ÖNS ÖZ Yapılan çalış ma süresi nce her t ürl ü yardı m, destek ve anl ayışları i çi n Sayın Doç. Dr. Or han İnce ye, Deneysel çalış mal arda verdi kleri yardı m ve bilgiler i çi n Sayı n Doç. Dr. Bahar Kasapgil İnce ye ve araştır ma görevlisi Sayı n Nil gün Ay man Öz e, Çalış manı n çeşitli aşa mal arı nda verdi kleri destek i çi n arkadaşları m Sayın Dol unay Şakar, Nilay Sayı, Güli n Özil kiz, Barış Önel, Banu Sı zırıcı ve Arzu Acar a, İşlet me verileri ni n el de edil mesi nde yardı ml arı ndan dol ayı Sayı n Must afa Kol ukırı k ve Sayı n Özge Eyi ce ye Ma nevi destekleri yle her za man yanı mda olan aileme ve arkadaşları ma, Çok teşekkür edi yorum. Eyl ül 2002 Bengü KOÇARSLAN ii
İ Çİ NDEKİ LER KI SALT MALAR TABLO Lİ STESİ ŞEKİ L LİSTESİ ÖZET SUMMARY vi vii ix xi xii 1. Gİ Rİ Ş 1 1. 1. Çalış manı n Anl a mve Öne mi 1 1. 2. Çalış manı n Amaç ve Kapsa mı 3 2. ANAEROBİ K ARI TI MI N TEMEL ESASLARI 4 2. 1. Anaerobi k Arıtı mın Avant aj ve Dezavant ajları 4 2. 2. Anaerobi k Arıtı mın Genel Tanı mı 6 2. 3. Anaerobi k Arıtı mın Mi krobi yol ojisi ve Bi yoki myası 10 2. 3. 1. Hi droliz 11 2. 3. 2. Asit Fazı 13 2. 3. 3. Met an Üreti mi 16 2. 4 İşlet meye Al ma ve Pr oses Kontrol ü 19 2. 5. Çevresel Fakt örler 21 2. 5. 1. ph ve Al kali nite 21 2. 5. 2. Sıcaklı k 22 2. 5. 3. Besi Maddesi İhti yacı 22 2. 5. 4. Karıştır manı n Etkisi 23 2. 5. 5. Toksisite ve İnhibisyonun Et kisi 23 2. 5. 5. 1. Uçucu Asit İnhi bisyonu 24 2. 5. 5. 2. Sülfür İnhibisyonu 25 2. 5. 5. 3. Amonyak Azot u İnhi bisyonu 26 2. 5. 5. 4. Ağır Met al İnhi bisyonu 26 3. ANAEROBİ K REAKTÖRLER 28 3. 1. Reakt ör Seçenekl eri 28 3. 1. 1. Kl asi k Anaerobik Reakt örler 28 3. 1. 2. Yukarı Akışlı Anerobi k Ça mur Yat akl arı 30 3. 1. 3 Anaerobi k Kontak Reakt örler 31 3. 1. 4. Anaerobi k Filtrel er 33 3. 1. 5. Döner Diskler 34 3. 1. 6. Anaerobi k Genişletil miş/ Akışkan Yat aklı Reakt ör 35 3. 1. 7. Hi brit Reakt ör(havasız Ça mur Yat aklı Filtre) 37 3. 1. 8.İki Kade meli Havasız Reakt ör 38 4. TEKEL FABRİ KALARI ARI TMA SİSTEMLERİ 40 4. 1. Rakı Üreti mi 40 4. 1. 1. Anason 40 iii
4. 1. 2. Suma 40 4. 1. 3. Hazırlık Aşa ması 41 4. 1. 4. Da mıt ma 41 4. 2. Kanyak Üreti mi 42 4. 3. Tekel Nevşehir Rakı Fabri kası 42 4. 3. 1. Distilasyon Atıksul arı 42 4. 3. 2. Evsel Atı ksular 43 4. 3. 3 Proses Akış Şeması nı n Açı klanması 43 4. 3. 3. 1. Atı ksu Ön Çökt ür me Havuzu 43 4. 3. 3. 2. Kont ak Havuzu 43 4. 3. 3. 3. Anaerobi k Reakt ör Tankı 44 4. 3. 3. 4. Plakalı Çökelt me Tankı 45 4. 3. 3. 5. I. Haval andır ma Havuzu 45 4. 3. 3. 6. I. Çökeltme Tankı 46 4. 3. 3. 7. II. Haval andır ma Havuzu 46 4. 3. 3. 8. II. Çökeltme Havuzu 46 4. 3. 3. 9. Belt Filtre- Ça mur Susuzl aştır ma 46 4. 4. Tekel Tekirdağ İçki Fabri kası 48 4. 5. Tekel Çanakkal e Kanyak Fabri kası 52 4. 6. Tekel İstanbul İçki Fabri kası 55 4. 6. 1. Atı ksu Özellikleri 55 4. 6. 2. Arıt ma Siste mi 56 4. 6. 2. 1. Distilasyon Atı ğı Terfi Mer kezi 56 4. 6. 2. 2. Çökelt me Tankı 56 4. 6. 2. 3. Resirkül asyon Tankı 56 4. 6. 2. 4. Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yatağı 56 4. 6. 2. 5 Granül Çamur Deposu 57 5. METOT VE YÖNTEMLER 59 5. 1. Spesifi k Met an Akitivite Testi 59 5. 1. 1. Spesifi k Met an Akti vite Test Düzeneği 59 5. 1. 2. Laborat uvarda Spesifi k Met an Akti vite Testi İçi n Yapılan Çalış malar 60 5. 2. Mi krobi yol oji k Çalış mal ar 64 5. 2. 1. Direkt Mi kroskobi k Sayı m Yönt e mi 64 6. TEKEL FABRİ KALARI ANAEROBİ K ARI TMA TESİ SLERİ 66 PERFORMANSLARI 6. 1. Tekel Nevşehir Rakı Fabri kası Anaerobi k Kont ak Reakt örü Perfor mansı 66 6. 2. Tekel Tekirdağ İçki Fabri kası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı 70 Perfor mansı 6. 3. Tekel Çanakkal e Kanyak Fabri kası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı 73 Perfor mansı 6. 4. Tekel İstanbul İçki Fabri kası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı 76 Perfor mansı 7. DENEYSEL SONUÇLAR 80 7. 1. SMA Testi Sonuçl arı 80 7. 2. Mi krobi yol oji k Çalış ma Sonuçl arı 85 8. SONUÇLAR ve ÖNERİ LER 91 8. 1. Sonuçl ar 91 iv
8. 2. Öneriler 94 KAYNAKLAR 95 EKLER 97 ÖZGEÇMİ Ş 147 v
KI SALT MALAR AKM UAKM HRT S MA KOİ BOİ HRT : Askı da Katı Madde : Uçucu Askı da Katı Madde : Hi droli k Bekl et me Süresi : Spesifi k Met an Akti vite Testi : Ki myasal Oksijen İhti yacı : Bi yoki myasal Oksijen İhti yacı : Hi droli k Bekl et me Süresi vi
TABLO Lİ STESİ Sayfa No Tabl o 2. 1. Bi yoenerji ve Aktif Ça mur Prosesleri ni n Ti pi k Tasarı m 5 Para metreleri ve Perfor mansları nı n Karşılaştırıl ması Tabl o 2. 2. Kar bonhi dratlardan ve Ami noasitlerden Uçucu Asitleri n Üreti mi 14 Tabl o 2. 3. Uçucu Asitlerden Asetat Ür eti mi 14 Tabl o 2. 4. Met an Ar kel eri ni n Substrat Kullanı mı 18 Tabl o 2. 5. Anaerobi k Arıtı mı n İzlenmesi ve Kontrol ü İçi n Önerilen 19 Para metreler Tabl o 2. 6. Anaerobi k Arıtı mperformans Değerleri 21 Tabl o 2. 7. Çeşitli Mi kro- Nütrientlerin Faydalı İnhi bit ör ve Toksi k Et kileri 25 Tabl o 2. 8. Amonyak Azot u Konsantrasyonl arı nı n Anaerobi k Arıtı m 26 Üzeri ndeki Et kisi Tabl o 3. 1. Anaerobi k Kont ak Reaktörler 33 Tabl o 4. 1. Nevşehir Rakı Fabri kası Atı ksu Tasarı mpara metrel eri 43 Tabl o 4. 2. SKKY Al kol ve Al koll ü İçki Üreti mi ve Benzerleri 55 Tabl o 5. 1. Seyrelt me Suyu 61 Tabl o 6. 1. Tabl o 7. 1. Far klı ph Değerleri ndeki Akti vite Yüzdesi ve İnhibisyon Değerleri Çeşitli Substratlar İçi n Elde Edilen Pot ansi yel Metan Üreti m Hı zl arı Tabl o 7. 2. Tekel Fabri kaları Mi krobiyol oji k Sayı msonuçl arı 88 Tabl o 8. 1. Tekel Fabri kaları Deneysel Sonuçl arı 91 Tabl o C. 1. Tekel Nevşehir Rakı Fabrikası Anaerobi k Kont ak Reakt örü 1998-2000 Yılı İşlet me Verileri Tabl o C. 2. Tekel Nevşehir Rakı Fabrikası Anaerobi k Kont ak Reakt örü 1998-2000 Yılı ph Değişi mi İşlet me Verileri Tabl o C. 3. Tekel Nevşehir Rakı Fabrikası Anaerobi k Kont ak Reakt örü 1998-2000 Yılı Sıcaklı k Değişi mi İşlet me Verileri Tabl o C. 4. Tekel Nevşehir Rakı Fabrikası Anaerobi k Kont ak Reakt örü 1998-2000 Yılı HRT Değişi mi İşlet me Verileri Tabl o C. 5. Tekel Nevşehir Rakı Fabrikası Anaerobi k Kont ak Reakt örü 1999-2000 Yılı Bi ogaz Değişimi İşlet me Verileri Tabl o C. 6. Tekel Tekirdağ İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı 2000 Yılı İşlet me Verileri Tabl o C. 7. Tekel Tekirdağ İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı Bi ogaz Değişi mi Verileri Tabl o C. 8. Tekel Çanakkal e Kanyak Fabri kası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı 2000-2001 Yılı İşlet me Verileri 76 82 115 120 123 126 129 131 136 137 vii
Tabl o C. 9. Tabl oc. 10 Tabl oc. 11 Tabl oc. 12 Tekel İstanbul İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı 1996-2000 Yılları Arası İşlet me Verileri Tekel Nevşehir Rakı Fabrikası Anaerobi k Kont ak Reakt örü SMA Sonuçl arı Tekel Tekirdağ İçki Fab. ve Çanakkal e Kanyak Fabri kası Yukarı Akı şlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı SMA Sonuçl arı Tekel İstanbul İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı SMA Sonuçl arı 140 142 144 146 viii
ŞEKİ L LİSTESİ Sayf a No Şekil 2. 1. Anaerobi k Dönüşüm Aşamal arı 8 Şekil 2. 2. Dokuz Fazlı Model 9 Şekil 2. 3. Anaerobi k Bi yodönüşüm Aşa mal arı ndaki Mi kroorgani z ma 10 Gr upl arı Şekil 2. 4. Anaerobi k Arıtı mdaki Substrat Kullanı mı ve Mi kroor gani z ma 12 Ti pl eri Şekil 2. 5. H 2 Kıs mi Bası ncı nı n Metan Üreti mi Süreci ndeki Öne mi 15 Şekil 2. 6. Anaerobi k Arıtı m Aşa ması nda Et ki n Ol an Türler 17 Şekil 3. 1. Kl asi k Anaerobi k Reakt ör 29 Şekil 3. 2. Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı 31 Şekil 3. 3. Anaerobi k Kont ak Reaktör 33 Şekil 3. 4. Anaerobi k Filtre 34 Şekil 3. 5. Döner Disk 35 Şekil 3. 6. Anaerobi k Genişletil miş / Akışkan Yat aklı Reakt ör 37 Şekil 3. 7. Hi brit Reakt ör 38 Şekil 3. 8. İki Kade meli Havasız Reakt ör 39 Şekil 4. 1. Tekel Nevşehir Rakı Fabrikası Arıt ma Tesisi Akım Şe ması 47 Şekil 4. 2. Tekel Tekirdağ İçki Fabrikası Arıt ma Tesisi Şe ması 51 Şekil 4. 3. Tekel Çanakkal e Kanyak Fabri kası Arıt ma Tesisi Akı m Şe ması 54 Şekil 4. 4. Tekel İstanbul İçki Fabrikası Arıt ma Tesisi Akı mşe ması 58 Şekil 5. 1 Spesifi k Met an Akti vite Test Düzeneği 62 Şekil 5. 2 Gaz Öl çümünün Şe mati k Gösteri mi 63 Şekil 5. 3. Gaz Öl çüm Siste mi ni n Kali brasyonu İçi n Kullanılan Al et 63 Şekil 6. 1. Tekel Nevşehir Rakı Fabri kası Anaerobi k Kont ak Reakt örü KOİ 68 Gi deri mperfor mansı Değişi mi Şekil 6. 2. Tekel Nevşehir Rakı Fabrikası Anaerobi k Kont ak Reakt örü 69 Or gani k Yük Değişi mi Şekil 6. 3. Tekel Tekirdağ İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur 71 Yat ağı KOİ Perfor mansı Değişi mi Şekil 6. 4. Tekel Tekirdağ İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur 72 Yat ağı Or gani k Yük Değişi mi Şekil 6. 5. Tekel Çanakkal e Kanyak Fabri kası Anaerobi k Ça mur Yat ağı 74 KOİ Gi deri mperfor mansı Değişi mi Şekil 6. 6. Tekel Çanakkal e Kanyak Fabri kası Yukarı Akışlı Anaerobi k 75 Ça mur Yat ağı Or gani k Yük Değişi mi Şekil 6. 7. Tekel İstanbul İçki Fab. Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı 78 Gi riş- Çı kış KOİ Kons ve KOİ Gi deri mperfor mansı Değişi mi Şekil 6. 8. Tekel İstanbul İçki Fab. Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı 79 Or gani k Yük Değişi mi Şekil 7. 1. Tekel Nevşehir Rakı Fabrikası Anaerobi k Kont ak Reakt örü SMA 83 Sonucu Şekil 7. 2. Tekel Tekirdağ İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur 83 ix
Şekil 7. 3. Şekil 7. 4. Şekil 7. 5. Şekil 7. 6. Şekil 7. 7. Şekil 7. 8. Şekil 7. 9. Şekil A. 1. Şekil A. 2. Şekil A. 3. Şekil A. 4. Şekil A. 5. Şekil A. 6. Şekil A. 7. Şekil A. 8. Şekil A. 9. Şekil A. 10. Şekil A. 11. Şekil A. 12. Şekil A. 13. Şekil B. 1 Şekil B. 2. Şekil B. 3 Şekil B. 4. Yat ağı SMA Sonucu Tekel Çanakkal e Kanyak Fabri kası Yukarı Akışlı Anaerobi k 84 Ça mur Yat ağı SMA Sonucu Tekel İstanbul İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur 84 Yat ağı SMA Sonucu Tekel Fabri kaları Anaerobi k Reakt örleri ndeki Ot ofloresan Met an 86 Ar kel eri ni n Kendi İçi ndeki Yüzdesi Tekel Nevşehir Rakı Fabrikası Anaerobi k Kont ak Reakt örü 89 Ot ofl oresan Met an Ar keleri ve Di ğer Mi kr. Dağılımı Tekel Tekirdağ İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur 89 Yat ağı Ot ofl oresan Met an Ar keleri ve Di ğer Mi kr. Dağılı mı Tekel Çanakkal e Kanyak Fabri kası Yukarı Akışlı Anaerobi k 90 Ça mur Yat ağı Ot ofl oresan Met an Ar kel eri ve Di ğer Mi kr. Dağılı mı Tekel İstanbul İçki Fab. Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı 90 Ot ofl oresan Met an Ar keleri ve Di ğer Mi kr. Dağılımı Tekel Nevşehir Rakı Fabrikası Anaerobi k Kont ak Reakt örü 98 Gi riş- Çı kış KOİ Konsantrasyonu Değişi mi Tekel Nevşehir Rakı Fabri kası Anaerobi k Kont ak Reakt örü ph 99 Değişi mi Tekel Nevşehir Rakı Fabri kası Anaerobi k Kont ak Reakt ör ü 100 Sı caklı k Değişi mi Tekel Nevşehir Rakı Fabrikası Anaerobi k Kont ak Reakt örü HRT 101 Değişi mi Tekel Nevşehir Rakı Fabri kası Anaerobi k Kont ak Reakt örü 102 Met an Veri mi Değişi mi Tekel Tekirdağ İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur 103 Yat ağı Giriş- Çı kış KOİ Kons. Değişi mi Tekel Tekirdağ İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur 104 Yat ağı ph Değişi mi Tekel Tekirdağ İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur 105 Yat ağı Sıcaklı k Değişi mi Tekel Çanakkal e Kanyak Fabri kası Yukarı Akışlı Anaerobi k 106 Ça mur Yat ağı Giriş- Çı kış KOİ Konsantrasyonu Değişi mi Tekel Çanakkal e Kanyak Fabri kası Yukarı Akışlı Anaerobi k 107 Ça mur Yat ağı Sıcaklı k Değişi mi Tekel Çanakkal e Kanyak Fabri kası Yukarı Akışlı Anaerobi k 108 Ça mur Yat ağı ph Değişimi Tekel İstanbul İçki Fab. Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı 109 ph Değişi mi Tekel İstanbul İçki Fab. Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur Yat ağı 110 Met an Veri mi Değişi mi Tekel Nevşehir Rakı Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur 112 Yat ağı Ot ofl oresan Metan Ar keleri ni n Dağılı mı Tekel Tekirdağ İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur 112 Yat ağı Ot ofl oresan Metan Ar keleri ni n Dağılı mı Tekel Çanakkal e İçki Fabri kası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur 113 Yat ağı Ot ofl oresan Met an Ar keleri ni n Dağılı mı Tekel İstanbul İçki Fabrikası Yukarı Akışlı Anaerobi k Ça mur 113 Yat ağı Ot ofl oresan Met an Ar keleri ni n Dağılı mı x
xi
ÖZET ALKOLLÜ İ ÇKİ ENDÜSTRİ Sİ ATI KS ULARI NI N ANAEROBİ K ARI TI MI NDA ETKİ N OLAN TÜRLERİ N SAYI LARI NI N VE AKTİ Vİ TELERİ Nİ N BELİ RLENMESİ Bu çalış mada, Tekel fabrikaları nda işlet mede bul unan anaerobi k arıt ma t esisleri ndeki atı ksu ko mpozisyonu, reakt ör ti pi, işlet me koşulları nı n et ki n ol an mi kr obiyal t ürler üzeri ndeki et kileşi mi araştırıl mıştır. Bu kapsa mda Tekel Nevşehir Rakı Fabri kası, Tekel Çanakkal e Kanyak Fabri kası, Tekel Tekirdağ İçki Fabri kası, Tekel İstanbul İ çki Fabri kası anaer obi k arıt ma tesisleri nden alı nan bi yol oji k ça mur ör nekl eri nde et ki n ol an t ürler ve sayıları Epifl oresan mi kr oskobu kullanılarak t espit edil miştir. Belirlenen anaerobik t ürleri n akti viteleri, spesifik metan akti vite t esti ( SMA) kullanılarak öl çül müştür. Tekel Tekirdağ İçki Fabri kası yukarı akışlı anaerobi k çamur yat ağı nda KOİ gi deri m veri mi; %55-90, pot ansi yel met an üreti m hı zı ( PMÜ) ; 376 ml CH 4 / gr. UAKM. gün, Nevşehir Rakı Fabri kası anaerobik kont ak reakt öründe, KOİ gi deri m veri mi; %75-80, P MÜ hı zı; 263 ml CH 4 / gr. UAKM. gün, Çanakkal e Kanyak Fabri kası yukarı akışlı anaer obi k ça mur yat ağı nda KOİ gi deri m veri mi; %70-75, PMÜ hı zı; 230 ml CH 4 / gr.uakm. gün ol arak bul unmuşt ur. Her üç anaerobi k reakt örde ot ofl oresan özelliğe sahi p met an arkesi ol arak kısa çubuk, bunu t aki ben orta ve uzun çubuk t ürleri gözl enmi ştir. İstanbul İçki Fabri kası yukarı akışlı anaerobi k ça mur yat ağı KOİ gi deri m veri mi %90-95, P MÜ hı zı 350 ml CH 4 / gr. UAKM. gün ol arak belirlenmi ştir. İstanbul İçki Fabri kası yukarı akışlı anaerobi k ça mur yat ağı nda, di ğer reakt örlerden farklı ol arak baskı n ot ofl oresan met an t ürü Met hanococcus, bunu t aki ben kısa, orta, uzun çubuk ve Met hanosarci na t ürleri bul unmuşt ur. S MA t ekni ği ni n kullanıl ması ile siste mi n pot ansi yel yükl e me kapasitesi ni n belirlenmesi ve opti mu m i şlet me koşulları nı n t espiti mü mkündür. S MA sonuçl arı ile herbir siste mi n perfor mansı karşılaştırıl mış, atıksu ko mpozisyonu, reaktör ti pi ve mi kr obi yal türler arası ndaki et kileşi mi ncelenmi ştir.
SUMMARY DETERMI NATI ON OF NUMBERS AND ACTI VI TI ES OF DOMI NANT SPECI ES I N ANAEROBI C REACTORS TREATI NG ALCOHOL DI STI LLERY EFFLUENTS In t his st udy, t he relationshi ps bet ween wast ewat er characterizati on, react or t ype and operati ng conditions on t he acti ve mi crobi al speci es i n t he anaerobi c treat ment pl ants( ATP) of Tekel factories were investi gated. In t his research, t he numbers and co mposition of species i n bi ol ogi cal anaer obi c sl udge sa mpl es t aken fro m Tekel Nevşehir Raki Fact ory ATP, Tekel Çanakkal e Cognac Fact ory ATP, Tekel Tekirdağ Di stillery Fact ory ATP and Tekel Istanbul Di stillery Fact ory ATP were det er mi ned by Epifl uorescence mi croscope. The acti vities of t he det ermi ned anaerobi c species were measured by specific met hanogeni c acti vit y ( SMA) t est. It was f ound t hat t he COD r e moval efficiency and the pot ential acet oclastic met hane pr oducti on ( PMP) rate i n upfl ow anaerobi c sl udge bl anket of Tekel Tekirdağ Di stillery Fact ory were 55-90 percent and 376 ml CH 4 / gr. VSS. day; COD r e moval efficiency and P MP r at e i n Tekel Nevşehir Raki Fact ory were 75-80 percent and 263 ml CH 4 / gr.vss. day; COD r e moval efficiency and P MP r at e i n Tekel Çanakkal e Cognac Fact ory were 70-75 percent and 230 ml CH 4 / gr. VSS. day; COD r e moval efficiency and PMP r at e i n Tekel Istanbul Di stillery Fact ory 90-95 percent and 350 ml CH 4 / gr. VSS. day; respecti vel y. In t hese react ors, short rods, medi um and l ong r ods archea were det er mi ned as a do mi nant aut ofl uorescent met hane speci es. In upfl ow anaerobi c sl udge bl anket of Istanbul Di stillery Fact ory, Met hanococcus was f ound as do mi nant aut ofl uorescent met hane species foll owed by short, medi um, long rods and Met hanosarci na species. As a result, it was possi ble t o fi nd t he pot ential l oadi ng capacit y of t he syste m and t o control t he st ability of syste m by usi ng S MA t echni que. Results of S MA tests were compared t o t he each syste m perfor mances and wast ewat er co mposition, and t he relationshi ps bet ween react or type and mi crobi al speci es were investi gated. xii
1. Gİ Rİ Ş 1. 1 Çalış manı n Anl a mve Öne mi Son yıllarda Doğal kaynakl arı n zararlı çevre et kileri nden kor unması i çi n anaer obi k arıt ma siste ml eri kullanıl makt adır. Anaerobi k arıt ma t eknol ojileri ni n kullanı mı geliş mekt e ol an ül keler içi n yenilebilir kaynakl arın kullanı mı; dol ayısı yla ekol oji k ve ekono mi k pr obl e ml eri n çözü mü i çi n öne mli bir yol dur. Anaerobi k arıtım, daha az atı k bi yokütle üret me, enerji kaynağı ol arak kullanılabilecek bir ni hai ürün ( met an gazı) ver me, konsantre atıksul ar i çi n daha fazla arıt ma kapasitesi ne sahi p ol ma gi bi avant ajlara sahi p ol up giderek artan bir kullanı mal anı na sahi ptir. Anaerobi k siste ml erde or gani k madde gi deri mi orta mdaki met an arkel eri ni n mi kt arı na ve akti viteleri ne bağlı dır. İl k aşa ma ol an asit fazı nda or gani k bileşi kler asit bakt erileri tarafı ndan organi k asitlere dönüşt ürülür, daha sonra i ki nci aşa ma ol an met an fazı nda met an ar keleri t arafı ndan bu bileşi kler CH 4 ve CO 2 e dönüşt ürül mekt edir. Bununl a birlikte orta mda bir mi kt ar bi yokütle de ol uş makt adır. Anaerobi k arıt ma sist eml eri ni n gi der me verimi ni kontrol eden faktörler met an arkeleri ni n mi kt arı ve akti viteleri dir. Di ğer bir deyişle yet erli mi kt arda aktif met an üreten mi kroorgani z mal arın varlığı dır (İnce vd., 1995). Anaerobi k arıt ma sisteml eri ni n t asarı mı nda uçucu askı da katı madde ( UAKM) para metresi kullanıl maktadır, ancak bu para metre ne t ürleri ni n mi kt ar ve akti vitesi, ne aktif bi yokütle ne de parti kül er madde miktarı nı göster mekt edir. Anaer obi k siste ml eri n işlet meye alın ma ve işlet me döne ml eri nde perfor mansları hali hazırda KOİ, BOİ, gaz veri mi ve ko mpozisyonu, uçucu yağ asitleri, al kali nite, ph gi bi kl asi k para metrelerle öl çül mektedir. Bu para metreler sadece siste mi n o anki veri mi hakkı nda bil gi ver mektedir. Anaerobi k arıt ma siste ml eri ni n işlet meye al ma döne ml eri nde yükl e mel er belli bir t e mel e dayandırıl madan, bir di ğer deyişle met an arkeleri ni n kal dıracağı yük hesapl anmadan uygul andı ğı ndan dol ayı siste ml eri n işlet meye alı nması uzun döne ml erde gerçekl eşmekt edir. Aynı za manda i şlet meye alı ndı ktan sonra gerek st abilitesi ni n kor unması gerekse gel ecekt eki işlet me 1
koşullardan doğabilecek ol umsuz geliş mel ere karşılık siste mi n t epkisi ni bu para metrelerle belirle mek mü mkün değil dir (İnce vd., 1996). Bu sor unl ara çözü m getir mek a macı yl a spesifik met an akti vite ( SMA) t esti kullanılır. Siste mden alınan ça mur ör neği nde potansi yel met an üreti m hızı, spesifi k met an akti vite t esti kullanılarak belirlenir. Bu arada siste mden el de edilen gerçek met an üreti m hı zı hesap edilir. Gerçek met an üreti m hı zı nı n pot ansi yel metan ür eti m hı zı ndan belli oranda düşük t ut ul ması sureti yle işlet meye al ma döne mi nde uygun yükl e mel er belirlenir. Böyl ece gel ecekt eki uygun ol mayan yükl e me koşulları ndan doğabilecek işlet me koşulları ndan siste m perfor mansı nı n ol umsuz etkilenmesi önl enmi ş ol ur (İnce vd., 1996). S MA t esti ni n kullanıl ması yla sonuç ol arak, anaerobi k siste ml eri n işletmeye al ma süresi kısal makt a, sistemi n st abilitesi ni n kontrolü ve perfor mansı nı n sürekliliği ni n kor unması sağl anmakt a ve anaerobi k reakt örlerde t ut ul ması gereken bi yokütle mi kt arı belirlenmekt edir (İnce vd., 1994). Anaerobi k reakt ör i çi ndeki mi kroorgani z ma populasyonu ve t ürleri anaer obi k arıt ma tesisi ni n perfor mansı açısı ndan ol dukça öne mli dir. Son ür ün ol an met an üreti mi nde rol al an met an t ürlerini n mi kt ar ve çeşitliliği değişen çevre şartları na asit bakt erileri ne göre daha hassastır ve arıt ma perfor mansı açısı ndan biri nci derecede öne m t aşır. Anaerobi k reakt örlerdeki atı ksu ko mpozisyonu, reakt ör ti pi, aşı ça mur u gi bi değişi ml er mi kroorgani z ma t opl ul uğunun sayı ve akti vitesi ni et kiler. Aynı atı ksuyu arıtan fakat daha fazla mi kt arda aset okl asti k met an t opl ul uğu i çeren bir anaerobi k ça mur un kullanıl ması veya işlet me koşulları nı n opti mi ze edil mesi yl e sağlanabilecek daha aktif bir anaerobi k bi yol ojik ça mur he m daha küçük reakt ör haci ml eri ni n kullanıl ması na he m de işlet me masrafları nı n öne mli öl çüde azaltıl ması na olanak sağlayabilir (İnce vd., 2002). 2
1. 2. Çalış manı n Amaç ve Kapsa mı Bu çalış mada Tekel Nevşehir Rakı Fabri kası, Tekel Tekirdağ İçki Fabrikası, Tekel Çanakkal e Kanyak Fabrikası ve Tekel İstanbul İçki Fabri kası atı ksul arı nı n arıtı mı nda kullanılan anaerobi k arıtma t esisleri ni n son yıllardaki arıt ma verileri ni n i ncelenmesi ve spesifi k met an aktivite t est düzeneği nden yararlanılarak opti mum i şl et me koşulları nı belirlenmesi hedeflenmi ştir. Reakt örlerde et ki n ol an t ür sayıları nı n ve akti viteleri ni n aşı ça mur u, reakt ör ti pi ve atıksu değişi ml eri nden ne şekil de et kilendi ği ni belirle mek a maçl anmı ştır. Biri nci böl ümde, çalışmanı n anl a m ve öne mi belirtilerek ve a maç ve kapsa mı hakkı nda bil gi veril miştir. Çalış manı n i ki nci böl ümünde, anaerobi k arıt manın t e mel esasları üzeri nde dur ul arak, anaerobi k arıtı mı n avantajları, mi krobi yol ojisi ve bi yoki myası, çevre fakt örleri ni n arıt ma üzeri ndeki et kileri üzeri nde durul muşt ur. Üçüncü böl ümde, anaerobi k arıt ma siste ml eri t anıtılarak avant aj ve dezavant ajları belirtil miştir. Dör düncü böl ümde, Tekel Nevşehir Rakı Fabri kası, Tekel Tekirdağ İçki Fabri kası, Tekel Çanakkal e Kanyak Fabri kası ve Tekel İstanbul İçki Fabri kası anaer obi k arıt ma tesisleri hakkı nda genel bil gi veril miştir. Beşi nci böl ümde, spesifik met an akti vite t est düzeneği t anıtıl mış ve hesapl anması hakkı nda bil gi veril miştir. Ayrıca mi krobi yol oji k çalış ma yönt e mi hakkı nda gerekli açı kla mal ar yapıl mıştır. Altı ncı böl ümde, Tekel fabri kaları ndan alı nan işlet me verileri doğrult usunda anaerobi k reakt örleri n gideri mperfor mansları ve işlet me koşulları incelenmi ştir. Yedi nci böl ümde, yapılmı ş ol an deneysel çalış mal ar, S MA t esti sonuçl arı ve mi kr obi yol oji k çalış ma sonuçl arı olarak veril miştir. Seki zi nci böl ümde ise, sonuç ve öneriler belirtil miştir. 3
2. ANAEROBİ K ARI TI MI N TEMEL ESASLARI 2. 1. Anaerobi k Arıtı mı n Avantaj ve Dezavant ajları Anaerobi k mi kroorganiz mal ar hakkı nda mi krobi yol oji ve bi yoki netik bil gileri arttıkça, atı ksuları n anaerobi k arıtı mı na verilen öne m art makt adır. Bununla birlikte, aerobi k siste ml erle karşılaştırıldı ğı nda anaerobi k siste ml eri n başlıca avant ajları şu şekil dedir (Speece vd., 1995). 1. Aer obi k ol arak 1 kg KOİ eşdeğeri organi k maddeni n arıtıl ması i çi n gerekli 1, 5-6 kw-saat oksijen gi deri, anaerobi k siste ml erde t a ma mi yl e ortadan kal kmaktadır. 1 kg KOİ eşdeğeri organi k maddeni n anaerobi k arıtımı sonucu yakl aşı k 2, 7 kw- saat eşdeğeri met an gazı ortaya çı kmakt adır. Bu gaz reakt örü ı sıt mak i çi n kullanılabil di ği gi bi di ğer böl üml ere de enerji sağlar. 2. Azot, fosfor gi bi t e mel besi maddel eri i hti yacı anaerobi k siste ml erde %90 daha azdır. 3. Anaerobi k siste ml erde oluşan bi yol oji k ça mur mi kt arı, aerobi k siste ml er göre çok azdır. Genellikle aerobi k arıt maya giren 100 gr organi k karbondan yakl aşık 50 gr bi yol oji k ça mur ol uşt uğu hal de havasız arıt mada buna karşı gel en bi yol oji k ça mur mi kt arı 1-5 gr ci varı ndadır. Dol ayısı yla anaerobi k arıtı mda giderilen organi k karbonun %90-98 i met ana dönüşt ürül ür. 4. Anaerobi k siste ml erde haci msel organi k yükl e me, aerobi k siste ml ere göre 5-10 kat daha fazl adır. Bu durum anaerobi k reakt ör haci ml eri ni n aerobi k reaktörlere göre çok daha küçük ol ması na ol anak verirken, ilk yatırı m mali yetleri nde öne mli bir azal ma sağl a makt adır. 5. Aer obi k siste ml erde, özellikle çözücü maddeler i çeren atı ksul arda gör ül en haval andır ma kaynaklı yüksek t ürbül ans ve/veya kabarcı kları n yol açtı ğı köpükl enme sorunu, anaerobi k siste ml erde büyük ölçüde azal makt adır. 6. Anaerobi k siste ml er, şarap ve şeker üreti mi gi bi yılda sadece 2-4 ay atı ksu üret en işlet mel er i çi n çok uygundur. Anaerobi k mi kroorgani z mal ar beslenmedi kleri durumda bile canlılıklarını aylarca koruyabil mektedirler. 4
7. Reakt ör kapalı ol duğundan rahatsız edici kokuya yol aç maz. 8. Ar a ve son ürünl eri kolaylıkla belirlenebil di ği içi n, kontrol ü mü mkün ol maktadır. Bi yoenerji prosesleri yle aerobi k eşdeğeri ol an aktif ça mur un karşılaştırıldı ğı t abl o 2. 1 de, yükl e me oranl arı, enerji t üketi mi ve reakt ör boyutları ndaki avant ajlar gösteril miştir ( Ri ppon, 1983). Anaerobi k arıt manın KOI ni n 4000 mg/l yi geç mesi hali nde daha ekono mi k ol duğunu, KOI 20000 mg/l ol duğunda i se, aerobi k siste m mali yeti ni n dörtte biri olduğunu belirtil miştir. Tabl o 2. 1 Bi yoenerji ve Aktif Ça mur Pr osesleri nin Ti pi k Tasarı m Para metreleri ve Perfor mansları nı n Karşılaştırıl ması ( Ri ppon, 1983) Tasarı mpara metrel eri Aktif Ça mur Bi yoenerji - Bi yol oji k yükl e me oranl arı, 0, 2 0, 2 kg BOI / kg AKM- gün - Reakt ördeki ça mur. ( AKM) mg / l 3300 10000 - Reakt ör boyut u, m 3 /t on BOI- gün 1515 500 - Karıştır ma veya haval andırıcı gücü, 34 k Wsaat / 1000 m 3 5 - Separat ör taş ma hızı, m/saat 1, 0 ( AKM3000) 0, 5 ( AKM10000) - Ça mur geri devir po mpalama oranı, 100 besle me yüzdesi 100 - Reakt ör sıcaklı ğı, C 17 34 Ti pi k Perfor mans Değerl eri Aktif Ça mur Bi yoenerji - BOI gi der me oranı, % 90-99 90-99 - Ça mur üreti mi, kg / kg BOI 0, 2 0, 02 - Gazı n f uel-oil eşdeğeri, 0 450 kg / ton BOI - Arıtılabilecek en yüksek BOI 5500 60000 değeri, mg / l - Arıtılabilecek, ekono mi k en düşük 100 BOI değeri, mg / l 1000 Açı kl a ma [ N1]: Ne ol duğunu bul Bu t abl odan da görül ebileceği gi bi, her i ki proses de aynı oranda BOI gi deri mi sağlarken, bi yoenerji reakt örleri ni n boyut u aktif ça mur reakt örünün yarısı ndan azdır. 5
Aynı za manda, aktif ça mur reakt örünün güç gereksi ni mi yedi kat daha fazladır. Aktif ça mur prosesi ni n ça mur üreti mi, bi yoenerji prosesi ni n on katı dır. Anaerobi k arıtı mı n avantajları yanı nda şu dezavant ajları da bul un makt adır ( Speece vd., 1995): 1. Endüstri yel atı ksuları n arıtı mı nda bu pr osesi n kullanı mı et kileyen en öne mli sorun, opti mu m i şlet me i çi n gerekli ol an ni sbet en yüksek sı caklı k değeri dir. Met an üreti mi ni n yet ersiz ol duğu seyreltik sul arda reakt örün ı sıtıl ması önemli bir probl e m ol uşt ur makt adır. Bu dur umda daha düşük sı caklı klarda çalışabilen mezofilik anaerobi k sisteml er kullanılır. 2. Anaerobi k siste ml erde met an arkeleri ni n büyüme hı zı yavaş ol up siste mi n işlet meye alı nması zaman al makt adır. Büyüme hı zı nı n yavaş ol ması, atı k yükünün değişkenli ği ne, sıcaklı ğa ve çevresel faktörlere bağlı dır. 3. İşlet meni n denge hali ne gel ebil mesi i çi n uzun çamur yaşı gerekli dir, bu nedenl e de zayıf atı klarda anaerobi k arıtı m kı sıtlayıcı olur. Böyl e bi r dur u mda daha büyük reakt örler gerekti ği içi n mali yet artar. 4. Anaerobi k arıtı mda orta mdaki yüksek konsantrasyondaki a monyak azotunun gi deri mi ni n mü mkün ol mayışı dol ayısı yla ilave aerobi k siste ml ere ihti yaç duyul makt adır. 2. 2. Anaerobi k Arıtı mı n Genel Tanı mı Anaerobi k arıt ma, bi yolojik ol arak ayrışabilen maddel eri n oksijensiz ort a mda bi yol oji k işle ml er aracılığı ile CH 4 ve CO 2 gi bi son ür ünl ere dönüştürül mesi ni sağlayan mi krobi yal bir prosestir. Or gani k madde CO 2, CH 4, H 2 O, bi yokütle Basit bir yakl aşı m ol arak, anaerobi k arıtı mı n adıml arı şu şekil dedir: İl k adı mda; katı ko mpl eks or gani kler, polisakkaritler, protei nler, li gni n ve li pi dler enzi ml er vasıtası yla suda çözünerek çözünebilir ürünl ere dönüşür. Bu i şle ml er hi droliz aşa ması nda gerçekl eş mekt edir. İ ki nci adı mda; hidrolize ol an basit organik maddel er asit ojen bakt erileri t arafından pr opi yoni k, bütri k ve val eri k asit gi bi uçucu asitlere fer mant e ol ur. Daha sonra aset ojen kade mede, uçucu yağ asitleri aseti k asit, H 2 ve CO 2 e dönüşür. Son adımda; bir gr up met an arkel eri ni n yardı mı ile asetattan, di ğer grup met an arkel eri nin yardı mı ile de CO 2 ve H 2 den, CH 4 üreti mi 6
gerçekl eş mekt edir. Bunun yanı sıra CO 2 ve çok düşük sevi yede H 2 S ol uş makt adır. Bu aşa mal ar Şekil 2. 1 de gösteril mekt edir (Stronach vd., 1986). Çeşitli araştır macılar t arafı ndan bazı t anı ml ar yapılarak anaerobi k dönüşü m model yakl aşı ml arı ol uşt urul muşt ur: 4 fazlı model 6 fazlı model ( Guj er ve Zehnder, 1983) 9 fazlı model ( Harper ve Pohl and, 1986) Bu modeller arası nda Har per ve Pohl and ı n geliştirdi ği 9 fazlı model en f azl a geçerliliğe sahi ptir. Şekil 2. 2 de gösterilen 9 fazlı modeli n adı ml arı şu şekildedir: 1) Or gani k poli merleri n fakültatif ve zorunl u anaerobi k mi kroorgani zmal arı n ürettiği hücre dışı enzi ml er tarafı ndan hi drolizi 2) Or gani k mono merleri n hi drojen, bi karbonat, prüvat, al koller ve düşük yağ asitleri ne hi drolizi 3) İndirgenen or gani k ür ünleri n zorunl u hi droj en üreten asit bakt erileri t arafı ndan hi drojen, bi karbonat, asetat a oksi dasyonu 4) Ho moasetat fer mant asyonu yapan bakt eriler tarafı ndan bi karbonattan aset at üreti mi 5) Sülfat ve nitrat i ndirgeyen bakt eriler t arafı ndan i ndirgenmi ş or gani k maddel eri n (al koller, propi yoni k asitler, bütri k asitler) bi karbonat ve asetata yükselt genmesi 6) Sülfat ve nitrat i ndirgeyen bakt eriler t arafından aset atın bi karbonat a yükselt genmesi 7) Sülfat ve nitrat indirgeyen bakt eriler tarafı ndan hidrojeni n oksi dasyonu 8) Aset atı n met an ve karbondi oksite dönüşümü 9) Hi drojeni n met ana dönüşü mü 7
Met an Fazı Fer mant asyon - Oksi dasyonu Hi droliz MMr KOMPLEKS MADDELER Pr ot ei nler Kar bonhi dratlar Li pi dler Ami noasitler Şekerler Yüksek Yağ Asitleri, Al koller Ar a ürünl er (Propi yoni k, Bütri k Asit...) Aset at Hi drojen Met an Şekil 2. 1 Anaerobi k Dönüşü m Aşa mal arı (Stronach vd., 1986) 8
Şekil 2. 2 Dokuz Fazlı Model ( Harper ve Pohl and, 1986) 9
2. 3 Anaerobi k Arıtı mı n Mi krobi yol ojisi ve Bi yoki myası Anaerobi k arıt ma sisteml eri nde pek çok mi kroorgani z ma görev almakt adır. Bunl ardan en öne mlileri ise asit bakt erileri ve met an arkel eri dir. Bu i ki grup da kendi arası nda alt grupl ara ayrıl makt adır. Asit bakterileri: Uçucu yağ asiti üretenler (asitojenl er) Aset at bakt erileri: Aseti k asit ve hi drojen üretenl er Met an arkeleri: Aseti k asiti kullanarak met an üretenl er CO 2 ve H 2 kullanarak met an üretenler (homoaset ojenl er) Anaerobi k bi yodönüşü m aşa mal arı ve her bir aşa mayı yürüt en mi kr oor gani z ma grupl arı şekil 2. 3 de gösteril miştir (Zei kus, 1980). KOMPLEKS ORGANİ KLER Kar bonhi dratlar Pr ot ei nler Li pi dler ÇÖZÜNMÜŞ BASİ T YAPI LI ORGANİ KLER Ami noasitler Şekerler Yağ Asitleri 1 1 1 1 ORGANİ K ASİ TLER Pr opi yonat, Bütrat, Val erat,isoval erat 2 2 H 2 ve CO 2 3 Aset at 4 5 CH 4 ve CO 2 Şekil. 2. 3 Anaerobi k Bi yodönüşü m Aşa mal arı ndaki Mi kroorgani z ma Gr upları ( Zei kus, 1980) 10
Mi kr oorgani z ma grupl arı: 1. Fer mant atif Bakt eri 2. H 2 üreten aset ojenler 3. H 2 kullanan aset ojenl er 4. H 2 kullanan met anoj enler 5. Aseti k asit kullanan (aset okl astik) bakt eriler Anaerobi k aşa mada r ol alan bakt eri grupl arı ndan sülfat i ndirgeyen bakt eri gr ubu da bul un makt a ol up şekil 2. 4 de göst eril miştir. Bu mi kroorgani z ma grubu met an arkeleri t arafı ndan kullanılan asetat ve H 2 i t üketen bir mi kroor gani z ma topl ul uğudur. Anaerobi k r eakt örlerde bul unan üç t ür şöyl edir: Desuf otomacul um, Desulf obul bus, Desulf ovibri o 2. 3. 1 Hi droliz Mi kr oorgani z mal ar genellikle parti küler organi k maddeyi doğrudan kullana mazl ar. Hi droliz, hücre dışı enzi ml erle yani mi kroorgani z mal ar t arafı ndan sal gılanan a milazlar ile prot ei nler, yağl ar, karbonhi dratlar gibi parti küler maddel eri n a mi noasit, uzun zi ncirli yağ asiti ve şekere dönüşt ürül düğü yavaş bir adı mdır ( Mc Carty, 1964). Reaksi yon hı zı nı et kileyen en öne mli fakt örler ph, sı caklı k, ça mur yaşı dır. Hi droliz bakt erisi ve enzi ml eri n akti viteleri sayesi nde sonraki parçalanma adı ml arı nın başarılı bir şekil de deva mı ve basit substratları n ol uşumu sağl anmakt adır. Bu nedenl e atı ksu içerisi nde parti küler organi k madde ve çözün meyen poli meri k mol ekül erin varlı ğı hı z kısıtlayıcı et kilerdir (Stronach vd., 1986). Yağl ar çok yavaş hi drolize ol duğundan öne mli nispette yağ ve di ğer hi drolize ol an maddel er i çeren atı kların arıtı mı nda hi droliz, hı z kısıtlayıcı bir fakt ör ol abil mekt edir. Özellikle bazı sel ül ozl u atı kları n havasız arıtı mı nda da hi droliz sı nırlayıcı r ol oynar. Li gni n de ol dukça kar maşı k bir maddedir ve rastgele mol ekül er yapısı dol ayısı yl a anaerobi k şartlarda hiç hidrolize ol maz veya reaksiyon hızı düşük ol ur. Hi droliz aşa ması nda rol al an bakt eri grupl arı şunlardır (Stronach vd., 1986): Pr ot ei nleri a mi noasit ve şekerlere dönüşt üren bakt eriler: Cl ostrı di um, Prot eus vul garis, Pept ococcus, Bact eri odes, Basillus, Vi bri o Kar bonhi dratları a mi noasit ve şekere dönüşt üren bakt eriler: Cl ostridi um, Acet ovi bri o cell ulities, Staphyl ococcus, Bact eri ode 11
Li pi dleri yüksek mol eküllü yağ asitleri, al koller, a mi noasit ve şekere dönüşt üren bakt eriler: Cl ostri di um, Staphyl ococcus, Mi crococcus Şekil 2. 4 Anaerobi k Arıtı mdaki Substrat Kullanı mı ve Mi kroorgani zma Ti pl eri ( Hansen ve Heijthuijsen, 1990) 12
2. 3. 2 Asit Fazı Ko mpl eks or gani k maddel er, suda çözünebilir daha basit organi k maddel ere hi droliz ol dukt an sonra, asit ojen bakt erileri t arafı ndan organi k asitlere fer ment e ol makt adır. Asit üreten bakt eriler ph ve sı caklı k gi bi çevre etkileri ne karşı met an arkeleri ne göre daha az hassastır. Bu nedenl e asit fazı hızlı bir şekilde gerçekl eşir. Çözünebilir Kar bonhi dratları n Fer mant asyonu: Met an arkel eri ni n olmadı ğı orta mda anaerobi k mi kroorgani z mal ar vasıtası yla karbonhi dratları n fer mant asyonunun başlıca ür ünl eri et anol, H 2, CO 2 dir. Bununl a birlikt e H 2 kullanan bakt erileri n bul un ması durumunda etanol de i ndirge me ve asetat üreti mi nde bir artış gözlenir. Ami noasitleri n Fer mant asyonu: Ami noasit fer mantasyonu redoks reaksi yonl arı nı da i çeren ol dukça kar maşı k bir prosestir. İndirge me reaksi yonunda, havası z mi kroorgani z mal ar t arafından kullanılan başlıca el ektron alıcısı a mi no asitleri n fer mant asyonu sonucunda kısa zi ncirli yağ asitleri ve H 2 ol uşur. Uzun Zi ncirli Yağ Asitlerini n Anaerobi k Oksi dasyonu: Yağl ar suda çözünmeyen ancak or gani k çözücül erde çözünebilen het erojeni k or gani k bileşi kl eridir. Yağ asitleri ni n genel f ormüll eri CH 3 ( CH 2 ) n COOH ol up β- oksi dasyonu il e parçalanırlar. Asi di n - COOH kökünden ardışı k ol arak koparılan asetil grupl arı, aseti k asit ve anaerobi k oksi dasyon yol uyl a doy muş 14 ve 18 kar bonlu yağ asitleri, önce asetata daha sonra CO 2 ve CH 4 e dönüşt ürül ür. Uzun zi ncirli yağ asitleri ni n fer mant asyonu s onucu ol uşan kısa zi ncirli yağ asitleri ya sadece aseti k asit ya da aseti k asit ve propi yoni k asittir. Asit ojen fazı nda gerçekleşen dönüşü ml er t abl o 2. 2 de veril miştir ( Mosey vd., 1983). Asit üreti mi deva m etti ği nde hi droj en birçok asit ol uşt urucu bakt eri yi inhi be et mekt edir. Bundan dol ayı H 2 gazı siste mden gi deril meli dir. Ancak H 2 gazı met an arkel eri t arafı ndan enerji kaynağı ol arak kullanıl dı ğı ndan hı zlı bir şekil de CO 2 i n met an i ndirgenmesi nde t üketil mekt edir ( Özt ürk, 1983). Kı sa Zi ncirli Yağ Asitleri ni n Oksi dasyonu: Oksi dasyon sonucunda ol uşan başlıca ür ünl er asetat ve H 2 dir. Esas karbon ür ünü aset at ol duğundan bu reaksi yonl ar aset ojen fazı ol arak adl andırılır. Tabl o 2. 3 te bu kademedeki dönüşü ml er gösteril miştir ( Boone, 1989). 13
Tabl o 2. 2. Kar bonhi dratlardan ve Ami noasitlerden Uçucu Asitlerin Ür eti mi ( Mosey vd., 1983) Gİ RENLER ÜRÜNLER C 6 H 12 O 6 + 4H 2 O 2C 3 COO - + 2HCO 3 - + 4H 2 C 6 H 12 O 6 + H 2 O 2C 3 COO - + CH 3 CH 2 COO - +HCO - 3 +3H + +H 2 C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O CH 3 CH 2 CH 2 COO - +2HCO - 3 +3H 2 +2H + C 6 H 12 O 6 + 2H 2 O 2CH 3 CH 2 OH+2 HCO - 3 +2H + CH 2 ( NH 2 ) COOH+4 H 2 O CH 3 COO - +2HCO - 3 +H + +2NH + 4 +2H 2 COOHCH( NH 2 )( CH 2 ) 2 COOH+3 H 2 O 3CH 3 COO - +HCO - 3 +H + +NH + 4 +2H 2 CH 2 ( NH 2 ) COOH+H 2 CH 3 COO - + + NH 4 CH 3 CH( NH 2 ) COOH+3 H 2 O CH 3 COO - +NH + 4 +HCO - 3 +H + +2H 2 ( CH 3 ) 2 CHCH 2 CH( NH 2 )COOH+3 H 2 O ( CH 3 ) 2 CHCH 2 COO - +NH + - 4 +HCO 3 +H + +2H 2 Tabl o 2. 3 Uçucu Asitlerden Asetat Üreti mi ( Boone, 1989) Gİ RENLER ÜRÜNLER CH 3 CH 2 COO+H 2 O+H + CH 3 COO+HCO 3 - +2H + +3H 2 CH 3 CH 2 COO+2 H 2 O 2CH 3 COO+2 H + +2H 2 CH 3 CH 2 OH+2 H 2 O+H + CH 3 COO - +2H + +2H 2 Kı sa zi ncirli yağ asitlerini n ayrış ması nı n başarılı ol ması i çi n siste mde üretilen hi drojen gazı nı n et kili bir şekil de gi deri mi gereklidir. Siste mde H 2 konsantrasyonu arttığı nda; 1. Topl a m asit üreti m hı zını n düş mesi ne neden ol ur. Siste mi n kararlı hal e gel mesi i çi n ilave za mana gerek duyul makt adır. 2. Bütri k asit ve pr opi yoni k asit konsantrasyonları nı n art ması na sebep ol makt adır. Bunun sonucunda asetik asit üreti mi ni ve asetat kullanan met an arkeleri ni n CH 4 üret mel eri ni engeller. 3. H 2 konsantrasyonun daha art ması propi yoni k asit üreti mi ni hı zlandırır ve siste mde ph daha da düşer. Pr opi yoni k asitin kıs mi bası ncı 10-4 barı n altına düşt üğünde pr opi yoni k asit aset ata dönüş mekt edir ( Mc Carty, 1982). 14
CH 3 CH 2 COOH + H 2 O CH 3 COOH + 3H 2 + CO 2 (2. 1) Pr opi yoni k asiti parçalayan bakt eriler sadece H 2 kullanan bakt erilerle yaşamakt adır. Bu bakt eriler hi drojeni şu şekil de kullanırlar: 4H 2 + CO 2 CH 4 + 2H 2 O (2. 2) Met an ol uşumu, hi drojeni n kıs mi bası ncı 10-6 bar dan yüksek ol duğu dur u mda gerçekl eş mekt edir. Yani propi yoni k asit bozul ması 10-6 bar dan büyük 10-4 bar dan küçük ol duğunda gerçekl eş mekt edir. Hi drojenin kıs mi bası ncı ile serbest enerji sevi yesi arası ndaki ilişki şekil 2. 5 de gösteril miştir ( Mc Cart y, 1982). Şekil 2. 5 H 2 Kıs mi Bası ncı nı n Met an Üreti mi Süreci ndeki Öne mi ( Mc Carty, 1982) Asit fazı nda rol alan bakteriler şunl ardır (Stronach vd, 1986): Ami noasit ve şekerleri yüksek mol eküll ü yağ asitleri ve al kollere dönüşt üren bakt eriler: Zy mo monas mobilis Ami noasitleri doğrudan aset ata dönüşt üren bakteriler: Lact obacillus, Escherichi a, St aphyl ococcus, Mi crococcus, Bacillus, Pseudomonas, Desulf ovi bri o, Veillonell a Selenomonas, Strept ococcus, Desulf obact er, Desulf uromonas Ami noasitleri ara ürünl ere dönüşt üren bakt eriler: Cl ostri di um, Eubact eri um 15
Yüksek mol eküll ü yağ asitleri ni al kolleri ara ür ünl ere dönüşt üren bakt eriler: Cl ostri di um, Syntrophomonas wolferi Ar a ür ünl eri asetat ve hi drojene dönüşt üren bakt eriler: Syntrophomonas wolferi, Syntropnobact er woli nii Aset atı hi drojene dönüştüren bakt eri: Cl ostri di umaceticum 2. 3. 3 Met an Üreti mi Anaerobi k ayrış manı n son kade mesi ol up ol uşan aseti k asit, CO 2 ve H 2 gi bi ür ünl eri n met an arkel eri t arafı ndan CH 4 ve CO 2 e dönüşt ürül düğü aşa madır. Met an i ki farklı dönüşü m kade mesi yle üretil mekt edir. Met anı n oluş ması asetatı n parçalanması veya CO 2 i n indirgenmesi yle meydana gel mekt edir (Sta ms vd., 1989). CH 3 COOH CH 4 +CO 2 ( 2. 3) CO 2 +4H 2 CH 4 +2H 2 O ( 2. 4) Anaerobi k arıt mada üretilen met anı n yakl aşı k ol arak %28 i H 2 ve CO 2 i n, %72 si ise aseti k asitin parçalanmasından meydana gel mekt edir. Met an arkeleri ni n büyüme hı zları düşük ol up akti viteleri, ph, sı caklı k değişi mi ve substrat bileşi mi ne karşı ol dukça hassastır (0, 01mg/l çözün müş oksijen tama mi yl e büyü mel eri ni i nhi be eder) ( Zei kus, 1977). Bu gr ubun yavaş büyü mesi değişen çevre koşulları na karşı hassaslıkl arı ile birleştiği nde pr oses bozul mayl a sonuçl anabilir. Bu sebepl e anaerobi k pr osesi n sürekli kontrol ü önemli dir. Eğer met an üretimi dur ursa veya azalırsa, organi k asitler biri kir ve p H düş meye başl ar, CO 2 / CH 4 oranı artar. Bu dengesizlik, kararlı halin dur ması na kadar deva medebilir. Met an fazı nda et kili olan arkeler şunl ardır (Stronach vd, 1986): Aset atı met ana dönüşt üren arkeler: Methanosarci na, Met hanospirill um, Met hanot hris Hi drojeni met ana dönüştüren arkeler: Met hanobact eri um, Met hanobrevi bact eri um Met hanopl anus Anaerobi k arıtı m aşa maları nda et ki n ol an t ürleri n genel ol arak gösteri mi şekil 2. 6 da belirtildi ği gi bi dir (Stronach vd., 1986). 16
Şekil 2. 6 Anaerobi k Arıtı m Aşa ması nda Et ki n Olan Türler (Stronach vd., 1986) Met an dönüşt üren arkelerini n orta mdaki substrat kullanı mı t abl o 2. 4 te gösterildi ği gi bi dir (Pohl and ve Malina, 1992). 17
Tabl o 2. 4 Met an Ar kel erini n Substrat Kullanı mı (Pohl and ve Mali na, 1992) Çubuk Bi çi mli Hücreler Met hanobact eri um: Met hanobact eri umf or mi ci um For mi k asit, CO 2, H 2 Met hanobact eri um propioni cum Propi yoni k asit Met hanobact eri umsohngenii Asetik asit, Bütirik asit Met hanot her mus H 2, CO 2, ayrıca S 0 indirgenmesi Met anobrevi bakt er H 2, CO 2, For mi k asit Met hanobacillus: Met hanobacillus omeli anskii Biri ncil ve iki ncil al koller, H 2 Met hanosarci na: Met hanot hrix Asetat Küresel Hücreler Met hanococus: Met hanococus mazei Aseti k asit, bütirik asit Met hanococus vanni elli For mi k asit, H 2 Met hanosarci na: Met hanosarci na barkerii Met hanol, aseti k asit, carbon monoksit, H 2 Met hanosarci na met hanica Aseti k asit, bütirik asit Met anomi crobi ales: Met anopl anus H 2, CO 2, for mi k asit Coccus Bi çi mli Hücrel er Met anococcal es: Met anococcus H 2, CO 2, for mi k asit, pruvat Met anomi krobi ales: Met anogeni um H 2, CO 2, for mi k asit Met anoculleus H 2, CO 2, for mi k asit,al koller Met anosarci nal es: Met anosarci na H 2, CO 2, met anol, metila mi n, aset at Met anohal obi um Met anol, metila mi n 18
2. 4 İşlet meye Al ma ve Proses Kontrol ü Anaerobi k arıtı mı n yaygı n kullanı mı et kileyen en öne mli fakt ör, anaerobi k mi kroorgani z mal arı n çoğal ma hı zları nı n düşük ol ması sebebi yle bu siste ml eri n aerobi k siste ml ere göre i şlet meye al ma süreleri ni n nispet en uzun ve pr oses kontrol ünün daha hassas ol uşudur. Anaerobi k arıtı mda pr oses kontrol ünün a macı; met an dönüşü münün maksi mi zasyonu ve pr oses sonucu ol uşan ça mur mi kt arı nı n azal ması ol arak verilebilir. Bu a maçl arı n gerçekleş mesi i çi n opti mu m çevre şartları nı n sağl anması ve uygun mi kroorgani z ma t ürleri ni n üretil mesi gerekli dir. Uygun nitelikte mi kroorgani z ma t opl ul uğu i şlet me aşa ması nda yerleştirilirse alıştır ma süresi çok kısalır. İstenilen özellikte bir aşı ça mur u yok i se evsel atı ksu arıt ma t esisi çürüt ücüsünden veya İ mhoff t ankından alı nan ça murla hatta hayvan gübresi yle aşıla ma yapılarak alıştır ma süresi 1-2 ay sürebilir. Met an arkel eri ni n çoğal ma hı zı nı n düşük ol ması sebebi yle, sistemde arzu edilen or ganik yükl erde kararlı işlet me durumuna ul aş ması 4-8 ay al abilir. Ter mofilik şartlarda bu süre daha da uzayabilir. Tabl o 2. 5 te anaerobi k arıtı mda i zlenmesi gerekli para metrel er belirtil miştir. Tabl o 2. 5 Anaerobi k Arıtı mı n İzlenmesi ve Kontrol ü İçi n Önerilen Para metreler Para metre Gi riş suyu (debi, konsantrasyon, toksisite) SRT PH Qg ve % CH 4 Arıt ma Veri mi Al kali nite İzle me Sı klı ğı Sürekli Sürekli Sürekli Günl ük Günl ük Gerekti ği nde Anaerobi k bir reakt örün bozul maya başla ması, uçucu asit konsantrasyonunun ani artışı ile kendi ni belli eder. Uçucu asit artışı nı n nedeni ise şok yükl er, besi maddesi eksi kli ği ve siste me i nhi bitör maddeni n karış ması ol abilir. Uçucu asitler içerisi nde en uygunu aseti k asit, en probl e mlisi ise pr opi yoni k asittir. Siste m alıştırılsa dahi 3000 mg/l ni n üzeri ndeki propiyoni k asit konsantrasyonl arı nda met an arkel eri belli öl çüde inhi be ol makt adır. 19
Bi yoenerji prosesleri ni n ayrış ma pr osesi ni n kararlılığı nı n bozul ması genelli kle topla m uçucu asit konsantrasyonunun art ması ve p H nı n 6 ci varı na düş mesi yl e kendi ni göster mekt edir. Or gani k yük azaltılarak ve/ veya Na OH, kireç, Na HCO 3 gi bi ki myasal maddel er kullanılarak p H i stenilen değerlere ayarlanabilir. Siste mi n p H sı kontrol altı na alı ndı ktan sonra dengesizliği n sebebi belirlenmeli dir. Uzun süreli ve ci ddi bir kararsızlık durumunda, dengesizliği n sebebi ortadan kal dırılarak p H kontrol ü yapılsa bile uçucu asitleri n, sistemden bekl enen veri mi sağl ayacak mi kt ara ul aş mal arı tı pkı alıştır ma döne mi nde ol duğu gi bi uzunca bir za man gerektirebilir. Anaerobi k siste ml erde uçucu asit yüksel mesi ve ph düş mesi ile orta mdaki H 2 kı s mi bası ncı arası nda yakı n bir ilişki bul un makt adır. Reakt ördeki H 2 kıs mi bası ncı 10-4 at mosferi aştı ğı t aktirde propi yoni k asitin aseti k asite dönüş mesi dur makta ve bunun neticesi nde t opl a m uçucu asit konsantrasyonu yükselerek met an üreti mi safhası zarar gör mekt edir. Bu hal özellikle ça mur yaşı 10 günden az ol duğunda ortaya çıkmakt adır ( Mosey, 1983). Anaerobik reakt örlerde H 2 kıs mi bası ncı i zlenebil di ği t aktirde p H düş meden önce siste mi n kararlılığı nı n bozul maya başladı ğı an t espit edilerek gerekli önl e m 1 gün önce yapılabilir. Dol ayısı yla ph nı n düş mesi reakt ördeki düzensi zli ği n başlangı cı değil sonucunu yansıt makt a ve yaklaşı k 1 günl ük geci kmeye neden ol makt adır. Her hangi bir sebepl e kararlılığı nı yitiren bir anaerobi k reakt ör de, dengesizli k il k önce siste mdeki t opl a m uçucu asit konsantrasyonun art ması sonucu p H da ani bir düşüş ile kendi ni gösterir. ph daki düşüşü bir süre sonra al kali nitedeki ani azal ma izler. Bu esnada gaz üreti mi ni n yavaşla ması dolayısı yla gaz debisi nde azal ma ve gazdaki CH 4 yüzdesi nde bir düşüş gözl enir. Bunl arı n sonucu ol arak da reakt ör çı kışı ndaki KOİ konsantrasyonu yükselir ve dol ayısı yla siste mi n veri mi düşer ( Özt ürk, 1999) Anaerobi k reakt örün i şlet me aşa ması nda opti mum i şlet me koşulları nda elde edilen çı kış değerleri ise tabl o 2. 6 da gösterildi ği gi bi dir ( Henze ve Harre moes, 1983). 20
Tabl o 2. 6 Anaerobi k Arıtı mperfor mans Değerleri ( Henze ve Harre moes, 1983) Arıtı mpara metresi Değerl er BOİ Gi deri mi ( %) %80-90 KOİ Gi deri mi ( mg/l) 1, 5xBOİ gi deri mi Bi ogaz Üreti mi 0, 5 m 3 / kg KOİ gi d. Met an Üreti mi 0, 35m 3 / kg KOİ gi d. Ça mur Üreti mi 0, 05-0, 1 kg UAKM/ kg KOİ gi d 2. 5 Çevresel faktörler Anaerobi k mi kroorgani zmal arı n perfor mansı orta mdaki çevresel koşullara bağlı dır. Anaerobi k bi yodönüşüm gi bi birden fazla sayı daki mi kroorgani z ma gr ubunun birbiri ne bağlı ol duğu ve ort ak faali yeti n gerekti ği siste ml erde çevre koşulları daha çok öne m kazan makt adır. Bu çevresel koşullar ise şunl ardır: ph ve al kali nite, sıcaklı k, besi maddesi ihtiyacı, karıştır ma, inhi bisyon ve t oksisite. 2. 5. 1 phve Al kali nite ph anaerobi k arıt ma siste mi ndeki mi kroorganiz mal arı n akti viteleri ile yakı ndan ilişkilidir. Proseste pek çok mi kroorgani z ma türü r ol al dı ğı ndan opt i mu m p H aralı ğı nı belirlemek gerekli dir. Met an arkel eri ph değişi ml eri ne asit ojeni k t ürlere göre daha hassastırlar. Opti mu m ph met an t ürleri i çi n 6, 8-8 arası ndadır. Asit bakt erileri i çi n en uygun p H aralığı 5, 5-6, 5 arası ndadır. Bu duru mda t ek kade meli sisteml erde, i ki grubun yaşayacağı p H aralı ğı 6, 5-7, 5 aralı ğı ndadır. Eğer 6, 2 ni n altına düşerse veri mlilik hı zla düş mekt e ve ol uşan aseti k şartlar met an arkeleri i çi n t oksi k etki yap makt adır ( Cl ark ve Speece, 1970). Or gani k yükdeki değişi ml er ve sı caklı k farkı gi bi özel duruml arda uçucu organi k asitler, kendilerini i ndirgeyen aset ojenl er ve met an t ürleri nden daha hı zlı bir şekil de fer mant atif bakteriler t arafı ndan üretil mekt edirler. Böyl ece uçucu asitlerde art mal ar meydana gelmekt e met an arkel eri inhi be ol makt adır. ph düşüşünü engelle mek i çi n orta ma Na OH, Ca( OH) 2, Na HCO 3, KOH gi bi t amponl ayı cı maddel er orta ma ilave edilir. Bununl a birlikte bu maddel eri n orta ma ani den veril mesi inhi bisyona neden ol ur. Anaerobi k siste mde t uzları n t oksisitesi ni n, t uzların kat yon değerleri yle ilgili ol duğu belirlenmi ştir. 21
Reakt örde uçucu asit konsantrasyonu aseti k asit ağırlıklı ise, organi k yükün azaltıl ması veya besle meni n durdurul ması ile birlikte mi kroorgani z mal arca suratle tüketilerek nor mal seviyel ere düş mekt edir. Uçucu asit konsantrasyonu nor mal e döndükt en sonra organi k yük arttırılarak işlet meye deva medil mekt edir. p H nı n ayarlanması, organi k yükün azaltıl ması, besle meni n kesil mesi tedbirleri ne rağmen yüksel mi ş uçucu asit konsantrasyonl arı nor mal değerlere i nmeyebilir. Bu t ür duruml arda reakt öre i yi ce seyreltil miş atı ksu ve bazen de musl uk suyu ile besl e me yapılarak propi yoni k asitin düş mesi sağlanmakt adır ( Özt ürk, 1999). 2. 5. 2. Sıcaklı k Sı caklı k anaerobi k arıtımı nda r ol al an mi kroorgani z mal ar i çi n ol dukça öne mli bir fakt ördür. Ör neği n çok yüksek sı caklı k, hücreni n hayatı i çi n öne mli ol an enzi ml eri n parçalanması ndan dol ayı met aboliz ma hı zını n azal ması na yol açacaktır. Mi kr oorgani z mal ar optimu m büyü me ve met aboliz ma hı zları nı opti mum sı caklı k aralı ğı nda gerçekl eştirirler. Anaerobi k arıtı m i çin üç farklı sı caklı k aralığı et kili dir ( Kost er ve Lettinga, 1985). Sakrofilik bakt erileri n faali yet aralığı:5-20 C Mezofilik bakt erileri n faali yet aralığı: 25-45 C(opt. 35 C) Ter mofilik bakt erileri n faali yet aralığı: 55-70 C(opt. 55 C) Met an arkesi sı caklı k değişi ml eri ne di ğer mi kroorgani z mal ara göre daha hassastır. Di ğer mi kroorgani z ma grupl arı nı n daha hı zlı büyü me hı zları ndan dol ayı ( örneği n aset ojenl er gi bi) düşük sı caklı k dereceleri nde de kat aboliz ma başarılı ol abilir (Sch mi d ve Li pper 1969). Mi kroorgani z mal ar kısa s üreli sı caklı k değişi mleri ne karşı direnç gösterirler. 2 saati n üzeri ndeki değişiml eri nde sı caklı k t ekrar eski hali ne getirilirse hı zla nor mal gaz üreti mi ne dönüşü m yapılır. 2. 5. 3 Besi Maddesi İhtiyacı Anaerobi k mi kroorgani zmal ar hücre gelişi mi i çin nütrientlere gereksi nim duyarlar. Hücre yapıları t a ma mi yle farklı ol duğu i çi n anaerobi k mi kroorgani z mal arın nütrient gereksi ni mi aerobi k mi kroorgani z mal ardan ol dukça farklı dır. Ör neği n anaerobi k mi kroorgani z mal arı n azot ve f osfor gereksi ni mi aerobi k mi kroorgani z ma i hti yacı nı n 22