ANAEROBİK ÇEVRESEL BİYOTEKNOLOJİNİN ENDÜSTRİYEL ATIK TÖNETİMİNDE KULLANIMI

ANAEROBİK ÇEVRESEL BİYOTEKNOLOJİNİN ENDÜSTRİYEL ATIK TÖNETİMİNDE KULLANIMI Doç.Dr. Göksel N. DEMIRER ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ANADOLU ÜNİVERSİTESİ 6 MAYIS 2002 ESKİŞEHİR

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 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

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. Nitekim, Yedinci Beş Yıllık Plan hükümleri de arıtma tesislerinin yapımında ülke, bölge ve yerleşme koşullarına uygun teknoloji kullanımına özen gösterilmesi gereğine işaret etmektedir

Buna ek olarak Devlet İstatistik Enstitüsü verilerine (1996) göre 1996 yılı itibarıyla toplam 2209 imalat sanayi işyerinden (310'u devlete, 1899'u ise özel sektöre ait) bir endüstriyel atıksu arıtma tesisine sahip olan işyeri sayısı sadece 429' dur (56'sı devlet, 373'ü özel sektör olmak üzere). Yüzde 19,4 gibi küçük bir orana karşılık gelen bu rakamlar 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.

Bu gereksinimden yola çıkarak 1998-2001 yılları arasında ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü'nde DPT destekli ve Anaerobik Teknolojilerin Endüstriyel Atık Yönetiminde Uygulanması başlıklı bir proje yürütülmüştür. Bu proje kapsamında ülkemizde hem ekonomiye katkı hem de çevre kirliliği potansiyeli anlamında oldukça önemli payı olan yedi endüstriyel/agro-endüstriyel sektörden (zeytin işleme ve zeytinyağı üretimi; tavuk ve yumurta üretimi; mezbahalar; kağıt endüstrisi; peynir üretimi; tekstil; ve alkollü içecek/viski üretimi) kaynaklanan atıksuların/atıkların anaerobik arıtılabilirliği çalışılmıştır. Bu sunumda sözü geçen proje kapsamında elde edilen sonuçlar özetlemiştir.

Proje Kapsamında Yürütülen Deneysel Çalışmalarda Atık Karakterizasyon Çalışmaları Biyokimyasal Metan Potansiyeli (BMP) Deneyleri Sürekli Reaktörlerde Arıtılabilirlik Deneyleri Metan Gazı Üretim Potansiyeli ve Yüzdesi Tayini yapılmıştır.

SONUÇLAR Zeytinyağı Üretiminden Kaynaklanan Atıklar Zeytin işleme atıksuyunun anaerobik yöntemlerle yüksek bir verimle (%85,1-95,9) arıtılabilmekte ve bu arıtım sonucu litre zeytin karasuyu başına yaklaşık 57 litre metan gazı üretilebilmektedir. Zeytin işleme atıksuyunu anaerobik olarak arıtmak ve biyogaza dönüştürmek üzere gerçekleştirilecek bir uygulamada reaktöre gerekli alkalinitenin yanı sıra, NH 4 Cl, (NH 4 ) 2 HPO 4 ve KCl eklenmesinin gereklidir. Zeytin işlemesi sonucu ortaya çıkan küspenin tek başına anaerobik olarak yüksek bir verimle giderilememekte ancak küspenin anaerobik reaktörlere atıksu (karasu) ile birlikte ve belli bir oran dahilinde verildiğinde yüksek bir giderim verimi sağlanabilmektedir. Anaerobik kültür karasu ve karasu+küspe yi giderebilmek için 15-25 günlük mikrobiyel alışma (adaptasyon) süresine gereksinim duymuştur.

Tavuk Besleme Çiftlikleri Atıkları Çalışılan orjinal tavuk atığının metreküpü 69-73 metreküp metan gazı üretilebildiği gözlenmiştir, Deneylerde oldukça yüksek başlangıç KOİ derişimleri (1262-17633 mg/l KOİ) ile çalışıldığı göz önüne alınırsa, gözlenen deneysel/teorik metan üretimi aralığının (0,674-0,733) çalışılan tavuk atığının anaerobik olarak yüksek bir arıtılabilirliğe sahip olduğu görülmektedir. Anaerobik mikroorganizmalar giriş KOİ derişimine bağlı olmak üzere farklı alışma sürelerine gereksinim duymaktadır, Çalışılan koşullar altında tavuk atığının anaerobik giderimi için ekstra besiyer madde eklenmesine gerek görülmemiştir, Anaerobik aşı eklemesi yapılmadığı durumlarda arıtma verimi ve hızı çok düşük seyretmektedir.

Mezbaha Atıksuları BMP deneyleri sonuçlarına göre mezbaha atıksularının anaerobik arıtımı sonucu giderilen bir gram KOİ başına 630 ila 830 ml toplam gaz üretildiği görülmektedir. Yapılan analizler sonucu üretilen toplam gazın %76-80 inin metan olduğu saptanmıştır. Bu koşullar altında entegre et ürünleri tesisi atıksuyunun biyogaz potansiyelinin 480-670 ml CH 4 /gr KOİ olduğu görülmektedir. Mezbaha atıksularının YAÇYA reaktörlerle arıtılabilirlik potansiyeli oldukça yüksektir. Mezbaha atıkları YAÇYA reaktörlerinde, 9-14 kg KOİ m 3.gün organik yükleme altında, KOİ giderimi bazında ortalama %75 in üzerinde bir verimle arıtılabilmektedir.

Kağıt Endüstri Atıksuları Dalaman SEKA Kağıt Hamuru İşleme ve Kağıt Endüstrisi atıksuyunun toksisitesini araştırmak için yapılan kesikli Anaerobik Toksisite Analizi (ATA) deneyleri sonucunda gaz üretiminde herhangi bir düşüş gözlenmemiştir. Buna dayanarak sözkonusu atıksuyunun çalışılan koşullar için anaerobik mikrorganizmalar üzerinde toksik etkisinin olmadığı saptanmıştır. Dalaman SEKA Kağıt Hamuru İşleme ve Kağıt Endüstrisi atıksuyunun iki aşamalı YAÇYA sistemi ile ve 8.6 ve 5 saatlik bekletme sürelerinde arıtımı sonucu, sırasıyla %93 ve %85 KOİ, %54 ve %50 AOX, %52 ve %90 renk giderimleri sağlanmıştır..

Peynir Üretimi Atıksuları Peyniraltı suyunun - anaerobik arıtımında besin (nutrient), metal ve alkalinite içeren besiyer çözeltisinin eklenmesi son derece önemlidir, - anaerobik arıtımın sonucunda yüksek oranda metan gazı içeren (%77 5) biyogaz elde edilmiştir, - anaerobik arıtımın sonucunda, peynir atıksuyunda gram KOİ başına 453 30 ml metan gazı üretildiği saptanmıştır, Literatürdeki konu ile ilgili pek çok çalışmanın aksine, seyreltilmemiş peynir atıksuyunun anaerobik olarak oldukça düşük HBS lerde (2,06-4,95 gün) önemli bir dengesizlik problemi görülmeden arıtılabilmektedir, Giriş KOİ derişimi 42700 141-55100 283 mg/l olan peynir atıksuyunun anaerobilk arıtımında, %95-97 KOİ giderimi sağlayan 2-3 gün gibi düşük bir HBS kullanılabilir..

Tekstil Endüstrisi Atıksuları Hem Türkiye de bulunan doğal bir madde olması, hem ucuz olması, hem de üzerine tutunan mikroorganizma miktarının (yaklaşık 0,071 g UAKM/g dolgu malzemesi) literatür değerlerini yakalamış olması nedenleriyle ponza taşı Akışkan Yataklı Anaerobik Reaktör (AYAR) sistemlerinde kullanmak için ideal bir dolgu malzemesidir, AYAR sisteminde 300 mg/l boya (Remazol Brillant Violette 5R) içeren sentetik atıksuyunun arıtımında %94 oranında renk ve %60 oranında KOİ verim elde edilmiştir, Gerçek tekstil atıksuyunun AYAR sistemindeki anaerobik arıtımı sonucunda tekstil atıksuyuna 3000 mg/l KOİ verecek şekilde glikoz eklenmesi sonucunda en yüksek renk arıtımı elde edilmiştir. Bu durumda KOİ, BOİ ve renk arıtımları sırasıyla %80, %94 ve %59 olarak gerçekleşmiştir.

Malt Viski Atıksuyu BMP deneyleri sonuçlarına göre başlangıç KOİ derişimleri 5,07, 10,140, 15,210 g KOİ/L olan malt viski atıksuyu anaerobik olarak yüksek bir verimle arıtılabildiği gözlenmiştir, İki aşamalı YAÇYA reaktör konfigürasyonu malt viski atıksuyu arıtımında 39 kg/m 3 gün organik yükleme hızına kadar verimli olarak çalıştırılmıştır, İki aşamalı YAÇYA sisteminde 33866 mg KOİ/L giriş derişimi için %96 ve %98'lik KOİ ve BOİ giderim verimleri elde edilmiştir.

Zeytinyağı üretimi atıksuları ToplamGazÜretimi (ml) Gaz Üretimi (ml) Malt viski atıksuyu 400 80 60 40 20 0 Kontrol 2765mg/LKOI 8295mg/LKOI 13825mg/LKOI 27650mg/LKOI 010 20 30 40 50 Zaman(gün) BAZI ATIKLAR/ATIKSULAR İÇİN BMP DENEY SONUÇLARI Cumulative gas production (ml) 300 200 100 0 0 10 20 30 TIME (days) Peynir üretimi kaynaklı atıksular Tavuk üretme çiftliği atıkları Mezbaha kaynaklı atıksuyu ToplamGazÜretimi (ml) 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 0510152025303540450560657075 Zaman(gün) 150 100 50 0 0 5 10 15 20 25 30 35 Zaman (gün) Kontrol 167 mg KOI 134 mg KOI 100 mg KOI 67 mg KOI

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 -

PROJE EKİBİ Doç.Dr. Göksel N. Demirer, ODTÜ Doç.Dr. Metin Duran, Miami Üniversitesi, ABD Çevre Yük. Müh. Engin Güven, Marquette Universitesi, ABD Çevre Yük. Müh. Tuba H. Ergüder, ODTÜ Çevre Yük. Müh. Seval Şen, San Diego Üniversitesi, ABD Çevre Yük. Müh. Nimet Varolan, ODTÜ Çevre Yük. Ulaş Tezel, ODTÜ

AYÇİÇEK YAĞI ÜRETİMİ ATIKSUYUNUN KESİKLİ ANAEROBİK REAKTÖRLE ARITIMI Eskişehir deki bir ayçiçek yağı fabrikasında haftada bir gün yağ asidi, diğer günler de normal yağ üretimi yapılmaktadır. İşletme haftada 5 gün çalışmaktadır. Yağ asidi üretimi sonucu çıkan atıksuyun KOİ derişimi 47500mg/L ve atıksu debisi 5 m 3 /gün dür. Diğer 4 gün boyunca üretilen normal yağ üretimi atıksuyunun KOİ derişimi 380 mg/l ve debisi 25 m 3 /gün dür. Yapılacak bir anaerobik arıtma tesisi için iki günlük normal yağ ve bir günlük yağ asidi üretimi atıksuları kariştırılarak 4600 mg/l KOİ derişimine sahip bir atıksu hazırlanmış ve BMP deneyleri gerçekleştirilmiştir.

* BMP deneyleri sonucunda her g KOİ başına 280 ml gaz üretilebileceği görülmüştür. * BMP deneyleri sonucunda serum şişelerinde yapılan ölçümlerde KOİ derisimi 1454 mg/l olarak bulunmuştur. Buna göre KOİ giderim verimi yaklaşık %68 dir. * Gaz üretimine bağlı olarak hesaplanan KOİ giderim verimi ile deneyler sonucunda bulunan değerler aynıdır. * Ayçiçek yağı üretimi kaynaklı atıksuların anaerobik arıtımına ilişkin tasarım verilerini elde etmek için sürekli reaktörlerde anaerobik arıtlabilirlik deneyleri yapılmalıdır.