Atıklardan Enerji Üretimi | SintekPlus Sayı 2

Prof. Dr. Günay KOCASOY
Katı Atık Araştırma ve Denetimi Türk Milli Komitesi, Boğaziçi Üniversitesi Çevre Bilimleri Enstitüsü
Gıyasettin GÜNEŞ Boğaziçi Üniversitesi

ÖZET
Yönetmelikler gereği uygulanan su ve atık su arıtma tesislerinin sayısının artmasıyla, bu tesislerde oluşan arıtma çamurlarının miktarı sürekli olarak artmaktadır. Arıtma tesisi çamurları genellikle tehlikeli atık olarak nitelendirilmekte olup, bunların özel olarak bertaraf edilmesi hem zor, hem de çok pahalıdır.

Düzenli depolama alanlarında atıkların bozunması sonucunda deponi gazları oluşmasından esinlenerek gerçekleştirilen araştırmada arıtma tesisinin değişik birimlerinde oluşan arıtma çamurlarının evsel atıklarla birlikte bertaraf edilmesinin sızıntı suyuna, üretilen gaz miktarına ve kalitesine etkileri araştırılmıştır. Araştırmada kullanılan evsel atıklar 1995 yılından beri kullanılmakta olan düzenli depolama alanından, çamur ise İzmit’te endüstriyel ve evsel atık suların arıtıldığı arıtma tesisinden alınmıştır.

Bir reaktör (R1) sadece evsel katı atıklarla, diğer iki reaktör (R2 ve R3) ise 1/7 oranında hazırlanan çamur ve evsel atık karışımı ile doldurulmuş, ve üç reaktörde 34°C’ye ısıtılmış suyla dolu akvaryumun içine yerleştirilmiştir. Araştırma iki safhada gerçekleştirilmiş, birinci safha 55 gün sürmüştür. Araştırmanın ikinci safhasında, 55’inci günün sonunda, anaerobik dekompozisyou hızlandırmak için Reaktör 2 ve 3’e 200 mg/l maya çözeltisi eklenmiştir. Her iki safhada da organik maddelerin dekompozisyonu sonucu oluşan sızıntı sularından her hafta 50 ml örnek alınmış, yapılan analizle atıkların stabilizasyonu izlenmiştir.

Sızıntı sularında pH, ORP, kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), alkalinite, ortofosfat, sülfat, toplam Kjeldahl azotu, klorür ve ağır metal ölçümleri yapılmıştır. Ayrıca her gün gaz hacmi ve haftada bir gaz kompozisyonu belirlenmiştir. Araştırmanın sonucunda çamurun evsel atıklarla birlikte düzenli depolama alanında uzaklaştırılmasının gerek sızıntı sularındaki kirleticilerin uzaklaştırılmasına ve gerekse oluşan gaz hacminin ve metan gazı yüzdesinin artmasına önemli derecede olumlu etkisi olduğu görülmüştür.
Anahtar Kelimeler: Arıtma tesisi çamuru, evsel atık, metan gazı, sızıntı suyu

• GİRİŞ
  Yönetmelikler gereği su ve atıksuların arıtılması ile sürekli olarak sayıları artan arıtma tesislerinden çıkan arıtma çamurlarının miktarı da devamlı olarak artmaktadır. Bu çamurlar genellikle tehlikeli atık olarak nitelendirilmekte olup, özel olarak bertaraf edilmeleri hem zor hem de çok pahalıdır. Düzenli depolama alanlarında bulunan katı atıkların
  bozunması sonucunda ise sızıntı suları ve deponi gazları oluşmaktadır. Birçok ülke bu gazları elektrik veya ısı enerjisine dönüştürerek kullanmakta, diğer bir deyişle atıktan enerji üretmektedir. Bu şekilde gerek enerji darboğazına çözüm getirilmekte ve gerekse bertaraf edilecek atık miktarı azaltılmaktadır. Ülkemizde de son yıllarda aynı uygulama başlamıştır. Atıkların kompozisyonuna göre oluşan gaz hacmi ve kompozisyonu değişiklik
  göstermektedir. Deponi alanlarındaki gaz oluşumundan esinlenerek yapılan araştırmada iki konu amaçlanmıştır. Bunlardan birincisi hacim olarak gittikçe artan ve tehlikeli atık sınıfında yeralan çamurun ucuz bertaraf edilmesi ve oluşan gaz hacmını ve de gazdaki metan yüzdesini arttırmaktı. İkinci amaç ise arıtma tesisinin değişik birimlerinde oluşan çamur türlerinin evsel katı atıklarla birlikte bertaraf edilmesinin sızıntı suyuna, oluşan gaz miktarına ve kompozisyonuna etkilerinin belirlenmesidir.
• YÖNTEM
  2.1. Deney Seti
  Araştırmada düzenli depolama alanını simule eden üç anaerobik reaktör kullanılmıştır (Şekil
  1) Reaktörler pleksi glastan yapılmış olup, 40 cm yüksekliğinde ve 40 cm çapındadır. Reaktörlerin iç hacmi 12,5 litredir. Her reaktörün üstünde iki tane V bağlantı olup bunlardan bir tanesi reaktörde oluşan gazı gaz tutucuya taşımak, diğeri ise gaz örneği almak için kullanılmıştır. Oluşan sızıntı sularından örnek alınması için reaktörlerin ön yüzünde üç adet musluk bulunmaktadır. Reaktörün etrafı ve bağlantı yerleri sıvı ve gaz sızıntılarını önlemek için. Her reaktör için 0,5 litrelik iki adet gaz tutucu vardır. Gaz tutucular ters çevrilmiş olarak pH’ı 0,2’den az olan asitle doldurulmuş bir litrelik cam silindirin içine yerleştirilmiştir. 2.2. Kullanılan Malzemeler • Evsel katı atıklar 1995 yılından beri kullanılmakta olan Kemerburgaz Depolama Alanından alınmıştır. Düzenli depolama alanına her gün 6000 ton evsel katı atık gömülmektedir. Araştırmada kullanılan evsel katı atıkların kompozisyonu Tablo1’de, metal içeriği Tablo2’de verilmiştir. • Araştırmada kullanılan çamur, İzmit Evsel ve Endüstriyel Atıksu Arıtma Tesisinin primer ve sekonder durultucularından alınmıştır.. Aktif çamur prosesiyle çalışmakta olan arıtma tesisinde günde 35000 m3 atıksu arıtılmaktadır. Arıtma tesisinin primer ve sekonder durultucularından alınan çamur örneklerinin analizi yapılmıştır. Arıtma tesisinin değişik birimlerinden alınan çamur örneklerinin kompozisyonu Tablo3’te verilmiştir. • Maya çözeltisi 20 g maya (saccharomyces cerevisiae) 1 L besleme çözeltisinde çözünerek ve 35⁰C’de manyetik karıştırıcıda (100 devir/dakika) 72 saat karıştırılarak hazırlanmıştır. 3.2. Yöntem Reaktör 1 (R1) sadece evsel katı atıklarla doldurulmuş, reaktör 2 ve 3 (R2, R3) ise sırasıyla evsel atıklarla arıtma tesisi primer ve sekonder durultculardan alınan çamurlar 1/7 oranında karıştırılarak hazırlanan karışımla doldurulmuştur. R1 şahit reaktör olarak kullanılmıştır. Şekil 1- Anaerobik reaktörler

R1: Reaktor 1 G1: Kulp 1 E : Hava Difüzörleri L : Plastik Kapak
R2: Reaktor 2 G2: Kulp 2 F : Isıtıcılar
R3: Reaktor 3 G3: Kulp 3 K : Akvaryum

Tablo 1- Araştırmada kullanılan katı atıkların kompozisyonu

Tablo 2 – Reaktörlerle doldurulan evsel katı atıkların metal içeriği

Tablo 3 – Araştırmada kullanılan arıtma tesisi çamur örneklerinin kompozisyonu

Doldurulan reaktörler 34°C’ye ısıtılmış suyla dolu akvaryumların içine yerleştirilmiştir. Akvaryum içindeki su hava difüzörleri ile çevrilerek akvaryum içindeki sıcaklığın eşit olarak dağılımı sağlanmıştır. Katı atıkların organik maddelerinin bozulması sonucu reaktörlerde oluşan sızıntı sularından her iki safhada da her hafta 50 ml sızıntı suyu alınmış, yapılan analizle atıkların stabilizasyonu izlenmiştir. Sızıntı sularında pH, ORP, kimyasal oksijen ihtiyacı(KOİ), alkalinite, ortofosfat,
sülfat, toplam kjeldahl azotu, klorür ve ağır metal ölçümleri yapılmıştır. Ayrıca oluşan gaz hacmi her gün gaz kompozisyonu ise haftada bir belirlenmiştir.
Araştırma iki safhada gerçekleştirilmiş, birinci safha 55 gün sürmüştür. Araştırmanın ikinci safhasında 55’inci günün sonunda anaerobik dekompozisyou hızlandırmak için Reaktör 2 ve 3’e 200 mg/l maya çözeltisi eklenmiştir.

3. DENEY SONUÇLARI
   3.1. Sızıntı Suyu Deney Sonuçları
   R1, R2 ve R3’de oluşan sızıntı sularının başlangıç pH’ı sırasıyla 6,18; 5,79 ve 5,38’di. Birinci safhada R1 sızıntı sularının pH değeri atıksu arıtma çamuru içeren Reaktör 2 ve 3’de oluşan sızıntı sularının pH’ından daha yüksektir.
   İkinci safhada R2 ve R3’e maya çözeltisi eklendikten sonra 94’üncü güne kadar R2 ve R3’ün sızıntı sularının pH ve ORP değerlerinin düşük olduğu, KOİ uzaklaştırmasının ise yüksek olduğu gözlenmiştir. 94’üncü günden sonra ise aynı sızıntı sularının pH’ı biraz yükselmiştir. Kontrol reaktörde (RI) oluşan sızıntı sularının pH değerleri ise aynı süreçte daha düşük olmuş, 115’inci günden sonra ise az olarak yükselmeye başlamıştır. R1, R2 ve R3’ün sızıntı sularının ORP değerleri ise başlangıçta sırasıyla 20 mV, 10,7 mV ve 8,4 mV’dir. Bu pozitif değerler reaktörlerde aerobik şartların hakim olduğunu göstermektedir.
   Birinci safhanın sonuna kadar ORP değerleri pozitif değerler olmaya devam etmiştir. 55’inci günde maya çözeltisinin R2 ve R3’e eklenmesiyle ORP değerleri düşmeye başlamış, ikinci safhanın başında R1, R2 ve R3’deki sızıntı sularının ORP değerleri sırasıyla – 50,2 mV; -61,4 mV ve -34mV’ye düşmüştür.
   Birinci safhanın başında KOİ değerlerinde uçucu yağ asitlerine bağlı olarak yükselmiştir. R1, R2, R3’teki sızıntı sularının KOİ değerleri sırasıyla 41600 mg/l, 47700 mg/l ve 50582 mg/l’ye ulaşmıştır. Birinci safhanın sonunda ise bu değerler sırasıyla 55600 mg/l, 56800 mg/l ve 60300 mg/l’ye ulaşmıştır. İkinci safhada maya eklenmesinden sonra ise KOİ değerlerine düşme olup, KOİ uzaklaştırma verimleri sırasıyla yüzde 40, 60 ve 55 olmuştur. Alkalite değerleri ise araştırmanın başlangıcında R1, R2 ve R3’de sırasıyla 1720 mg/l, 1560 mg/l ve 1864 mg/l CaCO3 olup bu safhada alkalite değerleri 1730–3965 mg/l CaCO3 aralığında değişmektedir. İkinci safhada maya eklenmesinden sonra ise alkalinite değerleri 2460–3475 mg/l CaCO3 aralığında değişmiş, araştırmanın sonunda bu değerler R1, R2 ve R3’de sırasıyla 3880 mg/l, 4052 ve 4545 mg/l CaCO3 olmuştur. Araştırmanın başlangıcında R1, R2 ve R3’deki sızıntı suyunun ortofosfat değerleri sırasıyla 214 mg/l, 230 mg/l ve 195 mg/l’dir, birinci safhanın sonunda ise 167 mg/l, 131 mg/l ve 140 mg/l’dir. R1, R2 ve R3’deki sızıntı sularının ortofosfat değerleri ikinci safhada düşüş göstermiş, ikinci safhanın sonunda R1, R2 ve R3’ün sızıntı sularında fosfat uzaklaştırma verimi yüzde 60, 85 ve 68 olmuştur. R1, R2 ve R3’deki sızıntı sularının başlangıç sülfat değerleri sırasıyla 156 mg/l, 193 mg/l ve 275 mg/l olup, birinci safhanın sonunda bu değerler 384 mg/l, 503 mg/l ve 480 mg/l olmuştur. Maya eklenmesinden sonra ise sülfat değerleri yükselmiş, 90’ıncı günden sonra ise tekrar düşmüştür. İkinci safhanın sonunda R1, R2 ve R3’deki sızıntı sularının sülfat değerleri 222 mg/l, 168 mg/l ve 184 mg/l’ye düşmüştür. Araştırmanın başlangıcında R1, R2 ve R3’teki sızıntı sularının Kjeldahl azot konsantrasyonu sırasıyla 4,45 mg/l; 4,78 mg/l ve 5,64 mg/l olup araştırmanın birinci safhasında oluşan maksimum konsantrasyonları sırasıyla 7,9 mg/l; 8,74 mg/l ve 8,60 mg/l’dır. R2 ve R3’e maya eklenmesinden sonra, 55-83üncü günler arasında test reaktörlerindeki (R2 ve R3) sızıntı sularında bulunan azot miktarı 7,39-8,33 mg/l’ye ulaşmıştır. Bu değerler araştırmanın sonunda (R1, R2 ve R3) sırasıyla 6,18 mg/l; 5,78 mg/l ve 5,64 mg/l’ye düşmüştür. Burada dikkat edilecek husus kontrol reaktörünün (R1) sızıntı suyundaki azot konsantrasyonu, diğer parametrelerde olduğu gibi, çamur ve maya eklenmemiş olan reaktörlerdeki (R2 ve R3) sızıntı sularındaki azot miktarından daha yüksektir. Sızıntı sularındaki (R1, R2 ve R3) klor konsantrasyonu ise başlangıçta 2089 mg/l, 1885 mg/l ve 1416 mg/l iken birinci safhanın sonunda (55’inci gün) bu miktar sırasıyla 1393 mg/l, 1060 mg/l ve 1232 mg/l’ye düşmüştür. Araştırmanın ikinci safhasında, maya çözeltisi eklendikten sonra 61’inci günde reaktörlerinin (R1, R2 ve R3) sızıntı sularındaki azot konsantrasyonları sırasıyla 1312 mg/l, 1095 mg/l ve 1196 mg/l’ye düşmüş, araştırmanın sonunda bu değerler (R1, R2 ve R3’te) sırasıyla 1028 mg/l, 862 mg/l ve 757 mg/l olmuştur. Reaktörlerin (R1, R2 ve R3) sızıntı sularındaki (bakır, kurşun, nikel, çinko, kadmiyum ve krom’un) başlangıç konsantrasyonları düşüktür. Bunun nedeni ise reaktörlerdeki organik maddelerin dekompozisyonunun çok yavaş/ düşük olmasıdır. Reaktörelere maya eklenmesinden sonra ise metal konsantrasyonları daha da düşmüş, sadece krom konsantrasyonunda artış görülmüştür. Bu durum kromun özelliğinden kaynaklanmakta olup kromun hidroksitle çökmesinden dolayı oluşmaktadır. 3.2. Gaz Oluşumu Reaktörlerde oluşan gaz hacmi her gün ölçülmüş, gaz kompozisyonu ise haftada bir gün tespit edilmiştir. Araştırmanın birinci safhasında reaktörlerde (R1, R2 ve R3) oluşan gaz miktarı sırasıyla 0-875 ml, 0-1010 ml ve 0-1120 ml aralığında değişmiştir. Gaz hacmindeki bu yüksek değerler organik maddelerin aerobik şartlarda hızlı bozunmasından dolayıdır. Çamur bulunan reaktörlerdeki (R2, R3) gaz hacmi çamur eklenmemiş kontrol reaktörde (R1) oluşan gaz hacminden daha fazladır. Araştırmanın ikinci safhasında-maya çözeltisinin eklenmesinden sonra- (55’inci ve 65’inci günler arasında) reaktör 2 ve 3’te oluşan gaz miktarı sırasıyla 220-486 ml ve 0-509 ml arasında değişmiştir. Kontrol reaktördeki (R1) gaz hacmi de aynı dönemde artış göstermiştir. 65’inci günden sonra reaktör 2 ve 3’te oluşan gaz hacmi 106’ıncı güne kadar yavaş bir artış göstermiş, kontrol reaktörde (R1) ise herhangi bir artış olmamıştır. Araştırmanın 106’ncı-159’uncu günleri arasında Reaktör 2 ve 3’te gaz oluşumu azalmış, aynı düşüş kontrol reaktörün (R1)’de de gözlenmiştir. Bu periyotta reaktörlerdeki (R1, R2 ve R3) gaz hacmi sırasıyla 0-412 ml, 0-403 ml ve 0-412 ml arasında değişmiş, araştırmanın sonunda ise gaz hacmi sırasıyla 174 ml, 258 ml ve 336 ml olmuştur. Bu düşüşe neden organik maddelerin bozunmasının yeterli olmayışı ve bazı refraktör maddelerin mevcudiyeti olabilir. 3.3. Gaz Kompozisyonu Araştırmada gaz kompozisyonunun tespiti 49’uncu gün başlamış olup, reaktörlerde (R1, R2 ve R3) oluşan gazın metan yüzdeleri 12,3 ; 15,5 ve 14,8 olarak bulunmuştur. Reaktörlerde asidojenik şartların hakim olması metan içeriğinin düşüklüğüne neden olmuştur. Asidojenik fazda gazın CO2 ve CO yüzdeleri daha yüksektir. Reaktörlere (R2 ve R3) maya eklenmesinden sonra reaktörlerdeki gazın metan içeriğinde hemen bir değişiklik olmamış, araştırmanın 67’inci gününden sonra reaktörlerdeki gazın metan içeriği yavaş yavaş yükselmeye başlamıştır. Reaktörlerdeki (R1, R2 ve R3) maksimum metan gazı yüzdesi sırasıyla 34,4; 58,0 ve 55,5 olmuştur. Maya metan bakterileri için gerekli besi maddelerini sağlamıştır. Reaktörlerde oluşan gaz hacmi ve metan içeriği karşılaştırılınca arıtma tesisi çamurunun ve mayanın gaz hacminin ve metan içeriğinin artmasında önemli rolü olduğu; primer durultucu çamurunun gerek oluşan gaz hacmi ve gerekse metan içeriğinin daha fazla olmasındaki etkisinin sekonder ünite çamurundan daha fazla olduğu görülmüştür. 4.SONUÇ Arıtma tesisi çamurlarının evsel katı atıklarla birlikte bertaraf edilmesi düzenli depolama alanlarında oluşan gaz hacminin ve gazın metan içeriğinin artmasına olumlu etkisi olduğu görülmüştür. Bu nedenle arıtma tesisi çamurlarının evsel katı atıklarla birlikte düzenli depolama alanlarına gömülerek bertaraf edilmesi gerek enerji elde edilmesi ve gerekse çevreye zarar vermeden uzaklaştırılması açısından olumlu bir yaklaşım olarak önerilir. Düzenli depolama alanları kapatıldıktan sonra da bakteriyel faaliyetler yıllarca devam ederek gaz üretimi oluşmaktadır. Ülkemizde bulunan vahşi depolama ve düzenli depolama alanlarının sayısı göz önüne alınırsa, bu alanlardan gerek işletme sırasında ve gerekse kapatıldıktan sonra elde edilecek gazın enerjiye dönüştürülmesiyle çevre için atık sorunu çözülürken enerji gereksinimin önemli bir kısmı da karşılanacaktır.