Etkili biyo-kurutma prosesi için atık materyalin fiziksel yapısını ve biyolojik parçalanabilirliğini göz önünde bulundurma oldukça önemlidir. Bu amaçla, biyo- kurutma işlemlerinin dört farklı seti gerçekleştirilmiş ve gözenek arttırıcı maddelerin etkisi değerlendirilmiştir. Birinci ve ikinci deneylerde, parçalanmış (15 - 20 mm) ve parçalanmamış (80 - 90 mm) gıda atıkları arasındaki nem içeriği ve ağırlık azalması tespit edilmiştir. Tüm denemelerde, reaktör 50 kg parçalanmış ve parçalanmamış gıda atıkları ile doldurulmuştur. Üçüncü ve dördüncü denemelerde, reaktörde aynı miktarda gıda atıklarına (parçalanmış ve parçalanmamış gıda atıklar) % 10 gözenek arttırıcı maddeler eklenmiştir. Atık maddelerin özellikleri Tablo 3.3’te verilmiştir. Gıda atıkların biyo-kurutmasında GA maddelerin etkisi, ağırlık kaybı ve nem içeriği azaltımı üzerinden değerlendirilmiştir. Aynı şekilde proses boyunca sıcaklık ölçümleri de gerçekleştirilmiştir.
Tablo 3.3. Atık maddelerin özellikleri
Parametre FWa GAb Nem içeriği (%) 92,00 10,20 Yığın yoğunluğu (kg/m3 ) 464,18 204,14 Kalorifik değeri (MJ/kg) 1,18 14,44 a Gıda atık
b Gözenek arttırıcı madde
Atık matrisinin nem içeriği biyo-kurutma sürecinde kritik bir faktördür. Mikrobiyal aktivitenin, organik maddenin biyolojik parçalanmasının ve proses sırasında oksijen taşınması için uygun alanın sağlanabilmesi için başlangıç nem içeriğinin uygun olması gerekmektedir. Biyo-kurutma işlemlerinden elde edilen sonuçlar Tablo 3.4’te verimektedir.
50
Tablo 3.4. Biyo-kurutma prosesinden elde edilen sonuçların özeti
Deney Nem içeriği (%) Ağırlık (kg) KD
e
(MJ/kg) Başlangıç Çıkış Başlangıç Çıkış Başlangıç Çıkış
D1a 92,0 82,5 50 21,6 1,50 2,29
D2b 83,0 71,5 50 23,4 1,30 3,65
D3c 88,0 45,0 50 26,5 3,77 6,86
D4d 81,0 57,0 50 28,0 4,36 5,67
a parçalanmış atık; b parçalanmamış atık; c parçalanmış atık + GA; d parçalanmamış atık + GA; ekalorifik değeri
Sonuçlara göre, D4 daha düşük başlangıç nem içeriğine sahip olmasına rağmen, D3’deki kurutma çalışmasına göre daha az nem azalması elde edilmiştir. Bu sonuç, biyo-kurutma üzerinde GA’nın pozitif bir etkiye sahip olduğunu göstermiştir. Atık matrisi içinde GA maddelerin bulunması, havanın homojen olarak dağılımını iyileştirmektedir. Dolayısıyla GA içermeyen D1 ve D2 denemelerinde, zayıf boşluk yapısı nedeniyle daha düşük nem içeriği azaltımı gözlenmiştir. Benzer sonuçlar Song ve diğ., (2017)’e ait çalışmada da elde edilmiştir. Buna ilaveten, Yang ve diğ., (2014), gözenek arttırıcı maddelerin atıksu arıtma çamurunun biyo-kurutmasına etkisini de göstermiş ve biyo-kurutmadan sonra başlangıç suyunun % 55,1'lik bir kısmını uzaklaştırıldığını bildirmiştir.
Başlangıç NI ve GA maddelerin öneminin dışında, biyo-kurutma süreci sırasında atık matrisinin fiziksel bileşimi de önemli bir rol oynamaktadır. D3 ve D4'ün heterojen olması, yüksek geçirgenliği ve atık matrisi içerindeki havanın homojen dağılımını sağlamıştır. Yine de, biyo-kurutma aerobik bir proses olduğundan dolayı, GA içermeyen gıda atığı matrisinin hücre yapısının parçalanması sonucu D1 ve D2'deki su tutma kapasitesi azalmış ve bir miktar sızıntı suyu oluşmuştur. Bununla beraber, GA içeren atık matrisi içersinde de (D3) az miktarda sızıntı suyu oluşumu gözlemlenmiştir. D1 ve D2'ye kıyasla, D3'teki suyun büyük kısmı konvektif buharlaştırma ile uzaklaştırılmıştır (Şekil 3.4). Shuqing ve diğ. (2014)’nın GA olarak saman kullandıkları çalışmada, kentsel katı atıkların biyo-kurutma işleminde sızıntı suyu oluşumu gözlemlenmemiştir. Ayrıca Tom ve diğ., (2016), sentetik KKA'nin biyo-kurutma süreci sırasında sızıntı suyu üretiminin sıfır olduğunu gözlemlemiştir. Kentsel atıklarda sızıntı oluşmamasının da temel nedeni kendi doğasında zaten gözenek arttırıcı atıkların bulunmasıdır. Yapılan çalışmalar yüksek nem içeriğine sahip gıda atıkların biyo-kurutmasına ilişkin herhangi bir çalışmaya
51
rastlanmamasının yanı sıra çoğunlukla sentetik malzemeler (genellikle 12-35 günden daha uzun süre) kullanıldığı görülmektedir ve bu durum prosesin amacından uzaklaşmasına neden olmaktadır (Colomer-Mendoza ve diğ., 2013; Huiliñir ve Villegas, 2014; Shuqing ve diğ., 2014).
Etkin hacim azaltma eğilimine sahip olan biyo-kurutma, kısa süreli depolama, taşıma ve taşıma sırasında koku emisyonunun azaltılması gibi avantajlara da sahiptir. biyo- kurutmadan yedi gün sonra yapılan deneylerdeki hacim ve ağırlık kayıpları Şekil 3.3 ve 3.4’te gösterilmiştir.
Şekil 3.3. Hacim ve nem kaybı yüzdesi Şekil 3.4. Ağırlığın azaltılması ve sızıntı suyu üretimi
Biyo-kurutma prosesinde ağırlık kaybı, sızıntı suyu çıkışıyla ve nemin buharlaştırılması yoluyla gerçekleştirilmektedir (Negoi ve diğ., 2009; Rada ve diğ., 2007; Robles-Martinez ve diğ., 2012). Yedi günlük biyo-kurutmadan sonra ağırlık kaybı oranları şunlardır: D1, D2, D3 ve D4 deneyleri için sırasıyla % 56,8, % 53,2, % 39,2 ve % 36,7 olarak belirlenmiştir (Tablo 3.4 ve Şekil 3.4). Ortalama olarak, D1'de en yüksek ağırlık kaybı 4,06 kg/gün olarak meydana gelirken, D4’de (3.14 kg/gün) en düşük olmuştur. Hacim azaltımı açısından ise sırasıyla D1, D2, D3 ve D4 için % 82,9, % 84,9, % 65,0 ve % 77,1 verim elde edilmiştir. GA içeren atık matrisindeki biyo-kurutma sonunda düşük hacim ve ağırlık azalması muhtemelen GA'nın biyolojik parçalanabilirliğinin çok düşük olmasından kaynaklanmaktadır. Yapılan gözlemlerde GA’nın biyo-kurutma prosesinden sonra aynı yapı özelliğini
52
koruduğu görülmüştür. Bu durumdan bağımsız olarak, D4 haricindeki tüm denemelerde sızıntı suyunun üretimi de ağırlık kaybının dinamikleri üzerinde önemli etkiye sahip olmuştur. Sonuç olarak, atık matrisindeki GA varlığı sızıntı suyu üretimi ve ağırlık kaybı üzerinde önemli bir etkiye sahip olmuştur. Robles-Martinez ve diğ. (2012)’na göre, biyo-kurutma işleminin ilk iki gününde sızıntı suyu yoluyla hammaddenin % 15 - 20 oranında su içeriği kaybedilmiştir. Bizim yaptığımız çalışmada ise GA madde içermeyen atık matrislerine % 25 - 30 aralığında ağırlık kaybı sızıntı suyu yoluyla gerçekleşmiştir (Şekil 3.5). Bu çalışmada, nem ve ağırlık azalması arasında pozitif bir korelasyon kurulmuştur. Atığın biyo-kurutma prosesi yoluyla ağırlığının azaltılması faydalıdır, çünkü taşıma yükünün azaltılması aynı zamanda nakliye masraflarını da azaltacaktır.
Şekil 3.5. Zamana karşı ağırlık kaybı yüzdesi profili
Sıcaklık, biyo-kurutma prosesi için önemli bir faktör olup, su uzaklaştırma oranını, biyolojik etkinliği ve enerji verimliliğini önemli oranda etkilemektedir. Başlangıçta denemelerin tamamında ortalama olarak aynı sıcaklıklar kaydedilmiştir. İlk 24 saat boyunca, matris içerisindeki sıcaklık profili benzer bir şekilde artan eğilim göstermiştir (Şekil 3.6). D2 biyo-kurutma prosesi sırasında en yüksek sıcaklığı (38
oC) kaydederken, D1 ve D4 en düşük başlangıç sıcaklıklarına sahip olmuştur.
53
kağıt hamuru ikincil çamurları ile mutfak atıkları üzerinde gerçekleştirdikleri biyo- kurutma işlemlerinde benzer sıcaklık eğilimleri gözlemlenmişlerdir. Ayrıca, D1, D2 ve D4 için sıcaklık değişim karakteri tüm biyo-kurutma prosesi süresinde sıcaklık artış ve düşüşlerinin 3 farklı döngü yaptığı benzer bir seyir izlemiştir. Deneme işlemlerinin sonunda D1 ve D2’de sıcaklık açısından düşüş eğilimi devam ederken, D3’de ise sıcaklık değişimi sonlanmış ve sabit bir şekilde devam etmiştir. D4’de ise sıcaklık artışı hala sürerken, D1 ve D3’e göre sırasıyla 4 o
C ve 2 oC daha yüksek sıcaklıklar izlenmiştir. Bu çalışmada elde edilen düşük sıcaklık ve hala devam eden sıcaklık artış eğilimlerinin, matrislerin farklı yapısal kompozisyonu, proses işleminde karıştırma ekipmanının bulunmaması ve yetersiz hava-akımı ile ilişkilendirmek mümkündür (Zawadzka ve diğ., 2010). Zhao ve diğ. (2011) gerçekleştirdikleri çalışmada, biyo-kurutma sırasında sık karıştırmanın sıcaklık artışı üzerinde etkili olduğunu tespit etmişlerdir. Sıcaklık profiline göre, matrisin kendiliğinden maksimum ısınmasının (yani, en yüksek sıcaklıklara ulaşmasının), yoğun mikrobiyal aktivite gösterilen ilk 24 saat içinde meydana geldiği görülmüştür. Bu, biyo-kurutma prosesinin başlangıç aşamasının çok önemli olduğunun bir göstergesidir (Ragazzi ve Rada, 2012; Sadaka ve diğ., 2011).
54