Anaerobik Arıtım Sistemleri Ders Notları
Transkript
Anaerobik Arıtım Sistemleri Ders Notları
Doç. Dr. Şeyda KORKUT CEV348 ANAEROBİK ARITIM SİSTEMLERİ 1. GİRİŞ Atıksu arıtımında son yıllarda uygulamasındaki artışlar sebebiyle anaerobik arıtma teknolojisinin kuvvetli organik madde yüküne sahip tarımsal atık suların (hayvan çiftlikleri atıksuları gibi) gıda sanayi (seker fabrikaları, nişasta üretimi, bira fabrikaları gibi), çöp depolama alanlarında oluşan sızıntı suları ile evsel karakterli arıtma çamurlarının arıtılmasında yoğun olarak uygulanmaktadır. Bu gibi atık suların kirlilik yükleri çok yüksektir. Bu tür sanayilerde ve faaliyetlerde oluşan atık sular arıtılmadan alıcı ortamlara verildiği zaman yüksek miktarda temiz suyu kirletmektedir. Tüketimin artması buna paralel olarak da insanların doğrudan temasta olduğu ekosistemi bozması ve yaşamını sürdürebilmesi için kullanması zorunlu olduğu kaynakları kirletmesi sonucunda da insanların zarar görmeye başlaması ve ileride daha çok zarar göreceğinin anlaşılması insanları her türlü israfı minimuma indirmeye, sanayide en az ve en zararsız atık veren proses teknolojisini kullanmaya ve atıklardan madde ve enerji kazanımı sağlayan arıtma teknolojilerini kullanmaya zorlamıştır. Anaerobik şartlarda arıtma da atıklardan enerji geri kazanımını sağlayan ve nihai olarak uzaklaştırılması gerekli atığı en az olan bir biyolojik arıtma teknolojisidir. Anaerobik şartlarda arıtma ile atıksu içindeki organik maddeleri enerji amacı ile kullanılabilir biyogaza dönüştürmek mümkündür. Böylece hem atık suyun kirlilik yükünü düşürmek mümkün hem de biyogaz üretmek mümkündür. Çevre dostu bir arıtma teknolojisinden beklentileri şu şekilde sıralayabiliriz: 1 • Nihai atık miktarını azami ölçüde azaltmalıdır. • Arıtma verimi yüksek olmalıdır. • Yatırım, enerji ve isletme maliyetleri düşük olmalıdır. • İşletme ve bakımları kolay olmalıdır. • Atık maddelerin yeniden kullanılmasına ve geri kazanılmasına imkan vermelidir. 2. ANAEROBİK ARITMA Anaerobik arıtma, kısaca, organik ve inorganik maddelerin, oksijenin yokluğunda mikroorganizmaların yardımıyla parçalanarak CO2, CH4, H2S ve NH3 gibi nihai ürünlere dönüşmesi olarak açıklanabilir. Anaerobik arıtma ilk olarak sadece çamurların çürütülmesi amacıyla kullanılmaya başlanmış, ancak atıksularda aerobik arıtmaya kıyasla avantajlarının keşfedilmesinden sonra bu alanda da yaygın bir şekilde kullanılmaya başlanmıştır. Özellikle enerji maliyetlerinin önemli bir problem olduğu günümüzde, aerobik arıtmaya nazaran daha az enerji gerektirmesi ve dönüştürülebilmesi hatta proses anaerobik sonucu arıtmanın ortaya çıkan daha da metanın yaygın bir enerjiye şekilde kullanılmasına neden olmuştur. Anaerobik arıtma sistemleri biyolojik ve fizikokimyasal arıtmalarda oluşan arıtma çamurlarının stabilizasyonunda uygulandığı gibi endüstriyel ve evsel nitelikli, askıda katı madde içeren veya içermeyen sıvı atıkların arıtımında da kullanılmaktadır. Atıksu içerisindeki organik maddelerin anaerobik ortamda ayrışması en basit haliyle iki temel aşamada gerçekleşmektedir. İlk aşamada (hidroliz ve asit fermentasyonu), organik maddelerin asit bakterileri tarafından organik asitlere, alkollere ve CO2’ye dönüşümü gerçekleşmektedir. İkinci aşama (metan oluşumu) ise asit bakterilerinin parçalama reaksiyonları sonucunda oluşan ürünlerin, metanojenler tarafından metan, CO2 ve suya dönüştürülmesini içermektedir. Bu prosesler sonucu oluşan metan gazının kalori değeri yüksektir ve enerji kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Anaerobik arıtma esnasında yağlar, 2 proteinler, karbonhidratlar, aminoasitler ve organik asitler gibi kompleks veya monomer yapıda olan çeşitli organik maddeler parçalanabilmektedir. Bu farklı reaksiyonlar sonucunda oluşacak metan miktarları da farklılık göstermektedir. Örneğin; yağların ayrışması sonucunda yüksek metan yüzdesine sahip biyogaz elde edilebilirken, protein ve karbonhidratların parçalanmasında daha az miktarda biyogaz ve metan yüzdesi elde edilmektedir. Anaerobik arıtmanın aerobik arıtmaya göre belli bazı avantaj ve dezavantajları mevcuttur. Atıksuyun tipine veya arıtılmış suda istenen çıkış parametrelerine ve maliyetlere göre iki arıtma tipi arasında seçim yapılabilir. Atıksu arıtma sistemi seçiminde göz önüne alınacak hususlar: • Sistemin BOİ, AKM ve nütrient giderme verimleri yeterli olmalıdır. • Koku problemi olmamalıdır. • İşlem sonucunda oluşan çamur miktarı az ve bertarafı ekonomik olmalıdır. • İşletme emniyeti yüksek olmalı, hakkında yeterli bilgi ve tecrübe birikimi bulunmalıdır. • Madde ve/veya enerji geri kazanımına imkan vermelidir. • Alan ihtiyacı az olmalıdır. • Proses debi ve kirlilik yüklerindeki değişimleri kolay tolare edebilmelidir. • Sistem enerji kesilmesinden, sok yüklerden, kesikli besleme ve toksik maddelerden az etkilenmelidir. 2.1. Anaerobik Arıtma Sistemlerinin Üstünlükleri Anaerobik prosesler, ilk uygulamalarda ön arıtma ünitelerinden veya biyolojik arıtma proseslerinden oluşan, yüksek miktarda su (%95) ve organik madde ihtiva eden çamurların arıtılmasında kullanılmıştır. Bu proseslerde çamurun çürütülmesiyle stabilizasyon sağlanarak çamur hacminde azalma ve patojen mikroorganizmaların giderilmesi sağlanabilmektedir. Yüksek organik madde (BOİ5>1000-1500 mg/L) ve düşük katı madde içeren konsantre atıksuların 3 arıtılmasında aerobik proseslerin uygulanmasının pahalı oluşu anaerobik proseslerin gelişmesine neden olmuştur. Anaerobik arıtma teknolojisinin faydaları ana başlıklarla Tablo 1’de verilmektedir. Tablo 1. Anaerobik biyoteknolojinin olumlu özellikleri Anaerobik ile aerobik biyoteknolojiler karşılaştırıldığında anaerobik arıtmanın birçok üstün yönü olduğu görülmektedir. İlk olarak, anaerobik proseslerde biyolojik büyüme hızı aerobik sistemlere göre daha azdır. Anaerobik proseslerde organik maddenin sadece %5-15’i biyokütleye dönüşmektedir. Bu durum, arıtma sonrasında biyolojik çamur bertarafının aerobik sistemlere göre daha kolay ve düşük maliyetli olacağını göstermektedir. Biyolojik proseslerde biyokütle sentezi için ortamda fosfor ve azot gibi temel besi maddeleri mutlaka bulunmalıdır. Endüstriyel atıksular her zaman bu maddeleri yeterli oranda ihtiva etmediklerinden biyolojik arıtma öncesi besi maddesi ilavesi gerekmektedir. Ancak anaerobik sistemlerde biyolojik büyüme hızının düşük olmasına bağlı olarak ilave besi maddesi ihtiyacı da daha az olmaktadır. Anaerobik arıtma esnasında metan gazının oluşması sistemin diğer bir üstünlüğüdür. Metan elektrik veya ısı enerjisi üretimi için kullanılabilir enerji kaynağıdır ve enerji değeri standart şartlarda (0oC, 760 mmHg basıncı) 35,8 kj/L’dir. Havalı sistemlerin işletilmesi esnasındaki yüksek enerji ihtiyacına karşın, 4 anaerobik sistemlerde hem enerji sarfiyatı daha az olmakta, hem de sistem kullanılabilir enerji kaynağı üretmektedir. Anaerobik sistemler çok yüksek organik yüklemelerde çalıştırılabilmektedir. Buna karşın, havalı sistemlerde oksijen transferi sınırlı olduğundan yüksek organik yükler uygulanamamaktadır. Bu durumda, KOİ değeri 5000 mg/lt’den büyük olan atıksuların arıtılmasında anaerobik sistemlerin kullanılması daha verimli arıtma sağlamaktadır. 2.2 Anaerobik Arıtma Sistemlerinin Kısıtları Anaerobik arıtma biyoteknolojisinin genel olarak olumsuz özellikleri Tablo 2’de verilmektedir. Anaerobik arıtmanın kısıtlarının başında mikroorganizmaların büyüme hızlarının düşük olması gelmektedir. Anaerobik arıtma için önemli olan metanojenlerin çoğalma hızları, havalı arıtmadaki mikroorganizmalara göre yarı yarıya daha azdır. Buna bağlı olarak, anaerobik proseslerde hem başlangıçta sistemin dengeye gelme süresi uzun olmakta, hem de olumsuz çevre şartlarından dolayı sistemde biyokütle kaybı yaşanması durumunda sistemin tekrar eski haline gelmesi uzun sürmektedir. Tablo 2. Anaerobik biyoteknolojisinin olumsuz özellikleri 5 Anaerobik sistemlerin diğer bir olumsuz tarafı atıksuda sülfat bileşiklerinin olması durumunda ortaya çıkmaktadır. Sülfatların indirgenmesi veya proteinlerin parçalanması sonucu ortaya çıkan H2S hem toksik, hem de korozif niteliktedir. Ayrıca, gazdaki H2S istenmeyen kötü kokulara neden olmaktadır. Biyogazın yakılması durumunda H2S’in SO2’ye oksitlenmesi ile koku problemi azalmaktadır. Ancak, bu durumda da hava kirletici parametre olan SO2 meydana gelmektedir. Bu nedenle, anaerobik arıtmada H2S oluşumu her zaman kontrol altında tutulmalıdır. Anaerobik ayrışma esnasında ara ürün olarak organik asitlerin oluşması ortamın pH değerini sürekli düşürmektedir. Metan üreten bakterilerin yaşayabileceği pH aralığı 6,5 ile 8,0 olduğundan sistemde sürekli pH kontrolü yapılmalı ve tampon maddesi ilave edilmelidir. Anaerobik arıtmada bu ihtiyacın sağlanması havalı sistemlere göre hem daha hassas, hem de daha maliyetli olmaktadır. Bunlara ek olarak, KOİ değeri 1000 mg/L’den az olan seyreltik atıksuların anaerobik proseslerde arıtılması durumunda havalı sistemlere göre daha düşük arıtma verimi elde edilmektedir. Ancak, gelişmekte olan ülkelerde evsel atıksuların arıtılmasında anaerobik sistemler, istenilen çıkış standart değerleri elde edilememesine rağmen yukarıda belirtilen faydalar dolayısıyla kullanılmaktadır. Anaerobik arıtmanın aerobik arıtmaya nazaran daha az enerji ihtiyacı olmasının yanı sıra üretilen metanın da enerji olarak bir değeri vardır. İki prosesin bu açıdan yapılan bir incelemesinde 20°C’ de ve 10000 mg/L KOİ konsantrasyonundaki, 100 m3/gün debiye sahip bir atıksuyun arıtımı esnasındaki net enerji miktarları hesaplanmıştır. Çalışma sonucunda hesaplanan değerler Tablo 3’de gösterilmiştir. 6 Tablo 3. Aerobik ve anaerobik arıtmada enerji mukayesesi 3. ANAEROBİK ARITMANIN ESASLARI 3.1. Anaerobik Arıtımdaki Mikrobiyolojik Faaliyetler Anaerobik şartlarda arıtma çeşitli mikroorganizma gruplarının üstlendiği kompleks bir biyokimyasal prosestir. Bununla birlikte bu görevi 2 ana grubun görev aldığı bilinmektedir. Bunlar asit bakterileri ve metan bakterileridir ve her biri 2 alt gruba ayrılır. Biyolojik olarak bozunabilir organik maddelerin anaerobik şartlarda ayrışması genel olarak şu safhalardan meydana gelmektedir: 7 1. Yüksek molekül ağırlıklı katı ve çözünmüş organik maddelerin hidrolize edilmesi 2. Hidrolize edilerek daha düşük moleküllü parçalarına ve yapı taslarına ayrılan organik maddelerin asit bakterilerince uçucu yağ asitlerine ve müteakiben asetik aside dönüştürülmesi 3. Asetik asit, H2 ve CO2’den metan üretimi Anaerobik reaktörlerdeki mikroorganizmalarca kullanılan organik maddeler hücre sentezi için karbon ve enerji kaynağıdır. Havasız süreçte bir üst kademe ürünleri takip eden safha için besi maddesi durumundadır ve sistemin başarısı olayda rol alan mikroorganizma topluluklarının organize ve kolektif çalışmalarına bağlıdır. Asit üretimi safhasında gerekli hızla asetik asit üretilememesi metan safhasına hemen yansır ve asetat kullanan metan bakterilerinin CH4 üretimi engellenmiş olur. 3.2. Anaerobik Arıtımın Basamakları 3.2.1. Hidroliz Basamağı Hidroliz safhası kimi zaman asitojen safhasıyla tek bir safha olarak düşünülüp hidroliz ve asitojen safhası adı altında toplanır. Bu safha asıl olarak hücrelerin dış enzimleri tarafından gerçekleştirilir. Hücre dışı enzimler büyük moleküllü organik maddelerin daha küçük moleküllü organik maddelere dönüşümünü sağlarlar. Hidroliz safhası hücre dışı enzimlerin gerçekleştirdiği bir proses olduğundan enzimlerin çalışma şartlarını etkileyen faktörler bu safhanın hızını da etkiler. Hidroliz safhasının hızını etkileyen faktörler ortam pH’ı, sıcaklığı ve en önemlisi hidrolik bekletme süresidir. Hidrolik bekletme süresi yeterli olmadığında organik maddeler tam olarak hidroliz olamaz. Dolayısıyla bir sonraki safhada asit bakterilerinin uçucu asitlere dönüştürmek üzere ihtiyaç duyduğu basit yapılı organik maddelerin miktarı yetersiz olmuş olur. Bu da zincirleme olarak daha az organik madde giderimine ve daha az metan üretimine sebebiyet verir. Genel olarak hidroliz safhası anaerobik arıtma için sınırlayıcı faktör değildir, ancak çok 8 yavaş hidroliz olan organik maddelerin arıtıldığı anaerobik arıtma proseslerinde sınırlayıcı safha olabilir. Yağlar yavaş hidrolize olan organik maddelere örnek olarak gösterilebilir. 3.2.2. Asit Üretimi Asit üretimi safhasında hidroliz ürünleri asetik asit veya reaktördeki işletme şartlarının kararlı olmaması halinde ise propiyonik, bütirik, izobütirik, valerik ve izovalarik asit gibi ikiden fazla karbonlu yağ asitlerine dönüştürülür. Kararlı havasız süreçlerde yağ asitleri konsantrasyonu düşük seviyelerde bulunur (100300 mg/L). İşletmeye alma safhasında ise uçucu asit konsantrasyonunun 10001500 mg /L’yi geçmemesi istenir. Bu safhada iki farklı asit grubu görev yapar. Bu bakteri grupları farklı olmasına karşın birbirlerine termodinamik şartlardan dolayı birbirine bağlı ve süreci birlikte tamamlamaktadırlar. İlk grup organik maddeyi belli bir seviyeye kadar oksitler, elde ettiği enerjiyi yaşamak ve çoğalmak için kullanır, ikinci grup organik maddeyi bu ara safhadan alarak asetik asit, karbondioksit ve hidrojene oksitler. Birinci grup bakteriler fermantasyon veya asidojenik bakteriler olarak adlandırılmakta olup organik polimerlerin hidrolizinde ve akabinde de açığa çıkan oligomer ve monomerler gibi hidroliz ürünlerinin organik asit ve solventlere dönüştürülmesinde rol alırlar. Asetik asit bakterileri de bu organik asit ve solventleri asetik asit, CO2 ve H2’ye parçalayarak ihtiyaç duyduğu enerjiyi sağlar. Asetik asit bakterileri sadece H2 kullanan mikroorganizma alt grupları ile birlikte yaşarlar. Düşük sülfat (SO4-2) konsantrasyonlarında belirgin olmamakla birlikte sülfat gideren bakteriler metan üretimini çeşitli şekillerde etkileyebilmektedir. Sülfür bakterileri bir taraftan bazı organik asitleri ve alkolleri asetik aside oksitlerken bir taraftan da sülfatları H2S’e dönüştürmektedir. H2S metan bakterileri için gerekli bir nütrient olup, yeterli olmadığı hallerde sülfatı kullanması gerekir. Bunun yanında SO4-2 konsantrasyonunun çok yüksek olduğu zamanlarda sülfat giderimi sonucu oluşan H2S zehirli olabilecek seviyelere ulaşabilir ve sülfür bakterileri 9 metan bakterileri ile H2 için rekabete gireceğinden metan basamağının hızını yavaşlatır. Ortamda yeterince SO4-2 olmaması halinde sülfat gideren bakteriler asetik asit üretimine katkıda bulunmuş olurlar. 3.2.3. Metan Üretimi Metan üretim yavaş bir süreç olup genellikle anaerobik şartlarda arıtmada hız sınırlayıcı safha olarak kabul edilir. Metan, asetik asidin parçalanması ve/veya CO2 ile H2’nin sentezi sonucunda üretilir. Havasız reaktörlerde üretilen CH4’ün takriben %30’u H2 ve CO2’den %70’i ise asetik asidin parçalanmasından oluşmaktadır. H2 ve CO2’den metan üreten bakteriler, asetik asit kullanan bakterilere nazaran çok daha hızlı çoğalmaktadırlar. Dolayısıyla ortamda yeterince H2 ve CO2 olduğu ve H2 kısmi basıncı da uygun olduğu sürece bu yolla CH4 üretimi devam eder. Metan bakterileri fizyolojik yapıları gereği pH=6.7-8.0 aralığında en etkin faaliyeti gösterirler. Grup halinde metan bakterilerinin kullanabilecekleri besin maddeleri oldukça sınırlı olup bunlar asetik asit, H2 ve tek karbonlu bileşiklerdir. Anaerobik arıtım basamakları Şekil 1’de şamatize edilmiştir. 10 Şekil 1. Anaerobik proseslerdeki karbon dönüşümünün şematik gösterimi 3.3. Anaerobik Arıtım Biyokimyası Anaerobik reaktörlerde karşılaşılan organik maddelerin başlıcaları; polissakkaritler lignin, proteinler, azotlu bileşikler ve lipitlerdir. Bunlardan lignin havasız arıtma bakımından inert kabul edilmektedir. Havasız süreçte oluşacak organik maddelerin ve sürecin daha iyi anlaşılabilmesi açısından arıtıma giren organik maddelerin yapılarını tanıyalım. 3.3.1. Polisakkaritler (Şekerler) Polisakkaritler, selüloz ile hemiselüloz ve pektinleri ihtiva etmektedirler. Saf selüloz tıpkı nisasta bibi glikozun bir polimeri olmakla birlikte kimyasal baglarının kuvvetli olması sebebiyle hidrolizi zor olmaktadır. Hemiselüloz ve pektinler, 11 selülozun aksine belirsiz yapıdaki maddelerin heterojen karısımlarıdır ve muhtelif çözücülerdeki çözünürlükleri ile ayırt edilirler. Polisakkaritler glikozun polimerleri olarak ele alındıklarında tam anaerobik fermantasyonu asagıdaki gibi olur; (C6H12O6)n + (n-1)H2O (3n) CH4 + (3n) CO2 Reaksiyon stokiyometrisine göre üretilen biyogazın %50 oranında CH4 ihtiva etmesi beklenir, ancak CO2’in çözünmesi sebebiyle metanın oranı artmaktadır.Bu denklemden hareketle genel formülü CnH2nOn olan bir karbonhidratın polimerleri için standart şartlarda gaz veriminin giderilen kg uçucu katı maddenin 0,75 m3 olduğu hesap edilir. 3.3.2. Proteinler Proteinler yirmi kadar doğal aminoasidin kombinasyonları sonucunda oluşan polimerlerdir. Havasız fermantasyon öncesinde proteinlerin bünyesindeki azot; amonyağa, karbon asetat, propiyonat ve bütirat gibi belli başlı fermantasyon ürünlerine çevrilir. Proteinlerin anaerobik süreçte parçalanma reaksiyonu aşağıdaki gibi gerçekleşmektedir. 2C5H7NO2 + 6H2O 5 CH4 + 5CO2 +2NH3 Ortalama olarak 6,5 gram protein içersinde 1 gram azot olduğu kabul edilmektedir. Yukarıdaki denkleme göre proteinlerin fermantasyonu sonucu gaz üretim veriminin 0,99 m3/kg-UKM giderimi olması gerekir, ancak NH4 konsantrasyonunun artması CO2’in sudaki çözünürlüğünü artıracağı için gaz fazındaki CH4’ün yüzdesi %50 den fazla olabilir. 3.3.3. Azotlu Bileşikler Bilinen en önemli azotlu bileşik hayvansal bir organik atık olan üre (CO(NH2)2)’dir. Üre aşağıdaki reaksiyon uyarınca amonyak ve CO2’e parçalanır. 12 CO(NH2)2 + H2O CO2 +2NH3 Üre, suda çözündüğü için, anaerobik reaktörlerin çıkış suyunda önemli oranda azot bulunabilir. 3.3.4. Yağlar Yağlar suda çözünmeyen ancak organik çözücülerde çözünebilen heterojen organik bileşiklerdir. Yağ asitlerinin genel formülleri CH3(CH2)nCOOH olup, oksidasyon ile asidin COOH kökünden asetil grupları ardışık olarak koparılarak asetik asit ve H2’ye dönüştürülür. Anaerobik oksidasyon ile doymuş 14 ile 18 karbonlu yağ asitleri önce asetata sonra da CO2 ve CH4’e dönüştürülür. Uzun zincirli yağ asitlerinin anaerobik süreçte parçalanarak asetata dönüştürülmesi sistemin gaz üretimi ve KOİ giderimi bakımından sınırlayıcı olmaktadır. Yağ asitlerinin tam anaerobik ayrışması sonucunda yüksek verimle biyogaz üretilebilir. Stearik asidin tam anaerobik ayrışması aşağıdaki gibi olmaktadır. CH3(CH2)6COOH + 8H2O 3CH4 + 5CO2 + 10H2 3.4. Anaerobik Mikrobiyoloji Anaerobik bozunma prosesi süresince birbirleriyle etkileşim halinde olan mikroorganizmaların birinci grubu, organik polimer ve yağların, monosakkaritler ve aminoasitler gibi daha basit ve temel yapılara hidrolizinden sorumludurlar. İkinci grup anaerobik bakteriler ise parçalanmış ürünleri organik asitlere dönüştürürler. Bu gruptaki mikroorganizmalar metanojik olmayan, fakültatif ve zorunlu anaerobik bakterilerdir. Bunlar literatürde “asitojenler” veya “asit üreticiler” olarak adlandırılırlar. Bu hidroliz ve fermantasyon bakterilerine Clostridium, Peptococcus anaerobus, Bifidobacterium, Desulphovibrio, Corynebacterium, Lactobacillus, Actinomyces, Staphylococcus ve Escherichia 13 coli gibi örnekler verilebilir. Üçüncü grup mikroorganizmalar da temel olarak, hidrojen (H2 + CO2) ve asetik asitten, metan gazı ve CO2 üretenlerdir. Diğer substrat kaynakları format, metanol ve metilaminlerdir. Bu mikroorganizmaların gerçekleştirdiği metan oluşum reaksiyonları aşağıda verilmektedir. Bu organizmalar anaerobiktirler ve “metanojenler (archaea)” veya “ metan üreticiler” olarak adlandırılırlar. Bu organizmalarda, çubuksu olan Methanobacterium ve Methanobacillus ile küresel olan Methanococcus ve Methanosarcina proseste hakim durumdadır. Anaerobik arıtma prosesleri içerisinde birbirleriyle ilişki halinde olan tüm bu mikroorganizmalar arasındaki enerji akımı şematik olarak Şekil 2’ de gösterilmektedir. Sistem stabilitesinin amaçlanan şekilde elde edilebilmesi için yukarıda ifade edilmiş olan hidroliz, fermantasyon ve metanojenler birbirleriyle dinamik dengede olmaları gereklidir. Bu stabilitenin sağlanabilmesi temel olarak, ortamda oksijenin ve inhibe edici kimyasalların bulunmamasına ve gerekli çevre şartlarının sağlanmasına bağlıdır. 14 Şekil 2. Anaerobik proseslerde enerji akımı 3.5. Biyoreaksiyonlar Anaerobik arıtma proseslerinde organik maddelerin parçalanması çok sayıda mikrobiyal populasyon ile gerçekleşmektedir. Bakteri türlerinin çok olması parçalanmadaki reaksiyon adımlarını da çeşitli ve kompleks hale getirmektedir. Parçalanma reaksiyonlarındaki adımların KOİ akım yüzdeleriyle gösterimi Şekil 3’ te verilmektedir. Bu reaksiyonları sağlayan mikroorganizma populasyonlarının dağılımı substrat yapısına, proses süresince oluşan ara ürünlerin konsantrasyonlarına ve pH, sıcaklık, H2 konsantrasyonu gibi çevresel şartlara bağlıdır. Biyoreaksiyon adımları şu şekilde tanımlanmaktadır: • Polimerlerin monomerik organiklere hidrolizi hidrolitik mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilir. Bu türler çözünmüş veya çözünmemiş halde bulunan yüksek moleküler ağırlıklı organik bileşiklerin indirgenmesini sağlayan enzimlere sahiptirler ve ürettikleri enzim türüne göre sınıflandırılırlar. Ortamda şeker veya aminoasit birikmesiyle inhibe olurlar. • Monomerik organik substratlardan hidrojen veya format, CO2, pirüvat, uçucu yağ asitleri, etanol ve laktik asit gibi diğer organik ürünlerin 15 oluşması fermantasyon bakterileri tarafından gerçekleştirilir. Bu reaksiyonlar bakterilerin bünyelerinde meydana gelmektedir. • İndirgenmiş bileşiklerin H2, CO2 ve asetata oksidasyonu hidrojen üreten asitojenler (OHPAs) tarafından gerçekleştirilir. • Bikarbonatların asitojenik solunumu homoasitojenlerce (HA) olmaktadır. Ancak bu bakteriler hidrojen tükettikleri için metanojenler ile rekabete girerler. • Ortamda sülfat veya nitrat olması durumunda alkoller, bütirik ve propiyonik asitler gibi indirgenmiş bileşiklerin CO2 ve asetata oksidasyonu sülfat indirgeyen (SRB) ve nitrat indirgeyen (NRB) bakteriler tarafından gerçekleştirilir. • SRB ve NRB’ler asetatın karbondioksite oksidasyonunu gerçekleştirirler. • SRB ve NRB’ler hidrojenin oksidasyonunda da rol oynarlar. • Asetik asidin metana dönüşümü metanojenler tarafından sağlanır. Bunlar asetik asidi kullanarak metan üreten arkeleridir (AMA) ve en önemlileri Methanothrix ile Methanosarcina dır. Her iki mikroorganizmanın çoğalma hızları düşüktür ve ikilenme süreleri yaklaşık olarak 24 saattir. Ayrıca bunların aktiviteleri ortamdaki hidrojenin varlığına bağlıdır. • Karbondioksitten metan oluşumu hidrojen kullanan metanojenler (HMB) tarafından gerçekleştirilen metanojik solunum ile olur. Bunlar AMA’lara göre daha hızlı çoğalırlar ve ikilenme süreleri 4 ila 6 saat arasındadır. 16 Şekil 3. Kompleks maddelerin biyoreaksiyon adımları Yukarıda ifade edilen biyoreaksiyonların serbest enerji değerleri Tablo 4’te verilmektedir. 17 Tablo 4. Bazı anaerobik reaksiyonların serbest enerji değerleri 3.6. Mikroorganizmalararası İlişkiler 18 Anaerobik arıtmada 3 grup bakterinin ortak çalışması gerekmektedir. Asetat kullanan metanojenler fermantasyon bakterileri ile müşterek çalışarak asetik asit konsantrasyonunu ve pH değerini kontrol ederler. Asetat kullanan metanojenlerin çoğalma hızları fermantasyon bakterilerine göre daha yavaş olduğundan organik yükün artması durumunda asit üretimi istenilen düzeyde gerçekleşebildiği halde, metan üretimi aynı hızda olmayabilir ve reaktörde aşırı asit birikimi ile karşılaşılabilir. Gaz fazındaki H2 konsantrasyonunun artması halinde hidrojen kullanan bakterilerce CO2 ve H2’den CH4 üretimi azalmaktadır. Organik madde ani olarak verildiğinde fermantasyon bakterileri bu şok yüke kısa sürede uyum göstererek asetik asit ve hidrojen gazı üretirler. Ancak, bu durum pH’yı düşürür ve metanojenlerin rol oynadığı reaksiyonların hızını yavaşlatarak ortamda H2 birikmesine neden olur. Kompleks organik maddelerin metana dönüştürülmesinde hidrojen üreten ve hidrojen kullanan mikroorganizmaların yine müşterek çalışması önemlidir. Buna göre, propiyonik asidin asetik asit ve hidrojene parçalanabilmesi için ortamdaki H2’nin kısmi basıncının 10-4 atmosferi (100 mg/L) aşmaması gerekmektedir. Bu düşük basınç ortamında hidrojen kullanan metanojenler için gerekli enerji kısmi basıncın 1 atm olması haline göre önemli ölçüde azaltılmış olmakta ve sonuç olarak reaksiyon kolaylaşmaktadır. Diğer bir değişle birim hacim H2’yi kullanmak için gerekli bakteri miktarı daha az olmaktadır. Bu nedenle, H2 kullanan metan arkelerinin maksimum hızla faaliyeti için H2 kısmi basıncının 10-4-10-6 atm aralığında tutulması büyük önem taşımaktadır. Ortamda elektron vericisi olarak sülfatın bulunması durumunda, sülfat indirgeyen bakteriler aktif hale gelmektedir. Sülfatın sülfide indirgenmesi esnasında hidrojen kullanımı vardır. Bu durumda, sülfat indirgeyen bakteriler, metanojen ve homoasitojenlerle rekabete girerler. Ortamda H2 konsantrasyonunun kısıtlı olması durumunda, rekabet halinde olan bu bakterilerin aktiviteleri, sülfat 19 indirgeyenler > metanojenler > homoasitojenler şeklinde sıralanmaktadır ve prosesteki biyolojik denge bozulmuş olur. 3.7. Anaerobik Mikroorganizmaların Enerji Kazanma Yolları ATP, canlı hücrelerin ortak enerji temin kaynakları olup ADP ye elde edilen enerjinin fosfat bagı olarak depolanması sonucu sentezlenir. Çeşitli maddelerdeki ATP değerleri canlı hücre miktarı ve aktif mikroorganizma biyokütlesinin tahmininde kullanılabilir. Mikroorganizmalar ATP sentezini iki farklı şekilde gerçekleştirebilmektedirler. Bulardan birincisi organik bileşiklerin bir biyokimyasal metabolik yolla yükseltgenmesi sırasında gerçekleştirilen ATP sentezidir. Bu asit üretimi reaksiyonları sırasındaki ATP sentez mekanizması olup havasız reaktörlerdeki en önemli ATP kaynagıdır. İkincisi ise, ETS de elektronların veya hidrojenlerin transferi sırasında ATP sentezidir. Bu mekanizmayı metan bakterilerinin gerçekleştirdiği sanılmaktadır. Ayrıca organik bileşiklerin biyolojik oksidasyonunda NAD+, NADP+ ve FAD gibi koenzimlerin hidrojeni taşımaları da bu oksidasyonun tamamlanması ve enerji üretilmesinde rolü büyüktür. 3.7.1. Asit Üretimi Yolu Koenzimler mikroorganizma bünyesinde az miktarlarda bulunur. Bu yüzden NAD+, asit üretimi (fermantasyon) yolunda hidrojen alıcı olarak bir fonksiyon görebilir ancak asit üretiminin devam ettirilebilmesi için ortaya çıkan NADH’ın yeniden oksitlenmesi gerçekleşmesi için gerekmektedir. çeşitli yollar Asit izler. bakterileri Glikozu asit bu oksidasyonun fermantasyonu ile parçalanmasındaki daha kompleks bir yol ise son ürün olarak bütirat, H2 ve CO2’nin üretildiği fermantasyon yoludur. Bu halde COA (koenzim A) ile demirli redoks bilesiği Ferrodoksin de H2 üretimi yoluyla prüvatın parçalanmasında rol oynar. Prüvatın fermantasyonunda diger bir alternatif de bakterilerin asetil-COA vasıtasıyla ekstra 2 ATP’ lik enerji kazandıkları yoldur. Buna hidrojen üreten asetik asit bakterilerinin asetat ve H2 olusturmak için takip ettikleri yol hidrojenin kısmi basıncına çok bağlıdır ve herhangi bir alternatif bulunmamaktadır. 20 Ortamdaki H2 konsantrasyonu ferrodoksin oksidasyon redüksiyon prosesi için belli değerlere ulaştığında enerji üretimi durur ve belli bir müddet sonra mikroorganizmalar ölmeye baslar. Hidrojen üreten asetik asit bakterileri propiyonat, bütirat ve yüksek moleküllü yağ asitleri ile aromatik bileşikleri parçaladıkları için, ortamdaki H2 konsantrasyonun yükselmesi halinde bu tür bileşikleri konsantrasyonlarında da birikme ve net metan üretim veriminde düşüş gözlenir. Sistemdeki toplam uçucu asit konsantrasyonundaki ani artış, metan üretim hızının düşmesi dolayısı ile toplam gaz hacminde de bir azalmaya yol açar. Bu gibi durumlarda ilk acil tedbir olarak reaktörün beslenmesi durdurulur ve uçucu asit birikmesine yol açan sebepler arastırılır. Havasız reaktörlerde uçucu asit birikmesi problemi aşırı ısıtma, aşırı yükleme, gaz geri devir hattından içeriye hava emilmesi,atık bileşimindeki ani değişiklikler dolayısıyla çok düşük veya çok yüksek NH4+ seviyeleri, alkalinitenin düşerek pH’daki kararlılığı bozması ve atıksu içersine toksik maddelerin karışması gibi faktörlerin bir veya birkaçının bir araya gelmesinden kaynaklanabilir. Gerçekte uçucu asitler doğrudan toksik değildir. Evsel atıksu arıtma çamuru çürütme tesislerindeki tipik uçucu asit konsantrasyonu 400 mg/L asetik asit civarındadır. Böyle bir reaktöre, asetat konsantrasyonunu 4500 mg/L’ ye yükseltecek şekilde ani bir sodyum asetat yüklemesi yapıldığında dahi mikroorganizmalar asetatı birkaç gün içersinde tamamen CH4 ve CO2’ye dönüştürebilmektedir. Tavuk gübresi atıklarının çürütüldüğü reaktörlerde de başlangıçta 2000 mg/L civarında olan uçucu asit konsantrasyonunun birkaç yıl sonra ihmal edilebilecek mertebelere düştüğü tespit edilmiştir. Dolayısıyla havasız reaktörlerin işletilmesinde hedeflenmiş kesin bir UA seviyesi bulunmamaktadır. Uçucu asit konsantrasyonundaki ani artış reaktördeki havasız arıtma sürecinin normal gitmediğinin ve H2 konsantrasyonunun yükselmesi sebebiyle metan bakterilerinin faaliyetlerinin engellendiğinin bir göstergesidir. Bu yüzden havasız sistemlerde stabilitesinin izlenmesi açısından en iyi parametre ortamdaki H2 konsantrasyonu veya kısmi basıncıdır. 21 3.7.2. Metan Gazı Üretim Yolu Metan bakterilerinin havasız çürütme sürecindeki temel fonksiyonu, H2 konsantrasyonunun düşük tutularak karbon akısının asetat üretimine doğru yönlendirilmesi olarak bilinmektedir. Sentez edilen ATP için birim mol’ü başına gerekli enerji miktarının 28,4 ile 36,5 kj oldugu ileri sürülmektedir. Enerji kaynağı olarak H2 veya formaldehit kullanılması halinde ATP sentezi için gerekenden fazla enerji üretimi mümkün olabilmekte buna mukabil asetatın enerji kaynağı olması durumunda ATP sentezi ancak mümkün olabilmektedir. 3.8. Biyogaz Üretimi ve Enerji Geri Kazanımı Havasız şartlardaki süreçte nihai ürün olarak üretilen metanın giderilen KOİ başına üretim miktarını belirleyelim. CH4 + 2O2 CO2 +2H2O Yukarıdaki denkleme göre 1 mol CH4’ün oksidasyonu için 2 mol (64 gr) O2 gereklidir. PV = nRT ideal gazlar bağıntısından giderilen 1 gr KOİ başına standart şartlarda (0 °C,1atm basınç) 0,35 L mezofilik havasız arıtma koşullarda ise 0,395 L metan üretileceği sonucu çıkarılır. Anaerobik sistemlerin aerobik sistemlerle ekonomik anlamda rekabet edebilmesi için arıtılacak atığın KOİ değerinin 2500 mg/L’nin üzerinde olması gereklidir. Mezofilik işletme şartlarında endüstriyel havasız arıtma sistemlerinde 0,2-0,5 (0,3) L metan /gr-KOİ giderimi mertebesinde biyogaz geri kazanımı gerçekleşmektedir. Bu değer şeker, bira, süt vb. gıda sanayinde 0,5, buna karşın inhibitör tesirlerin söz konusu olduğu endüstrilerde 0,2 ye yaklaşır. % 65-80 oranında metan içeren bir biyogazın enerji degeri 6,5-8 kW-saat/m3 olarak alınabilir. Biyogazı buhar kazanlarında yakma verimi en yüksek olup bu değer yaklaşık %80 dir. Biyogazın buhar kazanlarında yakıldığı farz edilerek 1kg KOİ’nin enerji eşdeğeri 0,3*0,80*(6,5 - 8)=1,56-1,92 kW-saat olarak hesaplanabilir. Bu enerjinin %1- 1,5’unun arıtma tesisinin ihtiyacı için 22 kullanıldığını düşünürsek ortalama olarak bu degeri 1,50 kW-saat/kg-KOİ giderimi olarak alabiliriz. Bu değer KOI > 2500 olan organik madde miktarının orta ve yüksek seviyedeki atıkların havasız şartlarda arıtımı için çok cazip olduğunu gösterir. Standart şartlarda 1 m3 biyogazın enerji esdegeri 3,8-8,5 kWsaat’tir ve değer de yaklaşık olarak 0,5 L fuel-oil’in enerjisine eşdeğerdir. Aşağıdaki tabloda farklı organik atıkların havasız olarak arıtımı sonucunda elde edilen biyogaz miktarları ve bunların ısıl değerleri verilmiştir. Tablo 5. Çeşitli atıklardan üretilen biyogazların metan muhtevaları ve ısıl değerleri 3.9. Anaerobik Arıtımda Etkili Olan Parametreler Anaerobik arıtma prosesi oldukça karmaşık bir prosestir. Birçok unsur anaerobik arıtma mekanizmasına etki eder. Bunların belli başlıcaları; pH, alkalinite, sıcaklık, amonyak inhibisyonu, sülfür, toksik maddeler, nütrientler, uçucu asitler, gaz üretimi, metan muhtevası vb. olarak sayılabilir. 3.9.1. pH Anaerobik arıtma sistemlerinde pH’ın değişimi birçok faktörün toksik etkilerini arttırıp azaltmasından ötürü önemlidir. Özellikle serbest amonyağın toksik etkisi yüksek pH'larda daha tehlikeli olmaktadır. Bunun yanında sülfatlı atıksuların 23 arıtımı sonrası ortaya çıkan sülfürün büyük çoğunluğu düşük pH’larda H2S şeklinde olmaktadır. Anaerobik arıtmada pH değişimlerine en hassas grup metan bakterileridir. Metan bakterileri için optimum pH aralığı 6,5 – 8,5’dur. Genellikle sistem performansı pH düştüğünde düşer ve daha sonra durur. Eğer pH 8’in üzerine çıktığında aktivitede bir yavaşlama oluyorsa bunun nedeni serbest NH3 konsantrasyonudur. Anaerobik arıtmada metan bakterilerinin aktivitelerinin pH’ a bağlı olarak değişimi Şekil 4’de verilmiştir. Şekil 4. Metanojen aktivitelerinin pH'ya bağlı değişimi Metan gazının hidrojen veya asetik asit kullanılarak meydana gelme yüzdeleri en ufak pH değişimi ile farklılık gösterir. Biyoreaksiyon adımlarındaki bu değişim Şekil 5’te verilmektedir. Burada pH’nın yaklaşık 7 değeri ve pH’nın 5 – 6 aralığındaki değerleri için metanolün parçalanma reaksiyonlarındaki baskın adımlar gösterilmektedir. 24 Şekil 5. Metanolden metan üretimi pH 7 için (a), pH 5-6 için (b) Metanolden metan üretimi aşamalarında pH yaklaşık 7 değeri için I. ve II. adımların baskın olduğu ve ortamda asetik asit birikiminin yaşanmadığı belirlenmiş. Buna karşılık olarak, pH 5 - 6 aralığında ise metan oluşumunda hidrojen kullanan metanojenlerin daha aktif olduğu görülmüş. Sonuç olarak, ortamda asetik asit birikmesi gözlenmiş ve bunun nedeninin düşük pH değerlerinde asetik asitten metan oluşumunu sağlayan metanojenlerin aktivitesinin düşmesi olduğu saptanmıştır. 3.9.2. Alkalinite Anaerobik arıtma sonunda üretilen biyogazdaki CO2 muhtevası fazla olduğunda pH’ı nötr seviyesinde tutmak için gereken alkalinite miktarı 1000 – 4000 mg/L civarındadır. Atıksularda nadiren yeterli miktarda alkalinite olur. Bu yüzden atıksuya ilave alkalinite vermek gerekir ki bu da ilave bir masraftır. CO2 kısmi basıncı ile ortamdaki karbonat konsantrasyonu arasında aşağıdaki ilişki vardır: 25 Toplam alkalinite bikarbonat alkalinitesi ve uçucu asit alkalinitesi arasında bağıntısı geçerlidir: TA=B.Alk+(0.83)(0.85)TUA Burada: B.Alk : bikarbonat alkalinitesi, mgCaCO3/L TUA : toplam uçucu asit alkalinitesi, mgHAc/L 0.85 : pH=4 de titre edilen TUA’nin %85 ini 0.83 : CaCO3(e.a)/HAc(e.a)=50/60 e.a : eşdeğer ağırlık TUA alkalinitesi H2CO3’ün tamponlanmasında katkı sağlar, ancak iyonize olmamış uçucu asitlerin tamponlanmasında yetersiz kalır. Bu yüzden TUA 26 alkalinitesinin tampon etkisi ihmal edilir. Bikarbonat alkalinitesi önem taşır. Bikarbonat alkalinitesi hesaplanırken asit titrasyonu pH = 4.0-4.2 yerine 5.8 de kesilir. Bu pH’da bikarbonat alkalinitesinin %80’i, TUA alkalinitesinin ise çok küçük bir kısmı titre edilmiş olur. Anaerobik reaktörlerde pH > 6.2-6.5 ise belli miktarda rezerv alkalinite vardır. Rezerv alkalinite sadece bikarbonat alkalinitesini yansıtır. Havasız sistemlerde alkalinite ihtiyacını azaltmak üzere: • Arıtılmış su geri devri • Üretilen biyogazın bünyesindeki CO2’ in alkali sıvı çözeltilerde (kireç, kostik) absorblandıktan sonra reaktör tabanından geri beslenmesi • Termofilik şartlarda işletme • Faz ayrımı gibi yöntemler uygulanır. 3.9.3. Sıcaklık Havasız arıtma sıcaklık değerine göre iki kademe olarak ayrılabilir. İlki mezofilik kademedir ve 25-40 °C aralığındadır. İkincisi ise termofilik kademedir ve 50-60 °C aralığındadır. Metan üretimi sıcaklık arttıkça artarken sıcaklık 35°C’e geldiğinde pik bir değer alır. Ardından sıcaklık arttırıldığında metan üretimi tekrar artar ve 55 °C’e geldiğinde ikinci bir pik değere ulaşır. Bu yüzden mezofilik reaktörler 35°C’de, termofilik reaktörler ise 55 °C’de çalıştırılır. Yavaş olan sıcaklık değişimlerine mikroorganizmalar adapte olurlar, ancak ani sıcaklık değişimleri mikroorganizmalar üzerinde inhibisyon etkisi yapar. Bu yüzden anaerobik proseslerin ±2 °C aralığında çalıştırılması gerekir. Anaerobik arıtmada metan üretiminin sıcaklıkla değişimi Şekil 6’da verilmiştir. 27 Şekil 6. Anaerobik proses için sıcaklık aralıkları 3.9.4. Nütrientler ve Uçucu Asitler Arıtılan atığın KOİ/N/P bakımından dengeli olması çok önemlidir. Böyle bir denge yoksa üre, H3PO4 veya amonyum gibi bazik kimyasal madde ilavesi ile denge saglanmalıdır. Biyokütle oluşumunun hızlı olduğu işletmeye alma dönemlerinde KOİ/N/P oranı 300/5/1~500/5/1 aralığında tutulur. Kararlı işletme hallerinde ise 700/5/1 oranı uygulanabilir. N ve P gibi makro nütrientler yanında Na, K, Mg, Fe, Ni, Co, Se gibi iz elementlerinin anaerobik şartlarda arıtma için gerekli olduğu tespit edilmiştir. Özellikle diğer çevre şartları optimum olduğu halde yeterli KOİ giderimi ve düşük UA seviyeleri elde edilmezse iz elementlerin eksikliği söz konusu olabilir. Bu durumda asgari Fe, Co ve Ni gibi üç önemli iz elementinin reaktörde 0,1 mg/L elde edilecek miktarda özel bir formül halinde dozlanması gerekir. İz element miktarları yüksek olduğunda bakteriler için inhibe edici özellik gösterirler. Bazı iz elementlerin anaerobik arıtımda istenen konsantrasyonları Tablo 6’da verilmiştir. 28 Tablo 6. Anaerobik arıtımda bazı iz elementlerin istenen konsantrasyonları Anaerobik reaktörlerde UA birikiminin muhtemel sebepleri aşağıda izah edilmiştir: • İz elementi eksikliği • Zehirlilik etkisi • Aşırı organik yükleme • Hidrolik kısa devre • N veya P yetersizliği • H2 kısmi basıncının yüksek oluşu Daha önce de ifade edildiği gibi anaeobik arıtmada ilk safha, organik maddelerin basit organik madde ve asitlere dönüşmesidir. Ardından bu organik madde ve asitlerde asetik asit, CO2 ve H2’e dönüşür. Akabinde asetik asitin parçalanması sonucu CH4 ve CO2, CO2 ve H2’nin sentezi sonucunda CH4 üretilmiş olur. Sistem dengede iken basit organik maddelerin büyük çoğunluğu direkt olarak asetik asit, CO2 ve H2’ ye dönüşür. Ancak özellikle metan bakterilerinin çalışmasında bir aksama olduğunda basit organik maddeler asetik asit yerine propiyanat ve bütirat gibi daha kompleks uçucu asitlere dönüşür. Oluşan propiyanat ve bütiratın metan bakterileri tarafından metana dönüşüm oranı düşüktür. Bu yüzden arıtma çıkışında suda metana dönüşemeyen asitler bulunur. Ayrıca, organik yükleme fazla olduğunda bakteriler asetik asiti de yeteri kadar parçalayamazlar. 29 Dolayısıyla çıkış suyunda uçucu yağ asiti miktarı artar. Uçucu yağ asiti konsantrasyonunun artması pH’ın azalmasına sebep olur. Bu da metan bakterilerinin çalışmasını olumsuz yönde etkiler. Hatta pH düşüşü devam ederse metanojenik faaliyet tamamen durur. Bu yüzden anaerobik arıtma sistemlerinde uçucu yağ asiti konsantrasyonu, sürekli izlenmesi gereken çok önemli bir parametredir. Uçucu yağ asiti konsantrasyonu arttığında pH’ın düşüşünü tamponlamak için alkalinitenin arttırılması ve yağ asiti konsantrasyonundaki bu artışın nedenlerinin araştırılması gereklidir. Bu da yetmediğinde organik yük azaltılır hatta gerektiğinde durdurulur. konsantasyonlarının Yapılan 1000-1500 araştırmalar mg/L’yi aştığında uçucu yağ asidi önemli problemlerin başladığını göstermektedir. Uçucu yağ asidi konsantrasyonları genelde düşük alkalinite değerlerinde daha tehlikelidir. Bu yüzden uçucu yağ asidi konsantrasyonları incelenirken, alkalinite değerleri de dikkate alınır ve uçucu yağ asidi/alkalinite oranına göre de yorum yapılır. Emniyetli bir işletme için mümkünse yükleme stratejisi, TUA/Alkalinite oranı 0,1’i geçmeyecek şekilde ayarlanmalıdır. TUA/TA oranı 0,3’e yaklaştığında sebebi araştırılmalı ve gerekli kontrol tedbirleri alınmalıdır. 3.9.5. Amonyak Amonyak, anaerobik arıtmada özellikle metan bakterileri üzerinde toksik etki yapar. Amonyak zayıf bir asittir ve sularda genelde amonyum iyonu (NH4+) şeklinde bulunur. Serbest amonyak (NH3-N) ile amonyum azotu arasındaki oran pH’a bağlı olarak değişir. pH arttıkça serbest amonyağın (NH3-N) oranı artar. Metan bakterileri için asıl toksik etkiyi serbest amonyak (NH3-N) gerçekleştirir. Bu yüzden amonyağın inhibisyonu özellikle yüksek pH’larda daha tehlikelidir. Yaklaşık olarak 100 mg/L konsantrasyondaki serbest amonyak (NH3-N) konsantrasyonu toksik etki göstermekle birlikte, eğer bu değere sistem 30 alıştırılarak ulaşılırsa toksik etki görülmeyebilir. Sularda amonyak ve amonyumun pH’a göre değişimi Şekil 7’de gösterilmiştir. Şekil 7. pH değişimine bağlı amonyak-amonyum dönüşümü 3.9.6. Sülfür Üretimi Sülfat ve sülfit gibi oksitleyiciler sanayi atıksularında bol miktarda bulunurken, daha az ölçüde evsel atıksularda da bulunurlar. Sülfat, sülfit ve tiyosülfatın atıksudaki varlığı anaerobik arıtma için oldukça önemlidir. Sülfat içeren bir atıksu anaerobik olarak arıtılırken sülfat gideren bakteriler besi maddesi olarak asetik asit ve H2’i kullanarak metan bakterileri ile rekabet ederler. Sülfür üretimi metan üretimine göre nispeten daha kolay olduğundan sülfür üreten bakteriler metan üreten bakterilere göre daha hızlı çalışır ve reaktörde metan üretimi düşer. Ayrıca, üretilen H2S metan bakterileri için toksik bir maddedir. H2S konsantrasyonunun 200 mg/L’i aştığı durumlarda metan üretiminin tamamen durduğu bilinmektedir. Ayrıca oluşan H2S gaz formunda iken oldukça korozif bir maddedir ve reaktör ile borularda korozyona sebep olur. Bunlara ilaveten sülfat içeren atıksuların arıtımı sonrası ortaya çıkan H2S atmosferi kirleten gazlardan 31 biridir. Sularda H2S ve HS-‘in değişimi pH’a bağlıdır ve bu değişim Şekil 8’de gösterilmiştir. Sülfat bakterileri iki grup olarak incelenebilir. İlk grup elektron kaynağı olarak organik maddeleri kullanıp onları asetata çevirirken, sülfatı sülfüre çevirirler. Bu grubun anaerobik arıtmada en sık rastlanılanı Desulfovibrio bakterisidir. İkinci grup sülfat azaltıcı bakteriler yağ asitlerini (özellikle asetat) okside ederken, sülfatı sülfüre çevirirler. Bu grubun en sık rastlanılan üyesi Desulfobacter’ dir. Şekil 8. H2S ve HS-‘in pH’ya bağlı değişimi 3.9.7. Gaz Üretimi ve Metan İçeriği Anaerobik arıtmada reaktör verimini kontrol etmenin en kolay yöntemlerinden biri oluşan biyogaz miktarı ve bu biyogaz içerisindeki metan muhtevasını takip etmektir. Bilindiği üzere anaerobik arıtmanın aerobik arıtmaya olan temel üstünlüklerinden biri proses sonucu ortaya çıkan metandır. Prosesin çalışması ne 32 kadar iyi olursa o oranda biyogaz üretilmiş olur. Üretilen biyogazın miktarı sistemde giderilen organik yükle paraleldir. Sonuç olarak biyogaz miktarının düşmesi sistemin organik kirlilikleri giderme veriminin düştüğünün gösterir. Bunun temel sebeplerinden biri aşırı organik yüklemedir. Bunun dışındaki sebepler metan bakterilerinin çalışmasını olumsuz yönde etkileyen ve önceki bölümlerde anlatılan unsurlardır. Anaerobik arıtmada biyogazın yüksek miktarlarda olması istendiği gibi, biyogaz içerisindeki metan muhtevasının da fazla olması istenir. Eğer biyogaz içerisindeki metan yüzdesi düşerse bunun temel sebeplerinden biri metan bakterilerinin çalışmasına etki eden bir unsurdur. Biyogaz içerisindeki metan muhtevası genelde %70’in üzerindedir. Bu değerin altına inildiğinde bunun sebebinin araştırılması gerekir. Normal şartlarda (0 ºC ve 1 atm), glikoz (C6H12O6) için giderilen beher gr KOİ başına üretilmesi gereken metan miktarı 0,35 L’dir. Tablo 7. Anaerobik proseste optimum çevre şartları 33 3.10. Asit Üretimi ve Metan Üretiminin Ayrı Reaktörlerde Gerçekleştirilmesi Klasik anaerobik arıtma sistemlerinde genel olarak asit üretim ve metan üretim safhaları aynı reaktörde gerçekleşir. Fakat bu iki safhanın ayrı ayrı gerçekleştirildiği prosesler de mevcuttur. Özellikle birbirinden farklı hızlarda çalışan asit ve metan üretim bakterilerinin birbirleriyle daha iyi bir uyum içerisinde çalışmalarına imkân veren bu sistemin kullanımı son yıllarda hızlı bir şekilde artmıştır. Asit bakterilerinin çalışma hızı ile metan bakterilerinin çalışma hızları birbirinden oldukça farklıdır. Metan bakterilerinin asit bakterilerine göre oldukça yavaş çalışması sebebiyle genel olarak metan üretim safhası anaerobik arıtmada hız kısıtlayıcı safhadır. Sistem yükü metan bakterilerinin çalışma hızına göre dizayn edildiğinden, aslında daha hızlı çalışabilecek asit bakterilerinin çalışma performanslarından tam olarak faydalanılamamaktadır. Asit üretim ve metan üretim safhalarının ayrı reaktörlerde tatbik edildiği reaktörlerde ise aynı reaktör hacminde çalışma zorunluluğu yoktur. Asit üretim safhasına göre daha büyük hacimli metan üretim reaktörü kullanılarak hem asit hem de metan bakterilerinden azami ölçüde faydalanılabilir. Asit üretim ve metan üretim safhalarının bir arada bulunduğu sistemlerle ayrı olarak dizayn edilen sistemlerin birbirlerine göre avantaj ve dezavantajları Tablo 8’de verilmiştir. Tablo 8. Tek kademeli ve iki kademeli sistemlerin kıyaslanması 34 Tablodan görüldüğü gibi asit üretim ve metan üretim safhalarının ayrı yapıldığı reaktörlerin en önemli avantajı, daha hızlı işletmeye alma süresidir. Bu tip sistemlerde devreye alma süresi iki safhanın aynı reaktörde yapıldığı sistemlere göre daha kısadır. Ayrıca bu tip sistemlerin verimi birleşik sistemlere göre daha iyidir. Bunlara ilave olarak katı organik maddeler ayrık sistemlerde daha iyi bir şekilde parçalanırlar. Ayrık sistemlerin tüm bu avantajları yanında bir takım dezavantajları da vardır. Bunların en önemlisi iki ayrı reaktör kurulması yüzünden ilk yatırım maliyetinin yüksek oluşudur. Arıtma sistemlerinde maliyet mutlaka göz önünde bulundurulması gereken çok önemli bir faktördür. İki safhanın bir arada yapıldığı sistemlerde asit ve metan bakterileri ortak çalışarak sistemin kontrolünün daha kolay olmasını sağlayabilmektedir. Sistemdeki bir takım kararsızlıklar asit ve metan bakterilerinin ortak olarak hareket etmesiyle tamponlanabilir. İki safhanın ayrıldığı sistemler ise özellikle pH’ın kontrolü konusunda daha sıkıntılıdırlar. Hem asit bakterileri için hem de metan bakterileri için optimum pH seviyesini ayarlamak gerekir. Bunu sağlamak ise diğer duruma göre daha zor olabilmektedir. 3.11. Proses Sınıflandırılması ve Karakteristikleri Aerobik arıtma prosesleri Şekil 9’da görüldüğü gibi sınıflandırılabilir. Bu proseslerin temel karakteristikleri ise Tablo 9’da kıyaslanmıştır. Askıda büyüyen prosesler, genellikle ön ve son çöktürme çamurları gibi partiküler maddeler içeren atıkların arıtımında kullanılır. Bağlı büyüyen prosesler en çok gıda atıkları gibi çözünür organik atıkların arıtımı için uygundur. Hibrit sistemler ise çözünür atıklarda en iyi sonucu vermekle birlikte hem çözünür hem de partiküler maddelerin arıtımında kullanılabilir. 35 Şekil 9. Anaerobik arıtma proseslerinin sınıflandırılması Tablo 9. Anaerobik askıda büyüyen, bağlı büyüyen ve hibrit sistemlerin karşılaştırılması 36 3.12. Anaerobik Reaktör Tipleri 3.12.1. Anaerobik Çürütücüler Anaerobik çürütücüler, ön ve son çöktürme çamurlarındaki organik materyalleri metan ve karbondioksit gibi nihai ürünlere dönüştürmek maksadıyla kurulurlar. Çürütücüye kesikli ya da sürekli olarak giren çamur değişik zaman periyotlarında çürütücüde kalır. Organik muhtevası azaltılmış ve patojenleri önemli ölçüde giderilmiş olan stabilize çamur reaktörden kesikli ya da sürekli olarak çekilebilir. Şekil 10. Tipik çürütücü tipleri a) standart hızlı çürütücü, b) yüksek hızlı çürütücü ve c) iki kademeli çürütücü Sıklıkla kullanılan standart hızlı ve yüksek hızlı olmak üzere iki tip çürütücü vardır. Şekil 10a’da görülen standart hızlı çürütücülerde genellikle ısıtma ve 37 karıştırma kullanılmaz. Çamurların bekletme süresi 30 ile 60 gün arasındadır. Şekil 10b’de görülen yüksek hızlı çürütücülerde ise muhteva ısıtılır ve karıştırma uygulanır. Çamurların bekletme süresi tipik olarak 20 gün veya daha azdır. Şekil 10c’de görülen ve iki adımlı çürütücü prosesi olarak bilinen proses ise standart hızlı ve yüksek hızlı çürütücülerin birleşmesinden oluşur. İkinci çürütücünün temel fonksiyonu çürümüş çamuru çürütücü üst suyundan (süpernatant) ayırmak ise de ilave bir çürütme ve gaz üretimi de gerçekleşir. Tam karışımlı çürütücülerde çamur yaşı çürütücüdeki suların hidrolik bekletme süresine eşittir. Reaktör sıcaklığının arttırılmasıyla minimum çamur yaşı düşürülür. Bu aynı zamanda aynı arıtma verimini elde etmek için gerekli olan hidrolik bekletme süresi ve çürütücü hacminin de azalmasına sebep olur. 3.12.2. Atıksu Arıtımında Kullanılan Anaerobik Reaktör Tipleri Günümüzde özellikle endüstriyel atıksuların arıtımında kullanılmak üzere geliştirilen pek çok anaerobik arıtma tipi vardır. Anaerobik arıtma alanı aerobik arıtmaya göre daha yeni bir alan olduğundan ve daha önce sıralanan, aerobik arıtmaya göre üstün yönlerinin günümüzde daha fazla önem kazanmasından dolayı sürekli gelişmektedir. Anaerobik arıtma gerçekleştirmesi amacıyla modellenmiş birçok reaktör sayılabilir. Bu reaktörlerin en sık kullanılanları şunlardır; • Yukarı Akışlı Anaerobik Çamur Yataklı Reaktör (Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor, UASB) • Ardışık Kesikli Anaerobik Reaktör (Anaerobic Sequencing Batch Reactor, ASBR) • Anaerobik Filtre (Anaerobic Filter, AF) • Anaerobik Membran Biyoreaktör (Anaerobic Membrane Bioreactor, AMBR) • Akışkan Yataklı Anaerobik Reaktör (Anaerobic Fluidized Bed Reactor, AFBR) 38 Yukarıda sayılan reaktörlerin dışında kullanılan birçok reaktör tipi vardır. Bunlar arasında anaerobik çürütücü, anaerobik temas reaktörü, hibrit filtre vb. sayılabilir. Anaerobik arıtma aerobik arıtmaya nazaran daha yeni bir teknoloji olduğundan yeni sistemler geliştirmek için çalışmalar yapılmakta ve neticesinde yeni anaerobik sistem önerileri üretilmektedir. 3.12.2.1. Yukarı Akışlı Anaerobik Çamur Yataklı Reaktör Yukarı akışlı anaerobik çamur yataklı reaktörler (UASB) anaerobik arıtma tipleri içinde en sık kullanım alanı olan sistemlerden biridir. 1970’li yılların sonunda Hollanda’da Lettinga ve yardımcıları tarafından geliştirilmiştir. UASB’ nin şematik görünüşü Şekil 11’de gösterilmiştir. UASB reaktörlerde atıksu girişi reaktörün alt kısmındandır ve atıksu akımı yukarı doğrudur. Üst kısımda çıkış suyuyla birlikte katıların çıkmasını önlemek için perdeler kullanılır. UASB reaktörlerde bazen çıkış suyu bir çökeltme havuzuna alınır ve çöken çamur reaktöre geri devrettirilir. Ayrıca, bazen reaktörün üst kısmına filtre malzemesi konularak hibrit sistem olarak kullanılmaktadır. Bu iki modifikasyonun da amacı sistemden katıların kaçışını önlemektir. Şekil 11. UASB reaktörünün şematik görünüşü 39 UASB reaktörlerin en önemli özelliği diğer anaerobik arıtma proseslerine kıyasla çok yüksek hacimsel organik yüke cevap verebilmesidir. Bunun temel nedeni UASB reaktörlerin dip kısmındaki granüler çamurun 50-100 g/L, üst kısımdaki fazın ise 5-40 g/L olan katı madde konsantrasyonudur. Granüler çamur partiküllerin çapları 1 ile 3 mm arasında değişmektedir. Granüller, sistemin başlangıçtaki alıştırma periyodunda geliştirilir veya benzer bir tesisten işletmeye alma döneminde temin edilir. UASB reaktörlerde granül geliştirilmesinde pek çok faktör rol oynamaktadır. Örneğin evsel atıksular için uygulanan bir UASB reaktörde granül geliştirilmesi için dikkat edilecek temel hususlar şu şekilde sıralanabilir; • Aşı çamuru konsantasyonu için UKM cinsinden 10-15 kg/m3 aralığında bir değer seçilmelidir • Başlangıçta uygulanan organik yük, 0,05-0,10 kg KOİ/kg UKM-gün aralığında bir değer olmalıdır • KOİ giderme verimi %80’i aşmadıkça organik yük arttırılmamalıdır. Mikroorganizmaların organik yüke adapte olduklarını gösterecek şekilde KOİ giderme verimi % 80 seviyesini aştığında organik yük kademeli olarak arttırılmalıdır • Çökelme özelliği düşük çamurlar yıkanmalıdır • Eğer geri devir yapılırsa sistemden kaçmış olan hafif çamurların sisteme geri dönüşüne izin verilmemelidir • Çamurun ağır kısmının sistemde kalması sağlanmalıdır • Aşı çamurunun UKM konsantrasyonunun çok düşük olması halinde, granülleşmeyi teşvik etmek için reaktöre inorganik çekirdek malzemesi ilave edilmelidir. Diğer askıda katı maddelerin varlığı granüllerin oluşmasında inhibe edici olabilir. Granüllerin oluşturulması ve ağırlaştırılması ile ilgili bir diğer öneriler: • pH nötr seviyede olmalıdır • Kısmi hidrojen basıncının yüksek olduğu bir bölge bulunmalıdır. Diğer bir deyişle pH değeri düşük olmalıdır 40 • Sistemin NH4-N ihtiyacı yeterli bir şekilde karşılanmalıdır • Aminoasit miktarı sınırlı olmalıdır. UASB reaktörler için tanımlanmış belli başlı dizayn kriterleri mevcuttur. Bunlar maddeler halinde sıralanacak olursa; • Katı madde muhtevası ve bileşimi • Atıksu karakteristikleri • Hacimsel organik yük • Yukarı akış hızı • Reaktör hacmi • Fiziksel yapılar • Gaz toplama sistemidir. Atıksudaki katı madde miktarı, KOİ konsantrasyonu vb. gibi bileşenler UASB reaktörlerin hem devreye alınmasında, hem de sonraki aşamalarında çok önemli parametrelerdir. Örneğin; protein granülleşmeye engel olduğu olabilmektedir. Yukarı akış ve gibi, hızı yağ içeriği köpüklenme UASB fazla olan problemine reaktörlerin atıksular, de neden dizaynında önemli parametrelerden biridir. Bu konudaki çalışmalardan faydalanarak akış hızı için tavsiyeler Tablo 10’da verilmiştir. Tablo 10. UASB’ de yukarı akış hızı ve reaktör yüksekliği 41 Diğer anaerobik arıtma sistemlerinde olduğu gibi hacimsel organik yük UASB reaktörlerde de çok önemlidir. Ayrıca diğer reaktörlere nazaran UASB reaktörlerdeki hacimsel organik yük değerleri çok daha fazladır. UASB reaktörlerde değişik giriş KOİ konsantrasyonları için farklı granül tiplerinde uygulanabilecek hacimsel organik yükleme değerleri Tablo 11’de verilmiştir Tablo 11. % 85-95 KOİ giderimi sağlaması için UASB reaktörlerde önerilen hacimsel organik yükler UASB reaktörlerde reaktör hacminin ve çapının hesabında organik yükleme oranı, yukarı akış hızı ve etkili arıtma hacmi değerlerine bakılarak dizayn yapılır. Ayrıca gerektiğinde katı sıvı ayırımı için gerekli bölge ve gaz toplama kısmının hacmi de hesaba katılır. UASB reaktörler için etkili arıtma bölgesi hacmi aşağıdaki denklemle bulunur. 42 Reaktördeki sıvı bölgesinin yüksekliği ise toplam sıvı bölgesi hacmi ve yukarıda bulunan yüzey alanına göre aşağıdaki gibi hesaplanır. 43 UASB reaktörler inşa edilirken gaz toplama bölgesi de hesaba katılır. Gaz toplama bölgesi reaktöre 2,5-3 m ilave bir yükseklik getirir. Gaz toplama bölgesinin yüksekliği de dikkate alınırsa reaktörün toplam yüksekliği aşağıdaki gibi hesaplanır. UASB reaktörlerin fiziksel tasarım üniteleri, giriş yapısı, çıkış yapısı ve gaz toplama bölgesidir. Giriş yapısı atıksuyun reaktöre üniform bir şekilde dağılımını sağlamalı, kanallanmaya izin vermemelidir. Çıkış yapısı aynı zamanda çıkış atıksuyu ile çamurdaki katı maddelerin ayrılması işlevini yürütür. Çıkış yapısı reaktörden atıksuyla birlikte askıda katı maddelerin kaçışına izin vermeyecek şekilde olmalıdır. 3.12.2.2. Ardışık Kesikli Anaerobik Reaktör Ardışık kesikli anaerobik reaktörler (ASBR), isminden de anlaşılacağı üzere kesikli olarak çalıştırılan ve birbiri ardına gelen adımlardan oluşan bir anaerobik prosestir. ASBR’ da 4 temel işlem adımı vardır. Bunlar sırasıyla ifade edilecek olunursa; 1. Besleme 2. Reaksiyon 44 3. Çöktürme 4. Sistemin boşaltılmasıdır. ASBR sisteminin genel proses şeması Şekil 12’dedir. Şekil 12. ASBR sisteminin genel proses akım şeması Besleme esnasında substratın mikroorganizmalarla tam olarak teması için sistem sıkıştırılır. Besleme hacmi; hidrolik bekleme süresi ve organik yüklemeye bağlı olarak hesaplanır. Reaksiyon adımında substrat metana dönüştürülür. Burada bekleme süresi; atıksuyun sıcaklığına, biyokütle konsantrasyonuna ve istenen çıkış suyu kalitesine bağlı olarak belirlenir. Bu adımda sistem mekanik karıştırıcılar vasıtasıyla karıştırılır. Çöktürme adımında karıştırma işlemine son verilir. Burada geçen süre biyokütlenin çökebilirliğine bağlı olarak değişir. Bu değer genel olarak 10-30 dakika arasındadır. MLSS konsantrasyonu ve F/M değeri çökelme hızlarına etki eden iki önemli parametredir. Son aşama olan sistemi boşaltma aşamasında, reaktörün üst fazından arıtılmış su alınır. Çekilecek suyun miktarı sisteme alınan atıksu miktarına eşittir. ASBR tipi sistemlerin diğer anaerobik arıtma sistemlerine nazaran bazı avantaj ve dezavantajları vardır. Sistemin avantajları; • Pahalı giriş ve çıkış yapılarına gerek yoktur • Çamur geri devrine gerek yoktur. 45 Dezavantajları ise; • Reaksiyonu kontrol etmek için bir kontrol sistemi gerekliliği • Sistemden biyokütle kaybının yaşanması olarak sayılabilir. 3.12.2.3. Anaerobik Filtre Anaerobik filtreler (AF), substrat ile onu parçalayan bakteriler arasında daha fazla temas yüzeyi elde edilmesi amacıyla tasarlanmıştır. Reaktör içerisinde kullanılan dolgu malzemesi yüzey alanını yani substratla bakterilerin temas alanını oldukça arttırır. Şekil 13’de anaerobik filtrelerin şematik bir görünümü verilmiştir. Şekil 13. Anaerobik filtrelerin şematik görünümü Anaerobik filtrelerde dolgu malzemesi olarak pek çok madde kullanılır. Bu malzemelerin başlıcaları, taş, plastik halkalar ve PVC halkalardır. Dolgu malzemesinin asli görevi temas yüzeyini arttırmak olduğundan temas yüzeyini en etkin biçimde arttıran dolgu malzemeleri en kullanışlı dolgu malzemeleri olarak tanımlanır. Avrupa’da kurulmuş ve işletmede olan bazı anaerobik filtrelerin özellikleri Tablo 12’de görülmektedir. Anaerobik filtrelerin KOİ giderme verimini 46 etkileyen en önemli parametre hidrolik bekletme süresidir. Dolgu malzemesinin yüzey alanının verime etkisi ise oldukça düşüktür. Tablo 12’den de görüleceği üzere anaerobik filtrelerin arıtma verimi % 55-93 arasında değişmektedir. Anaerobik filtrelerin başlıca dezavantajları; • Özellikle yüksek miktarda askıda katı madde ihtiva eden atıksuların arıtımında karşılaşılan tıkanma problemi • Biyofilm teşekkülünün uzun süreler alması • Kanallanma ve kısa devre ihtimalidir. Tablo 12. Avrupa’da kurulu bazı anaerobik filtreler 3.12.2.4. Anaerobik Membran Biyoreaktör Anaerobik membran biyoreaktörler (AMBR), esas olarak tam karışımlı reaktörlerden sadece çıkış yapıları dolayısıyla farklıdırlar. Anaerobik membran biyoreaktörlerde atıksu sisteme üst kısımdan bazen de alt kısımdan verilir. Reaktör, karışım sağlanması için bir karıştırıcı ile karıştırılır. Arıtma sonrası 47 çamur ve atıksu karışımı çıkış yapısındaki membranla birbirinden ayrılır. Membranı geçen arıtılmış su, sistemden ayrılırken membranı geçemeyen çamurlar sisteme geri döner. Bu sayede bir geri devir sağlanmış olur. Dolayısıyla geri devirli anaerobik arıtma sistemlerinin aksine anaerobik membran biyoreaktör arıtma sistemlerinde çamuru çöktürüp sisteme geri devir ettirmek için ilave bir yapıya gerek yoktur. Bu geri devir sayesinde sistemde çok yüksek oranlarda katı madde muhtevası değerlerine ulaşılabilir. Anaerobik membran biyoreaktörlerin şematik görünüşü Şekil 14’de gösterilmiştir. Şekil 14. Anaerobik membran biyoreaktörlerin şematik görünüşü Membran sistemleri pahalı yapılardır. Bu yüzden maliyet, anaerobik membran biyoreaktörler için kısıtlayıcı bir faktördür. Bu sebeple genellikle anaerobik membran biyoreaktörler KOİ konsantrasyonu çok yüksek fakat debisi düşük atıksularda uygulanırlar. Bu tip bir anaerobik arıtma tipini seçmeden önce detaylı bir fizibilite yapıp maliyetler ortaya konarak seçim yapılmalıdır. 3.12.2.5. Akışkan Yataklı Anaerobik Reaktör 48 Akışkan yataklı anaerobik reaktör sistemleri (AFBR), reaktör içerisinde çeşitli yatak malzemesi kullanarak ve bu yatak malzemesinin askıda durmasını sağlayarak, biyokütlenin akışkan yatak malzemesi üzerinde oluşabilmesini sağlayan sistemlerdir. Akışkan yataklı anaerobik reaktörlerde yatak malzemesi olarak kum, kömür, anyon/katyon değiştirici malzemeler, diatomit yüzeyler ve aktif karbon kullanılabilmektedir. Bu malzemeler içerisinde en çok kullanılanlar kum ve aktif karbondur. AFBR tipi sistemlerin şematik görünüşü Şekil 15’de gösterilmiştir. Akışkan yataklı anaerobik reaktörlerde akış hızı 20 m/sa’ lik hızlara kadar ulaşabilir. Bunu sağlayabilmek için yüksek geri devir oranları kullanılır. Reaktör yüksekliği ise 4-6 m civarındadır. Akışkan yataklı anaerobik reaktörlerdeki çeşitli hacimsel organik yüklemelere göre elde edilebilen KOİ giderimleri Tablo 13’de verilmiştir. 49 Akışkan yataklı anaerobik reaktörlerde işletmeye alma oldukça önemli ve zor bir konudur. Yatak malzemesi ile bütünleşmiş bir biyofilm tabakası oluşturmak için temel olarak şu faktörler önemlidir: • Malzemenin seçimi ve şartlandırılması • Aşılama • Hacimsel organik yük artışı Akışkan yataklı anaerobik reaktörlerde yatak malzemesi üzerinde biyofilm oluşumu sistem verimi açısından oldukça önemlidir. Bu yüzden yatak 50 malzemesinin tutunmayı artırıcı özelliğinin olması gerekir. Bunun yanında seçilen malzeme üzerinde tutulmayı artırıcı bazı uygulamalar yapılabilir. Özellikle Ca+2 muhtevası yüksek atıksularda yüzeyde tutulma kabiliyetinin arttığı şeklinde görüşler vardır. Yatak malzemesi olarak kum kullanıldığında kum çapı biyokütle birikiminde önemli bir rol oynar. Daha ince kum çapına sahip reaktörlerde alışma periyodu daha kısa sürmektedir. Bunun nedeni ince taneciklerin akışkanlaştırılabilmesi için gereken akış hızının daha düşük olması, böylece biyofilm tabakası üzerinde etkili olan kayma gerilmesinin daha düşük olmasıdır. Akışkan yataklı anaerobik reaktörlerde kesikli veya sürekli olmak üzere iki şekilde aşılama yapılabilir. Kesikli sistemde sistemin belli bir yüksekliğine kadar aşı, kalan yüksekliğine ise seyreltik atıksu uygulanır. Bu şekilde aşı atıksuya alıştırılır. Sürekli aşılamada ise atıksu ve aşı sürekli olarak beraberce reaktöre verilir. İşletmeye alma döneminde iki farklı organik yükleme yöntemi uygulanır. Bunlardan ilki sistemin düşük organik yük ve yüksek bekletme sürelerinde işletmeye alınması olup, KOİ giderim verimi istenen seviyelere ulaştıkça organik yükün arttırılması şeklindedir. Diğer alternatif ise sisteme sürekli olarak yüksek organik yüklemeler yapılarak uçucu asit miktarı artıp KOİ giderim verimi düşse de bu yüklemeye devam edilir. Fakat bu alternatifte atıksuya ilave alkalinite vermek gerekebilir. Yapılan araştırmalarda ikinci alternatifin uygulamasında daha kısa süreli adaptasyon sürelerinin gerektiği gösterilmiştir. Akışkan yataklı anaerobik reaktörlerde bekletme süreleri uzun seçildiğinde biyokütlenin büyük kısmı asılı halde, kalan kısmı ise biyofilm şeklinde olur. Asılı biyokütle ağırlıklı olarak asit bakterileri, biyofilm tabakası ise metan bakterilerinden oluşur. Daha düşük bekletme sürelerinde ise biyokütlenin tamamına yakını biyofilm tabakası şeklinde olur. Bu yüzden biyokütlenin tamamının biyofilm tabakası olması istendiğinde düşük hidrolik bekletme süreleri uygulanmalıdır. Akışkan yataklı anaerobik reaktörlerde biyofilm kalınlığı çeşitli etkenlere bağlı olarak değişir. Yüksek hacimsel organik yüklerde daha kalın biyofilm tabakası oluşur. Dolgu malzemesi olarak 0,3-0,6 mm çaplı kum kullanılan reaktörlerde 40 kg/m3-gün organik yükleme ile oluşan biyofilm tabakasının 60-200 µm aralığında değiştiği gözlenmiştir. Biyofilm tabakalarının sökülmesinde temel iki neden, oluşan 51 biyogazın meydana getirdiği türbülans ve çok yüksek yukarı akış hızıdır. Akışkan yataklı anaerobik reaktörlerde ortalama biyokütle konsantrasyonu 40 kg/m3 gibi değerlere ulaşabilir. Bu da akışkan yataklı anaerobik reaktörlerin çok yüksek hacimsel organik yüklere cevap verebileceğini gösterir. Bunun yanı sıra bu reaktörler şok yüklemelere diğer tüm sistem tiplerine nazaran daha dayanıklıdırlar. Akışkan yataklı anaerobik reaktörler sıcaklık ve pH salınımlarına, debi ve KOİ konsantrasyonunun aşırı artmasına küçük bir tepki verirler ve sistem şartlarının tekrar normale dönmesiyle eski verimlerine dönerler. Literatürde mevcut akışkan yataklı anaerobik reaktörlerde elde edilen değerlere göre; bu sistemlerin rahatlıkla % 70’ lik verimlere ulaştığı söylenebilir. Hali hazırda kurulu bulunan 4 adet akışkan yataklı anaerobik reaktörün çeşitli verileri Tablo 14’de görülebilir. Tablo 14. Kurulu bazı AFBR sistemlerinde işletme verileri 52 3.12.2.6. Anaerobik Lagün Bu proseste bir çukur kazılır ve üst kısmı gazı geri çevirmek işlevini görmesi amacıyla bir geomembranla kapatılır. Geri çevrilen gaz enerji üretimi için kullanılır. Bir domuz çiftliği atıklarını arıtmak amacıyla kurulmuş olan anaerobik lagün Şekil 16’da görülebilir. Toplanan gaz elektrik üretimi amacıyla kullanılır. Çürütücü gazının metan yüzdesi genellikle %65, ısıl değeri ise yaklaşık 22400 kJ/m3’dür. 53 Şekil 16. Anaerobik lagünün şematik gösterimi 3.13. Havasız Süreçlerin İzlenmesi ve Kontrolü Havasız ayrışmanın istenilen düzeyde olabilmesi için arıtma sisteminin sürekli izlenmesi ve kararsızlıklara karşı gerekli tedbirlerin zamanında alınması gerekir. Etkili bir işletme ve izleme sonucu, yüksek verimli arıtmanın sağlanması, metana dönüşüm oranının yüksek olması ve olabildiğince az arıtma çamuru oluşması gibi yararlı sonuçlar elde edilir. 3.13.1. Proses Kontrolü Proses kontrolünün amacı arıtma sistemindeki düzensizliklerin mümkün olan en erken sürede tespit etmektir. Havasız arıtmada proses kontrolü bakımından dikkatle izlenmesi gereken parametreler Tablo 15’de verilmektedir. Prosesin izlenmesi amacıyla, bu parametrelere ilaveten özellikle çamur yaşı ve atık kompozisyonun da kotrolü gereklidir. 54 Tablo 15. Havasız arıtma proses kontrolü için izlenmesi gereken parametreler Kararlılığını kaybeden bir anaerobik reaktörde dengesizlik ilk önce sistemdeki TUA konsantrasyonunun artması sonucu pH’da ani bir düşüş ile kendini gösterir. pH’daki düşüşten bir süre sonra alkalinitede ani azalma gözlenir. Bu esnada gaz üretiminin yavaşlaması nedeniyle gaz debisinde azalma ve gazdaki metan yüzdesinde düşüş olur. Bunların sonucu olarak reaktör çıkışındaki KOİ konsantrasyonu yükselir ve sistemin verimi düşer. 3.13.2. Prosesteki Kararsızlıklar Havasız sistemlerde prosesteki kararsızlığa sebep olan faktörler başlıca iki ana kısımdan oluşur. Bunlardan, ekipman arızaları, sıcaklıktaki ani değişme, organik yükteki ani artış ve atığın bileşimindeki değişiklikler kısa süreli kararsızlıklar, atıksu içerisindeki zararlı maddeler, arıtılan atıksuyun veya reaktörün pH’sındaki ani düşüş veya alışma evresindeki mikroorganizma çoğalma hızının yavaş oluşu gibi değişikler de uzun süreli kararsızlıklar olark olarak ifade edilir. Proses stabilitesi kaybolan bir anaerobik reaktörün tekrar kararlı hale gelmesi için öncelikle pH 7 civarına getirilir. Karasızlığa neden olan sebepler belirlenir ve uygun tedbirler uygulanır. Sistem kararlı duruma gelinceye kadar pH dikkatlice izlenir. Kararsızlık sonucu düşen pH değerini uygun seviyeye yükseltmek için çeşitli çözümlerden biri kireç ilavesidir. Kireç, reaktörde pH’nın 6,5’dan daha düşük olması durumunda uygulanmalıdır. Aksi takdirde, kireç suda çözünmez ve ilave edilen kireç CaCO3 olarak sistemde çökelir sonuçta hiçbir yararı olmaz. 55 Kireç kullanımının diğer bir mahzuru, kalsiyumun ortamdaki fosforu kalsiyum orto-fosfat halinde kendine bağlamasıdır. Bunun sonucunda, ortamda besi maddesi eksikliği yaşanır. Bu sakıncalarından dolayı özellikle endüstriyel atıksu arıtma tesislerinde kireç ile pH kontrolü, pH çok düşmediği sürece yapılmaz. Bunun yerine genellikle NaOH ve NaHCO3 birlikte kullanılır. Ancak bu durumda da Na konsantrasyonunun aşırı değerlere ulaşmamasına dikkat edilmelidir. Na konsantrasyonunda problem yaşanması durumunda NaHCO3 yerine KHCO3 veya NH4HCO3 kullanılır. Bazı karasızlık durumlarında reaktörde pH’nın artırılmasına ve organik yükün azaltılmasına rağmen sistemde uçucu asit konsantrasyonu düşmeyebilir. Bu durum, uçucu asidin propiyonik asit ağırlıklı olduğunu göstermektedir. Bu durumda, reaktör iyice seyreltilmiş atık veya temiz su ile yıkanır. Uçucu asit konsantrasyonu normal seviyeye geldikten sonra organik yükleme kademeli olarak arttırılır. Gaz debisindeki düşme ve CH4 yüzdesindeki azalma havasız reaktörlerde kararsız durumun iyi bir göstergesidir. İyi işletilen reaktölerde metan yüzdesi %70’in üzerindedir. Bu değer %65’in altında ise sistem dengesi bozulmuş demektir. Havasız sistemlerde kararsızlığa neden olabilecek bazı durumlar ve bunun sonucu oluşabilecek problemler ve etkileri Tablo 16’da verilmektedir. Tablo 16. Anaerobik reaktörlerdeki kararsızlıklar ve tahmini sonuçları 56 3.14. Temel Proses Kinetiği 3.14.1. Mikrobiyal Reaksiyon Kinetiği Biyolojik sistemlerde reaksiyonlar mikroorganizmalarca gerçekleştirildiğinden reaktör kinetiği mikrobiyal aktiviteye bağlıdır. Bu nedenle, proses davranışlarının tahmininde mikrobiyal büyüme, substrat kullanımı ve ürün oluşumu iyi bilinmelidir. 57 3.14.2. Mikroorganizma Çoğalma Kinetiği 58 3.14.3. Kinetik ve Sitokiyometrik Sabitler Proseslerin tam olarak matematiksel ifadelerinin yazılabilmesi için kinetik ve stokiyometrik sabitlerin değerleri belirlenmelidir. Bu amaçla yapılan çalışmalar sonucunda bazı organik maddelere ait sabitler belirlenmiştir. Hidroliz aşamasının birinci derece reaksiyon ifadesindeki denklem sabitinin (K) literatürdeki değerleri, farklı organik maddeler için Tablo 17’de verilmektedir. Monomerlerin fermantasyonunda amino asit ve şeker substratları için yapılan çalışmalar sonucunda elde edilen fermantasyon sabitleri ise Tablo 18’de verilmektedir. 59 Hidrojen üreten asitojenler için uzun zincirli yağ asitlerinin veya uçucu yağ asitlerinin kullanılması durumuna göre sabitler Tablo 19’da verilmektedir. Metanojenler için ise stokiyometrik ve kinetik sabitler metan üretiminde hidrojenin veya asetatın kullanılmasına göre değişik değerler almaktadır. Bu değerler Tablo 20’de verilmektedir. 3.15. Evsel Atıksuların Anaerobik Arıtımı Yakın zamana kadar havasız arıtma proseslerinin 20oC’nin altındaki sıcaklıklar ve seyreltik atıksular için uygun olmadığı düşünülmekteydi. Günümüzde geliştirilen reaktör tipleri ile düşük sıcaklıktaki ve seyreltik atıksuların havasız olarak arıtımı yüksek hidrolik yüklemelerde ve çok iyi karışım sağlanarak mümkün olmaktadır. Havasız arıtma sistemleri, uzun süre atıksu beslemesi ve ısıtma yapılmadan bekletildiğinde hiçbir koku problemi olmaz ve mikroorganizmaların yeniden aktif hale gelmesi çok kısa sürede gerçekleşir. Bu yüzden mevsimlik atıksu oluşumu söz konusu olan turistik tesislerin atıksularının arıtımı için çok uygundur. Düşük kirlilik yüklerine sahip evsel atıksuların havasız arıtımı, havalı arıtım sistemlerine kıyasla 60 Az çamur oluşumu Sınırlı enerji kaynağına ihtiyaç göstermesi Düşük işletme maliyeti gibi üstünlüklere sahiptir. Özellikle yüksek hızlı havasız sistemlerin, seyreltik atıksuların arıtımında düşük sıcaklık değerlerinde bile oldukça etkili oldukları yapılan çalışmalarda belirtilmiştir. Uygun şartlarda işletilen anaerobik evsel atıksu arıtma sisteminde, uygulanacak hidrolik ve organik yüklemelerde faaliyet gösterecek mikroorganizmaların gelişmesi beklenir. Evsel atıksuların anaerobik arıtımında kullanılan en yaygın sistem yüksek hızlı yukarı akışlı çamur yataklı reaktörlerdir (UASB). UASB’ler düşük ilk yatırım ve işletme maliyetine sahip olup, çeşitli endüstriyel atıksuların arıtımında kullanılmaktadır. Son yıllarda her türlü sıcaklık şartlarında yapılan çalışmalar, uygun proses tasarımı ile anaerobik arıtımda sıcaklığın kısıtlayıcı bir faktör olmadığı belirlenmiştir. Yüksek hızlı anaerobik sistemler için sıcaklık aralığı 25-40oC’dir. 5-20oC gibi daha düşük sıcaklıklarda işletilmeleri durumunda bu reaktörler mikroorganizmalar için daha uzun adaptasyon aşamasına ihtiyaç duyarlar. İstenen adaptasyonun sağlanması durumunda reaktörler sakrofilik ve mezofilik şartlarda rahatlıkla işletilebilmektedir. Böylelikle sıcaklığı düşük olan evsel atıksu, ilave ısıtmaya gerek duyulmadan anerobik olarak arıtılabilir. Mevcut çalışmalar, evsel atıksularda anaerobik arıtım ile %70’den fazla KOİ giderimi yapıldığını ortaya koymuştur. Evsel atıksuların düşük sıcaklıklarda anaerobik arıtımı bazı sorunlara neden olur. Giriş akımındaki düşük KOİ konsantrasyonu, reaktör içerisinde çok düşük substrat seviyelerine ve düşük biyogaz üretimine neden olur. Bu sorunun önlemek için evsel atıksular reaktör içine çok yüksek hidrolik yüklerde beslenir. Reaktör hacmi ise bu yüksek hidrolik yükleme oranına göre tasarlanır. Çok 61 yüksek yükleme hızları ise reaktörde çamurun yıkanmasına ve ayrıca alkalinitede ani düşüşe neden olabilir!!!!!! Gazların sudaki çözünürlüğü sıcaklığın azalmasıyla artar. CH4, H2S ve CO2’nin çıkış suyundaki çözünmüş konsantrasyonları fazladır. Sakrofilik koşullarda CO2’nin sudaki çözünürlüğü artacağından reaktördeki pH değeri düşecektir. Evsel atıksuların partiküler madde içeriği, özellikle AKM değeri oldukça yüksektir. Bu nedenle evsel atıksuların anaerobik arıtımında hız belirleyici adım hidrolizdir. Çünkü partiküler organiklerin hidrolizi oldukça yavaştır. 25oC sıcaklıkta işletilen anerobik reaktörün çamur yaşı hidroliz ve metan üretimi için 15 gün yeterli iken, 15oC sıcaklıkta işletilen anerobik reaktörde bu değer 75 güne kadar çıkabilmektedir. Evsel atıksulardaki partiküler maddelerin hidroliz ile ayrışmasının dışında, fiziksel proseslerle giderimi de mümkün olabilmektedir. Reaktör içindeki çamur yatağı bir biyofiltre gibi davranarak partiküler organiklerin tutulmasını sağlar. Evsel atıksuların AKM değerinin KOİ değerinde büyük payı olduğundan, reaktör içinde yüksek AKM giderimi yüksek KOİ giderimi ile sonuçlanmaktadır. Düşük sıcaklıklarda gerçekleşen düşük hidroliz hızı sayesinde AKM’nin çamur yatağı içinde birikimi artar ve daha uzun hidrolik bekleme sürelerine ihtiyaç duyulur. Bu nedenle, anaerobik arıtım öncesinde çökeltme veya fizikokimyasal arıtım ile AKM giderimi tavsiye edilir. Bu sayede hem AKM’nin çamur yatağında birikimi önlenir hem de granüler çamur yapısındaki bozulmaların önüne geçilir. Evsel atıksu içeriğinin daha iyi çökelebilmesi için ön çöktürme tankına koagülant eklenebilir. Kimyasal arıtımdan gelen yoğun çamurun alkalinitesi yeterli olduğundan bu çamurların evsel katı atıklarla beraber arıtılması durumunda çürütücüye dışarıdan alkalinite ilavesine gerek duyulmaz. Evsel atık su içinde sülfat konsantrasyonu 20 - 100 mg/L aralığındadır. Sülfat (SO4-2) anaerobik şartlarda sülfat indirgeyici bakteriler, sülfatı sülfüre dönüştürür. Sülfür iyonu ortamdaki hidrojen iyonu ile reaksiyona girerek hidrojen sülfür gazı oluşur. Bu reaksiyonlar yaz aylarında daha hızlı gerçeklesir. 20 oC sıcaklıkta 62 hidrojen sülfürün saf sudaki çözünürlüğü 2,7 L H2S/L’dir. Su sıcaklığının 1oC artışı ile hidrojen sülfürün sudaki çözünürlüğü %2,5 azalır. Daha kısa bir ifade ile H2S evsel atıksuların anaerobik çıkış suyunda suda çözünmüş halde bulunur. Bu nedenle anaerobik tank çıkışından sonra kısa süreli bir aerobik tank yerleştirilmesi ile sülfür okside edilmelidir. BOİ 200-300 mg/L olan evsel atıksuların 20oC nin üzerinde arıtıldığı UASB’ler için önerilen tasarım değerleri Tablo 21’de verilmiştir. Tablo 21. Evsel atıksuların UASB’lerde arıtımı için önerilen tasarım kriterleri 3.15.1. Evsel Atıksuların İki Kademeli Anaerobik Arıtımı Evsel atıksuların KOİ içeriğinde yüksek oranda partiküler madde bulunduğundan iki kademeli anaerobik arıtımı daha uygundur. 63 1. kademede, partiküler organik madde çamur yatağında tutularak bir kısmı hidrolizle çözünebilir organiklere dönüştürülür. Bu aşamada oluşan fazla çamur sistemden sık aralıklarla atılmalıdır. Bu kademede hidrolik kalış süresi uzun tutulur. 2. kademede metanojenik aktivite sağlanır. 1. kademede AKM’nin çoğu giderildiğinden aktivite etkilenmez. Bu sayede 2. kademede kısa hidrolik bekleme süresi yeterli olmaktadır. REFERANSLAR 1. Eyüp Debik, Neslihan Manav, Tamer Coşkun, Biyolojik Temel İşlemler Ders Notları, İstanbul, 2008. 2. Mustafa Öztürk, Atıksuların Havasız Şartlarda Arıtımı Esasları, Ankara, 2010. 3. http://www.biokim-aritma.com/anaerobik_arytma_sistemleri.pdf 4. İzzet Öztürk, Anaerobik Arıtma ve Uygulamaları, İstanbul, 2007. 64