Mikroalgal ve anaerobik mikrobiyel kültürlerin kullanımı ile entegre atıksu arıtımı, sera gazı mitigasyonu ile biyo-enerji ve biyo-ürün eldesi Prof.Dr. Göksel N. Demirer Orta Doğu Teknik Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü GÜNEŞKENTLER SEMPOZYUMU VE SOLARKAMPUS ÇALIŞTAYI 15 16 Kasım 2013, ODTÜ Kültür ve Kongre Merkezi
McKinsey Global Institute Resource Revolution: Meeting the world s energy, materials, food, and water needs, Kasım 2011 McKinsey, 2011 20. yüzyılda: dünya nüfusu 4 katına çıkmış, dünyadaki ekonomik büyüklük 20 kat artmış, doğal kaynaklara olan gereksinim %600-2000 oranında artmıştır. Bu sürecin sonuçlarını 21. yüzyılda gözlemlemekteyiz. Örneğin sadece 2010 yılının ikinci yarısında 44 milyon insan artan gıda fiyatları nedeniyle yoksulluk sınırının altına düştü.
2030 Yılına kadar Bugün 1,8 milyar olan orta-sınıf tüketici sayısı 4,8 milyara çıkacaktır. Doğal kaynaklara yönelik mevcut talep ciddi ölçüde artacak, doğal kaynak eldesi giderek daha zor ve maliyetli hale gelecektir. Örneğin çelik ihtiyacı %80 artacaktır. İklim değişikliği nedeniyle ortaya çıkan yağış rejimlerindeki değişiklikler hidroelektrik kaynaklarının %17 si ve su yoğun pek çok proses üzerinde olumsuz etkiler yaratacaktır. Toprak erozyonu, yer altı sularının kirlenmesi ve tükenmesi, ormansızlaşma, okyanusların asidifikasyonu, vb. çevre sorunlarının doğal kaynaklar üzerindeki olumsuz etkisi giderek artacaktır. McKinsey, 2011
Peki ya çözüm? İklim değişikliği de dahil olmak üzere pekçok çevre sorununun yanı sıra hızla tükenmekte olan doğal kaynakların sürdürülebilir olarak yönetilebilmesi için: doğal kaynak kullanımı ile ekonomik büyüme ve çevresel etki ile kaynak kullanımı arasındaki ilişkinin değiştirilmesi gereklidir.
Ekonomik Etkinlik Kaynak Kullanımı Çevresel Etki Kaynak Kullanımı Çevresel Etki Son yıllarda bu hedefe ulaşmaya yönelik olarak pekçok sürdürülebilirlik yaklaşımı, yöntemi ve aracı geliştirilmiştir.
Sürdürülebilirlik kavramı ekonomik, sosyal ve çevresel gelişimi paralel olarak sağlamayı hedefleyen bir kavramdır. Bu araçların bu üç eksen ve farklı katmanlar düzeyinde gruplandırılması olasıdır. Sürdürülebilirlik Politikası Sürdürülebilir Sistemler Alt Sistemler Yaklaşımlar Toplum Prensipler Çevre Ekonomi Sürdürülebilir Kalkınma Glavic P. ve Lukman R., 2007. Review of sustainability terms and their definitions, Journal of Cleaner Production, 15, 1875-1885.
Araştırma grubumuz sürdürülebilirlik konusunun pekçok altbaşlığına yönelik araştırma ve danışmanlık projeleri yürütmektedir. Üçlü Sorumluluk Endüstriyel Ekoloji (Simbiyoz) Tedarik Zinciri Yönetimi Sürdürülebilir Tüketim Sürdürülebilir Üretim Entegre Kirlilik Önleme ve Kontrolü Yaşam Döngüsü Analizi Eko-Tasarım Temiz Üretim İşçi Sağlığı ve İşyeri Güvenliği Faktör X Geri Dönüşüm Yeniden Kullanım Eko-Verimlilik Yenilenebilir Kaynaklar
Alg kültürlerinin atık yönetiminde kullanılması ve bu süreçte ortaya çıkan algal biyokütlenin biyoenerjiye dönüştürülmesi «Yenilenebilir Kaynaklar» alanında yürüttüğümüz çalışmalardan birisidir. Atıksu arıtımı Sera gazı emisyonlarının azaltımı Yenilenebilir enerji alanlarının kesişim noktasını oluşturan bu çalışma sadece sürdürülebilirlik değil, güneş enerjisi kullanımına da özgün bir örnek oluşturmaktadır.
NEDEN ALG? Arazi gereksinimi ve su ihtiyacı bazında algal biyokütle diğer olası protein kaynaklarına göre çok daha uygun bir seçenek oluşturmaktadır.
Ayrıca alg kültürlerinin: - Sürdürülebilir bir kaynak olması -Atıksu arıtımında kullanımı - Biyoenerji ve Biyoyakıt Eldesi - Pekçok sektör için hammadde olarak kullanılabilmesi - CO2 azaltımında kullanımı -Vd. Pekçok kullanım alanı vardır.
ATIKSU ARITIMI Atıksulardan azot ve fosfor giderimi Türkiye dahil pekçok ülkede hala tam olarak çözülememiş bir sorundur. Ülkemizdeki belediyeler göz önüne alındığında, üretilen atıksuyun sadece %28,8 i bu kirleticileri giderebilen ileri arıtım yöntemleri ile arıtılmaktadır. Bazı orta ve Kuzey AB ülkelerinde (Hollanda, İsviçre, Danimarka, Avusturya, vd.) ileri arıtım yöntemleri ile arıtılan atıksuların oranı toplamın %50-80 ini oluştururken, diğerlerinde bu oran %0-40 arasında değişmektedir. Evsel atıksular için geçerli olan bu durum endüstriyel atıksular için de çok farklı değildir. Örneğin ülkemizdeki organize sanayi bölgelerinde üretilen atıksuların sadece %42,4 ü ileri arıtım yöntemleri ile arıtılmaktadır.
ALGAL KÜLTÜRLERİN ATIKSU ARITIMINDA KULLANIMI Güneş enerjisini kullanarak büyüyen mikroalgal kültürler atık yönetiminde çok farklı amaçlar için kullanılabilmektedir. Besiyer madde, organik kirletici, patojen, ağır metal ve diğer endüstriyel kirleticilerin giderimi buna örnek olarak verilebilir. Buna ek olarak bu reaktörlerden kaynaklanan atık biyokütle değerli bazı kimyasal ve biyo-yakıtların (biyogaz, biyo-ethanol, bio-dizel, vd.) eldesinde hammadde olarak kullanılır. Havalandırma ihtiyacını azalttığı için fotosentetik oksijen üretimi mikroalglerin diğer kullanım alanlarından birisidir. Bu yaklaşım özellikle aerobik olarak arıtılması gereken ve uçucu özelliğe sahip olduğu için mekanik havalandırma esnasında uçan tehlikeli kirleticilerin giderimi için çok caziptir. Bunlara ek olarak, mikroalgal kültürler zeytinyağı, kağıt ve demir-çelik üretiminden kaynaklanan atıksuların arıtımında kullanılabilmektedir.
Alg Kültürleri ile Yapılan Atıksu Arıtım Çalışmalarına Örnekler
SERA GAZI AZALTIMI (MİTİGASYONU) Atmosferdeki yüksek CO2 düzeyleri sonucu ortaya çıkan küresel ısınma sorununa yönelik hızla artan duyarlılık nedeniyle 1997 yılında Birleşmiş Milletler İklim Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi kapsamında Kyoto Protokolü uygulamaya koyulmuştur ve bugün itibarıyla 170 i aşkın ülke tarafından imzalanmıştır. Bugüne kadar farklı CO2 mitigasyon yöntemleri araştırılmıştır. Bunlar iki kategoriye ayrılabilir: (1) kimyasal reaksiyon bazlı yaklaşımlar ve (2) biyolojik CO2 mitigasyonu. Kimyasal reaksiyon bazlı yaklaşımlar yüksek maliyet ve enerji tüketimine sahip oldukları için sağladıkları fayda marjinal kalmaktadır. Alternatif bir yaklaşım olarak biyolojik CO2 mitigasyonu büyük ilgi çekmektedir. Çünkü CO2 in fotosentetik olarak tutulmasına paralel olarak biyokütle enerjisi üretimi de sağlamaktadır. Bu işlem mikroalgal kültürler dışında diğer bitkiler aracılığı ile de gerçekleştirilebilmektedir. CO2 mitigasyonu için mikroalglerin kullanılması özellikle atıksu arıtımı gibi başka bir proses ile entegre edildiğinde pekçok avantaj sunmaktadır. Birleşmiş Milletlere sunulan Sera Gazı Envanteri Raporları na göre Türkiye nin sera gazı emisyonu, 1990 ile 2007 yılları arasında %118,8 oranında artmıştır. Kyoto Protokolüne 2009 yılı Ağustos ayında taraf olan Türkiye, bu hızlı artış oranı sebebiyle, protokolde 2012 yılı sonrası için öngörülecek yükümlülükleri karşılayamama ve bunun sonucunda da ağır yaptırımlara maruz kalma riski taşımaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarına geçiş ve CO2 in düşük maliyetli ve etkin yöntemlerle mitigasyonu bu yönde atılabilecek önemli adımlar arasındadır.
Alg kültürlerinin CO2 azaltımında kullanımı tüm Dünyada yoğun araştırmalara konu olmaktadır...
YENİLENEBİLİR ENERJİ Uluslararası Enerji Ajansı na (UEA) göre dünyanın daha güvenilir ve sürdürülebilir bir enerji politikasına sahip olması için yenilenebilir enerji kaynaklarının daha önemli bir rol oynaması gerekmektedir. UEA nın tahminlerine göre yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik miktarı 2008-2035 yılları arasında üç katına çıkacaktır. Biyo-yakıt üretiminin de aynı dönemde dört kat artacağı öngörülmektedir. Dolayısıyla, yenilenebilir kaynaklardan biyo-enerji üretiminin küresel ölçekteki önemi önümüzdeki dönemde hızla artmaya devam edecektir. Güneş enerjisini kullanarak atıksulardan azot ve fosfor giderebilen mikroalgal kültürler (biyokütle) anaerobik bozundurma ile biyogaza dönüştürülebilir. Biyogaz üretimine ek olarak, bu işlem atık biyokütle tasfiye maliyetlerini azaltırken besiyer madde (azot ve fosfor) içeriği yüksek gübre eldesine de yol açar.
Algal Biyokütleden Biyoenerji ve Biyoyakıt Üretimine İlişkin Pekçok Çalışma Söz Konusudur
ATIKSU ARITIMI, SERA GAZI AZALTIMI VE YENİLENEBİLİR ENERJİ ELDESİ PARALEL OLARAK GERÇEKLEŞTİRİLMESİ Mikroalgal kültürler ile besiyer madde giderimi ve atık mikroalgal biyokütleden biyogaz, hidrojen ve gübre eldesi çeşitli araştırmalara tekli ya da ikili konu olmuş uygulamalardır. Ancak, bu çalışmaya konu olan mikroalgal ve anaerobik mikrobiyel kültürlerin entegre besiyer madde giderimi, sera gazı mitigasyonu ve biyo-yakıt ve biyo-ürün eldesi için birlikte kullanıldığı entegre bir konfigürasyon özgün bir yaklaşımdır. Bu inovatif konfigürasyon sadece güneş enerjisi kullanılarak atıksu arıtımı ve CO2 mitigasyonu gibi önemli atık yönetimi sorunlarına bir çözüm oluşturmakla kalmayacak, biyoyakıt (biyogaz ve biyohidrojen) ve biyoürün (gübre) eldesi de sağlayacaktır. Bu çalışmanın en önemli etkisi hem evsel hem de endüstriyel atıksuların atık CO2 kaynakları (örneğin endüstriyel baca gazları) ile birlikte arıtılabilmesini sağlayan özgün bir biyoteknolojik proses konfigürasyonunun geliştirilmesi olacaktır. Bu sürece paralel olarak sağlanacak olan biyoyakıt ve biyoürün eldesi, sadece atık valorizasyonuna değil, sürdürülebilir atık yönetimine de önemli bir örnek oluşturacaktır.
TÜBİTAK Çevre, Atmosfer, Yer ve Deniz Bilimleri Proje No: 111Y205 Mikroalgal ve anaerobik mikrobiyel kültürlerin kullanımı ile entegre atıksu arıtımı, sera gazı mitigasyonu ile biyo-enerji ve biyo-ürün eldesi Azot ve fosfor kaynağı olarak evsel ve endüstriyel atıksu CO2, NOx ve SOx içeriği azaltılmış baca gazı Biyogaz Chlorella Vulgaris ve Karışık doğal kültür Algal biyokütle Biyohidrojen Biyodizel Lipid CO2 kaynağı hava ve demir çelik endüstrisi baca gazı Azot ve fosfor içeriği azaltılmış atıksu Hayvan Yemi Atıksu ve bacagazı artımı Biyoyakıt ve biyoürün eldesi
Deneysel Düzenek ve Elde Edilen Sonuçlardan Özetler
Evsel Atıksulardan Azot ve Fosfor Giderimi 12 a) X1 reaktöründe, toplam azot ve toplam amonyak azotu verileri göz önüne alındığında, yüksek giderim değerlerine ulaşıldığı görülmektedir. ph Optik Yoğunluk (685 nm) 10 8 6 2 1 0 1000 b) c) 80 Reaktörde toplam azot için %81-90, amonyak azotu için ise %83-91 giderim değerlerine ulaşılmıştır. Ayrıca, %68-83 gibi yüksek bir fosfor giderim değeri de sağlanmıştır 800 600 400 200 2,7 1,8 0,9 0,0 15 10 5 d) e) Klorofil-a Feofitin-a O.Y. (664/665) TN TN Giderimi (%) TKM TUKM TUKM (%TKM) 60 40 20 0 1,6 1,4 1,2 100 80 60 40 20 TKM (%UKM) O.Y. (664/665) Konsantrasyon (mg/l) 16 12 8 4 0 12 8 4 f) g) TAN TAN Giderimi (%) PO4-P PO4-P Giderimi (%) 100 80 60 40 20 100 80 60 40 20 Giderim (%) 0 70 60 50 40 h) KOI KOI Giderimi (%) 0 5 10 15 20 25 30 35 Zaman (gün) 100 80 60 40 20
Biyogaz Üretimi Evsel atıksu arıtımı yapılan reaktörlerde büyüyen algal biyokütle (Chlorella vulgaris) nin kullanılması ile 442 ml biyogaz / g VS düzeyinde biyogaz üretilmiştir. Bu düzey literatürde rapor edilen performans düzeyleri ile karşılaştırılabilir düzeydedir. Üretilen biyogazın metan içeriği ortalama %50 nin üzerinde bulunmuştur.
Projemiz kapsamında: - Ön arıtımı ve co-digestion yöntemleri ile algal biyokütleden elde edilecek biyogaz miktarlarının artırılması, - CO2 mitigasyonu, - Biyohidrojen üretimi, - Endüstriyel atıksu arıtımı çalışmaları sürdürülmektedir.
TEŞEKKÜRLER Çevre Mühendisliği Bölümü Orta Doğu Teknik Üniversitesi Tel: 210 58 67 Faks: 210 26 46 e.posta: goksel@metu.edu.tr