28 Haziran 2012 | TEKNİK MAKALE 47. Sayı (Haziran 2012)

Doç. Dr. Bestamin Özkaya, Prof. Dr. Ahmet Demir YTÜ İnşaat Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü
1. Giriş
Kompostlaştırma işlemi, nemli ortamda ve organik atıkları havalandırmak suretiyle kendiliğinden çoğalan mikroorganizmalar vasıtasıyla gerçekleştirilir. Başlangıçta çoğunlukla bakteri olan bu organizmaların çoğalması sırasında ısı, CO2 ve su buharı açığa çıkar. Kompost prosesinde tüm kademeler farklı mikrobiyal türler tarafından gerçekleştirilmektedir. Bu bakımdan kompostlastırma prosesinin performansı ve gelişimi mikrobiyal türlerle yakından ilişkilidir. Kompostlaştırma esnasında organik maddeyi substrat olarak kullanan mikroorganizmalar, kompostlaştırma prosesinin performansını ve gelişimini yansıtmaktadırlar. Organizmaların kompostlaştırma esnasında substratı metabolik yollarla nihai ürünlere dönüştürmesi ile fiziksel ve kimyasal parametrelerde önemli değişiklikler meydana gelmekte ve buna bağlı olarak kompostlaştırma prosesinde rol alan mikrobiyal türlerde değişim meydana gelmektedir. Ayrıca, kompostlaştırma prosesi uygun yönetilmediği takdirde nihai üründe (kompost) patojen oluşumu gerçekleşebilir. Bu yüzden organik atıkların farklı mikrobiyal gruplarla nihai ürünlere dönüştürülmesi özel öneme sahiptir. Ancak, hammaddenin farklı olması ve kompostlaştırma için gerekli şartların fazlalığı sebebiyle (atık türü, tesis dizaynı, havalandırma oranı, pH, C/N oranı, sıcaklık ve su muhtevası) birçok çalışmanın sonuçları birbirleriyle genelde tam olarak uyumlu olmamaktadır (Ishii and Takii, 2003). Kompostlastırma kendi karakteristik termal profili tarafından belirlenen dört aşamalı bir proses olarak düşünülebilir (Fogarty and Tuovinen, 1991). Kompostlaştırma esnasında farklı mikrobiyal türler hızlı ve sırasıyla gerçekleşen fiziko-kimyasal değişimlerin meydana geldiği bir ortam oluşturmaktadır. Dünyada karşılaşılması muhtemel enerji krizi ve sera gazı etkileri, ülkeleri alternatif enerji kaynakları aramaya itmiş, özellikle gelişmiş ülkelerde bu arayış farklı alanlara yönelmiştir. Bu çerçevede kompostlaştırma ve biyogazifikasyon gibi teknolojilerle dünyanın birçok yerinde kentsel katı atıkların faydalı bir ürüne dönüştürülmesi ön plana çıkmıştır. Son yıllarda artan nüfusa bağlı olarak yerleşim yerlerinde yaşayan insanların faaliyetleri sonucunda oluşan katı atıklar birçok yerleşim yeri için tehdit oluşturmaya başlamıştır. Hızla gelişen ve nüfusu artan dünyada doğal kaynakların yanlış kullanımı sonucu dünyamız kaydadeğer çevre sorunlarıyla boğuşur duruma gelmiştir. Evsel, kentsel ve bahçe atıkları düzenli depolama alanlarına taşınarak çevreye istenmeyen koku ve gaz emisyonlarına sebep olmaktadır. Söz konusu atıkların kompostlaştırılması ve nihai ürünün (kompost) yeniden kullanılması önemli bir tarım girdisi olabilir. Özellikle kentsel atıkların kompostlaştırılması ve oluşan ürünün toprağın fiziksel, kimyasal ve biyolojik özellikleri için önemli kazanımlar sağlayarak toprağı daha kaliteli hale getirmektedir. Kompostlaştırma prosesi, anaerobik (havasız) arıtma (biyometanizasyon) ve aerobik (havalı) kompostlaştırma olarak ikiye ayrılır. Hâlihazırda kompost prosesi ile ilgili teknolojiler yaygınlaşmaktadır. Bu çalışmada, mevcut kompost ve biyometanizasyon teknolojileri hakkında bilgiler verilecektir.

2. Atık Arıtımında Biyolojik Yöntemler

2.1. Anaerobik (Havasız) Arıtma
Havasız şartlarda kentsel katı atıkların organik kısmının biyolojik ayrışması işlemi, üç aşamada gerçekleşmektedir. İlk aşamada, yüksek molekül ağırlıklı organik maddeler hücre dışı enzimlerle düşük molekül ağırlıklı organiklere dönüştürülür. Bu ilk safha hidroliz kademesidir. İkinci aşamada hidroliz ürünleri daha düşük molekül ağırlıklı fermantasyon ürünlerine dönüşür. Son aşamada ise nihai ürün olan metan ve karbondioksit oluşur.

Organik Madde + Mikroorganizma → CH4 + CO2 + NH3 + H2S + Nihai Ürünler + Isı

Biyometanizasyon prosesinde, anaerobik ayrışmayla metan gazı elde edilmektedir. Bu prosesde kompost dönüşüm oranı yaklaşık olarak yüzde 33 civarındadır. Biyometanizasyon prosesinde, yaş ağırlık bazında reaktöre alınan organik katı atığın yüzde 12’lik kısmı, yüzde 55-60 CH4 ihtiva eden biyogaza dönüşür. Ayrı toplanan organik katı atıkların tonu başına 130-160 m3 biyogaz üretilebilmek mümkün olabilmektedir. Biyometanizasyon sistemlerinin organik atıkların parçalanma sürecinin uzun olması, patojenleri gidermek için yeterli ısı üretilememesi ve koku probleminden dolayı mahzurları vardır. Anaerobik proseslerde temel amaç, oluşan metan gazından enerji etmektir. Anaerobik arıtmada aerobik arıtmaya göre daha az (0,88 kg başına 0,69 kg) CO2 üretilirken, anaerobik ayrışmada organik karbonun büyük bir kısmı CH4 üretiminde kullanılır. Şekil 1’de katı atıkların anaerobik ortamda nihai ürünlere dönüşümü şematik olarak verilmiştir.

Katı atık yönetiminde aerobik ve anaerobik proseslerin her ikisi de yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Her iki prosesin de avantaj ve dezavantajları vardır. Anaerobik proseslerin işletilmesi aerobik proseslerden daha komplekstir. Ancak anaerobik proseslerde nihai ürün olarak metan gazı oluştuğu için enerji üretimi söz konusudur.  Aerobik prosesler oksijen gerektirdiği için enerji tüketirler, ancak daha kolay işletme imkanları sundukları için avantaja sahiptirler. Ayrıca uygun şartlarda işletme sağlandığında kentsel katı atıkların hacmi önemli miktarlarda azaltılabilir. Aerobik ve anaerobik sistemlerin avantaj ve dezavantajları Tablo 1’de verilmiştir.

2.2. Aerobik (Havalı) Kompostlaştırma
Aerobik kompostlaştırma kentsel katı atıkların organik kısımlarının kompost olarak bilinen humus yapısındaki stabil bir ürüne dönüştürmek için yaygın bir şekilde kullanılan biyolojik bir yöntemdir. Aerobik kompostlaştırma işlemi bahçe atıklarının, kentsel katı atıkların organik kısmının ve organik kısmıyla birlikte arıtma çamurunun kompostlaştırılmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Aerobik kompostlaştırma prosesi kentsel katı atığın ön ayrıştırılması, atıkların organik kısmının aerobik ayrışması, ürün hazırlama ve pazarlama olmak üzere üç temel adımda gerçekleştirilir. Kompostlaştırma prosesinin başlangıcında mezofilik bakteriler aktiftir. Kompost yığını içerisinde sıcaklık arttıktan sonra termofilik bakteriler baskın hale gelir ve sıcaklık yükseldikten 5-10 gün sonra termofilik mantarlar gelişir. Son aşamada (olgunlaşma periyodu) aktinomisetler ve küf mantarları görülür. Kompostlaştırma işleminin başarısı, kompostlaşan organik maddelerin içeriğine ve kompostlaştırmayı gerçekleştiren organizmaların (bakteriler, aktinomisetler, mantarlar, protozoonlar, rotiferler) türüne bağlıdır. Aerobik kompostlaştırma proseslerinin kontrolünde kritik parametreler, su muhtevası, C/N oranı ve sıcaklıktır. Biyolojik olarak ayrışabilen organik atıklar için su muhtevası uygun bir seviyeye getirildiğinde (%50-60) ve atık yığını havalandırıldığında mikrobiyal metabolizma hızlanır. Aerobik mikroorganizmalar oksijeni tüketir, azot, fosfor, karbon ve diğer besi maddeleri kullanılarak mikrobiyal gelişim gerçekleşir ve organik madde tüketilir. Karbonun çoğu organizmalar için enerji kaynağı olarak kullanılmaktadır ve nihai ürün olarak CO2 oluşmaktadır. Organik karbon hem mikroorganizmalar için enerji kaynağı hem de hücrenin karbon kaynağı olarak kullanıldığı için diğer nutrientlerden daha fazla tüketilir.

Organik Madde + O2 + Aerobik Bakteri → CO2 + NH3 + Nihai Ürün + Isı

Organik katı atıklardan normal aerobik kompost üretimi sonucu genelde %50 civarında bir ağırlık kaybı olur. Aerobik kompostlaştırma işlemi temel olarak dört aşamada gerçekleşmektedir. Bu aşamalar; 1) Mezofilik safha, 2) Termofilik safha, 3) Soğuma safhası ve 4) Olgunlaşma safhasıdır. Şekil 2’de bu süreçteki değişimler verilmiştir.

Kompostlaştırmaya Etki Eden Faktörler
Kompostlaştırmada, C/N oranı, sıcaklık, pH, ağır metaller ve partikül boyutu proses üzerinde etkilidir. Bu parametreler prosesin verimini, hızını ve ürün kalitesini etkilemektedir. Aerobik kompostlamada fazla miktarda oksijen tüketilir. Kompostlamanın ilk günlerinde ham organik maddelerin kolay çözülebilir karışımları hızlı metabolize olur. Bu sebeple, oksijen veya hava ihtiyacı ve ısı üretimi en fazla ilk basamaklarda olur ve işlem ilerledikçe azalır. Eğer oksijen veya hava kaynağı sınırlıysa kompostlama işlemi yavaş gerçekleşir. Kompost yığınının gözenek boşluklarındaki oksijen konsantrasyonunun en az yüzde 5 olması gerekir. Ortamda yeterli oksijen bulunmazsa ortam anaerobik olur ve koku oluşumu gerçekleşir. Bunun yanında mikroorganizmaların metabolik işlemleri gerçekleştirmesi için neme ihtiyaçları vardır. Su kimyasal reaksiyonlar için uygun ortamı ve mikroorganizma hareketini sağlar ve besi maddelerini taşır. Organik madde içindeki nem muhtevası yüzde 15’in altına düştüğünde biyolojik aktivite tamamen durur. Uygulamada kompost maddesinin nem muhtevasının yüzde 40-65 arasında tutulması gerekir. Tablo 3’te aerobik kompostlaştırma prosesine etki eden faktörler özetlenmiştir (Tchobanoglous, 1993).

3. Kompostlaştırma Teknolojileri

3.1 Anaerobik Arıtma (Biyometanizasyon) Teknolojileri
Katı atıkların biyometanizasyonu için kullanılan anaerobik çürütücüler, tek aşamalı, iki aşamalı ve kesikli sistemler olmak üzere üç gruba ayrılmaktadır. Havasız biyometan prosesi ile ilgili araştırma aşamasında veya ticari kullanımda olan başlıca teknolojiler aşağıda açıklanmıştır.

Tek aşamalı sistemler arıtma çamurunun çürütülmesinde kullanılan teknolojiden esinlenmiştir. Katı atıkların transferi ve elenmesinde kullanılan ekipmanların güçlü pompalar, taşıyıcı bantlar ve pervanelerden oluşması, atıksu arıtımında (ıslak system) kullanılan santrifüj pompalardan oldukça pahalıdır. Katı atıkların biyometanizasyonunda (kuru system) 40 mm’den büyük katı içeren atıkların ön işlemden geçirilmesi gereklidir. Katı atıkların biyometan prosesinde kullanılan iki aşamalı sistemler anaerobik parçalanmada, birinci reaktörde hidroliz ve asit oluşumu, ikinci reaktörde ise metan oluşumu gerçekleşir. Reaksiyon hızı birinci reaktörde zor ayrışan organiklerin (selüloz) hidroliz hızıyla, ikinci reaktörde ise mikroorganizmaların büyüme hızıyla sınırlıdır. Yüksek katı madde içeren atıkların biyometanizasyonu sonrası havalı kompostlaştırılmasında, atıklar iki kademede kompostlaştırılabilir. Bu sistemler yüksek katı beslemeli anaerobik reaktörü müteakiben ve havalı kompostlaştırma proseslerini birleştirmektedir. Prosesin en önemli üstünlüğü net bir enerji kazanım ile organik atıkların tam stabilizasyonun sağlanması ve susuzlaştırma ekipmanı ihtiyacının az olmasıdır. Katı atıkta hacim azalması ve patojen mikroorganizma giderilmesi de ardışık sistemin ilave üstünlükleri arasındadır. Yüksek katı beslemeli havasız biyometan prosesini müteakip havalı kompostlaştırma prosesi iki kademeli bir prosestir. İki kademeli prosesin ilk kademesi, metan ve CO2 üretiminin gerçekleştiği kentsel katı atıkların organik kısmının yüksek hızlı havasız arıtmasını kademedir. İkinci kademede, nihai kullanıma bağlı olarak katı madde içeriğini artırmak için elde edilen biyokatı, aerobik olarak kompostlaştırılır. Yüksek katılı anaerobik biyometan prosesini müteakip havalı kompostlaştırma prosesi giderek yaygınlaşmaktadır. Bu sistem, atıksu arıtma tesisi çamuru ve evsel katı atıkların organik kısmının karışımını kompostlaştırmak için de kullanılabilir. Ticari olarak kullanılan biyometanizasyon sistemleri aşağıda özetlenmiştir.

BIOCEL Prosesi: Bu proses, kaynağında ayrılmış kentsel katı atıkların organik kısımlarının biyometanizasyonu için Hollanda’da geliştirilen bir prosestir. Proses, reaktörlerde statik yığınlar halinde organik atıkların kesikli havasız kompostlaştırılması esasına dayanır.

DRANCO Prosesi: Kentsel katı atıkların organik kısımlarının parçalanmasını sağlayarak enerji ve kompost elde etmek için Belçika’da geliştirilen bir prosestir. Bu proseste, inorganik materyallerin giderilmesi için ön ayrışmadan sonra, organik kısım, havasız reaktörde çürütülür. Havasız reaktörlerde üretilen biyogaz, gaz türbinleri ve jeneratör yardımıyla elektrik enerjisine dönüştürülebilir. DRANCO Prosesi, üretilen elektriğin yaklaşık yarısını kendi içinde tüketir. Havasız reaktörden çıkan atık, filter pres yardımıyla susuzlaştırılır. Pres süzüntü suyu, gelen atığın katı içeriğini ayarlamak için kullanılabir.

KOMPOGAS Prosesi: İsviçre’de geliştirilen bir prosestir. Reaktörü silindir şeklindedir ve düşey olarak yerleştirilmiştir. Reaktör, aralıklı olarak çalıştırılan hidrolik bir karıştırıcı ile teçhiz edilmiştir. Bu proses, madde boyutunu 5 cm’den daha aza indirmek için bir parçalayıcı içermektedir. Katı atıklar, toplama tankından ısıtıcı üzerinden reaktöre beslenir. Reaktörden çıkan atık, filtre prese gönderilir. Üretilen biyogaz, elektrik üretimi için jeneratöre gönderilir. Ayrıca biyogaz kullanılarak elde edilen sıcak su, reaktörü ısıtmak için kullanılır. Şekil 3’te proses şematik olarak verilmiştir.

SEBAC Prosesi: Ardışık kesikli havasız reaktörlerde kompostlaştırma, ABD’de geliştirilen üç kademeli bir prosestir. Bu proseste birinci kademede, kabaca parçalanmış organik kısım reaktöre beslenir. Son kademede oluşan sızıntı suyu geri devrettirilerek bu organik kısım ısıtılır. Sızıntı suyu geri devrettirilmesi optimum kompostlaştırma için gerekli nütrientleri sağlar.

Devamı gelecek sayımızda...