ATIKLARDAN BİYOGAZ ÜRETİMİ

Transkript

1 ATIKLARDAN BİYOGAZ ÜRETİMİ Prf. Dr. Barış ÇALLI Türkiye Kimya Derneği - Genç Kimyacılar Platfrmu, 04 Şubat 2012

2 Anaerbik (Havasız) Çürüme Anaerbik çürüme, karmaşık rganik maddelerin ksijensiz rtamda, birbirine beslenme ilişkisiyle bağlı anaerbik mikrrganizmalar tarafından biygaza (metan ve karbndiksit) dönüştürülmesi işlemidir. Biygazın ısıl değeri, içerdiği metan gazından ileri gelir Metan, karbndiksite göre 23 kat daha fazla sera etkisine neden lur. Biygaz Organik Atıklar anaerbik mikrrganizmalar CH 4 + CO 2

3 Biygaz (CH 4 ) Üretilen Ortamlar Katı atık (çöp) dep sahaları Denizler, kyanuslar, göller (Karadeniz vb.) Termitlerin (beyaz karınca) sindirim sistemi Pirinç tarlaları Sığır, at, kyun vb. hayvanların sindirim sistemi Atıksu arıtma tesisleri (Çamur çürütücüler) Hidrtermal bacalar Tundralar Sedimanlar

4 Biygaz Kmpzisynu Miktar (%) Metan Karbndiksit Su buharı (H 2 O) 0-10% Azt (N 2 ) 0-2 Oksijen (O 2 ) 0-0,5 Hidrjen (H 2 ) 0-1 Amnyak (NH 3 ) 0-0,5 Hidrjen sülfür (H 2 S) ppm Isıl değer (kwh/nm 3 ) 6.5 EIA Bienergy Bigas upgrading

5 Biygazın Kullanım Alanları Isı ve buhar üretimi Elektrik üretimi Gaz türbini + jeneratr Kjenerasyn Yakıt pilleri Araç yakıtı Dğalgaz hattına besleme Kimyasal madde üretimi

6 Biygaz saflaştırma gereksinimi Uygulama H 2 S giderimi CO 2 giderimi H 2 O giderimi Buhar kazanı < 1000 ppm Hayır Hayır Mutfak cağı Evet Hayır Hayır Gaz mtru (Kjenerasyn) < 1000 ppm Hayır Hayır Yğunlaşma Araç yakıtı Evet Tavsiye edilir Evet Dğalgaz hattı Evet Evet Evet

7 Biygaz Üretiminin Tarihçesi Jhn Daltn ( ) ve öğrencisini bataklık gazı tplarken tasvir eden resim (Manchester City Art Galleries) 17. yüzyılda, Flaman kimyager Jan Baptista Van Helmnt rganik maddelerin çürümesiyle yanıcı bir gazın açığa çıktığını keşfetti da, İtalyan fizikçi Alessandr Vlta, çürüyen rganik madde miktarı ile luşan yanıcı gaz miktarı arasında dğrusal bir bağ lduğunu belirledi.

8 Biygaz Üretiminin Tarihçesi Biygaz tipi skak lambası 1808 de İngiliz kimyager Humphry Davy, inek dışkısının çürümesiyle luşan gazda metan bulunduğunu tespit etti. İlk anaerbik çürütücü, 1859 da Hindistan da Bmbay da inşa edildi. Atıksu arıtan bir septik tankta luşan biygazın tplanıp Exeter şehrindeki skak lambalarında yakılmasıyla, anaerbik çürütme teknljisi 1895 de İngiltere de ilk defa kullanılmış ldu.

9 Biygaz Üretiminin Tarihçesi Anaerbik çamur çürütücüler Mikrbiyljideki gelişmeler, 1930 dan snra anaerbik bakterilerin ve metan üretimini etkileyen kşulların tespitine yönelik çalışmaların artmasına sebep ldu li yıllarda yaşanan petrl ve enerji krizi biygaz teknljilerine lan ilgiyi artırdı arası yetersiz ve yanlış tasarlanan bir çk biygaz tesisi srunlar sebebiyle işletilemedi.

10 Mevcut Durum Çiftlik tipi biygaz tesisleri Avrupa da, hayvan atıkları ve enerji bitkilerinden biygaz üreten binlerce çiftlik tipi, rganik evsel ve endüstriyel atıklardan biygaz üreten bir çk merkezi biygaz tesisi bulunmakta ve başarıyla işletilmektedir.

11 Mevcut Durum Merkezi biygaz tesisleri Tarım ve hayvan atıkları Isı Elektrik Isı Anaerbik çürütücüler Gıda sanayi atıkları Organik madde Organik madde Su Biygaz Biygaz Saflaştırma Atıksu Isı Araç yakıtı Sıvı ve katı gübre Mutfak atıkları Arıtma tesisi Atıksu

12 AB de Biygazdan Enerji Üretimi (EurObserv ER, 2010) Katı atık (çöp) dep sahaları Endüstriyel ve evsel atıksu/çamur arıtma tesisleri Çiftlik tipi veya merkezi biygaz tesisleri 2009 yılında AB de biygazdan 8,3 Mte enerji ve 25,2 TWh elektrik üretilmiştir.

13 Mevcut Durum Ev tipi biygaz tesisleri Buharlı pişirici Basınç regülatörü Biygaz lambası Çin ve Hindistan gibi gelişmekte lan ülkelerin Ocak Sülfür giderimi kırsal bölgelerinde basit teknlji ile kurulmuş n Biygaz binlerce aile tipi anaerbik WC Mutfak Yiyecek artıkları Parçalayıcı Giriş Biygaz depsu Çıkış Sıvı gübre çürütücü bulunmakta ve üretilen biygaz yemek Biygaz pişirme ve aydınlatmada kullanılmaktadır. Çürütücü kapağı

14 Atıklardan Biygaz Üretiminin Çevresel Faydaları Atıkların biygaz üretiminde kullanılmasıyla: Kku prblemi azaltılır Su kaynakları krunur Patjenler ve yabani bitki thumları yk edilir Sinek/haşere üremesi önlenir Kntrlsüz sera gazı salımı engellenir

15 Biygaz Üretimi için Uygun Atıklar Evsel katı atıkların rganik kısmı Hayvansal atıklar Atıksu arıtma çamurları Sebze-meyve işleme atıkları Mezbaha atıkları Enerji bitkileri ve tarımsal artıklar Atık kağıt Park-bahçe atıkları Algal biykütle Endüstriyel atık(su)lar (petrkimya, süt, meşrubat, meyve suyu, bira, şarap, ilaç, maya, tekstil, kağıt, şeker vb.)

16 Biygaz Üretiminin Aşamaları Organik Atıklar (Karbnhidrat, prtein, lipid) 1 Hidrlitik enzimler İnert maddeler Fermantasyn bakterileri Mn ve Oligmerler (şekerler, amin asitler, uzun zincirli yağ asitleri) Ara ürünler 3 3 (Prpiynik asit, bütirik asit, etanl) 1. Hidrliz 2. Fermantasyn 3. Asetjenesis 4. Metanjenesis H 2 + CO 2 Asetjenik bakteriler 3 Asetik asit CH 4 + CO Metan üreten arkeler

17 Biygaz Üretimini Etkileyen Unsurlar 1. Atığın kmpzisynu 2. C/N ranı 3. ph ve tampnlama kapasitesi 4. Reaktör sıcaklığı 5. İnhibitör maddeler 6. Alternatif elektrn alıcıların varlığı

18 1. Atığın kmpzisynu Organik atıklar temel larak; Karbnhidratlar Lipidler Prteinler ve Lignselülzdan luşur Karbnhidratlar; prtein, lipid ve selülza göre daha klay ve hızlı fermente lur. Lipidlerin biygaz ptansiyeli prtein ve karbnhidrata göre daha yüksektir.

19 Lignselülz Lignselülz genellikle bitkilerin hücre duvarında bulunur Lignselülzik biykütlelerin %55-75 i 5 ve 6 karbnlu şeker birimlerinden laşan karbnhidratlardır

20 Organik maddelerin biygaz ptansiyeli Biygaz ptansiyeli (L/kg UKM*) Metan içeriği (%) Lipidler Prteinler Karbnhidratlar * UKM: Uçucu katı madde Atık kmpzisynu üretilen biygazın miktarını ve metan içeriğini etkiler

21 Organik maddelerin biygaz ptansiyeli m 3 /tn UKM m 3 /tn yaş ağırlık Büyükbaş hayvan atığı Tavuk atığı Mısır silajı Şeker pancarı küspesi Ot silajı Meyve psası Melas Yemekhane atıkları Sebze ve meyve atıkları Yağ tutucu atıkları Çimen atıkları 103 Yaprak atıkları 19 Gazete kağıdı 50 Kullanılmış fis kağıdı 147

22 Biygaz üretimi (m 3 /kg UKM) Organik maddelerin biygaz ptansiyeli

23 2. C/N ranı Karbn (C) anaerbik bakteriler için enerji kaynağıdır, azt (N) ise bakterilerin büyümesi ve çğalması için gereklidir. Biygaz üretilecek atıklarda C/N ranı lmalıdır. C/N < 16 Fazla amnyak üretimi sebebiyle biygaz üretimi lumsuz etkilenir. C/N > 25 Azt eksikliği anlamına gelir ve anaerbik bakterilerin metablik faaliyetlerini lumsuz etkilenir, ayrıca yeterli ph tampnu sağlanamaz. C/N = Birkaç atığın karıştırılması ile sağlanabilir.

24 3. ph ve tampnlama kapasitesi Biygaz üretimi için ph lmalıdır. Metan üreten arkeler, ph daki değişikliklere fermantasyn bakterilerine göre daha hassastır. Biygaz üretimi sırasında ph yı etkileyen dört ana reaksiyn; Organik aztun amnyak larak serbest kalması Uçucu yağ asitlerinin luşumu ve tüketilmesi Organik sülfürün bzunarak H 2 S e dönüşmesi CO 2 (HCO 3- ) üretimi

25 Organik asitlerin birikmesi ve ph ın düşmesi Organik Atıklar (Karbnhidrat, prtein, lipid) 1 Mn ve Oligmerler (şekerler, amin asitler, uzun zincirli yağ asitleri) Fermantasyn bakterileri (2), asetjenik bakterilere (3) ve metanjenik arkelere (4) göre çk daha hızlı çğalırlar H 2 + CO 2 Ara ürünler 3 3 (Prpiynik asit, bütirik asit, etanl) 3 CH 4 + CO Asetik asit Reaktöre, kapasitesinden fazla rganik madde yüklendiğinde, fermantasyn ürünleri rtamda birikmeye başlar ve ph düşer. Düşen ph, metan üretimini lumsuz etkiler.

26 Organik asitlerin birikmesi ve ph nın düşmesi ph yı yükselterek sistemi tekrar dengeye getirmek için; Reaktörün beslenmesine ara vererek, metanjenik arkelerin biriken fermantasyn ürünlerini (UYA lar) tüketmesine imkan sağlanır veya, ph yı yükseltmek için reaktöre NaOH, CaOH 2, Na 2 CO 3 veya NaHCO 3 gibi alkali kimyasallar ilave edilir Bazı durumlarda her ikisini de uygulanır.

27 4. Reaktör sıcaklığı Biygaz sistemleri ani sıcaklık değişikliklerine çk hassastır. 2 saatten kısa sürede reaktör sıcaklığı 1-2 C düşer veya artarsa, biygaz üretimi lumsuz şekilde etkilenir. Eğer sıcaklıktaki dalgalanma sistemdeki metan üreten arkeleri etkilenirse, tekrar aynı metan üretim verimine ulaşmak için haftalar geçmesi gerekebilir. Çalıştıkları sıcaklığa göre biygaz reaktörleri; psikrfilik (15-20 C), mezfilik (30-38 C) veya termfilik (50-60 C) larak sınıflandırılır.

28 Sıcaklık ( C) Reaktör sıcaklığı ve bekletme süresi Termfilik Sıcaklık arttıkça; Reaksiyn hızı artar, bekletme 40 Mezfilik süresi kısalır Psikrfilik Gerekli reaktör hacmi azalır Organik maddelerin hidrlizi hızlanır Bekletme süresi, gün

29 5. İnhibitör maddeler Kullanılan atık bikütle kaynaklı bazı maddeler veya prses sırasında luşan ürünler biygaz üretiminde inhibisyna sebep labilir. Genel bazı inhibitör maddeler; Uzun zincirli veya uçucu yağ asitleri Amnyak (NH 3 ) Hidrjen Sülfür (H 2 S) Ağır metaller (Zn, Cd, Cu, Ni, Cr, Pb, C vb.) Alkali metaller (Na, K, Ca, Mg) İnsan yapısı, zr parçalanan kimyasallar (Klrlu hidrkarbnlar)

30 6. Alternatif elektrn alıcılar: Sülfat ve Nitrat Sülfat Mn ve Oligmerler (şekerler, amin asitler, uzun zincirli yağ asitleri) Nitrat Mn ve Oligmerler (şekerler, amin asitler, uzun zincirli yağ asitleri) Ara ürünler (Prpiynik asit, bütirik asit, etanl) Ara ürünler (Prpiynik asit, bütirik asit, etanl) H 2 + CO 2 5 SO 4-2 Asetik asit H 2 + CO 2 6 NO 3 - Asetik asit CH 4 CH 4 SO H 2 S SO NO 3-6 N 2 NO 3-6 Sülfat indirgeyen bak. Denitrifikasyn bak.

31 Biygaz Tesisi Nasıl Çalışır?

32 MEBiG - Marmara University Envirnmental Bitechnlgy Grup

33 ATIKLARDAN BİYOGAZ ÜRETİMİ Prf. Dr. Barış ÇALLI Türkiye Kimya Derneği - Genç Kimyacılar Platfrmu, 04 Şubat 2012