Anaerobik Izzet Bey

(1)

EK D

EVSEL ATIKSULAR VE ORGANĠK KATI ATIKLARIN

BĠRLĠKTE ARITIMI YOLUYLA YENĠLENEBĠLĠR

ENERJĠ (BĠYOMETAN) GERĠ KAZANIM

TEKNOLOJĠLERĠNĠN ARAġTIRILMASI PROJESĠ

(Proje No: 105G024)

SONUÇ RAPORU EKĠ

(2)

ĠÇĠNDEKĠLER

GiriĢ ... 1

BÖLÜM 1. Ġġ PAKETĠ 1: HAZIRLIK ÇALIġMALARI ... 1

1.1. Literatür AraĢtırması ... 1

1.1.1. Evsel Atıksuların DüĢük Sıcaklıklarda Havasız Arıtımı ... 1

1.1.1.1. Gerçek ve Pilot Ölçekli HÇYR Uygulamaları ... 5

1.1.2. ArdıĢık Kesikli Reaktörler ve Uygulamaları ... 8

1.1.3. Evsel Katı Atıkların Organik Kısmının Tek BaĢına veya Diğer Organik Atıklarla Birlikte Havasız Arıtımı ve Biyometan Geri Kazanımı ... 11

1.1.3.1. Katı Atık Miktar ve Karakterizasyonu ... 12

1.1.3.2. Evsel Organik Katı Atık Toplama Stratejileri ve Atık Karakterizasyonu ... 15

1.1.3.3. Katı Atık Toplama Yönteminin Biyogaz Üretim Potansiyeline Etkisi ... 17

1.1.3.4. Katı Atıkların Biyolojik Arıtımı ... 17

1.1.3.5. Organik Katı Atıkların Anaerobik Arıtımında Kullanılan Sistemler ... 20

1.1.3.6. EOKA‘nın Diğer Atık Türleri Ġle Birlikte Arıtımı ... 37

1.1.3.7. Biyogaz Kullanımı ... 48

1.1.4. Biyolojik Arıtma Sistemlerinde Mikrobiyal Toplulukların Tanımlanması ... 50

1.2. Pilot Tesis Tasarımı ... 51

1.2.1. Pilot Biyometanizasyon Sisteminin Genel Özellikleri ... 51

BÖLÜM 2. Ġġ PAKETĠ 2: DENEYSEL ÇALIġMALAR ... 57

2.1. Pilot Tesis ĠĢletme Verileri ... 57

2.1.1. Biyometanizasyon Sisteminde Yemekhane Atıkları ile Yapılan Arıtma ÇalıĢmaları ... 57

2.1.1.1. Biyometanizasyon Sisteminin ĠĢletmeye Alınması ... 57

2.1.1.2. ĠĢletme KoĢulları ... 58

2.1.1.3. Biyometanizasyon Sisteminin Performans Değerlendirmesi ... 58

2.1.1.4. Çöp Öğütücü ve HamurlaĢtırıcı ... 59

2.1.1.5. Fermentasyon Reaktörü (Fermentör) ... 60

2.1.1.6. Çürütücü ... 66

2.1.1.7. Genel Değerlendirme ... 70

2.1.2. Hal Atığı ile Yapılan Arıtma ÇalıĢmaları ... 71

2.1.2.1. Biyometanizasyon Sisteminin ĠĢletmeye Alınması ... 71

2.1.2.2. Biyometanizasyon Sisteminin ĠĢletme KoĢulları ve Performans Değerlendirmesi 74 2.1.2.3. Çöp Öğütücü ve HamurlaĢtırıcı ... 75

2.1.2.4. Fermentasyon Reaktörü (Fermentör) ... 75

2.1.2.5. Çürütücü ... 83

2.1.2.6. Genel Değerlendirme ... 90

2.1.3. Hal Atığı ve Evsel Atıksu Arıtma Çamurlarının Birlikte Arıtılması ÇalıĢmaları ... 98

2.1.3.1. Pilot Tesis ÇalıĢmaları ... 98

2.1.3.2. Laboratuvar Ölçekli ÇalıĢmalar ... 112

2.1.4. ArdıĢık Kesikli Reaktör (AKR) Sistemi ÇalıĢmaları ... 124

2.1.4.1. Tam Ölçekli ArdıĢık Kesikli Reaktör Sistemi ... 124

2.1.4.2. Pilot Ölçekli ArdıĢık Kesikli Reaktör (AKR) Sistemi ... 127

2.1.4.3. Deneysel Sonuçlar ... 128

2.1.5. ArdıĢık Kesikli Reaktör Çamurunun Havasız Çürütülebilirliğinin Ġncelenmesi ... 140

2.1.5.1. GiriĢ ... 140

2.1.5.2. Materyal ve Yöntem ... 140

2.1.5.3. Bulgular ve Değerlendirmeler ... 143

2.1.5.4. Sonuç ve Öneriler ... 146

2.1.6. Evsel Atıksuların Doğal Ortam Sıcaklıklarında Havasız Çamur Yataklı Reaktör (HÇYR) Sistemi ile Arıtımı ÇalıĢmaları ... 147

2.1.6.1. Materyal Ve Yöntem ... 148

(3)

2.1.6.3. Sonuçlar Ve Öneriler ... 163

2.2. Kinetik ve Stokiometrik Parametrelerin Belirlenmesi ... 165

2.2.1. Biyolojik Metan Potansiyeli Testi (BMP) ÇalıĢmaları ... 165

2.2.2. Yemekhane Atıklarının Anaerobik Arıtma Kinetiğinin Laboratuar Ölçekli ÇalıĢmalarla Belirlenmesi ... 172

2.2.2.1. Kinetik Verilerin Değerlendirilmesi ... 180

2.3. Mikrobiyolojik ÇalıĢmalar ... 188

2.3.1. Moleküler Teknikler ... 188

Materyal ve Metod ... 193

2.3.2. Yemekhane Atıklarının Çift Kademeli Havasız Ortamda Arıtımındaki Populasyon Dinamikleri ... 196

2.3.3. Hal Atıklarının Çift Kademeli Havasız Ortamda Arıtımındaki Populasyon Dinamikleri 204 BÖLÜM 3. Ġġ PAKETĠ 3: MODELLEME ÇALIġMALARI ... 213

3.1. Aerobik Çamur Modeli (ASM1) ve Anaerobik Bozunma Modeli (ADM1) ... 213

3.1.1. ADM1 Modeli ... 213

3.1.1.1. ADM1 Modelinde Kullanılan Birimler, Terminoloji ve DeğiĢkenler ... 214

3.1.1.2. Dinamik Durum DeğiĢkenleri ... 215

3.1.1.3. ADM1 Modelinde Yer Alan Biyokimyasal Proseslerin Yapısı ... 217

3.1.1.4. Model Matrisi ... 217

3.1.1.5. Disintegrasyon ve Hidroliz ... 223

3.1.1.6. Organik Asit OluĢumu (Asidojenesis) ... 224

3.1.1.7. Monosakkaritlerden Organik Asit OluĢumu ... 224

3.1.1.8. Aminoasitlerden Organik Asit OluĢumu ... 225

3.1.1.9. Hidrojen Üretimi, Kullanımı (Anaerobik Oksidasyon (Asetojenesis) ve Hidrojen Kullanımı Sonucu Metan OluĢumu (Metanojenesis)) ... 225

3.1.1.10. Asetat Kullanımı Sonucu Metan OluĢumu (Asetiklastik Metanojenesis) ... 227

3.1.1.11. Ġnhibisyon ve Toksisite ... 228

3.1.1.12. Sıcaklık Etkisi ... 231

3.1.1.13. Fizikokimyasal Prosesler ... 231

3.1.1.14. Sıcaklığın Fizikokimyasal Parametrelere Etkisi ... 235

3.1.1.15. Modelde Kullanılan Parametreler ... 236

3.1.2. Aktif Çamur Modeli No.1 (Activated Sludge Model No.1, ASM1)... 237

3.1.2.1. Aktif Çamur Modeli No.1 (ASM1)‘deki Durum DeğiĢkenleri ... 240

3.1.2.2. Dinamik Prosesler ... 242

3.1.2.3. Model Parametreleri... 248

3.1.2.4. ASM1 Modelinin Kısıtları ... 250

3.1.3. ASM1 ve ADM1 Modellerinin BirleĢtirilmesi ... 251

3.2. Biyometanizasyon Pilot Tesisi için Modelleme ÇalıĢmaları ... 252

3.2.1. Yemekhane Atıkları ile Yürütülen Havasız Modelleme ÇalıĢmaları ... 253

3.2.2. Hal Atıkları ile Yürütülen Havasız Modelleme ÇalıĢmaları ... 256

3.2.3. Hal Atıkları ve Arıtma Tesisi Çamuru ile Yürütülen Havasız Modelleme ÇalıĢmaları 259 3.3. Havalı Arıtma Modelleme ÇalıĢmaları ... 262

3.3.1. Model Bazlı Optimum ĠĢletme Stratejisinin Belirlenmesi ... 262

3.3.2. ArdıĢık Kesikli Reaktör Sisteminin Modellenmesi ... 263

3.3.2.1. GiriĢ ... 263

3.3.2.2. ĠĢletme Bilgileri ... 263

3.3.2.3. Simulasyon YaklaĢımı ... 264

3.3.2.4. GiriĢ Atıksu Karakterizasyonu ... 265

3.3.2.5. Modelleme Sonuçları ... 266

BÖLÜM 4. Ġġ PAKETĠ 4: TAM ÖLÇEKLĠ TESĠS ĠÇĠN FĠZĠBĠLĠTE ÇALIġMASI ... 271

4.1. Kentsel Atıksu Arıtma Tesisi (AAT) ... 271

4.1.1. Kentsel AAT Ġlk Yatırım Maliyeti ... 272

(4)

4.1.3. EĢdeğer Nüfusları 100.000 – 1.000.000 KiĢi Aralığında DeğiĢen ġehirler Ġçin AAT

Maliyet Analizi ... 273

4.2. Biyometan Tesisi ... 275

4.2.1. Proses Tasarımına Esas Veriler ve Temel Kütle Dengesi Hesapları ... 275

4.2.1.1. Tesiste Arıtılacak Çamur ve Atık Miktarları ... 275

4.2.2. Biyometan Tesisi Atık Akımı ve Temel Kütle Dengesi Hesapları ... 276

4.2.3. Biyometan Reaktörü (Çürütücü) üzerinde TKM kütle dengesi ... 277

4.3. Biyometan Enerjisi Geri Kazanımı ... 279

4.4. Biyometan Tesisi Maliyet Analizi ... 281

4.4.1. Ġlk Yatırım Maliyeti ... 281

4.4.2. ĠĢletme ve Bakım Maliyeti ... 284

4.5. EĢdeğer Nüfusları 100.000 – 1.000.000 KiĢi Aralığında DeğiĢen ġehirler Ġçin Entegre Biyometan Tesisi Maliyet Analizi ... 284

4.6. Biyogazın Araç Yakıtı Olarak Kullanımı ... 285

4.6.1. Mevcut durum ve uygulamalar ... 285

4.6.2. 100000 EN‘li bir ġehir için Entegre Biyometan Tesisinde Üretilen Biyogazın Araç Yakıtı Olarak Kullanımı ... 287

4.7. Fizibilite için Yürütülen Havasız Modelleme ÇalıĢmaları ... 288

BÖLÜM 5. Ġġ PAKETĠ 5: SONUÇLAR ve DEĞERLENDĠRME ... 293

5.1. Sonuç ve Öneriler ... 293

5.2. Projeden Elde Edilen Yayınlar ve Tezler ... 295

5.2.1. Lisans Tezleri ... 295

5.2.2. Yüksek Lisans Tezleri ... 296

KAYNAKLAR……….303

EK D.1……….316

EK D.2……….318

EK D.3……….320

(5)

TABLO LĠSTESĠ

Tablo 1. Yüksek hızlı havasız sistemlerde evsel atıksu arıtımının faydaları ve kısıtları (Elmitwalli,

2000) ... 3

Tablo 2. Evsel atıksuların pilot ve gerçek ölçekli HÇYR uygulamaları ... 5

Tablo 3. Türkiye‘de baĢlıca büyük Ģehirler için evsel katı atık bileĢimi (%, ağırlık) ... 11

Tablo 4. Katı Atık Ana Planı Projesi‘nde belirlenen birim atık üretimi (MĠMKO, 2006) ... 13

Tablo 5. Kentsel katı atık karakterizasyonu ... 14

Tablo 6. ABD evsel katı atık karakterizasyonu (TCHOBANOGLOUS ve diğ., 1993) ... 14

Tablo 7. Ġstanbul ve Antalya BüyükĢehir Belediyeleri katı atık bileĢenlerinin dağılımı (MĠMKO, 2006) ... 15

Tablo 8. Katı atığın ayrımını gerçekleĢtiren mekanik ayırma tesislerinin özellikleri ... 16

Tablo 9. Ön arıtma tesislerinde ayrılan MA-EOKA‘nın özellikleri ... 16

Tablo 10. Farklı çalıĢmalarda KA-EOKA ve AT-EOKA bulunmuĢ özellikler ... 17

Tablo 11. Farklı EOKA türlerinden elde edilebilecek maksimum metan ve biyogaz verimi ... 17

Tablo 12. ÇalıĢmalarda kullanılan evsel organik katı atık türlerinin özellikleri ... 18

Tablo 13. ÇalıĢma süresince yürütülen iĢletme Ģartları ve elde edilen sonuçlar ... 19

Tablo 14. Farklı EOKA türlerinin mezofilik anaerobik arıtımı ile elde edilen veriler ... 20

Tablo 15. Anaerobik çürütme prosesleri için tasarım ve iĢletme koĢulları ... 22

Tablo 16. Valorga prosesinde havasız kompostlaĢtırma reaktörü karakteristikleri ... 29

Tablo 17. Farklı evsel organik katı atık türlerinin azot içeriği ... 39

Tablo 18. Seçenek I için hesaplanan iĢletme parametreleri ... 41

Tablo 19. Seçenek I ve Seçenek II‘nin karĢılaĢtırılması ... 43

Tablo 20. Türkiye‘de organik atıklardan geri kazanılabilecek enerji potansiyeli (2005 yılı itibarıyla) 45 Tablo 21. Danimarka‘da bulunan biyogaz tesisleri ve üretimi, 2002 ... 47

Tablo 22. Danimarka‘da bulunan biyogaz tesislerindeki potansiyel ve gerçek üretimler ile hedeflenen değerler ... 47

Tablo 23. Ġsviçre‘de kurulu tam kapasiteli biyogaz tesislerinin 2004 yılı iĢletme verileri ... 49

Tablo 24. Evsel katı atıkların organik kısmından elde edilen biyogazın tipik bileĢimi (MATA-ALVAREZ, 2003) ... 50

Tablo 25: AĢı çamurunun alındığı Tuzla AAT çamur çürütücüsünün iĢletme parametreleri ... 57

Tablo 26: AĢı çamurunun alındığı Tuzla AAT Anaerobik Çamur Çürütme Ünitesindeki YoğunlaĢtırıcı, Birincil ve Ġkincil Tank Sonrası Çamurun Özellikleri ... 58

Tablo 27.ĠĢletme parametreleri ... 58

Tablo 28. Biyometanizasyon sisteminin I. Dönem performans değerlendirmesi ... 59

Tablo 29. Biyometanizasyon sisteminin II. Dönem performans değerlendirmesi ... 59

Tablo 30. Biyometanizasyon sisteminin III. Dönem performans değerlendirmesi ... 59

Tablo 31. AĢı çamuru özellikleri ... 72

Tablo 32. ĠĢletme parametreleri ... 74

Tablo 33. Biyometanizasyon sisteminin genel performans değerlendirmesi ... 75

Tablo 34. Sisteme beslenen atığın karakterizasyonu ... 75

Tablo 35. Hal atığı ve yoğun aktif çamurun özelikleri ... 98

Tablo 36. ĠĢletme parametreleri ... 98

Tablo 37. Biyometanizasyon sisteminin genel performans değerlendirmesi ... 99

Tablo 38. Sisteme beslenen atığın karakterizasyonu ... 99

Tablo 39. Fermentasyon reaktörü iĢletme Ģartları ... 114

Tablo 40. Fermentasyon reaktöründe elde edilen veriler için ortalama ve standart sapma değerleri ... 114

Tablo 41. Çürütücü ortalama iĢletme parametreleri ... 119

Tablo 42. Çürütücüde elde edilen veriler için ortalama ve standart sapma değerleri ... 120

Tablo 43. Durusu ArdıĢık Kesikli Reaktör Tasarım ve ĠĢletme Verileri ... 126

Tablo 44. Durusu Atıksu Arıtma Tesisi giriĢ ve çıkıĢ parametreleri ... 126

Tablo 45. Durusu ArdıĢık Kesikli Reaktör Tasarım ve ĠĢletme Verileri ... 126

(6)

Tablo 47. Tasarımda kullanılan kinetik katsayılar ... 127

Tablo 48: AKR sistemi tasarım özeti ... 128

Tablo 49. Konvansiyonel giriĢ atıksuyu karakterizasyonu ... 129

Tablo 50. Konvansiyonel giriĢ atıksuyu karakterizasyonu ... 131

Tablo 51. Arıtma ÇıkıĢı Atıksu Karakterizasyonu ... 136

Tablo 52. OTH ile ilgili atıksu özellikleri ... 138

Tablo 53. AĢı çamurunun karakterizasyonu (Numune alma tarihi: Nisan 2009)... 142

Tablo 54. Substrat (%95 AKR çamuru+%5 aĢı) karakterizasyonu ... 142

Tablo 55. UYA‘dan kaynaklanan KOĠçöz konsantrasyonları ... 145

Tablo 56. HÇYR‘ye beslenen evsel atıksu karakterizasyonu ... 149

Tablo 57. ÇalıĢmada gerçekleĢtirilen analizler ve ölçüm sıklıkları ... 152

Tablo 58. HÇYR giriĢ ve çıkıĢında ölçülen azot konsantrasyonları ... 159

Tablo 59. HÇYR giriĢ ve çıkıĢında ölçülen fosfor konsantrasyonları ... 160

Tablo 60. ÇalıĢmada kullanılan yemekhane atığı ve arıtma çamurunun özellikleri ... 165

Tablo 61. Yemekhane atığı, arıtma çamuru ve TUKM bazında 50:50 karıĢtırılmıĢ yemek atığı çamur karıĢımı için biyokimyasal metan üretimi potansiyeli ... 166

Tablo 62. Ġncelenen atık türleri için zamana karĢı ölçülen gaz bileĢimi ... 168

Tablo 63. pH kontrollü ve pH kontrolsüz Ģartlarda yürütülen hidroliz ve fermentasyon çalıĢmalarında kullanılan aĢı çamurlarının karakterizasyonu ... 174

Tablo 64. pH kontrollü çürütme çalıĢmasında kullanılan aĢı çamurlarının karakterizasyonu ... 174

Tablo 65. pH kontrolsüz hidroliz ve fermentasyonda substrat karakterizasyonu ... 175

Tablo 66. pH kontrollü çürütmede substrat karakterizasyonu ... 175

Tablo 67. pH kontrollü hidroliz ve fermentasyonda substrat karakterizasyonu... 175

Tablo 68. Anaerobik ortam çözeltisinin bileĢimi ... 177

Tablo 69. Reaktörlerden numune alma sıklıkları ... 179

Tablo 70. pH kontrolsüz hidrolizde gözlenen kinetik katsayılar ... 184

Tablo 71. pH kontrollü hidrolizde gözlenen kinetik katsayılar ... 186

Tablo 72. Sitokiyometrik katsayılar ... 214

Tablo 73. Denge katsayıları ve sabitleri ... 215

Tablo 74. Kinetik parametreler ve hız sabitleri ... 215

Tablo 75: Dinamik hal değiĢkenleri ve cebirsel değiĢkenler ... 215

Tablo 76: Dinamik durum değiĢkenlerinin karakteristikleri ... 216

Tablo 77: ÇözünmüĢ haldeki kirleticiler için biyokimyasal hız katsayıları ve kinetik hız denklemleri (i=1-12, j=1-19) ... 220

Tablo 78: Partiküler haldeki kirleticiler için biyokimyasal hız katsayıları ve kinetik hız denklemleri (i=13-24, j=1-19) ... 221

Tablo 79. Farklı organik atıklara ait literatürde bulunan hidroliz katsayıları ... 224

Tablo 80. Glikoz parçalanması sonucu oluĢan ürünler ... 225

Tablo 81. Yağ asitlerini oksitleyen mikroorganizmalar için reaksiyonların termodinamiği ... 226

Tablo 82. Asetiklastik Metanojen türlerinin kinetik özellikleri ... 227

Tablo 83. Ġnhibisyon formları ... 230

Tablo 84. Asit baz denge sabitleri ... 232

Tablo 85. Sıvı-gaz transferi reaksiyonları için sıvı faz hız katsayıları (i,j) ve kinetik hız ifadeleri (j) ... 234

Tablo 86. Sıvı-gaz transferi parametre değerleri ... 234

Tablo 87. ADM1‘de kullanılması önerilen sitokiyometrik parametreler ve değiĢkenlikleri ... 236

Tablo 88. ADM1‘de kullanılması önerilen kinetik parametrelerin değerleri, hassaslıkları ve değiĢkenlikleri ... 237

Tablo 89: ASM1‘in matris gösterimi (Henze ve diğ., 1987) ... 239

Tablo 90. ASM1‘in önerilen parametre seti (HENZE ve diğ., 1987) ... 250

Tablo 91. ASM1 ve ADM1‘de kullanılan durum değiĢkenlerinin birimleri ... 252

Tablo 92.Yemekhane atıkları için karakterizasyon değerleri ... 254

Tablo 93. Yemekhane atıkları için kabul edilen karakterizasyon değerleri ... 254

(7)

Tablo 95. Model sonuçları ve gerçek verilerin karĢılaĢtırılması ... 256

Tablo 96. Yemekhane atıkları için karakterizasyon değerleri ... 257

Tablo 97. Hal atıkları için kabul edilen karakterizasyon değerleri ... 257

Tablo 98. Model bazlı KOĠ karakterizasyonu ... 257

Tablo 100. Hal atıkları ve arıtma tesisi çamuru karıĢımı için kabul edilen karakterizasyon değerleri ... 260

Tablo 101. Hal atıkları ve arıtma tesisi çamuru karıĢımı için kabul edilen model bazlı karakterizasyona göre toplam KOĠ‘nin dağılımı ... 260

Tablo 103. Model bazlı atıksu karakterizasyonu (Insel, 2004) ... 262

Tablo 104: AKR sistemi çalıĢma düzeni* ... 262

Tablo 105: Model simülasyon sonuçları ... 263

Tablo 106. AKR sistemine ait iĢletme parametreleri ... 264

Tablo 107. AKR sistemine ait çevrim süreleri ve periyotları... 264

Tablo 108. GiriĢte konvansiyonel atıksu karakterizyonu ... 265

Tablo 109. GiriĢ Atıksuyunda KOĠ Fraksiyonları ... 266

Tablo 110. GiriĢ Atıksuyundaki Besi Maddesi Fraksiyonları ... 266

Tablo 111. AKR ÇıkıĢ kalitesinin modellenmesi ... 267

Tablo 112. Reaktör içi biyokütle kompozisyonu ... 270

Tablo 113. Atıksu arıtma tesisi tasarımına esas yük ve konsantrasyonlar ... 271

Tablo 114. Atıksu arıtma tesisi tasarım özeti ... 271

Tablo 115. Farklı eĢdeğer nüfuslar için birim maliyet değerleri ... 274

Tablo 116. Kentsel AAT‘leri (C, N, P giderimli aktif çamur sistemi) ortalama maliyet tahminleri (100.000 – 1.000.000 EN) ... 274

Tablo 117. Kentsel AAT‘lerde oluĢması beklenen tipik birincil ve fazla biyolojik çamur miktarları . 275 Tablo 118. Farklı O-KKA‘nın tipik özellikleri (Parantez içi değerler ortalamaları göstermektedir) .. 276

Tablo 119. Kentsel AAT ile birlikte kurulacak Entegre Biyometan Tesisleri‘nden geri kazanılabilecek elektrik enerjisi değerleri (2010 yılı itibariyle) ... 280

Tablo 120. 10.000 BBH atığı (~ 200.000 EN‘li Ģehir AAT birincil çamuru + O-KKA) arıtma kapasiteli Biyometan Tesisi ilk yatırım maliyeti ana bileĢenleri ... 282

Tablo 121. EBMT Kapasite (EN) – Birim Maliyet DeğiĢim ĠliĢkisi ... 285

Tablo 122. 100.000 – 1.000.000 EN‘li Ģehirler için önerilen EBMT maliyet tahminleri ... 285

Tablo 123. Biyogazın araç yakıtı olarak kullanılmakta olduğu Ģehirler (Landahl ve Plombin, 2004) ... 286

Tablo 124. Araç (otomobil) yakıtı olarak kullanılacak arıtılmıĢ biyogaz için kalite standardı (Ġsveç Standardı – SS No: 155438) ... 287

Tablo 125. Üretilen Biyogazın Dizel Kamyon/Otobüs Yakıtı ve Benzin EĢdeğeri (100000 EN ġehir için Birincil Çamur (60 g TKM/EN.gün) ve O-KKA (50 – 100 g TKM/EN.gün) Biyometan Tesisi ... 288

Tablo 126. Atıksu arıtma tesisis ham atıksu giriĢ özellikleri ... 289

Tablo 127. Kentsel atıksu arıtma tesisi tasarım verileri ... 290

Tablo 128. Entegre biyometan tesisi tasarım verileri ... 290

(8)

ġEKĠL LĠSTESĠ

ġekil 1. Laboratuvar ölçekli AKR Ģeması ... 9

ġekil 2. Entegre atık yönetimi akım diyagramı ... 13

ġekil 3. Kompost prosesine uygun sübstrat hazırlayan karmaĢık bir ayırma tesisinin akım Ģeması 16 ġekil 4. Katı atıkların anaerobik arıtımında kullanılan baĢlıca prosesler ... 21

ġekil 5. Tek kademeli havasız ıslak tip reaktör sistemi (Waasa Prosesi) ... 23

ġekil 6. Tek kademeli havasız kuru tip reaktör tasarımları (A. Dranco tipi, B. Kompogas tipleri, C. Valorga tipi) ... 26

ġekil 7. Brecht (Belçika)‘daki DRANCO tesisi akım Ģeması ... 27

ġekil 8. KOMPOGAS prosesi akım Ģeması ... 28

ġekil 9. Kuru ve ıslak tip proseslerin kurulu kapasitelerinin geliĢim ... 30

ġekil 10. Partikül boyutu küçültülmüĢ (≈ 1mm) ve %12 KM‘ye seyreltilmiĢ KA-EOKA‘ya uygulanılabilen iki kademeli ıslak-ıslak piston akımlı sistem ... 32

ġekil 11. Ġkinci kademenin biyofiltre türünde tasarlandığı çift kademeli ıslak-ıslak tip proses (BTA prosesi), (Hidroliz olmayan katı madde ikinci reaktöre gönderilmez) ... 34

ġekil 12. Farklı doldur-boĢalt reaktörlerde sızıntı suyu geri devir seçenekleri ... 35

ġekil 13. Mezofilik ve termofilik kurulu reaktör kapasitelerinin yıllara göre mukayesesi (De Baere, 2005) ... 37

ġekil 14. EOKA ile birlikte arıtmanın prensibi ... 38

ġekil 15. Seçenek I‘e ait akım Ģeması ve toplam kütle dengesi ... 42

ġekil 16. Seçenek II‘ye ait akım Ģeması ve toplam kütle dengesi ... 43

ġekil 17. Evsel atıksuyun, artıma çamurlarının ve organik katı atığın arıtımının tam entegrasyonunu gösteren entegre biyometan tesisi akım Ģeması ... 46

ġekil 18. Evsel katı atıkların organik kısmının aerobik ve anaerobik biyolojik arıtım proseslerinin mukayesesi ... 48

ġekil 19.Biyometanizasyon sisteminin proses akım diyagramı... 52

ġekil 20. Pilot fermentasyon reaktörü imalatı ... 52

ġekil 21. Pilot çürütücü imalatı ... 53

ġekil 22. Pilot ardıĢık kesikli reaktör ... 53

ġekil 23. Pilot biyometanizasyon sisteminin dıĢarıdan görünümü ... 54

ġekil 24. Pilot ardıĢık kesikli reaktörün dıĢarıdan görünümü ... 54

ġekil 25. Pilot HÇYR sistemi ... 55

ġekil 26. Pilot biyometanizasyon tesisi ... 55

ġekil 27. Pilot çürütücü reaktör ... 56

ġekil 28. Pilot AKR sistemi ... 56

ġekil 29. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TKM değerleri ... 60

ġekil 30. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TUKM değerleri ... 61

ġekil 31. Fermentör giriĢ-çıkıĢ toplam KOĠ değerleri % TKM değerleri ... 61

ġekil 32. Fermentör giriĢ-çıkıĢ çözünmüĢ KOĠ ve % TKM değerleri ... 62

ġekil 33. HamurlaĢtırıcı, fermentör ve çürütücüde KOĠ eĢdeğeri cinsinden Uçucu Yağ Asidi (UYA) konsantrasyonları ... 63

ġekil 34.Fermentör pH değerleri ... 64

ġekil 35. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TKN değerleri ... 64

ġekil 36.Fermentör giriĢ-çıkıĢ amonyak değerleri ... 65

ġekil 37. Fermentör giriĢ-çıkıĢ toplam fosfor değerleri ... 65

ġekil 38. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TKM değerleri ... 66

ġekil 39. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TUKM değerleri ... 67

ġekil 40. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ toplam KOĠ değerleri ... 67

ġekil 41. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ çözünmüĢ KOĠ değerleri ... 68

ġekil 42. Çürütücü pH değerleri ... 68

ġekil 43. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TKN değerleri ... 69

ġekil 44. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ amonyak değerleri ... 69

(9)

ġekil 46. Tesis giriĢinden çıkıĢına kadar tüm sistemdeki toplam KOĠ değiĢimi ... 71

ġekil 47. Tesis giriĢinden çıkıĢına kadar tüm sistemdeki çözünmüĢ KOĠ değiĢimi ... 71

ġekil 48. Ġstanbul Sebze – Meyve Hali‘nden alınan hal atıklar ... 73

ġekil 49. Ġstanbul Sebze – Meyve Hali‘nden alınan atıklar ... 73

ġekil 50. Pilot biyometanizasyon tesisine beslenen hal atığı ... 74

ġekil 53. Fermentör giriĢ-çıkıĢ toplam KOĠ konsantrasyonları ... 77

ġekil 54. Fermentör giriĢ-çıkıĢ çözünmüĢ KOĠ konsantrasyonları ... 77

ġekil 56. HamurlaĢtırıcı, fermentör ve çürütücüde UYA (KOĠ) / ÇözünmüĢ KOĠ oranları ... 78

ġekil 57. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında asetik asit konsantrasyonları ... 79

ġekil 58. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında propiyonik asit konsantrasyonları ... 79

ġekil 59. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında bütirik asit konsantrasyonları ... 80

ġekil 60. Fermentör giriĢ ve çıkıĢında valerik asit konsantrasyonları ... 80

ġekil 62.Fermentör sıcaklık değerleri ... 81

ġekil 63. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TKN konsantrasyonları ... 82

ġekil 64. Fermentör giriĢ-çıkıĢ amonyak konsantrasyonları ... 82

ġekil 65. Fermentör giriĢinde ve çıkıĢında toplam fosfor konsantrasyonu ... 83

ġekil 68. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ toplam KOĠ konsantrasyonları ... 85

ġekil 69. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ çözünmüĢ KOĠ konsantrasyonları ... 86

ġekil 70. Çürütücüde üretilen günlük biyogaz miktarının organik yükleme hızına göre değiĢimi ... 87

ġekil 72. Çürütücü sıcaklık değerleri ... 88

ġekil 73. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TKN konsantrasyonları ... 89

ġekil 74. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ amonyak konsantrasyonları ... 89

ġekil 75. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ toplam fosfor konsantrasyonları ... 90

ġekil 78. Fermentör ve çürütücü çamurunun geçici olarak depolandığı tanklar ... 92

ġekil 79. Fermentör sirkülasyon ve by-pas hattı ... 93

ġekil 80. Çrütücü sirkülasyon ve by-pas hattı ... 93

ġekil 81. Çürütücüye yerleĢtiren mekanik karıĢtırıcı ... 94

ġekil 82. Çürütücü içerisine yerleĢtirilen mekanik karıĢtırıcı ve ısıtıcı ... 95

ġekil 83. Mekanik karıĢtırıcı ... 96

ġekil 84. Çürütücü içerisine yerleĢtirilen yüksek kapasiteli elektrikli ısıtıcı (10 kW) ... 97

ġekil 90. HamurlaĢtırıcı, fermentör ve çürütücüde UYA (KOĠ) / ÇözünmüĢ KOĠ oranları ... 102

ġekil 96. Fermentör giriĢ-çıkıĢ TKN konsantrasyonları ... 105

(10)

ġekil 98. Fermentör giriĢinde ve çıkıĢında toplam fosfor konsantrasyonu ... 106

ġekil 104. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ TKN konsantrasyonları ... 110

ġekil 105. Çürütücü giriĢ-çıkıĢ amonyak konsantrasyonları ... 110

ġekil 107. Biyometanizasyon tesisinin farklı kademelerinde çözünmüĢ KOĠ parametresinin değiĢimi ... 112

ġekil 108. Laboratuar ölçekli çalıĢmalarda kullanılan fermentasyon reaktörü (Applicon BioConsole ADI 1025) ... 113

ġekil 126. Durusu Köyü Atıksu Arıtma Tesisi Akım ġeması ... 125

ġekil 127. Durusu ArdıĢık Kesikli Reaktör Sistemi (a) havalandırma ve (b) deĢarj yapısı ... 125

ġekil 128. GiriĢ atıksuyunda KOĠ değiĢimi ... 133

ġekil 129. GiriĢ atıksuyunda AKM ve UAKM değiĢimi ... 133

ġekil 130. GiriĢ atıksuyunda TKN, Amonyak ve TP değiĢimi ... 134

ġekil 131. GiriĢ atıksuyunda TKOĠ/TKN ve TKOĠ/TP değiĢimi ... 134

ġekil 132. AKR sisteminde AKM ve UAKM konsantrasyonu ... 135

ġekil 133. OTH profili (ÇözünmüĢ KOĠ_27.02.2009) ... 138

ġekil 134. OTH profili (Toplam KOĠ_27.02.2009) ... 139

ġekil 135. OTH profili (Toplam KOĠ_20.04.2009) ... 139

ġekil 136. Havasız tam karıĢımlı reaktörün Ģematik görünümü ... 141

ġekil 137. AKM ve UAKM konsantrasyonlarının zamanla değiĢimi ... 143

ġekil 138. KOĠçöz ve UYA konsantrasyonlarının zamanla değiĢimi ... 144

ġekil 139. UYA‘dan kaynaklanan KOĠçöz konsantrasyonunun zamanla değiĢimi ... 145

ġekil 140. pH‘ın çalıĢma süresince değiĢimi ... 146

ġekil 141. Pilot Ölçekli HÇYR ... 150

ġekil 142. Pilot Ölçekli HÇYR‘nin ġematik Görünümü ... 150

ġekil 143. ÇalıĢmada kullanılan gazmetre ... 153

ġekil 144. KOĠtop konsantrasyonunun ve giderim veriminin zamanla değiĢimi ... 154

ġekil 145. KOĠçöz konsantrasyonunun ve giderim veriminin zamanla değiĢimi ... 154

ġekil 146. HÇYR‘de gözlenen pH değiĢimleri ... 156

ġekil 147. HÇYR‘de gözlenen alkalinite değiĢimleri ... 156

(11)

ġekil 149. HÇYR boyunca biyokütledeki katı madde konsantrasyonlarının değiĢimi ... 162

ġekil 150. HÇYR boyunca biyokütledeki katı madde konsantrasyonlarının değiĢimi (Numune alma tarihi: 29 Mayıs 2009) ... 163

ġekil 151. Deney düzeneği ... 166

ġekil 152. Ġncelenen atıklar için eklenen TUKM baĢına üretilen metan gazı ... 167

ġekil 153. Ġncelenen atıklar için giderilen TUKM baĢına üretilen metan gazı ... 167

ġekil 154. Yemekhane atıklarıyla yapılan BMP deneylerinde UYA konsantrasyonları değiĢimi .... 168

ġekil 155. Arıtma çamurları ile yapılan BMP deneylerinde UYA konsantrasyonları değiĢimi ... 169

ġekil 156. Yemekhane atıkları ve çamur karıĢımı ile yapılan BMP deneylerinde UYA konsantrasyonları değiĢimi ... 169

ġekil 157. BMP deneylerinde pH değiĢimi ... 170

ġekil 158. BMP deneylerinde alkalinite konsantrasyonları değiĢimi ... 170

ġekil 159. BMP deneylerinde TUKM konsantrasyonları değiĢimi ... 171

ġekil 160. BMP deneylerinde KOĠ konsantrasyonları değiĢimi ... 171

ġekil 161. Hidroliz ve fermentasyon kademelerinin gerçekleĢtirildiği deneysel düzenekten bir görünüm ... 178

ġekil 162. Çürütme kademesinin gerçekleĢtirildiği deneysel düzenekten bir görünüm ... 178

ġekil 163. %2,5 katı madde konsantrasyonunda k‘nın hesaplanması ... 184

ġekil 164. %5 katı madde konsantrasyonunda k‘nın hesaplanması ... 184

ġekil 167. Ekosistemler içindeki mikrobiyal çeĢitliliğin anlaĢılması için kullanılan teknikler ... 188

ġekil 168. Yemekhane atıklarıyla beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki arke populasyonunun DNA‘larının PZR reaksiyonu ile çoğaltılması sonuçları ... 198

ġekil 169. Yemekhane atıklarıyla beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki bakteri populasyonunun DNA‘larının PZR reaksiyonu ile çoğaltılması sonuçları ... 198

ġekil 170. Yemekhane atıklarıyla beslenen fermentör reaktöründeki arke populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGGE profili ... 199

ġekil 171. Yemekhane atıklarıyla beslenen fermentör reaktörleründeki arke populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGGE profili ... 200

ġekil 172. Hal atıklarıyla beslenen çürütücü reaktöründeki bakteri populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE profilleri ... 201

ġekil 174. Yemekhane atıklarıyla beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki arke populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGGE profill ... 203

ġekil 175. Yemekhane atıklarıyla beslenen fermentör ve çürütücü reaktörlerindeki bakteri populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGGE profilli ... 204

ġekil 176. Sebze atıklarıklarıylaa beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki arke populasyonunun DNA‘larının PZR reaksiyonu ile çoğaltılması sonuçları ... 206

ġekil 177. Sebze atıklarıklarıylaa beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki bakteri populasyonunun DNA‘larının PZR reaksiyonu ile çoğaltılması sonuçları ... 206

ġekil 178. Hal atıklarıyla beslenen fermentör reaktöründeki bakteri populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE profilleri ... 207

ġekil 179. Hal atıklarıyla beslenen fermentör reaktöründeki arke populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE profilleri ... 208

ġekil 181. Hal atıklarıyla beslenen çürütücü reaktöründeki arke populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE profilleri ... 210

ġekil 182. Hal atıklarıyla beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki arke populasyonunun DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE profilli ... 211

ġekil 183. Hal atıklarıyla beslenen fermentör ve Çürütücü reaktörlerindeki bakteri populasyonununa ait DNA parçalarının karĢılaĢtırılmasından elde edilen DGJE ... 212

(12)

ġekil 184: ADM1 modelinde kullanılan KOĠ akım Ģeması ... 214

ġekil 185. Metanojenesis ve diğer anaerobik reaksiyonlar için termodinamik verimler ... 227

ġekil 186. Sakrofilik (psychrophilic), mezofilik (mesophilic) ve termofilik (thermophilic) metan bakterileri için sıcaklığa bağlı büyüme hızı değiĢimi ... 231

ġekil 187: ASM1‘deki KOĠ bilĢenleri ve durum değiĢkenleri ... 240

ġekil 188: ASM1‘deki azot bileĢenleri ve durum değiĢkenleri ... 241

ġekil 189. pH‘nın nitrifikasyon hızına olan etkisi ... 246

ġekil 190. pH için simülasyon sonuçları ... 255

ġekil 191. ÇözünmüĢ KOĠ için simülasyon sonuçları ... 255

ġekil 192. Biyogaz için simülasyon sonuçları ... 256

ġekil 199: AKR düzenine ait simulasyon akım Ģeması ... 263

ġekil 200. AKR sistemi simulasyon akım Ģeması ... 265

ġekil 201. AKR hacminin gün içindeki değiĢimi ... 267

ġekil 202. Çevrim içi azot (amonyak ve nitrat) fraksiyonları ... 268

ġekil 203. Çevrim içi çözünmüĢ oksijen konsantrasyonları ... 268

ġekil 204. Çevrim içi fosfor konsantrasyonları ... 269

ġekil 205. Çevrim içi çıkıĢ AKM kosantrasyonları ... 269

ġekil 206. Kentsel AAT ve Entegre Biyometan Tesisi Proses Akım ġeması... 273

ġekil 207. Tasarlanan Biyometan Tesisi HamurlaĢtırıcı Ünitesi‘ne giren – çıkan akımlar ... 276

ġekil 208. Biyometan Reaktörü (Anaerobik Çürütücü) üzerinde katı madde kütle dengesi ... 278

ġekil 209. Biyometan Reaktörü (Anaerobik Çürütücü) üzerinde katı madde kütle dengesi ... 279

ġekil 210. Suluova (Amasya) Besi OSB‘de 10.000 BüyükbaĢ Hayvan (BBH) atığını arıtmak üzere tasarlanan Merkezi Biyometan Tesisi akım Ģeması ... 282

ġekil 211. Entegre biyometan tesisi ön arıtma aĢaması ... 283

ġekil 212. Ağır taĢıtlardan (kg/10 km) CO2 emisyon değerleri (SBG: SıkıĢtırılmıĢ biyogaz, SDG: SıkıĢtırılmıĢ doğal gaz) (Lens ve diğ., 2004) ... 287

ġekil 213. Modelleme çalıĢmasında esas alınan arıtma Ģeması ... 289

ġekil 214. Simulasyon sonucu tahmin edilen biyoz miktarı ... 291

(13)

GiriĢ

―Evsel Atıksular ve Organik Katı Atıkların Birlikte Arıtımı Yoluyla Yenilenebilir Enerji (Biyometan) Geri Kazanım Teknolojilerinin AraĢtırılması Projesi (Proje No: 105G024)‖ Çevre ve Orman Bakanlığı Çevre Yönetimi Genel Müdürlüğü için ĠTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü tarafından yürütülen TÜBĠTAK 1007 projesidir. Projeye Ġstanbul BüyükĢehir Belediyesi (ĠBB) ĠSTAÇ A.ġ. de destek vermektedir.

Proje kapsamındaki araĢtırmaların pilot tesis sisteminde yürütülmesi planlanmıĢtır. Evsel atıksularla kentsel katı atıkların organik kısmının birlikte arıtılacağı pilot tesise baĢlıca iki ana atıksu/atık akımı beslenecektir. Evsel atıksu akımına havasız ön arıtma ve/veya ardıĢık kesikli reaktör (AKR) ile ileri biyolojik arıtma; evsel organik katı atık akımına ise ön arıtma ve fermentasyon ile AKR‘den atılan çamurla birlikte biyometan üretimini hedefleyen havasız arıtma uygulanacaktır.

Bu raporun 1. Bölüm‘ünde ĠĢ Paketi 1: Hazırlık ÇalıĢmaları kapsamında yapılan literatür araĢtırması ve pilot tesis tasarım – imalat çalıĢmaları sunulmuĢtur.

Bölüm 2‘de ĠĢ Paketi 2: Deneysel ÇalıĢmalar kapsamında pilot tesiste farklı atık türleri için elde edilen çalıĢma sonuçları, laboratuvar ölçekli çalıĢma sonuçları ve mikrobiyolojik çalıĢmalar sunulmuĢtur.

3. Bölüm‘de ĠĢ Paketi 3: Modelleme ÇalıĢmaları kapsamında, havalı ve havasız arıtma prosesleri için kullanılan Aktif Çamur Modeli No.1 (ASM1) ile Anerobik Arıtma Modeli No.1 (ADM1) açıklanmıĢtır. Bununla birlikte bu iĢ paketinde yapılan havalı ve havasız arıtma modelleme çalıĢmalarının sonuçları verilmiĢtir.

4. Bölüm‘de ĠĢ Paketi 4: Tam Ölçekli Tesis içim Fizibilite ÇalıĢması kapsamında 5 farklı nüfusa sahip yerleĢim yeri için tam ölçekli entegre biyometan tesisi fizibilite çalıĢma sonuçları verilmiĢtir. Bölüm 5‘te ĠĢ Paketi 5: Sonuçlar ve Değerlendirme kapsamında projeden elde edilen sonuçlar ve çıktılar ile değerlendirmeler yer almaktadır.

(14)

BÖLÜM 1. Ġġ PAKETĠ 1: HAZIRLIK ÇALIġMALARI

1.1. Literatür AraĢtırması

1.1.1. Evsel Atıksuların DüĢük Sıcaklıklarda Havasız Arıtımı

DüĢük kirlilik yüküne sahip evsel atıksuların havasız arıtılması, havalı arıtma sistemlerine kıyasla, daha az çamur oluĢumu, daha düĢük enerji kaynağına ihtiyaç göstermeleri ve daha az iĢletme maliyetleri açısından üstünlüklere sahiptir. Son yıllarda her türlü sıcaklık Ģartlarında gerçekleĢtirilen çalıĢmalar, uygun proses tasarımları halinde, havasız arıtma uygulamalarında sıcaklığın kısıtlayıcı bir faktör olmadığını göstermektedir (VAN LIER ve diğ., 1997). Ayrıca yine bu çalıĢmalarda, 10 kg/m3 değerinden büyük yükleme hızlarında, 10C sıcaklıklarda ve 1,5 saat gibi düĢük hidrolik bekleme sürelerinde atıksuların havasız olarak arıtımlarının bile uygulanabilir olduğu belirtilmektedir (LETTINGA, 1996).

Evsel atıksuların havasız arıtımında en yaygın sistem yukarı akıĢlı havasız çamur yataklı reaktörler (HÇYR)‘dir. Bu reaktörler, düĢük ilk yatırım ve iĢletme maliyetli basit sistemler olup, çeĢitli endüstriyel atıksuların arıtımında yıllardır baĢarıyla uygulanmaktadır (Elmitwalli, 2000). DüĢük sıcaklıklarda evsel atıksu arıtımında HÇYR uygulamaları Hollanda‘da 1976 yılından beri çalıĢılmaktadır. Dünyanın ilk kurulu anaerobik evsel atıksu arıtma tesisi 1989 yılında Hindistan‘ın Kanpur kentinde iĢletmeye alınmıĢtır. Ayrıca, Latin Amerika, Endonezya, Guatemala ve Meksika gibi ülkelerde evsel atıksular gerçek ölçekli HÇYR teknolojisi ile baĢarıyla arıtılmaktadır. Ġtalya, Ġspanya, Portekiz gibi Akdeniz ülkeleriyle Mısır gibi Afrika ülkelerinde de baĢarılı çalıĢmalar gözlenmektedir (SEGHEZZO ve diğ., 1998). Evsel atıksuların havasız arıtımında %70‘den yüksek toplam KOĠ giderimleri gözlenmiĢtir (Rebac, 1998). Bu güne kadar evsel atıksuların havasız arıtımı alanında mevcut kurulu tesisler HÇYR olarak inĢa edilmiĢtir. Havasız Filtre (HF) ve Havasız AkıĢkan Yataklı Reaktörler (HAYR) de yürütülen çalıĢmalar ise genellikle pilot ölçekte kalmıĢtır. Evsel atıksuların havasız arıtımı özellikle mevsimlik arıtmanın söz konusu olduğu turistik tesislerde büyük bir potansiyele sahiptir ve düĢük sıcaklıklarda deĢarj edilen atıksuların havasız arıtımı ilgi çekici bir alternatif olmaktadır (LETTINGA ve diğ., 2001). Ancak evsel atıksuların KOĠ konsantrasyonu nisbeten düĢük olduğu için bu sistemlerden elde edilen gaz miktarları küçük tesislerde ekonomik olarak değerlendirilemeyecek miktardadır.

Evsel atıksular düĢük kirlilik yüklerine sahip olarak düĢünülse bile, bu atıksular yüksek oranda partiküler KOĠ, yağlı bileĢikler, proteinler ve deterjanlar içermekte ve oldukça kompleks yapıda bulunmaktadır. Bu kompleks yapının, havasız arıtma proseslerinde KOĠ giderim verimi üzerinde önemli etkileri bulunmaktadır. Bunun yanında, çoğu durumda anaerobik arıtma sonrası ilave arıtma ve koku kontrolü gerekebilir. HÇYR‘ün ilk yatırım maliyeti uzun havalandırmalı aktif çamur

(15)

sistemleriyle aynı mertebededir. Bucarama (Brezilya) tarafından HÇYR‘ün inĢa maliyeti baz alınırsa reaktörün birim hacim maliyetinin 1994 yılı itibariyle 181 $/m3_{(6 $/kiĢi) olarak tahmin edilmektedir.} ĠĢletme maliyeti bakımından yapılacak bir mukayesede uzun havalandırmalı aktif çamur sisteminde 16-19 kw-sa/kiĢi-yıl seviyesindeki bir maliyete karĢılık HÇYR‘de (T > 20˚C olan yerlerde) herhangi bir enerji ihtiyacı sözkonusu değildir. Dolayısıyla deĢarj standartlarında nütrient sınırlaması olmadığı veya arıtılmıĢ suyun zirai sulamada kullanıldığı durumlarda HÇYR‘ün havalı arıtma sistemlerine çok belirgin mali üstünlüğü bulunmaktadır.

Evsel atıksuyun bileĢimi zamana ve üretildiği bölgeye bağlı olarak belirgin farklılıklar gösterir. KiĢi baĢına üretilen günlük veya yıllık kirletici yükleri evsel atıksuyun kompozisyonunun değerlendirilmesinde önemli rol oynar. Su tüketimindeki salınımların en büyük sebebi infiltrasyondur. Su tüketiminin çok kısıtlı olduğu ülkelerde, evsel atıksu nispeten daha konsantre halde bulunur. Ürdün gibi ülkelerde, evsel atıksuyun toplam KOĠ konsantrasyonu (KOĠtop) 1,5-2,0 g/L değerleri arasında gözlenirken, batı ülkelerinde yüksek su tüketimlerinden dolayı KOĠtop konsantrasyonu 0,2-0,7 g/L değerleri arasında değiĢmektedir.

Havasız evsel atıksu arıtma proseslerinin verimlerini etkileyen önemli çevresel parametreler; sıcaklık, pH, gerekli besi maddelerinin (azot ve fosfor gibi makro besi maddeleri ile diğer mikro besi maddeleri) varlığı ve giriĢ akımındaki zehirli madde konsantrasyonları olarak sayılabilir. Evsel atıksuların arıtımı sırasında sıcaklık dıĢındaki parametreler çok önem taĢımazlar (VAN HAANDEL ve LETTINGA, 1994). Özellikle baskın bakteriyel floranın ve büyüme hızlarının belirlenebilmesi için en önemli parametrelerden biri iĢletme sıcaklığıdır. Mikroorganizmalar, optimum sıcaklığın ve türlerin yaĢayabilecekleri sıcaklık aralıklarının esas alındığı ―sıcaklık sınıfları‖na göre sınıflandırılırlar. Sakrofilik mikroorganizmalar için optimum sıcaklık değeri 20C, mezofilik mikroorganizmalar için optimum sıcaklık aralığı 25-40C ve termofilik mikroorganizmalar için ise optimum sıcaklık değeri 45C olarak verilmiĢtir. Sakrofilik Ģartlarda, kimyasal ve biyolojik reaksiyon hızları mezofilik Ģartlara kıyasla çok daha yavaĢtır. Organik maddenin biyolojik olarak ayrıĢması sırasında gerçekleĢen birçok reaksiyon düĢük sıcaklık değerlerinde, optimum sıcaklık değeri olan 37˚C‘e kıyasla, daha fazla enerjiye ihtiyaç gösterirler. ĠĢletme sıcaklıklarında azalma, genellikle maksimum özgül büyüme ve substrat kullanma hızlarında azalmaya sebep olur. ġimdiye kadar, atıksuların yüksek hızlı havasız sistemler ile sakrofilik arıtılmaları sırasında, sakrofilik veya toleranslı mikroorganizmalara mı ihtiyaç duyulduğu ya da mezofilik çamurların ne ölçüde sakro-toleranslı oldukları hakkındaki tartıĢmalar netlik kazanmamıĢtır. Gerçek ölçekli uygulamaların genelinde, atıksuların havasız arıtımı sıcaklıkların 18˚C‘i aĢtığı durumlar için sınırlandırılmıĢtır. Uygun Ģartlarda iĢletilen havasız bir evsel atıksu arıtma sisteminde, uygulanacak hidrolik ve organik yüklerde faaliyet gösterebilecek bakteriyel popülasyonun geliĢmesi gerekmektedir. Biyolojik olarak ayrıĢabilen maddelerin giderim verimini belirleyen etkenler arasında; giderilecek kirletici maddenin

(16)

yapısı, havasız arıtma için gerekli çevresel faktörlerin uygunluğu, canlı mikroorganizmaların miktarı, giriĢteki organik madde ile mikrobiyal popülasyonun etkin teması, havasız reaktörlerin tasarım parametreleri ve havasız arıtma sisteminde evsel atıksuyun bekletme süresi olarak sıralanabilir (VAN HAANDEL ve LETTINGA, 1994). DüĢük kirlilik yüklerine sahip atıksuların düĢük sıcaklıklarda havasız arıtımında bazı sorunlar yaĢanabilir. Örneğin, giriĢ akımındaki düĢük KOĠ konsantrasyonları, reaktör içersinde çok düĢük substrat seviyelerine ve düĢük biyogaz üretimlerine sebep olur. Bunun sonucunda, düĢük karıĢtırma hızı ve zayıf substrat-biyokütle teması gerçekleĢir. Evsel atıksuların yüksek verimlerde havasız olarak arıtılabilmeleri ve reaktör içersinde iyi bir karıĢımın sağlanabilmesi için sistemin yüksek hidrolik yüklerle beslenmesi gerekmektedir. Bu sebeple, düĢük kirlilik yüklerine sahip atıksuların havasız arıtımları sırasında gerekli reaktör hacimleri genellikle hidrolik bekleme süresi ile belirlenmelidir (LETTINGA ve HULSHOFF POL, 1991). Zira havasız reaktörün maksimum organik yükleme hızında çalıĢtırılması, çamurun yüksek oranda hidrolik olarak yıkanmasına sebep olabilir. Ayrıca bazı durumlarda, düĢük alkalinite de reaktör içersinde probleme sebep olabilir. Tablo 1‘de yüksek hızlı havasız sistemlerde evsel atıksu arıtımının faydaları ve kısıtları verilmiĢtir (ELMITWALLI, 2000).

Tablo 1. Yüksek hızlı havasız sistemlerde evsel atıksu arıtımının faydaları ve kısıtları (Elmitwalli, 2000)

Faydaları Kısıtları

1. Özellikle tropik bölgelerde etkili organik madde giderimi

1. Uygun olmayan çamurla aĢılandığında metanojen mikroorganizmaların düĢük büyüme hızlarından dolayı uzun iĢletmeye alma dönemi

2. DüĢük inĢaat maliyetlerine ve daha az alana ihtiyaç göstermeleri, özellikle sıcaklıkların >20˚C olduğu durumlarda yüksek yükleme hızlarına izin vermeleri

2. DüĢük patojen giderimi

3. DüĢük iĢletme-bakım maliyetleri, düĢük enerji

ve az ekipmana ihtiyaç duyulması 3. DeĢarj standartlarına uygun çıkıĢ kalitesine ulaĢabilmek için ilave arıtma ihtiyacı 4. Havalı ve fiziko-kimyasal arıtma proseslerine

kıyasla daha az çamur üretimi 4. DüĢük sıcaklıklarda düĢük partiküler madde giderimi 5. Enerji üretimi için kullanılabilecek biyogaz

üretimi 5. Sülfatın sülfite indirgenmesi sırasında ortaya çıkacak koku problemi riski

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

(17)

arasında değiĢmektedir (VAN HAANDEL ve LETTINGA, 1994). Gazların çözünürlüğü, sıcaklığın 20˚C‘nin altına düĢtüğü durumlarda artar. Metan, hidrojen sülfür ve hidrojenin çıkıĢ akımındaki çözünmüĢ konsantrasyonları, yüksek sıcaklıklarda iĢletilen reaktörlere kıyasla, düĢük sıcaklıklarda iĢletilen reaktörlerde daha fazla olacaktır. Sakrofilik koĢullarda, karbondioksit gazının yüksek çözünürlüğü sebebiyle, reaktör içersindeki pH değerinde de bir miktar azalma gözlenmektedir (Lettinga ve diğ., 2001). Evsel atıksulardaki düĢük KOĠ konsantrasyonları sebebiyle havasız reaktör içersinde gerçekleĢecek düĢük gaz üretimleri, düĢük karıĢma hızına sebep olacak ve böylece substrat-biyokütle teması yeterli olmayacaktır. Reaktör içersinde karıĢımı sağlayan biyogaz üretimi genellikle organik yükleme hızı ve reaktörün yüksekliğine bağlıdır (TĠLCHE ve VĠEĠRA, 1991). AGRAWAL ve diğ. (1997) yaptıkları bir çalıĢmada, sıcaklığın 27˚C‘den 10˚C‘e düĢmesi durumunda, gaz üretim hızında %78‘lere varan bir azalma gözlemiĢlerdir. Ayrıca düĢük gaz üretimi %25 daha az KOĠ giderimine sebep olarak, AKM‘nin reaktör içersinde birikimine yol açmıĢtır. Çamur yatağı içersinde tutulan ve biriken partiküler maddelerin hidrolizi çok yavaĢ olduğu için hidroliz aĢaması, genellikle bütün anaerobik çürüme prosesinde hız kısıtlayıcı adım olup uygulanan proses sıcaklığına da bağlı olarak nispeten uzun bekleme sürelerine ihtiyaç duyulmaktadır. 25˚C sıcaklıkta iĢletilen havasız bir reaktörde, hidroliz ve metan üretiminin sağlanması için 15 günlük bir çamur bekleme süresi yeterli olurken, 15˚C‘de iĢletilen biyoreaktörlerde çamur bekleme süresi 75 gün değerine çıkmaktadır (ZEEMAN ve LETTINGA, 1999; MIRON ve diğ., 2000).

Evsel atıksulardaki partiküler maddelerin havasız reaktörlerde giderimi, hidroliz süreci hariç, esas olarak fiziksel proseslerlerle açıklanır. Çamur yatağı biyolojik bir filtre gibi davranır. AKM, evsel atıksuların KOĠ parametresinde büyük bir orana sahip olduğu için, yüksek AKM giderimi yüksek KOĠtop giderimine sebep olacaktır. AKM‘deki büyük boyutlu partiküler maddelerin giderimi esas olarak sürükleme kuvvetlerine ve çökelme özelliklerine bağlıdır. Havasız bir reaktörde AKM giderimi, çökelme ve çamur yatağı ve/veya filtre malzemesi içersinden filtrasyon ile gerçekleĢir. Havasız rektörlerde AKM‘nin fiziksel giderimi, giriĢ organik madde konsantrasyonuna, sıcaklığa, reaktörün yüksekliğine, hidrolik bekleme süresine, yukarı akıĢ hızına, partikül boyutu ve yoğunluğu gibi etkenlere bağlıdır. Evsel atıksularda KOĠtop konsantrasyonunun %20-30‘unu teĢkil eden kolloidal partiküllerin giderimi ise düĢük sıcaklıklarda kısıtlayıcı bir faktördür (MERGAERT ve diğ., 1992; WANG, 1994; SAYED VE FERGALA, 1995).

SAYED VE FERGALA (1995)‘ya göre, katı maddelerin giderimindeki tutulma mekanizması, kolloidal partiküllerin çamur yatağı tarafından tutulmasında yeterli olmamaktadır. Bunun sebebi, çamur yatağındaki yüksek porozite ile reaktör içerisindeki yukarı akıĢ hızı ve belirli oranda gaz üretimi olarak söylenebilir. Kolloidal partiküllerin giderimi, havasız reaktörlerdeki askıda ve/veya yüzeyde tutunmuĢ biyokütle içersinden filtrasyon ve/veya tutunma ile gerçekleĢir. Ayrıca, HÇYR‘lerin üst

(18)

kısımlarına filtre malzemesi yerleĢtirilmesi (Hibrit Reaktör), filtrasyona ilaveten flokülasyon desteği ile kolloidal partiküllerin giderim verimini arttırabilir (ELMITWALLI, 2000).

DüĢük sıcaklıklarda daha düĢük hidroliz hızları sebebiyle AKM‘nin çamur yatağı içersinde birikimi artmakta ve daha uzun hidrolik bekleme sürelerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sebeple AKM‘nin havasız arıtma öncesinde çökelme veya fiziko-kimyasal arıtma ile giderimi tavsiye edilmektedir. Böylece hem çamur yatağı içersinde birikim önlenmiĢ olur hem de granül çamurun yapısında bozulma meydana gelmez (VIEIRA ve SOUZA, 1986).

1.1.1.1. Gerçek ve Pilot Ölçekli HÇYR Uygulamaları

Birçok ülkede gerçek ölçekli (kurulu) HÇYR uygulamaları baĢarıyla gerçekleĢmektedir. Örneğin Kanpur (Hindistan)‘da Nisan 1989‘dan beri iĢletilmekte olan gerçek ölçekli HÇYR‘de evsel atıksular havasız olarak arıtılmaktadır (Q = 5000 m3_{/gün). 10 hafta süren iĢletmeye alma aĢamasında ve 6} saatlik hidrolik bekleme süresinde, KOĠ, BOĠ ve AKM giderimleri sırasıyla %74, %75 ve %75 olarak gözlenmiĢtir. Sonuçlar, sıcaklığın arıtma verimi üzerinde çok etkili olmadığını göstermektedir ancak özellikle soğuk dönemlerde biyogaz üretiminde ciddi düĢüĢ gözlenmektedir. Biyogaz üretimi, sıcaklığın arttığı dönemlerde ise tekrar artma eğilimindedir. Reaktörden atılan fazla çamurun suyunu bırakma özelliklerinin iyi olduğu gözlenmiĢtir (DRAAIJER ve diğ., 1992). Evsel atıksuların HÇYR‘lerde arıtıldığı pilot ve gerçek ölçekli uygulamalar Tablo 2‘deverilmiĢtir.

Tablo 2. Evsel atıksuların pilot ve gerçek ölçekli HÇYR uygulamaları Ülke Hacim (m3) Sıcaklık (˚C) GiriĢ Konsantrasyonları (mg/L) AĢı Çamuru (saat) h

Giderim Verimleri (%) Kaynak

KOĠ BOĠ AKM KOĠ BOĠ AKM

Hollanda 6 10-18 100-900 53-474 10-700* _Granül _9-16 _46-60 _42-48 _55-75 _{de Man ve diğ., 1986}

Hollanda 20 11-19 150-550 43-157 50-400* Granül 6.2-18 31-49 23-46 (-) de Man ve diğ., 1986

Hollanda 120 >13 391 291 (-) Granül 2-7 16-34 20-51 (-) van der Last ve

Lettinga, 1992

Kolombiya 64 25 267 95 (-) ÇürümüĢ

inek gübresi 6-8 75-82 75-93 70-80 Lettinga ve diğ., 1987

Kolombiya 3360 24 380 160 240 AĢı kullanılmadı 5 45-60 64-78 60 Schellinkhout ve Osorio, 1994 Ġtalya 336 7-27 205-326 55-153 100-250 AĢı kullanılmadı 12-42 31-56 40-70 + 55-80+ Collivignarelli ve diğ., 1991; Maaskant ve diğ., 1991 Hindistan 1200 20-30 563 214 418 AĢı kullanılmadı 6 74 75 75 Draaijer ve diğ., 1992

Hindistan 12000 18-32 1183 484 1000 (-) 8 51-63 53-69 46-64 Haskoning, 1996a;

Tare ve diğ., 1997

Hindistan 6000 18-32 404 205 362 (-) 8 62-72 65-71 70-78 Haskoning, 1996b;

Tare ve diğ., 1997

Brezilya 120 18-28 188-459 104-255 67-236 Granül 5-15 60 70 70 Vieira ve Garcia, 1992

Brezilya 477 (-) 600 (-) 303 Adapte

olmayan

13 68 (-) 76 Chernicharo ve

Borges, 1997

(-) : bilgi yok *_{: KOĠ olarak ifade edildi}+ _{: 15-20˚C sıcaklıklarda ve}_

(19)

Guimarães ve diğ., (2003) havasız çamur yataklı reaktör (HÇYR) ve ardıĢık kesikli reaktörden (AKR) oluĢan pilot ölçekli bir atıksu arıtma sisteminin performansını değerlendirerek HÇYR-AKR sisteminin çıkıĢ suyu kalitesi ile iĢletme koĢulları arasında iliĢki kurmaya çalıĢmıĢlar ve bu tip bir sistemi, yatırım ve iĢletme maliyetleri açısından konvansiyonel aktif çamur sistemleri ile karĢılaĢtırmıĢlardır. Laboratuar ölçekli olarak gerçekleĢtirilen çalıĢmada ham atıksu kullanılmıĢtır. Sistem 64 L/gün debide, ortalama 25ºC sıcaklıkta iĢletilmiĢtir. Arıtma tesisi; HÇYR, depolama/çökeltme/dengeleme tankı ve AKR olmak üzere 3 üniteden oluĢmuĢtur. HÇYR, depolama tankı ve AKR‘nin hacimleri sırasıyla 10, 6 ve 7 L, bekletme süreleri ise 4, 2.25, 2.625 saattir. Depolama tankından aerobik reaktöre beslenen kesikli akım 4 L‘dir. AKR ise 4 fazda çalıĢtırılmıĢtır: (1) reaktörü sabit 4 L hacim ile doldurma, (2) havalandırma, (3) çamurun çökelmesi için havalandırmanın durdurulması, (4) durultulmuĢ fazın deĢarjı. Havalandırma süresi ve çökeltme süresi sırasıyla 1 saat ve 0.5 saat olarak ayarlanmıĢtır. Yapılan çalıĢmalar sonucunda, HÇYR reaktöründe bekletme süresi kısa olmasına rağmen çok yüksek giderim verimi görülmüĢtür. Ayrıca çamur yaĢının 7 gün veya daha az olması durumunda AKR düzgün olarak iĢletilememiĢ, çıkıĢ akımıyla birlikte çamur kaçıĢları gözlenmiĢtir. Ayrıca deterjanlar tamamen parçalanamadığından köpük problemi oluĢmuĢtur. Tüm bu olumsuzluklar çamur yaĢının 9 gün ve üzerinde olması durumunda giderilmiĢ ve çıkıĢ suyu kalitesi iyileĢmiĢtir. Deneysel çalıĢmalar HÇYR-AKR sistemi çıkıĢ suyu kalitesinin, denitrifikasyonsuz konvansiyonel aktif çamur sistemleri çıkıĢ suyu kalitesine eĢit ya da daha iyi kalitede olduğunu göstermiĢtir. AKR‘nin performansını gösteren önemli faktörlerden biri de üretilen çamurun kalitesidir. Deneysel çalıĢmalar süresince çamurun çökebilirliğinin iyi olduğu ve SVI değerlerinin 80 mL/g TKM olduğu görülmüĢtür. Respirometrik analizlerle 11 ve 15 günlük çamur yaĢlarında organik madde oksidasyonu ve nitrifikasyon için 1 saatlik havalandırma periyodunun yeterli olduğu, 9 günlük çamur yaĢında ise tam nitrifikasyon için 1 saatlik havalandırma periyodunun yeterli olmadığı görülmüĢ ve çıkıĢ akımındaki amonyum konsantrasyonlarının daha yüksek çamur yaĢlarında elde edilen değerlere göre yüksek olduğu anlaĢılmıĢtır. Bu tip arıtma sistemlerinin en önemli avantajı iĢletme ve yatırım maliyetlerinin az olmasıdır. HÇYR-AKR‘den oluĢan arıtma tesisleri için gerekli toplam reaktör hacmi, konvansiyonel sistemler için gerekli olan hacmin %65‘ine denk gelmektedir. Toplam oksijen tüketimi açısından konvansiyonel aktif çamur sistemleri ile HÇYR-AKR sistemi karĢılaĢtırıldığında HÇYR-AKR sistemi için gerekli olan oksijen miktarı aktif çamur sistemlerine göre %58 daha azdır. Bununla birlikte havalandırma açısından, HÇYR-AKR sistemi kendi kendine yetecek enerjiyi üretme potansiyeline sahiptir. Sistemin verimi değerlendirildiğinde tam nitrifikasyonun gerçekleĢmesi ile birlikte BOĠ5 ve KOĠ gideriminin %95‘in üzerinde verimle gerçekleĢtiği görülmüĢtür.

Agrawal ve diğ., (1997) seyreltik atıksuyun HÇYR‘de arıtılabilirliğini araĢtırmıĢlardır. 96 L hacme sahip HÇYR, 300 mg/L KOĠ‘ye sahip sentetik atıksu ile 700 gün süresince sürekli bir akımla beslenmiĢtir. Sıcaklık 25ºC‘de sabitlenmiĢ ve aĢı olarak çürütülmüĢ evsel atıksu çamuru (60 L)

(20)

kullanılmıĢtır (AKM konsantrasyonu 30 g/L). Evsel atıksu çamuru mezofilik Ģartlarda iĢletilen bir evsel atıksu çamur çürütücüsünden elde edilmiĢtir. Hazırlanan sentetik atıksuyun KOĠ/sülfat oranı 3:1 ve KOĠ/N/P oranı 100/5/4‘dür. ÇalıĢma süresince çıkıĢ suyunun pH‘ı 6.97±0.11 olarak ölçülmüĢtür. BaĢlangıç aĢamasında (start-up) 28 saat hidrolik bekletme süresi (θh) ile baĢlanmıĢ ve daha sonra hidrolik bekletme süresi kademeli olarak 19, 14 ve 9 saate düĢürülmüĢtür. KOĠ yükleme hızı ise 28 sa ve 9 sa‘lik hidrolik bekletme süreleri için sırasıyla 0,26 ve 0,73 kg KOĠ/m3_{.gün olarak} ayarlanmıĢtır. Yapılan çalıĢmalarda KOĠ giderim veriminin θh azaldıkça arttığını ve uçucu yağ asitlerinin (UYA) baĢlangıçta yüksek olmasına rağmen zamanla kademeli olarak azaldığı görülmüĢtür. Hidrolik bekletme süresinin her değiĢiminde UYA‘de hafif bir artıĢ gözlenmiĢ fakat bu artıĢ zamanla yok olmuĢtur. ĠĢletme süresince çıkıĢ akımında çok az çamur kaçıĢı gerçekleĢmiĢ ve θh‘ın azalmasından bağımsız olarak sabit kalmıĢtır. Reaktörde oluĢan biyogazın metan içeriği 28, 19, 14 ve 9 saat‘lik bekletme sürelerinde sırasıyla %63±5, %69±2, %72±2 ve %69±2 olarak belirlenmiĢtir. Bunun yanı sıra CO2 içeriği %8, N2 içeriği %21-30 olarak bulunmuĢ, H2S konsantrasyonu ise %0.11 (θh=28 saat) ve %0.39 (θh=9 saat) olarak tespit edilmiĢtir. Tüm bunlara ek olarak KOĠ yükleme hızı arttıkça metan üretim hızının da arttığı belirlenmiĢtir. Ayrıca arıtılan atıksuyun zayıf kirlilik yüküne sahip bir atıksu olması sebebiyle özellikle düĢük hidrolik bekletme süresinde önemli miktarlarda çözünmüĢ metan oluĢumu gözlenmiĢtir. OluĢan çözünmüĢ metan, ekonomik bir çözüm bulunmadığı sürece geri kazanılamamaktadır.

UEMURA ve HARADA (1999) HÇYR‘de evsel atıksu arıtımı sırasında sıcaklığın proses performansı üzerine etkilerinin yanında, reaktördeki çamurun metanojenik aktivitesini de belirlemeye çalıĢmıĢlardır. Bunun için 21,5 L hacimli, 4.7 saat hidrolik bekletme süresine sahip bir HÇYR kullanılmıĢtır. Reaktör 6 ay boyunca evsel atıksu ile beslenmiĢ ve sıcaklık, 3ºC‘lik düĢüĢlerle 25ºC‘den 13ºC‘ye kadar düĢürülmüĢtür. AĢı çamuru olarak evsel atıksu arıtma tesisinden alınan granüler çamur kullanılmıĢtır. Deneysel çalıĢmalar sonucunda çıkıĢ suyunun toplam KOĠ ve çözünmüĢ KOĠ bakımından kalitesinin kararlı olduğu ve iĢletme sıcaklığından çok etkilemediği anlaĢılmıĢ ve toplam KOĠ gideriminin sıcaklıktan çok, giriĢteki partiküler KOĠ miktarından etkilendiği görülmüĢtür. Buna göre toplam KOĠ giderimi %69,4‘dür. Deneysel çalıĢmalar süresince çıkıĢ akımında UYA‘ne nadiren rastlanmıĢtır. GiriĢ ve çıkıĢ akımındaki pH değerleri ise sırasıyla 6,86 (6,2-7,4) ve 6,98 (6,22-7,5)‘dir. Deneysel çalıĢmalara göre bir günde üretilen toplam metan miktarı, reaktör çıkıĢında gaz toplama noktasında biriken metan miktarı ile çıkıĢ akımıyla kaçan çözünmüĢ formdaki metan miktarının toplamı olarak düĢünülmüĢtür. ÇözünmüĢ CH4 miktarı Henry Kanunu dikkate alınarak hesaplanmıĢtır. Dolayısıyla yapılan hesaplamalar sonucunda çıkıĢ akımında göz ardı edilemeyecek kadar yüksek miktarda çözünmüĢ formda CH4 kaçıĢları olduğu anlaĢılmıĢtır. Deneysel çalıĢmalar, sıcaklığın düĢmesiyle parçalanan KOĠ fraksiyonunun azaldığını göstermiĢtir. ÇözünmüĢ KOĠ giderimi sıcaklıktan bağımsız olduğundan deneysel çalıĢmalar süresince çıkıĢtaki çözünmüĢ KOĠ miktarı sabit kalmıĢtır. Buna göre, partiküler KOĠ giderimi, partiküler maddelerin

(21)

çamur yatağı içerisinde tutulması sonucu gerçekleĢmektedir. Çamur yatağında tutulan organik maddelerin hidroliz hızı sıcaklıktan önemli bir derecede etkilenmiĢtir. Tutulan partiküler maddelerin %58‘i 25ºC‘de parçalanırken, 13ºC‘de %33‘ü parçalanmıĢtır. Bununla birlikte sıcaklık düĢtükçe metan üretimi de düĢmüĢtür. 25ºC‘de %60 olan metan üretimi, 13ºC‘de %35‘dir. Granüler çamurun çökelebilirliği üzerinde yapılan araĢtırmalarda, düĢük organik yüke sahip atıksuların granüler çamurun çökelebilirliğini olumsuz yönde etkilediği sonucuna varılmıĢtır. DüĢük organik yüklemelerde 6 ay boyunca iĢletilen HÇYR içerisindeki mikroorganizmaların metanojenik aktivitesi, baĢlangıçta aĢı çamuru olarak kullanılan granüler çamurun aktivitesinin %4 - 10‘una düĢmüĢtür. Dolayısıyla reaktöre aĢılanan granüler çamurun mikrobiyel aktivitesi, arıtılmıĢ atıksu çamurunun mikrobiyel aktivitesi ile aynı değerdedir. Ayrıca, reaktördeki çamurun granüler formda kaldığı ancak granüllerin çoğunun çatlak bir yapıya sahip olduğu anlaĢılmıĢtır. AĢı çamurunun içyapısında ise daha çok baskın olarak bulunan türün Methanothrix olduğu belirlenmiĢtir.

1.1.2. ArdıĢık Kesikli Reaktörler ve Uygulamaları

ArdıĢık kesikli reaktörler (AKR) doldurma, reaksiyon, çökeltme, boĢaltma ve dinlendirme fazlarından oluĢan ve iĢletme esnekliği olan yarı kesikli sistemlerdir (ġekil 1). Sistemin esnekliği sayesinde (a) giriĢ ve çıkıĢ akımları birbirinden bağımsız olarak iĢletilebilir, (b) çökeltme reaktörün kendi içinde gerçekleĢtirilir (c) biyolojik prosesler çevrimsel olarak gerçekleĢtirilir (d) sürekli sistemlerden farklı olarak her çevrimde arıtılmıĢ su arıtılmamıĢ su ile yer değiĢtirir.

ArdıĢık kesikli reaktörler son yıllarda sürekli sistemlere göre enerji maliyetinin, üretilen çamur miktarının, alan ve ekipman ihtiyacının az olması gibi üstünlüklerden dolayı evsel atıksuların arıtılmasında yaygın bir Ģekilde kullanılmaya baĢlanmıĢtır (TASLĠ ve diğ., 1997; COLMENREJO ve diğ., 1998; METCALF ve EDDY, 2003; TORRES ve FORESTI, 2001; GUIMARAES ve diğ., 2003; ZENG ve diğ., 2003, MEYER ve diğ., 2005). ArdıĢık kesikli reaktörlerde, organik karbon ve fosforun giderimine ilave olarak nitrifikasyon ve denitrifikasyon yoluyla azot gideriminin de yapıldığı çeĢitli modifikasyonlar ile alıcı ortam standartlarının sağlanması mümkün olmaktadır. Sürekli aktif çamur sistemlerinin tersine, hem biyolojik reaksiyonlar hem de biyokütlenin çökeltilmesi aynı tank içinde meydana gelir. ArdıĢık kesikli reaktörler, birçok özellikleri ile doldur-boĢalt sistemlerden ayrılır. ArdıĢık kesikli reaktörler belirli bir periyotda doldurulur ve boĢaltılırlar. Doldurma fazı tamamlandıktan sonra, havalandırmalı veya havalandırmasız reaksiyon fazının süresi ile çöktürme ve boĢaltma fazlarının süresi arıtma amacına bağlı olarak seçilebilir. AKR döngüsü doldurma fazı ile baĢlayarak boĢaltma fazı ile veya isteğe bağlı olarak boĢ/dinlendirme fazı ile sonlanarak sürekli olarak tekrarlanır. Sistem periyodunun süresi ve sıklığı istenilen çıkıĢ limit değerlerine göre belirlenebilir.

(22)

0 1 2 3 4 5 6

Doldurma KarıĢtırma Havalandırma

Çöktürme BoĢaltma-dinlendirme

ġekil 1. Laboratuvar ölçekli AKR Ģeması

Literatürde, evsel ve endüstriyel atıksulardan besi maddesi giderimi konusunda hem laboratuvar hem de pilot ölçekli ardıĢık kesikli reaktör teknolojilerinin kullanıldığı çok sayıda çalıĢma yeralmaktadır. Bu çalıĢmalar büyük ölçüde evsel atıksularının arıtımının daha da iyileĢtirilmesi yönündedir. Bu amaçla isletme koĢullarının arıtma verimleri üzerine etkileri sıkça araĢtırılmıĢtır. Bu çalıĢmalardan bazıları aĢağıda özetlenmiĢtir.

IMURA ve diğ., (1993) günde 4 kez olmak üzere 6 saatlik bir çevrimli AKR kullanarak yaptıkları bir çalıĢmada tam bir nitrifikasyon sağlayarak, BOĠ, AKM ve toplam fosfor paramatrelerinde de %95‘in üstünde bir verim elde etmiĢlerdir.

COLUNGA ve MARTINEZ (1996) ardıĢık kesikli biyofilm reaktörde fosfor giderimini incelemek amacıyla yaptıkları bir çalıĢmada değiĢik iĢletme koĢullarının atıksudan besi maddesi (C,N,P) giderimi üzerine etkileri araĢtırılmıĢtır. 8 ve 12 saatlik çevrimler ve farklı anaerobik/aerobik zaman oranları ile sistem çalıĢtırılmıĢtır. En yüksek KOĠ ve fosfor giderim hızı 12 saatlik çevrim ile ve 37/63 anaerobik/aerobik süre oranında elde edilmiĢtir. En yüksek fosfor giderimi ve nitrifikasyon verimi 3 g KOĠ/m2_{.gün‘lük organik yükleme hızında elde edilmiĢtir.}

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

V0= 1,5 L

VT= 4.0 L

Çıkış