Su ve Çevre Teknolojileri Dergisi 119. Sayı (Haziran 2018)

Su ve Çevre Teknolojileri / Haziran 2018 49 suvecevre.com grup organik maddeyi bu ara safhadan alarak asetik asit, karbondioksit ve hid- rojene oksitler. Birinci grup bakteriler fermantasyon veya asidojenik bakteri- ler olarak adlandırılmakta olup, organik polimerlerin hidrolizinde ve müteakiben de açığa çıkan oligomer ve monomer- ler gibi hidroliz ürünlerinin organik asit ve solventlere dönüştürülmesinde rol alırlar. Asetik asit bakterileri de bu orga- nik asit ve solventleri asetik asit, CO₂ ve H₂’ye parçalayarak ihtiyaç duyduğu enerjiyi sağlar. Asetik asit bakterileri sadece H 2 kullanan mikroorganizma alt grupları ile birlikte yaşarlar. Düşük sülfat (SO 4 -2 ) konsantras- yonlarında belirgin olmamakla birlikte sülfat gideren bakteriler, metan üreti- mini çeşitli şekillerde etkileyebilmek- tedir. Sülfür bakterileri bir taraftan bazı organik asitleri ve alkolleri asetik aside oksitlerken, bir taraftan da sülfatları H 2 S’e dönüştürmektedir. H₂S metan bakterileri için gerekli bir nütriyent olup, yeterli olmadığı hallerde sülfatı kullan- ması lazım gelir. Bunun yanında SO 4 -2 konsantrasyonunun çok yüksek olduğu zamanlarda sülfat giderimi sonucu olu- şan H 2 S, zehirli olabilecek seviyelere ula- şabilir ve sülfür bakterileri metan bak- terileri ile H 2 için rekabete gireceğinden metan fazının hızını yavaşlatır. Ortamda yeterince SO₄ -2 olmaması halinde sülfat gideren bakteriler asetik asit üretimine katkıda bulunmuş olurlar. 3.1.3. Metan Üretimi Metan üretim yavaş bir süreç olup genellikle havasız şartlarda arıtmada hız sınırlayıcı safha olarak kabul edilir. Metan, asetik asidin parçalanması ve/ veya CO 2 ile H 2 ’nin sentezi sonucunda üretilir. Havasız reaktörlerde üretilen CH 4 ’ün takriben %30’u H 2 ve CO 2 ’ten, %70’i ise asetik asidin parçalanmasın- dan oluşmaktadır (Jeri ve Mc Carty). H 2 ve CO 2 ’den metan üreten bakteriler, asetik asit kullanan bakterilere nazaran çok daha hızlı çoğalmaktadırlar. Dola- yısıyla ortamda yeterince H 2 ve CO 2 olduğu ve H 2 kısmi basıncı da uygun olduğu sürece bu yolla CH 4 üretimi devam eder. Metan bakterileri fizyolojik yapıları gereği pH=6.7-8.0 aralığında en etkin faaliyeti gösterirler. Grup halinde metan bakterilerinin kullanabilecekleri besin maddeleri oldukça sınırlı olup, bunlar asetik asit, H2 ve tek karbonlu bileşik- lerdir. 3.1.4. Anaerobik Mikroorganizmalar Arasındaki Karşılıklı İlişkiler Havasız şartlarda arıtma hakkında edinilen bilgiler 3 grup bakterinin bera- ber çalışması gerektiğini ortaya koy- muştur. Asetat kullanan metan bakteri- leri fermantasyon bakterileri ile müşte- rek çalışarak asetik asit konsantrasyonu ve pH’ı kontrol ederler. Asetat kullanan metan bakterilerinin çoğalma hızları nispeten yavaş (minimum ikilenme süreleri 2/3 gün ,T=35°C), buna karşın fermantasyon bakterilerinin ise oldukça hızlıdır (2-3 saat, T=35°C). Dolayısıyla organik yükün artması durumunda asit üretimi istenen derecede gerçekleştiği halde, metan üretimi aynı hızla gerçek- leşmeyebilir ve reaktörde aşırı uçucu asit birikimi meydana gelir. Havasız reaktörlerde arıtma süre- cinin durumu biyogazdaki H 2 konsant- rasyonunu izlemek suretiyle hassas bir şekilde ortaya konulabilir. Gaz fazındaki H₂ konsantrasyonunun artması halinde hidrojen kullanan bakterilerce H₂ ve CO 2 ’ten metan üretimi azalmaktadır. Bu durumu şu şekilde açıklayabiliriz. Glikozun asetik asit ve hidrojene parçalanması, yukarıdaki reaksiyon uyarınca gerçekleşmektedir. Bu denk- lemden hareketle glikozun şok yükler halinde beslenmesi sonucunda fer- mantasyon bakterileri bu şok yüke kısa süre içinde uyum sağlayarak yukarıdaki reaksiyona göre asetik asit üretirler. Bu durum pH’ı düşürür ve metan bakterile- rinin sürdürdüğü reaksiyonların hızlarını yavaşlatarak ortamda H₂ birikmesine yol açar. Reaktörde H₂ konsantrasyo- nunun artması; 1. Toplam asit üretim hızının düşmesine yol açar. 2. Bütirik ve propiyonik asit konsantrasyonlarının artmasına sebep olur. Bu da asetik asit üretimini ve asetat kullanan metan bakterilerinin metan üretmelerini engeller. 3. Hidrojen daha artması propiyonik asit üretimini hızlandırır ve reaktörde pH daha da düşer. Kompleks organik maddelerin metana indirgenmesinde, hidrojen üre- ten ve kullanan bakterilerin özel önemi vardır. Hidrojen gazı üreten ve kullanan bakteriler için hidrojenin kısmi basıncı ile serbest enerji seviyesi arasındaki ilişki, konunun önemini daha net bir şekilde ortaya koymaktadır. Propiyonik asidin asetik asit ve hidrojene parçala- nabilmesi için hidrojenin kısmi basın- cının 10 -4 ’ü aşmaması gerekmektedir. Bu düşük basınç ortamında hidrojen kullanan metan bakterileri için gerekli enerji, kısmi basıncın 1 atm olmasına göre önemli ölçüde azaltılmış olmakta ve sonuç olarak reaksiyon kolaylaşmak- tadır. Diğer bir deyişle, birim hacim hid- rojen kullanmak için daha az bakteriye ihtiyaç duymaktadır. Bu yüzden yapılan çalışmalar hidrojen kullanan metan bak- terilerinin azami hızda metan üretebil- mesi için H₂’nin kısmi basıncının 10 -4 ile 10 -6 atm arasında olması arzu edilir. 3.2. Biyokimya Havasız reaktörlerde karşılaşılan organik maddelerin başlıcaları polis- sakkaritler lignin, proteinler, azotlu bileşikler ve lipitlerdir. Bunlardan lignin, havasız arıtma bakımından inert kabul edilmektedir. Havasız süreçte oluşacak organik maddelerin ve sürecin daha iyi anlaşılabilmesi açısından arıtıma giren organik maddelerin yapılarını tanıyalım.