Tek Kademeli Kuru Sistemler

Katı atıkların orjinal halleriyle (suyla seyreltilmeden) arıtıldığı sistemlerde (kuru sistem) biyogaz üretiminin en az ıslak sistemler kadar yüksek olduğu 1980‘li yıllardan beri bilinmektedir (Spendlin ve Stegmann, 1998; Baeten ve Verstraete, 1993; Oleszkiewicz ve Poggi-Varaldo, 1997). Kuru sistemlerde aşılması gereken en önemli sorunlar, yüksek katı madde oranlarında biyokimyasal reaksiyonların gerçekleşmesini sağlanması ile atığın iletimi (pompalanması) ve karıştırılmasıdır. 1980‘lerden önceki endüstriyel arıtma tesisleri ıslak prosesler olarak kurulmuşken, bu tarihten itibaren kurulan tesislerin yarısı ıslak proses diğer yarısı ise kuru prosesler olarak kurulmuştur (De Baere, 1999, 2005). Son 16 yılda Avrupa‘da kurulan anaerobik çürütücüler incalendiğinde kuru sistemlerin ıslak sistemlerin önüne geçtiği görülmektedir (Şekil 3.6). Avrupa‘da kurulu kapasitenin %44‘ünü ıslak sistemler oluştururken %56‘sı kuru sistemlere aittir (De Baere, 2005).

Islak Kuru

Şekil 3.6: Avrupa‘da kurulu ıslak ve kuru sistemlerin kapasiteleri

Kuru sistemlerde reaktörün katı madde içeriği %20-40 arasında tutulur. Bu sayede sadece çok kuru substratları (>50%TKM) seyreltmek gerekmektedir (Oleszkiewicz ve Poggi-Varaldo, 1997). Yüksek katı madde oranlarından dolayı bu tür atıkların karıştırılması ve ön arıtımı ıslak sistemlerden farklıdır.

Bu tür atıklar, taşıma bantlarıyla ya da viskozitesi yüksek akımların iletiminde kullanılan güçlü pompalarla taşınırlar. Bu tarz ekipmanlar ıslak sistemlerde kullanılan santrifüj pompalardan çok daha pahalı ve de sağlamdır. %20-50 arası katı madde içeriğine sahip atıklar bu tür pompalarla iletilebilir ve taş, cam, tahta gibi safsızlıklar pompaya zarar vermez. Atık, reaktöre beslenmeden önce yapılması gereken tek ön arıtma 40 mm‘nin üzerindeki safsızlıkların temizlenmesidir. Bu işlem mekanik olarak ayrılmış EOKA‘da döner eleklerle, kaynağında ayrılmış EOKA için ise öğütücülerle uygulanabilir (Fruteau de Laclos ve diğ, 1997; De Baere ve Boelens, 1999). Elek ya da öğütücülerden geçen taş, cam gibi ağır inert maddelerin atıktan ayrılmasına gerek yoktur. Kuru sistemler için gerekli ön arıtma sistemleri ıslak sistemlere göre daha basittir.

Yüksek katılı reaktördeki atık, yüksek vizikositesi nedeniyle reaktörün içinde piston akımlı tipte hareket etmektedir. Bu durum tam karışımlı reaktörlerin kullanıldığı ıslak sitemlerin tam tersidir. Reaktörün piston akımlı olması sebebiyle, mekanik parçalar (karıştırıcı) gerekmez. Ancak bu tür reaktörlerdeki en önemli sorun arıtılan atığın biyokütle ile yeterli karışımının sağlamasıdır. Yeterli aşılamanın sağlanması ve bazı bölgelerde aşırı yüklenmelerin ve asidifikasyonun önlenmesi için çok önemlidir.

Ka pa sit e (ton/yı l)

Atığın etkin karıştırılabilmesi bakımından genelde 3 tip reaktör tasarımı uygulanmaktadır (Şekil 3.7).

Şekil 3.7: Tek kademeli ―kuru‖ (yüksek katılı) reaktör tasarımları (A. Dranco, B. Kompogas, C. Valorga)

Dranco prosesinde karıştırma, reaktörün altından çekilen atığın taze atıkla birlikte reaktörün üst kısmına geri devrettirilmesiyle sağlanmaktadır (1 birim taze atık başına 6 birim çürütülmüş atık). Bu basit dizayn, katı madde oranı %20-50 arası atıklar için başarıyla kullanılabilmektedir. Kompogas prosesi de Dranco prosesine benzerdir, fakat farklı olarak piston akım yatay düzlemde gerçekleştirilir. Yatay piston akım, reaktör içerisinde düşük devirde dönen pervanelerle desteklenmiştir. Bu pervaneler aynı zamanda homojenizasyonu, gaz ayrımını ve ağır parçacıkların karışımını da sağlamaktadır. Bu sistemde, reaktör içerisindeki katı madde muhtevası ≈%23 olarak ayarlanmalıdır. Düşük değerlerde, cam, kum gibi ağır parçacıklar çökerek reaktör içinde birikebilmektedir. Daha yüksek katı madde oranları ise, akıma ve karıştırmaya karşı aşırı direnç göstermektedir. Valorga sistemi ise daha farklıdır, zira piston akım silindirik reaktörün içinde yatay düzlemde dairesel olarak gerçekleşmekte ve karıştırma işlemi 15 dakika aralıklarda reaktöre yüksek basınçla enjekte edilen biyogazla sağlanmaktadır (Fruteau de Laclos ve diğ, 1997). Bu pnömatik karıştırma metodu oldukça etkilidir ve bu sayede arıtılan atığın tekrar reaktöre geri devrettirilmesine gerek kalmamaktadır. Bu tip karıştırma sisteminin en önemli

mahzuru gaz enjeksiyon deliklerinin sık sık tıkanması ve bunların bakımının çok zor olmasıdır. Kompogas sisteminde olduğu gibi, reaktör muhtevasını %30 KM‘de tutabilmek için proses suyu reaktöre geri devrettirilmektedir. Ağır patiküller çökerek reaktörde birikim yapabileceklerinden, Valorga sistemi KM oranının %20‗nin altında olduğu ıslak atıklar için uygun değildir.

Mekanik nedenler sebebiyle Kompogas reaktörünün kapasitesi sabittir, tesisin kapasitesi 15000 ya da 25000 ton/yıl kapasiteli reaktörleri paralel bağlayarak ayarlanır. (Thurm ve Schmid, 1999). Diğer taraftan Dranco ve Valorga reaktörleri istenilen kapasiteye göre boyutlandırılabilir fakat 3300 m³ ve 25 m‘den yüksek dizayn edilmemektedirler.

a) Biyolojik Arıtma Performansı

Yüksek katılı (kuru) sistemlerde, atık seyreltilmeden reaktöre beslendiği için mikroorganizmaların ıslak sistemlerden daha fazla inhibisyona maruz kalacağı düşünülebilir. Ancak pilot ölçekli ve tam ölçekli çalışmalarda elde edilen yüksek organik yükleme değerleri, yüksek katılı sistemlerin düşük katılılara göre inhibisyondan daha az etkilendiğini göstermektedir. Kuru sistemlerde, ıslak sistemlerden daha yüksek organik yükleme değerlerine çıkılabilmektedir.

C/N oranının 20‘den büyük olduğu atıkların arıtıldığı termofilik bir Dranco prosesinde amonyak inhibisyonunun görülmediği belirlenmiştir (Six ve De Baere, 1992). Amonyak inhibisyonu için sınır değerler anaerobik reaktör içindeki amonyum konsantrasyonu olarak verilebilir. 40^oC‘de işletilen bir Valorga prosesi (Tilburg) 3g/l‘ye kadar olan amonyum konsantrasyonlarında bile yüksek organik yüklemelere dayanabilmektedir (Fruteau de Laclos ve diğ., 1997). Buna karşın, 52 ⁰C‘de işletilen bir Dranco prosesi ise maksimum 2,5g/l amonyum konsantrasyonuna kadar kararlılığını koruyabilmektedir. Bu sınır değerler ―ıslak‖ sistemler için bildirilen değerlerden fazla yüksek değildir. Bunun nedeni kuru sistemlerde amonifikasyon miktarının ıslak sistemlere göre daha az olması ve bu yüzden daha az miktarda amonyum üretilmesi olabilir. Bunun diğer bir açıklaması ise kuru sistemlerde mikroorganizmaların toksik maddelere ve organik şoklara karşı daha iyi korunabiliyor olması olabilir. Tek kademeli kuru sistemlerin teknik, biyolojik, ekonomik ve çevresel açıdan üstünlük ve kısıtları Tablo 3.19‘da özetlennmiştir.

Tablo 3.19: Tek kademeli ―kuru‖ sistemlerin üstünlük ve kısıtları

Kriter Üstünlükler Kısıtlar

Teknik  Reaktörün içerisinde harekertli parça yoktur

 İnert ve plastiklerin ayrılmasına gerek yoktur

 Kısa devre oluşmaz

 Islak atıklar (KM<%20) tek başlarına arıtılamazlar

Biyolojik  Ön-arıtmada UKM kaybı daha azdır

 Yüksek OYH

 İnhibitörler reaktörün içerisine daha az yayılırlar

 İnhibitörleri temiz suyla seyreltme imkanı genelde yoktur

Ekonomik ve

Çevresel  Daha ucuz ön-arıtma

 Daha küçük reaktörler

 Tam hijyenizasyon

 Çok az su kullanımı

 Daha az ısıtma ihtiyacı

 Daha dayanıklı ve daha pahalı atık iletme malzemeleri (pompa, borular)

Uçucu katı madde giderimi bakımından ise yukarıda incelenen 3 farklı reaktör dizaynıda yaklaşık aynı performansı göstermektedir ve park-bahçe atıklarından 90 Nm³/ton atık, yemek atıklarından 150 Nm³/ton atık biyogaz üretebilmektedir (Fruteau de Laclos ve diğ., 1997; De Baere, 1999). Bu değerler yaklaşık 210-300Nm³CH4/ton UKM ve 50-70% UKM giderimine karşı gelmekte olup, %40-70 UKM giderimi görülen ―ıslak‖ sistemlere oldukça yakındır (Weiland, 1992; Pavan ve diğ., 1999b; Westergard ve Teir, 1999). Kuru tip sistemlerde ağır parçacıklar ve köpük tabakası tahliye edilmediğinden dolayı ıslak tip sistemlere göre daha yüksek bir biyogaz üretimi beklenir.

Yüksek katılı ―kuru‖ prosesler ile düşük katılı ―ıslak‖ prosesler arasındaki farklılık, sürdürülebilir organik yükleme hızında belirginleşir. Hollanda‘nın Tilsburg şehrindeki Valorga dizaynı tipindeki arıtma tesisinde 40 0C‘ de işletilen 3000 m3‘lük iki reaktörde, haftada 1000 ton sebze-meyve-bahçe atığı arıtılabilmektedir (Fruteau de Laclos ve diğ., 1997). Bu değer 5 kg UKM/m3 güne karşılık gelmektedir. Bu değer ıslak sistemler kadar yüksektir. Optimize edilmiş kuru sistemler daha da yüksek organik yüklemelerle işletilebilmektedir. Örneğin Belçika‘nın Brecht şehrindeki Dranco tipi arıtma tesisi, yıllık ortalama 15 kg UKM/m3

gün organik yükleme değerlerinde çalıştırılmaktadır (De Baere, 1999). Bu değere atık hiç seyreltilmeden ulaşılabilmektedir. Yaz aylarında 14 gün çamur yaşında %65 UKM giderimi elde edilebilmektedir. Dranco prosesinde organik yükleme için tipik tasarım

değeri 12 UKM/m3

gün‘dür, bu değer ıslak sistemlerin 2 katıdır. Dolayısıyla, aynı miktar atığı arıtmak için gerekli Dranco reaktörü hacmi, ıslak tip reaktörlerin yarısı kadardır.

b) Ekonomik Ve Çevresel Değerlendirme

Islak ve kuru sistemlerin işletme ve ilk yatırım maliyetleri birbirine çok yakındır. Kuru tip sistemlerde kullanılan ekipman ve özel parçalar ıslak sistemlere göre daha pahalıdır, buna karşılık kuru sistemlerde atık için gereken ön arıtma ihtiyacı ve reaktör hacmi ıslak tip reaktörlere göre daha küçük ve ucuzdur. Kuru tip sistemlerdeki daha düşük ısı ihtiyacının genellikle ekonomik bir getirisi olmamaktadır (Fazla ısı ekonomik olarak değerlendirilemiyorsa). Bu ısı genellikle gaz motorlarındaki fazla (atık) ısıdan elde edilmektedir. Islak sistemlerdeki gibi üretilen elektriğin ~30%‘u tesis içinde kullanılır.

Islak ve kuru tip sistemlerin arasındaki en büyük fark çevresel konularda ortaya çıkar. Islak sistemler 1 ton EOKA için 1m3

temiz su gerektirirken, kuru sistemler 10 kat daha az su gerektirmektedir. Dolayısıyla kuru sistemlerde oluşan atık su miktarı çok daha azdır. Kuru sistemlerin diğer bir çevresel üstünlüğü de, reaktör içerisindeki piston akım sayesinde termofilik şartlarda atığın tam hijyenizasyonu sağlaması ve patojen içermeyen son ürün elde edilebilmesidir (Baeten ve Verstraete, 1993). 3.3.2 İki Kademeli Sistemler:

Anaerobik arıtma sürecinde gerçekleşen reaksiyonlar farklı optimum çevresel şartları gerektirmektedir. Bu sebeple iki veya daha fazla kademeli sistemler geliştirilmiştir. Anaerobik arıtma sürecinin farklı adımlarında gerçekleşen reaksiyonları, ayrı ayrı reaktörlerde optimize etmek reaksiyon hızını ve biogaz miktarını arttırabilir (Ghosh ve diğ., 1999). Bu amaçla genelde 2 kademeli sistemler kullanılır ve birinci reaktörde hidrolizin hız sınırlayıcı kademe olduğu hidroliz-asidifikasyon reaksiyonları, ikinci reaktörde ise yavaş mikrobiyal büyümenin hız sınırlayıcı olduğu asetojenesis ve metanojenesis reaksiyonları gerçekleşir (Liu ve Ghosh, 1997; Palmowski ve Müller, 1999). Bu iki ana kademe farklı reaktörlerde gerçekleştiğinden, metan üretiminin gerçekleştiği ikinci reaktörü yüksek biyokütle konsantrasyonlarında ve yüksek çamur yaşlarında çalıştırmak mümkündür (Weiland, 1992; Kübler ve Wild, 1992).

İki kademeli sistemlerin işletilmesinin tek kademeli sistemlerden daha kompleks olması nedeniyle, beklenen hız ve biyogaz artışıları her zaman elde edilemeyebilir (Weiland, 1992). İki kademeli sistemlerin en önemli üstünlüğü, tek kademeli sistemlerde kararsız performanslara yol açabilen bazı atık türlerinin daha kararlı bir şekilde arıtılabilmesidir. İki kademeli sistemlerin üstünlük ve kısıtları Tablo 3.20‘da özetlenmiştir.

Tablo 3.20: İki kademeli sistemlerin üstünlük ve kısıtları

Kriter Üstünlükler Kısıtlar

Teknik  Değişik tasarımların yapılabilmesine uygunluk

 Kompleks proses Biyolojik  Selüloz içeriği az olan

kolay ayrışan (mutfak atıkları) atıklar için çok uygundur  C/N<20 olan atıkların arıtımı için en uygun tasarım  Katı kısım metan reaktörüne gönderilmediğinde düşük metan üretimi Ekonomik ve

Çevresel  Son üründe (kompost) daha az ağır metal içeriği (katı kısım metan reaktörüne beslenmediğinde)

 Daha yüksek ilk yatırım maliyeti

Oldukça kolay ayrışabilen atıkların arıtıldığı endüstriyel bazdaki uygulamalarda ise genelde daha basit olan tek kademeli sistemler tercih edilmektedir. Bu tür uygulamalarda biyolojik stabilite; tamponlayıcı madde eklenmesi, atıkların farklı atıklara birlikte arıtılması veya çok sıkı kontrol edilen besleme hızı ile kontrol edilmektedir (Weiland, 2000). Endüstriyel uygulamalarda kurulu arıtma kapasitesinin yalnızca %10‘unu iki kademeli sistemler oluşturmaktadır (De Baere, 1999, 2005) (Şekil 3.8).

Tek Kademe İki Kademe

Şekil 3.8: Avrupa‘da kurulu tek ve iki kademeili sistemlerin toplam kapasitesi

İki kademeli sistemler genelde ikinci reaktördeki biyokütle bekleme süresine göre sınıflandırılmaktadır. Bu kriterin kullanılmasının en büyük nedeni, reaktörün biyolojik stabilitesini belirlemesidir. Kararsız performansın en önemli nedenleri atığın heterojenliği, organik yüklemedeki değişkenlikler ya da azot gibi inhibe edici maddeleri aşırı miktarda barındıran atıklardır. İki kademeli sistemlerin hepsi organik yüklemedeki değişkenliklere karşı bir miktar koruma sağlamaktadır. Buna rağmen, sadece biyokütle konsantrasyonunun ve çamur yaşının yüksek olduğu iki kademeli sistemler, yüksek azot ve diğer inhibitörlerin konsantrasyonlarına dayanabilmektedir (Weiland, 1992). Bu sebeple 2 kademeli tasarımların birçoğunda ikinci reaktörde çamur yaşı yüksek tutulur.