Transcript Metanojenler

ANAEROBİK ARITIM
Yrd. Doç. Dr. Erkan ŞAHİNKAYA
Harran Ünv. Müh. Fak. Çevre Müh. Böl.
13.04.2015
İÇERİK;
1. Anaerobik Arıtımın tanıtımı
2. Avantaj ve dezavantajları
3. Proses mikrobiyolojisi
4. Kullanılan reaktör tipleri
5. Uygulama örnekleri
13.04.2015
Endüstriyel atıksu arıtımı amacıyla kurulan
Anaerobik Tesis sayısı
13.04.2015
0
1999
1996
1993
1990
1987
1984
1981
1978
1200
1000
800
600
400
200
Anaerobik Arıtım
• En basit haliyle, organik maddelerin oksijensiz
ortamda arıtımı şeklinde tanımlanabilir.
• Anaerobik ortamda karbon, en düşük oksidasyon
seviyesi (-4) olan CH4’a dönüştürülür.
• Metan çok düşük çözünürlüğe sahip olup sudan
kolayca ayrılır.
13.04.2015
Metan üretimi
Metanın KOİ eşdeğeri
CH4 + 2O2
CO2 + 2H2O
(O2 = 32 g/mole)
1 mol metan = 2 * 32 g O2/mol CH4 = 64 g KOİ/mol CH4
Standart şartlarda (0 oC ve atm), 1 mol metan = 22.414 L
Anaerobik
şartlarda, metan
üretim miktarı
(0 0C ve 1 atm)
13.04.2015
= 22.414 L metan/ 64 g KOİ
= 0.35 L Metan/ g KOİ
5
Mesofilik Şartlarda Metan Üretimi
35 oC de Metan Üretimi
PV = nRT
V =Gaz hacmi, L
n = Gazın mol değeri, mol
P = Basınç, atm
T = Sıcaklık, K (273.15 + oC)
R = Universal gaz sabiti, 0.082057
atm.L /mole.K
V = (1 mole) (0.082057 atm.L/mol.K) {(273.15+35)K} / (1 atm)
V = 25.29 L/1mol gaz (35oC)
Anaerobik
şartlarda, metan
üretim miktarı
(35 oC ,1 atm)
13.04.2015
= 25.29 L of CH4 / 64 g KOİ
= 0.395 L CH4 / g KOİ
6
Buswell ve Boruff Denklemi
Anaerobik Koşullarda;
w x 3y z
v w x 3y z
C v H w O x N y S z  (v   
 )H 2O  (   
 )CH 4 
4 2 4 2
2 8 4 8 4
v w x 3y z
(   
 )CO2 
2 8 4 8 4
f CO2
4v  w  2 x  5 y  2 z

8(v  y  z )
f CH 4
4v  w  2 x  5 y  2 z

8(v  y  z )
13.04.2015
yNH3  zH 2 S
f H 2S
z

8(v  y  z )
7
ANAEROBIK ARITIMIN AVANTAJ VE
DEZAVANTAJLARI
AVANTAJLAR
Düşük çamur üretimi
Düşük nütrient ihtiyacı
Düşük enerji gereksinimi
Enerji kaynağı olan metanın üretimi
Uçucu toksik organiklerin havaya karışmaması
Yüksek organik yüklemelere izin vermesi
(anaerobik: 3.2-32 kg KOİ/m3.gün, aerobik: 0.5-3.2 kg KOİ/m3.gün )






DEZAVANTAJLAR
 Bakterin düşük büyüme hızı
 Koku oluşabilmesi
 pH kontrolü için kimyasal gerekebilir
 Seyreltik sularda düşük verim
13.04.2015
Düşük miktarda çamur üretimi
Bakteri Grubu
Tipik Y değeri (g UAKM/g KOİ)
Metanojenler
0,02-0,04
Aerobik heterotrofik bakteriler
0,35-0,60
Anaeobik koşullarda daha az enerji üretilecek olup, oluşacak çamur
miktarı aerobik koşullara göre 6-8 kat daha azdır.
Çözünmüş BOİ
1 kg
Çözünmüş BOİ
1 kg
Aerobik proses
CO2 + H2O
0.5 kg
Biyokütle
0.5 kg
Anaerobik proses
CH4 gaz
> 0.9 kg
biyokütle
< 0.1 kg
13.04.2015
9
Düşük nütrient ihtiyacı
• Daha az çamur üretimi
daha az nütriente ihtiyacı.
• Bazı endüstriyel atıksuların arıtımı için avantajlıdır.
Düşük enerji gereksinimi
•
•
Oksijen gerekmez.
•
Metanın enerji değeri: 35,8 kJ/L
Metan yanıcı bir gaz olup, anaerobik arıtımda oluşan gazda
%60-70 metan, %30-40 CO2 bulunur. Ayrıca, %2-5 H2S
bulunabilir.
13.04.2015
10
Anaerobik ve aerobik artımın kıyaslanması
Q= 100 m3/gün, KOİ= 10 kg/m3, sıcaklık = 20 0C
•
Atıksuda KOİ konsantrasyonu yaklaşık 1300 mg/L olması durumunda
aerobik ve anaerobik arıtım için eşit miktarda enerji gerekir.
•
Anaerobik artım için KOİ>1500 mg/L olmalı.
13.04.2015
Bakterin düşük büyüme hızı
Bakteri Grubu
Tipik µm değerleri (1/gün)
Metanojenler
0,20-0,4
Aerobik heterotrofik bakteriler
3,0-13,0
• Metanojenler, aerobik bakterilere göre 15-20 kat daha yavaştır.
• Tesisin işletmeye alınmasında ciddi problem.
13.04.2015
ANAEROBİK
ARITIM MİKROBİYOLOJİSİ
13.04.2015
Anaerobik arıtım Basamakları
(Bakteriler arasındaki ilişkiler)
Kompleks organik bileşikler; Karbonhidratlar, proteinler, yağlar
1. Hidroliz
Çözünmüş daha basit bileşikler (amino asitler, şekerler, yağ asitleri)
2. Fermentasyon (Acidogenesis)
Uzun zincirli yağ asitleri (Valerik, bütrik, propiyonik asit vb.)
3. Acetogenesis
3. Acetogenesis
H2, CO2
4. Methanogenesis
Asetat
CH4, CO2
4. Methanogenesis
1 g giderilen KOİ = 0.395 L CH4 (35 oC, 1 atm)
13.04.2015
14
Organiklerin anaerobik arıtımı basit olarak;
Kompleks
Organikler
Organik
asitler + H2
CH4 + CO2
• Birinci basamakta görev alan bakteriler metan bakterilerinden
daha hızlı büyür. Çünkü daha fazla enerji üretilir.
• Metan üretim basamağı çoğu zaman hız sınırlayıcıdır.
• Bazı durumlarda hidroliz (selüloz içeren atıklarda) hız
sınırlayıcı basamak olabilir.
13.04.2015
1. Hidroliz bakterileri
•
Kompleks organik moleküllerin (protein, selüloz, lignin, yağ) amino asit,
glikoz, yağ asidi ve gliserol gibi monomer moleküllere dönüştürülmesinde
görev alırlar.
•
Kompleks moleküllerin hidrolizinde hücre dışı enzimler görev alırlar. En
önemlileri; selülaz (cellulases), proteaz (proteases) ve lipaz (lipases).
•
Hidroliz basamağı oldukça yavaş olup, kompleks atıkların (özellikle selüloz
ve lignin içeren atıkların) anaerobik çürütülmesinde hidroliz basamağı hız
sınırlayan basamaktır.
13.04.2015
2. Fermentatif asidojenik bakteriler
•
Asidojenik (asit üreten) bakteriler (Clostridium gibi) şeker, amino asit
ve yağ asitlerini organik asitlere (asetik, formik, laktik, bütrik yada
succinic asit), alkollere ve ketonlara (etanol, metanol, gliserol,
aseton), asetat, CO2 ve H2’ye dönüştürür.
•
Oluşan ürün bakteri çeşidine ve işletme koşullarına bağlı olarak değişir.
13.04.2015
3. Asetojenik bakteriler
•
Syntrobacter wolinii ve Syntrophomonas wolfei gibi asetojenik bakteriler, yağ
•
Yağ asitlerinin dönüşümü için düşük H2 konsantrasyonları gereklidir. Yüksek
H2 basınçlarında, asetat üretimi azalarak substrat propiyonik asit, butrik asit
ve etanole dönüşerek metan üretimi düşebilir.
•
Asetojenik bakteriler ile metanojenik arkeler arasında simbiyotik bir ilişki
vardır. Metan üreten bakteriler, H2’ni kullanarak H2 basıncını azaltır. Böylece,
asetat üretimini arttırır.
•
Online olarak, uçucu yağ asitleri ve H2 ölçülerek, anaerobik reaktörün
performansı izlenebilir.
asitlerini (propiyonik asit ve butrik asit gibi) ve alkolleri asetat, hidrojen ve
CO2’e dönüştürür. Bu ürünler metanojenik arkeler tarafından kullanılır.
13.04.2015
•
Aşağıdaki reaksiyonlarla; etanol, propiyonik asit ve butrik asit, asetojenik
bakteriler tarafından asetata dönüştürülür.
•
Asetojenik bakteriler, metanojenik bakterilerden çok daha hızlı çalışır.
Asetojenik bakterilerin µmax değeri 1 saat–1 iken, metanojenik bakterilerin
µmax değeri 0,04 saat–1 dir.
13.04.2015
Metanojenler
•
Organik asitleri kullanarak metan gazı üretir.
•
Yavaş büyüyen arkelerdir. Generation zamanı (ikilenme zamanı) 35oC’de 3
gün, 10oC’de ise 50 gündür.
•
Sadece bazı substratları kullanabilirler: asetat, H2,CO2, format, metanol ve
metilamin.
•
Bütün bu substratlar mthylCoM (CH3-S-CoM)’e indirgenir ve bu madde
MthylCoM redüktaz enzimi ile metan (CH4) gazına dönüştürülür.
•
Metanojenler iki alt gruba ayrılırlar.
1.
2.
Hidrojen kullanan kemolitotrofik metanojenler:
Asetat kullanan metanojenik bakteriler
13.04.2015
1. Hidrojen kullanan kemolitotrofik metanojenler
•
•
Bu grup bakteriler hidrojen ve karbondioksit kullanarak metan üretirler.
Bunlar ototrofik olup, karbon kaynağı olarak CO2’i, enerji kaynağı olarak da
hidrojeni (H2) kullanırlar.
13.04.2015
H2 kısmi basıncının serbest enerji değişimine etkisi
• Asetojenik bakterilerin asetat üretebilmesi için H <10 atm olmalı.
• H kullanan metanojenler için ise H >10 atm olmalı.
• Anaerobik arıtımda 10 atm<H <10 atm.
• Dolayısıyla metanojenler potansiyellerinin çok altında çalışmaktadır.
2
2
-6
13.04.2015
-6
2
2
-4
-4
• Asetojenik bakteriler ile metanojenik bakteriler arasındaki ilişki syntrophy
(beraber yaşama) olarak bilinir.
•H
2
üreten asetojenlerin fonksiyonu için H2 kullanan metanojenler gereklidir.
13.04.2015
2. Asetotrofik metanojenler
•
Methanosarcina ve Methanosaeta bu gruba giren önemli metanojenlerdir.
•
Methanosarcina (µmax = 0.3 gün-1; Ks=200 mg/L) ve Methanosaeta (µmax = 0.1
gün-1; Ks=30 mg/L) arasında aynı substrat için rekabet olup; Ks değeri düşük
olan Methanosaeta düşük substrat konsantrasyonlarında, µmax değeri büyük
olan Methanosarcina ise yüksek µmax değerine sahip olup yüksek substrat
konsantrasyonlarında ortamda dominant olur.
• Genellikle üretilen metanın 2/3’ü asetatın substrat olarak kullanılması sonucu
üretilir. Kalan 1/3’ü ise CO2 ve hidrojenin kullanılması sonucu üretilir.
13.04.2015
Methanosaeta
13.04.2015
Methanosarcina
Metanojenler, arke adı verilen ayrı bir alem içersinde sınıflandırılmakta olup;
arkeler bakterilerden aşağıdaki özellikleriyle ayrılır;
•
Arkelerin hücre duvar yapısı bakterilerden farklıdır. Örneğin, metanojenlerin
hücre duvarında peptoglikan tabakası bulunmaz.
•
Metanojenler özel bir ko-enzim olan F420’ye sahip olup metabolizimde bu koenzim elektron taşıyıcı olarak davranır. Metanojenler ayrıca, nikel içeren özel
bir koenzim olan F430’a da sahiptir.
•
Metan üretiminde anahtar bir rolü olan metil ko-enzim M (methyl coenzyme M)
görev alır.
•
Metanojenlerin ribozama ait RNA baz dizisi bakteri ve ökaryotlardan farklıdır.
13.04.2015
Anaerobik Tesislerin işletilmesi ve işletmeye
alınması
• İyi bir anaerobik arıtım için hidroliz ve fermentasyon basamağı ile metan
üretim basamağı dengede olmalıdır. Aksi halde uçucu yağ asitleri birikerek pH
düşebilir.
• Dolayısıyla bir reaktörün işletmeye alınmasında aşı çamuru yeterli miktarda
metanojen bulundurmalıdır. Aksi halde işletmeye alma süresi uzar.
• Sistemde günlük VFA ve pH ölçümü önemlidir.
• Aşırı yüklemede VFA artar bu durum pH nın düşebileceğini gösterir.
• Dolayısıyla dışarıdan bikarbonat (tampon) ilavesi gerekebilir.
13.04.2015
Anaerobik Arıtım İçin Gerekli Koşullar
• Hava ve oksijen olmamalı
• Atıksuda toksik/inhibisyon yapan bileşikler olmamalı
• pH: 6.8 –7.2
• Gaz fazdaki yüksek CO2 (%30-50), nedeniyle alkalinite 2000-5000
mg/L CaCO3 alkalinite gereklidir.
• Mesofilik koşullarda sıcaklık: 30-38 oC
• Yeterli nütrient (N & P) ve iz elementler, özellikle, Fe, Co, Ni, olmalı.
KOİ:N:P = 350:7:1 (Yüksek yüklemeli sistemlerde) 1000:7:1 (Düşük
yüklemeli sistemlerde)
• SRT/HRT >>1 (Yüksek hızlı anaerobik biyofilm reaktörler kullanılmalı)
13.04.2015
Genel olarak her 10oC sıcaklık artışında hız iki kat artar
13.04.2015
Relative activity of methanogens to pH
1.3
Activity
1.0
0.8
0.5
0.3
0.0
3
4
5
6
7
8
9
10
pH
Optimimum pH: 6,8-7,2
13.04.2015
11
Minimum alkalinite gereksinimi
Temp. oC
13.04.2015
Gaz Fazında CO2, %
25
30
35
40
20
900
1050
1200
1400
25
1100
1300
1500
1700
30
1300
1600
1800
2100
35
1500
1800
2100
2400
40
1700
2100
2400
2800
Anaerobik Arıtım Dizaynında Önemli
Faktörler
• Atıksu Karakteristiği (KOİ> 1500 mg/L ve toksik
madde bulundurmamalı)
• Beklenen gaz üretim miktarı
• SRT
• Sülfür üretimi
• Amonyak toksisitesi
• Sıvı-katı ayırımı
13.04.2015
32
13.04.2015
SRT
• Bütün anaerobik proseslerde SRT önemli bir dizayn faktörüdür.
• Sıcaklık > 30 oC, SRT 20 gün yeterli
• Daha düşük sıcaklıklar için, daha yüksek SRT ler gerekir.
Sülfür toksisitesi
• SO42H2S (veya HS-)
(sülfat indirgeyen bakteriler)
• H2S korozif ve kötü kokuludur.
• 50 -250 mg/L H2S metanojenik
aktiviteyi %50 azaltır.
• H2S, HS- den daha toksiktir.
13.04.2015
Amonyak toksisitesi
• Protein içeren atıksular.
• NH3-N>100 mg/L toksik etki yapar
• Aklimasyon ile bu sınırın üstüne
çıkılabilir.
ANAEROBİK BİYOTEKNOLOJİNİN UYGULAMA
ALANLARI
•
Evsel ve endütriyel tesislerde oluşan arıtma
çamurlarının arıtımı
•
•
•
Katı atıkların arıtımı ve biyogaz elde edilmesi
Organik atıkların stabilizasyonu
Endüstriyel atıksuların arıtımı
13.04.2015
ARITMA ÇAMURLARININ ANAEROBİK ÇÜRÜTÜLMESİ
Evsel Atıksu
(100)
Ön Arıtım
Anaerobik Çürütücü
(60)
(100)
Ön Çöktürme
(65)
Ön Çökeltme
Çamuru
(35)
Aerobik Arıtım
%30 CO2’e oksidasyon
C%35 Çamur üretimi
Son Çöktürme
Çıkış (10)
13.04.2015
İkincil Çamur
(25)
Tek aşamalı (single-stage) Çürütme
•
•
•
Karıştırılmaz.
•
Çamurun sürekli olarak karıştırıldığı ve ısıtıldığı iki aşamalı sistemlerin verimi
daha yüksektir.
Çamur arıtımı ve çökelmesi aynı tankta gerçekleşir.
Çeşitli fazlar oluşur; çürümüş çamur, aktif olarak çürümekte olan çamur, üs
duru faz, köpük tabakası ve gaz.
13.04.2015
İki Aşamalı (Kademeli) Çürütücü
• iki
tank arka arkaya kullanılır. İlk çürütücü, sürekli olarak karıştırılır ve
ısıtılır. İkinci tankta ise, çamurun çökmesi ve çekilerek sistemden
uzaklaştırılmadan önce depolanması amaçlanır.
• İki kademeli sistemler, daha etkili olup, daha yüksek çamur yüklemeleri ve
düşük hidrolik bekletme zamanlarında sistemin çalıştırılması mümkündür.
13.04.2015
ENDÜSTRİYEL ATIKSULARIN ANAEROBİK ARITIMI
Anaerobik Reaktör Çeşitleri
Düşük hızlı sistemler
Anaerobik pond
Septik tank
Anaerobik kontak proses
Anaerobik filtre (AF)
Yukarı akışlı çamur yataklı
anaerobik reaktör (UASB)
Imhoff tank
Akışkan Yataklı Reaktör
Standard hızlı
anaerobik çürütücü
Hybrid reaktör: UASB/AF
Sıcaklık, pH, karıştırma, SRT ve diğer çevresel
koşullar kontrol edilmez. Yükleme hızı:
1-2 kg COD/m3-day.
13.04.2015
Yüksek Hızlı Sistemler
Anaerobik ardışık kesikli reaktör
(ASBR)
Yüksek konsantrasyonda bakteri mevcuttur.
Yüksek SRT lerde çalışır. Çevresel koşullar kontrol
edilir. Yükleme hızı: 5-20 kg KOİ/m3-gün
KOİ giderim verimi: 80-90%
Mikroorganizmaların süspanse halde ve biyofilm
halde bulundukları anaerobik reaktörler
• Bakterilerin süspanse halde bulundukları anaerobik reaktörler
• Tam karışımlı proses
• Anaerobik kontak proses
• Anaerobik ardışık kesikli reaktör
• Yukarı akışlı çamur yataklı anaerobik reaktör (UASB)
• Mikroorganizmaların biyofilm halde bulundukları reaktörler
• Yukarı ve aşağı akışlı anaerobik biyofilm reaktörler
• Akışkan yataklı reaktörler
• Anaerobik lagünler
13.04.2015
40
Tam karışımlı anaerobik reaktörler
• Geri
devir yok, HRT=SRT = 15-30 gün
• Hacimsel
organik yükleme: 1 – 5 kg
COD/m3.gün
• Özellikle
yüksek AKM içeren atıksular
için uygundur.
13.04.2015
41
Anaerobik kontak proses
Biyogaz
Biyogaz
Çöktürme
Giriş
Tam karışımlı
reaktör
Degassifier
Geri Devir
Çıkış
atık Çamur
• Geri-devirli
sistem
• HRT = 0.5 – 5 gün,
• MLVSS = 4000-8000 mg/L
• Hacimsel
• Gaz
organik yükleme: 1 – 8 kg COD/m3.d
oluşumu nedeniyle kötü çökelme problem olabilir.
13.04.2015
42
Anaerobik Ardışık kesikli reaktörler (ASBR)
• Reaksiyon
ve katı-sıvı ayrımı aynı tankta gerçekleşir
• HRT = 0.25 – 0.5 gün,
• Hacimsel organik yükleme: 1.2 – 2.4 kg COD/m3.gün
• UASB
13.04.2015
ye benzer olarak iyi çökebilen çamur üretilir.
43
Yukarı akışlı Çamur Yataklı anaerobik Reaktör
- Endüstriyel atıksu arıtımında en çok kullanılan sistemdir.
- Bakteriler granül oluşturur, iyi çöker, çıkış suyunda AKM düşük
dür.
- Bir çok modifikasyonu mevcuttur.
13.04.2015
44
Yukarı akışlı Çamur Yataklı anaerobik Reaktör
Avantajları:
- Yüksek yükleme
- Düşük bekleme
zamanlarında kullanılabilir.
- Pahalı olan taşıyıcı malzeme
gerektirmez
Dezavantajları:
- Yüksek AKM içeren atıksular için
uygun değildir.
- Atıksudaki yüksek AKM granül
gelişimini engelleyebilir.
13.04.2015
45
UASB
• Çap= 1-3 mm
• İyi çökelme
• SVI < 20 mL/g
• Reaktör dibinde UAKM
konsatrasyonu 50-100
g/L
• İşletmeye alma süreci
uzun (6 ay civarı)
Kağıt endistrisi atıksularının artımında kullanılan UASB den granüller
(Roermond, The Netherlands). Kırmızı oklar biyogazın çıktığı kısımları
göstermektedir.
13.04.2015
46
Anaerobik Biyofilm Reaktörler
Yukarı Akışlı paket
yataklı reaktör
13.04.2015
Genişletilmiş yataklı
reaktör
Su geri devri ile 20%
Yatak genişlemesi
sağlanır. Yüksek yüzey
alanlı, hafif ve ince
malzeme kullanılır.
Akışkan yataklı
reaktör
Yüksek yukarı akış hızı,
yüksek geri devir, %100
yatak genişlemesi, ince
ve hafif malzme
47
Anaerobik Perdeli Reaktörler
• Ardarda dizilmiş UASB reaktörler şeklinde davranır.
• Granül oluşur.
• Seri bağlı reaktörlerden olup, yüksek performans sergiler.
• Yüksek organik yüklemeler mümkündür.
13.04.2015
Anaerobik Arıtım Uygulama
Örnekleri
13.04.2015
49
UASB ile yapılan çalışmalar
Atıksu
Giriş KOİ
(mg/L)
OLR
(kg/m3/gün)
Sıcaklık
(oC)
HRT (saat)
% KOİ
Giderimi
İçli sanayi
1000-1500
4.5-7
20-24
5
75-80
Zirai atıklar
11 000
2-5
30
48
70-65
Mezbaha
2000-3500
4
30
19
85
Kağıt
endüstrisi
1000
5
-
49
75
Şeker
endüstrisi
4000-60000
20-25
28-32
-
92-95
13.04.2015
Anaerobik Filtre ile yapılan çalışmalar
Atıksu
Sıcaklık (oC)
OLR
(kg/m3/gün)
HRT (saat)
% KOİ
Giderimi
Şeker
Endüstrisi
35-37
-
12-36
55%
Fermantasyon
35
15
72
90
Kimyasal
proses
37
12-15
22-30
80-90
Katı atık sızıntı
suyu
37
0.2-0.7
30-40 d
90-96
13.04.2015
TEŞEKKÜRLER…
13.04.2015