ANAEROBİK ARITIM PROSESLERİ

Transkript

1 ANAEROBİK ARITIM PROSESLERİ Anaerobik Arıtma Anaerobik arıtma, mikroorganizmaların organik atıkları, serbest oksijensiz bir ortamda, metan, karbondioksit, hücresel ve diğer organik maddelere çevirdiği biyolojik bir işlemdir. Organik madde + H 2 O Anaerobik mikroorganizmalar CH4 + CO 2 + NH 3 + H 2 S + Yeni hücre Organik maddelerin anaerobik arıtımı sonucu ortaya önemli bir temiz/alternatif enerji kaynağı olan biyogaz (% CO 2, % CH 4, % 1-2 H 2 S) çıkar.

2 Anaerobik bozunma, atık yönetimi uygulamaları için organik atıkların serbest oksijensiz bir ortamda metan ve karbondioksite dönüşmesi olarak tanımlanabilir. Anaerobik biyolojik bozunma üç aşamada gerçekleşen bir biyokimyasal işlemdir. Bu aşamalar (1) Hidroliz: kompleks organik maddelerin çözünmüş organik bileşiklere dönüşümü; (2) Asetojenesis: çözünmüş organik maddelerinden uçucu yağ asitlerinin (ağırlıklı olarak asetik, propiyonik ve bütrik asitler) oluşumu; ve (3) Metanojenesis: uçucu yağ asitlerinin metan ve karbondioksite çevrimi olarak özetlenebilir. H 2, CO 2 METANOJENESİS KARMAŞIK ORGANIK BİLEŞİKLER (Karbohidratlar, Proteinler, Lipidler, vd..) 1 HİDROLİZ BASİT ORGANİK BİLEŞİKLER (Şekerler, Aminoasitler, Peptidler, vd.) 1 ASİDOJENESİS UZUN ZİNCİRLİ YAĞ ASİTLERİ (Propiyonat, Bütrat, vb.) 2 3 CH 4, CO 2 ASETOJENESİS ASETOJENESİS 4 5 ASETAT METANOJENESİS BİYOGAZ Metanojenik Bakteri

3 Anaerobik Bozundurmaya Tabi Tutulabilen Atık Türleri Arıtma Tesisi Çamurları Tarımsal atık ve artıklar Evsel Organik Katı Atıklar Endüstriyel Atıklar Anaerobik Bozunma ve Enerji Kalorifik değeri daha düşük olmakla birlikte, anaerobik bozunma sürecinde oluşan biyogaz, doğal gaza benzerlik gösteren bir yakıttır. Biyogaz doğal gaz için tasarlanmış her türlü uygulamada kullanılabilir. 1 m3 biyogazdan (20 MJ enerji/m3 biyogaz kabulü ile): Sadece elektrik: 1,7 kwh elektrik (%30 dönüşüm verimi kabulü ile), Sadece ısı: 2,5 kwh ısı (%70 dönüşüm verimi kabulü ile), Kombine ısı ve enerji: 1,7 kwh elektrik ve 2 kwh ısı elde edilebilir.

4 Anaerobik Bozundurma ve Sera Gazı Azaltımı ABD denin Kalifornia Eyaletinde 400 süt ineği bulunan bir çiftlikte yapılan bir çalışmanın sonuçlarına göre, çiflikte ortaya çıkan hayvansal atıkların üstü açık bir havuzda depolanmasına (referans sistem) göre anaerobik olarak bozundurulması ve biyogazın enerji eldesinde kullanımı, toplam Küresel Isınma Potansiyelini (GWP) CO2-eşdeğeri bazında % 79 oranında azaltmıştır. Anaerobik Bozundurma ve Organik Tarım Anaerobik Bozundurma organik maddelerin oksijensiz ortamda bakteriyel fermentasyonudur. Bu süreçte karbon içeren tüm bitkisel ve hayvansal maddeleri kapsayan bu organik maddeler biyogaz, fiber ve katı/sıvı gübreye dönüşür. Anaerobik Bozundurma sürecinde işlenen organik maddelerin her hangi bir toksik, tehlikeli, vb. atık ve patojen içermediği durumlarda, elde edilen toprak iyileştiricisi, fiber ve gübre organik tarım uygulamalarında kullanılabilir.

5 Bir Yakıt Olarak Biyogaz Bu tablodaki veriler göz önüne alındığında: - Enerji değeri bazında biyogazın sıvılaştırılmış propan gazı (LPG) ve kerosin ile eşdeğer bir yakıt olduğu, - Tezeğe göre 4,5, odun kömürüne göre 1,6 ve oduna göre 2,25 defa daha fazla ısı ürettiği görülecektir.

6 Anaerobik arıtma sistemlerinin aerobik arıtma sistemlerine göre avantaj ve dezavantajları (Speece, 1996) Avantajlar Dejavantajlar Düşük atık biyokütle üretimi Düşük azot ve fosfor gereksinimi Düşük reaktör hacmi Enerji tasarrufu ve değerli yan ürünler Daha kolay işletim Atıkgaz arıtımı gereksiniminin azalması/ortadan kalkması Düşük köpüklenme problemleri Aerobik olarak giderilemeyen bazı maddelerin giderimi Düşük klorlu organik toksisite düzeyleri Mevsimsel arıtım olanağı Biyokütle büyümesi için uzun süre gereksinimi Bazı atıksular için: yoğun alkalinite gereksinimi yetersiz çıkış kalitesi yetersiz metan üretimi kaynaklı ısıtma gereksinim koku problemi Düşük sıcaklıkta düşük kinetik hızlar

7 Biyolojik olarak giderilebilir endüstriyel bir atıksu için anaerobik sistemler yoğun olarak kullanılan- aerobik sistemlere göre; 5-10 kat daha yüksek hacimsel yükleme hızına sahiptir. Yüzde daha düşük biyokütle sentezleme hızına sahiptir. Yüzde daha az besine gereksinim duyar. Beslenmeden aylarca canlılığını sürdürür. Havalandırmaya gerek duymaz bu da anaerobik olarak arıtılan her kg KOİ eşdeğeri organik kirlilik için 0,5-2,0 kwsaat enerji tasarrufuna denk düşer. Arıtılan her kg KOİ eşdeğeri organik kirlilik için yaklaşık 3,6 kw-saat eşdeğeri metan gazı üretir.

8 4400 kg BOİ/gün lük bir atıksuyun anaerobik (akışkan yataklı reaktör) ve aerobik olarak arıtımının karşılaştırılması (Speece, 1996) Reaktör Hacmi (m 3 ) Yüzey Alanı (m 2 ) Enerji Gereksinimi (kw-saat/gün) Enerji Gideri (Dolar/yıl) Metan Gazı Üretimi (m 3 /gün) Metan Gazının Getirisi (Dolar/yıl) Atık Biyokütle Üretimi (ton/yıl) Anaerobik Aerobik

9 Anaerobik biyoteknolojinin endüstriyel atıksuların arıtımında çok fazla yaygınlaşamaması, bu atıksularda bulunan toksik maddelerin anaerobik bakterileri olumsuz yönde etkiliyerek, arıtım verimini düşüreceği ya da sistemi tümüyle işlemez hale getireceğine yönelik kaygılardan kaynaklanmaktadır. Ancak konu üzerindeki pekçok araştırma, doğru olarak tasarlanan/işletilen ve mikroorganizmaların toksik maddelere yeterince alıştırıldığı anaerobik sistemlerin toksik maddeler içeren endüstriyel atıksuları yüksek bir performansla arıtabildiğini göstermiştir Ayrıca, anaerobik reaktörler (genleşen yataklı reaktörler - expanded bed reactors- gibi) atıksu karakteristiğine göre tasarlanıp işletildiği taktirde, anaerobik biyoteknolojide problemli sayılan düşük ısıdaki (< 20 0 C) ve seyreltik (< 1000 mg/l KOİ) atıksuların arıtılabildiği de saptanmıştır

10 Anaerobik arıtmanın kullanıldığı bazı endüstriler Alkolsüz İçecekler Peynir ve süt ürünleri Et kesimi ve paketleme Petrokimya Patates işlenmesi Şeker Kağıt Organik kimyasallar Tekstil Bira ve Şarap Zeytinyağı Et Paketleme Nişasta Ağaç İşleme Şeker Süt Ürünleri Mezbaha Bira Mayası Donmuş yiyecek Dondurma Hayvan yemi Protein

11 Reference: Hulshoff Pol L., Euler H., Schroth S., Wittur T. and Grohganz D. (1998) GTZ sectoral project promotion of anaerobic technology for the treatment of municipal and industrial wastes and wastewaters. Proceedings 5th Latin-American Workshop - Seminar Wastewater anaerobic treatment, October 1998, Vina del Mar, Chile.

12 Tüm dünyada yaygın olarak uygulanan ve üzerinde çok yoğun araştırmaların yapıldığı bu arıtma teknolojisi, ülkemizde halen çok sınırlı düzeyde uygulanmakta ve bu duruma paralel olarak, araştırma düzeyinde de sınırlı ölçekte çalışmalar yapılmaktadır. Oysa, yukarıda açıklanan avantajları nedeniyle, bu prosese mutlaka ülkemizde de hak ettiği önemin verilmesi gerekmektedir. DPT nin Beş Yıllık Plan larında da arıtma tesislerinin yapımında ülke, bölge ve yerleşme koşullarına uygun teknoloji kullanımına özen gösterilmesi gereğine işaret etmektedir

13 ÜLKEMİZDE ENDÜSTRİYEL ATIKSU ARITIMI İmalat sanayi sektörü temel çevre göstergeleri, Endüstriyel atıksu arıtma tesisine sahip olan işyerlerinin oranı (%) ,4 19,5 20,1 22,3 27,6 N/A T.C. Başbakanlık Türkiye İstatistik Kurumu, Bu rakamlar da ülkemizde ilk maliyet ve işletim anlamında ucuz, yüksek teknoloji, dışa bağımlılık ve işletimi için uzmanlık gerektirmeyen ayrıca değerli yan ürünler sağlayarak arıtım maliyetini azaltan endüstriyel atıksu arıtma yöntemlerine gereksinim olduğunu açıkça ortaya koymaktadır

14 KÜÇÜK ÖLÇEKLİ BİYOGAZ REAKTÖR TİPLERİ Sabit Kubbeli Reaktör Çin Tipi

15 Yüzer (Hareketli) Kubbeli Reaktör Hint Tipi

16 ANAEROBİK REAKTÖR TÜRLERİ Prof. Dr. Göksel N. Demirer, Çevre Mühendisliği Bölümü Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara

17 Anaerobik arıtımın ülkemizde hak ettiği ilgi ve kullanım düzeyine ulaşabilmesine katkı sağlamak amacıyla 1997 yılından bu yana ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü'nde TÜBİTAK, DPT ve ODTÜ desteğiyle çeşitli projeler yürütülmüştür. Bu projeler kapsamında ülkemizde hem ekonomiye katkı hem de çevre kirliliği potansiyeli anlamında oldukça önemli payı olan çeşitli endüstriyel/agro-endüstriyel sektörden (zeytin işleme ve zeytinyağı üretimi; tavuk ve yumurta üretimi; mezbahalar; kağıt endüstrisi; peynir üretimi; tekstil; ayçiçek yağı üretimi; ve alkollü içecek/viski üretimi) kaynaklanan atıksuların/atıklar ile evsel atıksu ve katı atıkların (organik bölümü) anaerobik arıtılabilirliği çalışılmıştır.

18 Bu çalışmalar kapsamında yürütülen deneysel çalışmalarda Atık Karakterizasyon Çalışmaları Biyokimyasal Metan Potansiyeli (BMP) Deneyleri Sürekli Reaktörlerde Arıtılabilirlik Deneyleri Metan Gazı Üretim Potansiyeli ve Yüzdesi Tayini yapılmıştır.

19 Biyokimyasal Metan Potansiyeli (BMP) Deneyleri BMP bir atıksuyun anaerobik olarak arıtılabilirliğinin metan üretimi cinsinden belirlenmesi ilkesine dayanır. Anaerobic counterpart of aerobic BOD test. Cheap Not labor-intensive Can provide very valuable design if properly designed and conducted properly. Performed in batch reactors Procedure: Add Seed+Waste+Basal Medium Purge the reactors with a gas containing no O 2 for 3-4 min. Incubate the bottles in the hot room at 35±2 0 C. Measure the daily produced biogas by a simple water displacement device NH 4 Cl MgSO 4.7H 2 O KCl Na 2 S.9H 2 O CaCl 2.2H 2 O (NH 4 ) 2 HPO 4 FeCl 2.4H 2 0 CoCl 2.6H 2 0 KI MnCl 2.4H 2 0 CuCl 2.2H 2 0 ZnCl 2 AlCl 3.6H 2 0 NaMoO 4.2H 2 O H 3 BO 3 NiCl 2.6H 2 0 NaWO 4.2H 2 O Na 2 SeO 3 Cysteine NaHCO 3 Concentration (mg/l)

20 Bu çalışmalar kapsamında Biyogaz Üretim Verimleri Belirlenen kimi Atık ve Atıksular Gaz Üretimi (ml) Zeytinyağı üretimi atıksuları Tavuk (broiler) ve sığır gübresi Malt viski atıksuyu ToplamGazÜretimi (ml) 80 Kontrol 2765mg/LKOI mg/LKOI 13825mg/LKOI 27650mg/LKOI 40 Cumulative gas production (ml) 2500 Set 3 COD=53,500 mg/l no BM o C unacclimated control B:0C 75B:25C B:50C 25B:75C B:100C Zaman(gün) 0 TIME (days) Cumulative gas production (ml) ToplamGazÜretimi (ml) Peynir üretimi kaynaklı atıksular Tavuk üretme çiftliği atıkları 70 Kontrol mg/LKOI 1050mg/LKOI mg/LKOI ToplamGazÜretimi (ml) 150 Kontrol mg/LKOI 3785mg/LKOI 6708mg/LKOI mg/LKOI 1763mg/LKOI Time (days) Zaman(gün) Zaman(gün) Mezbaha atıksuyu Kontrol 167 mg KOI 134 mg KOI 100 mg KOI 67 mg KOI Zaman (gün) Gaz üretimi (ml) Ayçiçek yağı üretimi atıksuları 140 KONTROL mg KOI/L Bahçe Atıkları Kümülatif GazÜretimi (ml) Yemekhane Atıkları 30 Kontrol 493mg/LCOD mg/LCOD 295mg/LCOD ZAMAN (gün) Zaman(Gün)

21 ELDE EDİLEN BAZI ÖNEMLİ SONUÇLAR: Atık/Atıksu KOİ Giderim Verimi Metan Üretim Verimi (%) Zeytin işleme atıksuyu m3 metan/ m3 atıksu Tavuk besleme çiftliği atığı m3 metan/ m3 atık Mezbaha atıksuları ml CH 4 /gr KOİ Kağıt Endüstrisi atıksuyu 93 (+ %54 AOX) - Peynir atıksuyunun ml CH 4 /gr KOİ (peyniraltı suyu) Tekstil Atıksuyu 80 (+ %59 renk) - Malt Viski Atıksuyu 96 -