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

32 SU VE ÇEVRE TEKNOLOJİLERİ • 10 / 2018 suvecevre.com YORUM H 2 ’ye indirgerler. Bu bakterilere çeşitli isimler verilmiştir; anot-solu- yan bakteriler (ARB) ve eko-elektrik en bilinenleridir. En verimli ARB, elektronları anota en az potansiyel kayıpla taşıyan ve aynı zamanda anoda sıkıca bağlayan elektriksel ola- rak iletken bir biyofilm matrisi üretir (Torres ve diğ., 2010). Fermantasyon yerine solunumu kullanarak MEC, H 2 ’ye yüksek dönüşüm verimi sağla- yabilir. H 2 fermantasyonunu takiben bir MEC kullanmak, H 2 üretimini en üst düzeye çıkarmak için ideal bir yaklaşım gibi görünmektedir, çünkü fermantasyondan elde edilen orga- nik ürünler MEC’in anotu için ge- rekli olan mükemmel substratlardır (Lee ve diğ., 2010a). Son dönüşüm yaklaşımı, doğ- rudan biyokütle içindeki organik maddenin oksidasyonundan elektrik enerjisi üretmektir. Bu yaklaşımda, MEC’in bir varyasyonu mikrobi- yal yakıt hücresidir (MFC-Micro- bial Fuel Cell) (Rittmann ve diğ., 2008), (Logan, 2004), (Logan ve diğ., 2006a,b). Bir MEC ile olduğu gibi ARB, anoddaki organik bileşikleri okside eder ve elektronları anoda aktarır. MFC’de, elektronlar kato- da ulaştığında, O 2 ’yi H 2 O’ya, bir kimyasal yakıt hücresinde olduğu gibi indirgerler. Böylece çıktı, yanıcı olmayan elektriktir ki bu da yenile- nebilir yakıt olan biyokütleden üre- tilmektedir. Atıksuların BOİ’sinde ne kadar enerji bulunur? Basit bir hesaplama ile yaklaşık olarak yetişkin bir insa- nın tipik BOİ üretim hızına eşittir ve bu değer 0.135 kg.p -1 .d -1 dır. Tüm enerji yakalanabilirse, yaklaşık 23 W.p -1 olacaktır; bu yetişkin bir insa- nın yediği yiyecekten aldığı enerjinin yaklaşık olarak %20’sidir (Meda ve diğ., 2010). Ancak, birçok nedenle tüm enerji yakalanamaz. Bunun bir nedeni, mikroorganizmaların ken- dilerini korumak için enerjinin bir kısmını almaları gerektiğidir. Tüm mikrobiyal enerji geri kazanım sis- temleri anaerobiktir; bu da mikro- organizmaların büyük bir kısmını al- masına gerek olmadığı anlamına ge- lir. Böylece, enerjinin yaklaşık %90’ı enerji çıkışına veya yaklaşık 21 W.p -1 e gönderilebilir. İkinci bir sebep, tipik atıksu arıtımının aerobik olmasıdır; bu da enerjinin büyük bir kısmının, O 2 ’nin H 2 O’ya indirgenmesiyle, C’nin CO 2 ’ye oksidasyonu için kay- bolduğu anlamına gelir. Anaerobik çürütmenin uygulan- dığı tipik bir atıksu arıtma tesisin- de, BOİ’nin sadece yaklaşık %40’ı çürütme deposuna gelir ve bunun da sadece %50’si çürütülmüş olur. Böylece, orijinal BOİ’nin sadece %20’si metan olarak elde edilir; bu ise 4.6 W.p -1 dır. İstenilen enerji çıkışı elektrikse başka bir kayıp daha olu- şur. CH 4 veya H 2 yakılması halinde elektrik üretimi sadece yaklaşık %35 verime sahip olur, ki bu değer yakla- şık 1.6 W.p -1 dır. Kimyasal yakıt hüc- resinde H 2 ’nin elektriğe dönüşümü %55 verimli olur; bu ise %35’e göre belirgin bir gelişmedir. Bir MFC’de doğrudan elektrik üretimi %65 ka- dar verimli olabilir (Rittmann ve diğ., 2008). Tablo 1, farklı yaklaşımlar için beklenebilecek enerji çıkışı miktarı- nı özetlemektedir. Hesaplamalarda, 0.135 kgBOİ.p -1 .d -1 ve bir enerji de- ğeri 14.7 kj.gBOİ -1 için %90 enerji çıktılı anaerobik proseste CH 4 veya H 2 ’nin yanmasıyla, elektrik üretimi %35 verimli olarak kabul edilir. Bu durumda bir klasik yakıt hücresin- de H 2 oksidasyonu ile elektrik üreti- minin verimliği %55’i, bir MEC’de BOİ’nin oksidasyonu ile %65’lik bir elektrik üretimi verimliliği ve aerobik arıtmada gelen BOİ’nin atık çamur- da indirgenebilir BOİ’ye dönüşümü ile %20 elektrik üretimi verimliliği sağlanır. Tablo 1’den açıkça görüldüğü gibi, atıksuların konvansiyonel ae- robik arıtımında mümkün olduğu kadar enerji geri kazanımı olmadan oksidasyona karşı BOİ kaybını ola- bildiğince engellenmesi gereklidir. En az enerji üreten yaklaşımlar atık- suyun aerobik arıtımını kapsamak- Tablo 1. Farklı yollarla bir insanın ürettiği BOİ’den enerji geri kazanımının özeti ve enerji kullanım ölçütleri karşılaştırması Karşılaştırma Ölçütleri (Birincil enerji) W.p -1 Batı’da tipik enerji kullanım oranı 5000 Hedeflenen enerji kullanım oranı 2000 Batılı yetişkinin tipik yiyecek-enerji alımı 115 Tipik atıksu enerji içeriği (sadece organik madde, BOİ) 23 Enerji Elde Edilmesi Yaklaşımları (geri kazanılan enerjiye göre sıralanmıştır) Doğrudan üretim (h = ısı çıktısı, e = elektrik çıktısı) - CH 4 ’den metan elde edilmesi veya ısı için MEC’de içindeki H 2 21 (h) - MFC 'deki elektrik 13.7 (e) - MEC içindeki H 2 ve bir kimyasal yakıt hücresindeki elektriğe dönüşüm 11.6 (e) - CH 4 ’den metan elde edilmesi veya MEC içindeki H 2 ve yanma ile elektriğe dönüştürülmesi 7.4 (e) Aerobik işlem ile birlikte - CH 4 ’den metan veya atık çamurdan H 2 üretimi ve ısı için CH 4 veya H 2 'nin yakılması 4.6 (h) - Atık çamurdan H 2 ’nin MEC üretimi ve bir kimyasal yakıt hücresinde elektriğe dönüşüm 2.5 (e) - Atık çamurdan MFC 'de elektrik üretimi 1.9 (e) - Atık çamurdan CH 4 veya H 2 üretimi ve yanma ile elektriğe dönüşüm 1.6 (e)