[acemi_caylak]

Arıtma Çamurlarının Anaerobik Olarak Çürütülmesi

Arıtma tesislerinde oluşan çamurlarlı stabilize etmek (organik madde miktarını azaltmak ve patojenleri öldürmek) için en çok kullanılan yöntem anaerobik çürütmedir.

Anaerobik çürütme bir çok mikrobiyal proses icermekte olup, sonuç olarak organik maddeler CO2 ve metan (CH4)’a dönüşür.

İşletme koşullarına bağlı olarak, çamurların anaerobik çürütülmesi sonucunda %35-60 uçucu katı giderimi sağlanabilir.

Anaerobik çürütmeden sorumlu canlılar bakteriler ve metanojenik arke lerdir (Archaea türü).

Anaerobik arıtım prosesi, çamurların arıtımına ilave olarak özellikle organik içeriği yüksek endüstriyel atıksuların arıtımında da kullanılmaktadır.

Anaerobik çürütmenin, aerobik çürütmeye kıyasla bir çok avantajı vardır;

1- Anaerobik çürütmede elektron alıcısı CO2 dir. CO2 atıksuda mevcut olup dışarıdan sağlanması gerekmez. Fakat aerobik çürütmede, elektron alıcısı olarak oksijen (O2) kullanılmakta olup sisteme oksijenin verilmesi gerekir. Bu ise aerobik çürütmeyi pahalı bir sistem yapmaktadır.

2- Anaerobik arıtım sonucunda üretilen bakteri miktarı, aerobik arıtıma kıyasla 3- 20 kat daha azdır. Bunun nedeni ise; anaerobik arıtım sonucunda üretilen enerjinin aerobik arıtıma kıyasla cok düşük olmasıdır. Aerobik ortamda, bakterilerin kullanıldığı organik maddenin yaklaşık %50’si biyokütleye dönüştürülür. Anaerobik ortamda ise, kullanılan organik maddelerin sadece %5’i biyokütleye dönüşür. Örneğin, 1 ton KOİ’nin anaerobik arıtımı sonucunda 20-150 kg biyokütle oluşurken, aerobik ortamda ise; 400-600 kg biyokütle oluşur.


3-Anaerobik arıtım sonucunda üretilen metan gazı, yanabilen bir gaz olup enerji üretimi için kullanılabilir. 9000 kcal/m3 metan enerji üretilir.

4- Anaerobik arıtımda enerji gerekimi daha azdır.

5- Anaerobik arıtım özellikle konsantre endustriyel atıksuların arıtımı için uygundur.

6- Anaerobik reaktörler uzun süre besinsiz kalsa da anaerobik bakteriler aktivitelerini kaybetmezler.

7- Aerobik olarak arıtımı zor olan klorlu organik bileşiklerin bazıları, anaerobik ortamda arıtılabilir.

Sayılan avantajlarının yanı sıra, anaerobik çürütme prosesinin bazı dezavantajları da vardır;

1- Aerobik proseslerden daha yavaştır.

2- Toksik bileşikler ile sistemin bozulması daha kolay olabilir.

3- Sistemin işletmeye alınması (düşük bakteri üretimi nedeniyle) uzun zaman alabilir.

4- Xenobiotik bileşiklerin (zehirli) anaerobik şartlarda redüktive olarak indirgenmesi için gereken organik madde miktarı, aerobik şartlara xenobiotik bileşiklerin kometabolizma ile arıtımı için gereken organik madde miktarından daha fazladır.

Anaerobik Çürütme Prosesi

Tek Aşamalı (single-stage) Çürütme
Anaerobik çürütücüler, büyükfermentasyon tankları olup, sistem; atıksu giriş cıkışı ve gaz toplama sisteminden meydana gelir.

Tek aşamalı çürütücüler karıştırılmaz.
Bu sistemde çamur arıtımı ve çökelmesi aynı tankta gerçekleşir.
Tanktaki çamurda çökme sonucunda, çeşitli fazlar oluşur; çürümüş çamur, aktif olarak çürümekte olan çamur, üst duru faz, köpük tabakası ve gaz.

Çamurun sürekli olarak karıştırıldığı ve ısıtıldığı iki aşamalı sistemlerin verimi daha yüksektir.



İki Aşamalı (Kademeli) Çürütücü
Bu tip çürütücülerde iki tank arka arkaya kullanılır. İlk çürütücü, sürekli olarak karıştırılır ve ısıtılır. Boylece, çamurun en uygun koşullarda çürümesi sağlanmış olur. İkinci tankta ise, çamurun çökmesi ve çekilerek sistemden uzaklaştırılmadan önce depolanması amaçlanır.

İki kademeli sistemler, daha etkili olup, daha yüksek çamur yüklemeleri ve düşük hidrolik bekletme zamanlarında sistemin çalıştırılması mümkündür.



Proses Mikrobiyolojisi
Anaerobik çürütme bircok aşamadan meydana gelen ve bircok bakteri ile metanojenik arkelerin sorumlu olduğu bir prosestir.

Proseste, bir çok bakteri birbirleriyle etkileşim içinde olup, bir grup bakterinin varlığı, başka bir grup bakteri tarafından üretilen ürüne bağlıdır.

Anaerobik çürütme çok genel olarak aşağıdaki formül ile özetlenebilir;

Organik Madde --> CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S

Bazı protozoa ve mantarlar anaerobik reaktörlerde gözlense de, genel olarak bakteri ve metanojenik arkeler sistemde dominant mikroorganizmalardır.

Anaerobik olarak çamurların çürütülmesi işleminde ilk basamak olan hidroliz ve fermentasyon aşamasından sorumlu birçok zorunlu anaerobik ve fakültatif anerobik bakteri (Bacteroides, Bifidobacterium, Clostridium, Lactobacillus, Streptcoccus) görev yapar.

Çamurların anerobik olarak çürütülmesinde dört grup organizma gorev yapar ve bu organizmalar birbirleriyle synerjistik ilişki içindedir.


Hidroliz Bakterileri
Bu gruptaki bakteriler kompleks organik moleküllerin (protein, seluloz, lignin, yağ) amino asit, glikoz, yağ asidi ve gliserol gibi monomer moleküllere dönüştürülmesinde görev alırlar. Oluşturulan monomerler bir sonraki bakteri grubu için besin kaynağı görevini görür.
Kompleks moleküllerin hidrolizinde hücre dışı enzimler görev alırlar. En önemlileri; selülaz (cellulases), proteaz (proteases) ve lipaz (lipases).

Hidroliz basamağı oldukça yavaş olup, kompleks atıkların (özellikle selüloz ve lignin içeren atıkların) anaerobik çürütülmesinde hidroliz basamağı hız sınırlayan basamaktır.



Fermentatif Asidojenik Bakteriler
Asidojenik (asit üreten) bakteriler (Clostridium gibi) şeker, amino asit ve yağ asitlerini organik asitlere (asetik, formik, laktik, butrik **** succinic asit), alkollere ve ketonlara (etanol, metanol, gliserol, aseton), asetat, CO2 ve H2’ye dönüştürur.

Oluşan ürün bakteri ceşidine ve işletme koşullarına bağlı olarak değişir.

Asetojenik Bakteriler
Syntrobacter wolinii ve Syntrophomonas wolfei gibi asetojenik bakteriler, yağ asitlerini (propiyonik asit ve bütürik asit gibi) ve alkolleri asetat, hidrojen ve CO2’e dönüştürür. Bu ürünler metanojenik arkeler tarafından kullanılır.

Yağ asitlerinin dönüşümü için düşük H2 konsantrasyonları gereklidir. Yüksek H2 basınçlarında, asetat üretimi azalarak substrat propiyonik asit, bütürik asit ve etanole dönüşerek metan üretimi düşebilir.

Asetojenik bakteriler ile metanojenik arkeler arasında simbiyotik bir ilişki vardır. Metan üreten bakteriler, H2’ni kullanarak H2 basıncını azaltır. Boylece, asetat üretimini arttırır.

Online olarak, ucucu yağ asitleri ve H2 ölçülerek, anaerobik reaktorün performansı izlenebilir.

Aşağıdaki reaksiyonlarla; etanol, propiyonik asit ve bütürik asit, asetojenik bakteriler tarafından asetata dönüştürülür.

Ethanol + Su --> Asetik Asit + Hidrojen
CH3CH2OH + H2O --> CH3COOH + 2H2

Propiyonik Asit + Su --> Asetik Asit + Karbon Dioksit + Hidrojen
CH3CH2COOH + 2H2O --> CH3COOH + CO2 + 3H2

Bütürik Asit + Su --> Asetik Asit + Hidrojen
CH3CH2CH2COOH + 2H2O --> 2CH3COOH + 2H2

Asetojenik bakteriler, metanojenik bakterilerden çok daha hızlı çalışır.

Metanojenler
Metanojenik bakteriler anaerobik ortamlarda bulunur ve organik asitleri kullanarak metan gazı üretir.

Metanojenik bakteriler oldukça yavaş büyüyen arkelerdir. Metanojenik bakterilerin generation zamanı (ikilenme zamanı) 35 °C’de 3 gün, 10 °C’de ise 50 gündür.

Metanojenler, sadece bazı substratları kullanabilirler. Bunlar; asetat, H2,CO2, format, metanol ve metilamin.

Bütün bu substratlar mthylCoM (CH3-S-CoM)’e indirgenir ve bu madde MthylCoM redüktaz enzimi ile metan (CH4) gazına dönüştürulur.

Metanojenler iki alt gruba ayrılırlar.
1. Hidrojen kullanan kemolitotrofik metanojenler: Bu grup bakteriler hidrojen ve karbondioksit kullanarak metan üretirler.

CO2 + 4H2 --> CH4 + 2H2O

Bunlar ototrofik olup, karbon kaynağı olarak CO2’i, enerji kaynağı olarak da hidrojeni (H2) kullanırlar.

2. Asetotrofik metanojenler: Methanosarcina, Methanothrix ve Methanosaeta bu gruba giren önemli metanojenlerdir. Genellikle üretilen metanın 2/3’ü asetatın substrat olarak kullanılması sonucu üretilir. Kalan 1/3’u ise CO2 ve hidrojenin kullanılması sonucu üretilir.
Metanojenler, arke adı verilen ayrı bir alem içersinde sınıflandırılmakta olup; arkeler bakterilerden aşağıdaki özellikleriyle ayrılır;
- Arkelerin hücre duvar yapısı bakterilerden farklıdır. Örneğin, metanojenlerin hücre duvarında peptoglikan tabakası bulunmaz.
- Hücre zarı yapısı bakterilerden farklı olup, eter bağlarıyla gliserole birleşmiş hidrokarbon zincirlerinden oluşur.
Metanojenler özel bir ko-enzim olan F420’ye sahip olup metabolizimde bu koenzim elektron taşıyıcı olarak davranır. Metanojenler ayrıca, nikel içeren özel bir koenzim olan F430’a da sahiptir.
- Metanojenler, zorunlu anaerob bakteriler olup oksijen yokluğunda yaşarlar. Bu nedenle, dip çamurlarda, düzenli depolama sahalarında, anaerobik çürütücülerde bulunur. Metan üretiminde anahtar bir rolü olan metil koenzim M (methyl coenzyme M) görev alır.
- Metanojenlerin ribozoma ait RNA baz dizisi bakteri ve ökaryotlardan farklıdır.

Anaerobik Çürütmede Verimini Etkileyen Faktörler
Anaerobik çürütmenin verimi; sıcaklık, pH, bekleme zamanı, kimyasal kompozisyon, sülfat indirgeyen ve metan üreten bakteriler arasındaki yarış ve toksik madde varlığı gibi faktörlerden etkilenir.

1-Sıcaklık: Metan üretimi doğada 0 ile 97 °C arasında gözlenmiştir. Her nekadar psikrofilik (düşük sıcaklıkta yaşayan bakteriler) metanojenler izole edilememiş ise de; 50-75 °C’de yüksek sıcaklıktaki su kaynaklarında yaşayan metanojenlere rastlanmıştır.

Methanothermus fervidus İzlanda’da 63-97 °C arasında ki bir sıcak su kaynağında bulunmuştur.

Atıksu arıtma tesislerinde, anaerobik çamur çürütme işlemi mezofilik sıcaklık aralığında gerçekleştirilmekte olup genellikle 25-40 °C arasında gerçekleştirilir. Mezofilik anaeroblar için optimum sıcaklık ise; 37 °C’dir.

Termofilik anaerobik çürütme ise 50-65 °C arasında gerçekleştirilmektedir. Termofilik anaerobik çürütücüler, mezofilik çürütücülerden daha yüksek organik yükleme hızlarında çalıştırılabilmektedirler. Ayrıca, patojen bakteri giderim verimleri, mezofiliklere kıyasla çok daha iyidir. En önemli dezavantajları ise, toksik maddelere karşı oldukca hassastırlar.

Asidojenik (asit üreten bakteriler) bakterilere kıyasla, metan üreten bakteriler çok daha yavaş büuyüdükleri için sıcaklık değişimlerinden çok cabuk etkilenebilirler. Sıcaklığın düşmesiyle, metan üreten bakterilerin büyüme hızları düşmesinden dolayı, ortamda bulunan uçucu yağ asidi konsantrasyonu da artar. Dolayısıyla, iyi bir performans için mezofilik çürütücüler, 30-35 °C arasında işletilmelidir.

2-Bekleme zamanı: Gerekli olan hidrolik bekleme zamanı, atıksu karakteristiğine ve sıcaklığa bağlı olup, optimum performans için hidrolik bekletme zamanının yeteri derecede uzun olması gerekmektedir. Bakterilerin bir yüzeye yapışarak büyüdüğü biyofilm çürütücülerde bekletme zamanı yaklaşık 10 gün iken, askıda büyümenin gerçekleştiği klasik çürütücüler daha uzun bekletme zamanlarına ihtiyaç duyarlar (10-60 gün). Mezofilik ve termofilik çürütücüler için en çok tercih edilen bekletme zamanları ise 25-35 gün arasında değişir.

3-pH: Bir çok metanojenik bakteri pH 6.7-7.4 arasında calışmakta olup, optimum pH 7-7.2 arasıdır. Metanojenlerin aktiviteleri, pH 6 civarında tamamen durabilir. Anaerobik çürütücülerde, asit üreten bakterilerin gelişmesi pH değerlerinin düşmesine neden olmaktadır. Normal koşullarda, metan üreten bakteriler tarafından bikarbonat üretilerek bu asit nöralize edilir. Kötu çevresel koşullarda ise; bu notralizasyon hadisesi tamamen kötü etkilenerek, metan üretiminin durmasına neden olabilir.

Asit, asit üreten bakterilere kıyasla, metan üreten bakterilere çok daha zararlıdır. Uçucu yağ asidi konsantrasyonundaki artış, sistem performansının olumsuz şekilde etkilendiğini ve sistemin durma eğilimine gireceğinin ön habercisidir.

Dolayısıyla, anaerobik reaktörlerde, uçucu yağ asidi ile toplam alkalinite oranı sistemin durumu hakkında önemli bilgi vermektedir. Yapılan çalışmalara göre bu oran 0.1 değerinin altında olması gerekmektedir.

Sistemde her zaman yeterli alkalinitenin olduğundan emin olabilmek için bazı durumlarda sisteme dışarıdan alkalinite verilir. Bu amaçla; kirec, sodyum hidroksit veya sodyum bikarbonat kullanılabilir.

4-Atıksuyun Kompozisyonu: Metanojenler; karbonhidrat, protein, yağ ve kompleks organik bileşiklerden metan gazı üretebilirler. Fakat lignin, parafin gibi bazı bileşikler anaerobik bakteriler tarafından zor parçalanırlar.

Anaerobik sisteme verilen atıksu nutrient bakımından dengeli olmalı, yani azot ve fosfat bakteri büyümesi için yeterli miktarda bulunmalıdır. İdeal bir anaerobik arıtım için sistemde karbon : azot : fosfat (C:N:P) oranı 700:5:1 olmalıdır. Fakat bazı araştırmacılar; atıksuda C/N oranının 25-30/1 civarında olması gerektiğini belirtmektedir.

İyonlaşmamış sülfit (H2S) her ne kadar metanojenlere toksik etki yapsa da kükürt anaerobik bakteriler için gerekli bir inorganiktir. Ayrıca, metanojenler kobalt, molibden, nikel gibi metallere de ihtiyac duyarlar. Yapılan çalışmalarda 10 μM nikel ilavesinin anaerobik çürütücüde metan üretimini önemli miktarda arttırdığı bulunmuştur. Ayrıca nikel ilavesi ile metanojenlerin asetat kullanım hızlarının 2 den 10 g asetat/(g.UAKM.gün)’e yükseldiği belirtilmiştir. Nikel, biyogaz üretiminde gerekli bir ko-faktor olan F430’un yapısında bulunmaktadır.

5-Metanojenler ve Sülfat İndirgeyen Bakteriler Arasındaki Rekabet: Metanojenler ve sülfat indirgeyen bakteriler elektron verici olarak kullanılan asetat ve hidrojen (H2) için yarışırlar.

Yapılan kinetik calışmalarda, sülfat indirgeyen bakterilerin asetat için Ks değerinin 9,5 mg/L olduğu, metanojenler için ise Ks değerinin 32,8 mg/L olduğu belirtilmiştir. Dolayısıyla, düşük asetat konsantrasyonlarında ortama sllfat indirgeyen bakteriler hakim olur ve asetatın kullanımından dolayı oluşan elektronlar sülfata giderek sülfatın indirgenmesine neden olur.
Metan üreten arkeler ile sülfat indirgeyen bakteriler arasındaki rekabetin galibini, KOİ/sülfat oranı belirler. KOİ/sülfat oranı 1.7-2.7 arasındayken her iki grup canlı arasında kıyasıya bir rekabet mevcut iken; bu değerin yükselmesi metan bakterilerinin düşmesi ise sülfat indirgeyen bakterilerin galibiyetiyle sonuclanır.

6-Oksijen: Metanojenler, zorunlu anaerobik olup, oksijenden olumsuz olarak etkilenirler. Fakat granül haldeki bakteriler, oksijenin toksik etkisine daha toleranslı olabilir.

7-Amonyak: İyonize olmamış halde (NH3) amonyak, sülfat üreten bakterilere oldukça toksik etki yapabilmektedir. Amonyak 1500-3000 mg/L arasında metan üreten bakterilere oldukca toksik etki yapabilmektedir. Yüksek pH değerlerinde iyonize olmamış amonyak kosantrasyonu artacağından pH amonyak toksisitesinde önemli bir etkendir.
NH4+ <--> NH3 + H+

8-Ucucu Yağ Asitleri: Nötral pH değerlerinde asetik ve bütürik asit gibi uçucu yağ asitleri metanojenlere toksik değildir. Propiyonik asit ise, hem metanojenlere hem de asit üreten bakterilere toksik etki yapmaktadır.

9-Sülfür: Sülfür anaerobik reaktorlerde en çok gözlenen toksik maddelerden biridir. Sülfat indirgeyen bakteriler tarafından üretilir. İyonize olmamış sülfür (H2S) yüksüz olduğu için hücre zarından kolayca geçebilir ve metanojenlere oldukca zararlıdır.

Yüklü sülfür bileşikleri ise (HS-, S-2) hücre zarından kolay geçemezler ve daha az zararlıdır. H2S’in oluşumu tamamen pH’ya bağlı olup, düşük pH değerlerinde H2S, yüksek pH değerlerinde ise HS- oluşur.

H2S <--> HS- + H+ <--> S-2 + H+