Atık Kontrolü, Çevre Kirliliği ve Enerji Üretimi

Ocak 2013 / Sayı: 54

Özet

Biyolojik olarak parçalanabilen katı ve sıvı atıklar, kontrolsüz bir şekilde çevreye bırakıldığında ciddi çevresel problemler oluşturabilmektedirler. Bu atıkları oksijensiz ortamda kontrollü bir biçimde çürüterek çevre kirliliğini önlemek, enerji üretmek ve organik gübre elde etmek mümkündür. Dünyada önceleri hayvan gübresi kullanılarak gerçekleştirilen biyogaz üretimi bugün çeşitli endüstrilerin organik atıkları, meyve ve sebze atıkları, yemekhane atıkları, şehir çöpü, atıksu arıtma çamuru gibi çok çeşitli kaynaklar kullanılarak da gerçekleştirilebilmektedir.

Bu çalışmada Ondokuz Mayıs Üniversitesi Kampüsü’nde öğrenci yemekhanesinden günlük olarak toplanan yemek artıkları 3,6 m3lük bir anaerobik fermentörde çürütülerek biyogaz üretilmiştir. Hayvan gübresi ile aşılama yapılan tankta 21 °C sıcaklıkta 20. günde optimum biyogaz üretme verimi olan 0.63 m3gün biyogaz üretme verimine ulaşılmıştır. Üretilen biyogazın metan içeriği %63 olarak tespit edilmiştir. Bir yemekhane artığı kullanılarak gerçekleştirilen biyogaz üretiminin diğer yemekhane artıkları kullanılarak daha büyük bir tesiste gerçekleştirilmesi durumunda, ekonomik fayda sağlayabilecek düzeyde olduğu hesaplanmıştır. Aynı zamanda üniversitede diğer çöplerle birlikte toplanan ve 30 km uzaklığa taşınan çöp miktarında azalma ve oluşan organik gübrenin kampüs içinde bulunan Ziraat Fakültesi uygulama tarlasında kullanılması da mümkündür.

Genel Bilgi
Çözünebilir organik madde içeren katı ve sıvı atıklar kontrolsüz bir biçimde çevreye atıldığında ciddi çevresel problemler doğurabilmektedirler; fakat bu atıkları bir anaerobik fermentörde kontrollü bir biçimde çürüterek enerji kaynağı olarak değerlendirmek mümkündür. Organik maddelerin oksijensiz ortamda çürütülmesi neticesinde üretilecek biyogaz, kullanılan organik maddenin cinsine ve üretim şekline bağlı olmakla birlikte genellikle %50-70 metan (CH4), %30-50 karbondioksit (CO2) ve eser miktarda azot, sülfür bileşikleri, hidrojen, uçucu organik maddeler, amonyak ve su buharı ihtiva eder. Biyogazın kaloriferik değeri ise içerdiği metan miktarına bağlı olarak 20-28 MJ/m3 arasında değişmektedir.

Her yıl ülkemizde milyonlarca ton katı atık üretilmekte ve çöp toplama alanlarına boşaltılmaktadır. Yaklaşık %80’i biyolojik olarak parçalanabilir nitelikte olan bu evsel katı atıkları deponi alanlarında biriktirerek onlardan kurtulmaya çalışmaktayız [1]. Yine ülkemizde hayvansal ve bitkisel atıklar çoğunlukla ya doğrudan yakılmakta ya da tarım topraklarında gübre olarak kullanılmaktadır. Ülkemizde yaygınlaşan atıksu arıtma tesislerinde oluşan çamur çoğunlukla şehir çöpüyle birlikte depolanmaktadır. Uzun arıtma süresine ve ileri arıtma işlemine ihtiyaç duyan mezbaha ve süt işletmesi atıksuları yeterince arıtılmadan alıcı su ortamına deşarj edilmektedir. Yine birçok işyerindeki ve kamu kurum ve kuruluşlarındaki yemekhanelerden çıkan yemek artıkları çoğunlukla diğer çöplerle birlikte depolanmaktadır. Halbuki depolandıkları veya terk edildikleri ortamlarda çürüyüp yok olmalarını beklediğimiz organik maddeler biyogaz üretmek amacıyla etkin bir biçimde yönetilerek enerji kaynağı olarak kullanabilir, organik gübre olarak kullanılabilir ve onların çevreye verebilecekleri zararlar en az düzeye indirilebilir. Biyogaz üretmenin faydalarını aşağıdaki gibi sıralamak mümkündür.
  • Oluşan metan enerji kaynağı olarak kullanılır
  • İnsanlar biyogaz kullandıklarında enerji amaçlı kömür ve odun tüketimi azalır
  • Sindirim ortamından çıkan çamur tarımda, hatta toprak iyileştirmede kullanılan çok iyi bir organi gübredir
  • Sindirim esnasında özellikle insan ve hayvan atığı içinde bulunan hastalık yapıcı (patojenik) mikroorganizmalar büyük ölçüde ölürler
  • Geleneksek biyolojik atıksu arıtma tesislerinde düşük olan kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderimi biyogaz tesisinde oldukça yüksektir
  • Biyogaz üretimi esnasında hayvan gübresinde bulunabilecek yabancı ot tohumları çimlenme özelliğini
  • kaybeder
  • Biyogaz tesisinden çıkan hayvan gübresinin kokusu yok denecek kadar azalır
  • Çürümeye terk ettiğimiz organik maddelerden atmosfere salıverilen metan, küresel ısınma potansiyeli yüksek olan bir gazdır. Bu gaz kontrol altına alınmış ve yakıt olarak değerlendirilmiş olur.
Yüksek organik madde içeren atıksular uzun bekletme süresi ve büyük reaktör hacmi gerektiren anaerobik arıtma tesislerinde arıtılabilirler [2-5]. Anaerobik sindirme prosesin verimi, kullanılan organik maddenin tür ve bileşimine bağlıdır. Organik maddeler kimyasal bileşimleri açısından farklılıklar gösterir. Bazen organik madde bileşimi optimum bakteri gelişimi ve biyogaz üretimi için uygun olmayabilmektedir. Örneğin, peyniraltı suyundaki katının ana bileşeni olan laktoz anaerobik şartlar altında asit üreten bakterilerin gelişimini hızlandırır.
Bu bakteriler laktozu kısa zincirli asetik, propiyonik, butirik ve diğer asitlere parçalarlar ve sistemin pH’nın hızla düşmesine neden olurlar. Bu düşük pH, metan üreten bakterilerin gelişmesine olumsuz etki eder ve düşük biyogaz verimine neden olur [6-8]. Bu problem farklı organik maddelerin birlikte sindirimi ile aşılabilmektedir; çünkü birlikte sindirim daha iyi besin dengesi ve sindirim performansı ve daha yüksek biyogaz verimi sağlamaktadır [9]. Sindirim performansını ve metan verimini artırmak için araştırmacılar katı mezbaha atığı, hayvan gübresi, meyve ve sebzeyi [10], hayvan gübresi ve hızar tozunu [11, 12], hayvan gübresi ile sebze, meyve ve tavuk gübresini [13], hayvan gübresi ve patates kabuğunu [14], hayvan gübresi ve şeker pancarını [15], hayvan gübresi ve mısır silajını [16], hayvan gübresi ve enerji bitkileri ve samanı [17], hayvan gübresi ve zeytin posası ve peyniraltı suyunu [18], hayvan gübresi ve peyniraltı suyunu [7, 8, 19, 20] ve peyniraltı suyu, mısır silajı, şekerpancarı posası, havuç atıkları ve gliserini [21] birlikte sindirmişlerdir.

Bu çalışmada Ondokuz Mayıs Üniversitesi Fen-Edebiyat Fakültesi öğrenci yemekhanesi pilot yemekhane olarak seçilmiş ve buradan toplanan yemekhane artıkları biyogaz üretiminde kullanılmıştır. Nisan-Mayıs 2012 aylarında beş hafta boyunca toplam 24 gün tesis beslenmiş ve oluşan biyogaz miktarı ve biyogazın bileşimi günlük olarak incelenmiştir.

Materyal Metot
Biyogaz üretimi için kullanılan yemekhane artığı günde ortalama 600 kişinin yemek yediği yemekhaneden temin edilmiştir. Numuneler Nisan-Mayıs 2012 döneminde beş hafta boyunca mesai günlerinde, sadece öğle yemeğinde alınarak aynı gün reaktöre doldurulmuştur. Numuneler el ile ayırma işlemi uygulayarak kaynağında peçete, plastik, muz kabuğu ve kemik gibi maddelerden ayrıştırıldıktan sonra toplanmıştır. Günde ortalama 72 kg yemek artığı toplanmıştır. Her gün toplanan yemek artıkları su ile 150 lt’ye tamamlanmış (yaklaşık1:1 oranında) ve 24 gün boyunca toplam 1716 kg yemek artığı su ile birlikte 3600 lt’lik reaktöre doldurulmuştur. Biyogaz üretiminde rol oynayacak bakteri kültürü, hayvan gübresini reaktöre aşılamak suretiyle sağlanmıştır. Haftada bir kez yaklaşık 50 kg hayvan gübresi Ondokuz Mayıs Üniversitesi Ziraat Fakültesi Hayvan Çiftliği’nden alınmış, su ile 1:1 oranında sulandırılmış ve reaktöre doldurulmuştur. Numune toplama periyodu Tablo 1’de ve biyogaz üretme reaktörü Şekil 1’de görülmektedir.


Şekil 1: Çalışmada kullanılan biyogaz tesisi

Biyogaz reaktörü dış yüzeyi 8 cm kalınlığında ısıcam ile kaplanarak ısı yalıtımı sağlanmış ve tesiste ek ısıtıcı kullanılmamıştır. Tesisin sıcaklığı 21-23 °C arasında değişim göstermiştir. Reaktör içindeki sulu karışım her gün yarım saat, dakikada 20 devir yapan kanatlı karıştırıcı ile karıştırılmıştır. Reaktörde gaz oluşum hızı her gün besleme yapmadan önce sabun köpüğü kolonu ile tespit edilmiş ve oluşan toplam biyogaz miktarı bir sayaç kullanılarak kümülatif olarak ölçülmüştür. Oluşan biyogazın içeriği GC/MS (Shimadzu QP2010) ile tayin edilmiştir. CO2 ve CH4 gazlarının konsantrasyonları, uzunluğu 30 m, iç çapı 0,32 mm olan kapilar kolon (Supelco 1006 plot, USA) kullanılarak ölçülmüştür. GC/MS’in fırın sıcaklığı 40 °C, enjektör sıcaklığı 220 °C, detektör sıcaklığı 230 °C’de ve ara yüzey sıcaklığı 220 °C’ye ayarlanmıştır. Taşıyıcı gaz olarak helyum (% 99.999, BOC) ve 1:5’lik bir split oranı kullanılmıştır.



Sonuç ve Tartışma

Şekil 1’de günlük olarak biyogaz üretim hızı ve oluşan biyogazın metan içeriği görülmektedir. Tesise ilk iki besleme (yaklaşık 300 lt) yapıldıktan sonra oluşan gazın miktarı ölçülebilmiştir. Başlangıçta oluşan gaz, reaktör içinde daha önceden var olan hava ile karıştığı için metan oranı hemen hemen sıfırdır. Oluşan biyogazın 15. günden itibaren yakılabilecek oranda metan içerdiği, şekilden açıkça görülebilmektedir. Reaktörün birim hacmi başına en yüksek biyogaz oluşum hızı 0.63 m3 ve en yüksek metan oranı %63 olarak tespit edilmiştir. Bu değerlere reaktör doldurulmaya başlandıktan 20 gün sonra ulaşılmıştır. Şekil 1’deki eğriler 30 gün ile sınırlandırılmış olmasına rağmen reaktör ilk doldurulmaya başlandığı günden itibaren 72 gün boyunca oluşan biyogazın toplam hacmi sayaç yardımıyla ölçülmüş ve kümülatif biyogaz oluşumu olarak Şekil 2’de verilmiştir.
Şekil 2’den görülebileceği gibi tesiste biyogaz oluşumu 15. günden itibaren hızlanmış ve 45. güne kadar devam etmiştir. Daha önce sadece hayvan gübresi ile yaptığımız çalışmada biyogaz oluşumu 5. günden itibaren hızlanmış ve 33. günden sonra yavaşlamıştı. Aradaki farklılık yemekhane artığının fazla yağlı, iri katı maddeler içermesinden ve aşılanan mikroorganizmaların sisteme uyum sürecinden kaynaklandığı söylenebilir. Tablo 1’deki toplam yemek artıkları miktarı ve söz konusu yemekhaneye her gün ortama 600 öğrencinin geldiği göz önüne alınarak yapılan hesaplamada kişi başına ortalama günde 0.12 kg/gün yemek artığı ve 3.78 lt biyogaz oluştuğu görülebilir. Ondokuz Mayıs Üniversitesi ana kampüsünde yaklaşık 28,000 öğrenci, 3,000 personel, 3,000 hasta ve hasta yakını olduğu dikkate alınarak bir hesaplama yapıldığında, günde toplam 4,000 kg (4 ton) yemek artığının çıkabileceği açıkça görülür. Bu yemek artıkları, yapılacak gerçek boyuttaki bir biyogaz tesisinde değerlendirildiğinde günde yaklaşık 128 m3 biyogaz üretmek mümkün olacaktır. Şayet kampüs içindeki hayvan ve süt işletmesi atıkları, park ve bahçe atıkları da aynı sistemde değerlendirildiğinde günlük biyogaz üretiminin çok daha fazla olabileceği söylenebilir. Bu yolla hem organik maddeler bir enerji kaynağı olarak değerlendirilmiş ve hem de çevrenin kirlenmesi önlenmiş olacaktır. Uygun bir kompostlaştırma sisteminin biyogaz tesisin entegre edilmesi ile de tarımda toprak iyileştirici olarak kullanılabilecek kompost üretilmiş olacaktır.


Şekil 2: Kümülatif olarak oluşan biyogaz miktarı

Sonuç

Bu çalışmada Ondokuz Mayıs Üniversitesi Kampüsü’nde seçilen bir yemekhaneden günlük olarak toplanan yemek artıkları biyogaz üretiminde kullanılmıştır. 3.6 m3 sıvı karışımı alabilen bir reaktöre 5 hafta boyunca mesai günlerinde günde bir defa olmak üzere yemek artığı beslenmiş ve yapılan bu besleme haftada bir kez sulu hayvan gübresi ile aşılanmıştır. En yüksek biyogaz üretme verimi olan 0.63 /m3 gün değerine 20. günde ulaşılmıştır. Üretilen biyogazın metan içeriği %63 olarak tespit edilmiştir. Yemek artıkları kullanılarak üretilen biyogazın verimi, metan içeriği ve toplam biyogaz üretme süresi dikkate alındığında, bu işlemin sürdürülebilir bir biyogaz üretme işlemi olabileceği açıkça söylenebilir.

Referanslar
[1]      Owens  J.M.  Ve  Chynoweth  D.P.,  “Biochemical  Methane  Potential  Of  Municipal  Solid  Waste  (MSW) Components”, Water Sci. Technol., Vol 27, Pp.1-4, 1993.
[2]     Borja B., Banks C.J., Wang B.Z. and Mancha A., “Anaerobic Digestion of Slaughterhouse Wastewater Using a Combination Sludge Blanket and Filter Arrangement in a Single Reactor”, Bioresource Tech. Vol.66, Pp.125-133, 1998.
[3]     Demirel B., Yenigun O. and Onay T.T., “Anaerobic Treatment of Dairy Astewaters: A   Review”, Process Biochem. Vol.40, Pp.2583-2595, 2005.
[4]     Tritt W.P., “The Anaerobic Treatment of Slaughterhouse Wastewater in Fixed-Bed Reactors”, Bioresour. Tech. Vol.41, Pp. 201-207, 1992.
[5]     Rajeshwari K.V., Balakrishnan B., Kansal A., Lata K. And Kishore V.V.N., “State-Of-Art of Anaerobic Digetion Technology for İndustrial Wastewater Treatment”, Renew. and Sustain. Energy Rev. Vol.4, Pp.135-156, 2000.
[6]     Hanson G., “End Product İnhibition in Methane Fermentation”, Process. Biochem. Vol.17, Pp. 45-49, 1982.
[7]     Gally A.E., “A Comparative Study of Anaerobic Digestion of Acid Cheese Whey And Dairy Manure in A Two- Stage Reactor”, Biores. Tech. Vol.58, Pp. 61-72, 1996.
[8]     Gelegenis J., Georgakakis D., Angelidaki I. And Mavris V., “Optimization Of Biogas Production By Co- Digestion Whey With Diluted Poultry Manure”, Renew. Energy, Vol.32, Pp. 2147-2160, 2007.
[9]     Mata-Alvarez J., Mace S. And Llabres P., “Anaerobic Digestion of Organic Solid Wastes. An Overview Of Research Achievements and Perspectives”, Biores. Technol. Vol.74, Pp. 3-16, 2000.
[10]    Alvarez R. And Liden G., “Semi-Continuous Co-Digestion of Solid Slaughterhouse Waste, Manure, and Fruit
    And Vegetable Waste”, Renew. Energy, Vol.33, Pp. 726-734, 2008.
[11]  Hashimoto  A.G.,  “Conversion of  Straw-Manure  Mixtures  to Methane  at Mesophilic and  Thermophilic Temperatures”, Biotech. Bioeng. Vol.25, Pp. 185-200, 1983.
[12]     Fisher J.R., Iannotti E.L. and Fulhage C.D., “Production of Methane Gas From Combinations of  Wheat Straw and Swine Manure”, Trans. Am.Soc.Agricult. Eng. Vol.26, Pp. 546-548, 1983.
[13]     Callaghan F.J., Waste D.A.J., Thayanity K. and Forster C.F., “Continuous Co-Digestion of Cattle Slurry With Fruit and Vegetable Wastes and Chicken Manure, Biomass and Bioen. Vol.22. Pp. 71-77, 2002.
[14]    Kaparaju P. And Rintalaj., “Anaerobic Co-Digestion Of Potato Tuber and İts İndustrial By-Products With Pig Manure”, Res. Conserv. Recy. Vol.43, Pp. 175-188, 2005.
[15]    Umetsu K., Yamazaki S., Kishimoto T. Takahashi J., Shibata Y., Zhang C., Misaki T., Hamamoto O., Ihara, I. And Komiyama M., “Anaerobic Co-Digestion of Dairy Manure and Sugar Beets”, Int. Congress Series, Vol.1293, Pp. 307-310, 2006.
[16]    Amon T., Amon B., Kryvoruchko V., Zollitsch W., Mayer K. And Gruber L., “Biogas Production From Maize and Dairy Cattle Manure-Influence of Biomass Composition on the Methane Yield”, Agricult. Ecosyst & Environ. Vol.118, Pp. 173-182, 2007.
[17]    Lehtomaki A., Huttunen S. And Rintala J.A., “Laboratory İnvestigations on Co-Digestion Of Energy Crops And Crop Residues With Cow Manure for Methane Production: Effect Of Crop to Manure Ratio”, Res., Conserv. And Recyc. Vol.51, Pp. 591-609, 2007.
[18]    Dareioti M.A., Dokianakis S.N., Stamatelatou K., Zafiri C. And Kornaros M., “Biogas Production From Anaerobic Co-Digestion of Agroindustrial Wastewater Under Mesophilic Conditions İn A Two-Stage Process”, Desalination, Vol.248, Pp.891-906, 2009.
[19]    Lo K. And Liao P., “Anaerobic-Aerobic Biological Treatment of A Mixture of Cheese Whey and Dairy Manure, Biol. Wastes, Vol.28, Pp.91-101, 1989.
[20]    Kavacik B. And Topaloglu B., “Biogas Production From Co-Digestion of a Mixture of Cheese Whey and Dairy Manure”, Biomass And Bioen. Vol.34, Pp.1321-1329, 2010.
[21]    Kacprzak A., Krzystek L. And Ledakowicz S. “Co-Digestion of Agricultural and İndustrial Wastes”, Chem. Pap. Vol.127-131, Pp.127-131, 2010.