Anaerobik Çıkış Atıksuyunda Mikroyosun Çoğaltılması

Abstract

En bilinen biyoyakıtlar; biyoetanol, biyodizel, metan gazı gibi hidrokarbonlardır. Bunların biyoetanol dışında hepsi lipitlerden elde edilmektedir. Bitkiler başta olmak üzere algler, mayalar ve diğer mikroorganizmalarda depolama lipitleri mevcuttur. Biyodizel birinci kaynak olarak bitkilerden elde edilse de, bitki yetiştirmek için gerekli yer ihtiyacı, temiz su ihtiyacı ve uzun bir süreç olması nedeniyle günümüzde bitkiler yerine algler ve mayalar da düşünülmektedir. Algler prokaryot ve ökaryot olmak üzere birçok türü içinde barındıran, başta deniz ve taze su kaynakları olmak üzere birçok çevre ortamından izole edilen ve inorganik karbonu enerjiye çeviren organizmalardır. Algler içerdikleri yüksek lipit miktarları, düşük maliyetleri, yüksek büyüme hızları (ikiye katlanma süresi=24 saat) ve bitkilere göre az yer ihtiyacı nedeniyle tercih edilmektedir. Mikroalg yetiştirilmesinde karbon kaynağı (karbondioksit ve bikarbonat gibi), azot kaynağı (üre, nitrit, azot gazı gibi), sülfür kaynağı (sülfat gib), fosfor kaynağı (hidrofosfat, fosfat gibi), inorganik tuz (K, Ca, Mg gibi), eser elementler (Fe, Zn, Mn, Pb gibi) ve vitamin (B, C, E gibi) ihtiyacı vardır. Kisaca organik maddenin oksijensiz ortamda mikroorganizmalar tarafindan metan gazina donusturulmesi olarak ozetlenebilecek anaerobik çürütme, yenilenebilir kaynaklardan enerji üretmek için kullanılan en yaygın yöntemlerden biridir. Anaerobik çürütücülerle birden fazla çevresel fayda elde edilebilir. Çürütme sonucu oluşan biyogaz, gelişmiş ülkelerde büyük ölçekte ısı ve güç üretmek için kullanılırken, gelişmekte olan ülkelerde mevcut hayvan gübresi yönetimindeki sorunları çözmek ve ısıtma amaçlı kullanılmaktadır. Bu yöntem, sera gazı emisyonlarının özellikle metan gazı salınımının azaltılmasına yardımcı olur. Ayrıca toprak iyileştirme özelliği yüksek olan çürütücü çıkış atığının, tarımda kullanılabilmesi gibi faydaları da vardır. Çürütücü çıkış atığının, bazı istenmeyen koku, viskozite, yüksek nem ve yüksek uçucu yağ asitleri gibi özellikleri, bitkilerde fitotoksik etkiye, icerdigi yuksek nutrient miktari yuzey sularinda otrofikasyona, yeraltina sizmasi yeralti sularinda kirlenmeye sebep olabilir. Bu nedenle arıtma yapılmadan tarımsal topraklarda uygulanması riskli gorulmektedir ve çürütücü çıkışındaki gübre etkin maddeleri olan azot ve fosforun ekonomik değerini artırıcı faydalı kullanımı gereklidir. Anaerobik çürüme sırasında, organik azot amonyak azotuna ve toplam fosfor da ortofosfata dönüşür. Bu nedenle, anaerobik çürütücü çıkış atığında, yüksek konsantrasyonda amonyak ve fosfor mevcuttur. Bu değerli kaynakların geri kazanımında algler önemli bir yere sahiptir. Çevre kirliliğinde ana kirleticiler olarak kabul edilen azot ve fosforun alg çoğaltılmasında kullanılması ile hem çevre kirliliği azaltılmış olacak hem de alg çoğaltmak için dışarıdan temin edilen nutrient kaynaklarının kullanımı ve maliyeti ortadan kalkacaktır. Alternatif enerji kaynakları ve değerli biyoürünlerin hammadde sağlayıcısı olarak görülen mikroalgler, ülkemizin enerji açığına kaynak, çevre kirliliğine çözüm, ve ekonomisine katki sağlayabilecek potansiyele sahiptir. Üstünlükleri çok fazla olan bu biyokütle kaynağının sürdürülebilir yönetimi oldukça önemlidir. Bu kapsamda bu çalışmada hem alg çoğaltılması ve hem de atıksu arıtımını öngören bir çalışma yürütülerek sonuçlandırılmıştır. Mikroalg türü olarak hızlı çoğalan Cyanobacteria grubunda olan Synechocystis sp. PCC6803 seçilmiş ve turun farkli seyreltme oranları ve nutrient konsantrasyonları ile büyüme verimleri incelenmiştir. Atıksu kaynağı olarak nütrient içeriği açısından zengin ve üretimi hem miktarsal hemde lokasyon olarak çok olan hayvan dışkısı seçilmiştir. Ancak organik maddece zengin olan bu tür atıkların fototrofik çoğalmada kullanımı uygun olmadığı için anaerobik çürütülmüş olan atıklar tercih edilmiştir. Katı maddelerin çürütülmesi sonrası oluşan nütrient içeriği açısından zengin olan bu atıkların askıda katı maddeden de ayrılmış ayrılmış olması gereklidir. Bu nedenle Pamukova’de yer alan biyogaz tesisinde santrifüj dekantör ile katı maddesi kısmen ayrılmış çürütücü çıkış atıksuyu temin edilmiş ve 0.45 µm gözenek çapına sahip filterelerden geçirilerek askıda katı maddeden arındırılmış bir atıksu elde edilmiştir. Çalışma iki aşamalı olarak yürütülmüştür. Birinci aşamada mikroalgin çoğalacağı anaerobik çürütücü çıkış atıksuyunun en uygun seyreltme oranını bulmak için çalışmalar yürütülmüştür. Seyreltme oranları %5, 10, 20, 40 ve 60 seçilerek 100-300 µE.m–2.s-1 ışımada ve 32±2°C sıcaklıkta, 1 L/dak hava debisinde ve 500 mL lik sıvı hacminde inkübasyonlar yapılmıştır. Alg çoğalmasını izleyebilmek için çalışma boyunca günlük optik yoğunluk ölçümü yapılmış olup inkübasyonun başında ve sonunda ise pH, alkalinite, KOİ, TKN, amonyak, orto fosfat deneyleri yapılmıştır. Ayrıca çoğalan biyokütleyi karakterize etmek için karbonhidrat, protein ve yağ analizleri de yapılmıştır. Farklı seyreltme oranları ile yapılan çalışmada en yüksek seyreltme oranı olarak %40’ta büyüme gözlenmiş, %60’ta herhangi bir büyüme gözlenmemiştir, en yuksek biyokütle konsantrasyonuna ise %20 seyreltme oranında ulaşılmıştır (0.625 g/L). Çalışmanın ilk aşamasında hücrelerin fosfor limitasyonuna girdiği gözlemlenmiş, bu yüzden çalışmanın ikinci aşamada besi yerlerine fosfor eklemesi yapılmıştır. Fosfor konsantrasyonu, sentetik besi yeri BG-11’in fosfor konsantrasyonun (~5 mg/L) 0.5, 1, 2 ve 4 kati olacak şekilde ayarlanmış ve seyreltme oranı olarak hücrelerin çoğalabildiği en yüksek oran olan %40 seçilmiştir. Fosfor eklemesi yapılmış reaktörlerde calışmanın ilk aşamasına göre daha iyi büyüme gözlemlenmiş ve BG-11’le aynı fosfor konsantrasyonuna sahip reaktörlerde kuru biyokütle ağırlığının 0.881 g/L’ye kadar çıktığı gözlenmiştir. Ancak atıksuya pH ayarlaması yapılmadiğı ve tampon çözelti eklenmediği için pH’larda düşüş gözlemiş, deney sonunda reaktörlerin pH’ları mikroalglerin çoğalması için uygun olmayan 4-5 civarına düşmüştür. Deneylerde, anaerobik çürütücü atıksuyunda alglerin çoğalma verimi sentetik besi yeri BG-11’deki çoğalma veriminin altında kalmıştır. Bunun sebepleri; anaerobik çürütücü çıkış atıksuyunun rengi (siyaha yakın kahverengi) dolayısıyla fotosentez veriminde olan düşüş, daha önce sentetik besi ortamında çogalmış türün atıksuya alışması problemi, steril olmayan calışma koşulları dolayısıyla atıksuda yaşaması muhtemel olan diğer mikroorganizmalarla olan rekabet ve özellikle atıksuya pH ayarlaması ve tampon ilavesi yapılmamasi dolayısıyla besi yerinin pH’ında yaşanan dramatik düşüş olarak yorumlanmıştır. Çalışmanın gelecek icin umut vaad eden sonuçlarından birisi, görece düşük seyreltme oranlarındaki amonyak konsantrasyonlarının, hücrelerde amonyak inhibisyonuna sebep olmaması, hücrelerin 300 mg/L’nin üstündeki amonyak konsantrasyonlarında dahi büyümesi olmuştur. Bu sayede daha yüksek miktardaki atıksuyun daha az maliyetle arıtılması ve atıksuda alg biyokütlesi üretilmesi olanağının oldugu görülmüştür. Deneyler sırasında bütün seyreltmeler çeşme suyuyla yapılmış olup, ışık şiddeti sabit tutulmuştur

The reduction of petroleum resources together with monetary and environmental concerns, drive us to find the new alternative and sustainable energy sources. Therefore, microalgae have received an increasing attention more than ten years. However, the results of the projects were not promising to consider the microalgae as an alternative solution. To make this process commercially feasible, new approaches and methodologies are necessary. Coupling microalgae growth for valuable biomass production and wastewater treatment can be one of the sustainable solutions in terms of not only for alternative energy production, but also for the environmental protection. Anaerobic digestion effluent contains high amounts of nitrogen and phosphorus, which are essential for microalgal growth. This study consists of two parts. In first part, growth of microalgae in different dilution rates of anaerobic digestion effluent is investigated. All dilutions were made with tap water and reactors were run in contionous illumunation with constant light intensity.Cell densities reached 0.625 g/L as dry weight in 20% diluted reactors and lowest dilution rate of considerable microalgal growth is found to be 40% diluted reactors with cell density reaching up to 0.530 g/L as dry weight. In second part, growth in lowest appropriate dilution rate (40%) was investigated with phosphorus addition, due to phosphorus limitation of cells in first part of series. Phosphorus concentrations were adjusted to 0.5, 1, 2 and 4 times of phosphorus concentration of BG-11. Growth of microalgae with phosphorus addition was more efficient than in first part of experiment with cell density reaching up to 0.881 g/L in reactors, which have same concentration of phosphorus with BG-11 medium. No pH adjustment was made and buffer solution was added to cultures, therefore there was a dramatic decline in pH values, in second part of the experiments, pH of reactors dropped to 4-5 at the end of experiments. Lower growth efficiency comparing to cultures grown in BG-11 medium is attributed to decline of pH due to lack of buffer capacity, acclimation problems of BG-11 grown cells to wastewater lower photosynthetic efficiency due to color of wastewater and competition with other microorganisms due to non-sterile conditions.