Çöplüklerden (Deponilerden) Enerji Elde Edilmesi

 

Prof. Dr. Ertuğrul ERDİN

DEÜ Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü

Bornova/İZMİR

 

Özet

 

Çevre Mühendisliği uygulamaları açısından bakıldığında metan gazı oluşumu ve sorunu, çok önemli yer işgal etmektedir. Atıksu arıtma tesisi çamurlarının ve çöplerin anaerobik stabilizasyonu sırasında metan gazı oluşmaktadır. Elektrik enerjisine dönüştürülebilen metan gazını teknik olarak kontrol altına alınıp değerlendirilmezse, zararsız hale getirilmezse ne zaman patlayacağı belli olmayan saatli bomba gibidir. Bu nedenle mühendislik uygulamalarında metan gazı oluşumu ve bunun kontrolü veya değerlendirilmesi çok önemli yer işgal etmektedir. Hiç bir zaman bunu küçümsemeye ve ihmal etmeye gelmez. Böyle bir ihmal veya önemsememe hem mal hem de can kaybına sebep olur. Bunun dünyada örneği sayısızdır.

 

Kontrol altına alınmayan, gelişi güzel çöplerin depolandığı bir daha hiç düşünülmeden ve ıslah edilmeden terk edilen çöplükler (eski deponiler) büyük tehlike ve potansiyel olarak önümüzde durmaktadır. Çöplüklerde sıkışan ve atmosferin havası ile karışan bu gaz günün birinde anidaen patlayabilir. Bu patlama facia denecek sonuçları da beraberinde getirebilir. Maalesef ülkemizde de 28 Nisan 1993 günü Ümraniye - Hekimbaşı çöplüğündeki yanardağ patlaması gibi gerçekleşen be deponigazı patlaması çok sayıda vatandaşımızın ölümüne maddi ve manevi değer kaybına sebep olmuştur. Çöplüklerde neden biyogaz oluşmaktadır bunu açıklamak gerekir.

 

Çöp depolanan yerlere biyolojik diye tanımladığımız kimyasal yapısında karbonhidrat, yağ, protein, selüloz, hemiselüloz, lignin ve aromatik, alifatik hidrokarbonların bulunduğu çöpler büyük çoğunluğu işgal etmektedir. Çünkü ülkemizde çok sebze ve meyve tüketilmektedir. Ülkemizin iklim koşulları özellikle kıyı kentlerimizde çok iyi olduğu için de bu maddeler içinde kolay ayrışabilir durumda olanlar çok çabuk ayrışmaktadır. Orta ve uzun vadede ayrışabilir olanlar da ayrışmaya 40 yıl boyunca devam etmektedir. O nedenle bu tür deponi alanları işletmeye kapatıldıkları yıldan itibaren 40 - 50 yıl daha mutalaka kontrol ve denetim altında tutulmalıdır. Deponi gazının potansiyel tehlikesi hiç bir zaman unutulmamalıdır. Gerek çöpler gerekse de evsel atıksu arıtma tesislerinde oluşan arıtma çamurları eğer önceden stabilize edilmemiş ve biyokimyasal aktivitileri durdurulmamışsa çöplüklerde anaerobik (oksijensiz ortamda) koşullarda bakteriler tarafından ayrıştırılarak metan gazına dönüştürülecektirler. Bu olayları Mühendislik eylemleri ile denetlemek ve kontrol altına almak gerekir. Olayın yönlendirilmesindeki Önemli Mühendislik Dizayn Parametreleri ise ;

 

Katı atıkların (biyoçöpün) ve diğer ayrışabilir maddelerin bekleme süresi,

Katı madde yükü ve türü (kolay ayrışabilir, orta derecede ayrışabilir ve zor ayrışablir organik maddelerin dağılımı)

Sıcaklık,

Uçucu katı madde , yanma kaybı (organik madde) giderimi,

Deponi, tank veya reaktör tasarımı.

 

 

Metan oluţurken meydana gelen biyokimyasal reaksiyonlara örnekler :

 

Polisakkarid, disakkarid, monosakkarid gibi karbonhidratların parçalanması önce gerçekleşir :

(C6H10O5)i -----> i x [ H2+kCO2+ 1(C4H9OH) + m(C2H6O) + n H2O ]

 

C4H9OH + H2O --------> 3 CH4 + CO2

C2H6CO + H2O --------> 2 CH4 + CO2

 

 

4 H2O + CO2 --------> CH4 + 2H2O

 

C6H10O5 + H2O --------> 3 CH4 + 3 CO2

 

Disakkaridler ise :

 

C12H22O11 + H2O ---------> C6H12O6 + C6H12O6

 

Monosakkaridler ise :

 

C6H12O6 ---------> CH2OH(CHOH)4.CHO

 

CH2OH(CHOH)4.CHO -------> CH3CH2CH2CH2OH + 2 CO2 + H2O

 

C4H9. OH + H2O --------> 3 CH4 + CO2

 

Organik yağlar da :

 

Serbest yağ asitlerine parçalanırlar;

 

C3H5(C17H35COO)3 + 3 H2O -----> C3H5(OH)3 + 3 C17H35COOH

Tristearin Gliserin Stearin asiti

 

Metan bakterileri hem gliserini hem de Stearin asitini metan ve karbondioksite indirgerler :

 

[ CH3(CH2)16 COOH ] + 8 H2O ------> 13 CH4+ 5 CO2

Buterikasit :

 

2(CH3CH2CH2COOH ) + 2 H2O -------> 5 CH4 + 3 CO2

 

Sirkeasiti :

 

CH3COOH --------> CH4 ++CO2

 

Gliserin :

 

4 [C3H5(OH)3 ] ---------> 2 H2O + 7 CH4 + 5 CO2

 

 

Proteinler :

 

Hidroliz sırasında üre ve amonyağa, karbondioksit ve hidrojensülfüre kadar parçalanırlar :

 

Üre : CO(NH2)2 + H2O ------> CO2+ 2NH3

 

Glyan : 4(CH2NH2.COOH) + 2 H2O ---> 3CH4 + CO2 + 4 CO2 + 4NH3

 

Alanin : 2(CH3CHNH2.COOH) + 2H2O -----> 3CH4 + CO2 + 2 CO2 + 2NH3

 

Açığa çıkan amonyak çamur suyunda çözünür ve bakteriler tarafından yeni hücre sentezlerinde azot kaynağı olarak kullanılır. Bu nedenle de bu sistmede azot kaybı görülmez.

 

Çürümekte olan çamurda organik besin maddeleri bakteriler için ya çözünmüţ olarak ya da katı fazda bulunurlar. Bakterilerin aktivite gösterebilmeleri ve yaşayabilmeleri için "yerleşim veya temas alanına ihtiyaç duyarlar; yani sıvı içinde belirli miktarda katı maddeye " ihtiyaçları vardır. Katı madde miktarı % 1 'den az olması halinde ayrışma mümkün değildir. Optimal katı madde miktarı % 2 - 9 arasındadır.

 

Çürümekte olan substrat organik maddeleri ile birlikte bakteriler için besiyeri oluşturmaktadırlar.

 

Anaerobik reaktörlerdeki metan oluşturucu bakteriler ve belli başlı türleri aşağıda verilmiştir :

 

Methanobacterium proponicum

Methanobacterium soehngenii

Methanobacterium suboxydans

Methanobacterium ruminatium

Methanobacterium formicium

Methanobacterium omelianskii

Methanococcus veniellii

Methanococcus mazei

Methanococcus barkeri

Methanosarcina methanica

 

Bu metan bakterilerinin metabolizmaları için en uygun faaliyet alanı sıcaklık parametresi açısından 20 - 40oC' dir. 2 - 3oC gibi bir sıcaklık sapması metabolizmalarını olumsuz etkilemektedir.

 

Mezofiller için optimum sıcaklık 30 - 35oC iken ; termofiller için ise 45 - 55oC civarındadır.

 

Metan bakterileri, asit oluşturucularla birlikte simbiyoz halinde yaşar, asit oluşturucular ortamın oksijensiz olmasını sağlar ve metan bakterileri için uçucu yağasitleri, alkol, aldehid v.b. gibi kendileri için esas olan besin maddelerinin oluşmasını sağlar.

 

Asit oluşturucuların salgıladıkları enzimler protein ve aminoasitlerinden amonyum tuzlarının , diğer bir deyişle metan bakterilerine azot kaynağının oluşmasını sağlarlar. Buna karşılık metan bakterileri de, asit oluşturuculara toksik etki yapabilecek metabolizmalarının atığını besin maddesi olarak kullanıp gazlaştırarak bertaraf eder ve zararsızlaştırmış olur.

 

Karbonat Reduksiyonu ile Metan Oluţumu :

 

Metan organik maddelerin anaerobik ayrışması sırasında oluşmaktadır. Yaklaşık olarak tüm dünyadaki ayrışmalar sırasında atmosfere ayrışan maddelerin %1 ile 1.5 kadarı metan olarak geçmektedir. Daha sonra hidroksil radikalleri (OH*)

CO üzerinden CO2'ye dönüţtürülmektedir. Çubuksu ţeklindeki Methanobacterium, koklar (Methanococcus) , sipirilyum ţeklinde olan Methanospirilliumlar metan bakterilerinin belli başlılarıdır. Metan oluşturan bakteriler zorunlu anaerob bakterilerdir. Oksijene karşı çok duyarlı oldukları için ancak oksijensiz ko-şullarda aşılanabilir veya izole edilebilirler. Anaerobik beslenme zincirinin de son halkasını oluştururlar.Metan bakterileri hidrojeni aktifleştirebilmek-tedirler . CO2 hidrojen alıcısı olarak kullanılmakta ve metan üretilmektedir.

 

4H2 + CO2-------> CH4+ 2H2O; G0 = -131 kJ/mol

 

Bazı metan bakterileri CO'uyu da metan dönüştürmektedir.

 

4 CO + 4H2O---------> 4CO2+ 4H2

CO2+ 4H2 ---------> CH4+ 2H2O

-------------------------------------------

4 CO + 2H2O --------> CH4+ 3CO2

 

Metanlaştırma yöntemi Çevre Teknolojisinde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Gerek çöplükler gerekse de arıtma tesisileri için çok önemli bir temel işlemdir.

 

Karbonat Redüksiyonu ile Asetat Oluşması :

 

Metan olusan çok yerde sirke asiti (asetikasit ) oluţmaktadır. Asit oluşturucu bakteriler çürütme reaktörlerinde karbondioksiti moleküler hidrojenle aşağıdaki gibi dönüştürmektedirler :

4H2+ 2CO2 ----------------> CH3-COOH + 2H2O

 

Metan bakterileri için uygun yaşam koşulları ;

 

- Bakteriler için yeterli miktarda tutunma yüzeyinin bulunması gerekir,

 

- Yeni hücrelerin oluşturulması ve inşaası için yeterli miktarda azotun bulunması,

 

- Reaktördeki pH değerinin 7.0 - 7.6 arasında olması gerekmektedir.

 

- Metan bakterileri için substrat (S) sirkeasiti cinsinden organik asit olarak konsantrasyonu 500 - 1500 mg/l dolayında olmalıdır.

 

- Reaktörün sıcaklığı mutlaka > 3 C olmalıdır.

 

- Karanlık ortam , ışık yaşamlarını felce uğratabiliyor.

 

- Ortamda oksijen kesinlikle bulunmamalıdır,

 

- Minumum su miktarı da % 50 olmalıdır

- Asitleştirme ve metanlaştırma fazının içiçe olması ve pH'nın asitik sahaya kaymaması gerekir

 

- Kükürtün de miktarı > 200 mg/l olmamalıdır.

 

- Çürüme kademesinde elde edilen , parçalama ve metabolizma ürünlerinin konsantrasyonu metan bakterileri için yeterli düzeyde olmalıdır.

 

- Substrat'daki besin maddesinin sunuluţu,

 

- Besin maddesi bakteri arasındaki temas sıklığı ve

( K= x/S = M/F = Cb/Cs )

 

- N/C oranı da önemlidir. Fazla bulunması halinde ise ortamda amonyak oluşu ve pH değeri yükselir; bu da bakteri gelişmesini engeller. Bakteri hücresinin yapısı için en azindan 7 mg N/g organik madde gereklidir.

( Karbon dengesi = Co/Fo = Organik karbon / organik madde = 0,53)

1 g ayrışabilir çamurun azot ihtiyacı 7 mg olduğuna göre; 1 l çamurda 60 g katı madde bulunduğunu kabul edersek , ayrıca da bunun ancak 15 g'ı ayrşabilir olursa

o zaman : 7 x 15 = 105 mg N ihtiyacı var demektir. N/P ise 7:1 olmalıdır.

 

Karbonun yanısıra azot da mikroorganizmaların en önemli yapı taşları olduğu için; organikmaddelerin parçalanması substratda yeterli miktarda alınabilir azotun bulunmasına bağlıdır.

 

N/C oranı küçük olursa , o zaman N eksikliğinden dolayı mikroorganizmaların gelişmesi engellenir.

 

N/C oranı büyük olursa karbonlu maddenin parçalanması , enerji üretimi az olacağından engellenir. Azotun fazla bulunması , amonyak oluşmasına ve ortamın pH'sının artmasına neden olur. Azot en azından , 7 mg N / g organik madde olarak bulunmalıdır.

 

Besin maddesinin fazla bulunması erişilebilecek nihai bakteri sayısına hızlı bir şekilde ulaşmayı sağlar. Besin maddesi eksikliği ise , bakterilerin gelişmesini engeller.

 

İki çürütme kademesinde gerçekleşen bakterilerin ayrıştırma faaaliyetleri, iki ön koşula bağlıdır :

 

1. Birinci kademenin çürütme bakterileri , metan bakterilerinin enerji ve madde metabolizmaları için yeterli miktarda ayrişma ürünü ortama verebilmelidirler.

 

2. Metan bakterilerinin yaşam koşulları , o şekilde olmalı ki, bakteriler ayrışmadan sonra oluşan parçalanma ürünlerini , birinci kademedeki oluşum hızı ile oluştuğu gibide parçalasınlar.

 

Substrat içinde ne kadar çok organik madde bulunursa , asit üreten bakteriler de o kadar çabuk gelişirler. Bu da 1. fazda ara ürünlerin yığıılmasına ve böylece de çürütme kulesinde , asit konsantrasyonunun artmasına ; pH değerinin düşmesine neden olur. Üretilen asitlerin fazla oluşu, ortamın metan bakterilerin yaşaması için elverişli olmayan bir hale gelmesine neden olur.

 

Besin maddesi sunusu güvenceye alınırken ; organik madde miktarını o kadar iyi vermeli ki , asit oluşturucuların aşırı gelişmesi engellensin. (Çürütme hacmine karşı organik yük ayarlaması). Optimal koşullarda çürütme odası yükü : 10 kg organik kuru madde / m3. gün olabilir. Kötü koţullarda ise 5 kg/m3.gün değeri sağlanabilir. (Bak Tablo 1).

 

Tablo 1: Hayvansal dışkıların anaerobik çürümesinde çürütme hacmi yükü ve bekleme süresi

------------------------------------------------------------------------------

Dışkı turü Hacimsel yük (kg OKM/m3.Gün Bekleme süresi (Gün)

------------------------------------------------------------------------------

Süt inekleri 6.0 15

Besi hayvanları 4.5 10

Domuzlar 3.0 10

Yumurta tavuğu 1.5 50

------------------------------------------------------------------------------

 

Organik hacimsel yük ile substrat katı maddesi arasında doğrudan doğruya bir ilişki vardır. Çünkü katı maddenin belirli oranı organik maddelerden oluşmaktadır.

İnorganik madde oranı fazla olan bir katı madde içeren çamur , asit oluşturan bakterilere az besin maddesi sunarken ; katı madde miktarı az , fakat çoğunlukla organik maddeden oluşan bir çamur bakterilere daha fazla besin maddesi sunmaktadır. Bu nedenle de " organik hacimsel yük " daha büyük önem kazanmaktadır.

Biyogaz tesisilerinin ekonomik kalmasını sağlamak için çürütme odası kapasitesini optimal kullanabilmek bakımından ; çamurun katı madde miktarı olabildiğince artırılmalıdır.

Çürütülecek madde ile onu çürütecek olan mikroorganizma arasına iyi dostluk kurmak ve sık sık biraraya gelmelerini sağlamak gerekir. Bu temas süresi prosesin yürümesi ve gerçekleşmesi açısından çok önemlidir.(K= Cb/Cs ). Temas süresisnin en iyilenmesi halinde , çok daha fazla gaz elde etmek mümkündür.

K=10 ile sürekli beslenme halinde en yüksek k (reaksiyo sabiti) değeri elde edilmektedir. Bu temas oranında da anaerobik organizmalar en büyük aktivite değerine sahip olmaktadırlar. Bu oran aşıldığında , bakterilerin metabolizma aktiviteleri a) hacim darlığı, b) besin noksanlığı, c) toksik metabolizma ürünlerinin etkileri ile engellenmektedir.

 

Yaş sistemli hayvan ahırlarında saman ile dışkıların karışımı uygun N/C oranının oluşmasını sağlar.(Bak Tablo 2)

 

Tablo 2: Bazı atıklardaki % olarak N- miktarı ve N/C oranı

 

-----------------------------------------------------------------

Atıklar % N- Miktarı N/C oranı

------------------------------------------------------------------

İnsan dışkılarında 6,0 0,1 - 0,17

Sığır gübresi 1,7 0,06- 0,04

Tavuk gübresi 6,3 0,14- 0,20

Koyun gübresi 3,8 0,03

Saman 0,3 - 0,5 0,008 - 0,02

Bıçkı talaşı 0,1 0,005 - 0,002

Ağaç yaprağı 1,0 0,02

Algler 1,9 0,06

Ot (hayvan yemi) 4,0 0,08 - 0,04

Çöp 'de

Arıtma çamurunda

Aktif çamurda

-----------------------------------------------------------------

- Metanlaştırmada organik madde yükü ve önemi :

 

.. Çürütme olayında katkısı olan asitleştirici, hidrolize eden bakteriler anaerobik ayrışmanın birinci fazında ; metan bakterilerine yeterli , sürekli substrat yetiştirmeleri gerekmektedir.

.. 1. fazdan gelen metan bakterisi substratı ile tüketilen substrat denge içinde olmalıdır, reaksiyon hızları aynı olmalıdır.

 

- Hidrojen iyon konsantrasyonunun olaya etkisi :

.. Eğer substratda çok miktarda organik madde varsa, bu önce asit oluşturucular tarafından parçalanarak H+ - artmasına neden olacaklardır. Çünkü metan bakterileri 2. fazda geliţmekte ve bu ürünleri kullanabilmektedir. H+ - iyonlarının fazla artması halinde metan bakterileri gelişememektedir (Bak Tablo 3).

 

Tablo 3: Hacimsel yük ve bekleme süresi

 

-----------------------------------------------------------------

Hayvan dışkısı Hacimsel yük Bekleme süresi

kg OM ,KM/m3. gün Gün ( d)

------------------------------------------------------------------

Yumurta tavuğu 1,5 50

Süt ineği 6,0 15

Besi hayvanı 4,5 10

------------------------------------------------------------------

 

Katı madde içeriği ile organik hacimsel yükleme arasında bir ilişki vardır. Bu ilişki substrat (S) asit konsantrasyonu ile katı madde arasındaki lineer ilişkiye bağlanması mümkündür. (S= 520 . KM ) .

 

Aşılama : Yeni ayrışmaya başlayan bir biyokütlenin içindeki bakteri sayısı başlangıçta çok azdır. Bu nedenle çürüme olayı alışma ve çürüme fazları olarak genelde ikiye ayrılabilir. İlk fazda birim zamandaki gaz üretimi sürekli olarak artar. Böylece gaz üretim eğrisi ideal gelişme eğrisine benzer . Çürük gaz (biyogaz) üretimi , dolaylı olarak yaşam aktivitesi gösteren bakteriler hakkında bir ölçüdür ve ve birim zaman daki gaz üretiminin artması , çoğalmaya tekabül etmektedir. Bu ilişki bakteri çoğalma eğrisinden açıkca görülür. Artan bakteri çoğalması (populasyonu) kendisi için sunulan mevcut geniş yaşam hacmi ve besin maddesi ile yakından ilgilidir.

Az gaz üretim safhasını kısa tutmak amacı ile çamura, yaşama yeteneğine sahip , canlı , dinamik , genç organizmalardan oluşan bakterileri katmakta , aşı yapmakta çok yarar vardır. Böylece bakteri/substrat temas oranı hemen yükselecektir. Bu da gaz üretiminin tam olarak gerçekleşmesini sağlayacaktır.

Aslında aşılamadan anlaşılan taze çamurun olgun çamurla belirli oranda karıştırılmasıdır. Böylece çürüme hızlı ve iyi başlar, gaz üretimi için de gerekli olan çürüme süresiazaltılmış olunur.

Aşılama yaparken aşı çamurunun miktarı yanı sıra yaşı da çok önemlidir. İyi bir aşı çamuru içinde artık (ayrışmamış, geriye kalan) organik madde içermeyen , fakat çok sayıda yaşama yeteneğine sahip, genç ve dinamik işçilerden oluşan bir çürük çamurdur. Yani diğer bir deyişle organik maddesi sadece bakteri biyomasından oluşan bir genç işçiler ordusudur (çamurdur).

 

Federal Almanya'daki çeşitli sektörlerin mevcut biyogaz üretimi ve verimi aşağıdaki gibidir (Bak Tablo 4, 5, 6, 7):

 

Tablo 4 : Almanya' daki bazı mevcut tesislerde gaz üretimi

 

Sektör Sayısal değeri Birirmi

--------------------------------------------------------------------------

Kent sektörü :

Evsel atıksu arıtma çamuru ;

. Verim 0,26 - 0,35 m3CH4 / kg VSo VSo = OM

. Kalite 60 - 70 % CH4

Çöp depolama yeri biyogazı ;

. Verim 1 - 3 m3CH4 / ton kentsel çöp

. Kalite 35 - 55 % CH4

--------------------------------------------------------------------------

Endüstriyel sektör :

Sanayii ( organik ) atıkları ;

. Verim 0,24 - 0,33 m3CH4 / kg COD

. Kalite 70 - 85 % CH4

. KOİ Giderimi 70 - 98 %

--------------------------------------------------------------------------

 

Tablo 5 : Beş kişilik bir ailenin enerji ihtiyacı

 

--------------------------------------------------------------------------

Tüketim Enerji içeriği Yemek pişirme Aydınlanma Buzdolabı

İki ocaklı Dört lambalı 230 litre

8 Saat/Gün 4 Saat / Gün

Enerji kaynağı her gün/yıl her gün/yıl her gün/yıl

----------------------------------------------------------------------------------

Kuru gübre 2,5 kWh/kg 26.0 kg(1) , 9,5 ton --- ----

Yakacak odun 5,5 kWh/kg 12,9 kg 4,4 ton ---- ----- Mangal kömürü 8,5 kWh/kg 3,7 kg 1,4 ton ----- ----- ------------------------------------------------------------------------------------

Petrol 8,5 kWh/l 5,6 l 2000 l 0,5 l ,100 l ----- Diesel (Mazot)12,0 kWh/l 3,5 l 1300 l ----- -----

Gazyağı 8,9 kWh/l

-------------------------------------------------------------------------------

Elektrik enerjisi 1 kWH 11,8 kWh 4300 kWh 1,0 kWh 350kWh 5,0 1825kWh

-------------------------------------------------------------------------------

Doğal gaz 9,4 kWh/m3 1,5 m3 550 m3 ---- --- --- ---

Sıvı gaz 19,9 kWh/kg 0,5 kg 19 bt(2) 0,3 kg 11 bt 0,5 kg 19bt

Biyogaz 6,0 kWh/m3 2,4 m3 880 m3 1,9 m3 770 m3 2,4 m3 880m3

-------------------------------------------------------------------------------

h = saat ; l = litre ; bt. =

(1.) Sekiz ineğe, 110 kg taze gübreye eşdeğer; (2) 10 kg'lık propan gazı tübü,

-------------------------------------------------------------------------------

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tablo 6: Beş kişilik bir ailenin enerji ihtiyacını karşılayan biyogaz tesisi

 

--------------------------------------------------------------------------------

Biyogaz Pişirme Aydınlatma Soğutma Toplam

2,4 m3/Gün 1,9 m3/Gün 2,4 m3/Gün 6,7m3d

(40 kWh)

-------------------------------------------------------------------------------

Tropik Gerekli biyogaz tesi- 4,0 m3 3,2 m3 4,0 m3 12 m3

bölge si hacmi

(30oC Günlük beslenmesi

gereken hayvan sayısı:

Kapalı ahır 4 inek 3 inek 4 inek 11 inek

t=40 gün

Dışkı + 75 kg/gün 60 kg/gün 75 kg/gün 210 kg/gün

e=0,6 Urin 25 kg/gün 20 kg/gün 25 kg/gün 70 kg/gün

Açık ahır 6 inek 5 inek 6 inek 17 inek

t= hidrolik

bekleme süre- Kuru dışkı 25 kg/gün 20 kg/gün 25 kg/gün 70 kg/gün

si , Su içeriği 75 kg/gün 60 kg/gün 75 kg/gün 210 kg/gün

e=Randımanı

-------------------------------------------------------------------------------

Ilıman Gerekli biyogaz tesi- 9,6 m3 7,5 m3 9,6 m3 27 m3

bölge si hacmi

(20 oC) Günlük beslenmesi gereken hayvan sayısı:

tesisi Kapalı ahır 5 inek 4 inek 5 inek 14 inek

t=80 gün

Dışkı + 90 kg/gün 70 kg/gün 90 kg/gün 250 kg/gün

e=0,25 Urin 30 kg/gün 25 kg/gün 30 kg/gün 85 kg/gün

Açık ahır 7 inek 6 inek 7 inek 20 inek

t= hidrolik

bekleme süre- Kuru dışkı 30 kg/gün 20 kg/gün 30 kg/gün 80 kg/gün

si , Su içeriği 90 kg/gün 75 kg/gün 90 kg/gün 255 kg/gün

e=Randımanı

 

-------------------------------------------------------------------------------

Hesap kabülleri :

Süt ineği ---- 200 kg canlı ağırlık

Dışkı ve idrar ----- % 9 ; % 11 kuru madde

Kuru dışkı maddesi % 2 ; % 30 kuru madde

 

-------------------------------------------------------------------------------

 

Tablo 7 : Çeşitli yenilenebilir enerji kaynaklarının Bolivya örneğinde yatırım masrafları

-------------------------------------------------------------------------------

Enerji kaynağı Enerji tipi Birim yatırım masrafı 40 kWh yatırım masrafı

-------------------------------------------------------------------------------

 

Biyogaz Gaz US$ 100/m3 US$ 1,200

 

Güneş kollektörü Sıcak su US$ 170/m2 US$ 2,900

 

Mikrohidro elektrik

santrali Ceryan,220 V US$ 1800/kW US$ 72,000

 

Rüzgar enerjisi Ceryan,220 V US$ 1500/kW US$ 60,000

 

Fotovoltaic Ceryan,220 V US$ 11800/kW US$ 470,000

12 V DC

-------------------------------------------------------------------------------

 

 

Çöpün Bileşimine Bağlı Olarak Oluşacak Bıyogaz (Deponigazı)

 

Biyogaz, Deponigaz

 

Deponigazın bir metreküpünün ısıl değeri gazın bileşimine bağlı olarak değişmektedir. Bu değer ise:

18 - 27 MJ / Nm3 arasındadır.

 

Tablo 8: Çöpün içerdiği organik maddeye bağlı olarak ondan beklenen metan gazı miktarı ve oluşan gazdan yararlanabilme oranları

 

CH4 - Oranı Gazdan yararlanma (Nm3/kg Organik Kuru Madde)

% 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0

-------------------------------------------------------------------

50 3.6 7.2 10.8 14.4 18.0

-------------------------------------------------------------------

60 4.3 8.6 13.0 17.3 21.6

-------------------------------------------------------------------

70 5.0 10.1 15.1 20.2 25.2

-------------------------------------------------------------------

75 5.4 10.8 16.2 21.6 27.0

-------------------------------------------------------------------

 

Tablo 8 incelendiğinde organik maddenin tamamının parçalanması halinde elde edilen biyogazın içindeki metan oranoını dağılımına göre ısıl değer de açık bir şekilde değişmektedir. En sağdaki kolonda görüldüğü gibi 1 Nm3 biyogazda metan oranı %50 olduğu zaman, 18.0 MJ; %75 metan bulunduğu zaman ise 27.0 MJ enerji elde edilebilmektedir.

 

Metan bakterileri mezofil ve termofil sahada faaliyet göstermektedir. Mezofil olanlar 28 - 45 C de Termofil olanlar da 50 - 70 C de optimal gaz üretmektedir-ler. Termofil metan bakterilerin birim organik maddeden birim zamanda biyogaz üretme yetenekleri çok daha fazladır. Belli başlı ayrışabilir organik maddeler tamamen ayrıştığı zaman organik kuru madde başına verebilecekleri biyogaz miktarı , metan oranları ve enerji içerikleri aşağıdaki gibidir :

 

Organik madde Biyogaz eldesi CH4- İçeriği Enerjisi

türü (Nm3/kg OKM) (%) (MJ/kg OKM)

----------------------------------------------------------------

Karbondidrat 0.8 50 14.4

Protein 0.7 70 17.6

Yağlar 1.2 67 28.9

-----------------------------------------------------------------

Gerçek değerler ise , pratikde bunun altındadır, çünkü organik maddelerin tamamı henüz parçalanmamıştır. Bugün 1 kg OKM (organik kuru madde ) 'den elde edilebilecek gaz miktarı organik maddenin bileşimine ve de işletmenin koşullarına bağlı olarak 0.2 ile 0.6 Nm3 / kg OKM arasında değişmektedir. Diğer bir deyişle de 1 kg OKM den ancak 3.6 ile 16.0 MJ arasında enerji bekleyebiliriz.

 

Biyogaz (deponigaz) verebilecek katı atıklar ise :

. Hayvan dışkıları , ağıl atıkları

. Bitkisel atıklar

. Kentsel atıklar

. Arıtma çamurları

. Organik ağırlıklı sanayii atıkları (Mezbahane atıkları, kağıt sanayii atıkları, gıda sanayii atıkları v.d. )

. Özel bitkiler, algler v.b.

 

Organik Toplam OKM Yararla- Gaz üretimi Enerjisi Isıl değeri

atıklar Miktarı nılacak mik.Metan %'si Nm3 Özgül Isı

106t/a 106t/a Nm3/kg OKM MJ MJ/kg OKM

-----------------------------------------------------------------

Evsel KA 9 2 0.25 0.5 .109 5.9

%65 7.7 .109 (6-8.5 )

--------------------------------------------------------------------

Türkiyedeki evsel çöplerden makul bir miktarda biyogaz elde edecek olsak , bunun bir yıllık enerji eşdeğeri petrol üzerinden:

 

7.7 x 109 MJ/Yıl : 40.000 MJ/Ton = Yakl. 2x105 Ton/Yıl

 

200.000 ton x 3.000.000 T.L. = 600 x 109 TL/Yıl

( 1 ton fuel oil = 40.000 MJ )

 

Bugünkü petrol fiatı eşdeğeri üzerinden (1 kg fuel oil : 3.000 TL)

yılda 600 milyar liralık zorunlu olarak düzenli depolanacak olan organik ayrışabilir atıklardan deponigaz üretimi beklenebilmektedir.

 

Tablo 9 : Deponigazı ve diğer yakıtlarla karşılaştırılması

-------------------------------------------------------------------

Enerji Masrafı Isıl değeri Yararlı enerji masrafı (DM/GJ)

kaynağı DM/kwh (kJ/l) Kalorifer Motorlar

-------------------------------------------------------------------

 

Elektr.En. 0.10-0.25 ------ 29-73 (n=%95) 31 (n=%85-90) DM/l

Fuel oil 0.65 36.000 22-30 (n=%60-80) 60 (n=%30)

DM/m3 MJ/Nm3

Doğal gaz 0.40-0.70 32-35 14-27 (n=%80) 38-73 (n=%30)

Biyogaz 0.65-1.80 18-27 30-125 (n=%80) 80-333 (n=%30)

------------------------------------------------------------------*

n = randıman yüdesi veya sabiti

 

 

 

 

 

 

Tablo 10 : Bazı Çöp Bileşenlerinin Isıl Değeri :

-----------------------------------------------------------------

Madde grupları Isıl değeri Ham çöpteki Hafif fraksi- deki % si yondaki % si

MJ/kg % ağırlık % ağırlık

-----------------------------------------------------------------

Karton 13.02 3.67 4.9

Gazete 13.91 12.73 17.6

Kitap 13.51 3.74 5.0

Karışık kağıt 12.08 24.77 33.0

------------------------------------------------------------------

Toplam kağıt türü 44.91 60.5

-------------------------------------------------------------------

Plastikler 33.10 4.09 5.3

-------------------------------------------------------------------

Cam 0.19 10.05 2.1

-------------------------------------------------------------------

Metaller 1.65 9.89 0.3

-------------------------------------------------------------------

Tekstiller 15.51 3.16 4.4

Lastik, deri 19.65 1.22 1.4

Odun 16.42 2.23 2.5

-------------------------------------------------------------------

Teks+Last+Od+Deri toplam 6.61 8.3

-------------------------------------------------------------------

Bahçe atıkları 9.37 2.06 2.4

Mutfak atıkları 10.28 10.94 14.1

-------------------------------------------------------------------

Biyoçöp toplamı 13.00 16.5

-------------------------------------------------------------------

İnce çöpler 4.84 11.45 7.0

------------------------------------------------------------------

Genel toplam 100.00 100.0

-------------------------------------------------------------------

-------------------------------------------------------------------

 

 

Deponilerden Gaz Elde Etme Olanakları

 

Deponi hacmi 106 m3 ve günlük çöp miktarı 100 ton yerleşim yerlerindeki deponiler "küçük deponi" diyebiliriz.

 

Burada da çöpün bileşiminde bulunan organik maddeler mikroorganizmalar (metan baktertileri) tarafından metana indirgenmektedir. Metandan başka Tablo 10'da görülen gazlar da çöp depolama yerlerinde oluşmaktadır. Bir top çöpten elde edilen gaz miktarı literatörlere göre 60-290 m3 gaz/ton çöp arasında değişmemktedir. Ancak mühendislik hesapları için bu değer 100 m3 memtan/ton. çöp; 20 yıl boyunca alınabilmemktedir.

 

Çöpler depolandıktan bir müddet sonra yüksek miktarda CO2 üretilir, daha sonra yavaş yavaş metan üretimi artar. İlk aylarda gaz miktarı ve bileşimi kuvvetli salınımlar gösterir.

 

Durağan olmayayn safha arasında farklılık görülür. Durağan safhada CH4, CO2 oranı yaklaşık 3/2 olur .

 

Tablo 11 : Deponi gazında bulunan bileşenler

 

Bileşenler Kimyasal formülü Konsantrasyon Sahası

----------- -------------------- ----------------------

Metan CH4 % 0-85 hacim

Karbondioksit CO2 % 0-88 hacim

Karbonmonoksit CO % 2.8 hacim

Amonyak NH3 0-0,35 ppm

Hidrojen H2 0-3,6 hacim

Oksijen O2 0-31,6 hacim

Azot N2 0-82,5 hacim

Hidrojen sülfür H2S 0-70 ppm

Etülmerkaptan C2H5SH 0-120 ppm

Asetaldehit CH3CHO 150 ppm

--------------------------------------------------------------

 

Bileşenler Kimyasal Formülü Konsantrasyon Sahası

----------- ---------------- --------------------

Aseton C2H6CO 100 ppm

Benzal C6H6 % 0.08 hacim

Argon Ar % 0.01 hacim

Heptan C7H16 % 0.45 hacim

Nonan C10H3CH3 % 0.09 hacim

--------------------------------------------------------------

 

Tablo 11'de ise deponite oluşan bu gazların bazılarının önemli özelliklerini görebilirizi.

 

Tablo 12: Deponi gazının özellikleri.

 

Gaz Hacim Alt Isıl Kritik Havada Alev Ateşleme Suda

Ağırlığı Değer Sıcaklık Ateşleme Hızı Derecesi Çözünürlük

Kg/m3 Kj/m3 ° C % hacim m/Sn ° C g/lt

---- --------- ----------- --------- --------- ------ ------------ ------------

CH4 0.177 35.600 -82.5 5/15 0.4 600 0.0645

CO2 1.977 - 31.1 - - - 1.688

O2 1.429 - -118.8 - - - 0.043

N2 1.250 - -147.1 - - - 0.019

CO 1,250 12.640 -139 12.5/74 0.5 600 0.028

H2 0.090 10.760 -239.9 4/74 2.8 560 0.001

H2S 1.539 - 100.4 4.3/45.5 - - 3.846

Hava 1.29 - - - - -

--------------------------------------------------------------------------------------

 

Çöpün ayrışması sırasında oluşan gazların yanması ve patlaması an meselesi olabilir. Bu nedenle kontrol edilmesi ve önlemlerin alınması gerekir.

 

Deponilerden metan oluşmasının yararları:

Bilindiği gibi metan önemli enerji kaynağıdır

 

1 kg CH4 1.18 Kg Fuel oil

1 M3 CH4 1 lt Fuel oil olarak kabul edilir.

 

1 kg çöpten 100 lt CH4 oluştuğu kabul edilirse, bunun % 40'nın geri kazanıldığı düşünülürse, kişi başına üretilen çöp 0.75 kg/gün varsayılırsa, buradan potensiyel metan üretimini buluruz. 75 lt/kişi,gün %40'ı yaklaşık 30 lt. yararlanabilir kısmı olur.

 

 

ÖRNEK :

 

Nüfus 100.000

Teorik metan üretimi 7.500 m3/gün

Geri Kazanım (%40) 3.000 m3/gün

Fuel oil eşdeğeri 3.000 lt/gün

 

Deponi gazının kalitesi metan oranı ile ölçülür. İyi bir karışımındaki metan miktarı % 60 olmalı, CO2 %50 ve diğer gazlar %1 olarak bulunmaktadır.

 

Gazların Geri Kazanımı

 

Sızıntı su toplama için yapılan drenaj şebekesi metan gazının taşınması bakımından uygun ortam oluştururlar. Drenaj sularının açığa çıktığı yerde de kolayca patlama tehlikesine maruz kalırlar. Eğer drenajdan çok su akarsa, su ile daha çok CD2 çözüneceği için, gaz karışımındaki CH4 oranı daha da artacaktır. Bu nedenle kontrol bacaları patlama tehlikesi arzedebilmektedir.

 

Sondaj yapmak suretiyle deponilerden gaz elde etmek mümkündür. 2 inç çapında, çelik uçlu ve 5-10 m derinliğe kadar inebilen hava basmalı çekiç esasına göre darbeleyen sondalar kullanılabilir.

 

Deponi içine tabandan itibaren dikey olarak iri taţlarla dolu Gabionen diye adlandırılan kuleler yapılır, alt kısmında sızıntı su; üst tarafta da havanın karışımı ve gaz karışımının niteliğinin bozulabilme olasılığı söz konusudur. Ancak bu sakıncaları gidermek mümkündür.

 

Eğik karma drenaj ile de (bak İekil) gazı geri kazanmak mümkündür. Bunun içinde iri taşlar Gabrionen'de olduğu gibi deponinin dış tarafına doğru eğik olarak yerleştirilir. Atmosferin etkisi kolayca izole edilerek işletmeyi aksatmadan giderilebilir.

 

Kenarda, deponi duvarında bir öncekine benziyen düzeneklerde, iri çakıl ve taşlarla yapılan drenajlarla, deponide oluşan gazlar toplanabilir.

 

Deponi içinde çakıl ve taş yetiştirmek suretiyle gaz toplama odakları oluşturulur ve buradan gaz sondajlanabilir, ancak sızıntı suyunun burada birikmemesi, iyi drene edilmesi gerekir.

 

Küçük ve orta bir büyüklükteki deponilerde çap 20 cm'yi aşmayan sondaj bulguları ile iyi sonuçlar alınabilir.

 

DeponiGazının Saflaştırılması, Suyun Azaltılması

 

Akış halindeki deponi gazının sıcaklığı 30° C, civarındadır, nisbi nem ise %100 dür. İebeke içinde su buharı kondense olup, hattın derin kısımlarını su ile doldurabilirler. Gazdan suyun ayrılması önemli bir safhadır ve ölçüm aletlerine, vantilatöre v.b. su girip toplanmalıdır. Hat boyunca derin ve soğuk bir yere toplama havuzu boşaltma düzeneği ile birlikte inşaa edilebilir.

 

CO2 miktarının azaltılması :

 

Yanma koşullarını iyileştirmek için CO2 miktarı azaltımalıdır. CO2'i uzaklaştırması için sıvının ısıtılması ile olmaktadır CO2'den ekonomik olarak yararlanabilmek için tesisin kapasitesi ve verimi, 1000 m3 CH4/h olmalıdır.

 

Gaz karışımlarının Ayrılması (CH4, CO2, CnHm ve diğerleri)

 

Sadece CO2'nin ayrılması yeterli değildir. Bunun yanısıra CnHm bileşiklerinin de ayrılması gereklidir. Bunun içinde molekular elekler kullanılmaktadır.

 

CH4'nün metanole dönüştürülmesi, gaz halindeki metanın metanol şeklinde sıvılaştrılması taşınması ve depolanması bakımından bazı önemli kolaylıklar getirmektedir. Ancak bilinen kimyasal yöntemler pahalı olduğu için bu konuda daha ekonomik olan biyolojik yöntemler geliţtirilmektedir.

 

Gazların Depolanması

 

Deponide gaz üretimi nispeten sabit olduğuna ve kısa süre içinde etkilenemeyeceğine göre buna karşın enerjiden yararlanma kuvvetli salınımlar gösterebileceğinden, aşağıdaki noktalara dikkat etmek gerekir.

 

a) Eğer gaz üretimi maksimum ihtiyaçlardan fazla ise, o zaman ara depolamadan vazgeçilebilir; diğer zamanlarda da büyük gaz kayıpları gözden çıkarılmalıdır.

 

b) Eğer gaz üretimi maksimum ihtiyaçtan az ise, o zaman açığı gidermek için depolama imkanı yaratılmalıdır. Ancak kaliteli gaz karışımı depolanmalı ve içinde O2 bulunmasına veya az bulunmasına dikkat etmelidir.

 

Gazometre :

 

Gaz depolamak için farklı hacimlerden oluşan bir kap ve bunun içinde gaz basınçsız depolanabilir.

 

Basınçlı kaplar :

 

Bu gazların kritik sıcaklıkları TK 82.5 ° C (metan için) gibi çok düşük olduğundan bu tip kaplar deponi gazı depolanması için uygun değildir. Fakat bu gazlar motor yakıtı v.s. olarak kullanılmak isteniyorsa, o zaman basınçlı kaplarda depolanması gerekmektedir. Basınçları 200 bar dolayında olabilir.

 

Yakma :

 

Normal olarak deponilerden elde edilen gazlar, kötü kokunun yayılmasını önlemek ve kısmen de enerji elde etmek için yakılmaktadır.

 

Enerjisinden Yarar Beklemeden Yakma :

 

Deponilerin çoğunda enerjisinden yararlanılmadan gazlar yakılmaktadır. Gaz miktarı az ve kalitesi kötü ise ve tüketicisi yoksa o zaman yakılabilir. Enerjisini değerlendirmek için ısı ekivalent değeri 125 mj/h dır.

 

Sıcak Su Üretimi İçin Yakma :

 

Suyun sıcaklığı 100-130 ° C arasında olması sağlanmaktadır.

Su fazla ısıtılmakta sıcaklığı 180 ° C'yi bulmaktadır.

50 bar basınçla çalıştırılarak suyun sıcaklığı 400 ° C'ye kadar çıkarılabilmektedir. Gazın alternatif motorların içinde yakılması arıtma tesislerinde yaygın kullanılan ve çok eskiden beri bilinen bir uygulamadır. Ancak deponi yerleri için bu konu çok yenidir. Gaz trbünlerinde yakma konusu da çok enterasandır.

 

Isı depolama sistemleri (sıcak su depoları, özel maddelerin yardımı ile ısı depolanması

 

Pratikten bir örnek :

 

İsviçre'de croglio deponisinde yukarda sıralanan amaçlardan sıcak su elde depolanması ve tüketiciye dağıtılması gerçekleştirilebilmiştir. Böyle bir tesisin yatırım ve işletme masraflarını aşağıdaki gibi dökebiliriz.

 

Yatırım (İsviçre frankı olarak)

 

Brülor ve kazan (335 mj/h) 15.000

Sıcak su deposu (2 depo, toplam 8 m3) 11.000

Isı iletim için tesisat (boru hattı, ventiller, musluklar, 6.000

devir daim pompaları)

Tüketiciye iletim için döşenen yeraltı şebekesi (Flexwell 10.000

ţebekesi)

Tüketim tesisatları (su değiştirici, Boiler Dağıtım) 15.500

Proje masrafları v.s. 7.500

-----------------------------------------------------------------

Toplam Yatırım : 65.000

 

Girdiler.

Elektrik yerine deponi gazından sıcak su üretim nedeni

ile tasarruf (yılda) 8.000

Tüketicinin kullandığı enerji (yılda) 1.570

-----------------------------------------------------------------

Giderlerle Yapılan Tasarruf 9.570

 

Amortisman

%6 lık faizle 10 yıllık amortisman süresindeki yıllık 8.450

amortisman

Bu örnek tesis Kasım 1980'den beri çalışmakta ve günde 150 M3 metan & tüketilmektedir.

 

 

* KAYNAKLAR

Persönliche Mitteilung Berliner Senator für Stadtentwicklung und Umweltschutz, August 1982,1986, 1987, 1988, 1989, 1990, 1991, 1992, Berlin

Schneider, J. 1982: Uberlegungen zur Grosstechnischen Deponiegasnutzung für die Deponie Berlin-Wannsee"Berlin.

Stegmann,R.U. H. Dernbach, 1982: Deponieentgasung mittels Gasbrunnen zum Zwecke optimaler Gasnutzung am Beispiel der Deponie Braunschweig. Beihefte zu Müll und Abfall. Deponiegasnutzung. Heft 19.

Rettenberger, G. 1982: Untersuchung zur Entstehung, Ausbreitung und Ableitung von Zersetzungsgase in Abfallablagerungen. Texte. Umweltbundesamt 12/82. Berlin.

Rettenberger, G. 1982: Grosstechnische Entgasung der Deponie "Am Lemberg" Texte. Umweltbundesamt, 13/82 Berlin

BC-Berlin Consult GmbH 1983: Gutachten über die "Wirtschaflichen Nutzungsmöglickeiten der Zersetzunggase von Berlin Mülldeponien am Beispiel der Grossdeponie Berlin-Wannsee. "

Kayser, R. U. H. Dernbach 1983: Untersuchungen zur Entgasung der Deponie Braunschweig sowie Nutzung des Gases in Blockheizkraftwerken" Fotodokumentation TU Brauncshweig İnstitut für Stadtbauwesen.

UBA 1980: Sicherheitstechnische Kriterien bei baulichen Einrichtungen auf Deponien hinsichtlich der Gefaehrdung durch Gase. Materialien 1/80.Erich Schmidt Verlag. Berlin.

Ahting, D. 1983 : Planungsbeispiele zur Deponigasnutzung. Haus der Technik E.V. Veranstaltungsunterlagen. Zur Tagung Nr.T-71-710-092-3

 

Gandolla, M., 1978. Gasverwertung bei verdichteten Deponie Crogl (Lugano), ISWA journal, 25, s. 16-17.

 

Colling, R.H., 1979: Upgrading Landfill Gas to Pipeline Spacifications, ISW journal, 28/29 s, s. 1-4.

 

Ryser, W., 1979: Überlegungen zur Gasentsorgung Gasentsorgung und praktische Hinwei zur Zwangentgasung. ISWA-journal 26/27, s.25-31.

 

Stegmann, R., 1979 : Gase aus geordneten Deponien. Allgemenie Proble stellung, Entstehzung und Aufall. ISWA-journal 26/27, s. 11-24.

 

Winter, K., 1979 : Kriterien bei baulichen Einrichtungen auf Deponien hi sictlich der Gefahrdung durch Gase Forschungsbericht Nr. 1030210 Erich Schmidt Verlag, Berlin.