Kırsal Alanlarda Oluşan Organik Atıklar ve Bunlardan Biyogaz Üretimi
Ertuğrul ERDİN
Özet
13-15 Nisan 1994 tarihleri arasında Mersin üniversitesince gerçekleştirilen "Enerji ve Çevre" sempozyumunda da ortaya tekrar konulan ve tartışılan bir durum Türkiye'nin ucuz ve alternatif enerji kaynaklarına ihtiyacı olduğu; bu kaynakla-rın da özgün kaynakların olması gerektiği; enerji konusunda dışa bağımlı olmama-nın çok yerinde olacağı vurgulandı. Öz kaynakların ayrıca doğayı yok etmeden, ekolojik dengeleri bozmadan kullanılmasının gerekliliği doğrulandı. Enerji ihtiyacının "Sürdürülebilir gelişme" ilkesine bağlı kalarak karşılanması hedef olarak ortaya kondu.
Kırsal alanlarda çağdaş bir yaşamın sürdüğünü kabul eder veya en azından böyle bir yaşam tarzını hedeflersek; o zaman bu alanlarda oluşabilecek hayvan yemi olmayan veya olamayan organik atıkların varolacağından söz etmek mümkündür. Ayrıca evsel atıkların dışında, hayvancılıktan ve tarla tarımından kaynaklanan çeşitli yapı ve özellikte organik atıklar oluşabilmektedir. Atıksu arıtma tesisi çamurlarının, çöplerin ve kırsal faaliyet alanlarının oluşturduğu organik atıkların anaerobik stabilizasyonu sırasında metan gazı oluşmak mümkündür. Elektrik enerjisine dönüştürülebilen metan gazını teknik olarak kontrol altına alınıp değerlendirilmesi de zorunludur.
Bu kırsal alanda oluşan organik atıklar biyolojik kökenli olarak tanımlanabilir ve kimyasal yapısında da karbonhidrat, yağ, protein, selüloz, hemiselüloz, lignin ve aromatik, alifatik hidrokarbonların bulunduğu genel olarak kabul edilebilir. Türkiye'de çok sebze ve meyve tüketilmektedir. Türkiye'nin iklim koşullarında genelde bu maddeler içinde kolay ayrışabilir durumda olanlar çok çabuk ayrışmak-tadır. 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.
Bu oluşan biyo-organik atıkların ayrışması için belli başlı koşullar ve kriterler aşağıdaki gibidir:
*** 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.
Doğada biyoması anaerobik koşullarda metan gazına dönüştüren mikroorganizmalar bataklıklarda, göl diplerinde, bağırsakda, özelliklede geviş getiren hayvanların bağırsağında, çok çeşitli olarak bulunur. Bu bakteriler heterotrof bitkilerdir ve besinlerini hücre membranlarından ozmatik basınç yardımı ile alırlar, kullanırlar ve sindirim atıkları olarak atarlar.
Kırsal alanda çok çeşitli kaynakda oluşan biyo-organik atıklar, biyogaz üretimi için tek tek veya entegre bir yaklaşım içinde ele alınıp değerlendirilebilir. Böylece lokal enerji ihtiyacı karşılanabildiği gibi; ayrıca fazlası da şebekeye verilebilir.
DEÜ Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü Bornova/İZMİR
Metan Üretiminde Yararlanılan Biyo-Organik Bileşikler ve Ayrışmaları
Biyoçöpün ve yeşil çöpün içinde bulunan büyük moleküllü organik bileşikler (yağ, protein, karbonhidrat, selüloz, hemiselüloz v.d.) metan bakterisininin membranın-dan geçemeyecekleri için önce diğer bakteri kültürlerinin ortak etkisi altında ve anaerobik koşullarda; bu yüksek moleküllü maddeler alçak moleküllü yağasiti, alkoller gibi maddelere parçalanmaktadırlar. Bu maddeler de metan bakterileri tarafından substrat olarak alınmakta ve kullanılmaktadır. Metan bakterileri de bu asit oluşturucu bakteriler sayesinde yaşamlarını sürdürebilmektedirler. Asitleşme fazını da metanlaştırma fazı izler. Metan bakterileri asit bakterileri için toksik etki yapan kendi metabolizma atıklarını zararsız hale getirir. Büyük moleküllü bileşiklerden her iki anafazın bakterileri doğrudan doğruya yararlana-madıkları için, arka arakaya sıralanmış glikoz moleküllerini monomer haline gelinceye kadar parçalamaları gerekmektedir. Bu işi gerçekleştirebilmeleri için de hücre dıtı metabolik faaliyet göstererek, hücre dışına, 1. Oksidoredüktazlar, 2. Transferazlar, 3. Hidrolazlar, 4. Lüazlar, 5. İzomerazlar, 6. Ligazlar gibi enzimler salgılamaktadırlar. Bu enzimler de anılan maddelerin parçalanmasını sağlamaktadırlar.
Bu anılan enzimlerin önemli katkıları ile uzun halkalı yağasitleri, gliserol, aminoasitleri, kısa halkalı peptidler, monoskkaridler, disakkaridler daha sonra asit oluşturucu özel bakteriler tarafından asetik asite kadar parçalanırlar. Fakultatif yaşayan bu bakteriler yaşamları için gerekli olan enerjiyi üretirken oksijene ve karbona ihtiyaçları vardır. Ortamda kalan son oksijeni de kullanarak metan bakterileri için mutlak gerekli olan oksijensiz ortamı hazırlamış olurlar. Çözünmüş oksijen ortamda kalmayınca da, molekülar bağımlı oksijeni kullanmaya başlarlar. Bu arada da hidroliz sırasında oluşmuş molekülleri, daha alçak mole-küller dönüştürürler. Molekül ağırlıklarını azaltırlar. Nihai ayrışma ürünü de asit ve benzeri ürünlerden oluştuğu için de ortamın pH'sı 7' nin altına oldukca düşer.
Metanlaştırma fazında, metan bakterileri asit ve benzeri nihai ürünleri CO2 ve CH4'e kadar parçalarlar. Fermantasyon sırasında asit oluşturucularla metan oluşturucular karşılıklı yardımlaşma halinde yaşamaktadırlar.
Asit olutturucuların salgıladıkları enzimler, protein ve aminoasitlerinin amonyum tuzları haline dönüşmesini sağlar. Metan oluşturucular da azot gereksinimlerini bu tuzlardan temin ederler. Diğer taraftan da metan oluşturucu bakteriler de asit oluşturucuların metabolizma ürünlerini gazlaştırarak ortamın toksikleşmesini durdururlar.
Metan bakterileri de asitik değil, hafif alkali ortamı tercih ettiklerinden dolayı da; asitleşme ile metan oluşumu safhaları içiçe olmalı ki fakültatif anaerob bakteriler tarafından üretilen asitler ve metabolizma, parçalanma ürünleri sürekli olarak kullanılabilsin. Organikasit konsantrasyonunun yaklaşık 1 000 mg/l dolayında olması halinde ortamda dengeli bir bakteri populasyonu bulunuyor denebilir.
Metan Oluşumunun Biyokimyası
Biyo-organik atıkların kimyasal bileşenleri içinden polisakkarid, disakkarid, monosakkarid gibi karbonhidratların parçalanması önce gerçekleşir :
Polisakkaridler:
(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 sistemde azot kaybı görülmez. Metan bakterileri mezofil ve termofil olarak ayrılmaktadırlar. Mezofiller için optimum sıcaklık 30 - 35oC iken ; termofiller için ise 45 - 55oC civarındadır.
Karbonat Reduksiyonu ile Metan Olutumu
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 dönüttürülmektedir. Çubuksu teklindeki Methanobacterium, koklar (Methanococcus) , Sipirilyum teklinde olan Methanospirilliumlar metan bakterilerinin belli başlılarıdır. Metan oluşturan bakteriler zorunlu anaerob bakterilerdir. Oksijene karşı çok duyarlı oldukları için ancak oksijensiz koşullarda aşılanabilir veya izole edilebilirler. Anaerobik beslenme zincirinin de son halkasını oluştururlar. Metan bakterileri hidrojeni aktiflettirebilmekte-dirler. 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
Karbonat Redüksiyonu ile Asetat Oluşması :
Metan olusan çok yerde sirke asiti (asetikasit ) oluşmaktadır. Asit oluşturucu bakteriler çürütme reaktörlerinde karbondioksiti moleküler hidrojenle aşağıdaki gibi dönüştürmektedirler :
4H2+ 2CO2 ----------------> CH3-COOH + 2H2O
Metan Bakterileri İçin Uygun Ekosistem Koşulları
Metan bakterilerinin optimal metan gazı üretebilmeleri için aşağıdaki ekolojik parametreler dikkate alınmalıdır:
- Bakteriler için yeterli miktarda tutunma yüzeyinin bulunması,
- Yeni hücrelerin oluşturulması ve inşaası için yeterli miktarda azotun bulunması,
- Reaktördeki pH değerinin 7.0 - 7.6 arasında olması
- Metan bakterileri için substrat (S) sirkeasiti cinsinden organik asit olarak konsantrasyonu 500 - 1500 mg/l dolayında olması
- Reaktörün sıcaklığı mutlaka > 30 C olması,
- Karanlık ortam, ışık yaşamlarını felce uğratabilmesi,
- Ortamda oksijen kesinlikle bulunmamalı,
- Minumum su miktarı da % 50 olması,
- 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 sunulutu,
- Besin maddesi bakteri arasındaki temas sıklığı ve
( K= x/S = M/F = Cb/Cs )
- N/C oranın yüksek olmaması;
( Karbon dengesi = Co/Fo = Organik karbon / organik madde = 0,53)
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.
Substrat içinde ne kadar çok organik madde bulunursa, asit üreten bakteriler de o kadar çabuk gelişirler. Bu da 1. fazda ara ürünlerin yığılmasına ve böylece de çürütme kulesinde (çürütme reaktöründe, deponide veya çiftlik biyogaz tesisinde) asit konsantrasyonunun artmasına; pH değerinin düşmesine neden olur. Üretilen asitlerin fazla oluşu, ortamın metan bakterilerin yaşaması için elverişli olmayan bir hale gelmesine neden olur.
Kırsal alanda biyogaz üretilmesine elverişli organik atıklar, kaynaklarına göre aşağıdaki gibi sıaralanabilir, bunlardan bazı doğrudan kırsal kaynaklı ve özellikte olmasına karşın, bazıları da kentsel atık özelliğinde olabilirler:
. 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.
Bu atıklar çeşitli reaktörlerde anaerobik koşullarda ayrıştırıp, biyokimyasal dönişimler sonucunda enerji bakımından zengin maddeler elde edilebilir. Yukarda anılan atıklar mikroorganizmalar için ana besin maddesi sunu kaynağını oluştururlar. 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 kotullarda ise 5 kg/m3.gün değeri sağlanabilir (Tablo 1).
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 sunmak-tadır. Bu nedenle de " organik hacimsel yük " daha büyük önem kazanmaktadır. Biyogaz tesislerinin 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 (reaksiyon 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 (Tablo 2).
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
--------------------------------------------------------------------------
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 gelişmekte ve bu ürünleri kullanabilmektedir. H+ - iyonla-rının 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). C- miktarı = 0,53 'dür. Bakterinin de karbon miktarı 0.53'dür.
Çöplüklerde ve diğer yapay veya doğal metan gazı oluşturma reaktörlerinde oluşan metan gazlarının patojen organizmaları zararsızlaştırarak hijyenleştirme faydaları da vardır. Diğer bir deyişle bazı mikroorganizmalara da toksik etki etmektedirler. Metan bakterilerinin toksik etkisi aşağıdaki organizmalar için kanıtlanmıştır :
Paratyphus B; Enteritis Breslau; Enteritis Gaertner
Cholera ve sarılık mikropları da anaerobik çürüme olaylarına karşı çok duyarlı-dır. Verme basilleri çürüme olayını atlatırlar, ancak virulans oluşları (hastalık yapabilme derecesi) şiddetli bir şekilde azalır. Çin'de Szechnan Eyaletinin Para-zitoloji Enstitüsünde yapılan çalışmalarda çürük çamurdaki parazit yumurtalarının taze çamurdakindekilerden % 95 daha az olduğu saptanmıştır. Patojenleri öldürme oranı hem çürütme sıcaklığına, hem de çürütme süresine bağlıdır ( Bak Tablo 4 ).
Domates tohumları ve kalın kabuklu çekirdekler hariç bütün diğer bitki tohumları, çürüme sırasında çimlenme yeteneğini kaybetmektedirler. Dolayısiyle yabani ot tohumunun taşınması söz konusu değildir. Koliform bakterilerinin ise % 0,2 'ye kadar düştüğü görülmektedir. Alkali çürütme yöntemleri ile kırsal kesimde de önemli hijyenik ve sağlıklı koşullar sağlanmış olunmaktadır.
Tablo 4: Anaerob çürütme sırasında parazit yumurtaların öldürülme oranları
----------------------------------------------------------------------------
Parazitler 25-3oC Öldürme oranı Çürütme süresi
---------------------------------------------------------------------------
Bilharzien yumurtası > % 99 14 gün
Kancalı solucan yumurtaları > % 90 30 gün
İerit solucanı yumurtaları > % 99 70 gün
---------------------------------------------------------------------------
Örneğin Federal Almanya'daki çeşitli sektörlerin mevcut biyogaz üretimi ve verimi aşağıdaki gibidir (Bak Tablo 5, 6, 7, 8):
Tablo 5 : Almanya'daki bazı mevcut atıktan enerji üretme tesislerinde 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 6 : 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 7: 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 8 : Çeşitli yenilenebilir enerji kaynaklarının yatırım masrafları (Bolivya örneği)
-------------------------------------------------------------------------------
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 Deponigazı
Deponilerdeki çöplerin bileşimine bağlı olarak ve diğer ekolojik koşulların da etkisi altında atıklardan oluşacak biyogaz verimi, süresi ve miktarı, gazın bileşenleri ve enerjisi açısından özellikleri değişmektedir. Çöplüklerde oluşacak olan deponigazın bir metreküpünün ısıl değeri gazın bileşimine bağlı olarak değişmektedir. Bu değer ise:
18 - 27 MJ / Nm3 arasındadır.
Tablo 9 : 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 9 incelendiğinde organik maddenin tamamının parçalanması halinde elde edilen biyogazın içindeki metan oranının 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.
Tablo 10: Organik madde türüne göre biyogaz eldesi; metan içeriği ve enerjisi
------------------------------------------------------------------------------
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
------------------------------------------------------------------------------
Evsel katı atıklar 0,25 65 8,5
------------------------------------------------------------------------------
Genelde evsel katıatıklar için ortalama olarak verilen bu değerin dışında, ayrıca evsel çöpün bileşimini oluşturan madde gruplarının da ayrı ayrı ısıl değer özellikleri vardır (Tablo 11). Bu madde gruplarından ısıl değerleri yüksek olanı çöpün bileşiminde fazla bulunursa, o zaman çöpün ısıl değeri yüksek; az bulunursa o zaman çöpün ısıl değeri düşük olur. Biyolojik olarak ayrışanların fazla olması anaerobik koşullarda ayrıştırılması halinde de fazla biyogaz üretme olasılığının bulunduğuna işaret eder.
Tablo 11 : Bazı çöp bileşenlerinin ısıl 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
-------------------------------------------------------------------
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 beklenebilir. Enerji kaynaklarına göre maaliyetler gözönünde bulundurulduğunda, tarımsal alanlardaki potansiyel enerji kaynaklarından yararlanmanın önemi ortaya çıkamaktadır (Tablo 12).
Tablo 12 : Enerji kaynaklarına göre maaliyetler
------------------------------------------------------------------
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 yüzdesi veya sabiti
Bir top çöpten elde edilen gaz miktarı literatürlere göre 60-290 m3 gaz/ton çöp arasında değişmemktedir. Ancak mühendislik hesapları için bu değer 100 m3 memtan/ton. çöp; 20 yıl boyunca alınabilmektedir. Deponide oluşan gazın bileşimini ve özelliklerini bilmekde yarar vardır. Tablo 13'de deponigazının bileşenleri ve Tablo 14'de de önemli özellikleri verilmittir.
Tablo 13 : 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 14'de ise deponide oluşan bu gazların bazılarının önemli özelliklerini görebilirizi.
Tablo 14: 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 potansiyel metan üretimi: 75 lt/kişi.gün; bunun da %40'ı yaklaşık 30 lt/kişi.gün yararlanabilir kısmı olur.
Sonuç
Türkiye'de yerleşim yerine, yaşam tarzına ve faaliyet özelliğine göre kişi başına yılda 10 - 30 m3 CH4 - gazı üretilebilmektedir. Bu potansiyel vardır. Kırsal kesimde bu değer 10 m3 CH4/Kişi.Yıl dolayındadır, büyükkentlerde ise çok daha fazladır (30 m3 CH4/Kişi.Yıl). Hayvancılıktan kaynaklanan, atıksu arıtmasında oluşan çamurlardan kaynaklananın ve tarımsal biyomasların yanısıra; evsel çöpler de biyogaz üretimi için dikkate alınabilir. Burada çeşitli hesaplamalar için gereksinim duyulucak temel bilgi ve veriler verilmiştir. Her kırsal yerleşime göre hesaplar yapıp potansiyel değeri bulmak mümkündür.
KAYNAKLAR
Persönliche Mitteilung Berliner Senator für Stadtentwicklung und Umweltschutz, August 1982,1986, 1987, 1988, 1989, 1990, 1991, 1992, 1993, 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.
Weber, Burkhard (1990) : Minimierung von Emissionen der Deponie. Veröffentlichungen des Institutes fir Siedlungswasserwirtschaft und Abfalltechnik der Universitaet Hannover, Hannover. ISAH Heft 74.
Haase Energietechnik (1993) : Deponieentgasung Umwelttechnik. Haase Energietechnik GmbH W-2350 Neumünster . September-1993.
Biogas-Systeme (1984): Deponiegas Colloquium. Giessen. 26./27. Januar 1984.
Rettenberg, G. (1993) : Deponiegastechnik. Economica Verlag. Trierer Berichte zur Abfallwirtschaft. Band 4.
Rettenberg, G. und R. Stegmann (1991) : Deponiegasnutzung- Emissionsminimierung, neue Planungen, und Technologien. Economica Verlag. Trierer Berichte zur Abfallwirtschaft. Band 2.
Rettenberg, G. und Beitzel (1992) : Bau- und Baubetriebstechnik bei Abfalldeponien. Economica Verlag. Trierer Berichte zur Abfallwirtschaft. Band 3.
Rettenberg, G. (1990) : Abfallwirtschaft und Deponietechnik. Economica Verlag. Trierer Berichte zur Abfallwirtschaft. Band 1.
Prof. Dr. Aziz ÖZMERZİ
"Tarımsal Mekanizasyon 15. Ulusal Kongresi"
Akdeniz Üniversitesi
Ziraat Fakültesi
Tarım Makinaları Bölümü
ANTALYA
20-22 Eylül 1994
Tel : 242- 227 4560-61-62
Fax: 242 - 2274564