Teknoloji

Arıtma Çamurlarının Bertarafında Yeni Bir Teknoloji - Gazlaştırma (Elektrik ve Biochar Üretimi)

Osman TÜRKMEN
TRL Group - Kurucu

Özet
Gerek evsel, gerek endüstriyel ve gerekse tehlikeli nitelikteki arıtma çamurları, arıtma sistemlerinden alındıktan sonra neredeyse kaderine terk ediliyor. Genellikle çöp depolama alanlarında örtü toprağı olarak kullanılan bu değerli malzeme, çok az yerde de enerji harcanarak maliyetli bir şekilde kurutuluyor ve çimento fabrikalarına, üstelik üzerine ücret de ödenerek bertaraf ettiriliyor. Tehlikeli nitelikte olanlar ise yüksek kapı ücreti (tipping fee) ödenerek lisanslı firmalara gönderiliyor.
Oysa arıtma çamurları, evsel nitelikte olanlar dahi, ciddi kalorifik değere sahip bir enerji kaynağıdır. Uygun teknolojiler uygulanarak hem kurutulması, hem de elektrik üretilmesi mümkündür. Kalan artık ise son derece faydalı ve kaliteli biochar dediğimiz toprak iyileştirici/gübredir. Hem kompost, hem de gübre özellikleri gösterir ve birinci kalitede bir malzemedir.
Arıtma çamurlarının kurutulması için son zamanlarda gitgide yaygınlaşan yöntem güneşte kurutmadır. Ancak, bu yöntemin bazı olumsuzlukları da vardır.
Bu makalede, bir büyükşehir belediyesi için yapılan arıtma çamurlarından enerji ve biochar üretimi çalışması anlatılmakta ve burada uygulanan gazlaştırma teknolojisi (compact gasification) açıklanmaya çalışılmaktadır.

Dünya ve enerji
Dünyada enerji sıkıntılı bir dönemeçtedir. Enerji talep ve arzındaki günümüz uygulamaları çevre, ekonomik ve sosyal açılardan kesinlikle sürdürülemez. Çağdaş yenilenebilir enerji teknolojileri çok hızlı gelişmekte ve 2010 yılından sonra kömürden hemen sonra gelen gazın yerini almaya aday gözükmektedir.
Yenilenebilir enerji kaynakları düşük veya sıfır karbon enerji üretimi için büyük olanaklar sunmaktadır. Avrupa Birliği, diğer ülkeler ve Birleşmiş Milletler dünyayı yenilenebilir enerjiye yatırım ve yenilenebilir enerji kullanımı konusunda değişik mekanizmalarla teşvik etmektedirler. Bu konuda en çok uygulanan anlaşma Kyoto Protokolü ve bilahare devamı niteliğindeki Paris Antlaşması’dır.
Güneş, rüzgâr ve biyokütle, alternatif enerjinin en gözde alt sektörleridir. Yenilenebilir kaynaklar arasında atıklar, en çok gelecek vaat eden enerji kaynağıdır.

Gelecek vaat eden enerji kaynağı olarak atıklar ve bertaraf yöntemleri
Genel olarak eskiden yeniye doğru 5 kuşak atık bertaraf teknolojisi bulunmaktadır:
•    1. kuşak - Depolama:  En eski teknoloji olup, vahşi depolama (gelişigüzel atma) ve düzenli depolama alanları ile tanımlanmaktadır.
•     2. kuşak – Biyogaz ve kompostlama:  Aslında atıkların depolanmasında ortaya çıkan metan gazının patlamalara neden olmaması için alınması amacıyla yapılan işlemlerden türemiştir. Ayrıca ineğin sindirim sistemini benzeştir. Kompostlama ise atıkların içindeki organik bileşenlerin alınması ve toprak düzenleyici olarak kullanılması esasına dayanır.
•     3. kuşak - Yakma: Oksijenli yakma sistemleri bu kuşağın en çok bilinen teknolojisidir.
•    4. kuşak - Isıl işlem-pasif gazlaştırma: Piroliz ve plazma bu kuşağın en çok bilinen teknolojileridir.
•     5. kuşak – Tam gazlaştırma:  Kurutma, piroliz ve gazlaştırma işlemlerinden oluşan ve halihazırda bilinen en yüksek teknolojiyi kullanan (dolaşımlı akışkan yatak) sistemlerdir.
Atıktan enerji sistemlerinin çoğunda ikincil amaç gübre üretmektir.

Vazgeçemeyeceğimiz gıda çarpanı olarak “Gübre”
Türkiye’de çok ciddi bir organik ve doğal-ekolojik gübre gereksinimi bulunmaktadır. Bunun yanında, gerek Kyoto Protokolü, gerekse Paris Antlaşması ana prensipleri gereğince, artık çiftlik sahipleri, atıklarının bertaraf etmekte belli kurallara sıkıca bağlı olmak zorundadırlar.
Şimdiye kadar açık kurutma ve derelere salınma yoluyla “defedilen” hayvansal atıklar için en azından bir “Kompost tesisi” kurulması istenmektedir. Bu da çiftliklere ciddi yatırım ve işletme maliyetleri getirmektedir.
Ülkemizde gübre tüketimini artırıcı tedbirler uygulanırken, aynı zamanda gübrelemeden doğacak çevre kirliliğini engellemeye yönelik tedbirlerin de alınması gereklidir. Bu amaçla çiftçi eğitimi ve yetiştirilen bitki çeşidinin ihtiyaç duyduğu miktar ve zamanda gübre kullanımını sağlamak, alınacak en etkin önlemler olacaktır.
Ülkemiz topraklarının organik madde kapsamının düşük ve pH’ının yüksek olması nedeniyle, gübreleme ile toprağa verilen ve toprakta bulunan, fakat bitki tarafından alınamayan bitki besin maddelerinin yarayışlılığını artırmak amacıyla, toprak düzenleyici- iyileştirici ve organik gübrelerin kullanımının yaygınlaştırılması gereklidir
Bu olumsuz etkilerin ortadan kaldırılması amacıyla, kimyasal gübre ve tarımsal savaş ilaçlarının hiç ya da mümkün olduğu kadar az kullanılması, bunların yerine, aynı görevi yapan organik gübre ve biyolojik savaş yöntemlerinin alması temeline dayanan, Gıda ve Tarım Organizasyonu (FAO) ve Avrupa Birliği (EU) tarafından konvansiyonel tarıma alternatif olarak da kabul edilen bir üretim şekli geliştirilmiştir. Bu sistem “Ekolojik Tarım”, “Biyolojik Tarım”, “Organik Tarım” gibi farklı isimlerle değerlendirilmektedir.

Doğal yaşama bir adım olarak “Organik Tarım”
Organik tarım, doğaya yabancı, müdahale edici, kalıntı yaratarak canlıların yaşamını riske sokan sentetik kimyasalların pestisit olarak kullanılmasını yasaklamaktadır. Ekolojik tarımda ilk hedef toprak canlılığı ve verimini korumak amacıyla tamamen doğal ve doğanın kendi döngüsü içinde sentetik hiçbir katkı olmadan yaşamsal faaliyetlerin devamını sağlayıcı organik yapılı maddelerin toprağa ilavesidir.
Tüm bu materyallerin ortak özellikleri, yapıları gereği hiçbir kimyasal içermeden doğanın döngüsünü sağlayan ve toprak verimliliğinde önemli yeri olan toprak organik maddesini artırıcı etkiye sahip olmalarıdır.
Toprak iyileştiriciler arasında, tüm parametreler gözönüne alınarak yapılan sınıflandırmada aşağıdaki sonuca ulaşılmıştır:
•     1. kalite, hayvansal kaynaklı toprak iyileştiriciler (çiftlik gübresi, arıtma çamuru).
•     2. kalite, bitkisel kaynaklı toprak iyileştiriciler (ağaç, mantar, domates sapı, pamuk sapı)
•     3.  kalite, fosil kaynaklı toprak iyileştiriciler (leonardit ve kayaçlar).

En ucuz ve bol enerji ve gübre kaynağı olarak “Arıtma Çamurları”
Bu, kapsamda arıtma çamurundan elektrik ve gübre üretimi sistemi, ülkemizin gereksinimlerine en iyi yanıtlardan biri olarak değerlendirilmektedir.
Arıtma çamurları sadece ülkemizin değil, tüm dünyanın önemli çevre problemleri arasına girmiştir. Arıtma çamurlarını doğrudan doğruya kurutmak ve/veya yakmak veya havasız ortamda çürütmek, sadece geçici bertaraf yöntemleri olarak düşünülebilir. Arıtma çamuru gideriminin en uygun yolu, kurutma ve gazlaştırma teknolojilerinin kombine şekilde uygulanmasıdır.
Arıtma çamurlarının oluşturdukları çevresel sorunlar dolayısıyla bu atıkların içerdikleri zararlı maddeler sadece insan sağlığına değil, diğer canlılara da zarar vermekte ve yayıldıkları ortamlara da tehdit oluşturmaktadır. Özellikle pahalı bir enerji olan doğalgaz ile kurutma işlemi gerçekleştirmek ise müesseselere büyük mali zorunluluklar ortaya çıkarmaktadır. Gazlaştırma, yakma işlemine göre hem daha çevre dostu hem de enerji üretimi bakımından daha verimlidir.

Birincil hammadde olarak “Kurutulmuş Çamur”
Kurutulmuş arıtma çamurları kimyasal içerik ve ısıl değer kapasiteleri olarak kıymetli orta kalite katı yakıt seviyesindedirler. Birlikte gazlaştırma olarak adlandırılan bu teknolojik uygulamalarla uzun yıllardır başarı ile katı atık ve katı yakıtlar bertaraf edilerek enerji üretimi yapılabilmektedir. Özellikle ısıl kapasite değerleri ve kül erime sıcaklıkları birbirlerine yakın bu tür katı atık ve yakıtlar birlikte gazlaştırmaya uygundurlar.
Katı atıkları gazlaştırma işlemi birkaç basamakta oluşur. Katı atıktaki suyun uzaklaştırılması ise ön hazırlık işlemleri sırasında yapılır. Genellikle %10-25 su içeren katı atık gazlaştırıcı içerisinde suyunu buhar fazına geçirir. Bu kuruma işleminden sonra piroliz, indirgenme, yanma, gazlaştırma ve benzeri reaksiyonlara uğrar. Kurutma işlemi için gerekli ısı, gazlaştırıcı sistemin kojenerasyon ünitesinden elde edilir. Arıtma çamuru içerisindeki su, gazlaştırma reaksiyonlarından biri olan su buharı reaksiyonuna gerekli olan su buharını üretmek üzere kullanılır ve bu reaksiyon oldukça önemlidir.
Arıtma çamurları azot açısından düşük olmakla birlikte, fosfat açısından zengindir. NPK gübrelerindeki en önemli ikinci element fosfattır. Fosfat tohum gelişimi, kök gelişimi ve bitkinin olgunlaşmasında çok önemlidir ve gıda üretiminde fosfat yerine başka herhangi bir madde kullanılamamaktadır.
Bitkiler gelişirken toprakta uygun formda bulunan fosfatı alırlar ve tüketirler. Çözülemeyen formatta bulunan fosfatın, çözülebilir formaya dönüştürülmesi için kimyasal reaksiyonlar ve mikrobiyal aktiviteler geliştirilmelidir. Mikrobiyal aktivitelerden biri de toprak altındaki mikrobiyal hayatın çoğaltılmasıdır. Bunlardan en başta geleni solucanlardır.
Ancak, arıtma çamurunun bir ısıl işlem görmeden doğrudan toprağa uygulanması da ağır metaller, ötrofikasyon, fosfor karışması, azot konsantrasyonu, farmasötikler, antibiyotikler, hormonlar, sentetik steroidler, deterjanlar, solventler, yanıcı maddeler, plastik sızıntıları, klorlu pestisitler nedeniyle uygun bulunmamaktadır.

En yeni teknoloji olarak “Gazlaştırma”
Gazlaştırma teknolojisi ile işlenebilecek atıkların genel listesi Tablo 2’de verilmiştir.
Gazlaştırma teknolojilerinin birçok üreticisi bulunmaktadır. Biz bunlardan uygulaması en çok başarılı olan Coaltec teknolojisini tanıtacağız. Coaltec teknolojisinin ana unsuru, yatay yüklemeli (auger) dolaşımlı akışkan yatak gazlaştırıcıdır. Ancak akışkan yataklarda bulunan kum yatağı, bir üst seviyeye çıkarılarak, Coaltec teknolojisinde augerler ile değiştirilmiş olup, kum yatağı kullanılmamaktadır.
Gazlaştırma, oksijenin olmadığı bir ortamda birincil odada gerçekleşir, böylelikle NOx oluşumu kontrol edilir. Düşük basınçta çalışan sistem birçok yakıt türünde ortaya çıkabilecek PM oluşumunu da önler. Gazlaştırmadan çıkan ürünler CO, H ve CH4 gazlarıdır.
Gazlaştırıcı içindeki ısı ve yakıtın odacıkta kalma süresi, projede gereksinim duyulan parametrelere bağlı olarak ayarlanır. Özel formülü olan bir biochar üretilmek istendiğinde, düşük ısılar yeğlenir. Biochar’ın içinde daha az karbon olması istenen projelerde, yakıtın hücrede daha fazla kalması hesaplanır ve/veya daha yüksek ısılara çıkılır.
Sentetik gaz (syngas) bileşimi tamamen yakıta bağlıdır ve ısı 538 ila 760°C arasındadır. Syngas gazlaştırıcıdan çıkıp oxidizera geldiğinde, ortam ısısında hava ile karıştırılarak yakılır ve CO burada CO2’e dönüşür. Oxidizerdan ısısı 980 ila 1090 °C arasında olan sıcak hava üretilir. Syngasın kalorifik değerinin düşük olması ve pahalı gaz temizleme işlemlerinden ötürü, bu teknoloji ile biyoyakıtlara dönüştürülen bir gaz üretilmemektedir.
Yukarıda belirtilen ısıl enerjiden doğrudan ısı, buhar veya elektrik üretimi artık ilave sistem eklemesi ile basit ve kolaydır. Sistemin modüler tasarımı ile kurulum son derece kolay ve çabuk; sisteme ekleme yaparak büyütmek ise diğerlerine göre basittir.
Sistemin benzerlerine göre bir diğer üstünlüğü, yakıtta olabilecek kalite değişiklikleri ve çeşitliliğe karşı esnekliktir. Bu kapsamda, kalorifik değeri 1.500 Kcal/Kg’a kadar olan düşük kalorili ve nem oranı %60’a varan yakıtlarla çalışabilmektedir. Gazlaştırıcıya besleme 15 cm’ye kadar parça büyüklükleri olan yakıtların konveyörlerle sürülmesi ve kül alma sistemleri ile sağlanmaktadır.
Sistem, istenildiğinde adamsız olarak dahi çalışabilecek web tabanlı uzaktan komuta-kontrol sistemleri ile donatılmıştır. Bu özellik, işletme sahibine inanılmaz bir esneklik ve arızalara gerçek zamanlı erişim ile devre-dışı kalma sürelerinde azaltma sağlar. Sistemde kullanılan PLC kontrolleri ile çoğu otomasyon sistemine sorunsuz bağlanılabilmekte, çalışma parametrelerinde geniş bir yelpaze kullanılabilmekte ve sorunsuz kontrol imkânı sağlanabilmektedir.
Yan ürün olarak alınan biochar, toprağa istikrarlı ürün verebilme yeteneği kazandıran ve içinde barındırdığı NPK değerlerini uzun süre toprakta tutabilen karbon açısından zengin bir doğal malzemedir. Böylelikle hem tarıma, hem de çevreye değer katar. Biochar, küresel ısınmaya karşı, atmosferik karbonun salımının önlenmesi yoluyla etkilidir. Diğer yandan, çoğu toprak türlerinde ideal bir organik gübre etkisi yapar. Biochar, çoğu yıllık uygulanan gübrelerin aksine toprakta yıllarca, hatta yüzyıllarca kalır. Amazon ormanlarında “kara toprak” veya Terra Preta diye adlandırılan inanılmaz verimli topraklar, aslında biochar ile zenginleştirilmiş son derece verimsiz topraklardır.
Coaltec, yakıtı gazlaştırmanın ötesinde, istenen özelliğe göre biochar üretebilme yeteneğine sahiptir.
Gazlaştırmadan çıkan tipik emisyon değerleri Tablo 3’te görülmektedir.

Arıtma çamurlarından elektrik ve biochar üretimi
Coaltec teknolojisi ile, bir büyükşehir belediyesinin vahşi depolamada ve günlük işletmeden çıkan arıtma çamurlarından elektrik ve biochar üretilmesi amacıyla bir çalışma yapılmıştır.
Buna göre, 3 ayrı tesisten çıkan ve nem oranı %80’lar civarında bulunan arıtma çamurunun nemi, konvansiyonel kurutma sistemleriyle %25 seviyesine düşürülmektedir.
Kurutulan arıtma çamuru yakıt olarak kullanılarak, merkezde kurulacak gazlaştırma sistemi ile elektrik ve biochar organik gübresine dönüştürülecektir.
Merkez tesislerinde, konvansiyonel kurutucudan çıkan buhar, uygun borulama ile tekrar arıtma sistemindeki havalandırma havuzlarına verilecektir. Dünyadaki uygulamalar, arıtma sistemine giren sıvı atığın sıcaklığının her 10°C artışında, arıtma sistemindeki reaksiyon hızının 2 kat arttığını göstermiştir.
Ayrıca, havalandırma havuzlarında katkı sağlanacak ısı artışı ile, normal koşullarda arıtma sıvısının içerisinde bulunan ve çözülemeyen yağlar, polimerler vb. çözülecek veya akışkan hale geleceğinden, arıtma sistemlerinin yıllık bakım-onarım masraflarından da cidditasarruf sağlanacaktır.
Bir diğer katkı, arıtma sisteminin biyolojik oksijen ihtiyacı (BOİ) ve kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ)’na katkı sağlanmasıdır.
Çalışmada 50 ton/gün kapasitede reaktöre %25 nemde alınacak arıtma çamurundan, gazlaştırma ile üretilecek syngas, thermal oxidizerda yakılarak sıcak havaya dönüştürülecek ve ORC veya buhar türbini opsiyonları kullanılarak elektrik üretilecektir.
Kalan artık ise biochar olacaktır. Sistem tamamıyla bir “Sıfır atık (zero waste)” uygulaması olup, geriye hiçbir artık kalmayacaktır.
Gazlaştırma reaktörünün birincil odasından üretilen biochar organik gübre miktarı (kimyasal analizlerden anlaşıldığı kadarıyla arıtma çamurlarında ağır metal ve diğer kirleticiler bulunmadığı anlaşıldığından) 700 kg/saat olacaktır. Böylelikle, sistemden 16 ton/gün biochar üretilecektir.
Sisteme beslenecek %25 neme kadar kurutulmuş arıtma çamuru miktarı ortalama 48 ton/gün olacaktır.
Yılda 8.397 saat çalışması planlanan sisteme, aylık ve mevsimlik değişiklikler olması ve arıtma çamuru miktarının azalması durumunda, hâlihazırda vahşi depolama yapılan yaklaşık 325.000 ton çamurdan destek yapılacak ve miktarı sabit tutulacaktır.
Verilen tablolardan, sistemde %25 nemle toplam 7.143 ton/yıl ve 350 gün hesabıyla ortalama 21 ton/gün atık işleneceği anlaşılmaktadır. Böylelikle, ortalama %80 nemde 95 ton/gün ve toplamda 33.250 ton/yıl arıtma çamuru işlenecektir.
Bu durumda, %25 nemde ortalama 27 ton/gün veya ortalama %80 nemde 37.800 ton/yıl daha vahşi depolama alanından atık getirilebilecektir. Vahşi depolamadaki arıtma çamurunun yıllar içerisinde nem oranının azaldığı ve ortalama %60’lara geldiği tahmin edilmektedir. Vahşi depolamadan numune alınması mümkün değildir, zira alana girilememektedir.
Dolayısıyla, vahşi depolama alanından gelecek yaş arıtma çamuru miktarının da 80 ton/gün olacağını hesaplanmıştır.
Bu hesapla, 325.000 ton birikmiş çamurun, yaklaşık 11 yılda bitirilebileceği tahmin edilmektedir.
Buhar türbini kullanılma opsiyonu incelenmiştir. Bu opsiyonda, elektrik üretimi kurulu gücü 1,355 MW olmakta ve şebekeye net 1,2 MWh enerji verilebilmektedir. Ortalama 7200 saat çalışma ile yaklaşık 8.640.000 kWh/yıl elektrik üretilebilmektedir. Sistem, 18 ay içinde teslim edilebilmektedir.
ORC kullanma opsiyonu incelenmiştir. Organik Rankine Çevrimi (ORC), ısıyı iş birimine çeviren termodinamik bir çevrimdir. Isı, içerisinde genellikle akışkan sıvı olarak su kullanılan kapalı bir çevrime sokulur. ORC sistemi, ısı enerjisini mekanik enerji ve bir jeneratör aracılığıyla da elektriğe dönüştüren ve normal bir buhar türbini gibi çalışan bir turbojeneratördür.
Buhar türbininde kullanılan su yerine, ORC sistemi moleküler ağırlığı sudan daha yüksek olan bir organik sıvıyı buharlaştırır, türbin daha yavaş döner, daha düşük basınçta çalışır ve böylelikle metal parça ve kanatların daha yavaş aşınmasını sağlar. Sistemin teslim zamanı olarak, fabrika çıkışı 12 ay verilmektedir. Sistemde, 840 kW kurulu güçte, şebekeye yaklaşık 7.000.000 kWh enerji verilebilmektedir.

Gazlaştırmanın avantajları aşağıda verilmiştir:
• Yan ürünleri ve atık malzemeleri değerli ürünlere dönüştürür.
• Bertaraf maliyetlinde kazanç sağlar.
• Başta artı değerleri olan hayvan atıkları olmak üzere değişik atıklardan ihtiyaca göre tasarlanabilen gübreler üretilmesini sağlar.
• Standart ürün olarak satılabilecek yan ürünler üretir.
• Atıkların taşınmasına harcanan ulaştırma ve taşıma giderlerinden ciddi tasarruflar sağlar.
• Enerji üretimi kontrolü sağlar.
• Dış kaynaklara bağlı, dengesiz ve yükselen enerji maliyetlerine bağımlılığı azaltır.
• Kokuyu önler.
• Alternatif yöntemlerle mevzuata uyumluluğu sağlar.
• Gübrelerle yeraltına sağlanan ve bir kirletici haline gelen NPK elemanlarını tutar, hem yer altı kirlenmesini, hem de kaynakların heba olmasını önler.
• Toplumun temiz hava ve temiz toprak özleminin güvencesidir.

Sonuç
Sistemde, yıllık toplam 16.800 ton ortalama %20 kuru madde içeren evsel nitelikli arıtma çamurunun kullanılması ve 48 ton/gün (2.5 ton/saat) kapasiteli işleme tesisi ile yılda 7.200 saat veya 8.397 saat çalışma karşılığında 5.600 ton biochar ve seçilecek opsiyona göre buhar türbini ile 8.640.000 kWh/yıl veya ORC ile 7.000.000 kWh/yıl elektrik üretebilecektir. Ayrıca, vahşi depolama yapılan yaklaşık 325.000 ton depolanmış arıtma çamuru da yaklaşık 11 yılda tüketilecektir. Böylelikle, çağımıza uymayan bir yöntem terk edilecek ve vahşi depolama alanı geri kazanılabilecektir.
Yalın haliyle, yaptığımız hesaplamalara göre, yatırımın geri dönüş süresi seçilecek opsiyona göre, 2 yıllık ödemesiz yatırım dönemi hariç, buhar türbini için 5 yıl 10 ay veya ORC için 5 yıl 2 ay olmaktadır.
Bu hesaplamalarda hammaddenin ücretsiz temin edildiği varsayılmıştır.


Geri
share on twitter share on facebook