YEMEK ATIKLARINDAN BİYOGAZ ÜRETİMİ A. Pınar TÜZÜM DEMİR 1, S. Ferda MUTLU 1 Ege Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 35100, Bornova, İzmir pinar.demir@ege.edu.tr Gazi Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Maltepe, Ankara fmutlu@gazi.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, kesikli sistemde yemekhane atıklarından biyogaz üretimi çalışılmış, bu amaçla üç bağımsız değişken; sıcaklık, X 1 (34-38 o C ), ph, X (6-7) ve toplam katı yüzdesi, X 3 (7-11 g/100 ml) aralıkları seçilerek Box-Wilson deneysel tasarım yöntemi ile deneyler tasarlanmış ve sonuçlar, Design Expert 7.01 paket programı ile istatistiksel olarak değerlendirilerek yemek atıklarından biyogaz üretim hızını sıcaklık, ph ve katı yüzdesi cinsinden ifade eden bir model geliştirilmiştir. Bu modeli kullanılarak maksimum biyogaz üretim hızı, 1,1 ml/gram katı.saat olarak bulunmuş ve bu değeri sağlayan sıcaklık 37,1 o C, ph 6,46 ve katı madde yüzdesi 7,6 olarak hesaplanmıştır. Deneysel olarak bulunan ve modelden hesaplanan değerlerin birbirleriyle uyumlu olduğu belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler : Biyogaz üretimi, yemekhane atığı, istatistiksel analiz GİRİŞ Dünya nüfusundaki hızlı artış, sanayileşme ve insanoğlunun yaşam standardını arttırması nedeniyle katı atık miktarı artmakta ve bunun sonucunda katı atıkların değerlendirilmesi gündeme gelmektedir [1]. Çeşitli nedenlerle oluşan katı atıkların denetimli bir şekilde değerlendirilememesi insan sağlığına, çevreye ve ülke ekonomisine zarar vermektedir [-4]. Katı atık miktarının artmasıyla, enerji tüketimi artmakta ve yenilenemeyen enerji kaynakları azalmaktadır. Bu durum, seçenek enerji kaynakları üzerindeki çalışmaların yoğunlaşmasına neden olmuştur [1]. Türkiye deki tarım ve hayvancılığın geldiği nokta düşünülecek olunursa, seçenek enerji kaynakları içerisinde biyogazın ülke ekonomisine önemli katkı sağlayabileceği görülecektir. Anaerobik arıtım, karmaşık ve askıda organik maddelerin havasız ortamda ayrışması temeline dayanan ve bu sırada çok aşamalı biyokimyasal tepkimelerden oluşan biyolojik bir süreçtir [3-5]. Sürecin birinci aşamasında, bir grup fakültatif mikroorganizma karmaşık polimer yapıdaki organik maddeyi etkileyerek enzimatik hidroliz yolu ile çözünebilir maddeye (monomerlere) dönüştürür. İkinci aşamada, çözünebilen organik maddeler organik asitlere dönüşür. Son aşamada ise organik asitler metan bakterilerinin etkisi ile metan ve karbondioksite (biyogaz) dönüşür [5-7]. Biyogaz tesislerinden optimum biyogaz üretimi için uygun fermentasyon koşullarının sağlanması gerekir. Biyogaz tesislerinden elde edilebilen toplam biyogaz miktarı iki etkene bağlıdır. Bunlar; hammaddenin biyolojik ayrışabilirliği ve ayrışma hızıdır. Hammaddenin biyolojik ayrışabilirliği fiziksel ve kimyasal yapısının bir fonksiyonu olup, ayrışma hızı ise sıcaklık, besin maddeleri, ph, yükleme hızı, toplam katı madde yüzdesi, toksik maddeler ve bakteriyel nüfusun karmaşık bir fonksiyonudur [4, 8, 9].
Bu çalışmanın amacı, kesikli sistemde yemekhane atıklarından biyogaz üretimi için en uygun çalışma koşullarının belirlenmesidir. Bunu gerçekleştirmek için üç bağımsız değişken; sıcaklık, X 1 (34-38 o C ), ph, X (6-7) ve toplam katı yüzdesi, X 3 (7-11 g/100 ml) aralıkları seçilerek, Box- Wilson deneysel tasarım yöntemi ile deneyler tasarlanmış ve sonuçlar, Design Expert 7.01 paket programı ile istatistiksel olarak değerlendirilerek yemek atıklarından biyogaz üretim hızını sıcaklık, ph ve toplam katı yüzdesi cinsinden ifade eden bir model geliştirilmiştir. Elde edilen model kullanılarak, en yüksek biyogaz üretim hızına ulaşmak için gerekli olan bağımsız değişkenlerin optimum değerleri hesaplanmıştır. DENEYSEL Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi yemekhanesinden bir hafta süre ile günlük yemek atığı örnekleri alınmış ve çalışma başlayana kadar derin dondurucuda -0 o C sıcaklıkta şoklanarak korunmuştur. Anaerobik özümleyici ise ASKİ nin anaerobik arıtma tesislerinden sağlanmıştır. Deneylerimizde, herbiri 50 ml hacimli 0 adet cam reaktör kullanılmış ve atıkların anaerobik arıtımı süresince üretilen biyogaz derişik sülfürik asit ve doymuş sodyum sülfat içeren dereceli büretlerde toplanmıştır. Her bir reaktör içerisine katı madde yüzdesine göre hesaplanan miktarlarda homojenize edilmiş yemek atığı, su ve eşit miktarda aşı mikroorganizma içeren anaerobik özümleyici eklenmiştir. Sıcaklık ve ph ayarları yapıldıktan sonra anaerobik arıtım süreci başlatılmıştır. Anaerobik arıtım boyunca ph ölçümleri Metrohm markalı 744 model bir ph metre ile yapılmıştır. ph ayarı molariteleri 0,1 M 5 M aralığında değişen NaOH çözeltileri ile 0,1 M 1 M aralığında değişen H SO 4 çözeltileri ile yapılmıştır. İstenilen reaktör sıcaklıkları sıcak su banyoları ile sağlanmıştır. Reaktörlerde Yemek atığında toplam katı madde, uçucu katı madde, toplam karbon, toplam azot ve organik azot analizleri Standart Methods a göre yapılmıştır [10]. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Yemek atıklarından Box-Wilson deneysel tasarım yöntemi ile sıcaklık, ph ve katı yüzdesi belirlenen 0 adet deneyden elde edilen biyogaz üretim hızları Design-Expert paket programı ile değerlendirilmiş aşağıda verilen model denkliğine göre hesaplanan katsayıları ve p değerleri Tablo 1 de verilmiştir. Y = b 0 + b 1 X 1 + b X + b 3 X 3 + b 1 X 1 X + b 13 X 1 X 3 + b X X 3 + b 11 X 1 + b X + b 33 X 3 Tablo 1 Hesaplanan modelinin katsayıları ve p değerleri b 0 b 1 b b 3 b 1 b 13 b 3 b 11 b b 33 Katsayı 1.18 0.014 0.0046-0.044-0.044-0.11-0.19-0.11-0.19-0.051 p değeri 0.0001 0.368 0.758 0.0130 0.0438 0.000 0.5663 0.0001 0.0001 0.0047 Modeldeki terimlerin p değerlerinin (önem düzeylerinin) 0,05 değerinden küçük olması bu terimlerin model için etkili olduğunu, 0,1 değerinden büyük olması da model için etkisinin ihmal edilebilir olduğunu gösterir. Bu nedenle X ve X 3, birinci dereceden ph ve katı yüzdesi, X X 3 ph ve katı yüzdesi etkileşimi model denkliğinde ihmal edilmiş, istatistiksel analiz sonucunda, biyogaz üretim hızı Y (ml/g katı.saat) için aşağıda verilen model denkliği üç bağımsız değişkenin ; ph (X 1 ), sıcaklık (X o C) ve toplam katı yüzdesinin (X 3 g/100 ml) fonksiyonu olarak aşağıda verilen şekilde ifade edilmiş ve R değeri hesaplanmıştır.
Y= 1,18 0,044X 3 0,044X 1 X 0,11X 1 X 3 0,11X 1 0,19X 0,051X 3 R = 0.965 Aşağıda deneysel ve modelden elde edilen biyogaz üretim hızlarının grafiksel olarak karsılaştırılmaları şekil 1 de verilmektedir. Modelden sapmalar % 10 un altında kalmakta ve korelasyon katsayısının bire yaklaşan değeri de gerçek değerlerle modelden elde edilen değerlerin uyumlu olduğunu göstermektedir. Şekil,3,4,5,6 ve 7 de biyogaz üretim hızı üzerine, sıcaklık, ph ve katı yüzdesinin etkilerini gösteren eş derişim ve cevap yüzeyi eğrileri görülmektedir. 1.5 1.09 Model 0.94 0.78 0.6 0.6 0.78 0.94 1.09 1.5 Gerçek Şekil 1 Deneyden ve modelden bulunan biyogaz üretim hızlarının karşılaştırılması Geliştirilen model kullanılarak maksimum biyogaz üretim hızı, 1,1 ml/gram katı.saat olarak bulunmuş ve bu değeri maksimum yapan optimum sıcaklık 37,1 o C, ph 6,46 ve katı madde yüzdesi 7,6 g/100 ml olarak hesaplanmıştır. Deneysel olarak bulunan ve modelden hesaplanan değerlerin birbirleriyle uyumlu olduğu belirlenmiştir. İstatistiksel sonuçlara göre, maksimum biyogaz üretimi üzerine en etkin parametre katı yüzdesi olarak bulunmuş, ph ve katı yüzdesi etkileşiminin etkili olmadığı görülmüştür. Anaerobik dönüşüm basamaklarında asidojenik bakterilerin çalışma aralığı ph 5.5-6.5, metojenik bakterilerin çalışma aralığı ise ph 6.8-7.4 dür. Bu nedenle çalışmada seçilen ph aralığının dar olması (ph 6-7) ph ı model denkliğinde birinci dereceden etkin paramere olmaktan çıkarmış, bu aralıkta model denkliğine göre ph ın fonksiyonu olarak biyogaz üretim hızında görülen maksimumun ph ın ikinci dereceden etkin bir parametre olduğunu göstermektedir. Sıcaklık için de aynı durum geçerlidir. Mezofilik koşullarda etkin olan bakterilerle çalışılması (36 o C) ve seçilen sıcaklık aralığının dar olması (34-38 o C) sıcaklığı model denkliğinde birinci dereceden etkin parametre olmaktan çıkarmış, bu aralıkta model denkliğine göre sıcaklığının fonksiyonu olarak biyogaz üretim hızında görülen maksimum sıcaklığın ikinci dereceden etkin bir parametre olduğunu göstermektedir. Bağımsız değişkenlerin ikili etkileşimlerinden en etkilisi sıcaklık ve katı yüzdesi etkileşimidir, daha sonra sıcaklık ph etkileşimi gelmektedir fakat bu etkileşim ihmal sınırlarına yaklaşmaktadır.
0.89394 Biyogaz üretim hızı 1.0548 1.13175Prediction 1.1095 1. 0.97308 1.0975 0.89394 ph 0.814671 6.50 0.975 Şekil Sıcaklık ve ph nın biyogaz üretim 6.5 hızı üzerine etkisini gösteren eş derişim eğrileri 0.855 Şekil 3 Biyogaz üretim hızı üzerine sıcaklık ve ph nın etkilerini gösteren cevap yüzeyleri 0.73 6.00 0.941116 34.00 35.00 36.00 3 0.995351 38.00 1.04958 1.1038 1.15805 Biyogaz üretim hızı 1. 6.50 36.00 3 38.00 % Katı g/100ml 1.1038 Sıcaklık ( C) ph 1.135 6.5 6.00 34.00 35.00 Sıcaklık ( C) 1.04958 0.995351 Prediction 1.1095 1.05 0.965 Şekil 4 Katı yüzdesi ve sıcaklığın biyogaz üretim hızı üzerine etkisini gösteren eş 8.00 derişim eğrileri Şekil 5 Biyogaz üretim hızı üzerine katı 0.88 yüzdesi ve sıcaklığın etkilerini gösteren cevap yüzeyleri 38.00 3 34.00 35.00 36.0 0 3 38.00 36.00
Biyogaz üretim hızı 0.937833 1.00641 0.86951 1.07499 0.937833 1. 1.14358 % Katı g/100 ml 1.115 Prediction 1.1095 1.01 0.905 Şekil 6 Katı yüzdesi ve ph nın biyogaz üretim 8.00 hızı üzerine etkisini gösteren eş derişim eğrileri Şekil 0.8 7 Biyogaz üretim hızı üzerine katı yüzdesi ve ph nın etkilerini gösteren cevap yüzeyleri KAYNAKLAR 1. Isci A., Demirer, G. N., 007, Biogas production potential from cotton wastes, Renewable 6.00 6. Energy 3, 750 757, 6.50 5 007.. Aktürk, Y.,, Uluslararası Biyogaz Semineri, 1-4, 1981 6.50 3. Liu G., Zhang R., El-Mashad H. M., Dong R.,, Effect of feed to inoculum ratios on biogas yields of food and green wastes, Bioresource Technology, % Katı (g/100 100, ml) 5103 5108, 8.00 009 6.5 ph 4. Elango D., Pulikesi M., Baskaralingam P., Ramamurthi V., Sivanesan S., Production of biogas ph 6.00 from municipal solid waste with domestic sewage, Journal of Hazardous Materials 141, 301 304, 007. 5. QdaisH. A., HaniK. B., Shatnawi N., Modeling and optimization of biogas production from a waste digester using artificial neural network and genetic algorithm, Resources, Conservation and Recycling, 009. 6. Kobya, M., Sığır Gübresinden Biyogaz Üretimi ve Erzurum Koşuları İçin Bir Biyogaz Tesisi Tasarımı, Atatürk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Erzurum, 199, 7. Komemato, K., Lim Y.G., Nagao, N., Onoue, Y., Niwa, C., Toda, T., Effect of temperature on VFA s and biogas production in anaerobic solubilization of food waste, Waste Management 9, 950 955, 009. 8. Kırımhan, S., Biyogazın Oluşumu- Özellikleri ve Türkiye de Yararlanma İmkanları, Uluslararası Biyogaz Semineri, 158-173, 1981. 9. Lebrato, J., Rodriguez, J.L., Maqueda, C., Domestic solid waste and sewage improvement by anaerobic digestion; a stirred digester, Resources Conservation and Recycling, 13, 83-88, 1995, 10. Standart Methods For The Examination Of Water and Waste Water, American Public Health Association, Seventeenth Edition, 1989.