anaerobik aritim

Anaerobik Arıtımın Temelleri ve Anaerobik Arıtım Proses Konfigürasyonları

Prof. Dr. Göksel N. DemirerÇevre Mühendisliği Bölümü

Orta Doğu Teknik Üniversitesi

Anaerobik Arıtma Teknolojileri veMoleküler Ekoloji Tanımlama Teknikleri

31 Ekim -02 Kasım 2006

Türkiye Şeker Fabrikaları A.Ş., Şeker Enstitüsü Süleyman Demirel Üniversitesi

Prof. Dr. Göksel N. Demirer, Çevre Mühendisliği BölümüOrta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara

Anaerobik Arıtma

Anaerobik arıtma, mikroorganizmaların organik atıkları, serbest oksijensiz bir ortamda, metan, karbondioksit, hücresel ve diğer organik maddelere çevirdiği biyolojik bir işlemdir.

Organik madde + HOrganik madde + H22OO

Anaerobik Anaerobik mikroorganizmalarmikroorganizmalar

CHCH4 4 + CO+ CO22 + NH + NH3 3 + H+ H22S + Yeni hücreS + Yeni hücre

Organik maddelerin anaerobik arıtımı sonucu ortaya önemli bir temiz/alternatif enerji kaynağı olan biyogaz (% 20-30 CO2, % 60-79 CH4, % 1-2 H2S) çıkar.


Anaerobik bozunma, atık yönetimi uygulamaları için organik atıkların serbest oksijensiz bir ortamda metan ve karbondioksite dönüşmesi olarak tanımlanabilir.

Anaerobik biyolojik bozunma üç aşamada gerçekleşen bir biyokimyasal işlemdir. Bu aşamalar

(1) Hidroliz: kompleks organik maddelerin çözünmüş organik bileşiklere dönüşümü;

(2) Asetojenesis: çözünmüş organik maddelerinden uçucu yağ asitlerinin (ağırlıklı olarak asetik, propiyonik ve bütrik asitler) oluşumu; ve

(3) Metanojenesis: uçucu yağ asitlerinin metan ve karbondioksite çevrimi olarak özetlenebilir.

KARMAŞIK ORGANIK BİLEŞİKLER

(Karbohidratlar, Proteinler, Lipidler, vd..)

BASİT ORGANİK BİLEŞİKLER

(Şekerler, Aminoasitler, Peptidler, vd.)

HİDROLİZ

UZUN ZİNCİRLİ YAĞ ASİTLERİ

(Propiyonat, Bütrat, vb.)

1

1 ASİDOJENESİS

H 2, CO 2 ASETAT

ASETOJENESİS

ASETOJENESİS3

2

CH 4, CO 2

METANOJENESİS METANOJENESİS

4 5

BİYOGAZ

Metanojenik Bakteri


Anaerobik Bozundurmaya Tabi Tutulabilen Atık Türleri

Arıtma Tesisi Çamurları Tarımsal atık ve artıklar Evsel Organik Katı Atıklar Endüstriyel Atıklar

Anaerobik Bozunma ve Enerji

√ Kalorifik değeri daha düşük olmakla birlikte, anaerobik bozunma sürecinde oluşan biyogaz, doğal gaza benzerlik gösteren bir yakıttır.

√ Biyogaz doğal gaz için tasarlanmış her türlü uygulamada kullanılabilir.

√ 1 m3 biyogazdan (20 MJ enerji/m3 biyogaz kabulü ile):

Sadece elektrik: 1,7 kWh elektrik (%30 dönüşüm verimi kabulü ile),Sadece ısı: 2,5 kWh ısı (%70 dönüşüm verimi kabulü ile),Kombine ısı ve enerji: 1,7 kWh elektrik ve 2 kWh ısı

elde edilebilir.


Anaerobik Bozundurma ve Sera Gazı Azaltımı

ABD’denin Kalifornia Eyaletinde 400 süt ineği bulunan bir çiftlikte yapılan bir çalışmanın sonuçlarına göre, çiflikte ortaya çıkan hayvansal atıkların üstü açık bir havuzda depolanmasına (referans sistem) göre anaerobik olarak bozundurulması ve biyogazın enerji eldesinde kullanımı, toplam Küresel Isınma Potansiyelini (GWP) CO2-eşdeğeri bazında % 79 oranında azaltmıştır.

Anaerobik Bozundurma ve Organik Tarım

Anaerobik Bozundurma organik maddelerin oksijensiz ortamda bakteriyel fermentasyonudur. Bu süreçte karbon içeren tüm bitkisel ve hayvansal maddeleri kapsayan bu “organik” maddeler biyogaz, fiber ve katı/sıvı gübreye dönüşür.

Anaerobik Bozundurma sürecinde işlenen organik maddelerin her hangi bir toksik, tehlikeli, vb. atık ve patojen içermediği durumlarda, elde edilen toprak iyileştiricisi, fiber ve gübre organik tarım uygulamalarında kullanılabilir.


Bir Yakıt Olarak Biyogaz

Bu tablodaki veriler göz önüne alındığında:

- Enerji değeri bazında biyogazın sıvılaştırılmış propan gazı (LPG) ve kerosin ile eşdeğer bir yakıt olduğu,- Tezeğe göre 4,5, odun kömürüne göre 1,6 ve oduna göre 2,25 defa daha fazla ısı ürettiği

görülecektir.


AvantajlarAvantajlar

•Düşük atık biyokütle üretimi•Düşük azot ve fosfor gereksinimi•Düşük reaktör hacmi •Enerji tasarrufu ve değerli yan ürünler•Daha kolay işletim•Atıkgaz arıtımı gereksiniminin azalması/ortadan kalkması •Düşük köpüklenme problemleri•Aerobik olarak giderilemeyen bazı maddelerin giderimi•Düşük klorlu organik toksisite düzeyleri•Mevsimsel arıtım olanağı

DejavantajlarDejavantajlar

•Biyokütle büyümesi için uzun süre gereksinimi•Bazı atıksular için: yoğun alkalinite gereksinimi yetersiz çıkış kalitesi yetersiz metan üretimi kaynaklı ısıtma gereksinimi koku problemi •Düşük sıcaklıkta düşük kinetik hızlar

Anaerobik arıtma sistemlerinin aerobik arıtma sistemlerine göre Anaerobik arıtma sistemlerinin aerobik arıtma sistemlerine göre avantaj ve dezavantajları (Speece, 1996)avantaj ve dezavantajları (Speece, 1996)


Biyolojik olarak giderilebilir endüstriyel bir atıksu içinanaerobik sistemler –yoğun olarak kullanılan- aerobik sistemlere göre; •5-10 kat daha yüksek hacimsel yükleme hızına sahiptir.•Yüzde 80-95 daha düşük biyokütle sentezleme hızına sahiptir.•Yüzde 80-95 daha az besine gereksinim duyar.•Beslenmeden aylarca canlılığını sürdürür.•Havalandırmaya gerek duymaz bu da anaerobik olarak arıtılan her kg KOİ eşdeğeri organik kirlilik için 0,5-2,0 kw-saat enerji tasarrufuna denk düşer.•Arıtılan her kg KOİ eşdeğeri organik kirlilik için yaklaşık 3,6 kw-saat eşdeğeri metan gazı üretir.


Reaktör Hacmi (m3)Yüzey Alanı (m2)Enerji Gereksinimi (kw-saat/gün)Enerji Gideri (Dolar/yıl)Metan Gazı Üretimi (m3/gün)Metan Gazının Getirisi (Dolar/yıl)Atık Biyokütle Üretimi (ton/yıl)

Anaerobik

8448472015 7002 040150 000180

Aerobik

6 4351 3938 600188 200--1 800

4400 kg BOİ/gün’lük bir atıksuyun anaerobik (akışkan yataklı reaktör) ve aerobik olarak arıtımının

karşılaştırılması (Speece, 1996)


Anaerobik biyoteknolojinin endüstriyel atıksuların arıtımında çok fazla yaygınlaşamaması, bu atıksularda bulunan toksik maddelerin anaerobik bakterileri olumsuz yönde etkiliyerek, arıtım verimini düşüreceği ya da sistemi tümüyle işlemez hale getireceğine yönelik kaygılardan kaynaklanmaktadır. Ancak konu üzerindeki pekçok araştırma, doğru olarak doğru olarak tasarlanan/işletilentasarlanan/işletilen ve mikroorganizmaların toksik maddelere mikroorganizmaların toksik maddelere yeterince alıştırıldığıyeterince alıştırıldığı anaerobik sistemlerin toksik maddeler içeren endüstriyel atıksuları yüksek bir performansla endüstriyel atıksuları yüksek bir performansla arıtabildiğini göstermiştirarıtabildiğini göstermiştir

Ayrıca, anaerobik reaktörler (genleşen yataklı reaktörler -expanded bed reactors- gibi) atıksu karakteristiğine göre tasarlanıp işletildiği taktirde, anaerobik biyoteknolojide problemli sayılan düşük ısıdaki düşük ısıdaki (< 200C) ve seyreltik seyreltik (< 1000 mg/L KOİ) atıksuların arıtılabildiği de saptanmıştır


Alkolsüz İçeceklerPeynir ve süt ürünleri Et kesimi ve paketlemePetrokimyaPatates işlenmesiŞeker Kağıt Organik kimyasallarTekstilBira ve ŞarapZeytinyağı

Anaerobik arıtmanın kullanıldığı bazı endüstriler

Et PaketlemeNişastaAğaç İşlemeŞekerSüt ÜrünleriMezbahaBira MayasıDonmuş yiyecek Dondurma Hayvan yemi Protein


Reference: Hulshoff Pol L., Euler H., Schroth S., Wittur T. and Grohganz D. (1998) GTZsectoral project “promotion of anaerobic technology for the treatment of municipal and industrial wastes and wastewaters”. Proceedings 5th Latin-American Workshop -Seminar “Wastewater anaerobic treatment”, 27-30 October 1998, Vina del Mar, Chile.


Tüm dünyada yaygın olarak uygulanan ve üzerinde çok yoğun araştırmaların yapıldığı bu arıtma teknolojisi, ülkemizde halen çok sınırlı düzeyde uygulanmakta ve bu duruma paralel olarak, araştırma düzeyinde de sınırlı ölçekte çalışmalar yapılmaktadır.

Oysa, yukarıda açıklanan avantajları nedeniyle, bu prosese mutlaka ülkemizde de hak ettiği önemin verilmesi gerekmektedir.

DPT’nin Beş Yıllık Plan’larında da “arıtma tesislerinin yapımında ülke, bölge ve yerleşme koşullarına uygun teknoloji kullanımına özen gösterilmesi” gereğine işaret etmektedir


ÜLKEMİZDE ENDÜSTRİYEL ATIKSU ARITIMI

İmalat sanayi sektörü temel çevre göstergeleri, 1994-2004

Endüstriyel atıksu arıtma tesisine sahip olan işyerlerinin oranı (%)

1994 1995 1996 1997 2000 2004

17,4 19,5 20,1 22,3 27,6 N/A

T.C. Başbakanlık Türkiye İstatistik Kurumu, http://www.tuik.gov.tr/PreIstatistikTablo.do?istab_id=302

Bu rakamlar da ülkemizde ilk maliyet ve işletim anlamında ucuz, yüksek teknoloji, dışa bağımlılık ve işletimi için uzmanlık gerektirmeyen ayrıca değerli yan ürünler sağlayarak arıtım maliyetini azaltan endüstriyel atıksu arıtma yöntemlerine gereksinim olduğunu açıkça ortaya koymaktadır


KÜÇÜK ÖLÇEKLİ BİYOGAZ REAKTÖR TİPLERİ

Sabit Kubbeli Reaktör – Çin Tipi


Yüzer (Hareketli) Kubbeli Reaktör – Hint Tipi


ANAEROBİK REAKTÖR TÜRLERİ


Anaerobik arıtımın ülkemizde hak ettiği ilgi ve kullanım düzeyine ulaşabilmesine katkı sağlamak amacıyla 1997 yılından bu yana ODTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü'nde TÜBİTAK, DPT ve ODTÜ desteğiyle çeşitli projeler yürütülmüştür.

Bu projeler kapsamında ülkemizde hem ekonomiye katkı hem de çevre kirliliği potansiyeli anlamında oldukça önemli payı olan çeşitli endüstriyel/agro-endüstriyel sektörden (zeytin işleme ve zeytinyağı üretimi; tavuk ve yumurta üretimi; mezbahalar; kağıt endüstrisi; peynir üretimi; tekstil; ayçiçek yağı üretimi; ve alkollü içecek/viski üretimi) kaynaklanan atıksuların/atıklar ile evsel atıksu ve katı atıkların (organik bölümü) anaerobik arıtılabilirliği çalışılmıştır.


Atık Karakterizasyon ÇalışmalarıBiyokimyasal Metan Potansiyeli (BMPBMP) DeneyleriSürekli Reaktörlerde Arıtılabilirlik DeneyleriMetan Gazı Üretim Potansiyeli ve Yüzdesi Tayini

yapılmıştır.

Bu çalışmalar kapsamında yürütülen deneysel çalışmalarda

√ Anaerobic counterpart of aerobic BOD test.√ Cheap√ Not labor-intensive√ Can provide very valuable design if properly designed and conducted properly.√ Performed in batch reactors

Procedure:

√ Add Seed+Waste+Basal Medium√ Purge the reactors with a gas containing no O2 for 3-4 min.√ Incubate the bottles in the hot room at 35±20C.√ Measure the daily produced biogas by a simple water displacement device

Concentration(mg/L)

NH4ClMgSO4.7H2OKClNa2S.9H2OCaCl2.2H2O(NH4)2HPO4FeCl2.4H20CoCl2.6H20KIMnCl2.4H20CuCl2.2H20ZnCl2AlCl3.6H20NaMoO4.2H2OH3BO3NiCl2.6H20NaWO4.2H2ONa2SeO3CysteineNaHCO3

120040040030050804010100.50.50.50.50.50.50.50.50.510

6000

Biyokimyasal Metan Potansiyeli (BMP) Deneyleri

BMP bir atıksuyun anaerobik olarak arıtılabilirliğinin metan üretimi cinsinden belirlenmesi ilkesine dayanır.


Zaman (gün)

0 10 20 30 40 50

Top

lam

Ga

z Ü

retim

i (m

L)

0

200

400

600

800

Kontrol2765 mg/L KOI8295 mg/L KOI13825 mg/L KOI27650 mg/L KOI

Zeytinyağı üretimi atıksuları

Zaman (gün)

0 10 20 30 40 50 60 70

Top

lam

Gaz

Üre

timi (

mL)

0

100

200

300

400

500

600

700

Kontrol5525 mg/L KOI11050 mg/L KOI22100 mg/L KOI

Peynir üretimi kaynaklı atıksular

Zaman (gün)

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75

Top

lam

Gaz

Üre

timi (

mL)

0

250

500

750

1000

1250

1500Kontrol1262 mg/L KOI3785 mg/L KOI6708 mg/L KOI12617 mg/L KOI17633 mg/L KOI

Tavuk (broiler) ve sığır gübresi

0

50

100

150

0 5 10 15 20 25 30 35

Zaman (gün)

Gaz Ü

retim

i (mL)

Kontrol

167 mg KOI

134 mg KOI

100 mg KOI

67 mg KOI

Mezbaha atıksuyu

TIME (days)

0 10 20 30

Cu

mu

lative

g

as

pro

du

ctio

n

(mL

)

0

100

200

300

400Malt viski atıksuyu

Bu çalışmalar kapsamında Biyogaz Üretim Verimleri Belirlenen kimi Atık ve Atıksular

Set 3 COD=53,500 mg/l no BM 35oC unacclimated

Time (days)

0 20 40 60 80 100

Cu

mu

lative

ga

s p

rod

uctio

n (

ml)

0

500

1000

1500

2000

2500

control100B:0C75B:25C50B:50C25B:75C0B:100C

Tavuk üretme çiftliği atıkları

Zaman (Gün)

0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44

Kü

mü

latif

Ga

z Ü

retim

i (m

L)

0

500

1000

1500

2000

2500

3000Kontrol4993 mg/L COD14987 mg/L COD29955 mg/L COD

Yemekhane Atıkları

ZAMAN (gün)

0 10 20 30 40 50 60

Gaz ü

retim

i (m

L)

0

20

40

60

80

100

120

140

KONTROL

4600 mg KOI/L

Ayçiçek yağı üretimi atıksuları

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

0 5 10 15 20 25 30

Zaman (gün)

Topla

m G

az Ü

retim

i (m

L)

Kontrol

2,276 gr kuru yaprak



Bahçe Atıkları


ELDE EDİLEN BAZI ÖNEMLİ SONUÇLAR:

Atık/Atıksu KOİ Giderim Verimi Metan Üretim Verimi (%)

• Zeytin işleme atıksuyu 85-96 57 m3 metan/ m3 atıksu

• Tavuk besleme çiftliği atığı 67-73 69-73 m3 metan/ m3 atık

• Mezbaha atıksuları 75 480-670 mL CH4/gr KOİ

• Kağıt Endüstrisi atıksuyu 93 (+ %54 AOX) -

• Peynir atıksuyunun 95-97 45330 mL CH4/gr KOİ

(peyniraltı suyu)

Tekstil Atıksuyu 80 (+ %59 renk) -

Malt Viski Atıksuyu 96 -


HIGH-RATE REACTORS IN ANAEROBIC TREATMENT

What is high rate ?HRT < 10 daysSRT/HRT ≥ 5-100MLVSS Conc.: ≥ 10 g/LOLR ≥ 5 g/L.day

All modern high rate anaerobic processes are based on the concept of retaining high viable biomass by some mode of bacterial sludge immobilization. These are achieved by one of the following methods:

► Formation of highly settleable sludge aggregates combined with gas separation and sludge settling, e.g. upflow anaerobic sludge blanket reactor and anaerobic baffled reactor.

► Bacterial attachment to high density particulate carrier materials, e.g. fluidized bed reactors and anaerobic expanded bed reactors.

► Entrapment of sludge aggregates between packing material supplied to the reactor, e.g. downflow anaerobic filter and upflow anaerobic filter.


Anaerobic Filter

• An attached growth process

• Inert support medium for biofilm is present

• Compressed version of Expanded and Fluidized Bed Processes

• In use as from 1950’s


Advantages of AF?

• Providing high biomass concentrations in reactor(High Values of X and SRT)

• High treatment efficiency in wastewaters that high organic strenght (1000-20000 mg/L)(1) and low suspended solid conc.

• Small reactor volumes w.r.t suspended growth reactors.

• Relatively stable operation under variable feed conditions, toxic shocks

• No mechanical mixing required

• Applicable in variety type of wastewaters


Disadvantages

• SS Accumulation may negatively impact reactor hydraulics and internal mass transfer

• Clogging problem

• Limited access to reactor interior

• In case of low HRT values, reduced equalizaiton capacity

• Cost of inert packing material


ANAEROBIC EXPANDED OR FLUIDIZED BED REACTORS

• Expanded/fluidized bed reactors have much larger surface area per unit reactor volume, which increases the reactor micro-organism concentration

• The expanded bed and fluidized bed reactors have more surface area per reactor volume for biomass growth and better mass transfer than the up-flow bed reactor

• The anaerobic expanded bed reactor uses a fine-grain sand to support biofilm growth


• A specific surface area of 3000 m2 / m3 has been reported for fluidized bed reactor and the concentration of the microorganism of 30 g/L have been measured in anaerobic processes

• In the upflow attached growth anaerobic expanded bed reactor (AEBR) process the packing material is generally silica sand with a diameter in the range of 0.2 mm to 0.5 mm and specific gravity of 2.65

• For operation with about 20 percent bed expansion, an upflow velocity of about 2 m/h is used

• The smaller packing provides a greater surface area per unit volume, theoretically supporting a greater amount of biomass growth


The advantages for the anaerobic FBR process

• ability to provide high biomass concentration and relatively high organic loadings

• high mass transfer

• ability to handle shock loads due to its mixing and dilution with recycle

• minimal space requirements

The disadvantages for the anaerobic FBR process

• The process is best suited for soluble ww due to its inability to capture solids

• Care must also be taken in the inlet and outlet designs to assure good flow distribution

• pumping power required to operate the fluidized bed, the cost of reactor packing

• the need to control the packing level and wasting with biogrowth, and the length of start-up time


Performance data for Anaerobic FBRs

wastewater Temp 0CCOD loading

kg/m3.dDetention time

hourCOD removal

Citric acid 35 42 24 70

Starch, whey 35 8.2 105 99

Milk 37 3-5 18-12 71-85

Molasses 36 12-30 3-8 50-95

Glucose 35 10 12 95

Sulfite,pulp 35 3-18 3-62 60-80


Upflow Anaerobic Sludge Blanket (UASB) Reactor

• Anaerobic granular sludge bed technology for the "high rate" anaerobic treatment of wastewater was initiated with UASB reactors.

• High rate anaerobic wastewater treatment is not limited to removal of bulk organic pollution in wastewater. Other applications: sulfate reduction for the removal and recovery of heavy

metals and sulfur denitrification for the removal of nitrates bioremediation for the breakdown of toxic priority pollutants

to harmless products


•UASB technology is being used extensively for effluents from different sources such as distilleries, food processing units, tanneries and municipal wastewater.

•The active biomass in the form of sludge granules is retained in the reactor by direct settling for achieving high MCRT thereby achieving highly cost-effective designs.

•A major advantage is that the technology has comparatively less investment requirements when compared to an anaerobic filter or a fluidized bed system.

•Among notable disadvantages, it has a long start-up period along with the requirement for a sufficient amount of granular seed sludge for faster startup.

•Moreover, significant wash-out of sludge during the initial phase of the process is likely and the reactor needs skilled operation.


Working Principles• Wastewater is distributed into the tank at appropriately spaced inlets.

• The wastewater passes upwards through an anaerobic sludge bed. The microorganisms form granules (pellets) of 0.5 to 2 mm diameter that have a high sedimentation velocity and thus resist wash-out from the system even at high hydraulic loads.

• The sludge blanket above the sludge bed, provides further treatment to the wastewater passed from the sludge bed due to channeling, and will help in maintaining stable effluent quality.

• The upward motion of released gas bubbles causes hydraulic turbulence that provides reactor mixing without any mechanical parts.

• At the top of the reactor, there is a three-phase separator (also known as the Gas-Liquid-Solid (GLS) separator) which separates the solid particles from the liquid and gas, allowing liquid and gas to leave the system.The three-phase-separator is commonly a gas cap with a settler situated above it. Below the opening of the gas cap, baffles are used to deflect gas to the gas-cap opening.


Wastewaters Treated by UASB

• Industrial wastewaters Breweries and beverage industry Distilleries and fermentation industry Food Industry (e.g. Sugar beet, potato) Pulp and paper millThese four industrial sectors account for 87% of the applications.

Others: chemical and petrochemical industry effluents textile industry wastewater landfill leachates Note: Not very suitable for dairy and slaughterhouse wastes due to

loss of fine solids and washout.

• Domestic wastewaters (in warm climates)


Expanded Granular Sludge Bed (EGSB)

• EGSB can be taught as a vertically stretched version of the UASB reactor

• In order to improve the sludge-wastewater contact and use the entire reactor volume efficiently a better influent distribution was required

• Different feed inlet devices, more feed inlet points per square meter or higher superficial velocities have been proposed as solutions


Application Areas

• For the waters with 2-5 kg/m3 COD concentration with low solid content

• At higher velocity the solids particle could not entrapped by biomass so it passes through the bed resulting low solids removal

• Food, brewery, and slaughterhouse and even in domestic wastewater treatment


Characteristics of different reactor types

Anaerobic reactor type

Start up period

Channelling effect

Effluent recycle

Gas solid separation

device

Carrier packing

Typical loading rates (kg COD/ m3.day)

HRT (d)

CSTR - Not present Not required Not required Not essential 0.25-3 10-60

Contact - Non-existent Not required Not required Not essential 0.25-4 12-15

UASB 4-16 Low Not required Essential Not essential 10-30 0.5-7

Anaerobic filter

3-4 High Not required Beneficial Essential 1-20 0.5-12

AFBR 3-4 Non-existent Required Beneficial Essential 1-100 0.2-5

AFB: Anaerobic Fluidized Bed Reactor

anaerobik aritim

Documents

verimi kabul

fluidized

anaerobic

anaerobik

kg ko

high rate

na sahiptir

biomass growth