Anaerobik Izzet Bey

EK D

EVSEL ATIKSULAR VE ORGANĠK KATI ATIKLARIN BĠRLĠKTE ARITIMI YOLUYLA YENĠLENEBĠLĠR ENERJĠ (BĠYOMETAN) GERĠ KAZANIM TEKNOLOJĠLERĠNĠN ARAġTIRILMASI PROJESĠ (Proje No: 105G024)

SONUÇ RAPORU EKĠ

Proje Yürütücüsü: Prof. Dr. Ġzzet ÖZTÜRK

ĠÇĠNDEKĠLER GiriĢ ..................................................................................................................................................... 1 BÖLÜM 1. Ġġ PAKETĠ 1: HAZIRLIK ÇALIġMALARI ....................................................................... 1 1.1. Literatür AraĢtırması .......................................................................................................... 1 1.1.1. Evsel Atıksuların DüĢük Sıcaklıklarda Havasız Arıtımı ................................................. 1 1.1.1.1. Gerçek ve Pilot Ölçekli HÇYR Uygulamaları ........................................................ 5 1.1.2. ArdıĢık Kesikli Reaktörler ve Uygulamaları ................................................................... 8 1.1.3. Evsel Katı Atıkların Organik Kısmının Tek BaĢına veya Diğer Organik Atıklarla Birlikte Havasız Arıtımı ve Biyometan Geri Kazanımı ........................................................................... 11 1.1.3.1. Katı Atık Miktar ve Karakterizasyonu .................................................................. 12 1.1.3.2. Evsel Organik Katı Atık Toplama Stratejileri ve Atık Karakterizasyonu .............. 15 1.1.3.3. Katı Atık Toplama Yönteminin Biyogaz Üretim Potansiyeline Etkisi .................. 17 1.1.3.4. Katı Atıkların Biyolojik Arıtımı ............................................................................. 17 1.1.3.5. Organik Katı Atıkların Anaerobik Arıtımında Kullanılan Sistemler ...................... 20 1.1.3.6. EOKA‘nın Diğer Atık Türleri Ġle Birlikte Arıtımı .................................................... 37 1.1.3.7. Biyogaz Kullanımı ............................................................................................... 48 1.1.4. Biyolojik Arıtma Sistemlerinde Mikrobiyal Toplulukların Tanımlanması ...................... 50 1.2. Pilot Tesis Tasarımı ......................................................................................................... 51 1.2.1. Pilot Biyometanizasyon Sisteminin Genel Özellikleri .................................................. 51 BÖLÜM 2. Ġġ PAKETĠ 2: DENEYSEL ÇALIġMALAR ................................................................... 57 2.1. Pilot Tesis ĠĢletme Verileri ............................................................................................... 57 2.1.1. Biyometanizasyon Sisteminde Yemekhane Atıkları ile Yapılan Arıtma ÇalıĢmaları ... 57 2.1.1.1. Biyometanizasyon Sisteminin ĠĢletmeye Alınması ............................................. 57 2.1.1.2. ĠĢletme KoĢulları ................................................................................................. 58 2.1.1.3. Biyometanizasyon Sisteminin Performans Değerlendirmesi .............................. 58 2.1.1.4. Çöp Öğütücü ve HamurlaĢtırıcı .......................................................................... 59 2.1.1.5. Fermentasyon Reaktörü (Fermentör) ................................................................. 60 2.1.1.6. Çürütücü ............................................................................................................. 66 2.1.1.7. Genel Değerlendirme .......................................................................................... 70 2.1.2. Hal Atığı ile Yapılan Arıtma ÇalıĢmaları ...................................................................... 71 2.1.2.1. Biyometanizasyon Sisteminin ĠĢletmeye Alınması ............................................. 71 2.1.2.2. Biyometanizasyon Sisteminin ĠĢletme KoĢulları ve Performans Değerlendirmesi 74 2.1.2.3. Çöp Öğütücü ve HamurlaĢtırıcı .......................................................................... 75 2.1.2.4. Fermentasyon Reaktörü (Fermentör) ................................................................. 75 2.1.2.5. Çürütücü ............................................................................................................. 83 2.1.2.6. Genel Değerlendirme .......................................................................................... 90 2.1.3. Hal Atığı ve Evsel Atıksu Arıtma Çamurlarının Birlikte Arıtılması ÇalıĢmaları ............ 98 2.1.3.1. Pilot Tesis ÇalıĢmaları ........................................................................................ 98 2.1.3.2. Laboratuvar Ölçekli ÇalıĢmalar ......................................................................... 112 2.1.4. ArdıĢık Kesikli Reaktör (AKR) Sistemi ÇalıĢmaları ................................................... 124 2.1.4.1. Tam Ölçekli ArdıĢık Kesikli Reaktör Sistemi ..................................................... 124 2.1.4.2. Pilot Ölçekli ArdıĢık Kesikli Reaktör (AKR) Sistemi .......................................... 127 2.1.4.3. Deneysel Sonuçlar ............................................................................................ 128 2.1.5. ArdıĢık Kesikli Reaktör Çamurunun Havasız Çürütülebilirliğinin Ġncelenmesi .......... 140 2.1.5.1. GiriĢ ................................................................................................................... 140 2.1.5.2. Materyal ve Yöntem .......................................................................................... 140 2.1.5.3. Bulgular ve Değerlendirmeler ........................................................................... 143 2.1.5.4. Sonuç ve Öneriler ............................................................................................. 146 2.1.6. Evsel Atıksuların Doğal Ortam Sıcaklıklarında Havasız Çamur Yataklı Reaktör (HÇYR) Sistemi ile Arıtımı ÇalıĢmaları .................................................................................... 147 2.1.6.1. Materyal Ve Yöntem ......................................................................................... 148 2.1.6.2. Bulgular Ve Değerlendirmeler ........................................................................... 153

I

2.1.6.3. Sonuçlar Ve Öneriler ........................................................................................ 163 2.2. Kinetik ve Stokiometrik Parametrelerin Belirlenmesi ..................................................... 165 2.2.1. Biyolojik Metan Potansiyeli Testi (BMP) ÇalıĢmaları ................................................ 165 2.2.2. Yemekhane Atıklarının Anaerobik Arıtma Kinetiğinin Laboratuar Ölçekli ÇalıĢmalarla Belirlenmesi.............................................................................................................................. 172 2.2.2.1. Kinetik Verilerin Değerlendirilmesi .................................................................... 180 2.3. Mikrobiyolojik ÇalıĢmalar ............................................................................................... 188 2.3.1. Moleküler Teknikler ................................................................................................... 188 Materyal ve Metod ................................................................................................................... 193 2.3.2. Yemekhane Atıklarının Çift Kademeli Havasız Ortamda Arıtımındaki Populasyon Dinamikleri ............................................................................................................................... 196 2.3.3. Hal Atıklarının Çift Kademeli Havasız Ortamda Arıtımındaki Populasyon Dinamikleri 204 BÖLÜM 3. Ġġ PAKETĠ 3: MODELLEME ÇALIġMALARI ............................................................. 213 3.1. Aerobik Çamur Modeli (ASM1) ve Anaerobik Bozunma Modeli (ADM1) ...................... 213 3.1.1. ADM1 Modeli ............................................................................................................. 213 3.1.1.1. ADM1 Modelinde Kullanılan Birimler, Terminoloji ve DeğiĢkenler ................... 214 3.1.1.2. Dinamik Durum DeğiĢkenleri ............................................................................ 215 3.1.1.3. ADM1 Modelinde Yer Alan Biyokimyasal Proseslerin Yapısı ........................... 217 3.1.1.4. Model Matrisi..................................................................................................... 217 3.1.1.5. Disintegrasyon ve Hidroliz ................................................................................ 223 3.1.1.6. Organik Asit OluĢumu (Asidojenesis) ............................................................... 224 3.1.1.7. Monosakkaritlerden Organik Asit OluĢumu ...................................................... 224 3.1.1.8. Aminoasitlerden Organik Asit OluĢumu ............................................................ 225 3.1.1.9. Hidrojen Üretimi, Kullanımı (Anaerobik Oksidasyon (Asetojenesis) ve Hidrojen Kullanımı Sonucu Metan OluĢumu (Metanojenesis)) ........................................................... 225 3.1.1.10. Asetat Kullanımı Sonucu Metan OluĢumu (Asetiklastik Metanojenesis) .......... 227 3.1.1.11. Ġnhibisyon ve Toksisite ...................................................................................... 228 3.1.1.12. Sıcaklık Etkisi .................................................................................................... 231 3.1.1.13. Fizikokimyasal Prosesler .................................................................................. 231 3.1.1.14. Sıcaklığın Fizikokimyasal Parametrelere Etkisi ................................................ 235 3.1.1.15. Modelde Kullanılan Parametreler ..................................................................... 236 3.1.2. Aktif Çamur Modeli No.1 (Activated Sludge Model No.1, ASM1).............................. 237 3.1.2.1. Aktif Çamur Modeli No.1 (ASM1)‘deki Durum DeğiĢkenleri ............................. 240 3.1.2.2. Dinamik Prosesler ............................................................................................. 242 3.1.2.3. Model Parametreleri.......................................................................................... 248 3.1.2.4. ASM1 Modelinin Kısıtları .................................................................................. 250 3.1.3. ASM1 ve ADM1 Modellerinin BirleĢtirilmesi .............................................................. 251 3.2. Biyometanizasyon Pilot Tesisi için Modelleme ÇalıĢmaları ........................................... 252 3.2.1. Yemekhane Atıkları ile Yürütülen Havasız Modelleme ÇalıĢmaları .......................... 253 3.2.2. Hal Atıkları ile Yürütülen Havasız Modelleme ÇalıĢmaları ........................................ 256 3.2.3. Hal Atıkları ve Arıtma Tesisi Çamuru ile Yürütülen Havasız Modelleme ÇalıĢmaları 259 3.3. Havalı Arıtma Modelleme ÇalıĢmaları ........................................................................... 262 3.3.1. Model Bazlı Optimum ĠĢletme Stratejisinin Belirlenmesi ........................................... 262 3.3.2. ArdıĢık Kesikli Reaktör Sisteminin Modellenmesi ..................................................... 263 3.3.2.1. GiriĢ ................................................................................................................... 263 3.3.2.2. ĠĢletme Bilgileri .................................................................................................. 263 3.3.2.3. Simulasyon YaklaĢımı ...................................................................................... 264 3.3.2.4. GiriĢ Atıksu Karakterizasyonu ........................................................................... 265 3.3.2.5. Modelleme Sonuçları ........................................................................................ 266 BÖLÜM 4. Ġġ PAKETĠ 4: TAM ÖLÇEKLĠ TESĠS ĠÇĠN FĠZĠBĠLĠTE ÇALIġMASI .......................... 271 4.1. Kentsel Atıksu Arıtma Tesisi (AAT) ............................................................................... 271 4.1.1. Kentsel AAT Ġlk Yatırım Maliyeti ................................................................................ 272 4.1.2. Kentsel AAT ĠĢletme/Bakım Maliyeti ......................................................................... 272

II

4.1.3. EĢdeğer Nüfusları 100.000 – 1.000.000 KiĢi Aralığında DeğiĢen ġehirler Ġçin AAT Maliyet Analizi .......................................................................................................................... 273 4.2. Biyometan Tesisi............................................................................................................ 275 4.2.1. Proses Tasarımına Esas Veriler ve Temel Kütle Dengesi Hesapları ........................ 275 4.2.1.1. Tesiste Arıtılacak Çamur ve Atık Miktarları ...................................................... 275 4.2.2. Biyometan Tesisi Atık Akımı ve Temel Kütle Dengesi Hesapları .............................. 276 4.2.3. Biyometan Reaktörü (Çürütücü) üzerinde TKM kütle dengesi .................................. 277 4.3. Biyometan Enerjisi Geri Kazanımı ................................................................................. 279 4.4. Biyometan Tesisi Maliyet Analizi ................................................................................... 281 4.4.1. Ġlk Yatırım Maliyeti ..................................................................................................... 281 4.4.2. ĠĢletme ve Bakım Maliyeti .......................................................................................... 284 4.5. EĢdeğer Nüfusları 100.000 – 1.000.000 KiĢi Aralığında DeğiĢen ġehirler Ġçin Entegre Biyometan Tesisi Maliyet Analizi ................................................................................................. 284 4.6. Biyogazın Araç Yakıtı Olarak Kullanımı ......................................................................... 285 4.6.1. Mevcut durum ve uygulamalar .................................................................................. 285 4.6.2. 100000 EN‘li bir ġehir için Entegre Biyometan Tesisinde Üretilen Biyogazın Araç Yakıtı Olarak Kullanımı ............................................................................................................ 287 4.7. Fizibilite için Yürütülen Havasız Modelleme ÇalıĢmaları ............................................... 288 BÖLÜM 5. Ġġ PAKETĠ 5: SONUÇLAR ve DEĞERLENDĠRME ................................................... 293 5.1. Sonuç ve Öneriler .......................................................................................................... 293 5.2. Projeden Elde Edilen Yayınlar ve Tezler ....................................................................... 295 5.2.1. Lisans Tezleri ............................................................................................................ 295 5.2.2. Yüksek Lisans Tezleri................................................................................................ 296 KAYNAKLAR……………………………………………………………………………………………….303 EK D.1……………………………………………………………………………………………………….316 EK D.2……………………………………………………………………………………………………….318 EK D.3……………………………………………………………………………………………………….320 EK D.4……………………………………………………………………………………………………….322

III

TABLO LĠSTESĠ Tablo 1. Yüksek hızlı havasız sistemlerde evsel atıksu arıtımının faydaları ve kısıtları (Elmitwalli, 2000) ................................................................................................................................................... 3 Tablo 2. Evsel atıksuların pilot ve gerçek ölçekli HÇYR uygulamaları ............................................... 5 Tablo 3. Türkiye‘de baĢlıca büyük Ģehirler için evsel katı atık bileĢimi (%, ağırlık) .......................... 11 Tablo 4. Katı Atık Ana Planı Projesi‘nde belirlenen birim atık üretimi (MĠMKO, 2006) ..................... 13 Tablo 5. Kentsel katı atık karakterizasyonu ...................................................................................... 14 Tablo 6. ABD evsel katı atık karakterizasyonu (TCHOBANOGLOUS ve diğ., 1993) ....................... 14 Tablo 7. Ġstanbul ve Antalya BüyükĢehir Belediyeleri katı atık bileĢenlerinin dağılımı (MĠMKO, 2006) ........................................................................................................................................................... 15 Tablo 8. Katı atığın ayrımını gerçekleĢtiren mekanik ayırma tesislerinin özellikleri .......................... 16 Tablo 9. Ön arıtma tesislerinde ayrılan MA-EOKA‘nın özellikleri ...................................................... 16 Tablo 10. Farklı çalıĢmalarda KA-EOKA ve AT-EOKA bulunmuĢ özellikler .................................... 17 Tablo 11. Farklı EOKA türlerinden elde edilebilecek maksimum metan ve biyogaz verimi .............. 17 Tablo 12. ÇalıĢmalarda kullanılan evsel organik katı atık türlerinin özellikleri .................................. 18 Tablo 13. ÇalıĢma süresince yürütülen iĢletme Ģartları ve elde edilen sonuçlar .............................. 19 Tablo 14. Farklı EOKA türlerinin mezofilik anaerobik arıtımı ile elde edilen veriler .......................... 20 Tablo 15. Anaerobik çürütme prosesleri için tasarım ve iĢletme koĢulları ........................................ 22 Tablo 16. Valorga prosesinde havasız kompostlaĢtırma reaktörü karakteristikleri ........................... 29 Tablo 17. Farklı evsel organik katı atık türlerinin azot içeriği ............................................................ 39 Tablo 18. Seçenek I için hesaplanan iĢletme parametreleri ............................................................. 41 Tablo 19. Seçenek I ve Seçenek II‘nin karĢılaĢtırılması ................................................................... 43 Tablo 20. Türkiye‘de organik atıklardan geri kazanılabilecek enerji potansiyeli (2005 yılı itibarıyla) 45 Tablo 21. Danimarka‘da bulunan biyogaz tesisleri ve üretimi, 2002 ................................................. 47 Tablo 22. Danimarka‘da bulunan biyogaz tesislerindeki potansiyel ve gerçek üretimler ile hedeflenen değerler .......................................................................................................................... 47 Tablo 23. Ġsviçre‘de kurulu tam kapasiteli biyogaz tesislerinin 2004 yılı iĢletme verileri ................... 49 Tablo 24. Evsel katı atıkların organik kısmından elde edilen biyogazın tipik bileĢimi (MATAALVAREZ, 2003) ............................................................................................................................... 50 Tablo 25: AĢı çamurunun alındığı Tuzla AAT çamur çürütücüsünün iĢletme parametreleri ............. 57 Tablo 26: AĢı çamurunun alındığı Tuzla AAT Anaerobik Çamur Çürütme Ünitesindeki YoğunlaĢtırıcı, Birincil ve Ġkincil Tank Sonrası Çamurun Özellikleri .................................................. 58 Tablo 27.ĠĢletme parametreleri ......................................................................................................... 58 Tablo 28. Biyometanizasyon sisteminin I. Dönem performans değerlendirmesi .............................. 59 Tablo 29. Biyometanizasyon sisteminin II. Dönem performans değerlendirmesi ............................. 59 Tablo 30. Biyometanizasyon sisteminin III. Dönem performans değerlendirmesi ............................ 59 Tablo 31. AĢı çamuru özellikleri ........................................................................................................ 72 Tablo 32. ĠĢletme parametreleri ........................................................................................................ 74 Tablo 33. Biyometanizasyon sisteminin genel performans değerlendirmesi .................................... 75 Tablo 34. Sisteme beslenen atığın karakterizasyonu ....................................................................... 75 Tablo 35. Hal atığı ve yoğun aktif çamurun özelikleri ....................................................................... 98 Tablo 36. ĠĢletme parametreleri ........................................................................................................ 98 Tablo 37. Biyometanizasyon sisteminin genel performans değerlendirmesi .................................... 99 Tablo 38. Sisteme beslenen atığın karakterizasyonu ....................................................................... 99 Tablo 39. Fermentasyon reaktörü iĢletme Ģartları .......................................................................... 114 Tablo 40. Fermentasyon reaktöründe elde edilen veriler için ortalama ve standart sapma değerleri ......................................................................................................................................................... 114 Tablo 41. Çürütücü ortalama iĢletme parametreleri ........................................................................ 119 Tablo 42. Çürütücüde elde edilen veriler için ortalama ve standart sapma değerleri ..................... 120 Tablo 43. Durusu ArdıĢık Kesikli Reaktör Tasarım ve ĠĢletme Verileri ........................................... 126 Tablo 44. Durusu Atıksu Arıtma Tesisi giriĢ ve çıkıĢ parametreleri ................................................ 126 Tablo 45. Durusu ArdıĢık Kesikli Reaktör Tasarım ve ĠĢletme Verileri ........................................... 126 Tablo 46. Tasarıma esas atıksu karakterizasyonu ......................................................................... 127

IV

Tablo 47. Tasarımda kullanılan kinetik katsayılar ........................................................................... 127 Tablo 48: AKR sistemi tasarım özeti ............................................................................................... 128 Tablo 49. Konvansiyonel giriĢ atıksuyu karakterizasyonu .............................................................. 129 Tablo 50. Konvansiyonel giriĢ atıksuyu karakterizasyonu .............................................................. 131 Tablo 51. Arıtma ÇıkıĢı Atıksu Karakterizasyonu ........................................................................... 136 Tablo 52. OTH ile ilgili atıksu özellikleri ........................................................................................... 138 Tablo 53. AĢı çamurunun karakterizasyonu (Numune alma tarihi: Nisan 2009)............................. 142 Tablo 54. Substrat (%95 AKR çamuru+%5 aĢı) karakterizasyonu ................................................. 142 Tablo 55. UYA‘dan kaynaklanan KOĠçöz konsantrasyonları ............................................................ 145 Tablo 56. HÇYR‘ye beslenen evsel atıksu karakterizasyonu ......................................................... 149 Tablo 57. ÇalıĢmada gerçekleĢtirilen analizler ve ölçüm sıklıkları .................................................. 152 Tablo 58. HÇYR giriĢ ve çıkıĢında ölçülen azot konsantrasyonları ................................................ 159 Tablo 59. HÇYR giriĢ ve çıkıĢında ölçülen fosfor konsantrasyonları .............................................. 160 Tablo 60. ÇalıĢmada kullanılan yemekhane atığı ve arıtma çamurunun özellikleri ........................ 165 Tablo 61. Yemekhane atığı, arıtma çamuru ve TUKM bazında 50:50 karıĢtırılmıĢ yemek atığı çamur karıĢımı için biyokimyasal metan üretimi potansiyeli ...................................................................... 166 Tablo 62. Ġncelenen atık türleri için zamana karĢı ölçülen gaz bileĢimi .......................................... 168 Tablo 63. pH kontrollü ve pH kontrolsüz Ģartlarda yürütülen hidroliz ve fermentasyon çalıĢmalarında kullanılan aĢı çamurlarının karakterizasyonu .................................................................................. 174 Tablo 64. pH kontrollü çürütme çalıĢmasında kullanılan aĢı çamurlarının karakterizasyonu ......... 174 Tablo 65. pH kontrolsüz hidroliz ve fermentasyonda substrat karakterizasyonu ............................ 175 Tablo 66. pH kontrollü çürütmede substrat karakterizasyonu ......................................................... 175 Tablo 67. pH kontrollü hidroliz ve fermentasyonda substrat karakterizasyonu............................... 175 Tablo 68. Anaerobik ortam çözeltisinin bileĢimi .............................................................................. 177 Tablo 69. Reaktörlerden numune alma sıklıkları ............................................................................ 179 Tablo 70. pH kontrolsüz hidrolizde gözlenen kinetik katsayılar ...................................................... 184 Tablo 71. pH kontrollü hidrolizde gözlenen kinetik katsayılar ......................................................... 186 Tablo 72. Sitokiyometrik katsayılar ................................................................................................. 214 Tablo 73. Denge katsayıları ve sabitleri .......................................................................................... 215 Tablo 74. Kinetik parametreler ve hız sabitleri ................................................................................ 215 Tablo 75: Dinamik hal değiĢkenleri ve cebirsel değiĢkenler ........................................................... 215 Tablo 76: Dinamik durum değiĢkenlerinin karakteristikleri .............................................................. 216 Tablo 77: ÇözünmüĢ haldeki kirleticiler için biyokimyasal hız katsayıları ve kinetik hız denklemleri (i=1-12, j=1-19) ................................................................................................................................ 220 Tablo 78: Partiküler haldeki kirleticiler için biyokimyasal hız katsayıları ve kinetik hız denklemleri (i=13-24, j=1-19) .............................................................................................................................. 221 Tablo 79. Farklı organik atıklara ait literatürde bulunan hidroliz katsayıları .................................... 224 Tablo 80. Glikoz parçalanması sonucu oluĢan ürünler ................................................................... 225 Tablo 81. Yağ asitlerini oksitleyen mikroorganizmalar için reaksiyonların termodinamiği .............. 226 Tablo 82. Asetiklastik Metanojen türlerinin kinetik özellikleri .......................................................... 227 Tablo 83. Ġnhibisyon formları ........................................................................................................... 230 Tablo 84. Asit baz denge sabitleri ................................................................................................... 232 Tablo 85. Sıvı-gaz transferi reaksiyonları için sıvı faz hız katsayıları (i,j) ve kinetik hız ifadeleri (j) ......................................................................................................................................................... 234 Tablo 86. Sıvı-gaz transferi parametre değerleri ............................................................................ 234 Tablo 87. ADM1‘de kullanılması önerilen sitokiyometrik parametreler ve değiĢkenlikleri .............. 236 Tablo 88. ADM1‘de kullanılması önerilen kinetik parametrelerin değerleri, hassaslıkları ve değiĢkenlikleri .................................................................................................................................. 237 Tablo 89: ASM1‘in matris gösterimi (Henze ve diğ., 1987) ............................................................. 239 Tablo 90. ASM1‘in önerilen parametre seti (HENZE ve diğ., 1987) ............................................... 250 Tablo 91. ASM1 ve ADM1‘de kullanılan durum değiĢkenlerinin birimleri ....................................... 252 Tablo 92.Yemekhane atıkları için karakterizasyon değerleri .......................................................... 254 Tablo 93. Yemekhane atıkları için kabul edilen karakterizasyon değerleri ..................................... 254 Tablo 94. Model bazlı KOĠ karakterizasyonu .................................................................................. 254

V

Tablo 95. Model sonuçları ve gerçek verilerin karĢılaĢtırılması ...................................................... 256 Tablo 96. Yemekhane atıkları için karakterizasyon değerleri ......................................................... 257 Tablo 97. Hal atıkları için kabul edilen karakterizasyon değerleri ................................................... 257 Tablo 98. Model bazlı KOĠ karakterizasyonu .................................................................................. 257 Tablo 99. Model sonuçları ve gerçek verilerin karĢılaĢtırılması ...................................................... 259 Tablo 100. Hal atıkları ve arıtma tesisi çamuru karıĢımı için kabul edilen karakterizasyon değerleri ......................................................................................................................................................... 260 Tablo 101. Hal atıkları ve arıtma tesisi çamuru karıĢımı için kabul edilen model bazlı karakterizasyona göre toplam KOĠ‘nin dağılımı .............................................................................. 260 Tablo 102. Model sonuçları ve gerçek verilerin karĢılaĢtırılması .................................................... 261 Tablo 103. Model bazlı atıksu karakterizasyonu (Insel, 2004) ........................................................ 262 Tablo 104: AKR sistemi çalıĢma düzeni* ........................................................................................ 262 Tablo 105: Model simülasyon sonuçları .......................................................................................... 263 Tablo 106. AKR sistemine ait iĢletme parametreleri ...................................................................... 264 Tablo 107. AKR sistemine ait çevrim süreleri ve periyotları............................................................ 264 Tablo 108. GiriĢte konvansiyonel atıksu karakterizyonu ................................................................. 265 Tablo 109. GiriĢ Atıksuyunda KOĠ Fraksiyonları ............................................................................. 266 Tablo 110. GiriĢ Atıksuyundaki Besi Maddesi Fraksiyonları ........................................................... 266 Tablo 111. AKR ÇıkıĢ kalitesinin modellenmesi ............................................................................. 267 Tablo 112. Reaktör içi biyokütle kompozisyonu .............................................................................. 270 Tablo 113. Atıksu arıtma tesisi tasarımına esas yük ve konsantrasyonlar ..................................... 271 Tablo 114. Atıksu arıtma tesisi tasarım özeti .................................................................................. 271 Tablo 115. Farklı eĢdeğer nüfuslar için birim maliyet değerleri ...................................................... 274 Tablo 116. Kentsel AAT‘leri (C, N, P giderimli aktif çamur sistemi) ortalama maliyet tahminleri (100.000 – 1.000.000 EN) ............................................................................................................... 274 Tablo 117. Kentsel AAT‘lerde oluĢması beklenen tipik birincil ve fazla biyolojik çamur miktarları . 275 Tablo 118. Farklı O-KKA‘nın tipik özellikleri (Parantez içi değerler ortalamaları göstermektedir) .. 276 Tablo 119. Kentsel AAT ile birlikte kurulacak Entegre Biyometan Tesisleri‘nden geri kazanılabilecek elektrik enerjisi değerleri (2010 yılı itibariyle) .................................................................................. 280 Tablo 120. 10.000 BBH atığı (~ 200.000 EN‘li Ģehir AAT birincil çamuru + O-KKA) arıtma kapasiteli Biyometan Tesisi ilk yatırım maliyeti ana bileĢenleri ....................................................................... 282 Tablo 121. EBMT Kapasite (EN) – Birim Maliyet DeğiĢim ĠliĢkisi ................................................... 285 Tablo 122. 100.000 – 1.000.000 EN‘li Ģehirler için önerilen EBMT maliyet tahminleri ................... 285 Tablo 123. Biyogazın araç yakıtı olarak kullanılmakta olduğu Ģehirler (Landahl ve Plombin, 2004) ......................................................................................................................................................... 286 Tablo 124. Araç (otomobil) yakıtı olarak kullanılacak arıtılmıĢ biyogaz için kalite standardı (Ġsveç Standardı – SS No: 155438) ........................................................................................................... 287 Tablo 125. Üretilen Biyogazın Dizel Kamyon/Otobüs Yakıtı ve Benzin EĢdeğeri (100000 EN ġehir için Birincil Çamur (60 g TKM/EN.gün) ve O-KKA (50 – 100 g TKM/EN.gün) Biyometan Tesisi ... 288 Tablo 126. Atıksu arıtma tesisis ham atıksu giriĢ özellikleri ............................................................ 289 Tablo 127. Kentsel atıksu arıtma tesisi tasarım verileri .................................................................. 290 Tablo 128. Entegre biyometan tesisi tasarım verileri ...................................................................... 290 Tablo 129. ADM1 bazlı atık karakterizasyonu ................................................................................ 291

VI

ġEKĠL LĠSTESĠ ġekil 1. Laboratuvar ölçekli AKR Ģeması ............................................................................................ 9 ġekil 2. Entegre atık yönetimi akım diyagramı .................................................................................. 13 ġekil 3. Kompost prosesine uygun sübstrat hazırlayan karmaĢık bir ayırma tesisinin akım Ģeması 16 ġekil 4. Katı atıkların anaerobik arıtımında kullanılan baĢlıca prosesler .......................................... 21 ġekil 5. Tek kademeli havasız ıslak tip reaktör sistemi (Waasa Prosesi) ......................................... 23 ġekil 6. Tek kademeli havasız kuru tip reaktör tasarımları (A. Dranco tipi, B. Kompogas tipleri, C. Valorga tipi) ....................................................................................................................................... 26 ġekil 7. Brecht (Belçika)‘daki DRANCO tesisi akım Ģeması ............................................................. 27 ġekil 8. KOMPOGAS prosesi akım Ģeması ...................................................................................... 28 ġekil 9. Kuru ve ıslak tip proseslerin kurulu kapasitelerinin geliĢim .................................................. 30 ġekil 10. Partikül boyutu küçültülmüĢ (≈ 1mm) ve %12 KM‘ye seyreltilmiĢ KA-EOKA‘ya uygulanılabilen iki kademeli ıslak-ıslak piston akımlı sistem ............................................................ 32 ġekil 11. Ġkinci kademenin biyofiltre türünde tasarlandığı çift kademeli ıslak-ıslak tip proses (BTA prosesi), (Hidroliz olmayan katı madde ikinci reaktöre gönderilmez) ............................................... 34 ġekil 12. Farklı doldur-boĢalt reaktörlerde sızıntı suyu geri devir seçenekleri .................................. 35 ġekil 13. Mezofilik ve termofilik kurulu reaktör kapasitelerinin yıllara göre mukayesesi (De Baere, 2005) ................................................................................................................................................. 37 ġekil 14. EOKA ile birlikte arıtmanın prensibi ................................................................................... 38 ġekil 15. Seçenek I‘e ait akım Ģeması ve toplam kütle dengesi ....................................................... 42 ġekil 16. Seçenek II‘ye ait akım Ģeması ve toplam kütle dengesi .................................................... 43 ġekil 17. Evsel atıksuyun, artıma çamurlarının ve organik katı atığın arıtımının tam entegrasyonunu gösteren entegre biyometan tesisi akım Ģeması ............................................................................... 46 ġekil 18. Evsel katı atıkların organik kısmının aerobik ve anaerobik biyolojik arıtım proseslerinin mukayesesi ....................................................................................................................................... 48 ġekil 19.Biyometanizasyon sisteminin proses akım diyagramı......................................................... 52 ġekil 20. Pilot fermentasyon reaktörü imalatı .................................................................................... 52 ġekil 21. Pilot çürütücü imalatı .......................................................................................................... 53 ġekil 22. Pilot ardıĢık kesikli reaktör.................................................................................................. 53 ġekil 23. Pilot biyometanizasyon sisteminin dıĢarıdan görünümü .................................................... 54 ġekil 24. Pilot ardıĢık kesikli reaktörün dıĢarıdan görünümü ............................................................ 54 ġekil 25. Pilot HÇYR sistemi ............................................................................................................. 55 ġekil 26. Pilot biyometanizasyon tesisi ............................................................................................. 55 ġekil 27. Pilot çürütücü reaktör ......................................................................................................... 56 ġekil 28. Pilot AKR sistemi ................................................................................................................ 56 ġekil 29. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TKM değerleri ................................................................................... 60 ġekil 30. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TUKM değerleri ................................................................................ 61 ġekil 31. Fermentör giriĢ-çıkıĢ toplam KOĠ değerleri % TKM değerleri ............................................ 61 ġekil 32. Fermentör giriĢ-çıkıĢ çözünmüĢ KOĠ ve % TKM değerleri ................................................. 62 ġekil 33. HamurlaĢtırıcı, fermentör ve çürütücüde KOĠ eĢdeğeri cinsinden Uçucu Yağ Asidi (UYA) konsantrasyonları .............................................................................................................................. 63 ġekil 34.Fermentör pH değerleri ....................................................................................................... 64 ġekil 35. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TKN değerleri ................................................................................... 64 ġekil 36.Fermentör giriĢ-çıkıĢ amonyak değerleri ............................................................................. 65 ġekil 37. Fermentör giriĢ-çıkıĢ toplam fosfor değerleri ...................................................................... 65 ġekil 38. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TKM değerleri ..................................................................................... 66 ġekil 39. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TUKM değerleri .................................................................................. 67 ġekil 40. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ toplam KOĠ değerleri .......................................................................... 67 ġekil 41. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ çözünmüĢ KOĠ değerleri ..................................................................... 68 ġekil 42. Çürütücü pH değerleri ........................................................................................................ 68 ġekil 43. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TKN değerleri ..................................................................................... 69 ġekil 44. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ amonyak değerleri .............................................................................. 69 ġekil 45. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ toplam fosfor değerleri ........................................................................ 70

VII

ġekil 46. Tesis giriĢinden çıkıĢına kadar tüm sistemdeki toplam KOĠ değiĢimi ................................ 71 ġekil 47. Tesis giriĢinden çıkıĢına kadar tüm sistemdeki çözünmüĢ KOĠ değiĢimi ........................... 71 ġekil 48. Ġstanbul Sebze – Meyve Hali‘nden alınan hal atıklar ........................................................ 73 ġekil 49. Ġstanbul Sebze – Meyve Hali‘nden alınan atıklar ............................................................... 73 ġekil 50. Pilot biyometanizasyon tesisine beslenen hal atığı ............................................................ 74 ġekil 51. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TKM değerleri ................................................................................... 76 ġekil 52. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TUKM değerleri ................................................................................ 76 ġekil 53. Fermentör giriĢ-çıkıĢ toplam KOĠ konsantrasyonları .......................................................... 77 ġekil 54. Fermentör giriĢ-çıkıĢ çözünmüĢ KOĠ konsantrasyonları .................................................... 77 ġekil 55. HamurlaĢtırıcı, fermentör ve çürütücüde KOĠ eĢdeğeri cinsinden Uçucu Yağ Asidi (UYA) konsantrasyonları .............................................................................................................................. 78 ġekil 56. HamurlaĢtırıcı, fermentör ve çürütücüde UYA (KOĠ) / ÇözünmüĢ KOĠ oranları ................. 78 ġekil 57. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında asetik asit konsantrasyonları ............................................... 79 ġekil 58. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında propiyonik asit konsantrasyonları ........................................ 79 ġekil 59. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında bütirik asit konsantrasyonları ............................................... 80 ġekil 60. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında valerik asit konsantrasyonları .............................................. 80 ġekil 61.Fermentör pH değerleri ....................................................................................................... 81 ġekil 62.Fermentör sıcaklık değerleri ................................................................................................ 81 ġekil 63. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TKN konsantrasyonları ..................................................................... 82 ġekil 64. Fermentör giriĢ-çıkıĢ amonyak konsantrasyonları ............................................................. 82 ġekil 65. Fermentör giriĢinde ve çıkıĢında toplam fosfor konsantrasyonu........................................ 83 ġekil 66. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TKM değerleri ..................................................................................... 84 ġekil 67. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TUKM değerleri .................................................................................. 85 ġekil 68. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ toplam KOĠ konsantrasyonları ............................................................ 85 ġekil 69. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ çözünmüĢ KOĠ konsantrasyonları ...................................................... 86 ġekil 70. Çürütücüde üretilen günlük biyogaz miktarının organik yükleme hızına göre değiĢimi ..... 87 ġekil 71. Çürütücü pH değerleri ........................................................................................................ 88 ġekil 72. Çürütücü sıcaklık değerleri ................................................................................................. 88 ġekil 73. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TKN konsantrasyonları ....................................................................... 89 ġekil 74. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ amonyak konsantrasyonları ............................................................... 89 ġekil 75. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ toplam fosfor konsantrasyonları ......................................................... 90 ġekil 76. Tesis giriĢinden çıkıĢına kadar tüm sistemdeki toplam KOĠ değiĢimi ................................ 91 ġekil 77. Tesis giriĢinden çıkıĢına kadar tüm sistemdeki çözünmüĢ KOĠ değiĢimi ........................... 91 ġekil 78. Fermentör ve çürütücü çamurunun geçici olarak depolandığı tanklar ............................... 92 ġekil 79. Fermentör sirkülasyon ve by-pas hattı ............................................................................... 93 ġekil 80. Çrütücü sirkülasyon ve by-pas hattı ................................................................................... 93 ġekil 81. Çürütücüye yerleĢtiren mekanik karıĢtırıcı ......................................................................... 94 ġekil 82. Çürütücü içerisine yerleĢtirilen mekanik karıĢtırıcı ve ısıtıcı .............................................. 95 ġekil 83. Mekanik karıĢtırıcı .............................................................................................................. 96 ġekil 84. Çürütücü içerisine yerleĢtirilen yüksek kapasiteli elektrikli ısıtıcı (10 kW) ......................... 97 ġekil 85. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TKM değerleri ................................................................................. 100 ġekil 86. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TUKM değerleri .............................................................................. 100 ġekil 87. Fermentör giriĢ-çıkıĢ toplam KOĠ konsantrasyonları ........................................................ 101 ġekil 88. Fermentör giriĢ-çıkıĢ çözünmüĢ KOĠ konsantrasyonları .................................................. 101 ġekil 89. HamurlaĢtırıcı, fermentör ve çürütücüde KOĠ eĢdeğeri cinsinden Uçucu Yağ Asidi (UYA) konsantrasyonları ............................................................................................................................ 102 ġekil 90. HamurlaĢtırıcı, fermentör ve çürütücüde UYA (KOĠ) / ÇözünmüĢ KOĠ oranları ............... 102 ġekil 91. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında asetik asit konsantrasyonları ............................................. 103 ġekil 92. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında propiyonik asit konsantrasyonları ...................................... 103 ġekil 93. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında bütirik asit konsantrasyonları ............................................. 104 ġekil 94. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında valerik asit konsantrasyonları ............................................ 104 ġekil 95.Fermentör pH değerleri ..................................................................................................... 105 ġekil 96. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TKN konsantrasyonları ................................................................... 105 ġekil 97. Fermentör giriĢ-çıkıĢ amonyak konsantrasyonları ........................................................... 106

VIII

ġekil 98. Fermentör giriĢinde ve çıkıĢında toplam fosfor konsantrasyonu ...................................... 106 ġekil 99. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TKM değerleri ................................................................................... 107 ġekil 100. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TUKM değerleri .............................................................................. 107 ġekil 101. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ toplam KOĠ konsantrasyonları ........................................................ 108 ġekil 102. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ çözünmüĢ KOĠ konsantrasyonları .................................................. 108 ġekil 103. Çürütücü pH değerleri .................................................................................................... 109 ġekil 104. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TKN konsantrasyonları ................................................................... 110 ġekil 105. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ amonyak konsantrasyonları ........................................................... 110 ġekil 106. Tesis giriĢinden çıkıĢına kadar tüm sistemdeki toplam KOĠ değiĢimi ............................ 111 ġekil 107. Biyometanizasyon tesisinin farklı kademelerinde çözünmüĢ KOĠ parametresinin değiĢimi ......................................................................................................................................................... 112 ġekil 108. Laboratuar ölçekli çalıĢmalarda kullanılan fermentasyon reaktörü (Applicon BioConsole ADI 1025) ........................................................................................................................................ 113 ġekil 109. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TKM değerleri ............................................................................... 114 ġekil 110. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TUKM değerleri ............................................................................ 115 ġekil 111. Fermentör giriĢ-çıkıĢ toplam KOĠ konsantrasyonları ...................................................... 115 ġekil 112. Fermentör giriĢ-çıkıĢ çözünmüĢ KOĠ konsantrasyonları ................................................ 116 ġekil 113. HamurlaĢtırıcı, fermentör ve çürütücüde KOĠ eĢdeğeri cinsinden Uçucu Yağ Asidi (UYA) konsantrasyonları ............................................................................................................................ 116 ġekil 114. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında asetik asit konsantrasyonları ........................................... 117 ġekil 115. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında propiyonik asit konsantrasyonları .................................... 117 ġekil 116. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında bütirik asit konsantrasyonları ........................................... 118 ġekil 117. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında valerik asit konsantrasyonları .......................................... 118 ġekil 118.Fermentör pH değerleri ................................................................................................... 119 ġekil 119. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TKM değerleri ................................................................................. 120 ġekil 120. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TUKM değerleri .............................................................................. 121 ġekil 121. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ toplam KOĠ konsantrasyonları ........................................................ 121 ġekil 122. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ çözünmüĢ KOĠ konsantrasyonları .................................................. 122 ġekil 123. Çürütücü pH değerleri .................................................................................................... 122 ġekil 124. Tesis giriĢinden çıkıĢına kadar tüm sistemdeki toplam KOĠ değiĢimi ............................ 123 ġekil 125. Tesis giriĢinden çıkıĢına kadar tüm sistemdeki çözünmüĢ KOĠ değiĢimi ....................... 124 ġekil 126. Durusu Köyü Atıksu Arıtma Tesisi Akım ġeması ........................................................... 125 ġekil 127. Durusu ArdıĢık Kesikli Reaktör Sistemi (a) havalandırma ve (b) deĢarj yapısı ............. 125 ġekil 128. GiriĢ atıksuyunda KOĠ değiĢimi ...................................................................................... 133 ġekil 129. GiriĢ atıksuyunda AKM ve UAKM değiĢimi .................................................................... 133 ġekil 130. GiriĢ atıksuyunda TKN, Amonyak ve TP değiĢimi ......................................................... 134 ġekil 131. GiriĢ atıksuyunda TKOĠ/TKN ve TKOĠ/TP değiĢimi ........................................................ 134 ġekil 132. AKR sisteminde AKM ve UAKM konsantrasyonu .......................................................... 135 ġekil 133. OTH profili (ÇözünmüĢ KOĠ_27.02.2009) ...................................................................... 138 ġekil 134. OTH profili (Toplam KOĠ_27.02.2009) ........................................................................... 139 ġekil 135. OTH profili (Toplam KOĠ_20.04.2009) ........................................................................... 139 ġekil 136. Havasız tam karıĢımlı reaktörün Ģematik görünümü ...................................................... 141 ġekil 137. AKM ve UAKM konsantrasyonlarının zamanla değiĢimi ................................................ 143 ġekil 138. KOĠçöz ve UYA konsantrasyonlarının zamanla değiĢimi ................................................. 144 ġekil 139. UYA‘dan kaynaklanan KOĠçöz konsantrasyonunun zamanla değiĢimi ........................... 145 ġekil 140. pH‘ın çalıĢma süresince değiĢimi ................................................................................... 146 ġekil 141. Pilot Ölçekli HÇYR ......................................................................................................... 150 ġekil 142. Pilot Ölçekli HÇYR‘nin ġematik Görünümü.................................................................... 150 ġekil 143. ÇalıĢmada kullanılan gazmetre ...................................................................................... 153 ġekil 144. KOĠtop konsantrasyonunun ve giderim veriminin zamanla değiĢimi ............................... 154 ġekil 145. KOĠçöz konsantrasyonunun ve giderim veriminin zamanla değiĢimi ............................... 154 ġekil 146. HÇYR‘de gözlenen pH değiĢimleri ................................................................................ 156 ġekil 147. HÇYR‘de gözlenen alkalinite değiĢimleri ....................................................................... 156 ġekil 148. HÇYR‘de AKM konsantrasyonlarının zamanla değiĢimi ................................................ 158

IX

ġekil 149. HÇYR boyunca biyokütledeki katı madde konsantrasyonlarının değiĢimi ..................... 162 ġekil 150. HÇYR boyunca biyokütledeki katı madde konsantrasyonlarının değiĢimi (Numune alma tarihi: 29 Mayıs 2009) ...................................................................................................................... 163 ġekil 151. Deney düzeneği ............................................................................................................. 166 ġekil 152. Ġncelenen atıklar için eklenen TUKM baĢına üretilen metan gazı .................................. 167 ġekil 153. Ġncelenen atıklar için giderilen TUKM baĢına üretilen metan gazı ................................. 167 ġekil 154. Yemekhane atıklarıyla yapılan BMP deneylerinde UYA konsantrasyonları değiĢimi .... 168 ġekil 155. Arıtma çamurları ile yapılan BMP deneylerinde UYA konsantrasyonları değiĢimi ......... 169 ġekil 156. Yemekhane atıkları ve çamur karıĢımı ile yapılan BMP deneylerinde UYA konsantrasyonları değiĢimi .............................................................................................................. 169 ġekil 157. BMP deneylerinde pH değiĢimi ...................................................................................... 170 ġekil 158. BMP deneylerinde alkalinite konsantrasyonları değiĢimi ............................................... 170 ġekil 159. BMP deneylerinde TUKM konsantrasyonları değiĢimi ................................................... 171 ġekil 160. BMP deneylerinde KOĠ konsantrasyonları değiĢimi ....................................................... 171 ġekil 161. Hidroliz ve fermentasyon kademelerinin gerçekleĢtirildiği deneysel düzenekten bir görünüm .......................................................................................................................................... 178 ġekil 162. Çürütme kademesinin gerçekleĢtirildiği deneysel düzenekten bir görünüm .................. 178 ġekil 163. %2,5 katı madde konsantrasyonunda k‘nın hesaplanması............................................ 184 ġekil 164. %5 katı madde konsantrasyonunda k‘nın hesaplanması ............................................... 184 ġekil 165. %1,5 katı madde konsantrasyonunda k‘nın hesaplanması............................................ 185 ġekil 166. %2,5 katı madde konsantrasyonunda k‘nın hesaplanması ............................................ 185 ġekil 167. Ekosistemler içindeki mikrobiyal çeĢitliliğin anlaĢılması için kullanılan teknikler ........... 188 ġekil 168. Yemekhane atıklarıyla beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki arke populasyonunun DNA‘larının PZR reaksiyonu ile çoğaltılması sonuçları ....................................... 198 ġekil 169. Yemekhane atıklarıyla beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki bakteri populasyonunun DNA‘larının PZR reaksiyonu ile çoğaltılması sonuçları ....................................... 198 ġekil 170. Yemekhane atıklarıyla beslenen fermentör reaktöründeki arke populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGGE profili ........................................................... 199 ġekil 171. Yemekhane atıklarıyla beslenen fermentör reaktörleründeki arke populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGGE profili .................................................. 200 ġekil 172. Hal atıklarıyla beslenen çürütücü reaktöründeki bakteri populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE profilleri ........................................................ 201 ġekil 173. Hal atıklarıyla beslenen çürütücü reaktöründeki bakteri populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE profilleri ........................................................ 202 ġekil 174. Yemekhane atıklarıyla beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki arke populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGGE profill ................ 203 ġekil 175. Yemekhane atıklarıyla beslenen fermentör ve çürütücü reaktörlerindeki bakteri populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGGE profilli ............... 204 ġekil 176. Sebze atıklarıklarıylaa beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki arke populasyonunun DNA‘larının PZR reaksiyonu ile çoğaltılması sonuçları ....................................... 206 ġekil 177. Sebze atıklarıklarıylaa beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki bakteri populasyonunun DNA‘larının PZR reaksiyonu ile çoğaltılması sonuçları ....................................... 206 ġekil 178. Hal atıklarıyla beslenen fermentör reaktöründeki bakteri populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE profilleri ........................................................ 207 ġekil 179. Hal atıklarıyla beslenen fermentör reaktöründeki arke populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE profilleri ........................................................ 208 ġekil 180. Hal atıklarıyla beslenen çürütücü reaktöründeki bakteri populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE profilleri ........................................................ 209 ġekil 181. Hal atıklarıyla beslenen çürütücü reaktöründeki arke populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE profilleri ........................................................ 210 ġekil 182. Hal atıklarıyla beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki arke populasyonunun DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE profilli ................................................... 211 ġekil 183. Hal atıklarıyla beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki bakteri populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE ........................................................ 212

X

ġekil 184: ADM1 modelinde kullanılan KOĠ akım Ģeması .............................................................. 214 ġekil 185. Metanojenesis ve diğer anaerobik reaksiyonlar için termodinamik verimler .................. 227 ġekil 186. Sakrofilik (psychrophilic), mezofilik (mesophilic) ve termofilik (thermophilic) metan bakterileri için sıcaklığa bağlı büyüme hızı değiĢimi ....................................................................... 231 ġekil 187: ASM1‘deki KOĠ bilĢenleri ve durum değiĢkenleri ........................................................... 240 ġekil 188: ASM1‘deki azot bileĢenleri ve durum değiĢkenleri ......................................................... 241 ġekil 189. pH‘nın nitrifikasyon hızına olan etkisi ............................................................................. 246 ġekil 190. pH için simülasyon sonuçları .......................................................................................... 255 ġekil 191. ÇözünmüĢ KOĠ için simülasyon sonuçları ...................................................................... 255 ġekil 192. Biyogaz için simülasyon sonuçları ................................................................................. 256 ġekil 193. pH için simülasyon sonuçları .......................................................................................... 258 ġekil 194. ÇözünmüĢ KOĠ için simülasyon sonuçları ...................................................................... 258 ġekil 195. Biyogaz için simülasyon sonuçları ................................................................................. 259 ġekil 196. pH için simülasyon sonuçları .......................................................................................... 260 ġekil 197. ÇözünmüĢ KOĠ için simülasyon sonuçları ...................................................................... 261 ġekil 198. Biyogaz için simülasyon sonuçları ................................................................................. 261 ġekil 199: AKR düzenine ait simulasyon akım Ģeması ................................................................... 263 ġekil 200. AKR sistemi simulasyon akım Ģeması ........................................................................... 265 ġekil 201. AKR hacminin gün içindeki değiĢimi .............................................................................. 267 ġekil 202. Çevrim içi azot (amonyak ve nitrat) fraksiyonları ........................................................... 268 ġekil 203. Çevrim içi çözünmüĢ oksijen konsantrasyonları ............................................................ 268 ġekil 204. Çevrim içi fosfor konsantrasyonları ................................................................................ 269 ġekil 205. Çevrim içi çıkıĢ AKM kosantrasyonları ........................................................................... 269 ġekil 206. Kentsel AAT ve Entegre Biyometan Tesisi Proses Akım ġeması.................................. 273 ġekil 207. Tasarlanan Biyometan Tesisi HamurlaĢtırıcı Ünitesi‘ne giren – çıkan akımlar .............. 276 ġekil 208. Biyometan Reaktörü (Anaerobik Çürütücü) üzerinde katı madde kütle dengesi ........... 278 ġekil 209. Biyometan Reaktörü (Anaerobik Çürütücü) üzerinde katı madde kütle dengesi ........... 279 ġekil 210. Suluova (Amasya) Besi OSB‘de 10.000 BüyükbaĢ Hayvan (BBH) atığını arıtmak üzere tasarlanan Merkezi Biyometan Tesisi akım Ģeması ........................................................................ 282 ġekil 211. Entegre biyometan tesisi ön arıtma aĢaması ................................................................. 283 ġekil 212. Ağır taĢıtlardan (kg/10 km) CO2 emisyon değerleri (SBG: SıkıĢtırılmıĢ biyogaz, SDG: SıkıĢtırılmıĢ doğal gaz) (Lens ve diğ., 2004) ................................................................................... 287 ġekil 213. Modelleme çalıĢmasında esas alınan arıtma Ģeması .................................................... 289 ġekil 214. Simulasyon sonucu tahmin edilen biyoz miktarı ............................................................ 291 ġekil 215. Simulasyon sonucu tahmin edilen atıksu arıtma tesisi çıkıĢ azot konsantrasyonu ........ 292

XI

GiriĢ ―Evsel Atıksular ve Organik Katı Atıkların Birlikte Arıtımı Yoluyla Yenilenebilir Enerji (Biyometan) Geri Kazanım Teknolojilerinin AraĢtırılması Projesi (Proje No: 105G024)‖ Çevre ve Orman Bakanlığı Çevre Yönetimi Genel Müdürlüğü için ĠTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü tarafından yürütülen TÜBĠTAK 1007 projesidir. Projeye Ġstanbul BüyükĢehir Belediyesi (ĠBB) ĠSTAÇ A.ġ. de destek vermektedir. Proje kapsamındaki araĢtırmaların pilot tesis sisteminde yürütülmesi planlanmıĢtır. Evsel atıksularla kentsel katı atıkların organik kısmının birlikte arıtılacağı pilot tesise baĢlıca iki ana atıksu/atık akımı beslenecektir. Evsel atıksu akımına havasız ön arıtma ve/veya ardıĢık kesikli reaktör (AKR) ile ileri biyolojik arıtma; evsel organik katı atık akımına ise ön arıtma ve fermentasyon ile AKR‘den atılan çamurla birlikte biyometan üretimini hedefleyen havasız arıtma uygulanacaktır. Bu raporun 1. Bölüm‘ünde ĠĢ Paketi 1: Hazırlık ÇalıĢmaları kapsamında yapılan literatür araĢtırması ve pilot tesis tasarım – imalat çalıĢmaları sunulmuĢtur. Bölüm 2‘de ĠĢ Paketi 2: Deneysel ÇalıĢmalar kapsamında pilot tesiste farklı atık türleri için elde edilen çalıĢma sonuçları, laboratuvar ölçekli çalıĢma sonuçları ve mikrobiyolojik çalıĢmalar sunulmuĢtur. 3. Bölüm‘de ĠĢ Paketi 3: Modelleme ÇalıĢmaları kapsamında, havalı ve havasız arıtma prosesleri için kullanılan Aktif Çamur Modeli No.1 (ASM1) ile Anerobik Arıtma Modeli No.1 (ADM1) açıklanmıĢtır. Bununla birlikte bu iĢ paketinde yapılan havalı ve havasız arıtma modelleme çalıĢmalarının sonuçları verilmiĢtir. 4. Bölüm‘de ĠĢ Paketi 4: Tam Ölçekli Tesis içim Fizibilite ÇalıĢması kapsamında 5 farklı nüfusa sahip yerleĢim yeri için tam ölçekli entegre biyometan tesisi fizibilite çalıĢma sonuçları verilmiĢtir. Bölüm 5‘te ĠĢ Paketi 5: Sonuçlar ve Değerlendirme kapsamında projeden elde edilen sonuçlar ve çıktılar ile değerlendirmeler yer almaktadır.

1

BÖLÜM 1.

Ġġ PAKETĠ 1: HAZIRLIK ÇALIġMALARI

1.1.

Literatür AraĢtırması

1.1.1.

Evsel Atıksuların DüĢük Sıcaklıklarda Havasız Arıtımı

DüĢük kirlilik yüküne sahip evsel atıksuların havasız arıtılması, havalı arıtma sistemlerine kıyasla, daha az çamur oluĢumu, daha düĢük enerji kaynağına ihtiyaç göstermeleri ve daha az iĢletme maliyetleri açısından üstünlüklere sahiptir. Son yıllarda her türlü sıcaklık Ģartlarında gerçekleĢtirilen çalıĢmalar, uygun proses tasarımları halinde, havasız arıtma uygulamalarında sıcaklığın kısıtlayıcı bir faktör olmadığını göstermektedir (VAN LIER ve diğ., 1997). Ayrıca yine bu çalıĢmalarda, 10 3

kg/m değerinden büyük yükleme hızlarında, 10C sıcaklıklarda ve 1,5 saat gibi düĢük hidrolik bekleme sürelerinde atıksuların havasız olarak arıtımlarının bile uygulanabilir olduğu belirtilmektedir (LETTINGA, 1996). Evsel atıksuların havasız arıtımında en yaygın sistem yukarı akıĢlı havasız çamur yataklı reaktörler (HÇYR)‘dir. Bu reaktörler, düĢük ilk yatırım ve iĢletme maliyetli basit sistemler olup, çeĢitli endüstriyel atıksuların arıtımında yıllardır baĢarıyla uygulanmaktadır (Elmitwalli, 2000). DüĢük sıcaklıklarda evsel atıksu arıtımında HÇYR uygulamaları Hollanda‘da 1976 yılından beri çalıĢılmaktadır. Dünyanın ilk kurulu anaerobik evsel atıksu arıtma tesisi 1989 yılında Hindistan‘ın Kanpur kentinde iĢletmeye alınmıĢtır. Ayrıca, Latin Amerika, Endonezya, Guatemala ve Meksika gibi ülkelerde evsel atıksular gerçek ölçekli HÇYR teknolojisi ile baĢarıyla arıtılmaktadır. Ġtalya, Ġspanya, Portekiz gibi Akdeniz ülkeleriyle Mısır gibi Afrika ülkelerinde de baĢarılı çalıĢmalar gözlenmektedir (SEGHEZZO ve diğ., 1998). Evsel atıksuların havasız arıtımında %70‘den yüksek toplam KOĠ giderimleri gözlenmiĢtir (Rebac, 1998). Bu güne kadar evsel atıksuların havasız arıtımı alanında mevcut kurulu tesisler HÇYR olarak inĢa edilmiĢtir. Havasız Filtre (HF) ve Havasız AkıĢkan Yataklı Reaktörler (HAYR) de yürütülen çalıĢmalar ise genellikle pilot ölçekte kalmıĢtır. Evsel atıksuların havasız arıtımı özellikle mevsimlik arıtmanın söz konusu olduğu turistik tesislerde büyük bir potansiyele sahiptir ve düĢük sıcaklıklarda deĢarj edilen atıksuların havasız arıtımı ilgi çekici bir alternatif olmaktadır (LETTINGA ve diğ., 2001). Ancak evsel atıksuların KOĠ konsantrasyonu nisbeten düĢük olduğu için bu sistemlerden elde edilen gaz miktarları küçük tesislerde ekonomik olarak değerlendirilemeyecek miktardadır. Evsel atıksular düĢük kirlilik yüklerine sahip olarak düĢünülse bile, bu atıksular yüksek oranda partiküler KOĠ, yağlı bileĢikler, proteinler ve deterjanlar içermekte ve oldukça kompleks yapıda bulunmaktadır. Bu kompleks yapının, havasız arıtma proseslerinde KOĠ giderim verimi üzerinde önemli etkileri bulunmaktadır. Bunun yanında, çoğu durumda anaerobik arıtma sonrası ilave arıtma ve koku kontrolü gerekebilir. HÇYR‘ün ilk yatırım maliyeti uzun havalandırmalı aktif çamur

1

sistemleriyle aynı mertebededir. Bucarama (Brezilya) tarafından HÇYR‘ün inĢa maliyeti baz alınırsa 3

reaktörün birim hacim maliyetinin 1994 yılı itibariyle 181 $/m (6 $/kiĢi) olarak tahmin edilmektedir. ĠĢletme maliyeti bakımından yapılacak bir mukayesede uzun havalandırmalı aktif çamur sisteminde 16-19 kw-sa/kiĢi-yıl seviyesindeki bir maliyete karĢılık HÇYR‘de (T > 20˚C olan yerlerde) herhangi bir enerji ihtiyacı sözkonusu değildir. Dolayısıyla deĢarj standartlarında nütrient sınırlaması olmadığı veya arıtılmıĢ suyun zirai sulamada kullanıldığı durumlarda HÇYR‘ün havalı arıtma sistemlerine çok belirgin mali üstünlüğü bulunmaktadır. Evsel atıksuyun bileĢimi zamana ve üretildiği bölgeye bağlı olarak belirgin farklılıklar gösterir. KiĢi baĢına

üretilen

günlük

değerlendirilmesinde

veya

önemli

yıllık

rol

kirletici

oynar.

Su

yükleri

evsel

tüketimindeki

atıksuyun

salınımların

kompozisyonunun en

büyük

sebebi

infiltrasyondur. Su tüketiminin çok kısıtlı olduğu ülkelerde, evsel atıksu nispeten daha konsantre halde bulunur. Ürdün gibi ülkelerde, evsel atıksuyun toplam KOĠ konsantrasyonu (KOĠ top) 1,5-2,0 g/L değerleri arasında gözlenirken, batı ülkelerinde yüksek su tüketimlerinden dolayı KOĠ top konsantrasyonu 0,2-0,7 g/L değerleri arasında değiĢmektedir. Havasız evsel atıksu arıtma proseslerinin verimlerini etkileyen önemli çevresel parametreler; sıcaklık, pH, gerekli besi maddelerinin (azot ve fosfor gibi makro besi maddeleri ile diğer mikro besi maddeleri) varlığı ve giriĢ akımındaki zehirli madde konsantrasyonları olarak sayılabilir. Evsel atıksuların arıtımı sırasında sıcaklık dıĢındaki parametreler çok önem taĢımazlar (VAN HAANDEL ve LETTINGA, 1994). Özellikle baskın bakteriyel floranın ve büyüme hızlarının belirlenebilmesi için en önemli parametrelerden biri iĢletme sıcaklığıdır. Mikroorganizmalar, optimum sıcaklığın ve türlerin

yaĢayabilecekleri

sıcaklık

aralıklarının

esas

alındığı

―sıcaklık

sınıfları‖na

göre

sınıflandırılırlar. Sakrofilik mikroorganizmalar için optimum sıcaklık değeri 20C, mezofilik mikroorganizmalar için optimum sıcaklık aralığı 25-40C ve termofilik mikroorganizmalar için ise optimum sıcaklık değeri 45C olarak verilmiĢtir. Sakrofilik Ģartlarda, kimyasal ve biyolojik reaksiyon hızları mezofilik Ģartlara kıyasla çok daha yavaĢtır. Organik maddenin biyolojik olarak ayrıĢması sırasında gerçekleĢen birçok reaksiyon düĢük sıcaklık değerlerinde, optimum sıcaklık değeri olan 37˚C‘e kıyasla, daha fazla enerjiye ihtiyaç gösterirler. ĠĢletme sıcaklıklarında azalma, genellikle maksimum özgül büyüme ve substrat kullanma hızlarında azalmaya sebep olur. ġimdiye kadar, atıksuların yüksek hızlı havasız sistemler ile sakrofilik arıtılmaları sırasında, sakrofilik veya sakrotoleranslı mikroorganizmalara mı ihtiyaç duyulduğu ya da mezofilik çamurların ne ölçüde sakrotoleranslı oldukları hakkındaki tartıĢmalar netlik kazanmamıĢtır. Gerçek ölçekli uygulamaların genelinde, atıksuların havasız arıtımı sıcaklıkların 18˚C‘i aĢtığı durumlar için sınırlandırılmıĢtır. Uygun Ģartlarda iĢletilen havasız bir evsel atıksu arıtma sisteminde, uygulanacak hidrolik ve organik yüklerde faaliyet gösterebilecek bakteriyel popülasyonun geliĢmesi gerekmektedir. Biyolojik olarak ayrıĢabilen maddelerin giderim verimini belirleyen etkenler arasında; giderilecek kirletici maddenin

2

yapısı, havasız arıtma için gerekli çevresel faktörlerin uygunluğu, canlı mikroorganizmaların miktarı, giriĢteki organik madde ile mikrobiyal popülasyonun etkin teması, havasız reaktörlerin tasarım parametreleri ve havasız arıtma sisteminde evsel atıksuyun bekletme süresi olarak sıralanabilir (VAN HAANDEL ve LETTINGA, 1994). DüĢük kirlilik yüklerine sahip atıksuların düĢük sıcaklıklarda havasız

arıtımında

bazı

sorunlar

yaĢanabilir.

Örneğin,

giriĢ

akımındaki

düĢük

KOĠ

konsantrasyonları, reaktör içersinde çok düĢük substrat seviyelerine ve düĢük biyogaz üretimlerine sebep olur. Bunun sonucunda, düĢük karıĢtırma hızı ve zayıf substrat-biyokütle teması gerçekleĢir. Evsel atıksuların yüksek verimlerde havasız olarak arıtılabilmeleri ve reaktör içersinde iyi bir karıĢımın sağlanabilmesi için sistemin yüksek hidrolik yüklerle beslenmesi gerekmektedir. Bu sebeple, düĢük kirlilik yüklerine sahip atıksuların havasız arıtımları sırasında gerekli reaktör hacimleri genellikle hidrolik bekleme süresi ile belirlenmelidir (LETTINGA ve HULSHOFF POL, 1991). Zira havasız reaktörün maksimum organik yükleme hızında çalıĢtırılması, çamurun yüksek oranda hidrolik olarak yıkanmasına sebep olabilir. Ayrıca bazı durumlarda, düĢük alkalinite de reaktör içersinde probleme sebep olabilir. Tablo 1‘de yüksek hızlı havasız sistemlerde evsel atıksu arıtımının faydaları ve kısıtları verilmiĢtir (ELMITWALLI, 2000). Tablo 1. Yüksek hızlı havasız sistemlerde evsel atıksu arıtımının faydaları ve kısıtları (Elmitwalli, 2000) Faydaları 1. Özellikle tropik bölgelerde etkili organik madde giderimi 2. DüĢük inĢaat maliyetlerine ve daha az alana ihtiyaç göstermeleri, özellikle sıcaklıkların >20˚C olduğu durumlarda yüksek yükleme hızlarına izin vermeleri 3. DüĢük iĢletme-bakım maliyetleri, düĢük enerji ve az ekipmana ihtiyaç duyulması 4. Havalı ve fiziko-kimyasal arıtma proseslerine kıyasla daha az çamur üretimi 5. Enerji üretimi için kullanılabilecek biyogaz üretimi

Kısıtları 1. Uygun olmayan çamurla aĢılandığında metanojen mikroorganizmaların düĢük büyüme hızlarından dolayı uzun iĢletmeye alma dönemi 2. DüĢük patojen giderimi

3. DeĢarj standartlarına uygun çıkıĢ kalitesine ulaĢabilmek için ilave arıtma ihtiyacı 4. DüĢük sıcaklıklarda düĢük partiküler madde giderimi 5. Sülfatın sülfite indirgenmesi sırasında ortaya çıkacak koku problemi riski

Evsel atıksuların arıtıldığı havasız reaktörlerde gerçekleĢen düĢük biyogaz üretiminin sebebi, giriĢteki biyolojik olarak ayrıĢabilen organik madde konsantrasyonunun az olması ve üretilen biyogazın önemli bir kısmının sıvı fazda çözünmüĢ olarak kalmasıdır. Evsel atıksuların çürütüldüğü havasız sistemlerde üretilen biyogazın metan içeriği her zaman yüksektir. Tipik olarak üretilen biyogazın %70-80‘i metandır. Kalan kısım ise karbondioksit, azot, su buharı ve az oranda hidrojen sülfür karıĢımından meydana gelir. Gaz kayıpları sebebiyle toplanan metan miktarı, gerçekte üretilen metan miktarından oldukça düĢüktür. Pratikte bu kayıplar üretilen biyogazın %20-50‘si

3

arasında değiĢmektedir (VAN HAANDEL ve LETTINGA, 1994). Gazların çözünürlüğü, sıcaklığın 20˚C‘nin altına düĢtüğü durumlarda artar. Metan, hidrojen sülfür ve hidrojenin çıkıĢ akımındaki çözünmüĢ konsantrasyonları, yüksek sıcaklıklarda iĢletilen reaktörlere kıyasla, düĢük sıcaklıklarda iĢletilen reaktörlerde daha fazla olacaktır. Sakrofilik koĢullarda, karbondioksit gazının yüksek çözünürlüğü sebebiyle, reaktör içersindeki pH değerinde de bir miktar azalma gözlenmektedir (Lettinga ve diğ., 2001). Evsel atıksulardaki düĢük KOĠ konsantrasyonları sebebiyle havasız reaktör içersinde gerçekleĢecek düĢük gaz üretimleri, düĢük karıĢma hızına sebep olacak ve böylece substrat-biyokütle teması yeterli olmayacaktır. Reaktör içersinde karıĢımı sağlayan biyogaz üretimi genellikle organik yükleme hızı ve reaktörün yüksekliğine bağlıdır (TĠLCHE ve VĠEĠRA, 1991). AGRAWAL ve diğ. (1997) yaptıkları bir çalıĢmada, sıcaklığın 27˚C‘den 10˚C‘e düĢmesi durumunda, gaz üretim hızında %78‘lere varan bir azalma gözlemiĢlerdir. Ayrıca düĢük gaz üretimi %25 daha az KOĠ giderimine sebep olarak, AKM‘nin reaktör içersinde birikimine yol açmıĢtır. Çamur yatağı içersinde tutulan ve biriken partiküler maddelerin hidrolizi çok yavaĢ olduğu için hidroliz aĢaması, genellikle bütün anaerobik çürüme prosesinde hız kısıtlayıcı adım olup uygulanan proses sıcaklığına da bağlı olarak nispeten uzun bekleme sürelerine ihtiyaç duyulmaktadır. 25˚C sıcaklıkta iĢletilen havasız bir reaktörde, hidroliz ve metan üretiminin sağlanması için 15 günlük bir çamur bekleme süresi yeterli olurken, 15˚C‘de iĢletilen biyoreaktörlerde çamur bekleme süresi 75 gün değerine çıkmaktadır (ZEEMAN ve LETTINGA, 1999; MIRON ve diğ., 2000). Evsel atıksulardaki partiküler maddelerin havasız reaktörlerde giderimi, hidroliz süreci hariç, esas olarak fiziksel proseslerlerle açıklanır. Çamur yatağı biyolojik bir filtre gibi davranır. AKM, evsel atıksuların KOĠ parametresinde büyük bir orana sahip olduğu için, yüksek AKM giderimi yüksek KOĠtop giderimine sebep olacaktır. AKM‘deki büyük boyutlu partiküler maddelerin giderimi esas olarak sürükleme kuvvetlerine ve çökelme özelliklerine bağlıdır. Havasız bir reaktörde AKM giderimi, çökelme ve çamur yatağı ve/veya filtre malzemesi içersinden filtrasyon ile gerçekleĢir. Havasız rektörlerde AKM‘nin fiziksel giderimi, giriĢ organik madde konsantrasyonuna, sıcaklığa, reaktörün yüksekliğine, hidrolik bekleme süresine, yukarı akıĢ hızına, partikül boyutu ve yoğunluğu gibi etkenlere bağlıdır. Evsel atıksularda KOĠtop konsantrasyonunun %20-30‘unu teĢkil eden kolloidal partiküllerin giderimi ise düĢük sıcaklıklarda kısıtlayıcı bir faktördür (MERGAERT ve diğ., 1992; WANG, 1994; SAYED VE FERGALA, 1995). SAYED VE FERGALA (1995)‘ya göre, katı maddelerin giderimindeki tutulma mekanizması, kolloidal partiküllerin çamur yatağı tarafından tutulmasında yeterli olmamaktadır. Bunun sebebi, çamur yatağındaki yüksek porozite ile reaktör içerisindeki yukarı akıĢ hızı ve belirli oranda gaz üretimi olarak söylenebilir. Kolloidal partiküllerin giderimi, havasız reaktörlerdeki askıda ve/veya yüzeyde tutunmuĢ biyokütle içersinden filtrasyon ve/veya tutunma ile gerçekleĢir. Ayrıca, HÇYR‘lerin üst

4

kısımlarına filtre malzemesi yerleĢtirilmesi (Hibrit Reaktör), filtrasyona ilaveten flokülasyon desteği ile kolloidal partiküllerin giderim verimini arttırabilir (ELMITWALLI, 2000). DüĢük sıcaklıklarda daha düĢük hidroliz hızları sebebiyle AKM‘nin çamur yatağı içersinde birikimi artmakta ve daha uzun hidrolik bekleme sürelerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sebeple AKM‘nin havasız arıtma öncesinde çökelme veya fiziko-kimyasal arıtma ile giderimi tavsiye edilmektedir. Böylece hem çamur yatağı içersinde birikim önlenmiĢ olur hem de granül çamurun yapısında bozulma meydana gelmez (VIEIRA ve SOUZA, 1986). 1.1.1.1.

Gerçek ve Pilot Ölçekli HÇYR Uygulamaları

Birçok ülkede gerçek ölçekli (kurulu) HÇYR uygulamaları baĢarıyla gerçekleĢmektedir. Örneğin Kanpur (Hindistan)‘da Nisan 1989‘dan beri iĢletilmekte olan gerçek ölçekli HÇYR‘de evsel atıksular 3

havasız olarak arıtılmaktadır (Q = 5000 m /gün). 10 hafta süren iĢletmeye alma aĢamasında ve 6 saatlik hidrolik bekleme süresinde, KOĠ, BOĠ ve AKM giderimleri sırasıyla %74, %75 ve %75 olarak gözlenmiĢtir. Sonuçlar, sıcaklığın arıtma verimi üzerinde çok etkili olmadığını göstermektedir ancak özellikle soğuk dönemlerde biyogaz üretiminde ciddi düĢüĢ gözlenmektedir. Biyogaz üretimi, sıcaklığın arttığı dönemlerde ise tekrar artma eğilimindedir. Reaktörden atılan fazla çamurun suyunu bırakma özelliklerinin iyi olduğu gözlenmiĢtir (DRAAIJER ve diğ., 1992). Evsel atıksuların HÇYR‘lerde arıtıldığı pilot ve gerçek ölçekli uygulamalar Tablo 2‘de verilmiĢtir. Tablo 2. Evsel atıksuların pilot ve gerçek ölçekli HÇYR uygulamaları Ülke

AĢı Çamuru

h (saat)

Granül Granül Granül

9-16 6.2-18 2-7

KOĠ 46-60 31-49 16-34

BOĠ 42-48 23-46 20-51

AKM 55-75 (-) (-)

ÇürümüĢ inek gübresi AĢı kullanılmadı AĢı kullanılmadı

6-8

75-82

75-93

70-80

5

45-60

64-78

60

12-42

31-56

40-70+

55-80+

6

74

75

75

1000

AĢı kullanılmadı (-)

8

51-63

53-69

46-64

205

362

(-)

8

62-72

65-71

70-78

104-255 (-)

67-236 303

Hacim (m3)

Sıcaklık (˚C)

Hollanda Hollanda Hollanda

6 20 120

10-18 11-19 >13

Kolombiya

64

25

267

95

(-)

Kolombiya

3360

24

380

160

240

Ġtalya

336

7-27

205-326

55-153

100-250

Hindistan

1200

20-30

563

214

418

Hindistan

12000

18-32

1183

484

Hindistan

6000

18-32

404

Brezilya Brezilya

120 477

18-28 (-)

188-459 600

(-) : bilgi yok

*

GiriĢ Konsantrasyonları (mg/L) KOĠ BOĠ AKM 100-900 53-474 10-700* 150-550 43-157 50-400* 391 291 (-)

: KOĠ olarak ifade edildi

Giderim Verimleri (%)

Granül 5-15 60 70 70 Adapte 13 68 (-) 76 olmayan + : 15-20˚C sıcaklıklarda ve h = 12 saat‘te ölçüm yapıldı

5

Kaynak de Man ve diğ., 1986 de Man ve diğ., 1986 van der Last ve Lettinga, 1992 Lettinga ve diğ., 1987 Schellinkhout ve Osorio, 1994 Collivignarelli ve diğ., 1991; Maaskant ve diğ., 1991 Draaijer ve diğ., 1992 Haskoning, 1996a; Tare ve diğ., 1997 Haskoning, 1996b; Tare ve diğ., 1997 Vieira ve Garcia, 1992 Chernicharo ve Borges, 1997

Guimarães ve diğ., (2003) havasız çamur yataklı reaktör (HÇYR) ve ardıĢık kesikli reaktörden (AKR) oluĢan pilot ölçekli bir atıksu arıtma sisteminin performansını değerlendirerek HÇYR-AKR sisteminin çıkıĢ suyu kalitesi ile iĢletme koĢulları arasında iliĢki kurmaya çalıĢmıĢlar ve bu tip bir sistemi, yatırım ve iĢletme maliyetleri açısından konvansiyonel aktif çamur sistemleri ile karĢılaĢtırmıĢlardır. Laboratuar ölçekli olarak gerçekleĢtirilen çalıĢmada ham atıksu kullanılmıĢtır. Sistem

64

L/gün

debide,

ortalama

º

25 C

sıcaklıkta

iĢletilmiĢtir.

Arıtma

tesisi;

HÇYR,

depolama/çökeltme/dengeleme tankı ve AKR olmak üzere 3 üniteden oluĢmuĢtur. HÇYR, depolama tankı ve AKR‘nin hacimleri sırasıyla 10, 6 ve 7 L, bekletme süreleri ise 4, 2.25, 2.625 saattir. Depolama tankından aerobik reaktöre beslenen kesikli akım 4 L‘dir. AKR ise 4 fazda çalıĢtırılmıĢtır: (1) reaktörü sabit 4 L hacim ile doldurma, (2) havalandırma, (3) çamurun çökelmesi için havalandırmanın durdurulması, (4) durultulmuĢ fazın deĢarjı. Havalandırma süresi ve çökeltme süresi sırasıyla 1 saat ve 0.5 saat olarak ayarlanmıĢtır. Yapılan çalıĢmalar sonucunda, HÇYR reaktöründe bekletme süresi kısa olmasına rağmen çok yüksek giderim verimi görülmüĢtür. Ayrıca çamur yaĢının 7 gün veya daha az olması durumunda AKR düzgün olarak iĢletilememiĢ, çıkıĢ akımıyla birlikte çamur kaçıĢları gözlenmiĢtir. Ayrıca deterjanlar tamamen parçalanamadığından köpük problemi oluĢmuĢtur. Tüm bu olumsuzluklar çamur yaĢının 9 gün ve üzerinde olması durumunda giderilmiĢ ve çıkıĢ suyu kalitesi iyileĢmiĢtir. Deneysel çalıĢmalar HÇYR-AKR sistemi çıkıĢ suyu kalitesinin, denitrifikasyonsuz konvansiyonel aktif çamur sistemleri çıkıĢ suyu kalitesine eĢit ya da daha iyi kalitede olduğunu göstermiĢtir. AKR‘nin performansını gösteren önemli faktörlerden biri de üretilen çamurun kalitesidir. Deneysel çalıĢmalar süresince çamurun çökebilirliğinin iyi olduğu ve SVI değerlerinin 80 mL/g TKM olduğu görülmüĢtür. Respirometrik analizlerle 11 ve 15 günlük çamur yaĢlarında organik madde oksidasyonu ve nitrifikasyon için 1 saatlik havalandırma periyodunun yeterli olduğu, 9 günlük çamur yaĢında ise tam nitrifikasyon için 1 saatlik havalandırma periyodunun yeterli olmadığı görülmüĢ ve çıkıĢ akımındaki amonyum konsantrasyonlarının daha yüksek çamur yaĢlarında elde edilen değerlere göre yüksek olduğu anlaĢılmıĢtır. Bu tip arıtma sistemlerinin en önemli avantajı iĢletme ve yatırım maliyetlerinin az olmasıdır. HÇYR-AKR‘den oluĢan arıtma tesisleri için gerekli toplam reaktör hacmi, konvansiyonel sistemler için gerekli olan hacmin %65‘ine denk gelmektedir. Toplam oksijen tüketimi açısından konvansiyonel aktif çamur sistemleri ile HÇYR-AKR sistemi karĢılaĢtırıldığında HÇYR-AKR sistemi için gerekli olan oksijen miktarı aktif çamur sistemlerine göre %58 daha azdır. Bununla birlikte havalandırma açısından, HÇYR-AKR sistemi kendi kendine yetecek enerjiyi üretme potansiyeline sahiptir. Sistemin verimi değerlendirildiğinde tam nitrifikasyonun gerçekleĢmesi ile birlikte BOĠ 5 ve KOĠ gideriminin %95‘in üzerinde verimle gerçekleĢtiği görülmüĢtür. Agrawal ve diğ., (1997) seyreltik atıksuyun HÇYR‘de arıtılabilirliğini araĢtırmıĢlardır. 96 L hacme sahip HÇYR, 300 mg/L KOĠ‘ye sahip sentetik atıksu ile 700 gün süresince sürekli bir akımla beslenmiĢtir. Sıcaklık 25ºC‘de sabitlenmiĢ ve aĢı olarak çürütülmüĢ evsel atıksu çamuru (60 L)

6

kullanılmıĢtır (AKM konsantrasyonu 30 g/L). Evsel atıksu çamuru mezofilik Ģartlarda iĢletilen bir evsel atıksu çamur çürütücüsünden elde edilmiĢtir. Hazırlanan sentetik atıksuyun KOĠ/sülfat oranı 3:1 ve KOĠ/N/P oranı 100/5/4‘dür. ÇalıĢma süresince çıkıĢ suyunun pH‘ı 6.97±0.11 olarak ölçülmüĢtür. BaĢlangıç aĢamasında (start-up) 28 saat hidrolik bekletme süresi (θ h) ile baĢlanmıĢ ve daha sonra hidrolik bekletme süresi kademeli olarak 19, 14 ve 9 saate düĢürülmüĢtür. KOĠ yükleme 3

hızı ise 28 sa ve 9 sa‘lik hidrolik bekletme süreleri için sırasıyla 0,26 ve 0,73 kg KOĠ/m .gün olarak ayarlanmıĢtır. Yapılan çalıĢmalarda KOĠ giderim veriminin θ h azaldıkça arttığını ve uçucu yağ asitlerinin (UYA) baĢlangıçta yüksek olmasına rağmen zamanla kademeli olarak azaldığı görülmüĢtür. Hidrolik bekletme süresinin her değiĢiminde UYA‘de hafif bir artıĢ gözlenmiĢ fakat bu artıĢ zamanla yok olmuĢtur. ĠĢletme süresince çıkıĢ akımında çok az çamur kaçıĢı gerçekleĢmiĢ ve θh‘ın azalmasından bağımsız olarak sabit kalmıĢtır. Reaktörde oluĢan biyogazın metan içeriği 28, 19, 14 ve 9 saat‘lik bekletme sürelerinde sırasıyla %63±5, %69±2, %72±2 ve %69±2 olarak belirlenmiĢtir. Bunun yanı sıra CO2 içeriği %8, N2 içeriği %21-30 olarak bulunmuĢ, H2S konsantrasyonu ise %0.11 (θh=28 saat) ve %0.39 (θh=9 saat) olarak tespit edilmiĢtir. Tüm bunlara ek olarak KOĠ yükleme hızı arttıkça metan üretim hızının da arttığı belirlenmiĢtir. Ayrıca arıtılan atıksuyun zayıf kirlilik yüküne sahip bir atıksu olması sebebiyle özellikle düĢük hidrolik bekletme süresinde önemli miktarlarda çözünmüĢ metan oluĢumu gözlenmiĢtir. OluĢan çözünmüĢ metan, ekonomik bir çözüm bulunmadığı sürece geri kazanılamamaktadır. UEMURA ve HARADA (1999) HÇYR‘de evsel atıksu arıtımı sırasında sıcaklığın proses performansı üzerine etkilerinin yanında, reaktördeki çamurun metanojenik aktivitesini de belirlemeye çalıĢmıĢlardır. Bunun için 21,5 L hacimli, 4.7 saat hidrolik bekletme süresine sahip bir HÇYR kullanılmıĢtır. Reaktör 6 ay boyunca evsel atıksu ile beslenmiĢ ve sıcaklık, 3ºC‘lik düĢüĢlerle 25ºC‘den 13ºC‘ye kadar düĢürülmüĢtür. AĢı çamuru olarak evsel atıksu arıtma tesisinden alınan granüler çamur kullanılmıĢtır. Deneysel çalıĢmalar sonucunda çıkıĢ suyunun toplam KOĠ ve çözünmüĢ KOĠ bakımından kalitesinin kararlı olduğu ve iĢletme sıcaklığından çok etkilemediği anlaĢılmıĢ ve toplam KOĠ gideriminin sıcaklıktan çok, giriĢteki partiküler KOĠ miktarından etkilendiği görülmüĢtür. Buna göre toplam KOĠ giderimi %69,4‘dür. Deneysel çalıĢmalar süresince çıkıĢ akımında UYA‘ne nadiren rastlanmıĢtır. GiriĢ ve çıkıĢ akımındaki pH değerleri ise sırasıyla 6,86 (6,2-7,4) ve 6,98 (6,22-7,5)‘dir. Deneysel çalıĢmalara göre bir günde üretilen toplam metan miktarı, reaktör çıkıĢında gaz toplama noktasında biriken metan miktarı ile çıkıĢ akımıyla kaçan çözünmüĢ formdaki metan miktarının toplamı olarak düĢünülmüĢtür. ÇözünmüĢ CH4 miktarı Henry Kanunu dikkate alınarak hesaplanmıĢtır. Dolayısıyla yapılan hesaplamalar sonucunda çıkıĢ akımında göz ardı edilemeyecek kadar yüksek miktarda çözünmüĢ formda CH 4 kaçıĢları olduğu anlaĢılmıĢtır. Deneysel çalıĢmalar, sıcaklığın düĢmesiyle parçalanan KOĠ fraksiyonunun azaldığını göstermiĢtir. ÇözünmüĢ KOĠ giderimi sıcaklıktan bağımsız olduğundan deneysel çalıĢmalar süresince çıkıĢtaki çözünmüĢ KOĠ miktarı sabit kalmıĢtır. Buna göre, partiküler KOĠ giderimi, partiküler maddelerin

7

çamur yatağı içerisinde tutulması sonucu gerçekleĢmektedir. Çamur yatağında tutulan organik maddelerin hidroliz hızı sıcaklıktan önemli bir derecede etkilenmiĢtir. Tutulan partiküler maddelerin %58‘i 25ºC‘de parçalanırken, 13ºC‘de %33‘ü parçalanmıĢtır. Bununla birlikte sıcaklık düĢtükçe metan üretimi de düĢmüĢtür. 25ºC‘de %60 olan metan üretimi, 13ºC‘de %35‘dir. Granüler çamurun çökelebilirliği üzerinde yapılan araĢtırmalarda, düĢük organik yüke sahip atıksuların granüler çamurun

çökelebilirliğini

olumsuz

yönde

etkilediği

sonucuna

varılmıĢtır.

DüĢük

organik

yüklemelerde 6 ay boyunca iĢletilen HÇYR içerisindeki mikroorganizmaların metanojenik aktivitesi, baĢlangıçta aĢı çamuru olarak kullanılan granüler çamurun aktivitesinin %4 - 10‘una düĢmüĢtür. Dolayısıyla reaktöre aĢılanan granüler çamurun mikrobiyel aktivitesi, arıtılmıĢ atıksu çamurunun mikrobiyel aktivitesi ile aynı değerdedir. Ayrıca, reaktördeki çamurun granüler formda kaldığı ancak granüllerin çoğunun çatlak bir yapıya sahip olduğu anlaĢılmıĢtır. AĢı çamurunun içyapısında ise daha çok baskın olarak bulunan türün Methanothrix olduğu belirlenmiĢtir. 1.1.2.

ArdıĢık Kesikli Reaktörler ve Uygulamaları

ArdıĢık kesikli reaktörler (AKR) doldurma, reaksiyon, çökeltme, boĢaltma ve dinlendirme fazlarından oluĢan ve iĢletme esnekliği olan yarı kesikli sistemlerdir (ġekil 1). Sistemin esnekliği sayesinde (a) giriĢ ve çıkıĢ akımları birbirinden bağımsız olarak iĢletilebilir, (b) çökeltme reaktörün kendi içinde gerçekleĢtirilir (c) biyolojik prosesler çevrimsel olarak gerçekleĢtirilir (d) sürekli sistemlerden farklı olarak her çevrimde arıtılmıĢ su arıtılmamıĢ su ile yer değiĢtirir. ArdıĢık kesikli reaktörler son yıllarda sürekli sistemlere göre enerji maliyetinin, üretilen çamur miktarının, alan ve ekipman ihtiyacının az olması gibi üstünlüklerden dolayı evsel atıksuların arıtılmasında yaygın bir Ģekilde kullanılmaya baĢlanmıĢtır (TASLĠ ve diğ., 1997; COLMENREJO ve diğ., 1998; METCALF ve EDDY, 2003; TORRES ve FORESTI, 2001; GUIMARAES ve diğ., 2003; ZENG ve diğ., 2003, MEYER ve diğ., 2005). ArdıĢık kesikli reaktörlerde, organik karbon ve fosforun giderimine ilave olarak nitrifikasyon ve denitrifikasyon yoluyla azot gideriminin de yapıldığı çeĢitli modifikasyonlar ile alıcı ortam standartlarının sağlanması mümkün olmaktadır. Sürekli aktif çamur sistemlerinin tersine, hem biyolojik reaksiyonlar hem de biyokütlenin çökeltilmesi aynı tank içinde meydana gelir. ArdıĢık kesikli reaktörler, birçok özellikleri ile doldur-boĢalt sistemlerden ayrılır. ArdıĢık

kesikli reaktörler

belirli

bir

periyotda doldurulur

ve boĢaltılırlar.

Doldurma fazı

tamamlandıktan sonra, havalandırmalı veya havalandırmasız reaksiyon fazının süresi ile çöktürme ve boĢaltma fazlarının süresi arıtma amacına bağlı olarak seçilebilir. AKR döngüsü doldurma fazı ile baĢlayarak boĢaltma fazı ile veya isteğe bağlı olarak boĢ/dinlendirme fazı ile sonlanarak sürekli olarak tekrarlanır. Sistem periyodunun süresi ve sıklığı istenilen çıkıĢ limit değerlerine göre belirlenebilir.

8

VT= 4.0 L

Çıkış

Atıksu

0 6

1

Doldurma Çöktürme

2 V0= 1,5 L3

KarıĢtırma BoĢaltma-dinlendirme

4

5

Havalandırma

ġekil 1. Laboratuvar ölçekli AKR Ģeması Literatürde, evsel ve endüstriyel atıksulardan besi maddesi giderimi konusunda hem laboratuvar hem de pilot ölçekli ardıĢık kesikli reaktör teknolojilerinin kullanıldığı çok sayıda çalıĢma yeralmaktadır. Bu çalıĢmalar büyük ölçüde evsel atıksularının arıtımının daha da iyileĢtirilmesi yönündedir. Bu amaçla isletme koĢullarının arıtma verimleri üzerine etkileri sıkça araĢtırılmıĢtır. Bu çalıĢmalardan bazıları aĢağıda özetlenmiĢtir. IMURA ve diğ., (1993) günde 4 kez olmak üzere 6 saatlik bir çevrimli AKR kullanarak yaptıkları bir çalıĢmada tam bir nitrifikasyon sağlayarak, BOĠ, AKM ve toplam fosfor paramatrelerinde de %95‘in üstünde bir verim elde etmiĢlerdir. COLUNGA ve MARTINEZ (1996) ardıĢık kesikli biyofilm reaktörde fosfor giderimini incelemek amacıyla yaptıkları bir çalıĢmada değiĢik iĢletme koĢullarının atıksudan besi maddesi (C,N,P) giderimi üzerine etkileri araĢtırılmıĢtır. 8 ve 12 saatlik çevrimler ve farklı anaerobik/aerobik zaman oranları ile sistem çalıĢtırılmıĢtır. En yüksek KOĠ ve fosfor giderim hızı 12 saatlik çevrim ile ve 37/63 anaerobik/aerobik süre oranında elde edilmiĢtir. En yüksek fosfor giderimi ve nitrifikasyon verimi 3 g 2

KOĠ/m .gün‘lük organik yükleme hızında elde edilmiĢtir. UMBLE ve KETCHUM (1997) ardıĢık kesikli reaktörlerde evsel atıksuyun biyolojik arıtımını incelemiĢlerdir. Sistemde Azot(N)/Fosfor(P) oranı 16 ile 23 arasında değiĢtirilmiĢtir. 12 saatlik toplam çevrim zamanında BOĠ5 ve NH4-N giderimleri sırasıyla %98 ve 89 olarak elde edilmiĢtir. CHANG ve HAO (1996) besi maddesi gideriminde ardıĢık kesikli reaktörün performansını etkileyen proses parametrelerini tanımlamak amacıyla bir çalıĢma gerçekleĢtirmiĢlerdir. 6 saatlik çevrim

9

süresinde ve 10 günlük çamur yaĢında KOĠ, toplam azot ve fosfor giderim verimlerini sırasıyla %91, %98 ve %98 olarak bulunmuĢtur. DEMUYNCK ve diğ. (1994) besi maddesi giderimi amacıyla ardıĢık kesikli reaktörleri kullanmıĢlardır. Bu çalıĢmada efektif azot giderimi için anoksik faz boyunca KOĠ ilavesinin gerektiği ve ardıĢık kısa süreli aerobik/anoksik fazların anoksik fazı takip eden klasik aerobik fazdan daha iyi olduğu bulunmuĢtur. ANDREOTTOLA ve diğ. (1997) gerçekleĢtirdikleri bir çalıĢmada çıkıĢ azot konsantrasyonunu minimize etmek için çevrim süresi ve faz dağılımının optimizasyonu için bir algoritma geliĢtirmiĢlerdir. ZUNĠGA ve MARTĠNEZ, (1996) anaerobik/aerobik/anoksik/aerobik fazlardan oluĢan bir iĢletme stratejisi kullanarak ardıĢık zamanlı kesikli biyofilm reaktörde azot ve fosfor giderimini incelemiĢlerdir. 615 günlük iĢletmeden sonra optimum iĢletme Ģartları sağlanarak en yüksek besi maddesi giderim yüzdeleri elde edilmiĢtir. Sistemde KOĠ, fosfor ve amonyak giderim verimleri sırasıyla %89±1, %75±15 ve %87±10 olarak bulunmuĢtur. Aerobik fazdan sonra anoksik faz kullanıldığında denitrifikasyon daha etkin olarak sağlanmıĢtır. SANG ve diğ., (1997) yaptıkları bir çalıĢmada AKR ile besi maddesi gideriminde ilave karbon kaynağı olarak asetat yerine fermente edilmiĢ hayvan atıkları kullanmıĢlardır. ÇalıĢmada hayvan atığı kullanıldığında elde edilen sonuçlarda önemli bir değiĢiklik gözlenmemiĢtir. Ġki durumda da %90 toplam azot ve %89 fosfor giderimi sağlanmıĢtır. AKR sistemleri sızıntı suyu arıtımı ile ilgili bir çok çalıĢmada da sıkça kullanılmıĢtır. Bu çalıĢmalar bekletme süreleri 1.5-10 gün, çamur yaĢı konsantrasyonları 20-50 gün ve çevrim süresi olarak ta 12-24 saat gibi geniĢ bir aralıkta gerçekleĢtirilmiĢtir (DOLLERER ve WILDERER, 1996; ZALOUM ve ABBOT, 1997; TIMUR ve OZTURK, 1997; YILMAZ ve OZTURK, 2001). AKR ayrıca endüstriyel atıksuların arıtımında da çok geniĢ ölçüde kullanılmıĢtır. ġarap atıksuları (TORRIJOS ve MOLETTA, 1997), bira atıksular (LING ve LO, 1999), gıda endüstrisi atıksuları (RAPER ve GREEN, 2001) süt atıksuları (MOHSENI ve BAZARI, 2000), mezbaha atıksuları (BELANGER ve diğ., 1986), domuz kesimi atıksuları (LEE ve diğ., 1997), kağıt endüstrisi atıksuları (FRANTA ve WILDERER, 1997) ve deri atıksuları (CARUCCĠ ve diğ, 1999) bu çalıĢmalara bazı örneklerdir. Deri atıksularının AKR de arıtıldığı bir çalıĢmada modelleme çalıĢmaları yürültülmüĢ, bu amaçla detaylı bir atıksu karakterizasyonu için KOĠ bileĢenleri belirlenmiĢ, ilgili tüm kinetik, stokiometrik katsayılar elde edilmiĢ, karbon ve azot performansları değerlendirilmiĢdir (MURAT ve o

diğ., 2002). 9 ila 30 C arasında sıcaklık değiĢtirilerek deri atıksularının arıtıldığı AKR‘de deneysel sonuçlar kullanılarak bir çevrim içinde KOĠ, nitrat ve amonyak parametreleri kullanılarak model kalibrasyonları gerçekleĢtirilmiĢtir (MURAT ve diğ., 2004).

10

1.1.3.

Evsel Katı Atıkların Organik Kısmının Tek BaĢına veya Diğer Organik Atıklarla Birlikte Havasız Arıtımı ve Biyometan Geri Kazanımı

Katı atıklardan kaynaklanan kirlilik ile oluĢacak potansiyel risklerin boyutunun her geçen gün artması, doğal kaynakların azalması, ekonomik ve sosyal etkenlerinde katkısıyla, katı atık yönetimi giderek önem kazanmakta ve karmaĢık bir hal almaktadır. Günümüzde, Türkiye‘de günde yaklaĢık 60000 ton evsel katı atık oluĢmaktadır. Evsel katı atıkların tipik madde grupları bileĢimi Tablo 3‘de verilmiĢtir. Türkiye‘de evsel katı atıklar %50‘den fazla biyolojik olarak parçalanabilir maddeler ihtiva etmektedir. Tablo 3. Türkiye‘de baĢlıca büyük Ģehirler için evsel katı atık bileĢimi (%, ağırlık) Organik Geri dönüĢtürülebilir Kağıt/Karton Plastik Metal Cam Diğer

Ġstanbul 43 33,9 7,8 14,2 5,8 6,2 23,1

Bursa 53,1 36,4 18,4 11,6 3 3,4 10,5

Ġzmir 46 31 12 12 3 4 23

Adana 64,4 25,2 14,8 5,92 1,4 3,08 11,4

OluĢan atık miktarının hızla artmasına rağmen, mevcut düzenli depolama alanları ve yakma tesislerinin kapasitesi giderek azalmaktadır. Birçok Avrupa ülkesi için düzenli depolama, alan sıkıntısı ve kontrol edilemeyen gaz emisyonları ile sızıntı suyu sorunu yüzünden bir atık yönetim metodu olmaktan çıkmıĢtır (HARTMANN ve AHRĠNG, 2005). Bu nedenle sürdürülebilirlik açısından da büyük öneme sahip kompost ve geri kazanım uygulamaları 1980‘lerin sonundan itibaren giderek önem kazanmaktadır. Katı atığın, atık akımı olarak görülmesi yerine bir çok ürünün geri kazanabileceği değerli bir kaynak olarak düĢünülmesi, atık oluĢumundan nihai bertarafa kadar bütün kademeleri içine alan entegre bir katı atık yönetiminin unsurlarını ve bunların birbirleri ile iliĢkilerinin çok iyi bilinmesini zorunlu kılmaktadır. Entegre bir katı atık yönetim Ģeması ġekil 2‘de verilmektedir. Biyolojik atıkların toplanması, arıtımı ve geri kazanımı konularına verilen önem gün geçtikçe artmaktadır. Bu sebeple, Avrupa Topluluğu‘nda bu alanda birçok yönetmelik ve yönerge yayınlanmakta ve geliĢtirilmektedir. Bu yönetmeliklerin önemli bir kısmı havasız (anaerobik) arıtma uygulamaları ve bu konudaki teknolojik geliĢmeleri içermektedir. Avrupa Topluluğu‘nda bulunan Yönetmelikler arasında en önemlileri Ģunlardır: 75/442/EEC (Atık Direktifi), 1986/278/EEC (Atıksu Çamurları Direktifi), 2000/60/EC (Su Çerçeve Direktifi), 1999/31/EC (Düzenli Depolama Direktifi), COM/2002/179 (Toprak Koruma Stratejisi), 2001/77/EC (Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından Elektrik Geri Kazanımı Direktifi), (EC) No. 1774/2002 (Hayvansal Yan Ürünler Yönetmeliği), Biyolojik Atıkların Biyolojik Arıtımı, ÇalıĢma Belgesi 2. Taslağı (2001).

11

Katı atık yönetimi, ülkemizin Avrupa Birliği‘ne adaylık süreciyle oldukça önem kazanmıĢ ve bu alanda yüksek maliyetli çevre yatırımlarının yapılmasının gereği ortaya çıkmıĢtır. Avrupa Birliği Katı Atık Düzenli Depolama Direktifi (99/31/EC) uyarınca AB üyesi ve aday ülkelerde, 1995 yılı ülke toplam biyolojik olarak parçalanabilir katı atık miktarları baz alınmaktadır. Düzenli depolama tesislerinde bertaraf edilecek organik katı atık miktarlarının 2010, 2013 ve 2020 yıllarına kadar, 1995 yılındaki biyolojik olarak parçalanabilen atık miktarları esas alınarak, sırasıyla %25, %50 ve %65 oranında azaltılması öngörülmektedir. Ülkemiz için de, halen tamama yakını düzenli depolama tesislerine gönderilen evsel katı atıklar içerisindeki biyolojik olarak parçalanabilir (organik) atıkların ayrılarak kompost ve/veya biyometan tesislerine yönlendirilmesi, söz konusu kotaların sağlanması bakımından büyük önem taĢımaktadır. Ayrıca, Kyoto Protokolü‘nde ülkeler sera gazı emisyonlarının azaltılması ve organik atılardan yenilenebilir enerji (biyometan) üretiminin desteklenmesi yönünde karar almıĢlardır. Kyoto Protokolü‘nde ülkelerin 2010 yılına kadar toplam enerji üretimlerinin %10‘unun yenilenebilir enerji kaynaklarından (rüzgar, biyometan, metan, H2) sağlamaları öngörülmüĢtür. Zirveden sonra Avrupa‘daki birçok ülke organik atıklardan biyometan üretimini teĢvik amacıyla, biyogazdan elde edilen elektriğin kw-sa bedelini 0,10 Avro üzerinden satın almakta olup bu takriben %50‘nin üzerinde bir sübvansiyona karĢı gelmektedir. Bu çerçevede AB genelinde 2010 yılına kadar birlik ülkelerinin toplam enerji üretimlerinin %12,5‘inin yenilenebilir enerji kaynaklarından temini hedeflenmiĢtir.

2001/77/EC

Direktifi

(Yenilenebilir

Enerji

Kaynaklarından

Elektrik

Geri

Kazanımı)‘nde ise yenilenebilir enerji kaynakları ve üretilen elektrik miktarının arttırılması amaçlanır. Türkiye‘de Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının (YEK) Elektrik Enerjisi Amaçlı Kullanımına ĠliĢkin Kanun‘da, yenilenebilir kaynaklardan elektrik enerjisi üretimine yönelik tesislerde üretilen enerjinin 7 yıl süre ile EPDK‘nın belirlediği bir önceki yıla ait ortalama elektrik toptan satıĢ fiyatları üzerinden satın alınacağı ve bu fiyatın Bakanlar Kurulu‘nca her yılın baĢında en fazla %20 oranında arttırılabileceği ön görülmektedir (YKEUK, 2005). Dolayısıyla mevcut YEK Kanunu ile getirilen uygulamanın henüz bir teĢvik hüviyetine büründüğü söylenemez. Ancak Ģu anda TBMM gündeminde olan yeni YEK önerisinde, atıklardan üretilecek elektrik enerjisinin 0,14 €/kW-sa‘den satın alınması (~ %100 teĢvik) öngörülmektedir. 1.1.3.1.

Katı Atık Miktar ve Karakterizasyonu

Çevre ve Orman Bakanlığı‘nca MĠMKO A.ġ.‘ye hazırlatılan Katı Atık Ana Planı Projesi kapsamında, Türkiye için ortaya çıkan birim atık oluĢum değerleri Tablo 4‘de verilmektedir (MIMKO, 2006). Tablodan da görüldüğü üzere Türkiye geneli için ortalama kentsel katı atık (KKA) üretimi emniyetle 1,04 kg/N-gün veya ~380 kg/N-yıl alınabilir.

12

Enerji akışı

Madde akışı

Üretim

Tüketim

Yeniden kullanım

Katı Atık Çoklu madde toplama

Geri kazanılmış madde

Kaynağında Ayırma

Geri kazanılmış madde

Sınıflandırma Yanabilir Kısım Geri kazanılmış enerji

Biyolojik olarak parçalanabilir kısım (Geri kazanılmış madde )

Termal Dönüşüm Yakma/Gazifikasyon

Biyogaz Biometanizasyon

Artık

Artık

Kül

Artık

Kompostlaştırma Kompost

Düzenli Depolama

ġekil 2. Entegre atık yönetimi akım diyagramı

Tablo 4. Katı Atık Ana Planı Projesi‘nde belirlenen birim atık üretimi (MĠMKO, 2006) Model Bölgeleri 1a Marmara / Ege Bölgesi 1b 1c 2a 2b 2c Akdeniz / Karadeniz / Ġç 2d Anadolu Bölgesi 2e 3a 3b 3c Ortalama

Doğu Anadolu / Güneydoğu Anadolu Bölgesi

Ġstanbul, Ġzmir (BüyükĢehirler) Diğer BüyükĢehir Belediyeleri Diğer Belediyeler (orta/küçük) Ankara (BüyükĢehir) Antalya / Ġçel (Turizm Ģehirleri) Diğer BüyükĢehir Belediyeleri Diğer Belediyeler, Karadeniz (orta/küçük) Diğer Belediyeler, Akdeniz / Ġç Anadolu (orta/küçük) Gaziantep (BüyükĢehir) Diğer BüyükĢehir Belediyeleri Diğer Belediyeler (orta/küçük)

Birim atık oluĢumu (kg/kiĢi-gün) 1,15 (1,28)* 1,12 (1,24) 1,10 (1,16) 1,15 (1,28) 0,90 (1,00) 0,85 (0,94) 0,85 (0,90) 0,85 (0,90) 0,85 (0,94) 0,90 (1,00) 0,75 (0,80) 0,95 (1,04)

*Parantez içindeki değerler, Türkiye genelinde sokak toplayıcıları ve/veya kurumlarca gerçekleĢtirilen mevcut geri dönüĢüm faaliyetleri sonucu, BüyükĢehirlerde toplam kentsel katı atığın %10‘u, diğer yerlerde ise %5‘i seviyesinde ambalaj atığı geri dönüĢüm etkisinin yansıtılması sonucu elde edilen değerleri temsil etmektedir.

13

Türkiye‘yi katı atık karakterizasyonu açısından diğer ülkelerle kıyaslayarak genel bir bilgi edinmek için 1990 ve 1992 yıllarında yapılmıĢ istatistikler Tablo 5 ve Tablo 6‘da verilmiĢtir (WHITE ve diğ., 1995, TCHOBANOGLOUS ve diğ., 1993). Tablo 5. Kentsel katı atık karakterizasyonu Kağıt/karton Plastik Cam Metal Mutfak,park, Teksti l (%) (%) (%) (%) bahçe (%) (&) Almanya* 17,9 5,4 9,2 3,2 44 Avusturya* 21,9 9,8 7,8 5,2 29,8 2,2 Belçika* 30 4 8 4 45 Bulgaristan* 8,6 6,9 3,8 4,8 36,7 Fransa* 31 10 12 6 25 4 Hollanda* 24,7 8,1 5 3,7 51,9 2,1 Ġngiltere** 34,8 11,3 9,1 7,3 19,8 2,2 Ġspanya** 20 7 8 4 49 1,6 Ġsveç* 44 7 8 2 30 Ġsviçre* 31 15 8 6 30 3,1 Ġtalya* 23 7 6 3 47 Portekiz* 23 4 3 4 60 Türkiye* 37 10 9 7 19 Yunanistan* 22 10,5 3,5 4,2 48,5 Kaynak: White ve diğ., 1995 * 1990 yılı istatistikleri **1992 yılı istatistikleri Ülke

Diğer (%) 20,3 23,3 9 39,2 12 4,5 10 10,4 9 6,9 14 6 18 11,3

Tablo 6. ABD evsel katı atık karakterizasyonu (TCHOBANOGLOUS ve diğ., 1993) Atık BileĢeni Kağıt Park-Bahçe Mutfak Atıkları Plastik Metaller Lastik, tekstil Cam Tahta Diğer inorganik atıklar

Ağırlık (%) 38,1 12,1 10,9 10,5 7,8 6,6 5,5 5,3 3,2

Ġstanbul ve Antalya BüyükĢehir Belediyeleri tarafından beyan edilmiĢ karakterizasyon bilgileri Tablo 7‗de verilmiĢtir. Tablodan da görüldüğü üzere Türkiye‘de kentsel katı atıklar bünyesindeki biyolojik olarak parçalanabilir atık oranı ~%70 gibi çok yüksek mertebelere ulaĢmaktadır.

14

Tablo 7. Ġstanbul ve Antalya BüyükĢehir Belediyeleri katı atık bileĢenlerinin dağılımı (MĠMKO, 2006) Katı atık bileĢenleri (%)

1.1.3.2.

Ġstanbul*

Antalya**

Biyolojik olarak ayrıĢabilir atık

69,1

67,9

Geri dönüĢtürülebilir atık

24,7

15,4

Ambalaj atığı

15,3

9,4

Diğer Kaynak: *MĠMKO, 2006 ** ĠSTAÇ, 2005

20,0

24,3

Evsel Organik Katı Atık Toplama Stratejileri ve Atık Karakterizasyonu

Evsel katı atıkların arıtımında, atıkların toplanma yöntemi ilk arıtma kademesini teĢkil eder. Halkın evsel katı atık bileĢenlerini kaynağında ayırma eğilimi evsel atık karakterini belirleyen en önemli faktördür. Kaynağında ayırma evsel organik katı atık kalitesi açısından çok büyük öneme sahiptir. Evsel organik katı atık üç Ģekilde elde edilebilir: AyrılmamıĢ atıktan, ayrı (kaynağından) toplanan atıktan ya da kaynağında ayrılmıĢ atıktan. Bu üç farklı katı atık türünden elde edilebilecek evsel organik katı atıkların (EOKA) farklı biyogaz üretim potansiyelleri ve biyolojik arıtılabilirlikleri olacaktır. Mekanik Olarak Ayrılmış Evsel Organik Katı Atık (MA-EOKA): Katı atık karıĢık halde toplanarak, özel olarak tasarlanmıĢ mekanik ayırma tesislerinde iĢlenip MA-EOKA elde edilebilir. Katı atığın mekanik olarak ayırımını gerçekleĢtiren tesisler 3 ana gruba ayrılabilir (Tablo 8) (MATA-ALVAREZ, 2003). MA-EOKA‘nın, mekanik ayırma tesislerinde iĢlenmesi için ton baĢına 60-80 kW-saat enerji harcanmaktadır. Tablo 9‘da kompleks akım Ģemasına sahip bir mekanik ayırma tesisinde (ġekil 3) elde edilebilecek atığın fiziksel ve kimyasal özellikleri verilmiĢtir (CECCHI ve diğ., 1991). Tesise gelen atığın kalitesi ve tesiste uygulanan mekanik ayırma prosesleri, elde edilen MA-EOKA özelliklerini oldukça etkilemektedir. MA-EOKA‘nın katı madde içeriği oldukça yüksektir. Bunun nedeni atıkta bulunan inert bileĢenlerin ayırma iĢlemleriyle tamamen giderilememesidir. Toplam uçucu katı madde içeriğine bakıldığında ise, ortalama değerin %50‘nin altında olduğu görülmektedir.

15

Tablo 8. Katı atığın ayrımını gerçekleĢtiren mekanik ayırma tesislerinin özellikleri Özellikler Parçalayıcı, elek (50-100 mm delik boyutlu) ve mekanik ayırma ünitelerinden oluĢur. Bu tesislerde 3 ürün elde edilebilir. Elek üstü (kağıt, plastik ve bir miktar organik madde) yakmaya gönderilir. Metaller geri dönüĢüme gönderilir. Elek altı ise organik madde olarak biyolojik arıtmaya gönderilir. Ġstanbul BüyükĢehir Belediyesi kompost tesisi önündeki ön-ayırma tesisi bu tür bir tesistir. Daha karmaĢık bir proses sırası vardır. En az bir boyut ufaltma adımı, metal ayrımı ve birden fazla eleme iĢlemi yapılır. Bu tesislerden daha saf organik madde elde edilebilir. Boyut ufaltma, metal ayrımı, eleme, parçalama, briket üretimi proseslerini içerir. Ürünler çok daha saftır ve elde edilen EOKA biyolojik arıtma için daha uygundur.

Tesis Tipi Basit

Orta derece kompleks Kompleks

EKA

Çekiç değirmen

Manyetik ayırma

1. Elek

Manyetik ayırma

Cam ayrımı

Hafif sınıflandırıcı

Torba filtreler

Karıştırma

Kompost

2. Elek

Siklon

RDF hattı

Çamur

İnert ayrımı

EOKA

Hava

Kompost

Metaller

refuse

ġekil 3. Kompost prosesine uygun sübstrat hazırlayan karmaĢık bir ayırma tesisinin akım Ģeması Tablo 9. Ön arıtma tesislerinde ayrılan MA-EOKA‘nın özellikleri Parametre TKM (g/kg) TUKM (%TKM) TKOĠ (%TKM) TOK (%TKM) IC (%TKM) TKN (%TKM) P (%TKM)

Ortalama Maksimum 763 952 43,9 57,4 59,6 90,4 19,3 34,4 1,3 2,7 2,2 3,4 0,11 0,22

Minimum 513,1 29,1 23,3 7,5 0,3 1,2 0,05

16

Numune adedi 210 210 41 187 187 59 59

Standart sapma 81,3 5,4 17,4 5,3 0,5 0,5 0,03

Ayrı (Kaynağından) Toplanan ve Kaynağında Ayrılmış Evsel Organik Katı Atık (AT-EOKA, KA-EOKA): Ayrı toplama yöntemiyle elde edilebilecek EOKA iki kategoriye ayrılabilir: Kantin, market, restoran gibi yerlerden (kaynağından) ayrı olarak toplanan organik kısım (AT-EOKA) ve evlerde kaynağında ayırma ile toplanan organik kısım (KA-EOKA). Farklı kaynaklardan ayrı olarak toplanan EOKA‘nın kuru madde oranı, içerisindeki mutfak, sebze-meyve ve bahçe atıklarının miktarına göre değiĢiklik gösterebilir. Tablo 10‘da bu tür atıkların karakterizasyonuna ait literatür bilgileri verilmektedir. Bu tarz toplanan atıklar daha basit ön arıtma tesislerinde arıtılabilmekte ve harcanan enerji miktarı da (40 kW-saat/ton atık) mekanik olarak ayrılmıĢ evsel organik katı atığa göre çok daha az olmaktadır. Tablo 10. Farklı çalıĢmalarda KA-EOKA ve AT-EOKA bulunmuĢ özellikler Parametre TKM (g/kg) TUKM (%TKM) TKOĠ (gO2/gTS) N (%TKM) P (%TKM)

Cecchi ve diğ., 1989 200 88 1,1 3,2 0,4

Sans ve diğ., 1995 163,9 90 1,1 2,1 2,6

CITEC, 2000 (*) CITEC, 2000 (**) 70 - 150 170 - 250 70 - 90 80 - 90 1,5 - 3 1-3

*KA-EOKA, **AT-EOKA

1.1.3.3.

Katı Atık Toplama Yönteminin Biyogaz Üretim Potansiyeline Etkisi

Katı atık toplama stratejisi anaerobik artımada üretilebilecek biyogaz potansiyelini ve atığa uygulanacak nihai bertaraf (kompostlaĢtırma, yakma ya da depolama gibi) yöntemini belirleyen en önemli unsurdur. Kaynağında ayrılmıĢ (KA-) ve ayrık toplanmıĢ (AT-) evsel katı atıklar için biyogaz üretim verimi ve elde edilebilecek kompost kalitesi genellikle yüksek olmaktadır. Buna karĢın inert madde içeriği daha yüksek olan mekanik olarak ayrılmıĢ evsel katı atıklar için biyogaz üretim verimi daha düĢük olup, düzenli depolamaya veya yakma iĢlemine, KA-EOKA ve AT-EOKA‘ya nazaran daha fazla kalıntı madde gönderilmesi söz konusudur. Farklı EOKA türlerinin teorik metan potansiyelleri literatürdeki bilgiler ıĢığında Tablo 11‘de özetlenmektedir. Üretilen biyogazın metan içeriği genellikle %55 kabul edilmektedir. Tablo 11. Farklı EOKA türlerinden elde edilebilecek maksimum metan ve biyogaz verimi Sübstrat MA-EOKA AT-EOKA KA-EOKA

3

B0 (m CH4/kg TUKM) 0,16 - 0,37 0,45 - 0,49 0,37 - 0,40

3

G0 (m /kg TUKM) 0,29 - 0,66 0,81 - 0,89 0,67 - 0,72

B0 : Maksimum metan potansiyeli, G0 : Maksimum biyogaz potansiyeli (%55 CH4)

1.1.3.4.

Katı Atıkların Biyolojik Arıtımı

Katı atıkların biyolojik arıtımında kullanılan aerobik ve anaerobik biyolojik arıtma teknolojileri (kompostlaĢtırma, biyometanizasyon), hacim azaltmak, stabilizasyon ve patojen gidermek gayesiyle

17

uygulanan katı atık dönüĢtürme ve uzaklaĢtırma teknolojileridir. Proses stabilitesi, oldukça az miktarda oluĢan biyokütlenin (fazla çamur) düĢük uzaklaĢtırma maliyeti, aerobik sistemlere göre daha az nütrient gereksinimi, yüksek organik yükleme hızları, net enerji üretimi, düĢük sera gazı emisyonları gibi anaerobik arıtımın sağladığı birçok üstünlük, katı atıkların organik kısmının anaerobik artımını ekonomik ve ekolojik olarak oldukça cazip hale getirmektedir. Farklı Biyolojik Ayrışma Oranlarına Sahip EOKA Türlerinin Anaerobik Arıtımı ile İlgili Çalışmalar Literatürde, farklı EOKA türlerinin anaerobik arıtılması ilgili birçok çalıĢma mevcuttur. Farklı oranlarda birleĢtirilmiĢ EOKA karıĢımlarının termofilik ve yarı kuru Ģartlarda tek kademeli anaerobik 3

3

arıtımı incelenmiĢtir (PAVAN ve diğ., 2000). 3m ve 1m ‘lük pilot ölçekli tam karıĢımlı reaktörlerde, Tablo 12‘de karakterizasyonu görülen EOKA türleri anaerobik Ģartlarda arıtılmıĢtır. Tablo 12. ÇalıĢmalarda kullanılan evsel organik katı atık türlerinin özellikleri Parametre MA-EOKA (*) KA-EOKA (**) TKM (g/kg) 647,2 163,9 TUKM (%TKM) 46,5 90,6 TKOĠ (kgO2/kg) 0,5 1,1 N (%TKM) 1,4 2,1 P (%TKM) 1,9 2,1 * 45 numunenin ortalaması, ** 115 numunenin ortalaması 5 set halinde yapılan deneysel çalıĢmanın sonuçları Tablo 13‘de özetlenmektedir. Deneysel çalıĢmada, her sette arıtılan atık içerisindeki KA-EOKA oranı arttırılmaktadır. Besi maddesi karakterizasyonu incelendiğinde, substratın UKM içeriğinin içerisindeki KA-EOKA oranı ile doğru orantılı olarak arttığı görülmektedir. Reaktöre beslenen atık içerisindeki KA-EOKA oranı arttıkça 3

3

spesifik biyogaz üretimi 0,32 m /kgUKMbeslenen (Set 1)‘den 0,78 m /kgUKMbeslenen (Set 5)‘e yükselmektedir (Tablo 13). Sistemde gözlenen yüksek gaz üretim hızı ve özgül gaz üretim hızlarına rağmen, Set 3‘de sistemin maksimum organik yükleme kapasitesine ulaĢılmaktadır. Set 3‘de reaktör içerisindeki TUA konsantrasyonu 6,3 g HAc/L olup, bu konsantrasyonun büyük bir kısmı propiyonik asitten kaynaklanmaktadır (3,5 g HAc/L). Bu durum, sistemin aĢırı yüklendiğinin bir göstergesidir (Tablo 13) (Pavan ve diğ., 2000). Set

4‘de

sadece

KA-EOKA

arıtılmasına

rağmen,

organik

yükleme

6

3

kgUKM/m .gün‘e

düĢürüldüğünden dolayı reaktör içerisindeki TUA konsantrasyonu 1,4 g HAc/l olmaktadır. Ayrıca Set 4 yaz mevsimine denk geldiğinden dolayı, substrat besleme tanklarındaki atık, sıcaklık ve uzun

18

bekleme süresinin de etkisiyle bir miktar hidroliz olmuĢ olabilir ve bu yüzden sistem 2 kademeli konfigürasyona yaklaĢmıĢ olabilir. Tablo 13. ÇalıĢma süresince yürütülen iĢletme Ģartları ve elde edilen sonuçlar Set 0 1 2 3 4 KA-EOKA (%TS) 0 15 30 50 100 ĠĢletme ġartları 0 T ( C) 56,2 55,5 55,9 55,7 55,1 Hidrolik Bek. Süresi (gün) 11,7 12,5 11,6 11,2 11,8 3 OYH (kgTUKM/m .gün) 9,7 7,5 12,1 12,6 6 Verim 3 3 GÜH (m /m .gün) 3,1 3,1 5,9 6,2 4,9 3 SGÜ (m /kgTUKM.gün) 0,32 0,42 0,49 0,5 0,78 TUKM giderimi (%) 37,3 42,8 59,3 57,9 82,2 KOĠ giderimi (%) 34,8 44,2 47,4 53,2 79,8 Atık Karakterizasyonu TKM (g/kg) 252,5 140,3 202,2 185,9 98,2 TUKM (%TKM) 45,6 65,3 69,3 75,8 81,9 ÇözünmüĢ KM (%TKM) 7,4 17,5 26,5 37 41,7 TKOĠ (gO2/kg) 140 117,8 192,5 177,8 95,1 KOĠçöz (gO2/kg) 21,6 16,8 43,9 51,3 33,4 TUA (gHAc/L) 13 15,5 7,8 8,9 7,6 pH 6,4 5,7 5,2 4,4 4,4 Reaktör Karakterizasyonu TKM (g/kg) 142,4 82,1 86,6 96,7 52,1 TUKM (%TKM) 54,2 53,7 54,3 55,2 55,4 ÇözünmüĢ KM (%TKM) 5,5 14,6 14,2 17,2 24,6 TKOĠ (gO2/kg) 99,1 55,9 58,3 66,4 31,9 KOĠçöz (gO2/kg) 5,3 4,8 5,7 14,1 5 TUA (gHAc/L) 0,4 1,3 1,8 6,3 1,4 pH 7,6 7,6 7,8 7,8 7,9 Alk(4) (gCaCO3/L) 10 7,9 10,8 15,8 10,7 NH4-N (mg/L) 806 826 1150 2750 1200 GÜH: Gaz üretim hızı, SGÜ: Spesifik gaz üretimi, OYH: Organik yükleme hızı

Bu çalıĢmalardan elde edilen bulgular aĢağıda özetlenmiĢtir: 

Orta derecede kolay ayrıĢabilir substratlar (TUKM/TKM ≤ 0,7) 12 günlük hidrolik bekleme 3

süresi ve 12 kgTUKMbeslenen/m .gün‘e kadar olan organik yüklemelerle termofilik ve yarı kuru olarak tek kademeli anaerobik sistemlerde arıtılırsa yüksek reaksiyon verimleri (SGÜ = 0,5 3

3

3

m /kgTUKMbeslenen, GÜH = 6 m /m .gün) elde edilebilir. 

Kolay ayrıĢabilir substratların (TUKM/TKM > 0,7) arıtımında, organik yükleme hızının 6 3

kgTUKMbeslenen/m .gün değerlerinin üzerine çıkılması tavsiye edilmez.

19



KA-EOKA yalnız baĢına arıtılacaksa, 2 kademeli sistemlerin kullanılması daha yararlı olur. Bu sayede daha yüksek organik yüklemeler yapılabilir.

KA-EOKA ve MA-EOKA türlerinin mezofilik sıcaklıklarda anaerobik arıtımı incelendiğinde, KAEOKA ile beslenen reaktörler daha yüksek organik yükleme hızlarında çalıĢmasına rağmen UKM giderimi ve spesifik gaz üretimi MA-EOKA ile beslenen reaktörlere göre 3 kat daha fazla olmaktadır (Tablo 14). Reaktöre beslenen atığın biyolojik olarak ayrıĢabilirliği, reaktörün UKM giderme verimine doğrudan etki etmektedir. Beslenen MA-EOKA içerisindeki UKM‘nin %50‘sinden fazlasının biyolojik olarak ayrıĢamayan maddelerden oluĢması nedeniyle, reaktörün UKM giderme verimi de düĢmektedir. Daha yüksek biyogaz verimleri elde ederek sistemin fizibilitesini arttırmak için inert kısımların mutlaka kaynağında ayrılması gerekmektedir. (CECCHI ve diğ., 1986; MATA-ALVAREZ ve diğ., 1990). Tablo 14. Farklı EOKA türlerinin mezofilik anaerobik arıtımı ile elde edilen veriler EOKA Türü MA-EOKA ĠĢletme ġartları θHidrolik (gün) 15,6 3 OYH (kgTUKM/m .gün) 6,8 Verim TUKM giderimi (%) 36,5 TUA giderimi (%) 91 3 SGÜ (m /kgTUKM.gün)* 0,225 3 SMÜ (m CH4/kgTUKM)** 0,114 Atık Karakterizasyonu 3 TKM (kg/m ) 107 3 TUA (kg/m ) 3,18 Reaktör Karakterizasyonu 3 TKM (kg/m ) 67,9 3 TUA (kg/m ) 0,29 Gaz Karakterizasyonu CH4 oranı (%) 50,6

KA-EOKA 13,6 4,2 67,1 81 0,637 0,398 57,1 4,3 18,8 0,8 62,5

* SGÜ: Spesifik gaz üretimi ** SMÜ: Spesifik metan üretim hızı

1.1.3.5.

Organik Katı Atıkların Anaerobik Arıtımında Kullanılan Sistemler

Katı atıkların anaerobik arıtımı için bazı ön ve son arıtma prosesleri gereklidir. Ön arıtma prosesleri manyetik ayrım, döner tambur, parçalama, eleme, hamurlaĢtırma, çöktürme ve pastörizasyon olarak sayılabilir. Bunların yanında susuzlaĢtırma veya ıslak mekanik ayrım da birçok ürünün geri kazanılabileceği son-arıtma prosesleri olarak sayılabilir (MATA-ALVAREZ, 2003) (ġekil 4).

20

Metaller

Su

Plastikler

Elek Üstü Mıkantıs

Boyut Küçültme

Elek Hamurlaştırıcı

Ağır Maddeler Isı

Buhar Gaz Motoru

Pastörizasyon

Elektrik Hidroliz Gaz Temizleme

S, N

Susuzlaştırma

Kompost

Yoğunluk Arttırıcı Madede

Anaerobik Reaktör Plastikler Kum Lifler

Susuzlaştırma Kompostlama

Atıksu Arıtma

Çamur

Su

Çamur

Islak Ayırma Prosesi

ġekil 4. Katı atıkların anaerobik arıtımında kullanılan baĢlıca prosesler Evsel katı atıkların anaerobik olarak arıtıldığı tesisler birçok prosesin birleĢiminden oluĢur. Atıktan elde edilebilecek ürünlerin miktar ve kalitesini çoğu kez atığın bileĢimi ve yapısı belirlese de, anaerobik reaktörün tasarımı da ürünlerin miktar ve kalitesini etkileyen önemli faktörlerden biridir. Ayrıca, anaerobik reaktör tasarımı gerekli ön ve son arıtma ihtiyaçlarını da belirler. Evsel organik katı atıkların anaerobik Ģartlarda arıtıldığı reaktörler içlerinde barındırdıkları katı madde yüzdesine (ıslak ve kuru sistemler), kademe sayısına (tek ve çift kademeli sistemler) ve prosesin yürütüldüğü iĢletme sıcaklığına (mezofilik ve termofilik sistemler) göre sınıflandırılmaktadır. Tablo 15‘de faklı anaerobik prosesler için tasarım ve iĢletme kriterleri verilmiĢtir.

21

Tablo 15. Anaerobik çürütme prosesleri için tasarım ve iĢletme koĢulları Proses Mezofilik, Islak

Mezofilik, Yarı kuru

Termofilik, Yarı kuru

Mezofilik, Kuru

Termofilik, Kuru

Birlikte Arıtım * **

Tasarım ve ĠĢletme ġartları * HRT : 14-30 gün ** 3 OLR : 2,6-4,0 kg UKM/m .gün HRT: 14-30 gün 3 OLR: 1,0-4,0 kg UKM/m .gün HRT: 15-20 gün 3 OLR: 6,0-8,0 kg UKM/m .gün HRT: 12-14 gün 3 OLR: 3,0-4,0 kg UKM/m .gün HRT: 6-15 gün 3 OLR: 6,0-20,0 kg UKM/m .gün HRT: 12-14 gün 3 OLR: 8,0-12,0 kg UKM/m .gün HRT: 17-30 gün 3 OLR: 6,0-9,0 kg UKM/m .gün HRT: 17-25 gün 3 OLR: 4,0-6,0 kg UKM/m .gün HRT: 17-25 gün 3 OLR: 3,0-4,0 kg UKM/m .gün HRT: 12-20 gün 3 OLR: 9,0-15,0 kg UKM/m .gün HRT: 12-16 gün 3 OLR: 6,0-9,0 kg UKM/m .gün HRT: 12-16 gün 3 OLR: 4,0-6,0 kg UKM/m .gün HRT: 14-16 gün 3 OLR: 1,9-3,9 kg UKM/m .gün (%25-80 AT-EOKA)

Substrat (organik katı atık) MA-EOKA KA-EOKA MA-EOKA AT-EOKA MA-EOKA KA-EOKA MA-EOKA AT-EOKA KA-EOKA MA-EOKA AT-EOKA KA-EOKA AT-EOKA Ġkincil Substrat

HRT: Hidrolik bekletme süresi OLR: Organik yük

Günümüzde, özellikle Avrupa ve Amerika‘da araĢtırma aĢamasında veya ticari kullanımda olan baĢlıca havasız arıtma teknolojileri aĢağıda açıklanmıĢtır. 1.1.3.5.1. Tek Kademeli Sistemler Tek kademeli sistemlerde bütün biyokimyasal reaksiyonlar (hidroliz, asit ve metan oluĢumu) tek bir reaktörde gerçekleĢtirilirken, iki kademeli sistemlerde reaksiyonlar iki ayrı reaktörde gerçekleĢir. Avrupa‘da, evsel organik katı atıkların (EOKA) ve biyo atıkların anaerobik arıtımında kullanılan gerçek ölçekli tesislerin %90‘ı tek kademeli sistemlerdir (DE BAERE, 2000). Tek kademeli sistemler iĢletme koĢullarına göre ―ıslak (düĢük katılı)‖ ve ―kuru (yüksek katılı)‖ sistemler olarak ikiye ayrılırlar. Tek Kademeli Tam Karışımlı Islak Reaktörler Atıksu arıtma tesislerinin fazla çamurlarının arıtımında yıllardır kullanılan anaerobik çürütücülere benzeyen, tek kademeli ıslak sistemler ilk bakıĢta çok cazip görünebilir. Bu tür sistemlerde EOKA,

22

tesiste oluĢan proses suyu veya temiz suyla seyreltilerek katı madde içeriği %15‘in (%8-12) altına getirilir. Bu sayede yoğunlaĢtırılmıĢ çamur kıvamına getirilen atık tam karıĢımlı reaktörlerde arıtılabilir. Bu alandaki ilk gerçek ölçekli tesis 1989 yılında Finlandiya‘nın Waasa Ģehrinde kurulmuĢtur (ġekil 5). Anaerobik Reaktör

Hamurlaştırıcı

Köpük tabakası Biyogaz

Ön-hücre EOKA

%10-15 KM

Susuzlaştırma Aşılama döngüsü

Isı

Aerobik Kompostlaştırma Atıksu arıtma

Ağır Maddeler

Temiz su

ġekil 5. Tek kademeli havasız ıslak tip reaktör sistemi (Waasa Prosesi) Bu proseste hamurlaĢtırıcı evsel organik katı atıkları parçalamak, homojenize etmek ve seyreltmek için kullanılır. Seyreltme iĢlemi için temiz su ve/veya prosesten geri döndürülen atıksu kullanılabilir. Elde edilen organik çamur, mekanik olarak karıĢtırılan tam karıĢımlı anaerobik reaktörlerde arıtılır. Tek kademeli ıslak prosesler çok basit gibi görünmesine rağmen, yüksek bir proses performansı sağlamak için birçok teknik sorunun çözülmesi gereklidir (WESTERGARD ve Teir, 1999; FARNETĠ ve diğ., 1999). Hem iri, ağır ve inert parçaların ana akımdan ayrılması hem de organik kısmın ana akım

içerisinde

tutulması,

elekler,

hamurlaĢtırıcılar,

tamburlar,

sıkıĢtırıcılar,

kırıcılar

ve

yüzdürücülerden oluĢan çok komplike bir ön-arıtma tesisi gerektirir. Bu ön-arıtma aĢamaları kaçınılmaz olarak uçucu maddelerde %10-15‘lik kayba ve biyogaz üretiminde düĢüĢe neden olur (FARNETĠ ve diğ., 1999). Waasa prosesinde kısa devreleri engellemek için atık anaerobik reaktörün içerisine yapılmıĢ ön hücreye beslenir. Bu hücrede sağlanan piston akım Ģartları atığın en azından birkaç gün reaktör içerisinde kalmasını sağlar. Ancak ön-hücre atığın yeterince hijyenize olmasını garantilemez. Bu 0

yüzden hamurlaĢtırıcı içerisine buhar püskürtülerek atık 1 saat boyunca 70 C‘de tutulmak suretiyle patojen mikroorganizmalar giderilir.

23

Biyolojik Arıtma Verimi Organik madde giderme verimi, gerçek tesiste giderilen sübstrat baĢına üretilen biyogaz miktarı ile laboratuvar ortamında optimum Ģartlarda iĢletilen doldur-boĢalt tipteki düzeneklerin (özgül metan üretimi testi gibi) biyogaz verimleri karĢılaĢtırarak belirlenebilir. Ancak genelde arıtma verimi uçucu katı madde (UKM) giderme yüzdesi olarak ifade edilir. Bunun ana sebebi, biyogaza dönüĢüm oranının proses performansından çok atığın bileĢimine bağlı olmasıdır. Örneğin gerçek ölçekli bir 3

tesisin metan üretimi yaz ve kıĢ aylarında 170-320 m CH4/kgUKMbeslenen (%40-75 UKM giderimi) arasında değiĢebilir. Zira yaz aylarında tesise gelen atık daha fazla park-bahçe atığı içerir. Parkbahçe atıkları, mutfak atıklarından daha fazla miktarda ligno-selülozik lifler içerdiğinden daha düĢük miktarda biyogaz üretimi gerçekleĢir. Biyolojik arıtma veriminin daha iyi diğer bir göstergesi de, sürdürülebilir maksimum reaksiyon 3

hızıdır. Bu hız; sübstrat besleme hızı (maksimum organik yükleme hızı OYH maks (kgUKM/m .gün)) yada ürün oluĢum hızı (birim zamanda reaktörün birim hacmi baĢına üretilen biyogaz yada metan 3

3

hacmi (m CH4/m .gün)) olarak ifade edilebilir. Bu göstergeler, atık bileĢimine daha az bağımlı olmaları ve reaktör tipine bağlı biyolojik aktiviteyi daha iyi yansıtmaları dolayısıyla, biyogaza dönüĢüm oranı ve uçucu madde giderme yüzdesine göre daha anlamlıdır. Farklı tip reaktörlerin biyolojik aktivitelerini karĢılaĢtırmanın en doğru yolu bu 3 göstergenin birlikte değerlendirilmesidir. MA-EOKA‘nın ve sebze-meyve atıklarının anaerobik arıtımında kullanılan termofilik tek kademeli 3

ıslak sistemlerde, mekanik olarak ayrılmıĢ EOKA için sürdürülebilir OYH maks = 9,7 kg UKM/m .gün, 3

kaynağında ayrılmıĢ sebze meyve atıkları için OYH maks = 6 kg UKM/m .gün olarak bulunmuĢtur (PAVAN ve diğ., 1999). Benzer sonuçlar C/N oranı 20‘den büyük olan tarıma dayalı endüstrilerin atıklarının mezofilik tek kademe ıslak arıtımında da gözlenmiĢtir (Weiland, 1992). Mekanik olarak ayrılmıĢ EOKA‘nın ıslak proseslerle arıtıldığı 2 adet tam ölçekli tesisten Ġtalya‘nın Verona Ģehrinde 3

bulunan tesis OYH = 8 kg UKM/m gün (FARNETI ve diğ., 1999), Hollanda‘da kurulmuĢ olan diğer 3

tesis ise OYH = 5 kg UKM/m .gün‘e göre tasarlanmıĢtır. Tek kademeli ıslak sistemlerin en büyük kısıtlarından biri, reaktörün içeriği tam karıĢımlı ve homojen olduğundan,

bakterilerin

yüksek

inhibitör

konsantrasyonlarından

korunabildiği

bölgelerin

olmamasıdır. Bu yüzden tam karıĢımlı reaktörler inhibitörlere karĢı hassastırlar. Ancak bu kısıt atığa eklenen temiz su ile inhibitör konsantrasyonlarının seyreltilmesi sayesinde ortadan kaldırılabilir. C/N oranının 20‘den küçük olduğu bazı tarımsal endüstri atıklarında, seyreltme için tamamen temiz su kullanılsa bile amonyak konsantrasyonu eĢik seviyenin altına indirilemeyebilir (WEILAND, 1992). Bu tür atıkların arıtımında tek kademeli sistemler yerine iki kademeli sistemler kullanılmalıdır.

24

Ekonomik ve Çevresel Değerlendirme Katı atıkların seyreltilmesi, daha ucuz ekipmanların (pompayla iletim) kullanılmasına imkan verirken aynı zamanda daha büyük reaktörler, daha fazla karıĢtırma enerjisi ihtiyacı, daha büyük susuzlaĢtırma ekipmanları ve daha kompleks ön-arıtma tesisileri gerektirir. Bu yüzden iĢletme ve ilk yatırım maliyetleride belirgin oranda artar. Tek kademeli ıslak sistemlerin en önemli kısıtlarından biri, atılan köpük tabakası ve ağır maddelerle kaybedilen UKM sonucu biyogaz veriminin düĢmesidir. Bir diğer kısıt ise atığı seyreltmek için 3

oldukça fazla miktarda temiz su gerektirmesidir (≈ 1m musluk suyu/ton katı atık). Su tüketimi hem ekolojik hem de ekonomik bakımdan mahsurludur. Zira bazı durumlarda suyun satın alınması ve atıksuyun arıtılması gerekebilir. Bu yüzden atığı seyreltmek için temiz su yerine, EOKA‘dan daha az katı madde içeriğine sahip farklı sübstratların (atıksu arıtma tesisi çamurları, çiftlik ve hayvan atıkları) kullanımına öncelik verilmelidir. Ayrıca atığın seyreltilerek hacminin arttırılması reaktör hacimlerini ve bu reaktörleri ısıtmak için gerekli buhar ihtiyacını artırır. Ancak reaktörleri ısıtmak için kullanılan buhar genelde üretilen biyogazdan elektrik elde etmede kullanılan motorların soğutulmasıyla sağlanan atık ısıdan karĢılandığı için, tesisin net enerji üretimi değiĢmeyecektir. Tek Kademeli Kuru Sistemler Kuru sistemlerde reaktör içerisindeki katı madde içeriği %20-40 arasında tutulur. Bu sayede sadece çok kuru substratları (>%50TKM) seyreltmek gerekir (OLESZKIEWICZ ve POGGI-VARALDO, 1997). Yüksek katı madde oranlarından dolayı bu tür reaktörlerin karıĢtırılması ve gerekli ön arıtım, ıslak sistemlerden farklıdır. Bu tür atıklar, taĢıma bantlarıyla ya da viskozitesi yüksek akımların iletiminde kullanılan güçlü pompalarla taĢınırlar. Bu tarz ekipmanlar ıslak sistemlerde kullanılan santrifüj pompalardan çok daha pahalıdır ve de sağlamdır. Atığa, reaktöre beslenmeden önce yapılması gereken tek ön arıtma 40 mm‘nin üzerindeki safsızlıkların temizlenmesidir. Bu maksatla mekanik olarak ayrılmıĢ EOKA‘da döner elekler, kaynağında ayrılmıĢ EOKA‘da ise öğütücüler uygulanabilir. Elek ya da öğütücülerden geçen taĢ, cam gibi ağır inert maddelerin atıktan ayrılmasına gerek yoktur. Kuru sistemler için gerekli ön arıtma sistemleri ıslak sistemlere göre daha basittir. Reaktördeki atık, yüksek vizikositesi nedeniyle, reaktörün içinde piston akımlı tipte hareket eder. Reaktörün piston akımlı olması sebebiyle mekanik parçalar (karıĢtırıcı) gerekmez. Ancak bu tür reaktörlerdeki en önemli sorun arıtılan atığın biyokütle ile yeterli karıĢımının sağlanmasıdır. Bu husus yeterli aĢılamanın sağlanması ve bazı bölümlerde aĢırı yüklenmelerin ve asidifikasyonun önlenmesi için çok önemlidir. Atığın etkin karıĢtırılabilmesi bakımından genelde 3 tip reaktör tasarımı uygulanmaktadır (ġekil 6).

25

ġekil 6. Tek kademeli havasız kuru tip reaktör tasarımları (A. Dranco tipi, B. Kompogas tipleri, C. Valorga tipi) Dranco Prosesi DRANCO Prosesi, evsel organik katı atıkların anaerobik arıtımını sağlayarak enerji ve humotex diye adlandırılan kompost elde etmek için Belçika‘da geliĢtirilmiĢtir (SIX ve DE BAERE, 1992). Ön ayırmadan sonra, organik kısım, havasız reaktörlerde 2-3 hafta çürütülür. DRANCO Prosesi, üretilen elektriğin % 30-50‘sini kendi içinde tüketir.

Dranco prosesinde, karıĢtırma reaktörün

altından çekilen atığın taze atıkla birlikte raktörün üst kısmına geri devrettirilmesiyle sağlanır (1 birim taze atık baĢına 6 birim çürütülmüĢ atık). Bu basit tasarım katı madde oranı %20-50 arası atıklar için baĢarıyla kullanılabilmektedir. Havasız reaktörden çıkan atık, sıkıĢtırma presi yardımıyla % 60 katı maddeye kadar susuzlaĢtırılır. Filtre pres sıvısı buharlaĢtırma tesisinde ileri arıtmaya tabi tutulabilir. Filtre pres keki ise aerobik kompostlaĢtırma prosesine sokulur. Proses sonunda elde edilen ve Humotex olarak adlandırılan kompost, kararlı hale gelmiĢtir ve patojen ihtiva etmez. Humotex, düzenli depolama alanlarında günlük örtü veya toprak ıslah edici olarak da kullanılabilir. 3

Belçika‘da Gent kentinde karıĢık evsel çöple beslenen 56 m ‘lük bir pilot tesis bulunmaktadır. o

Reaktördeki iĢletme sıcaklığı 55 C ve toplam katı konsantrasyonu yaklaĢık olarak % 32‘dir. 3

3

3

Ortalama gaz üretim hızı 3,33 m CH4/m -gün‘dür. Hacimsel yükleme hızı 17,3 kg COD/m -gün ve 3

COD giderimi % 55‘dir. Yılda 10500 ton kaynağında ayrılmıĢ katı atığı arıtan ve 808 m 'lük çürütücüye sahip olan bir DRANCO tesisi de Belçika‘nın Brecht kentinde inĢa edilmiĢtir. Bu tesisin akım Ģeması ġekil 7‘de verilmiĢtir.

26

Evsel Katı Atık Biyogaz

Sarsmalı Taban

Yanma Bacası

Ezme/Kırma

Döner Elek (40 mm)

Elek altı

Gaz Motorları

Gaz Deposu

DRANCO Prosesi

Elek üstü

Buhar Jeneratörü

Ezme/Kırma

Döner Elek (40 mm)

Manyetik Ayırma

Karıştırma Ünitesi

İnertler

Besleme Ünitesi

Elektrik

Karıştırma ünitesi/Besleme Pompası

Polieloktrolit ilavesi

Pres

Titreşimli Elek

İnertler

Polieloktrolit ilavesi

Atıksu Depolama Tankı

Aerobik Olgunlaştırma

Santrifüj

Kompost

Atıksu (Atıksu arıtma tesisi başına)

ġekil 7. Brecht (Belçika)‘daki DRANCO tesisi akım Ģeması

27

KOMPOGAS Prosesi Kompogas prosesi de Dranco prosesine benzerdir, ancak ondan farklı olarak piston akım yatay düzlemde gerçekleĢtirilir. Reaktör, aralıklı olarak çalıĢtırılan (her 15 dakikada 4 dakika) ve Ģiddetli dinamik kuvvetler oluĢturan hidrolik bir karıĢtırıcı ile donatılmıĢtır. Bu karıĢtırıcı aynı zamanda homojenizasyonu, gaz ayrımını ve ağır parçacıkların karıĢımını da sağlar. Bu sistemde reaktör içerisindeki katı madde muhtevası yaklaĢık %23 olarak ayarlanmalı ve madde boyutu 5 cm‘den aza indirilmelidir. DüĢük katı madde oranlarında, cam, kum gibi ağır parçacıklar çökerek reaktör içinde birikirler, daha büyük katı madde oranları ise akıma karĢı aĢırı direnç gösterir. Kompogas Prosesi‘nin akım Ģeması ġekil 8‘de gösterilmiĢtir. Katı atıklar, toplama tankından bir birleĢik sıyırıcı/piston yardımıyla, ısıtıcı üzerinden reaktöre beslenir. Reaktörden çıkan atık, piston vasıtasıyla filtre prese gönderilir. Bu filtre preste, sıvı (toplam katı içeriği %15-22) ve tarımda mükemmel bir gübre olarak kullanılabilen kompost ürünü (toplam katı içeriği % 45-50) ayrılır. Reaktörden çıkan maddenin bir kısmı aĢı olarak sisteme geri devrettirilir. Üretilen biyogaz elektrik üretimi için bir jeneratöre gönderilir. Ayrıca biyogaz kullanılarak elde edilen buhar, reaktörü ısıtmak için kullanılır.

ġekil 8. KOMPOGAS prosesi akım Ģeması VALORGA Prosesi Valorga sisteminde ise, piston akım silindirik reaktörün içinde yatay düzlemde dairesel olarak gerçekleĢir ve karıĢtırma iĢlemi 15 dakika aralıklarda reaktöre yüksek basınçla enjekte edilen biyogazla sağlanır (FRUTEAU DE LACLOS ve diğ, 1997). Bu pnömatik karıĢtırma metodu oldukça etkilidir ve bu sayede arıtılan atığın tekrar reaktöre geri devrettirilmesine gerek kalmaz. Bu tip karıĢtırma sisteminin en önemli mahzuru gaz enjeksiyon deliklerinin sık sık tıkanması ve bunların bakımının çok zor olmasıdır. Kompogas sisteminde olduğu gibi, reaktör muhtevasını %30 KM‘de tutabilmek için proses suyu reaktöre geri devrettirilir.

28

Valorga sistemi KM oranının %20‘nin altında olduğu ıslak atıklar için uygun değildir zira bu durumda ağır patiküller çökerek reaktörde birikim yapabilir. Tablo 16. Valorga prosesinde havasız kompostlaĢtırma reaktörü karakteristikleri Parametreler Sıcaklık

Birim oC

Mezofilik ġartlar 37-40

Termofilik ġartlar 55-60

pH Bekleme Süresi Organik Yük

Gün

7-7,2 17-25 7,5-9

7-7,2 12-18 10-13

54 210-240

55-60 220-260

Metan Ġçeriği Metan Üretimi

kg Uçucu Katı/m3-gün % 3 m CH4/t-Uçucu Katı

Reaktörden çıkan maddenin katı madde içeriği % 24-28‘ dir ve daha sonra yaklaĢık olarak % 50 katı maddeye ulaĢması için presden geçirilir. Üretilen biyogaz depolanır, daha sonra değerlendirme ünitesine (buhar, elektrik üretimi vb) transfer edilir, gazın bir kısmı da sıkıĢtırılır ve reaktördeki atığın karıĢtırılması için reaktöre geri gönderilir. Valorga sistemi için tipik reaktör özellikleri Tablo 16‘da verilmiĢtir. Biyolojik Arıtma Verimi Yüksek katılı (kuru) sistemlerde atık seyreltilmeden reaktöre beslendiği için ıslak sistemlerden daha fazla inhibisyona maruz kalacağı düĢünülebilir. Ancak pilot ve tam ölçekli çalıĢmalarda elde edilen yüksek organik yükleme değerleri, yüksek katılı sistemlerin düĢük katılılara göre inhibisyondan daha az etkilendiğini göstermiĢtir. Kuru sistemlerde ıslak sistemlerden daha yüksek organik yükleme değerlerine çıkılabilmektedir. o

Yapılan çalıĢmalar incelendiğinde, 40 C‘de iĢletilen bir Valorga prosesi (Tilsburg) 3 g/L‘ye kadar olan amonyum konsantrasyonlarında bile yüksek organik yüklemelere dayanabildiği o

görülmüĢtür (Fruteau de Laclos ve diğ., 1997). Buna karĢın 52 C‘de iĢletilen bir Dranco prosesi

ise

maksimum

2,5

g/L

amonyum

konsantrasyonuna

kadar

kararlılığını

koruyabilmiĢtir. Bu sınır değerler ―ıslak‖ sistemler için bildirilen değerlerden fazla yüksek değildir. Bunun nedeni kuru sistemlerde amonifikasyon miktarının ıslak sistemlere göre daha az olması ve bu yüzden de daha az miktarda amonyum üretilmesi veya mikroorganizmaların toksik maddelere ve organik Ģoklara karĢı daha iyi korunabiliyor olması ile açıklanabilir. Uçucu katı madde giderimi bakımından yukarıda bahsedilen 3 farklı reaktör yaklaĢık aynı 3

performansı göstermektedir ve park-bahçe atıklarından standart Ģartlarda 90 m /ton, mutfak 3

atıklarından 150 m /ton atık biyogaz üretilebilmektedir (Fruteau de Laclos ve diğ., 1997; De 3

Baere, 2000). Bu değerler yaklaĢık 210-300 m CH4/ton UKM ve %50-70 UKM giderimine karĢı gelmekte olup, %40-70 UKM giderimi görülen ―ıslak‖ sistemlere oldukça yakındır (WEILAND, 1992; PAVAN ve diğ., 2000; WESTERGARD ve TEIR, 1999). Kuru tip sistemlerde ağır parçacıklar ve köpük tabakası tahliye edilmediğinden dolayı ıslak tip sistemlere göre daha yüksek bir biyogaz üretim verimi beklenir.

29

Kuru tip reaktörler ile ıslak tip reaktörler arasındaki farklılık, sürdürülebilir organik yükleme hızında daha belirginleĢir. Hollanda‘nın Tilsburg Ģehrindeki Valorga dizaynı tipindeki arıtma o

3

tesisinde 40 C‘de istenilen 3000 m ‘lük iki reaktörde haftada 1000 ton sebze-meyve-bahçe 3

atığı arıtılabilmektedir (FRUTEAU DE LACLOS ve diğ., 1997). Bu değer 5 kg UKM/m güne karĢılık gelmektedir. Bu değer ıslak sistemler kadar yüksektir. Optimize edilmiĢ kuru sistemler daha da yüksek organik yüklemelerle iĢletilebilir. Örneğin Belçika‘nın Brecht 3

Ģehrindeki Dranco tipi arıtma tesisi, yıllık ortalama 15 kg UKM/m gün organik yükleme değerlerinde çalıĢtırılmaktadır. Bu değere atık hiç seyreltilmeden ulaĢılabilmektedir. Yaz aylarında 14 gün çamur yaĢında %65 UKM giderimi elde edilebilmektedir. Dranco 3

prosesinde organik yükleme için tipik tasarım değeri 12 kg UKM/m .gün‘dür. Bu değer ıslak tip sistemlerin 2 katıdır. Dolayısıyla aynı miktar atık arıtmak için gerekli reaktör hacmi ıslak tip reaktörlerin yarısı kadardır. Kuru ve ıslak tip reaktörlerin kurulu kapasitelerinin yıllara göre değiĢimi ġekil 9‘da görülmektedir. ġekilden de görüldüğü gibi kuru tip sistemler giderek ağırlık kazanmaktadır (DE BAERE, 2005).

ġekil 9. Kuru ve ıslak tip proseslerin kurulu kapasitelerinin geliĢim Ekonomik ve Çevresel Değerlendirme Islak ve kuru tip sistemlerin iĢletme ve ilk yatırım maliyetleri birbirine çok yakındır. Kuru tip sistemlerde kullanılan ekipman ve özel parçalar ıslak sistemlere göre çok daha pahalı, buna karĢılık kuru sistemlerde atık için gereken ön arıtma ihtiyacı ve reaktör hacmi ıslak tip reaktörlere göre daha küçük ve ucuzdur. Kuru tip sistemlerdeki daha düĢük ısı ihtiyacının genellikle ekonomik bir getirisi yoktur. Bu ısı genellikle gaz motorlarındaki fazla atık ısıdan elde edilir. Islak sistemlerdeki gibi üretilen elektriğin %30‘u tesis içinde kullanılır. Islak ve kuru tip sistemlerin arasındaki en büyük fark çevresel konularda ortaya çıkar. Islak 3

sistemler 1 ton EOKA için 1m temiz su gerektirirken, kuru sistemler 10 kat daha az su gerektirir. Dolayısıyla kuru sistemlerde oluĢan atık su miktarı çok daha azdır. Kuru sistemlerin diğer bir çevresel üstünlüğü de reaktör içerisindeki piston akım sayesinde

30

termofilik Ģartlarda atığın tam hijyenizasyonu sağlanır ve patojen içermeyen son ürün elde edilir (BAETEN VE VERSTRAETE, 1993). 1.1.3.5.2. Ġki Kademeli Sistemler Anaerobik arıtma sürecinde gerçekleĢen ana reaksiyonlar farklı optimum çevresel Ģartları gerektirmektedir. Bu yüzden iki veya daha fazla kademeli sistemler geliĢtirilmiĢtir. Anaerobik arıtma sürecinin farklı adımlarında gerçekleĢen reaksiyonları ayrı ayrı reaktörlerde optimize etmek reaksiyon hızını ve biyogaz miktarını arttırabilir (Ghosh ve diğ., 1999). Ġki kademeli sistemlerde; birinci reaktörde hidrolizin hız sınırlayıcı kademe olduğu hidroliz-asidifikasyon reaksiyonları, ikinci reaktörde ise yavaĢ mikrobiyal büyümenin hız sınırlayıcı olduğu asetat ve metan üretimi reaksiyonları gerçekleĢir. Bu iki ana kademe farklı reaktörlerde gerçekleĢtiğinden

metan

üretiminin

gerçekleĢtiği

ikinci

reaktörü

yüksek

biyokütle

konsantrasyonlarında ve çamur yaĢlarında çalıĢtırmak mümkündür (WEILAND, 1992; KUBLER VE WILD, 1992). Ġki kademeli sistemlerin esas avantajı, tek kademeli sistemlerde kararsız performanslara yol açabilen bazı atık türlerinin daha kararlı olarak arıtılabilmesidir. Ġki kademeli sistemlerin tamamı organik yüklemedeki değiĢkenliklere karĢı bir miktar koruma sağlar. Buna rağmen sadece biyokütle konsantrasyonunun ve çamur yaĢının yüksek olduğu iki kademeli sistemler yüksek azot ve diğer inhibitörlerin konsantrasyonlarına dayanabilmektedir (WEILAND, 1992). Bu yüzden 2 kademeli tasarımların birçoğunda ikinci reaktörde çamur yaĢı yüksek tutulur. Ġki kademeli sistemlerin en önemli dezavantajları ilk yatırım maliyetlerinin yüksek oluĢudur. Ayrıca çift kademeli sistemlerde proses kontrolü tek kademeli sistemlere göre daha karmaĢık ve zordur. Bu nedenle Avrupa‘da kurulu kapasitenin %87‘sini tek kademeli sistemler oluĢturmaktadır. Düşük Çamur Yaşına Sahip İki Kademeli Sistemler Özellikle laboratuvar araĢtırmalarında kullanılan en basit iki-kademeli sistem tasarımı birbiri ardına seri bağlanmıĢ 2 tam karıĢımlı reaktör Ģeklindedir (PAVAN ve diğ., 2000; SCHERER ve diğ., 1999). Kullanılan reaktörlerin teknik özellikleri tek kademeli ―ıslak‖ sistemlerdekilere çok benzerdir. Atıklar 1. çürütücüye girmeden önce öğütülür ve %10 KM içerecek Ģekilde proses suyuyla seyreltilir. Schwarting-Uhde Prosesi Ġki düĢük katılı reaktörün seri olarak bağlandığı Schwarting-Uhde prosesinde %12 TKM‘ye seyreltilmiĢ ve partikül çapı küçültülmüĢ kaynağında ayrılmıĢ biyoatık reaktör içerisine yerleĢtirilmiĢ delikli plakalar arasında dikey yönde ilerler (ġekil 10). Yukarı yöndeki üniform dikey hareket kesikli çalıĢtırılan pompalarla sağlanır. Bu hareket aynı zamanda atığın karıĢımını da sağlar (TRÖSCH ve NĠEMANN, 1999). Dikey yönlü bu hareket ayrıca biyogazı da yukarı yönde iter. Bu tasarımda reaktör içerisinde hareketli parça olmadan atığın karıĢımı sağlanır. Sistem piston akımlı çalıĢtığından kısa devreler oluĢmaz ve termofilik Ģartlarda

31

uygulandığında atığın hijyenizasyonu da sağlanmıĢ olur. Ayrıca diğer ıslak reaktörlerde görülen köpük oluĢumu da görülmez, ancak gözenekli plakalar çok kolay tıkanabildiği için bu proses daha temiz (plastik, cam, metal gibi inert parçalar içermeyen) ve kolay ayrıĢabilen atıklar için uygundur.

Biyogaz

NaOH Seyreltilmiş ve partikül boyutu küçültülmüş atık

Çıkış Suyu

Ağır Maddeler

ġekil 10. Partikül boyutu küçültülmüĢ (≈ 1mm) ve %12 KM‘ye seyreltilmiĢ KA-EOKA‘ya uygulanılabilen iki kademeli ıslak-ıslak piston akımlı sistem BRV Prosesi BRV prosesinde ise kaynağında ayrılmıĢ ve %34 TKM içeriğine ayarlanmıĢ biyoatıklar önce aerobik Ģartlarda iĢletilen hidroliz reaktörüne girer. Bu reaktörde atık kısmi hidrolize uğrar ve solunum nedeniyle atığın %2‘si kaybedilir. Hidroliz prosesinin mikro-aerobik Ģartlarda yapılmasının en önemli nedeni, solunum sebebiyle kaybedilen KOĠ‘ye karĢılık sıvı faza geçen KOĠ miktarının çok daha fazla olmasıdır (WELLĠNGER ve diğ., 1999; CAPELA ve diğ., 1999). Takriben 2 günlük hidroliz süresinden sonra, atık yatay yönde piston akım modunda o

iĢletilen metan reaktörlerine alınır. Arıtma iĢlemi 55 C‘de ve %22 TKM‘de 25 gün sürer. Sistemin en önemli üstünlükleri, kuru Ģartlarda iĢletilmesinden dolayı reaktör hacimlerinin küçük olması ve piston akım sonucu atığın tam hijyenizasyonunun sağlanmasıdır. Biyolojik Arıtma Verimi Ġki kademeli sistemlerin en önemli üstünlüğü sebze-meyve atıkları gibi çok kolay ve hızlı ayrıĢabilen atıkların çok yüksek bir biyolojik kararlılıkta arıtılabilmesidir (Pavan ve diğ., 2000). Çok hızlı hidrolize olabilen sebze meyve atıkları tek ve iki kademeli laboratuvar ölçekli 3

reaktörlere beslenmiĢtir. Tek kademeli sistemin 3,3 kgUKM/m .gün organik yüklemede 3

proses stabilitesini kaybetmesine karĢın 2 kademeli sistem 7 kgUKM/m .gün OYH‘larında bile stabilitesini kaybetmemiĢtir (PAVAN ve diğ., 1999). Buna rağmen atığın homojen karıĢımına ve sabit organik yükleme hızlarında reaktöre beslenmesine özel önem verilirse, tek kademeli sistemler de çift kademeliler kadar güvenilir ve stabil çalıĢabilir (WEILAND, 1992). OYH‘larındaki kısa dönemli salınımlar, tek kademeli sistemlerde kısa dönemli aĢırı yüklenmelere neden olabilir. Ancak iki kademeli sistemlerde OYH‘ndaki dalgalanmalar 1.

32

kademe tarafından tamponlanır, bu sayede 2. kademeye uygulanan organik yükleme hızı zamana göre üniform bir özellik gösterir. Ön çürütücünün bu tamponlama etkisi özellikle metan üretiminin hız sınırlayıcı olduğu selüloz içeriği az olan atıkların arıtımında çok faydalıdır (EDELMANN ve diğ., 1999). Bu sayede 2. reaktördeki metan üretim reaksiyonları aĢırı organik yüklemeden korunmuĢ olur. Hidroliz safhasının hız belirleyici adım olduğu yavaĢ ayrıĢabilen bir çok atık türünde ise Ģok yükler inhibisyona neden olmayabilir (NOIKE ve diğ., 1985). Çamur yaĢı yüksek olmayan iki kademeli sistemler ve tek kademeli sistemler biyogaz üretimi ve maksimum sürdürülebilir OYH açısından karĢılaĢtırıldığında, iki sistem arasında çok az 3

fark olduğu görülebilir. Örneğin; BRV prosesi 8 kgUKM/m .gün, Schwarting-Udhe prosesi ise 3

maksimum 6 kgUKM/m .gün organik yükleme hızlarında iĢletilebilir (TROSCH ve NIEMANN, 1999). İki Kademeli Yüksek Çamur Yaşına Sahip Sistemler Ġki kademeli sistemlerde çamur yaĢını arttırmanın ilk yolu, reaktörün çıkıĢ akımındaki askıda maddenin yoğunlaĢtırılarak rektöre geri döndürülmesidir. Bu iĢlem, reaktöre içsel çöktürme entegre edilerek yada bir membran sistemi ile gerçekleĢtirilebilir. Ancak arıtılan sübstratın %15‘inden fazlası inert katı madde ise, reaktörün içerisinde biriken katı maddede aktif biyokütle oranı giderek düĢecektir. Dolayısıyla bu yöntem sadece hızlı hidrolize olabilen ve biyolojik ayrıĢabilirliği yüksek mutfak ve kapalı sebze pazarı/süpermarket atıkları için uygundur (WEILAND, 1992; MADOKORO ve diğ., 1999). Çamur yaĢını arttırmanın bir diğer yolu ise, ikinci kademede biyofilm oluĢumuna imkan veren bir destek maddesi ile kullanmaktır. Bu sayede yüksek biyokütle konsantrasyonlarına ve uzun çamur yaĢlarına çıkılabilir. Bu tasarımın en önemli mahzuru, ikinci reaktöre beslenen atığın askıda katı madde içeriğinin çok düĢük olması gerekliliğidir. Bu yüzden hidroliz aĢamasından çıkan atığın askıda katı maddesi giderilmelidir. Bu prensibe dayanan 2 proses geliĢtirilmiĢtir. BTA Prosesi BTA prosesinde, hamurlaĢtırıcıdan çıkan %10 katı madde içerikli atık önce pastörize edilir ve susuzlaĢtırılır. SusuzlaĢtırma aĢamasında elde edilen sıvı kısım metan reaktörüne gönderilir (Kübler ve Wild, 1992). Katı kek ise proses suyuyla ıslatılarak, mezofilik Ģartlarda çalıĢan tam karıĢımlı bir reaktörde (θh = 2-3 gün) hidroliz edilir. Hidroliz reaktörünün pH‘sını 6-7 arasında tutabilmek için metan rektörünün proses suyu geri devrettirilir. Hidroliz reaktörünün çıkıĢ akımı tekrar susuzlaĢtırılır ve sıvı kısım metan reaktörüne gönderilir. Metan reaktörü sadece katı madde oranı düĢük sıvı akımları arıttığından biyofiltre olarak tasarlanabilir. Teknik açıdan bu sistem ıslak sistemlerin tüm mahzurlarını (kısa devreler, köpük oluĢumu, ağır partiküllerin dibe çökmesi, boruların büyük partiküllerle tıkanması ve hamurlaĢtırıcıdan atılan maddelerle birlikte %10-30 arası uçucu organik madde kaybı gibi) içerir. Bu sistemin en önemli mahzuru ise diğer sistemlerin tek bir reaktörle yapabildiği arıtımın dört ayrı reaktörle gerçekleĢtirebilmesidir (ġekil 11).

33

Metaller Plastikler Köpük tabakası EOKA

Mıknatıs Proses suyu

Hamurlaştırıcı Ağır Partiküller

Pastörizasyon Biyogaz 1. Kademe: Hidroliz Katı akım Sıvı geri devri

Susuzlaştırma Sıvı akım Kompostlaştırma

2. Kademe: Metan Reaktörü

ġekil 11. Ġkinci kademenin biyofiltre türünde tasarlandığı çift kademeli ıslak-ıslak tip proses (BTA prosesi), (Hidroliz olmayan katı madde ikinci reaktöre gönderilmez) Biopercloat Prosesi Biopercloat prosesinde, BTA sisteminden farklı olarak hidroliz kademesi ―kuru‖ ve mikroaerobik Ģartlarda gerçekleĢtirilir ve hidroliz reaksiyonunu hızlandırmak için atık üzerine sürekli olarak proses suyu geri devrettirilir (EDELMANN ve diğ., 1999; WELLINGER ve diğ., 1999). Elde edilen atıksu, destek malzemesiyle doldurulmuĢ piston akımlı bir anaerobik filtreye beslenir. Ġlk kademenin aerobik olması ve ikinci kademenin biyofilm büyüme Ģeklinde olması sistemin 7 gün gibi düĢük bekleme sürelerinde çalıĢabilmesini sağlar (GARCIA ve SCHALK, 1999). Biyolojik Arıtma Verimi Metan reaktörü biyofiltre olarak tasarlanan iki kademeli sistemlerde, yüksek biyokütle konsantrasyonları elde edilebilir. Bu nedenle bu sistemler inhibisyona karĢı daha dayanıklıdır. Organik olarak ayrıĢabilirliği yüksek tarıma dayalı bir endüstrinin atıklarının 3

+

arıtımında kullanılan tek kademeli pilot sistem 4 kg UKM/m organik yükleme ve 5 g NH4 /L 3

konsantrasyonlarında stabilitesini kaybederken, 2 kademeli sistem 8 kg UKM/m .gün organik yüklemelerde bile rahatlıkla çalıĢmaktadır (WEILAND, 1992). Ġki kademeli sistemlerin diğer bir üstünlüğü de yüksek organik yükleme hızlarına çıkılabilmesidir. BTA prosesinde 10 kg UKM/gün, Biopercloat sisteminde 15 kg UKM/gün organik yüklemeler yapılabilmektedir. Ancak kısa hidroliz süreleri nedeniyle atık içerisinde

34

kalan kaba partiküler organik maddeler reaktörlere beslenemediğinden biyogaz üretimi %2030 düĢmektedir. 1.1.3.5.3. Doldur-BoĢalt Sistemler Doldur-boĢalt sistemlerde, reaktörler aĢı maddesi eklenerek veya eklenmeden taze atıkla doldurulur. Reaktöre beslenen atığın katı madde içeriği %30-40 arasındadır. Doldur-boĢalt sistemler düzenli depo alanları gibi gözükse de, sızıntı suyunun reaktöre sürekli geri devrettirilmesi, yüksek ve kontrol edilen sıcaklıklarda iĢletilmeleri sebebiyle biyogaz verimleri düzenli depo alanlarında 50-100 kat daha fazladır (ġekil 12). Doldur-boĢalt sistemlerin basit tasarım ve kontrolü, ağır ve kaba parçalardan etkilenmemesi, düĢük yatırım ve iĢletme maliyetleri

bu

sistemleri

özellikle

geliĢmekte

olan

ülkeler

için

cazip

kılmaktadır

(OUEDRAGOGO, 1999). Yeni

A) Tek kademeli (Biocell)

Olgun

B) Ardışık kesikli doldur-boşalt (SEBAC)

Eski

HÇYR

C) Hibrid doldur-boşalt-HÇYR

ġekil 12. Farklı doldur-boĢalt reaktörlerde sızıntı suyu geri devir seçenekleri BIOCEL Prosesi BIOCEL Prosesi, kaynağında ayrılmıĢ evsel katı atıkların organik kısımlarının (sebze, meyve ve bahçe atıkları) ve zirai atıkların havasız kompostlaĢtırılması için Hollanda‘da geliĢtirilen bir prosestir (ġekil 12). Hollanda‘da bu prosesi uygulayan 35000 ton/yıl kapasiteli tam ölçekli bir tesis kaynağında ayrılıĢ organik katı atığı baĢarıyla arıtmaktadır (TEN BRUMMELER, 1999). Atık 480 m

3

faydalı hacimli 14 adet paralel çalıĢan betonarme reaktöre doldurulmaktadır. Reaktörlerin altındaki bölmelerde toplanan sızıntı suyu reaktörlerin üst kısımlarından püskürtülür. Bu sistemin ve diğer doldur-boĢalt sistemlerin en önemli mahzuru geçirimli tabakanın tıkanabilmesidir. Bu problem, reaktör içerisine 4 m‘den daha yüksek atık doldulmayarak ve taze atığı boĢluk artırıcı malzeme ile karıĢtırarak (1 ton taze atığa 1 ton susuzlaĢtırılmıĢ çürütülmüĢ atık ve 0,1 ton tahta talaĢı karıĢtırılır.) önlenmeye çalıĢılır. ÇürütülmüĢ atıkla karıĢtırılarak hem aĢlama yapılmıĢ olur hemde taze atığın seyrelmesi sağlanmıĢ olur. Bu tür reaktörler açılır ve boĢaltılırken patlayıcı koĢullar oluĢabileceğinden dolayı güvenlik önlemleri alınmalıdır. Ardışık Kesikli Havasız Reaktörler (SEBAC) ArdıĢık kesikli havasız reaktörlerde kompostlaĢtırma prosesi, Amerika BirleĢik Devletleri'nde deney aĢamasında olan üç kademeli bir prosestir. Bu proses evsel katı atıkların organik kısımlarını ve bahçe atıklarını arıtmak için kullanılmaktadır.

35

SEBAC Prosesi ġekil 12‘de gösterilmiĢtir.

ArdıĢık kesikli doldur-boĢalt tip reaktörlerde,

yüksek konsantrasyonda uçucu yağ asiti içeren genç bir reaktörün sızıntı suyu, metanojenik safhaya geçmiĢ daha olgun bir reaktöre devrettirilir. Olgun reaktörün düĢük konsantrasyonda uçucu asit içeren ve pH tamponlama kapasitesi yüksek olan sızıntı suyu ise genç reaktöre devrettirilir. Bu konfigürasyon çapraz aĢılamayı sağlar ve bu sayede taze atığı aĢıyla karıĢtırma gereği kalmaz. Ayrıca sızıntı suyu geri devrettirilmesi optimum kompostlaĢtırma için gerekli nütrientleri sağlar ve ilave olarak birinci kademede üretilen ve yüksek konsantrasyonlarda inhibisyona neden olan uçucu yağ asitleri de giderir. Hibrit Doldur-Boşalt Reaktörler Hibrit doldur-boĢalt-HÇYR tarzı tasarımda ise, metan üretimi HÇYR‘de gerçekleĢtirilir. Anaerobik mikroorganizmaların granüller oluĢturduğu HÇYR‘ler yüksek konsantrasyonlarda uçucu yağ asidi içeren sıvı atıkları yüksek organik yüklemelerde arıtabilmek için oldukça uygundur (ANDERSON VE SAW, 1992; CHEN, 1999). Biyolojik Arıtma Verimi Hollanda‘daki BIOCELL tesisinde kaynağında ayrılmıĢ evsel organik katı atıktan, 70 kg biyogaz/ton atık üretilebilmektedir. Bu değer aynı atık türünü arıtan tek kademeli sürekli beslemeli sistemlerden %40 daha düĢüktür (SAĠNT-JOLY ve diğ., 2000; De Baere, 2000). Bunun esas sebebi reaktör içerisinde oluĢabilen kanallanmalardır. Kanallanma nedeniyle sızıntı suyu reaktöre üniform dağılmamakta ve belirli yollar izlemektedir. Bu da sistemin biyogaz verimini düĢürmektedir. BIOCELL prosesinin organik yükleme hızı sürekli beslemeli 3

sistemlerden çok düĢük değildir. Hollanda‘daki BIOCELL tesisi 3,6 kg UKM/m .gün organik 3

yükleme hızına göre tasarlanmıĢ olup, yaz aylarında 5,1 kg UKM/m .gün OYH‘lerde de sorunsuz çalıĢabilmektedir (TEN BRUMMELER, 1999). ArdıĢık kesikli doldur-boĢalt reaktörlerde ise, üretilen uçucu asitlerin olgun reaktörlerde giderilmesi sayesinde reaksiyon hızlarını arttırır. Bu yolla proses performansı daha güvenilir bir hale gelir ve biyogaz kompozisyonu daha az değiĢir (O‘KEEFE ve diğ., 1992; SILVEY ve 0

3

diğ., 1999). 55 C‘de iĢletilen pilot reaktörlerde 3,2 kg UKM/m .gün OYH‘larında, maksimum biyogaz üretim potansiyelinin %80-90‘ı kadar biyogaz elde edilebilmiĢtir (O‘Keefe ve diğ., 1992; Silvey ve diğ., 1999). Ekonomik ve Çevresel Değerlendirme Doldur-boĢult sistemler teknik olarak daha basit olduğundan, ilk yatırım maliyetleri sürekli sistemlerden ≈ %40 daha düĢüktür (TEN BRUMMELER, 1992). Ancak gerek yüksekliklerinin sürekli beslemeli kuru sistemlerin %20‘si, gerekse OYH‘larının bu sistemlerin yarısı kadar olması

nedeniyle,

sürekli

beslemeli

kuru

sistemlerden

10

kat

daha

fazla

alan

gerektirmektedirler. ĠĢletme maliyetleri ise diğer sistemlerden bir miktar daha azdır (TEN BRUMMELER, 1992).

36

1.1.3.5.4. Termofilik ve Mezofilik Sistemler Anaerobik çürütme genelde mezofilik sıcaklıklarda gerçekleĢtirilir. Bunun ana nedeni, termofilik sistemlerin kararlılığının daha düĢük olması ve daha kolay proses arızaları oluĢturma riskidir. Buna rağmen son 15 senede birçok tam ölçekli termofilik tesis devreye alınmıĢtır (ġekil 13). Ayrıca Danimarka‘daki tüm merkezi biyogaz tesisleri de termofilik Ģartlarda çalıĢmaktadır. Tüm bunlar termofilik proseslerin etkin izleme ve kontrol yoluyla oldukça kararlı bir Ģekilde çalıĢtırılabildiğinin bir göstergesidir. Termofilik Ģartlarda reaksiyon hızları daha yüksek olduğundan, sistem daha düĢük bekletme sürelerinde iĢletilebilir. Termofilik iĢletme Ģartları atığın daha iyi hijyenize olmasını sağlar. EOKA, hayvan atıkları ve arıtma çamurunda bulunabilecek patojenler termofilik Ģartlarda bir kaç saat içinde yok edilebilmektedir. Ayrıca atık içerisinde bulunabilen zararlı ot tohumları ve fitalatlar, bilhassa o

hipertermofilik (67 C) Ģartlarda yok edilebilir ve bu sayede çürütücü çıktısının tarımsal amaçlı kullanım kalitesi arttırılabilir (HARTMANN ve AHRĠNG, 2005).

ġekil 13. Mezofilik ve termofilik kurulu reaktör kapasitelerinin yıllara göre mukayesesi (De Baere, 2005) 1.1.3.6.

EOKA’nın Diğer Atık Türleri Ġle Birlikte Arıtımı

Evsel organik katı atıklarda (EOKA) bulunan yüksek C/N oranı, pH ve yüksek katı madde içeriği bu atıkların anaerobik arıtımını zorlaĢtırmaktadır. Farklı atık türlerinin EOKA ile birlikte arıtımı, farklı atık türlerinin tek bir entegre arıtma tesisinde arıtımını içermektedir (ġekil 14). Birlikte arıtım yaklaĢımı organik atıklardan elde edilebilecek biyogaz miktarını arttırarak, biyolojik arıtma tesislerinin iĢletimini daha ekonomik hale getirmektedir (AHRING ve JOHANSEN, 1992). Birlikte arıtım alternatifi ile organik atıkların anerobik arıtımı sonucunda, hem atık stabilizasyonu hem de gübre (kompost) eldesiyle beraber enerji üretimi de sağlanmaktadır. Bu bakıĢ açısıyla organik atık değerli bir kaynak özelliği kazanmaktadır.

37

EOKA Arıtma Çamuru

Entegre Arıtma Tesisi

Hayvan Atıkları

Biyogaz

Organik Gübre

Endüstriyel Organik Atık

ġekil 14. EOKA ile birlikte arıtmanın prensibi Birlikte arıtım yaklaĢımı, son yıllarda birçok tarımsal ve endüstriyel organik atıklara baĢarıyla uygulanmaktadır. Örneğin Danimarka‘da bulunan merkezi ortak biyogaz tesislerinde, hayvan atıkları ile endüstriyel organik atıkların birlikte arıtımı 1980‘lerin ortalarından beri baĢarıyla uygulanmaktadır (DANISH ENERGY AGENCY, 1995). Fakat son yıllarda yapılan çalıĢmalar, Avrupa‘da arıtılan EOKA‘nın sadece %7‘sinin birlikte arıtım yaklaĢımı ile arıtıldıklarını göstermektedir (De Baere, 2000). Birlikte arıtım, içeriğinde önemli derecede değiĢkenlik gösteren organik katı atıkların daha kararlı bir Ģekilde arıtımına da imkân sağlar (ANGELIDAKĠ ve AHRING, 1997). Anaerobik arıtma tesislerinde birlikte arıtım uygulamalarından elde edilebilecek faydalar metan geri kazanım veriminin artması, daha kararlı bir prosesin gerçekleĢmesi, daha iyi bir atık yönetiminin sağlanması, farklı atık akımlarının tek bir entegre arıtma tesisinde toplanmasının getireceği ekonomik yararlar, daha büyük kapasiteye sahip merkezi arıtma tesisleriyle arıtılabilecek atık miktarının artması olarak sıralanabilir. Birlikte arıtım yaklaĢımında kilit nokta farklı substratlar içerisindeki birçok parametrenin (makro ve mikro besi maddeleri, C/N oranı, pH, inhibitörler ve toksik bileĢikler, biyolojik olarak ayrıĢabilir organik madde, kuru madde) karıĢık substrat içerisinde dengelenmesini sağlamaktır. Evsel atığın farklı substratlarla birlikte arıtımı ile ilgili çalıĢmalar daha çok evsel atık su arıtma tesislerinden çıkan fazla çamurlar ve hayvan atıkları üzerinedir. Bu tür atıkların birlikte arıtımını yapan birçok tam ölçekli tesis mevcuttur. Mevcut kentsel atık su arıtma tesislerinin büyük bir kısmında anaerobik çamur çürütücülerinin bulunması, EOKA‘nın arıtma çamurlarıyla birlikte arıtımını oldukça cazip kılmaktadır (HAMZAWĠ ve diğ., 1998) ve büyük yatırımlara gerek kalmadan uygulanabilir. DüĢük katı madde konsantrasyonlarıyla ve düĢük organik yüklemelerde iĢletilen çamur çürütücüler, yüksek katı madde içeriğine sahip EOKA ile beslenebilir. Bu sayede, arıtma çamurlarında bulunan makro ve mikro besi maddeleri (nutrientler), EOKA‘daki nutrient eksikliğini kapatacaktır. Ayrıca hem EOKA‘nın katı madde içeriği düĢürülebilecek hem de tesisin biyogaz veriminde önemli bir artıĢ sağlanabilecektir. Kararlı bir proses performansı için besi maddelerinin dengelenmesi, uygun bir C/N oranı ve stabil pH değeri gerekmektedir. Yüksek C/N oranı sistemde azot eksikliğine sebep olurken, düĢük C/N oranı amonyak toksisitesine neden olur. Amonyak toksisitesi sıvı fazdaki

38

amonyak konsantrasyonunun seyreltilmesiyle veya C/N oranının ayarlanmasıyla giderilebilir (Kayhanian ve Tchobanoglus, 1992). Atıktaki nutrient yetersizliği nutrient bakımından zengin bir atık tipiyle yapılacak birlikte arıtım neticesinde giderilebilir (Tablo 17). Uçucu yağ asitleri (UYA) konsantrasyonundaki artıĢ sonucu meydana gelen pH düĢmesi yüksek tamponlama kapasitesine sahip atık ilavesiyle dengelenebilir. Biyolojik olarak zor/yavaĢ ayrıĢan organik atıkların (ligno-selüloz) kolay ayrıĢabilen organik atıklarla birlikte arıtımı biyogaz veriminin artması yönünde fayda sağlar. EOKA gibi yüksek katı madde oranına sahip atıkların birlikte arıtım konsepti içinde çiftlik atıkları gibi daha az katı madde içeren atıklarla karıĢtırılarak arıtılması iletim ve mekanik arıtımla ilgili oluĢabilecek problemlerin en aza indirilmesini sağlar (ANGELIDAKI VE AHRING, 1997). Birlikte arıtım yaklaĢımı ile EOKA‘nın anaerobik olarak arıtılmasının sağladığı en önemli fayda yüksek oranda kolay ayrıĢabilir organik maddeye sahip olmasıdır. Bu özellik sonucu 330 L/kgUKM‘ye kadar metan gazı elde edilebilmektedir (RINTALA VE JARVINEN, 1996; SIX ve DE BAERE, 1992). EOKA‘nın C/N oranı, içerisindeki bileĢenlere göre değiĢiklik gösterir. EOKA içerisindeki farklı organik bileĢenlerin farklı C/N oranları vardır. Mutfak atıklarında biyolojik olarak ayrıĢabilen C/N4 kg TUKM/m .gün) ve 14,6 gün 3

olarak bulunmuĢtur. %10 KM içeriğinde (200 m arıtılmıĢ atıksu geri devrinde) toplam enerji ihtiyacının % 100‘ünün karĢılanabilmesine rağmen, çürütücülerin aĢırı yükleme durumunda iĢletilmeleri soz konusu olacaktır. Bu sebeple %10 KM içeriğindeki çürütücülere 150 m

42

3

560 m3 atıksu

3

arıtılmıĢ atıksu geri devrinde OYH ve HRT değerleri sırasıyla 3,9 kgTUKM/m .gün ve 17,3 gün olarak hesaplanmıĢtır. Hesaplanan OYH, anaerobik çürütücüler için uygun bir değer 3

3

olduğu için, 200 m yerine 150 m arıtılmıĢ atıksu geri devrinin Seçenek II için daha uygun 3

olduğu belirlenmiĢtir. Toplam metan üretimi 19500 m /gün olarak bulunurken bu debi yaklaĢık olarak sırasıyla 56000 kW-sa ve 95000 kW-sa elektrik ve ısı enerjisine karĢılık gelmektedir (ġekil 16). Ön-arıtma ünitesindeki enerji tüketimi, günlük iĢlenen 235 ton atık için 11750 kW-sa olarak hesaplanmıĢtır. Önerilen bu sistem ile toplam enerji ihtiyacınn %100‘ünün geri kazanılabileceği belirlenmiĢtir. Seçenek I ve Seçenek II‘nin karĢılaĢtırılması Tablo 19‘da gösterilmektedir. Tablo 19. Seçenek I ve Seçenek II‘nin karĢılaĢtırılması Parametre ArıtılmıĢ organik katı atık Çürütücülerdeki TKM oranı HRT OYH Metan üretimi Elektrik enerjisi üretimi Sistemin enerji ihtiyacının karĢılanma oranı

Birim ton/yıl % gün 3 kg TUKM/m .gün 3 m /gün kW-sa/gün

Seçenek I 70.000 10 15,4 3,9 16.300 47.500

Seçenek II 68.600 10 17,3 3,9 19.500 56.000

%

77

100

28000 kWs

11750 kWs 3

EKA 235 t/gün

Su: 300 m /gün

Ayırma hattı

Çürütücü

AAT Birincil Çamuru 306 t/gün

Hamurlaştırıcı

Karıştırma tankı

Yoğunlaştıma ve susuzlaştırma

28000 kWs

47 t/gün İnert maddeler ve metaller

Çürütücü

260 t Komposta giden kek

ġekil 16. Seçenek II‘ye ait akım Ģeması ve toplam kütle dengesi EOKA ile ön-çökeltim çamurunun birlikte arıtımından sonra aerobik kompostlaştırma. Mevcut arıtma tesisinde bant filtreden çıkan çamur keki düzenli depolama alanlarına gönderilerek bertaraf edilmektedir. %10 KM içeriğindeki çürütücülerde ön-çökeltim çamuru ile MA-EOKA ve

KA-EOKA‘nın

birlikte

arıtımını

takiben

aerobik

kompostlaĢtırma

alternatifi

değerlendirilmektedir. Birlikte arıtımın gerçekleĢtiği çürütücülerden çıkan çürütülmüĢ kısım ikinci bir çamur yoğunlaĢtırıcıya gönderildikten sonra polielektrolit ile Ģartlandırmayı takiben bant filtre ile susuzlaĢtırılmaktadır. Sonuçlar, mekanik susuzlaĢtırma ünitesine MA-EOKA için 65 ton ve KA-EOKA için ise 55 ton çamur verilebileceğini göstermektedir. Bant filtrenin katı madde tutma kapasitesi %95 olarak kabul edilirse, MA-EOKA ve KA-EOKA için sırasıyla 62 ton

ve

52

ton

toplam

katı

madde

üretimi

43

gerçekleĢecektir.

YoğunlaĢtırma

ve

510 m3 atıksu

susuzlaĢtırmadan sonra uygun bir polielektrolit ilavesiyle kekteki katı içeriğinin %20 olduğu kabul edilirse, MA-EOKA ve KA-EOKA için yaklaĢık olarak sırasıyla 310 ton ve 260 ton ağırlığında kek aerobik kompostlaĢtırma ile uzaklaĢtırılabilecektir. Ayrıca, tarımsal sulama 3

amaçlı kullanılabilecek olan yaklaĢık 530 m su (sıvı gübre) ortaya çıkacaktır. Ortaya çıkan atıksuya

Magnezyum

Amonyum

Fosfat

(MAP)

çökelmesi

uygulanarak

tarımda

kullanılabilecek değerli gübre eldesi de mümkündür. Sonuç olarak ikinci kademede planlanan ikinci bir çürütücünün, bir ön-arıtma ünitesi de dahil yapımı, birlikte arıtmanın gerçekleĢebilmesi için önerilmektedir. Bu sayede önemli miktarda enerji geri kazanımı mümkün olacaktır. KA-EOKA ile ön-çökeltim çamurunun birlikte çürütülmesi durumunda, MA-EOKA ile birlikte arıtıma kıyasla, %30 daha fazla enerji geri kazanımı gerçekleĢecektir. Bu durum KA-EOKA içersinde daha yüksek miktarda uçucu katı madde bulunması ile iliĢkilendirilebilir. Enerji dengesi sadece ön-arıtma kademesi için ele alındığında, üretilen enerji MA-EOKA ve KA-EOKA için tüketilen enerjiden sırasıyla 2,5 ve 4,5 kat kadar daha yüksektir. Seçenek II‘de hesaplanan yaklaĢık 56.000 kW-sa/gün değerindeki enerji geri kazanımı, biyogazdan kazanılacak yaklaĢık 2.00.000 $‘lık yıllık kazanca karĢılık gelmektedir (YKEUK, 2005). Birçok Avrupa üyesi ülkede geçerli olan yenilenebilir enerji teĢviğinin (0,1 Є/kW-sa) Türkiye‘de de uygulanması durumunda bu kazanç ikiye katlanacaktır (4.000.000 $/yıl). KA-EOKA‘nın ön-çökeltim çamuru ile birlikte arıtılacağı Seçenek II yaklaĢımı için gerekli maliyetin, ilave çürütücü ve ön-arıtma ünitesi de dahil, yaklaĢık 3.000.000 Є olduğu düĢünülürse sistemden biyoenerji geri kazanımı sonucunda elde edilecek kazanç ile 3 yıldan daha az bir sürede bütün yatırım maliyeti karĢılanabilecektir. Türkiye’nin Biyometan Üretim Potansiyeli Türkiye‘de düzenli katı atık toplama hizmetlerinden yararlanan ve kentlerde yaĢayan nüfusun ~55 milyon olduğu kabul edilirse, kentlerde kurulacak entegre arıtma tesislerinde (atıksu arıtımı, katı atıkların biyolojik olarak arıtımı) oluĢan katı atığın sadece %60‘ının anaerobik 6

3

olarak çürütülmesi sayesinde 902x10 m CH4/yıl metan geri kazanımı mümkün olabilir. Üretilen metanın içten yanmalı gaz motorlarında sadece elektrik enerjisine çevrildiği (%30 6

verimle) kabul edilirse 2,62x10 MW-saat/yıl enerji geri kazanımı sağlanabilir. Bu potansiyel 300 MW kurulu güce sahip bir enerji üretim tesisine eĢdeğerdir. Ülkemizin en büyük barajlarından Keban Barajı‘nın kurulu gücünün 1330 MW olduğu düĢünüldüğünde, ülkemizde her 4,5 yılda bir Keban Barajının ürettiği enerji kadar enerjinin depolama alanlarına gönderildiğini söylemek yanlıĢ olmaz. Arıtma çamurları ve çiftlik atıkları gibi diğer organik atıklar da düĢünüldüğünde enerji potansiyeli oldukça büyük boyutlara ulaĢmaktadır. Günlük kiĢi baĢına üretilen arıtma çamuru miktarı ~54 gr TKM kabul edilirse, yine sadece kentlerde yaĢayan nüfus için artıma çamurlarının %60‘ının anaerobik stabilizasyonu ile geri 6

3

3

kazanılabilecek metan miktarı 137x10 m CH4/yıl‘dır (0,3 m CH4/kg UKMbeslenen) ve bunun 6

elektrik enerjisi olarak karĢılığı 0,40x10 MW-saat/yıl olarak hesaplanmaktadır. Bu da 45 MW‘lık bir enerji üretim tesisine denk gelmektedir.

44

Türkiye‘de inek, koyun ve kümes hayvanları sayısı yaklaĢık olarak sırasıyla 13, 30 ve 265 milyondur (Tübitak MAM,2004). Bu rakamlara göre yaklaĢık yıllık atık kapasitesi sırasıyla 128, 25, 8 milyon tondur. Yıllık toplam katı madde miktarları ise 16,2; 6,1 ve 1,9 milyon tondur. Kullanılabilir katı madde miktarı %65.1, %13 ve %99 olduğu kabul edilebilir. Katı 3

maddenin metana dönüĢüm oranı 0,150 m CH4/kg TKM olduğu kabul edilirse yıllık metan 9

3

üretimi 1,87x10 m olarak hesaplanabilir. Buna göre yıllık enerji geri kazanım potansiyeli (% 6

60‘lık geri kazanım) 5,43x10 MW-saat olmakta ve 620 MW‘lık bir enerji tesisine karĢılık gelmektedir. Türkiye‘de organik atıklardan geri kazanılabilecek yenilenebilir elektrik enerjisi potansiyeli Tablo 20‘de verilmiĢtir. Tablo 20. Türkiye‘de organik atıklardan geri kazanılabilecek enerji potansiyeli (2005 yılı itibarıyla) Organik Atık Kentsel Organik Katı Atık Arıtma Çamuru Çiftlik Atıkları Toplam

3

Miktar (t KM/yıl) Pratikte Geri Kazanılabilir Toplam Miktar 8.351.200 1.084.050 24.283.538 33.718.788

Biyometan (m CH4/yıl) Pratikte Geri Kazanılabilir Toplam Miktar

Enerji (MW-saat/yıl) Pratikte Geri Kazanılabilir Toplam Miktar

5.010.720 1.503.216.000 901.929.600 4.374.359 650.430 227.650.500 136.590.300 662.463 13.337.339 3.399.695.320 1.867.227.460 9.893.113 18.998.489 5.130.561.820 2.905.747.360 14.929.935

2.624.615 397.478 5.433.632 8.455.725

Görüldüğü üzere ülkemizde organik atıklardan geri kazanılabilecek enerji potansiyeli oldukça yüksektir. Yenilebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerji için devlet tarafından yeterince teĢvik sağlandığı takdirde, yabancı ve özellikle yerli arıtma firmaları bu büyük pazardan pay alabilmek için harekete geçecektir. Bu sayede hem ülkemizin enerji açığı azaltılabilecek hem de istihdam yaratılabilecektir. Ayrıca düzenli depolama alanlarına gönderilecek organik madde miktarı azaltılarak, Avrupa Birliği kotalarının sağlanmasına katkıda bulunulacaktır. Atıksu arıtımı konusunda çıkan standartlar her geçen gün daha sıkılaĢmaktadır. Son dönemlerde atıksu arıtımında en çok üzerinde durulan konulardan biri de nütrientlerin (N ve P) giderimidir. Avrupa Birliği Kentsel Atıksuların Arıtılması Direktifi, Hassas Su Ortamlarına Atıksu DeĢarjı standartları oldukça düĢük azot ve fosfor limitleri getirmiĢtir. Bu nedenle yeni planlanan tesislerin azot fosfor giderimini içerecek Ģekilde kurulması ve eski tesislerin modifiye edilmesi bir zorunluluk haline gelmiĢtir. Evsel atıksu arıtma tesislerinde azot giderimi nitrifikasyon ve denitrifikasyon prosesleri ile sağlanmaktadır. Fosfor ise kimyasal ya da biyolojik olarak giderilebilmektedir. Kimyasal fosfor giderimi oldukça yüksek debilere sahip olan tesislerde çamur miktarını arttırması ve kimyasal masrafları nedeniyle fazla tercih edilmemektedir. Biyolojik aĢırı fosfor giderimi daha ekonomik bir proses olmasına rağmen, özellikle giriĢ atıksu bileĢimine (BOĠ/TP > 20), tesisin tasarım ve iĢletme Ģartlarına bağımlı olduğundan kontrolü oldukça güç bir prosestir. -

-2

Denitrifikasyon (5 mg KOĠ/mg NO3 ) ve biyolojik aĢırı fosfor (10 mg KOĠ/mg PO4 ) giderimi proseslerinin her ikisi de atıksudaki kolay ayrıĢan karbona ihtiyaç duymaktadır. Evsel atıksulardaki kolay ayrıĢabilir karbon miktarı ise sınırlıdır. Kolay ayrıĢabilir karbon

45

gereksinimi dıĢarıdan karbon (metanol, asetat) ilave edilerek giderilebilir, fakat bu her zaman ekonomik olarak mümkün olmayabilir. Kolay ayrıĢan karbon açığını kapatmak için en çok kullanılan uygulamalardan biri de artıma tesislerinde üretilen birincil çamurun fermente edilmesiyle üretilen uçucu yağ asitlerinin (UYA) kullanılmasıdır. Bu alanda son dönemlerde en çok incelenen konulardan biri de evsel organik katı atıkların fermente edilerek elde edilen UYA‘nın denitrifikasyon ve fosfor gideriminde ilave karbon kaynağı olarak kullanılmasıdır. Evsel organik katı atıklardaki nütrient içeriğinin (özellikle sebze ve meyve atıklarında) çamura göre daha az olduğu da düĢünüldüğünde, azot ve fosfor giderimini sağlayan reaktörlere daha az miktarda ilave azot fosfor yükü getireceği söylenebilir. Bu yaklaĢım içerisinde evsel organik katı atıklardan hem ilave karbon kaynağı üretilebilmekte hem de bir sonraki adımda anaerobik olarak çürütülerek biyogaz üretimi sağlanabilmektedir. Bu Ģekilde bir arıtma yaklaĢımıyla kurulacak tesislerde evsel atıksuyun, artıma çamurlarının ve evsel organik katı atığın arıtımının tam entegrasyonu sağlanabilecek (ġekil 17) ve daha etkin bir atık yönetimi mümkün olacaktır. Biyolojik Nütrient Giderimi (BNR) İçsel geri devir Son çöktürme

Evsel Atıksu

Anaer.

Anox.

Deşarj

Aerobik

Geri devir çamuru Ayrı susuzlaştırma (gerektiğinde AAT başına)

Atık aktif çamur Fermantasyon ürünleri (Sıvı Kısım)

Biyogaz Biyogaz

Evsel Katı Atık

Santrifüj Katı/Sıvı ayrımı

Ön ayırma Hamurlaştırıcı

Fermentör

Karıştırma tankı

Kek

Metan reaktörü

ġekil 17. Evsel atıksuyun, artıma çamurlarının ve organik katı atığın arıtımının tam entegrasyonunu gösteren entegre biyometan tesisi akım Ģeması 1.1.3.6.2. Hayvan Atıklarıyla Birlikte Arıtım Çiftlik ve hayvan atıkları uzun yıllardan beri anaerobik reaktörlerde biyogaz elde etmek amacıyla arıtılmaktadır. Hayvan atıkları yüksek konsantrasyonlarda amonyak içerdiğinden oldukça yüksek tamponlama kapasitesine sahiptir. Ayrıca hayvan atıklarının katı madde içeriği EOKA‘ya göre daha düĢüktür (Domuz çiftliği atıklarında %3,5 TKM, büyük baĢ hayvan atıklarında %6-9 TKM). Hayvan atıkları mikrobiyolojik çoğalma için gerekli nütrientler bakımından da zengin olup, tarımsal gübre değeri çok yüksektir.

46

Sıvı gübre depolama (sulama)

3

Hayvan atıkları tek baĢlarına anaerobik olarak arıtıldıklarında metan verimi 10-20 m CH4/ton gibi düĢük değerlerde kalmaktadır. Bunun temel sebebi, düĢük katı madde içeriği ve yüksek orandaki ligno-selülozik madde içeriğidir. Ligno-selülozik lifler anaerobik arıtmaya karĢı çok dayanıklıdır (inert) ve reaktörden çürütülmeden çıkarlar. Tarıma dayalı endüstrilerin atıkları ve EOKA, hayvan atıklarıyla birlikte arıtım için çok uygundur ve biyogaz potansiyelini arttırırlar (MATHRANI ve diğ., 1994, AHRING ve JOHANSEN, 1992). Gübre Temelli Biyogaz Sistemleri (Danimarka Örneği) Danimarka Hükümeti‘nin uzun dönem enerji yaklaĢımı olan ―Enerji 21‖ stratejisinde en önemli unsur çevredir. Enerji 21‘in esas amacı, 1988–1990 yılları arasında ortaya çıkan CO2 emisyonlarının ortalama değeri dikkate alınarak bu emisyonların 2030 yılına kadar %50 oranında azaltılmasıdır. Bunun ancak enerji üretimi için fosil yakıtların yerini yenilenebilir enerji

kaynaklarının

almasıyla

gerçekleĢebileceği

düĢünülmektedir.

Son

10

yılda

Danimarka‘da biyogaz alanında ve CO2 emisyonlarının azaltılması kapsamında farklı biyoenerji üretim sistemlerine verilen önem giderek artmaktadır. Hali hazırda Danimarka‘da toplam 160 adet biyogaz tesisi bulunmaktadır. Danimarka‘da bulunan biyogaz tesisleri ve bu tesislerde gerçekleĢen üretim değerleri Tablo 21‘de, Danimarka Enerji Ajansı‘ndan alınan biyogaz tesislerindeki potansiyel ve gerçek üretimler ile hedeflenen değerler ise Tablo 22‘de verilmektedir. Tablo 21. Danimarka‘da bulunan biyogaz tesisleri ve üretimi, 2002 Biyogaz Tesisi Tipi Atıksu arıtma tesisleri Düzenli depolama tesisleri Endüstriyel atıksu arıtma tesisleri Gübre temelli tesisler Merkezi, birlikte arıtım Çiflik-ölçekli tesisler Toplam 6 Not: 1 kW-saat = 3,6x10 j

Tesis Sayısı 64 26 5

Üretim (2002 Yılı) (x10 J) 0,875 0,604 0,150

20 45 160

15

1,342 0,380 3,351

Tablo 22. Danimarka‘da bulunan biyogaz tesislerindeki potansiyel ve gerçek üretimler ile hedeflenen değerler Potansiyel 15 (x10 J)

Üretim 15 (x10 J) 1999 Yılı

26 4 2,5 2,5 1

0,5 0,79 0,81 0,01 -

1 37

0,55 2,66

Hayvan gübresi Evsel Atıksu çamuru Endüstri kaynaklı organik atık Evsel kaynaklı organik atık Park ve bahçelerden kaynaklanan atıklar Düzenli depolama gazı Toplam

47

Hedef Üretim 15 (x10 J) 2012 2030 Yılı Yılı 5 14 1,15 1,5 0,75 1,5 0,5 2 0,2 0,8 0,6 8,2

0,2 20

1.1.3.6.3. Diğer Organik Atık Türleriyle Birlikte Arıtım EOKA‘nın farklı atık türleriyle birlikte arıtımı konusunda literatürde birçok çalıĢma mevcuttur. Bu çalıĢmalarda zeytin iĢleme endüstrisi atık suları, algler, mezbaha atıkları ve et iĢleme endüstrisi atıkları gibi ikincil substratlar kullanılmıĢtır. Zeytinyağı atıksularının hayvan atıkları, arıtma çamuru ve EOKA ile birlikte arıtımı doldurboĢalt tipte reaktörlerde farklı seyrelme oranlarında birlikte anaerobik arıtım konsepti ile araĢtırılmıĢtır. Zeytinyağı atık sularında çözünmüĢ organik madde içeriği çok yüksek buna karĢılık amonyak içeriği çok düĢüktür ve atık inhibe edici fenoller içerir. EOKA ve arıtma çamuru ile yapılan birlikte arıtma çalıĢmaları sadece zeytin atıksuları yüksek oranlarda seyreltildiğinde gerçekleĢtirilebilmiĢtir. EOKA ve arıtma çamurlarının yeterli tamponlama kapasitesi olmadığından reaktör pH‘ı düĢmüĢ ve proses inhibe olmuĢtur. Hayvan atıkları ile yapılan çalıĢmada ise zeytin yağı atık atıksuları seyreltmeye gerek kalmadan arıtılabilmiĢtir. Hayvan atıklarının yüksek alkalinite içeriği prosesin inhibisyon olmadan yürüyebilmesini sağlamıĢtır. Sonuç olarak zeytin iĢleme endüstrisi atıksularının EOKA ile birlikte arıtımın mümkün olduğu, ancak optimum ikincil sübstratın hayvan atıkları olduğu gösterilmiĢtir (ANGELIDAKI ve AHRING, 1997). 1.1.3.7.

Biyogaz Kullanımı

Evsel katı atıkların organik kısmının aerobik ve anaerobik biyolojik arıtımı proseslerinin verimleri ve enerji ihtiyaçları ġekil 18‘de kıyaslanmaktadır (Mata-Alvarez, 2003). ġekilden de görüldüğü üzere 1 ton organik evsel katı atığın aerobik biyolojik arıtımı için 60 kW-sa havalandırma enerjisi gerekirken, anaerobik biyolojik arıtma uygulandığında ~660 kW-sa‘lik biyometan-enerji geri kazanımı mümkün olabilmektedir.

AEROBĠK KOMPOSTLAġTIRMA

CO2 + H2O

600 kg kompost

300 kg park/bahçe atığı ilavesi +

ANAEROBĠK ARITMA (BĠYOMETAN ÜRETĠMĠ)

350 kg kompost 1000 kg EOKA

60 kW-sa havalandırma ve kurutma enerjisi tüketimi

Biyogaz üretimi CH4 + CO2

220 kW-sa elektrik 440 kW-sa ısı

ġekil 18. Evsel katı atıkların organik kısmının aerobik ve anaerobik biyolojik arıtım proseslerinin mukayesesi Katı atıkların anaerobik arıtımı sırasında üretilen biyogaz; sıcak su üretimi, buhar üretimi, elektrik üretimi, metanol üretimi, araçlarda yakıt olarak kullanım gibi amaçlar için değerlendirilebilir.

48

Yukarıda ifade edilen kullanım alternatifleri arasında günümüzde ençok kullanılanı elektrik üretimidir. Bununla beraber metan gazından metanol üretimi ile araçlarda yakıt olarak kullanım yeni geliĢen proseslerdir (Tablo 23). Bu nedenle aĢağıda elektrik, metanol üretimi ile araçlarda yakıt olarak kullanım kısaca açıklanmıĢtır. Tablo 23. Ġsviçre‘de kurulu tam kapasiteli biyogaz tesislerinin 2004 yılı iĢletme verileri

Dizayn

BaĢlangıç

Reaktör Hacmi (m3)

Rümlang

KOMPOGAS

1992

454 (2)

Allmig, Baar

BRV

1994

500 (1)

3150

284000

387

Bachenbülach

KOMPOGAS

1994

812 (3)

13577

1565361

-

Samstagem

KOMPOGAS

1995

512 (3)

9377

893944

1106

Otelfingen

KOMPOGAS

1996

780 (1)

13814

1639904

2117

Niederuzwill

KOMPOGAS

1997

790 (2)

11399

1043286

1729

152

Aarberg*

DRANCO

1998

800 (1)

785

83000

61

78

Frauenfeld

R.O.M

1999

178 (4)

4925

618000

424

86

Villeneueve*

DRANCO

1999

800 (1)

~4000

193000

446

112

Volketswill

KOMPOGAS

2000

290 (1)

~7500

461000

598

80

Bernex, Genf* Oetwil am See

VALORGA

2000

1000 (1)

4750

344000

457

96

KOMPOGAS

2001

740 (1)

10366

1192000

1094

106

Yer

Atık (t substrat/yıl)

Gaz verimi (m3 brüt/yıl)

Elektrik (MWsaat/yıl)

Isı (MWsaat/yıl)

LPG (MWsaat/yıl)

Enerji (kW-sa/t)

8460

1234831

1090

162

496

207

(410)

123 8602

118 471

*: 2004 yılında tıkanma ve/veya çökelme problemlerinden dolayı birçok ay hizmet dıĢı kalmıĢ tesisler 1.1.3.7.1. Elektrik Üretimi Organik atıkların arıtımı sonucunda elde edilen biyogaz kullanılarak elektrik üreten tesislere özellikle Avrupa‘da özel bir etiket verilmektedir. Bu etiket, üretilen elektriğin nükleer ve fosil yakıt kaynaklı elektrik tesislerinde üretilen elektrikten daha yüksek fiyatlara pazar bulmasını sağlamaktadır. Büyük tesislerde, elektrik enerjisi üretimi için kullanılan en yaygın yöntem buhar türbini-jeneratör kombinasyonudur. Piyasada değiĢik tipte ve boyutlarda jeneratörler mevcuttur. Bugün bu jeneratörler %60 termal verimle, biyogaz enerjisinin %30‘undan fazlasını elektrik enerjisine çevirebilirler. EOKA‘dan elde edilebilecek biyogazın bileĢimi Tablo 24‘de verilmiĢtir. Biyogazda bulunabilecek su, karbondioksit, hidrojen sülfür ve amonyak gibi gazlar korozyona, borular içersinde tıkanmalara, NO x emisyonlarına ve jeneratörlerin verimlerine azalmalara neden olabilirler. Bu sebeple bu gazların biyogaz kullanılmadan önce giderilmeleri gerekmektedir. Piyasada değiĢik tipte ve boyutlarda kojeneratörler mevcuttur. Bugün bu jeneratörler %60 termal verimle, biyogaz enerjisinin %30-35‘ini elektrik enerjisine çevirebilirler. Biyogaz kullanımındaki en önemli kısıt, biyogazın uzun süreli depolanmasının mümkün olmaması, bu sebeple hemen veya birkaç saat içinde kullanılmasının gerekmesidir.

49

634 187

Tablo 24. Evsel katı atıkların organik kısmından elde edilen biyogazın tipik bileĢimi (MATAALVAREZ, 2003) BileĢen Metan Karbondioksit Su Hidrojen Sülfür Azot Oksijen Hidrojen

Konsantrasyon (%hacim olarak) 55-60 (50-75) 35-40 (25-45) 0 0 2 (20 C)-7(40 C) 20-20000ppm (%2)