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