Su ve Çevre Teknolojileri Dergisi 123. Sayı (Ekim 2018)

30 SU VE ÇEVRE TEKNOLOJİLERİ • 10 / 2018 suvecevre.com YORUM çevrilerek toplumda enerji kaynağı olarak kullanılmasını sağlamaktır. 5. MIKROBIYAL ENERJI DÖNÜŞÜMÜ Farklı mikroorganizma grupları, biyokütle içindeki enerji ve elektron- ları, insanların kolayca kullanabile- ceği bir formata dönüştürebilir (Ritt- mann 2006, 2008). Faydalı kullanım formları arasında metan gazı (CH 4 ), hidrojen gazı (H 2 ), etanol (C 2 H 6 O), butanol (C 4 H 8 O) ve elektrik bulun- maktadır. İki sebepten dolayı CH 4 , H 2 ve elektrik üzerinde odaklanıl- maktadır. İlk sebep, enerji formları- nın sudan kolayca hasat edilebilmesi- dir. CH 4 ve H 2 suda çok düşük çözü- nürlükte bulunan gazlardır. Elektrik, sadece elektronların basit hareketi olup, suda hiçbir zaman çözünemez- ler. Bu özellik dolayısıyla sudan eta- nol ve butanolün ayrıştırılması için büyük enerji maliyetleri ve teknoloji komplikasyonları ortadan kaldırılır (Shapouri ve diğ., 2001), (Rittmann, 2008). İkinci olarak, hemen hemen her biyokütle bileşeninden CH 4 , H 2 ve elektronlar oluşturulabilir. Onlar, etanol ve butanol gibi saflaştırılmış şeker gibi bir besleme maddesine ih- tiyaç duymazlar. Organik atıklarda ve fotosentetik organizmalarda bu- lunan biyokütle, çoğu zaman iç içe geçmiş olan karbonhidrat, protein ve lipit karışımlarından oluşur. Gerçek biyokütleden enerji ürünü üretebil- mek için gerekli teknoloji basittir ve böylece çok daha yüksek net enerji çıktısı sağlanır. Tüm biyokütle dönüştürme yak- laşımları için, ilk adım elektronları serbest bırakmak için biyokütle için- deki karbonu mikroorganizmalar vasıtasıyla okside etmektir. Yukarıda gösterilen biyokütle formülü için ok- sidasyon reaksiyonu aşağıda veril- miştir. C 5 H 7 O 2 NP 0.1 + 13.4H 2 O à 5HCO 3 - + NH 4 + + 0.1H 2 PO 4 - + 20.5e - + 24.6H + CH 4, H 2 veya elektrik sağlanma- sı için her C 5 H 7 O 2 NP 0.1 mol başı- na 20.5 e - eşdeğerinin salınması, mikroorganizmalara enerji girişi sağlar. Elektronları kullanarak CH 4 ve H 2 oluşturmak için kullanılan yarı reaksiyonlar ise şunlardır: CO 2 + 8H + + 8e - ➞ CH 4 + 2H 2 O 2H + + 2e - àH 2 Elektriksel güç, elektronların po- tansiyel farklılıklarından kaynakla- nan hareketinden meydana gelir. Uygulamada, biyokütleden elde edi- len elektronlar, büyük bir potansiyel farkı oluşturan O 2 ile reaksiyona gire- bilecekleri yere taşınırlar: O 2 + 4H + + 4e - ➞ 2H 2 O Metan oluşumu, karmaşık or- ganiklerin CH 4 veya doğal gaza dönüştürülmesi için uzun süredir denenmiş bir teknolojidir (Speece, 1996), (McCarty ve Smith 1986). Doğalgazın enerji değeri yaygın ola- rak bilinmektedir ve gelişmiş ülkeler ısıtma ve elektrik üretimi için bu ko- nuda yaygın bir altyapıya sahiptir. Aynı şekilde, bu ülkeler atıksu arıtma tesislerinde, metan üretimi amacıy- la çamur çürütme konusunda ileri deneyime sahiptir (McCarty, 1964), (Speece, 1996), (McCarty ve Smith, 1996), (Rittmann ve McCarty, 2001). Pratik amaçlar için enerji değeri el- desi metanın yanması ile gerçekleşir. CH 4 + 2O 2 ➞ CO 2 + 2H 2 O Elektrik üretme veya itme kuvve- ti oluştururken dönüşüm verimliliği normalde yaklaşık %35’tir (Ritt- mann ve diğ., 2008). H 2 , biyokütleden alternatif bir enerji çıktısıdır. CH 4 ’e benzer şekil- de, H 2 elektriksel veya itme güçü üretmek için yakılabilir ve yaklaşık %35’lik bir dönüşüm verimliliği sağ- lanır (Rittmann ve diğ., 2008). 2H 2 + O 2 ➞ 2H 2 O Bununla birlikte H 2 , kimyasal ya- kıt hücresinde %55 oranında yüksek dönüşüm verimliliği ile yanıcı olma- yan elektrik üretmek için oksitlene- bilir (Rittmann ve diğ., 2008). Bu sebeple H 2 , enerji dönüşümü ve yan- madan oluşan kirliliğin önlenmesi açısından CH 4’ e göre çok daha üstün bir yakıttır. H 2 aynı zamanda kimya endüstrisinde yaygın olarak kullanı- lan bir besleme stoğudur (feedstock), (Lee ve diğ., 2010a). Ayrıca, H 2 suda çok çeşitli oksitlenmiş kirletici mad- delerin azaltılması için kullanılabilir (Rittmann, 2007). H 2 , biyokütleden Lee ve diğ. (2010a) tarafından gözden geçirilen iki şekilde üretilebilir. Daha gele- neksel bir yaklaşım metanojenleri baskılamak için genellikle düşük bir pH’ta uygulanan fermantasyondur. Fermantasyon, yüksek hacimsel bir oranda H 2 üretebilmesine rağmen, H 2 ’ye dönüşüm verimi tipik olarak %17’den daha düşüktür. Bu sadece enerji tüketimini H 2 ’ye indirgemekle kalmaz, aynı zamanda organik asit- ler ve alkollerde yüksek değere sahip olan sıvı atıkları üreterek atık suyu yüksek bir BOİ akışı haline getirir. İkinci yaklaşım daha yenidir ve bu yaklaşım mikrobiyal elektroliz hüc- residir (MEC-Microbial Electrolysis cCell). Bir MEC’te, basit organik bileşikler, bakteriler tarafından oksit- lenir. Bu bakteriler, yeni bir solunum biçiminde elektronları doğrudan bir anoda aktarabilirler. Elektronlar bir elektrik devre içinden katoda doğ- ru hareket ederler, burada H + ’yi