Anaerobik Arıtımın Temelleri ve Anaerobik Arıtım Proses Konfigürasyonları Prof. Dr. Göksel N. Demirer Çevre Mühendisliği Bölümü Orta Doğu Teknik Üniversitesi Anaerobik Arıtma Teknolojileri ve Moleküler Ekoloji Tanımlama Teknikleri 31 Ekim -02 Kasım 2006 Türkiye Şeker Fabrikaları A.Ş., Şeker Enstitüsü Süleyman Demirel Üniversitesi
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 CH 4 + CO 2 + NH 3 + H 2 S + Yeni hücre Organik maddelerin anaerobik arıtımı sonucu ortaya önemli bir temiz/alternatif enerji kaynağı olan biyogaz (% 20-30 CO 2, % 60-79 CH 4, % 1-2 H 2 S) çıkar.
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 ASETOJENESİS ASETOJENESİS 4 5 CH 4, CO 2 ASETAT METANOJENESİS BİYOGAZ Metanojenik Bakteri
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.
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.
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.
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
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 80-95 daha düşük biyokütle sentezleme hızına sahiptir. Yüzde 80-95 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.
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 844 84 720 15 700 2 040 150 000 180 Aerobik 6 435 1 393 8 600 188 200 - - 1 800
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
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
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, 27-30 October 1998, Vina del Mar, Chile.
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
ÜLKEMİZDE ENDÜSTRİYEL ATIKSU ARITIMI İmalat sanayi sektörü temel çevre göstergeleri, 1994-2004 Endüstriyel atıksu arıtma tesisine sahip olan işyerlerinin oranı (%) 1994 1995 1996 1997 2000 2004 17,4 19,5 20,1 22,3 27,6 N/A T.C. Başbakanlık Türkiye İstatistik Kurumu, http://www.tuik.gov.tr/preistatistiktablo.do?istab_id=302 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
KÜÇÜK ÖLÇEKLİ BİYOGAZ REAKTÖR TİPLERİ Sabit Kubbeli Reaktör Çin Tipi
Yüzer (Hareketli) Kubbeli Reaktör Hint Tipi
ANAEROBİK REAKTÖR TÜRLERİ
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.
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.
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) 1200 400 400 300 50 80 40 10 10 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 10 6000
Bu çalışmalar kapsamında Biyogaz Üretim Verimleri Belirlenen kimi Atık ve Atıksular Gaz Üretimi (ml) ToplamGazÜretimi (ml) Zeytinyağı üretimi atıksuları 80 60 40 20 0 Kontrol 2765mg/LKOI 8295mg/LKOI 13825mg/LKOI 27650mg/LKOI 010 20 30 40 50 Zaman(gün) Cumulative gas production (ml) 2500 2000 1500 1000 500 0 Tavuk (broiler) ve sığır gübresi Set 3 COD=53,500 mg/l no BM 35 o C unacclimated control 100B:0C 75B:25C 50B:50C 25B:75C 0B:100C 0 20 40 60 80 100 Cumulative gas production (ml) 400 300 200 100 0 Malt viski atıksuyu 0 10 20 30 TIME (days) ToplamGazÜretimi (ml) Peynir üretimi kaynaklı atıksular 70 60 50 40 30 20 10 0 Kontrol 525mg/LKOI 1050mg/LKOI 210mg/LKOI 0 10203040506070 Zaman(gün) ToplamGazÜretimi (ml) 150 Kontrol 1250 1262mg/LKOI 3785mg/LKOI 6708mg/LKOI 10 12617mg/LKOI 1763mg/LKOI 750 50 250 0 Time (days) Tavuk üretme çiftliği atıkları 0510152025303540450560657075 Zaman(gün) 150 100 50 Mezbaha atıksuyu 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Zaman (gün) Kontrol 167 mg KOI 134 mg KOI 100 mg KOI 67 mg KOI Gaz üretimi (ml) Ayçiçek yağı üretimi atıksuları 140 KONTROL 120 4600 mg KOI/L 100 80 60 Bahçe Atıkları Kümülatif GazÜretimi (ml) Yemekhane Atıkları 30 Kontrol 493mg/LCOD 250 14987mg/LCOD 295mg/LCOD 20 150 10 40 50 20 0 0 10 20 30 40 50 60 ZAMAN (gün) 0 0481216202428323640 4 Zaman(Gün)
ELDE EDİLEN BAZI ÖNEMLİ SONUÇLAR: Atık/Atıksu KOİ Giderim Verimi Metan Üretim Verimi (%) Zeytin işleme atıksuyu 85-96 57 m3 metan/ m3 atıksu Tavuk besleme çiftliği atığı 67-73 69-73 m3 metan/ m3 atık Mezbaha atıksuları 75 480-670 ml CH 4 /gr KOİ Kağıt Endüstrisi atıksuyu 93 (+ %54 AOX) - Peynir atıksuyunun 95-97 453 30 ml CH 4 /gr KOİ (peyniraltı suyu) Tekstil Atıksuyu 80 (+ %59 renk) - Malt Viski Atıksuyu 96 -
HIGH-RATE REACTORS IN ANAEROBIC TREATMENT What is high rate? HRT < 10 days SRT/HRT 5-100 MLVSS Conc.: 10 g/l OLR 5 g/l.day All modern high rate anaerobic processes are based on the concept of retaining high viable biomass by some mode of bacterial sludge immobilization. These are achieved by one of the following methods: Formation of highly settleable sludge aggregates combined with gas separation and sludge settling, e.g. upflow anaerobic sludge blanket reactor and anaerobic baffled reactor. Bacterial attachment to high density particulate carrier materials, e.g. fluidized bed reactors and anaerobic expanded bed reactors. Entrapment of sludge aggregates between packing material supplied to the reactor, e.g. downflow anaerobic filter and upflow anaerobic filter.
Anaerobic Filter An attached growth process Inert support medium for biofilm is present Compressed version of Expanded and Fluidized Bed Processes In use as from 1950 s
Advantages of AF? Providing high biomass concentrations in reactor(high Values of X and SRT) High treatment efficiency in wastewaters that high organic strenght (1000-20000 mg/l)(1) and low suspended solid conc. Small reactor volumes w.r.t suspended growth reactors. Relatively stable operation under variable feed conditions, toxic shocks No mechanical mixing required Applicable in variety type of wastewaters
Disadvantages SS Accumulation may negatively impact reactor hydraulics and internal mass transfer Clogging problem Limited access to reactor interior In case of low HRT values, reduced equalizaiton capacity Cost of inert packing material
ANAEROBIC EXPANDED OR FLUIDIZED BED REACTORS Expanded/fluidized bed reactors have much larger surface area per unit reactor volume, which increases the reactor microorganism concentration The expanded bed and fluidized bed reactors have more surface area per reactor volume for biomass growth and better mass transfer than the up-flow bed reactor The anaerobic expanded bed reactor uses a fine-grain sand to support biofilm growth
A specific surface area of 3000 m 2 / m 3 has been reported for fluidized bed reactor and the concentration of the microorganism of 30 g/l have been measured in anaerobic processes In the upflow attached growth anaerobic expanded bed reactor (AEBR) process the packing material is generally silica sand with a diameter in the range of 0.2 mm to 0.5 mm and specific gravity of 2.65 For operation with about 20 percent bed expansion, an upflow velocity of about 2 m/h is used The smaller packing provides a greater surface area per unit volume, theoretically supporting a greater amount of biomass growth
The advantages for the anaerobic FBR process ability to provide high biomass concentration and relatively high organic loadings high mass transfer ability to handle shock loads due to its mixing and dilution with recycle minimal space requirements The disadvantages for the anaerobic FBR process The process is best suited for soluble ww due to its inability to capture solids Care must also be taken in the inlet and outlet designs to assure good flow distribution pumping power required to operate the fluidized bed, the cost of reactor packing the need to control the packing level and wasting with biogrowth, and the length of start-up time
Performance data for Anaerobic FBRs wastewater Temp 0 C COD loading kg/m 3.d Detention time hour COD removal Citric acid 35 42 24 70 Starch, whey 35 8.2 105 99 Milk 37 3-5 18-12 71-85 Molasses 36 12-30 3-8 50-95 Glucose 35 10 12 95 Sulfite,pulp 35 3-18 3-62 60-80
Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Reactor Anaerobic granular sludge bed technology for the "high rate" anaerobic treatment of wastewater was initiated with UASB reactors. High rate anaerobic wastewater treatment is not limited to removal of bulk organic pollution in wastewater. Other applications: sulfate reduction for the removal and recovery of heavy metals and sulfur denitrification for the removal of nitrates bioremediation for the breakdown of toxic priority pollutants to harmless products
UASB technology is being used extensively for effluents from different sources such as distilleries, food processing units, tanneries and municipal wastewater. The active biomass in the form of sludge granules is retained in the reactor by direct settling for achieving high MCRT thereby achieving highly costeffective designs. A major advantage is that the technology has comparatively less investment requirements when compared to an anaerobic filter or a fluidized bed system. Among notable disadvantages, it has a long start-up period along with the requirement for a sufficient amount of granular seed sludge for faster startup. Moreover, significant wash-out of sludge during the initial phase of the process is likely and the reactor needs skilled operation.
Working Principles Wastewater is distributed into the tank at appropriately spaced inlets. The wastewater passes upwards through an anaerobic sludge bed. The microorganisms form granules (pellets) of 0.5 to 2 mm diameter that have a high sedimentation velocity and thus resist wash-out from the system even at high hydraulic loads. The sludge blanket above the sludge bed, provides further treatment to the wastewater passed from the sludge bed due to channeling, and will help in maintaining stable effluent quality. The upward motion of released gas bubbles causes hydraulic turbulence that provides reactor mixing without any mechanical parts. At the top of the reactor, there is a three-phase separator (also known as the Gas-Liquid-Solid (GLS) separator) which separates the solid particles from the liquid and gas, allowing liquid and gas to leave the system.the three-phase-separator is commonly a gas cap with a settler situated above it. Below the opening of the gas cap, baffles are used to deflect gas to the gas-cap opening.
Wastewaters Treated by UASB Industrial wastewaters Breweries and beverage industry Distilleries and fermentation industry Food Industry (e.g. Sugar beet, potato) Pulp and paper mill These four industrial sectors account for 87% of the applications. Others: chemical and petrochemical industry effluents textile industry wastewater landfill leachates Note: Not very suitable for dairy and slaughterhouse wastes due to loss of fine solids and washout. Domestic wastewaters (in warm climates)
Expanded Granular Sludge Bed (EGSB) EGSB can be taught as a vertically stretched version of the UASB reactor In order to improve the sludgewastewater contact and use the entire reactor volume efficiently a better influent distribution was required Different feed inlet devices, more feed inlet points per square meter or higher superficial velocities have been proposed as solutions
Application Areas For the waters with 2-5 kg/m3 COD concentration with low solid content At higher velocity the solids particle could not entrapped by biomass so it passes through the bed resulting low solids removal Food, brewery, and slaughterhouse and even in domestic wastewater treatment
Characteristics of different reactor types Anaerobic reactor type Start up period Channelling effect Effluent recycle Gas solid separation device Carrier packing Typical loading rates (kg COD/ m 3.day) HRT (d) CSTR - Not present Not required Not required Not essential 0.25-3 10-60 Contact - Non-existent Not required Not required Not essential 0.25-4 12-15 UASB 4-16 Low Not required Essential Not essential 10-30 0.5-7 Anaerobic filter 3-4 High Not required Beneficial Essential 1-20 0.5-12 AFBR 3-4 Non-existent Required Beneficial Essential 1-100 0.2-5 AFB: Anaerobic Fluidized Bed Reactor