arıtma standardı ve karakterizasyona bağlı olarak gerçekleştirilir. Tablo: Atıksularda bulunan temel kirletici bileşenler ve özellikleri KİRLETİCİ BİLEŞENLER Askıda katı maddeler Biyo-ayrışabilir organikler Patojenler Nütrientler Ağır metaller Refrakter organikler Çözünmüş katılar ETKİLERİ Su kütlelerinin tabanında balçık olarak birikime ve septik şartların oluşmasına sebep olurlar. Su ortamlarında anaerobik şartların oluşmasına sebep olurlar. Sulardan bulaşan hastalıkların yayılmasına sebep olurlar. Ötrifikasyona sebep olurlar. Bitkiler ve canlılar üzerinde toksik etki gösterir. Bitkiler ve canlılar üzerinde dolaylı toksik etki gösterir. Suyun yeniden kullanımını engellerler.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 3

4 ,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 4

5 Şekil: Atıksuyun BOİ ve debisine bağlı olarak biyolojik proses seçimi (Design of anaerobic processes for the treatment of industrial and municipal... Yazar: Joseph F. Malina,Frederick G. Pohland),, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 5

6 ANAEROBİK PROSES ÇEŞİTLERİ Katı madde muhtevasına göre; Islak tip KM Muhtevası <%16 (2-15) Yarı kuru KM Muhtevası %16-%22 Kuru tip KM Muhtevası >%22 (25-45) (MSW, bitki atıkları) (KM>50 ise kuruluk aşırıdır ve mikrobiyal ativite durur) Organik yüke göre; Yüksek hızlı Düşük hızlı Reaktör tipine göre; Askıda gelişen sistemler Biyofilm sistemleri Çamur yataklı sistemler Sıcaklığa göre Termofilik Mezofilik İşletme şartlarına göre; Kesikli, Sürekli, Yarı sürekli ya da kesikli besleme,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 6

7 Tablo Anaerobik biyoteknolojinin tarihi gelişimi (Anaerobic biotechnology for bioenergy production principles and applications Samir Kumar) Anaerobic Technologies Developments in Chronological Order Investigator(s) and Place A. Discovery of combustible air methane Mouras Automatic Scavenger Recognized that anaerobic decomposition of organic matters produces methane (1776) Patented in 1881; the system had been installed in the 1860s Volta, Italy M. L. Mouras, France Anaerobic filter Began operation in the 1880s Massachusetts Experimental Station, United States A hybrid system a digester and an anaerobic filter Septic tank Waste disposal tank Travis tank Constructed around 1890 or 1891 Designed in 1895 with provision for recovery o biogas for heating and lighting Designed in 1894 (Urbana); 1897 (Champaign) Digestion tank with gas collection system (1897) Development of a two-stage system for a separate solid digestion (1904) W. D. Scott Moncrieff, England D. Cameron, Exeter, England A. L. Talbot, United States Leper colony, Matunga : Bombay, India W.O. Travis Imhoff tank Modified the Travis tank (1905) K. Imhoff, Germany,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 7

8 Tablo Anaerobik biyoteknolojinin tarihi gelişimi (devamı) Sludge heating system Digester seeding and ph control Clarigester (high-rate anaerobic processes) Anaerobic contact process (ACP) Anaerobic filter (AF) Anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) Upflow anaerobic sludge blanket reactor Development of first separate sludge digestion system (1927) Realized the importance of seeding and ph control (1930) Realized the importance of SRT (1950) Developed ACP similar to aerobic- activated sludge process (1955) Reexamined AF for the treatment of soluble wastewater (1969) An external cross-flow membrane coupled with anaerobic reactor (1978) Developed commercial-scale AnMBR in early 1980s Based on his first observation of granular sludge in Clarigester in South Africa (1979) Essen-Rellinghausen Plant, Germany Fair and More G. J. Stander, South Africa G. J. Schroepfer, United States J. C. Young and P L. McCarty, United States H. E. Grethlein, United States Dorr-Oliver, United States G. Lettinga, The Netherlands,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 8

9 Tablo Anaerobik biyoteknolojinin tarihi gelişimi (devamı) Expanded- bed reactor Developed fixed-film expanded-bed reactor (1980) M. S. Switzenbaum and W. J. Jewell, United States Anaerobic baffled reactor Retention of biomass within the baffles (1981) P. L. McCarty, United States Trace elements for methanogens Anaerobic sequential batch reactor (ASBR) Reported the importance of trace elements for methanogenic activity (1983) Developed ASBR for the treatment of swine manure (1992) R Speece, United States R Dague and S. R Pidaparti, United States,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 9

10 ,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 10

11 ,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 11

12 Anaerobic processes consist of four major components: (1) a closed bio-reactor, (2) a mixing system, (3) a heating system, and (4) a gas-liquld-solids separation system.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 12

13 ORP,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 13

14 The affinity of microorganism for the electron acceptor is in the following order (Kiene 1991): NO 2- >O 2 > NO 3 > MnO 2 > FeOH > SO 4 2 > CO 2 Mikrobiyal reaksiyonlarda elektron alıcısı kullanımının sırasını belirleyen en önemli parametrelerin başında oksidasyon redüksiyon potansiyeli (ORP) gelmektedir. ORP, kimyasal bileşenler arasındaki değişebilen (elektron alış-verişi) elektronların ölçüsüdür. Aşağıdaki Çizelgede ORP ye bağlı olarak gerçekleşecek mikrobiyal reaksiyonlar verilmiştir. Buna göre, aerobik şartlarda gerçekleşen mikrobiyal reaksiyonlar için ortamın ORP si +50 mv değerinden büyük olmalı, anaerobik metan fermentasyonu için -300 mv dan küçük olmalıdır.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 14

15 Tablo Oksidasyon Redüksiyon potansiyeli ve solunum ORP, mv Nihai elektron alıcısı Solunum >+50 O 2 (Hav. tankı) +50~ -50 NO 3- (Denitrifikasyon) <-50 SO 4 2- (İkinci çökeltme ve yoğunlaştırıcı) <-100 CH 2 O (Yoğunlaştırıcı ve çürütücü) <-300 CO 2 (CO 3 2- ) Çürütücü Aerobik ya da oksik CH2O CO2 H2O Hücre Anaerobik ya da anoksik CH 2O CO 2 H 2O asitler alkoller Hücre Anaerobik ya da SO 2-4 indirgenmesi 2 CH O SO 4 CO2 H2O H2S asitler Anaerobik ya da karışık alkol ve asit fermentasyonu Anaerobik ya da metan fermentasyonu CH 2O CO 2 CH Hücre alkoller 2 CH O NO3 CO 2 H2O N2 N2O 2 4 Kaynak: Gerardi, M.H., The Microbiology of Anaerobic Digesters, Wastewater Microbiology Series, John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, 2003, New Jersey,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com Hücre Hücre 15

16 FIGURE 9.4 The reduction sequence observed in ph 6.5 to 7 soils The observed transformation from oxidized to reduced species occurs in the EH range indicated by the hatched region. The EH values where the redox transformations are theoretically predicted to occur are indicated by horizontal lines. The oxic (EH > 414 mv), suboxic (120<EH<414 mv), and anoxic (EH < 120 mv) Kaynak: Soil and Water Chemistry,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 16

17 Tablo Dominant Processes Involved in Breakdown of Organic Substrates in Wetlands Redox Potential (mv) Electron Acceptor Decomposition End Products Microbial Groups Aerobic >+300 O 2 CO 2, H 2 O Aerobic fungi and bacteria Fermentation < 100 to +300 Organics Organic acids CO 2, H 2, alcohols, amino acids Facultative +100 to +300 NO 3 Mn 4+ Obligate anaerobic < 100 < 100 < 100 Fe 3+ SO 4 2 CO 2, acetate Organic acids NO 3 N 2 O, N 2, CO 2, H 2 O Mn 2+, CO 2, H 2 O Fe 2+, CO 2, H 2 O HS, CO 2, H 2 O CH 4, CO 2, H 2 O Acetate, CO 2, H 2 Fermenting bacteria Denitrifying bacteria Mn 4+ reducers Fe 3+ reducers Sülfat indirgeme Metan üretimi H 2 -üretimi,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 17

18 FIGURE 8.3 Order of successive microbially mediated redox reactions, is from top to bottom, from higher to lower redox potential. The more positive the redox potential is, the more energy is released per electron transferred,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 18

19 Caution also should be used when adding sodium nitrate, because the release of nitrate ions (NO3 ) increases the oxidation-reduction potential (ORP) of the digester.the ORP of the digester should not be allowed to increase above 300mV, for example, 250mV, because methane-forming bacteria cannot produce methane at ORP values greater than 300 mv in a mixed culture,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 19

20 Decomposition of organic substrates under anaerobic conditions results in the accumulation of reduced species including methane, sulfides, volatile fatty acids, ferrous iron, manganous manganese, ammonium nitrogen, and hydrogen. These reduced compounds store substantial amounts of energy released from organic substrates during anaerobic catabolism.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 20

21 From energetic standpoint, oxygen is the most favorable electron acceptor as it releases the greater Gibb s free energy change (G ), and hence is favored by microorganisms. In an environment devoid of oxygen, the next best electron acceptor is NO 3 followed by MnO 2, FeOH, SO 4 2, and CO 2. Findings, however, suggest that fermentation reactions and reductions of SO 4 2 and CO 2 may occur almost simultaneously. Table Natural abundance and free energy yield of commonly used electron acceptors Electron acceptor Natural abundance Free energy (kj/mol glucose) Oxygen 300 mmol/l 3190 Nitrate Few mmol/l 3030 Manganese MnO2 (birnessite) <mmol/l to >mmol/l 3090 Manganese, MnO2 (nsutite) <mmol/l to >mmol/l 3050 Manganese, MnO2 (pyrolusite) <mmol/l to >mmol/l 2920 Nitrate Few mmol/l 2750 Iron, Fe2O3 (hematite) <mmol/l to >mmol/l 1330 Sulfate <100 mmol/l (freshwater), 380~28 mmol/l (seawater) 380 Carbon dioxide Variable 350,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 21

22 ORP ölçümü, havalandırma tanklarındaki aerobik şartların kontrolünde ÇO ölçümüne göre daha güvenilirdir. Koku anaerobik ortamda ortaya çıkar. Kokunun ortaya çıktığı ORP değeri, ÇO konsantrasyonunun sıfır olduğu noktadan çok uzaktadır. Havalandırma sistemlerinde koku oluşumunu kontrol etmek için, ÇO ölçümü yerine ORP ölçümü daha etkilidir. ORP-koku ilişkisi, ORP-ÇO ilişkisine göre daha keskin ve etkilidir. Pratikte, koku oluşumunu etkili şekilde kontrol eden redoks potansiyeli Eh>+40 mv, ve rahatsız edici koku oluşum seviyesi (algılama seviyesi) 100 mv olarak uygulanmaktadır. Bu yüzden, otomatik havalandırmalı atıksu arıtma sistemlerinde Eh değeri 40 mv'un altına indiği zaman koku oluşmaz. Çözünmüş oksijen ölçümü yerine redoks potansiyelinin ölçümü havalandırma sistemlerinin enerji giderlerinde %75 mertebesinde enerji tasarrufu sağlar.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 22

23 Tablo Aerobik ve anaerobik proseslerin karşılaştırılması AEROBİK ANAEROBİK Reaksiyon C 6 H 12 O 6 +6O 2 6CO 2 +6H 2 O C 6 H 12 O 6 +6O 2 3CO 2 +3CH 4 Enerji G =-2840 kj/mol glikoz G =-393 kj/mol glikoz Karbon dengesi %50 CO 2 %50 biyokütle (C 5 H 7 NO 2 ) Enerji dengesi %60 biyokütle (C 5 H 7 NO 2 ) %40 ısı üretimi Biyokütle üretimi (mikrobiyal çoğalma) Enerji ihtiyacı Biyokütle hızlı çoğalır ve aerobik sistemlerde çamur bertaraf problemi ortaya çıkar. Aerobik reaktöre oksijen sağlamak için havalandırmaya ihtiyaç duyulur ve bunun için enerji gerekir. %95 CH 4 +CO 2 (biyogaz) %5 biyokütle (C 5 H 7 NO 2 ) %90 CH 4 içerisinde kalır %5 biyokütle (C 5 H 7 NO 2 ) %5 ısı üretimi Biyokütle yavaş çoğalır/ üretimi düşüktür ve bu yüzden anaerobik reaktörlerin devreye alınması uzun sürer. Prosesi ısıtmak için ihtiyaç duyulan enerji biyogaz ile sağlanabilir. (Erişim: Ağustos 2017),, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 23

24 Anaerobik prosesler enerji üretir, çamur üretmez, yavaştır. Seyreltik atıklara uygulanmaz Bazı atıklar mutlak anaerobik arıtılır. Aerobik prosesler enerji tüketir, çamur üretir, hızlıdır. Bazı atıklar mutlak aerobik arıtılır m 3 biyogaz (%60-70 CH 4 ) 100 kg KOİ ANAEROBİK kg KOİ 100 kg KOİ kwh 5 kg Çamur C 5 H 7 NO 2 Isı kaybı AEROBİK 100 kg 35 m 3 CH kwh 100 kg KOİ için fayda; Havalandırma ihtiyacı yok: 100*3,6/0,4= 900 MJ Metan üretimi =1080 MJ 1980 MJ kg KOİ kg Çamur C 5 H 7 NO 2 Çamurun enerji değeri; 1 kg 1,42 kg 5,7 kwh-teorik (%35 verim) C H NO 5O 5CO 2H O NH g / mol 160 g / mol 160 g / mol çamur 113 g / mol KOİ 1,42 kg KOİ / kg çamur,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 24

25 ANAEROBİK PROSES SAFHALARI,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 25

26 ANAEROBİK BİYOLOJİK ARITMA Anaerobik Arıtma: Atıksulardaki karbon bazlı substrat bileşenlerinin oksijensiz ortamda nihai stabilizasyon ürünleri olan metan ve karbondioksite dönüşmesidir. Anaerobik arıtmanın başarılı olabilmesi için, reaktördeki farklı bakteriler arasındaki etkileşim mekanizmasının işler durumda olması gerekir. Biyokimyasal reaksiyonlarla metan üretimi gerçekleşmezse substrat (KOİ) giderimi olmaz. Ayrışma üç farklı mikroorganizma tarafından beş safhada gerçekleşir.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 26

27 Hidroliz aşamasında; Proteinler amino asitlere, Lipidler uzun zincirli yağ asitlerine ve alkollere, Karbonhidratlar mono sakaritlere (şekerlere), Nükleik asitler şekerelere Dönüşür. Asit fermentasyonu: Başlıca asetik asit olmak üze uçucu yağ asitleri (karboksilik asit) oluşum safhası Asetik asit üretimi: Hidrojenin elektron alıcısı olarak kullanıldığı asetik asit üretim safhası Metan üretimi: Metan üretimi iki biyokimyasal reaksiyonla gerçekleşir. 1-%70 CH 3 COOH CH 4 +CO 2 2-%30 4H 2 +CO 2 CH 4 +2H 2 O İki fazlı reaktörlerde hidroliz ve asit üretim safhası ile metan üretim safhası ayrı olur. Hidroliz ve asit üretim safhası ph a karşı hassas değildir. Her safhadaki karıştırma, hidrolik bekletme süresi ve organik yükü optimize etmek gerekir.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 27

28 GİRİŞ-ARITMA KONSEPTİ Anaerobik arıtma: Atıksulardaki organik maddelerin, anaerobik ve fakültatif mikroorganizmalar tarafından oksijensiz ortamda sıvı, gaz (başlıca CH 4 ve kalanı CO 2 ) ve diğer stabil ürünlere dönüştürülmesidir. Proses üç safhada gerçekleşir: hidroliz, asit üretimi ve metan üretimidir. Hidroliz: Kompleks organik bileşenlerin hidrolitik bakteriler tarafından basit substrat bileşenlerine dönüşümüdür. Enzimler bu reaksiyonları katalizlerler. Hidroliz, kısaca su ile reaksiyon olarak da değerlendirilebilir. Bu reaksiyonlar bütün çevresel şartlarda gerçekleşebilir. Hidroliz, asit kullanarak kimyasal olarak da gerçekleştirilebilir. Hidroliz, bir oksidasyon redüksiyon reaksiyonu değildir ve karbonun ortalama oksidasyon basamağında bir değişim olmaz. Hidroliz, anaerobik ayrışmanın ilk safhası olmasına rağmen, prosesi kontrol etmez. Ancak, fazla biyolojik çamurlar ve selülozik içerikli atıklar gibi hidroliz hızı düşük olan bileşenlerde hız kısıtlayıcı safha hidroliz safhası olabilir. Polimerlerin hidrolizi genellikle yavaştır.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 28

29 GİRİŞ-ARITMA KONSEPTİ Hidroliz hızını ve derecesini etkileyen hususlar şunlardır (Anaerobic reactors, Yazar: Carlos Augusto de Lemos Chernicharo): Reaktörün işletme sıcaklığı, Substratın reaktörde bekletme süresi, Substratın bileşimi (lignin, karbonhidrat, protein ve yağ bileşenleri), Partiküllerin büyüklüğü, Ortamın ph ı NH 3 -N konsantrasyonu, Hidroliz ürünlerinin konsantrasyonları (uçucu yağ asitleri) Asit üretimi: Yüksek moleküler ağırlıklı kompleks organik bileşenlerin, mikroorganizmaların enerji ve karbon kaynağı olarak kullanılabileceği düşük moleküler ağırlıklı bileşenlere (başlıca uçucu yağ asitlerine) dönüşümüdür. Bu safhada KOİ-BOİ stabilizasyonu az miktarda gerçekleşir.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 29

30 GİRİŞ-ARITMA KONSEPTİ Metan üretimi: Bu safhada, asit bakterileri tarafından ara ürün olarak üretilen uçucu yağ asitleri anaerobik şartlarda CO 2 ve CH 4 gibi basit nihai ürünlere dönüştürülür. Metan bakterileri mutlak anaerobiktir. Bu bakteriler, ph ve sıcaklık gibi çevresel parametrelere karşı asit bakterilerinden daha hassastır. Bu yüzden, prosesin hızını genellikle metan üretim safhası belirler. Organik maddelerin stabilizasyonu bu safhada gerçekleşir. Hidrolitik bakteriler: Kompleks moleküllere su ilave ederek onları küçük-çözünmüş bileşenlere parçalarlar. Fermantasyon: Organik bileşenlerden katabolik oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarıyla enerji üretimidir. Organik bileşenler hem elektron alıcısı hem de elektron vericisidir. Fermantasyonda organik bileşenlerin bir kısmı elektron alıcısı olduğu için, organik maddelerin bir kısmı oksitlenirken bir kısmı indirgenir. Şekerler, mayalar tarafından alkol ve karbondioksite dönüştürülür. Fermentasyon için ORP < 100 ~+300 arasında olmalıdır. Fermentasyon anaerobik şartlarda gerçekleşir.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 30

31 1. Hidroliz: Partiküler organiklerin çözünmesidir. (kompleks organik maddelerin çözünmüş organik bileşiklere dönüşümü) Biyokimyasal bir prosestir. Hücre dışı bakteriyel enzimler tarafından gerçekleştirilir. Bu safhada organikler stabil olmaz. Atıksu arıtma çamurlarının anaerobik stabilizasyonunda hız kısıtlayıcı safha hidrolizdir. (Liquefaction: transformation into a liquid) 2. Asit üretimi: (Acidogenesis: Asetojenesis) Çözünmüş moleküller hücre membranlarından geçer ve fermentasyonla kısa zincirli yağ asitlerine, alkollere ve laktik asite dönüşür. Başlıca uçucu yağ asitleri: asetik, propiyonik, bütrik, valerik ve kaproik asittir. Bu safhada H 2 de açığa çıkar ve H 2 gazı asit üreten bakterileri inhibe eder. Biyo-ayrışabilir KOİ nin en az %50'si bütrik ve propiyonik asite dönüşür. 3. Asetik asit üretimi: Acetogenesis: Başlıca nihai ürünler: asetik asit ve hidrojendir. Methanogen bakterileri ikiye ayrılır: 1. Hydrophilic methanogens: Metan üretimin %28'i 4H CO CH Acetophilic methanogens: (Metanojenesis) Metan üretimin %72'si H 2 O CH3COOH CH CO Substrat giderimi bu safhada gerçekleşir. Metan suda çözünmediği için su ortamını terk eder ve organik maddeler sudan giderilmiş olur. Çözünmüş organik bileşik ihtiva eden atıksular için hız kısıtlayıcı safha metan üretim safhasıdır.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com

32 ,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 32

33 1. Disintegration: Extracellular process converting composite particulate materials to carbohydrates, proteins, and lipids 2. Hydrolysis: Extracellular process converting particulates into soluble monomers 3. Acidogenesis: Conversion of monomers to bicarbonates, alcohols, hydrogen, and organic acids through fermentation 4. Acetogenesis (Asetojenesis): Oxidation of alcohols and organic acids to hydrogen and acetate 5. Methanogenesis (Metanojenesis): Formation of methane from hydrogen and acetate Hydrolysis and Formation of Lower Fatty Acids by Acidogenic Bacteria The formation rate of amino acids from proteins, glycerine and fatty acids from lipids and monosaccharides from higher hydrocarbons depends on: the mole mass of polymers, their stability during hydrolysis, the portion of colloids, the concentration of enzymes.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 33

34 ,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 34

35 Figure The critical biochemical reactions in the anaerobic digestion process and production of methane include hydrolysis, acid production, acetogenesis, and methane production. Methane production may occur through the use of acetate, hydrogen and carbon dioxide, and methano,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 35

36 Fermantasyon Fermantasyon, organik bileşenlerin hem elektron alıcısı hem de elektron vericisi olarak kullanıldığı, anaerobik katabolizma mekanizmasına dayanan biyokimyasal reaksiyonlarla enerji üretimidir. Başka bir tanım, anoksik ortamda hetetrofik organizmaların organik molekül içerisindeki elektronları yeniden dizerek basit organik (asetat, etanol, H 2, CH 4 gibi) ve inorganik bileşenlere (CO 2, H 2 O) dönüştürmesi ve enerji üretmesidir. C 6 H 12 O 6 2CH 3 CH 2 OH (etanol) + 2CO 2 ΔG = 239 kj mol 1 Fermantasyon anaerobik solunumun bir formudur. Fermantasyon anaerobik şartlarda gerçekleşir. Fermantasyonla kompleks organik bileşenler basit substrat bileşenlerine dönüşür. Fermantasyonla organik maddeler kısmen okside olur. Fermantasyonla büyük moleküllerden enerji çıkararak küçük moleküller üretilir. Bu yüzden organik madde içerisindeki potansiyel kimyasal enerjinin az bir kısmı açığa çıkar. Ayrışan organik bileşenin ihtiva ettiği enerjinin çoğu fermente olan ürün içerisinde kalır. Fermantasyon için ORP nin < mv arasında olması gerekir. Fermantasyonla molekül içerisindeki elektronlar yeniden dizilir.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 36

37 ACETATE FERMENTATION Acetate is produced in several fermentative pathways. 4H 2 + 2CO 2 CH 3 COOH + 2H 2 O 4CO + 2H 2 O CH 3 COOH + 2CO 2 4CH 3 OH + CO 2 3CH 3 COOH + 2H 2 O C 6 H 12 O 6 3CH 3 COOH ALCOHOL (ETHANOL) FERMENTATION Although alcohol fermentation is the domain of yeast (mostly Saccharomyces), alcohol is produced by several species of bacteria in the genera Erwinia, Sarcina, and Zymomonas. These organisms produce ethanol from the anaerobic degradation of hexoses such as glucose. At relatively low ph values (<4.5), alcohol is produced by bacteria in the genera Enterobacter and Serratia. C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2 Fermantasyon: Organik bileşenlerden katabolik oksidasyon-redüksiyon reaksiyonlarıyla enerji üretimidir. Organik bileşenler hem elektron alıcısı hem de elektron vericisidir. Fermantasyonda organik bileşenlerin bir kısmı elektron alıcısı olduğu için, organik maddelerin bir kısmı oksitlenirken bir kısmı indirgenir. Şekerler, mayalar tarafından alkol ve karbondioksite dönüştürülür. Fermentasyon için ORP < 100 ~+300 arasında olmalıdır. Fermentasyon anaerobik şartlarda gerçekleşir.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 37

38 METHANE FERMENTATION Three types of methane-forming bacteria achieve methane production two groups of obligate chemolithotrophic methanogens and one group of methylotrophic methanogens. Chemolithotrophic methanogens produce methane from carbon dioxide and hydrogen (Equation 1) or formate (Equation 2). Carbon monoxide also may be used by some chemolithotrophic methanogens in the production of methane (Equation 3). Methylotrophic methanogens produce methane by using methyl group ( CH3)-containing substrates such as methanol (Equation 4), methylamine (Equation 5), and acetate (Equation 6). These organisms produce methane directly from the methyl group and not via carbon dioxide. Chemolithotrophic methanogens CO 2 + 4H 2 CH 4 + 2H 2 O (1) 2HCOOH CH 4 + CO 2 (2) 4CO + H 2 O CH 4 + 3CO 2 (3) Methylotrophic methanogens 3CH 3 OH + 3H 2 3CH 4 + 3H 2 O (4) 4(CH 3 ) 3 N+6H2O 9CH 4 +3CO 2 +4NH 3 (5) CH 3 COOH CH 4 + CO 2 (6),, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 38

39 TABLE Major Acids and Alcohols Produced Through Fermentation Processes in Anaerobic Digesters Name Acetate Butanol Butyrate Caproic acid Formate Ethanol Lactate Methanol Propanol Propionate Succinate Formula CH 3 COOH CH 3 (CH 2 ) 2 CH 2 OH CH 3 (CH 2 ) 2 CH 2 COOH CH 3 (CH 2 ) 4 COOH HCOOH CH 3 CH 2 OH CH 3 CHOHCOOH CH 3 OH CH 3 CH 2 CH 2 OH CH 3 CH 2 COOH HOOCCH 2 CH 2 COOH TABLE Growth Yields (as % of COD removed) Substrate (waste) Yield Alcohols Carbohydrates Organic acids Proteins ,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 39

40 TABLE Volatile Acids Commonly Found In Anaerobic Digester Volatile Acid Number of Formula Carbon Units Formate 1 HCOOH Acetate 2 CH 3 COOH Propionate 3 CH 3 CH 2 COOH Butyrate 4 CH 3 (CH 2 ) 2 COOH Valeric acid 5 CH 3 (CH 2 ) 3 COOH Isovaleric acid 5 (CH 3 ) 2 CHCH 2 COOH Caproic acid 6 CH 3 (CH 2 ) 4 COOH The higher the volatile solids feed to the digester, the larger the amount of volatile acids formed in the digester. The larger the amount of volatile acids in the digester, the greater the impact of volatile acids on digester alkalinity and ph. Therefore, sludges that have a high volatile content should be transferred slowly to an anaerobic digester.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 40

41 Methane-forming bacteria are strict anaerobes and are extremely sensitive to changes in alkalinity, ph, and temperature. Therefore, operational conditions in the digester must be periodically monitored and maintained within optimum ranges. In addition to alkalinity, ph, and temperature, several other operational conditions should be monitored and maintained within optimum ranges for acceptable activity of methaneforming bacteria. These conditions are gas composition, hydraulic retention time (HRT), oxidationreduction potential (ORP), and volatile acid concentration. The difficulty in achieving proper digester operation is the presence of different bacterial groups that have different optimum values or ranges of values for operational conditions. For example, there are two optimal temperatures for anaerobic digestion of solids. The acid-forming bacteria have an optimum temperature at 30 C, and the mesophilic, methane-forming bacteria have an optimum temperature at 35 C.,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, 41

42 GENEL KAYNAKLAR Karia & Christian, G L Karia R A Christian, Wastewater Treatment: Concepts And Design Approach. Türker, M., (2008). Anaerobik Biyoteknoloji ve Biyoenerji Üretimi, Çevkor Vakfı Yayınları, İzmir, 260 sayfa. Türker, M., (2007). Biyogaz Teknolojisi, Çevkor Vakfı Yayınları, İzmir. Öztürk, İ, Anaerobik Arıtma ve Uygulamaları, SU VAKFI YAYINLARI Samir Kumar Khanal, Anaerobic biotechnology for bioenergy production : principles and applications, John Wiley & Sons, Inc., 2008, ISBN: Gerardi, Michael H. The microbiology of anaerobic digesters, ISBN ,, Mühendislik Fakültesi, Çevre Müh. Böl. Çağış/Balıkesir, agunay@balikesir.edu.tr, ahmetgunay2@gmail.com 42