Üniversite yerleşkesinde oluşan yemekhane atıkları ile gerçek ölçekli biyometanizasyon tesisinde biyogaz üretimi

Abstract

Giderek artan küresel nüfus, beraberinde büyük bir problem olan katı atıkları meydana getirmektedir. Ekonomik ve teknolojik gelişmelerle paralel olarak artan insanoğlu ihtiyacı ile üretilen atık miktarları daha da artmaktadır. Uygun şartlarda yönetilmeyen bu atıklar birçok çevresel ve doğal kirliliğe yol açmaktadır. Atık sızıntı sularının yeraltı ve yerüstü sularına karışarak su kaynaklarını kirletmesi, küresel ısınmaya neden olan sera gazlarının salınımı ile küresel iklim değişikliğine neden olması, koku problemi ile çevresel rahatsızlıklara yol açması ve taşıdığı muhtemel sağlık riskleri nedeniyle, katı atıkların uygun yönetimi daha büyük önem taşımaktadır. Katı atık yönetiminde küresel ve yerel anlamda en çok tercih edilen düzenli depolama yönteminde, yukarıda bahsedilen kirlilik riskleri kontrol edilememekte ve atıkların bertarafı etkin şekilde yapılamamaktadır. Etkin şekilde yapılamayan atık bertarafı ile muhtemel ekonomik kazançlar da elde edilememektedir. Atık yönetiminde ekonomik ve çevresel faktörler göz önünde bulundurularak entegre katı atık yönetimleri geliştirilmiştir. Entegre atık yönetiminde katı atık içeriğindeki tüm bileşenlerin (plastik, metal, kağıt, organik madde vb.) geri dönüşümü ve geri kazanımı amaçlanmaktadır. Katı atık içeriğindeki organik kısmın artımında anaerobik (havasız) arıtma yönteminin kullanılması, hem ekonomik hem de çevresel kazanımlar elde edilmesi yönünden anaerobik arıtmayı ön plana çıkarmaktadır. Temel olarak organik atıkların havasız ortamda biyolojik olarak parçalanması olarak ifade edilebilen anaerobik arıtma ile; organik madde ile birlikte atık olan nütrientlerin geri kazanımı, son ürün olan atıkların toprak şartlandırıcısı olarak kullanımı ve ulaşım, ısınma ve elektrik üretimi gibi farklı amaçlar için kullanılabilen biyogaz üretimi gibi çeşitli kazanımlar elde edilebilmektedir. Ayrıca kontrol edilebilen proses yapısı ile sızıntı suyu, koku ve sera gazı emisyonlarının salınımı problemleri yok olmaktadır. Üniversite yemekhanesinde oluşan organik atıkların biyogaz üretim veriminin araştırıldığı bu çalışmada tam ölçekli portatif anaerobik reaktör kullanılmıştır. 50 m3'lük hacme sahip reaktör, mezofilik şartlarda (38±1 °C) tek kademeli, tam karışımlı ve sürekli beslemeli reaktör modelinde işletilmiştir. Isıtma ihtiyacı boyler ile, reaktör içerisindeki karışım da çubuklu karıştırıcı (ajitatör) yardımıyla yapılmıştır. Çalışma, dört ayrı dönemde yapılmıştır. Kullanılan atık türü, miktarları ve işletme şartları yönünden benzerlik gösteren ilk üç dönemdeki çalışmalar aynı bölümde, dördüncü dönemdeki çalışma da farklı bir bölümde incelenmiştir. İlk üç dönemdeki çalışmada; yemekhanede yemek pişirme işlemi öncesi çıkan ve kaynağında ayrılmış patates, havuç, pırasa, soğan, marul, biber, kereviz gibi sebze atıkları kullanılmıştır. Kullanılan atıkların ortalama TKM değeri %8,1 olarak bulunmuştur. Dördüncü dönemde organik malzeme olarak; patates, elma posası, şeker fabrikası yan ürünü olan melas, mısır silajı ve hayvan kanı kullanılmıştır. Katı atıklar, iki kademeli parçalama işleminden geçirilerek reaktöre beslenmiştir. Birinci parçalama işleminde 20 mm'ye düşürülen atık boyutları, ikinci parçalama işleminde 5 mm'ye kadar düşürülmüştür. Beslenen atıklar, kullanılan atık türüne göre farklı oranlarda su ile karıştırılmıştır. Reaktöre ait sıcaklık takibi reaktörü kontrol eden otomasyon sistemi ile anlık olarak yapılabilmiştir. Biyogaz debisi ise reaktör gaz çıkış hattında bulunan debimetre ile kaydedilmiştir. Reaktörden belirlenen aralıklarla alınan numunelerle toplam katı madde (TKM), uçucu katı madde (UKM), biyokimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), toplam alkalinite, toplam fosfor, toplam kjeldahl azotu (TKN) gibi parametrelerin analizleri laboratuvar ortamında gerçekleştirilmiştir. İlk üç dönemde yürütülen çalışmalarda ortalama pH ve alkalinite değerleri sırasıyla 7,3 ve 3606 mg/L CaCO3 olarak bulunmuştur. Dördüncü dönemde pH değeri ortalama 7,4 olarak bulunmuştur. Besleme öncesinde su ile karıştırılan organik atıkların ortalama TKM değeri %2,8 olarak bulunmuştur. İlk üç dönem için sırasıyla ortalama giriş ve çıkış değeri %80,5 ve %51,7 olarak bulunan UKM'nin giderim verimi; birinci, ikinci ve üçüncü dönemde sırasıyla %29,7, %33,1 ve %40,8 olarak bulunmuştur. İlk üç dönemde %34,6 giderim verimi sağlanan TKN giriş ve çıkış değerleri sırasıyla 1169 mg/l ve 764 mg/l olarak bulunmuştur. TKN ile birlikte ölçülen bir diğer azot formu olan NH3-N'nin giriş ve çıkış değerleri sırasıyla 217 mg/l ve 486 mg/l olarak kaydedilmiştir. Sadece 3. dönemde analizi yapılan TP değerinin giriş ve çıkış değerleri 72,8 mg/l ve 42,0 mg/l olarak bulunmuştur. Proses veriminin en önemli göstergelerinden biri olan KOİ parametresinin ölçümleri birinci, ikinci ve üçüncü dönemlerde yapılmıştır. Ortalama giriş ve çıkış değerleri sırasıyla 27772 ve 9975 mg/L olan KOİ'nin giderim verimi ortalama %67,8 olarak bulunmuştur. Farklı miktarda besleme yapılmasından dolayı ilk üç dönemde üretilen biyogaz miktarları arasında büyük farklar gözlenmiştir. Ortalama biyogaz verimi 559 m3 biyogaz/kg UKM ve biyogaz içeriğindeki metan (CH4) oranı %59,7 olarak bulunmuştur. İlk üç dönem içerisinde en çok organik beslemenin yapıldığı birinci dönemde üretilen toplam biyogaz miktarı 303,739 m3 olarak kaydedilmiştir. İkinci ve üçüncü dönemlerde sırasıyla 159,860 m3 ve 34,945 m3 olarak kaydedilmiştir. Biyogaz üretim verimi de prosese beslenen UKM değerinden hesaplanmıştır. Sırasıyla birinci, ikinci ve üçüncü dönemde yapılan 7007, 2955 ve 1098 kg'lık beslemeler ile 0,601, 0,704 ve 0,372 m3 biyogaz/kg UKM biyogaz üretim verimleri elde edilmiştir. Birinci, ikinci ve üçüncü dönemlerde sırasıyla ortalama 0,23, 0,12 ve 0,05 kg UKM/m3.gün organik yükleme hızlarında reaktör beslemesi yapılmıştır. Organik besleme hızlarındaki değişim, yemekhaneden alınan atık miktarı ile birlikte değişkenlik göstermiştir. 25 gün boyunca organik madde beslemesi yapılan dördüncü dönemde organik yükleme hızı 0,7 – 8,8 g UKM/m3.gün arasında değişmiştir. Bu dönemde ortalama organik yükleme hızı 5,5 g UKM/m3.gün olarak gerçekleşmiştir. Anaerobik reaktörden üretilen biyogazın ısı ve elektrik enerji potansiyeli hesaplanmıştır. Buna göre birinci, ikinci ve üçüncü dönemlerde toplam elektrik enerjisi potansiyeli sırasıyla; 19,1, 11,9 ve 2,2 kW/gün olarak hesaplanmıştır. Dördüncü dönemde bu miktar 182 kW/gün olarak hesaplanmıştır. 27 gün süren çalışmanın dördüncü döneminde yaklaşık 3000 m3 biyogaz üretimi gerçekleştirilmiştir. Mezofilik şartlarda ve tam karışımlı ve sürekli beslemeli işletme şartlarında çalıştırılan proseste sıcaklık 40±1 °C set değerine sabitlenmiştir. Aşı olarak 40 m3 büyükbaş hayvan dışkısı beslenerek devreye alınan reaktöre daha sonra toplamda 16740 kg patates, 6610 kg elma posası, 5550 kg mısır silajı, 2205 kg melas ve 1365 kg hayvan kanı beslenmiştir. Üretilen biyogazın içeriği portatif biyogaz ölçüm cihazı ile günde iki defa ölçülmüştür. Reaktöre ilk aşı beslemesinden sonraki 7. günde yapılan ilk biyogaz ölçümünde biyogaz içeriğindeki CH4 oranı %42,5, CO2 oranı 54,9 olarak ölçülmüştür. İlerleyen günlerde %62,1'e kadar çıkan CH4 oranı, çalışma boyunca ortalama %53 olarak bulunmuştur. Çalışmanın başında 2212 ppm (part per million- milyonda bir) olarak ölçülen H2S miktarı çalışmanın sonunda 613 ppm olarak ölçülmüştür. Çalışma boyunca ortalama H2S miktarı 591 ppm olarak bulunmuştur.