Download - Bi̇o Gaz Üreti̇mi̇
-
www.kimyamuhendisi.com
ZET
Bu proje kapsamnda biyogaz retim mikrobiyolojisi, retimde kullanlan rektrler
ve sreleri etkileyen faktrler ayrntl olarak aratrlm, daha sonra bykba hayvan
gbresinden biyogaz eldesi incelenip son ksmda da literatr aratrmas yaplp, konu
ile ilgili yaplan deney artlar ve sonular gz nnde bulundurularak ; byk ba
hayvan gbresinden biyogaz retimi iin gerekli olan artlar seilmitir.
-
www.kimyamuhendisi.com
SUMMARY
In this project mikrobiology of biogas, used reactors for production , effective
factors of process are searched. Then production of biogas from cattle manure is
investigated. In the last part by keeping in mind the previous experiments
conditions and results , necessary conditions selected for anaerobic digestion of
cattle manure.
-
www.kimyamuhendisi.com
TEEKKR
Bu projenin bandan beri sre gelen tm aamalarnda yardm ve desteklerinden
dolay danmanm Yrd.Do.Dr. S.Ferda Mutlu ya ve yine desteklerinden dolay Ar.
Gr. Nurgl Yiite en iten duygularmla teekkr bir bor bilirim. Her zaman yanmda
olan ve beni destekleyen aileme de sonsuz kranlarm sunarm.
-
www.kimyamuhendisi.com
1. GR
lkemizde hayvansal ve bitkisel atklar, ounlukla ya dorudan doruya
yaklmakta ya da tarm topraklarna gbre olarak verilmektedir. Ancak atklarn
yaklarak s retiminde kullanlmas daha yaygn olarak grlmektedir. Bu ekilde
istenilen zellikte s retilemedii gibi, s retiminden sonra atklarn gbre olarak
kullanlmas da mmkn olmamaktadr. Ancak lkemizde daha yeni yeni
kullanlmaya balanan biyogaz teknolojisi ise organik kkenli atklardan hem enerji
eldesine hem de atklarn topraa kazandrlmasna imkan vermektedir. Bunun
yansra biyogaz teknolojisi ile mandralarn gnlk atklar ( peyniralt suyu , st
artklar) ve evsel atklar da deerlendirilip s elde edilebilmektedir.
Biyogaz, hayvansal ve bitkisel atklarn oksijensiz ortamda ayrmas sonucu
ortaya kan bir gaz karmdr. Bileiminde % 60-70 metan (CH4), % 30-40
karbondioksit (CO2), % 0-2 hidrojen slfr (H2S) ile ok az miktarda azot (N2) ve
hidrojen (H2) bulunmaktadr. Atklarn anaerobik artm sonunda elde edilen biyogaz
dier enerji trlerine gre temiz ve s deeri yksek bir enerji kaynadr ve
retiminden sonra atklar yok olmamakta stelik ok daha deerli bir gbre haline
dnmektedir
Yaplan bu projede ayrntl bir biimde biyogaz retim mikrobiyolojisi ,
retiminde kullanlan reaktrler , biyogaz oluumunda etkili faktrler ve byk ba
hayvan gbresinden biyogaz retim teknikleri aratrlmtr. Daha sonra kaynak
-
www.kimyamuhendisi.com
taramas yaplp, yaplan deney artlar ve sonular incelenerek ; byk ba hayvan
gbresinin en uygun ve en verimli artlarda artmndan biyogaz eldesinin nasl
yaplmas gerektiine karar verilmitir.
-
www.kimyamuhendisi.com
2. BYOGAZIN RETM MKROBYOLOJS
eitli organik maddelerin metan ve karbondiokside dnm kark mikrobiyolojik
flora tarafndan gerekletirilmektedir.Bu dnm anaerobik yani oksiyensiz ortamda
gerekleir
2.1 Anaerobik Artmn Tarihesi
Geen son 20 yl ierisinde birok endstriyel organik atklar ve gda atklarnn
artlmas iin en etkili yntem anaerobik yntem olmutur. Anaerobik ilem oksijensiz
ortamda mikroorganizmalarn organik atklar biyogaza dntrd ortamda
kendiliinden oluan bir prosesdir. Ilk anaerobik prosesin 1776 da Count Alessandro
Volta tarafndan tanmlanmas ile beraber en eski anaerobik biyolojik ilem 1860 da ev
atklarna uygulanmtr
2.2 Anaerobik artmn lkeleri
Anaerobik paralanma oksijensiz ortamda fakltatif bakterilerin ve
mikroorgamizmalarn organik maddeleri paralamasna dayanan biyoojik karmak bir
prosestir. Bu organik maddeler mikroplar iin yiyecek kayna olmakla birlikte yine ayn
mikroplar tarafndan oksitlenmi maddelere, yeni hcrelere , yaamlar iin enerjiye ve
metan karbondioksit gibi rn gazlarna dntrlrler .(Reynolds and Richardson
1996) Bu oksijensiz bozunma sonucunda metan gaz aamal bir ilem sonucunda
oluur.Oksijensiz bozunmann (anaerobik fermantasyon) bu aamal mikrobiyolojisi
aadaki gibi sralanr.
-
www.kimyamuhendisi.com
ekil 2.1 Anaerobik lemin Basamaklar (2005 M.ztrk)
2.2.1 Fermantasyon ve Hidroliz Bu aamada fermantatif ve hydrolytic bakteriler olarak isimlendirilen bakteri
gruplar organik maddenin temel gesi olan karbon hidratlar (C6H10O5)n,
proteinleri (6C 2NH3 3H2O) ve yalar (C50H90O6) paralayarak CO2, asetik asit ve
byk bir ksmn da zlebilir uucu organik maddelere dntrrler. Bu son
gruptaki uucu organik maddelerin byk bir blmnn uucu ya asitleri olmas
nedeniyle, bu aamaya uucu ya asitlerinin [CH3 (CH2) n COOH] oluum aamas
ad da verilir
-
www.kimyamuhendisi.com
2.2.2 Asetik Asitin Oluumu
Bu aamada, birinci aama sonucunda aa kan ve uucu ya asitlerini asetik asite
dntren asetogenik (asit oluturan) bakteri gruplar devreye girmekte ve bir ksm
asetogenik bakteriler uucu ya asitlerini asetik asit ve hidrojene dntrmektedir.
CH3(CH2)nCOOH + H2O => 2CH3COOH + 2H2
Dier bir ksm asetogenik bakteri grubu ise aa kan karbondioksit ve hidrojeni
kullanarak asetik asit oluturmaktadr. Ancak bu ikinci yolla oluan asetik asit miktar,
birinciye oranla daha azdr.
2CO2 + 4H2 => CH3 COOH + 2H2O
2.2.3 Metan Gaznn Oluumu
Anaerobik fermantasyonun bu son aamasnda metan oluturan bakteri gruplar
devreye girmekte, ve bir ksm metan oluturan bakteriler CO2ve H2 'yi kullanarak metan
(CH4) ve suyu (H2O) aa karrlarken, teki bir grup metan oluturan bakteriler ise
ikinci aama sonucunda aa kan asetik asidi kullanarak CH4 ve CO2
oluturmaktadrlar.
CO2 + 4H2 => CH4 + 2H2O
CH3 COOH => CH4 + CO2
Ancak bu aamada birinci yolla oluan metan miktar, ikinci yolla elde edilen metan
miktarndan daha azdr. retilen tm metann %30'u birinci yolla %70'i ikinci yolla
-
www.kimyamuhendisi.com
yaplmaktadr.
Bu aamada deiik bakteri grubu etkinlik gstermektedir. Anaerobik
fermantasyonda bekletme sresine, atk su ve atk organik maddelerin trne, ortamn PH
ile ierdikleri iyonlara ve bunlara baml olarak oluan mikroorganizmalar topluluunun
yapsna gre deiik scaklk blgesi mevcuttur. Anaerobik fermantasyonun nc
aamasnda devreye giren ve metan oluumunu salayan metan bakterileri, fermantasyon
ortamnn scaklna gre gruba ayrlr. (http://www.eie.gov.tr/biyogaz/mikrobiyoloji.html)
Bunlar;
1- Psychrophilic (Sakrofilik) Bakteriler Optimum faaliyet scakl : -8 -25 C
2- Mezophilic (Mezofilik) Bakteriler Optimum faaliyet scakl : 25-38 C
3- Thermophilic (Termofilik) Bakteriler Optimum faaliyet scakl : 50-60 C
Sakrofilik (souk seven) Bakteriler :
Sakrofilik bakteriler deniz ve gl diplerindeki tortullar ile bataklklarda
yaamaktadrlar. reme slar 25 C altndadr. Denizde yaayan bakterilerden bazlar -
8C ile +10 C arasnda reyebilirler. Souk seven bakteriler buzdolabnda saklanan
besinleri bozulmasnda nemli olan bakterilerdir. Akromobakter, alkaligenez,
psdomonas ve streptokoklar bu tr bozulmaya yol aan bakterilerdir.
Termofilik (lk seven ) Bakteriler : zellikle insan ve scak kanl hayvanlarda hastalk yapan bakteriler bu gruba
dahildirler en iyi redikleri s 25-38C dir. Bu derecelerin alt ve stnde reyemezler,
stafilokokus orus (Staphylococcus aureus) gibi.
-
www.kimyamuhendisi.com
Termofilik ( scak seven ) Bakteriler :
Termofilik bakteriler ise yksek scaklklardaki volkanik ve jeotermal bataklklar
ierisinde scak su kaynaklar ve kaplcalarda bulunurlar, 50-60 C arasnda iyi rerler.
Konserve ve pastrize besinleri bozulmasnda etkin rolleri vardr .Laktobasillus
termofilus( lactobacillus thermophilus) bunlardan biridir.
Bu bakteri gurubu ile yaplan fermantasyonda, sakrofilik, mezofilik ve termofilik
fermantasyon ile ayn ad almaktadr. Bu bakteri gruplarndan 1. ve 3. grupta yer alan
sakrofilik ve termofilik bakteriler sr gbresi ierisinde yaamamaktadr. Sr
gbresinde mezofilik bakteriler bulunmaktadr. Biyogaz tesisinde sr gbresi
kullanlmas durumunda mezofilik fermantasyon uygulanr.
-
www.kimyamuhendisi.com
3. ANAEROBK PROSESDE ETKL OLAN FAKTRLER
3.1. Scaklk
Scakln biyolojik sistem zerinde byk etkileri vardr. Metabolik hzda , iyonizasyon
denkliklerinde , substratlarn znrlnde scaklk nemli bir parametredir. Yukarda
da anlatld gibi tm mikroorganizmalarn etkili olduu scaklk aralklar vardr ve
proseslerde bunlara dikkat edilmelidir. Anaerobik parcalanma scakln bir
fonksiyonudur. yle ki optimum scakla ulancaya kadar scaklk arttka paralanma
da artmaktadr. Scaklk optimumu atnda reaksiyon hz ile beraber metabolik aktivite
de der.
3.2 pH
Metan oluturucu bakteriler ntr veya hafif alkali ortamda yaarlar. Fermantasyon
ilemi anaerobik artlarda kararl olarak devam ederken ortamn pH, normal olarak 7-7.5
arasnda deiir. Karbon dioksit-bikarbonat (CO2-HCO3-) ve amonyak- amonyum (NH3-
NH4+) in tamponlama etkisinden dolay pH seviyesi nadiren deiir. Bio karbonatlar
pHn derek metanojenik mikroorganizmalar zerine ters etki yapmasn nler. nk
bi karbonatlar rme esnasnda oluan uucu ya asitlerinin serbest ya asitleri halinde
deil de bal halde tutulaca iin pH drme etkisini nler.
Eer bio reaktrn pH 6.7nin altna derse, bu durum metan oluturucu
bakteriler zerinde toksit etki yapar. Anaerobik artma iin ideal pH aral 6.8-7.8 dir.
pH 6.5 altna dt zaman gaz retimi tamamen der. pH dtnde bu durumdan
metan oluturucu bakteriler olumsuz etkilenir. Dolaysyla ortamda asit oluturucu bakteri
konsantrasyonunda artma olur. Reaktrde ya asidi konsantrasyonu belli deerin zerine
-
www.kimyamuhendisi.com
ktnda metan oluumu tamamen durur. Bu durum zellikler ar organik ykleme ve
scakln ok olarak dmesinden dolay meydana gelir.
Bio reaktrlerde pH dt zaman iki yaklam uygulanr. Birinci yaklamda
organik madde beslemesi kesilmelidir. Bylece ortamda metanojenik
mikroorganizmalarn konsantrasyonu artrlarak ya asidi konsantrasyonu azaltlabilir.
pH kabul edilebilir seviyeye ykseldikten sonra (pH=6.8 gibi) amur beslenmesine tekrar
devam edilir. kinci yaklam pHi ykseltmek ve tamponlama kapasitesini artrmak iin
ortama kimyasal maddeler ilave edilir. Kimyasal madde ilave etmenin en nemli avantaj
pH derhal kararl hale gelebilir. Dengesiz populasyonlar hzl ekilde kendisini
dzeltmeye alrlar. Kimyasal madde olarak snm kire (kalsiyum hidroksit) ve soda
(sodyum bi karbonat) zeltileri ilave edilebilir. Her iki madde de Trkiyede bol olarak
bulunmaktadr. Sodyum bi karbonat biraz pahaldr. Fakat kalsiyum karbonat gibi ilave
bir kat madde oluturmaz.
Metan gaz retiminde ve tm anaerobik paralanma proseslerinde pH nemli bir
parametredir. Yaplan aratrmalar mikroorganizmalarn en etkin olduu ph aralnn 6,8
8,2 olduunu gstermitir. Optimum Ph ise 7,0 olarak belirlenmitir. Ph 8,2 nin stne
ktnda veya 6,5 altna indiinde etkili bakteriler lr ve sistemde toksik artlar
olumaya balar. Bu durum da tm metabolik aktiviteyi etkiler ve dolays ile metan
retimi durur.
3.3 Organik Madde Ykleme Hz
Organik ykleme hz, birim hacim(m3) bio reaktrlere gnlk olarak beslenen
organik madde miktar (KOI veya uucu kat maddelerin (VS) olarak ifade edilir) olarak
tarif edilir. Hayvan gbresi iindeki organik madde muhtevas,
-
www.kimyamuhendisi.com
100*)(
)()(
=
gMaddeToplamKatgKlnAglgMaddeToplamKatdeMuhtevasOrganikMad
eklinde bulunur.
Anaerobik artmada bakteriler organik ykleme hzna kar olduka hassastrlar.
Anaerobik artma iin organik artma hz (kg/m3/gn),
11... C
HBSHBSKonsucuMadGbredekiU
SvHacmKonsUucuMaddeGnlkDebiOYH
==
=
denklemiyle ifade edilir.
Burada C1 : Uucu Madde Konsantrasyonudur.
Anaerobik artma esnasnda mmknse optimum organik ykleme hz korunmaldr.
Organik ykleme hz yksek olduunda bio reaktr iinde asit birikmesi olur ve pH
der. pHn dmesi metanojenik bakterilerin faaliyetlerini olumsuz ynde etkiler. Bu da
gaz retim hzn drr. Hatta durdurur. Benzer ekilde organik besleme hz dt
zaman gaz retim hz der.
Almanyada yeni kurulan byk bio reaktrlerde OYH, 1 kgUM/m3.gn in altndadr.
HBS ise yaklak olarak 50 gnden byktr.
Danimarkadaki bioreaktrler iin 12-35 gnlk HBS iin OYH 1.7-8 kgUM/m3 dr. (Mustafa ztrk)
-
www.kimyamuhendisi.com
Bir srece organik madde ykleme hz biyomas deriimine , reaktr hacmine , HRT
ve organik madde konsantrasyonuna baldr. Anaerobik sistemlerde bu hz aerobik
sistemlere gre daha yksektir.
3.4 Hidrolik Bekletme Sresi
Hidrolik bekleme sresi (HBS), gbre iindeki organik maddelerin bakteriler
tarafndan rtlmesi sonucu biogaz retmesi iin gerekli olan sre olarak tarif edilir.
Bunu bir denklemle ifade edecek olursak,
)/(
Re3
3
gnmm
GnlkDebiaktrHacmiHBS ==
eklinde gsterebiliriz. Reaktr iindeki baz organik maddeler tam olarak biokimyasal
reaksiyona girdiinde zamanla gaz retimi azalmaya balar. Seilen hidrolik bekleme
sresi iinde besi maddelerinin %70-80 orannda biokimyasal reaksiyona girerek bertaraf
olduu kabul edilir. Biogaz tesislerinde iletme scaklna bal olarak hidrolik bekleme
sresi(HBS) 20 ile 120 gn arasnda deiir. Tropikal blgelerde H.B.S. 40-50 gndr.
inin souk blgelerinde bu sre takriben 100 gndr.
Yksek su konsantrasyonu ieren besleme verildiinde az su ieren beslemeye gre
daha dk HBS kar.
Beslemede dk konsantrasyonda kat kullanldnda veya yksek ykleme hznda
HBSdrlr ve bakterilerin sistemden ykanarak kma durumunda art grlr.
Katlarn ve mikroorganizmalarla ilgili baz kriterler dikkate alnmadnda ; dnm
veriminde azalma yani dk metan gaz verimi elde edilir ve paralanmada
kararszlklarda art grlr.
-
www.kimyamuhendisi.com
Yava byyen metanojenik bakteriler sisteme verildiinde bu bakterilerin sistemden
ykanarak kmalar daha hzl olacaktr. Asit oluturan bakteriler sisteeme verildiinde
sistemde mikrobiyolojik dengesizlikler, yksek miktarda ucucu asitler ve kararszlklar
olumaktadr.
Reaktrlerde kat ve mikroorganizmalarn bekleme sreleri nem tar ancak HBS
paralanma ilemini tanmlamak iin o kadar da nemli bir parametre deildir.
Byk lekli biyomas paralanmalarnda kritik problem ; belirli zaman aralklarnda
paralanmaya eklenen reaktif beslemenin miktardr, gn iinde nekadar su bekletilecei
deildir. Srekli beslemeli sistemlerde, bakterilerin reaktrlerden kamasn nlemek ve
bakterilerin iki katna kmasn temin iin HBS sresi daha uzun seilebilir.
HBS sresinin drlmesi, rtlecek malzemeye bal olarak deiir. Hayvan
atklarnda HBSni etkileyen en nemli basamak hidroliz kademesidir.
Hayvan gbresinde bulunan organik maddelerin rmesi;
Karbonhidratlar
Yalar
Proteinler
Hemi selloz
Selloz
srasyla gerekleerek hzlanr. Karbon hidratlar ve yalar daha kolay hidrolize olurken
sellozlar daha zor hidrolize olurlar.
Hidrolik bekleme sresi yeterli olmazsa reaktrden bakteriler daha hzl kaar ve
uucu ya asidi konsantrasyonu artar. Buda biogaz retiminin dmesine neden olur.
Fermantasyon tam olarak gereklemez. Bu problem, tarmsal biogaz tesislerinde nadiren
gerekleir.
-
www.kimyamuhendisi.com
Reaktr scakl arttka hidrolik bekleme sresi der. Yksek scaklkta bio
kimyasal reaksiyonlar daha ksa srede gerekleir. Dolaysyla hidrolik bekleme sresini
uygulanacak scakla gre semek gerekir.
3.5 Katlar Bekletme Sresi
Yukar akl kat reactrlerde olduu gibi tam karma olmayan paralanmalarda
kat bekletme sresi ( KBS) emprik olarak belirlenmelidir.
Uzun KBS gerektiren paralanma ilemlerinde dk bakteriyel hcre sentezlerine ve
enerjiye ihtiya duyulur. Eer yaplan ilemde amonyak ve azot konsantrasyonu yksek
ise KBS uzun olmaktadr.
3.6 Mikroorganizmalarn Bekletme Sreleri
Biyomas paralama ileminde kararll korumak iin nemli bir metod sistemde
mikroorganizmalarn bekletme srelerini (MRS) ksa tutmaktr. MRS artt srece
sistemdeki dengesizliklerde artacaktr.
3.7 Biyoktle Kat Konsantrasyonunun Etkisi
Reaktr dizayn yaplrken ilem trnn beslenen biyomasn fiziksel ve kimyasal
zellikleri ile yakndan ilgili olduuna ve beslemedeki kat paracklara dikkat etmek
gerekir.
Reactr sisteminde beslemedeki kat paracklarn HBS zerinde direkt olarak bir etkisi
vardr. Kat konsantrasyonu arttka HBS artar ve ykleme hz artar.
-
www.kimyamuhendisi.com
3.8 C / N Oran
Tm besi maddeleri, hayvan gbreleri, insan atklar, mutfak atklar v.b. belli
oranlarda karbon, azot ve oksijen ierirler. Organik maddelerdeki karbon, anaeorobik
bakterilerin enerji ihtiyac iin gereklidir. Karbondan baka en nemli besi maddeleri azot
ve fosfordur. Azot bakterilerin bymesi ve oalmas iin gereklidir.
Besi maddesinde azot bulunmasnn iki faydas var. Birincisi, amino asitlerin,
proteinlerin ve nkleik asitlerin sentezi iin gerekli elementi salar. kincisi, amonyaa
dnen azotun uucu ya asitlerini tamponlayarak pHn dmesini nler. Bylece
metan oluturucu bakterilerin bymesi iin uygun pH artlarnn salanmas oldukca
nemlidir.
Besi maddesindeki bileikler, bio reaktrde mevcut farkl bakteriler tarafndan
kullanlrlar. Metabolik ilemler iin gerekli C/N oran bakteriler iin uygun olmaldr.
C/N oran 23/1 den byk olduunda optimum rme iin uygun deildir. Yine C/N
oran 10/1den kk olduunda bakteriler zerinde engelleyici etki yapmaktadr.
almalar gstermitir ki hayvan gbresinde azot (N) kayna idrardr. Deneysel
almalardan grlmtr ki hayvan at iinde 5000 mg/lt. azotun bulunmas bio
kimyasal reaksiyon zerine olumsuz etki yapmad gzlenmitir. Organik madde iinde
azot 8000 mg/lt. ise azot amonyak azotuna dnr. Bu engelleyici etkide en nemli rolu
amonyum iyonu yerine serbest amonyak azotu oynamaktadr. Serbest amonyak azotu
zellikle hidrojen (H2) ile karbon dioksit gazlarndan metan retimi zerinde engelleyici
etki yapmaktadr. Asetattan metan oluumu zerine amonyak minumum etki
yapmaktadr. Hidrojen (H2) tketiminin engellenmesi, propiyonik asitin paralanmasn
-
www.kimyamuhendisi.com
zorlatrr. Buda metanojenik bakterilerin tkettii asetatlarn engellenmesi gibi hareket
eder.
Hayvan gbresinden biyogaz reten atklarda C/N oran 15/1 ila 30/1 arasnda deiir.
ou taze hayvan gbreleri bu oran salar. C/N oran 15/1 ila 30/1 i salyorsa hayvan
gbresini ayrca ayarlamaya gerek yoktur.eitli hayvan gbrelerine ve evsel/tarmsal
atklara ait kuru bazda C, N, C/N oran ve nem miktarlar Tablo 3.1de verilmitir.
Tablo 3.1 Organik Maddelerin C/N Oran
Gbre C
%Kuru
N
%Kuru
C/N
Oran
Taze Gbredeki
Nem Oran (%)
Su ile
Seyrelt
me
Sr Gbresi 30 1.66 18 80-85 1:1
Koyun Gbresi 83.6 3.80 22 75-80 1:1
Kmes Hav. Gb. 87.5 6.55 14 70-80 1:3
Domuz Gb. 76 3.8 20 75-80 1:2
At Gb. 33.4 2.3 15 80-85 2:3
Kaz 54 2 27 70-80 2:3
Gvercin Gb. 50 2 25 70-80 1:3
drar 15 15 1 90-95
Kan 36 12 3 90-95
Balk At 56 7 8 55-75
Kesim hane At 64 8 8 55-75
-
www.kimyamuhendisi.com
iftlik Gb. 42 3 14 75-80
EVSEL VE
TARIMSAL ATIKLAR
nsan Dks 48 6.0 8 50-70 3:7
drarl nsan Dks 70 7.0 10 50-70
Patates Kabuu 37.5 1.5 25 50-60
Mutfak At 62.5 2.5 25 5-15
Ekmek 50 2 25 50-60
Gazete 40 0.05 800 5-15
Taze im 48 4 12 40-60
Yulaf saman 50.4 1.05 120 20-40
Pirin saman 18 0.3 60 20-40
Yapraklar 55 1.0 55 25-40
Yer fst Kabuu 40 2.0 20 25-40
Soya fasulyesi sap 64 2.0 32 25-40
Aa yapraklar 75 1.5 50 40-60
eker kam 45 0.3 150 25-40
Soya fasulyesi 17.5 3.5 5 10-15
Pamuk tohumu 12.5 2.5 5 10-15
Hardal 39.0 1.5 26 10-15
Su smbl 30.4 1.9 16 85-90
-
www.kimyamuhendisi.com
C/N hesaplamalarnda devaml kuru madde esas alnr. Enerji retiminde gbre
iindeki su katks sfrdr. Bakteriler organik maddeleri besi maddesi olarak kullanrlar.
Optimum C/N oran farkl organik maddelerin kartrlmas ile elde edilebilir. Sabit
karm srekli gaz retimini garanti etmek iin gereklidir.
3.9 Toksisite
Mineral iyonlar, ar metaller ve deterjanlar anaerobik artmada mikro organizmalarn
bymelerini engelleyerek toksik etki yaparlar. Az miktarda mineral iyonlar (sodyum,
potasyum, kalsiyum, magnezyum, amonyum ve kkrt) bakterilerin bymeleri
gelitirirken ar metaller toksik etki yaparlar. 50-200 mg/lt. amonyum bakterilerin
bymesini ilerletirken 1500 mg/lt. amonyum bakteriler zerinde toksik etki yapar.
Benzer ekilde bakr, nikel, krom, inko, kurun gibi ar metaller ok dk
konsantrasyonlarda bakterilerin gelimesinde olumlu etki yaparken yksek
konsantrasyonlarda toksik etki yaparlar. Sabun gibi deterjanlar, antibiyotikler,
dezenfektanlar, organik solventler bakterilerin metan retim kapasitelerini drrler. Bu
maddelerin hayvan gbresine karmas nlenmelidir.(2005 M.ztrk) Bakterilerin
bymesinde toksik etki yapan baz maddelerin konsantrasyonlar Tablo 3.2de
verilmitir.
-
www.kimyamuhendisi.com
Tablo 3.2 Anaerobik Artmada eitli Engelleyicilerin Engelleme Seviyesi
Engelleyiciler Engelleme Seviyesi (mg/lt)
Slfat (SO4-2) 5.000
Sodyum klorr ve genel tuzlar (NaCl) 40.000
Nitrat (N olarak hesaplanm) 0.05
Bakr (Cu+2) 100
Krom (Cr+3) 200
Nikel (Ni+2) 200-500
Sodyum (Na+1) 3.500-5.500
Potasyum (K+1) 2.500-4.500
Kalsiyum (Ca+2) 2.500-4.500
Magnezyum (Mg+2) 1.000-1.500
Mangan (Mn+2) 1.500 zeri
-
www.kimyamuhendisi.com
Anaerobik artmada metan retimi zerine amonyak konsantrasyonun olumlu ve
olumsuz etkisi Tablo 3.3de verilmitir.
Tablo 3.3 Amonyakn Metan retimi zerine Etkisi
Konsantrasyon (mg NH3/lt) Etkisi
5-200 Faydal
200-1000 Ters etkisi yok
1500-3000 Yksek pH deerlerinde muhtemelen
engelleyici
>3000 Toksik
-
www.kimyamuhendisi.com
4.ANAEROBK LEMN DER BYOLOJK LEMLERLE
KARILATIRILMASI
Tam ayarlanm bir anaerobik ilem dier biyolojik ilemlere gre daha dk iletme
maliyetine, daha az amur oluumuna, daha fazla enerji kazanmna (bkz ekil 4.1) ve
daha yksek organik madde ykleme hzna olanak sunmaktadr. Buna karn anaerobik
ilem ; daha uzun balatma sresine , optimum scakla ulamak iin enerjiye ihtiya
duyar ve istenmeyen kt koku oluumu , 5 gnlk biyolojik oksijen ihtiyacnn 50 mg /
lt den az olamamas kanlmaz olumsuz ynleridir.
Belediyelere ait ve endstriyel atklara uygulanan anaerobik ilemin aerobik ileme
gre birok avantajlar mevcuttur. Bu avantajlar ; biyomas retiminin azalmas, elde
edilen enerji ile tekrar metan gaz oluturma , organik madde ykleme hznn yksek
olmas ve iletme maliyeyinin az olmas eklinde sralanabilir. Bu avantajlarnn yannda
scaklk, pH deerlerindeki dalgalanmalara ok duyarldr. Yine bu sistemde hidrojen
slfr oluumu nemli bir dezavantaj olarak kabul edilir.(ref?????)
Tablo 1 anaerobik ilemin stnlk ve sakncalar zetlemektedir.
Tablo 4.1 Anaerobik ilemin stnlkleri ve sakncalar
STNLKLER SAKINCALARI
* Sistem kararldr * Uzun balatma sresi
* Dk biyomas yoketme maliyeti * Sulandrmada yetersiz alkalinite ouumu
*Dk azot ve fosfor giderme maliyeti * Optimum scaklkta yetersiz metan gaz
oluumu
* Dk tesisat alan * Slfat ve kt koku oluumu
-
www.kimyamuhendisi.com
* Enerjinin korunmas ve ekonomik
yararlar
* Nitrifikasyon olmamas
* Dk ilem ilgisi * Dk scaklkta dk kinetik
* Hava kirliliini giderme * Yksek BO ( 5 gnlk)
* Sezonluk ilem imkan * Yksek NH4 deriiminde gerekli en fazla
biyomas aktivitesi
* Atk yzeyindeki kprmeyi giderme *Yksek toksiklik ve klorlanm alifatik
oluumu
* Klorlanm organik toksitlerde azalma
ekil 4.1 Aerobik ve anaerobik artmn karlatrlmas
-
www.kimyamuhendisi.com
5. BYOGAZ RETMNDE KULLANILAN REAKTRLER
5.1 Reaktr Tasarm
Anaerobik paralanma teknolojisini ticari ve ekonomik adan beslemenin fiziksel ve
kimyasal zelliklerinin kullanlan reaktrn dizayn ile uyum salamas gerekir. Bir
prosesi gerek anlamda yaplandrmak iin ncelikle paralanma dizaynnn iyi seilmesi
gerekmektedir.
Yksek metan gaz verimine ancak kat madde ve mikroorganizmalarn bekleme
sreleri ( KBS, MBS ) uzun tutulduunda ulalr. Yksek retim hz iin yksek
organik ykleme hz ve dk hidrolik bekleme (HBS) srelerine ihtiya vardr.
Mikroorganizmalarn , biyomasn ve kat maddelerin bekleme sreleri reaktr dizayn ,
operasyon teknikleri ve beslemenin kompozisyonuna gre belirlenir.
Ykleme hznn azalmas ile uzun KBS salanr bu da ksa hidrolik bekleme sresine (
HBS) sebep olur. KBS uzun iken HBS nin ksa olmas alk olunan reaktr dizaynlar ile
salanamaz. (ref ???)
5.2 Reaktr eitleri
Endstride kullanlmak zere birok farkl anaerobik reaktrler tasarlanmtr. Tam
kartrmal tank reaktr (CMSTR) ,Lagun tipi reaktrler, ASBR , yukar akl
anaerobik amur yatak reaktr( UASB) bunlardan birkadr.
5.2.1 Tam Karml Reaktrler
Tam karml reaktrlerde amur stlarak reaktre verilmektedir. Bu tr reaktrlerde
yeterli uucu organik kat madde konsantrasyonu %3-10 arasnda deien atklar
kullanlr. Reaktrler geni, dikey ve sadece betonarme veya elik silindirlerden yaplm
-
www.kimyamuhendisi.com
konteynerlerdir. Reaktr tavan dz veya konik olabilir. Reaktre bir kartrc konarak
bakterilerin besi maddeleri ile ile homojen temas salanr. amur, kartrma havuzunda
toplanr. Burada gerekirse seyretme yaplr. amur reaktre verilmeden nce gbre
iindeki yabanc ve istenmeyen maddelerin kelmesi salanr ve stlr. amur reaktre
ya bir pompa veya cazibe ile akacak ekilde verilir. Reaktre verilen amur reaktrde
kartrlr. Kartrma ile 1. homojen bir ortam oluturulur, 2. kat maddelerin askda
kalmalar salanr. Kartrma ve stma verimlilii artrr. Tam karml reaktrler ya
mesofilik veya termofilik artlarda altrlr. Tesisten elde edilen biogazn bir ksm
reaktr stmak iin kullanlr. Hidrolik bekleme sresi 10 ila 20 gn arasnda deiir.
Anaerobik artlar muhafaza etmek iin reaktr zeri sabit olarak kapatlr. Biogaz
reaktrden alnr. Artlr ve kullanma sevk edilir. ou tam karml reaktrlerden elde
edilen biogazdan elektrik enerjisi retilmektedir. Hem reaktr hemde kartrma nitesi
motor soutma sisteminden alnan atk s ile stlmaktadr.
Tam karml reaktrlerin hacmi 100- 2000 m3 arasnda deimektedir. Daha byk
hacimli amurlar iin birden fazla reaktr kullanlabilir.
-
www.kimyamuhendisi.com
ekil 5.1 Tam Karml Reaktrler
-
www.kimyamuhendisi.com
ekil 5.2. Tam Karml Anaerobik Artma Tesislerinden Grntler
5.2.2 Lagun Tipi Reaktrler
Anaerobik lagunlarn st rtl havuzlardr. Gbre bir utan girer ve rme
ileminden sonra dier utan kar. Lagunlar genellikle psikofilik veya toprak scaklna
yakn scaklk artlarnda altrlr. Dolaysyla reaksiyon hz, mevsimsel scaklk
deiiminden etkilenir. Yazn k aylarna gre %35 daha fazla biogaz elde edilmektedir.
Bu tr reaktrlerde kat madde konsantrasyonu %2 dr. Lagun tipi reaktrlerde kat
-
www.kimyamuhendisi.com
madde konsantrasyonu dk atk sularla alld iin domuz gbresi ile mandra
atksularnn bu tr sistemlerle artlmas daha olumlu sonular vermektedir. Hayvan
gbresi bu tr tesislerde artlacaksa kat maddeler nceden artlmaldr. Bu durum enerji
potansiyelini nemli lde azaltr (ekil 5.3).
Istmasz lagun tipi reaktrlerde HBS 60 gn amaktadr.
Reaktr scakl dk olduu zaman organik maddelerin biogaza dnm de
dk olmaktadr.
amur iindeki kum ve kil gibi kelebilir kat maddeler reaktre verilmeden nce
kartrma nitesinde bertaraf edilmelidir. Ayrca byk ba hayvan atklarnda bol
miktarda bulunan lignin ve seluloz gibi malzemelerin anaerobik artlarda bozunmas zor
olduu iin nceden giderilmesinde fayda vardr. Bylece lagun iinde kat madde
birikmesi daha az olur.
Lagunlar, dairesel, kare, dikdrtgen ve baka ekillerde olabilirler. Dikdrtgen
lagunlarda atklarn dzgn ekilde dalmas iin uzunluk /genilik oran 4:1i
amamaldr. Lagunlarda anaerobik artlarn salanmas iin reaktr derinlii en az 2
metre olmaldr. Maksimum derinlik ise toprak zelliine ve yer alt su seviyesine bal
olarak 6 metre olabilir. Bylece daha az yzey alan gerekir. Baz lkelerde lagun
duvarlar ksmen poliretan kpk (5 cm et kalnlnda) ve ksmen toprak seti ile
yaltlmaktadr.
Lagunlarn zerinde kullanlan yzer at rts malzemeler geirimsiz plastik
membranlardr. Yzer at rt altnda oluan gaz toplanr. Yzer at rts olarak
kullanlan membran malzemesi genellikle HDPE veya poli propilendir. Yzer at rts
altnda toplanan biogaz belli basnca ulatnda gaz pompas ile kullanma gnderilir.
-
www.kimyamuhendisi.com
Anaerobik lagunlarn en byk avantaj dk maliyetli olmasdr. Dk maliyet
dk enerji retimi ve daha az verimle artlm su kalitesi ile dengelenir. Lagunlar sk
aralklarla temizlenmedir. Temizleme esnasnda koku ikayeti olur.
ekil 5.3 st rtl Lagundan Grnt
Baz lagunlar stlmaldr. Buna rnek bir lagun tipi ekil 5.4de verilmitir.
-
www.kimyamuhendisi.com
ekil 5.4 Istmal ve ats rtl Lagundan Grnt
5.2.3 Piston Akml Reaktrler
Piston akml reaktrler anaerobik rmenin en basit ekli ve en ucuz olandr.
Piston akml reaktrler yatay veya dikey ekilde olabilir. ounlukla yatay, dikdrtgen
modeller kullanlmaktadr. Gbre ahrdan syrma sistemi ile toplanr. Atk su reaktrn
bir tarafndan girer ve rme ileminden sonra dier taraftan kar. Giriler korozyona,
tkanmaya,, donma hasarna ve gaz kaybna dayankl olarak dizayn edilmelidir. Reaktr
girii, reaktrdeki hakim su seviyesinin altnda olmaldr. Organik maddelerin bir ksm
bakteriyel ktleye dnr. Bu tr reaktrlerde kat madde konsantrasyonu %11-14
arasnda deimektedir. Yksek konsantrasyonda kat madde ile allabilecei iin
gevi getiren hayvan gbresi artlabilir. Domuz ve mandra atklarn artmak iin uygun
deildir (ekil 5.5).
-
www.kimyamuhendisi.com
Dikdrtgen tipi olan reaktrlerde uzunluk, genilik ve derinlikten daha byk
olmaldr.Reaktr uzunluunun genilie oran 3.5:1 ila 5:1 arasnda deiir. Derinlik ise
en az 2.5 metre olmaldr. Geniliin derinlie oran ise 2.5:1den kk olmaldr.Taban
ve duvarlar beton veya geirimsiz membran olabilir. zellikle zemin dz olmaldr.
Reaktr yzeyi, duvarlar ve taban s kaybn minimize etmek iin yaltlmaldr.
* Piston akml reaktrler genellikle mesofilik artlarda altrlr. Hidrolik bekleme
sreleri genelde 20 gndr. Kat madde bekleme sresi ise 25-30 gndr.
* Piston akml reaktrlerde kum ve kil gibi maddeler reaktr tabanna
kelebileceinden nceden giderilmelidir. Fiberler ise reaktr yzeyinde yzebilir.
* Piston akml reaktrlerde yzer at rts malzemesi olarak esnek HDPE ve poli
propilen kullanlr. Sabit at malzemesi olarak ise beton veya galvaniz sa
kullanlmaktadr.
* Reaktrde oluan kat maddeler zaman zaman alnmaldr. Temizleme ilemi kolay bir
ilem deildir.
* Bu tr reaktrler, reaktr iinden geen scak su borular siyah demir, elik, bakr veya
alminyumdan yaplm s deitiricilerle stlr. Is deitirici olarak galvaniz boru
kullanlmamaldr. Bylece yl boyunca sabit scaklk elde edilebilir. Temizleme ilemi
esnasnda stclarnda temizlenmesi ve tamir edilmesi gereklidir. ( 2005 M ..ztrk)
-
www.kimyamuhendisi.com
-
www.kimyamuhendisi.com
ekil 5.5 Piston Akml Reaktrler (2005 M.ztrk)
5.2.4 Anaerobik Filtre Reaktr
Anaerobik filtreler iinde doal veya sentetik dolgu maddesinin bulunduu , bu
malzeme zerinde bakterilerin sabit biyofilm formunda byd bir ortamdr. Bu
proseslerin en byk stnlkleri sre kontrolnn kolay olmas ve ykleme
deerlerinin sorun yaratmamasdr. Bu reaktrlerde HBS 0,5-2 gn, KBS 30-100 gn ,
KO yklemesi 2-20 kg /m3 olarak alnmaktadr. Ancak dolgu maddesinin st ksmnda
tkanmalar olduu iin bu reaktr pek tercih edilmemektedir.
5.2.5 Yukar akl amur yatak reaktr (YAYR)
Yukar akl amur yatak reaktr (bkz ekil 5.6) 3 farkl blgeden meydana
gelmektedir. Bunlar amur yatak, amur battaniye ,ve gaz ayrma blgesi olarak
adlandrlr. Tankn alt ksmndan giren besleme atk yatak younluundan, amur
granllerinin iinden geerek yukarya doru akmaktadr. Yukarya akan akkann
-
www.kimyamuhendisi.com
hareketi arttka HBS ye bal olarak MBS ve KBS kazanlr. Gaz ve askda braklm
katlar ilenmi akkann tankn gaz- kat ayrma ksmndan getikten sonra birbirinden
ayrlr. Reaktrdeki engel ksm tutulan gazn salnmas in kullanlr. Bylece amur
paracklar paralama blmne doru geri ilerler ,paralanma ileminde uzun KBS ve
yksek deriimli amur oluur.
Besleme amur yatak blmnden getikten sonra reaktrn hacim olarak % 70 ini
kaplayan amur battaniye ksmna gelir. Bu ksmda amur yatak ksmna gre
kat paracklar az olmakla beraber kabarcklar mevcuttur.Bu tip reaktrler sklkla
yksek organik madde ihtiva eden beslemelerde kullanlmaktadr.
YAY reaktrler 3-6 kg KO / m3 kirlilik konsantrasyonuna sahip atklarda
kullanlmaktadr. Maksimum KO giderme verimi yaplan aratrmalar sonucu % 70- 75
olarak bulunmutur. Bu reaktrde amurun ok iyi kebildii gzlenmitir Yukar akl
amur yatak reaktr sisteminin stnlkleri ve sakncalar tablo 5.1 de gsterilmitir.
-
www.kimyamuhendisi.com
Tablo 5.1 Yukar Akl Anaerobik amur Yatak Reaktrn Avantaj ve
Dezavantajlar(ref ???)
STNLKLER SAKINCALARI
Gaz / kat ayrma ksm dnda basit
yapya sahiptir
Etkili gaz ve sv ayrcsna ihtiya vardr
Yksek hzla ykleme imkan Yksek kat madde yklemesi yapldnda
, k akm ile baz katlar ve
mikroorganizmalar kaybolabilir.
Mekanik kartrma ve maliyetinin
olmamas
Hidrolik kabarma sresince amur yatan
bir ksm kaybolabilir
k akmnda askda kalm kat
miktarnn az olmas
Yatak genilemesi iin k akmn tekrar
dngye girmesi gereklidir.
Asit ve metan bakterilerini ayrarak evre
artlarn dzeltmesi
-
www.kimyamuhendisi.com
ekil 5.6 Yukar Akl amur Yatak Reaktr (YAYR) (http://www.uasb.org)
ekil 5.7 Yukar Akl amur Yatak Reaktr (YAYR)
Atk madde
Gaz Kabarcklar
amur Granlleri
Gaz Bal
Besleme
BYOGAZ
Su benti settler
Engel
3 Faz Ayrc
-
www.kimyamuhendisi.com
6 . BYOGAZ RETMNDE KULLANILACAK GBRE MKTARININ BELRLENMES
Hayvan gbreleri ierdikleri zararl bitki tohumlarnn ve patojen
mikroorganizmalarnn yok edilmesi ve azot-karbon orannn ykseltilmesi amacyla taze
olarak topraa verilemezler. Gbreliklerde belirli sre bekletilmeleri gerelir. Bu zorunlu
bekletilme sresi ierisinde karbon, azot, potasyum ve fosfor gibi bitki besin
maddelerinin nemli bir ksm kaybolur. Bu kaybn deeri yaklak % 30 33 kuru
madde kaybna karlk gelmektedir. Gbrenin bu zorunlu bekletilme sresini ortadan
kaldrmak ve kayp olan gbreyi biyogaz olarak geri kazanmak amacyla hayvansal
atklar aneorobik fermantasyona tabi tutulabilirler. Fermantasyon sonucu elde edilecek
olan organik gbrenin dier bir stnl de aneorobik fermantasyon sonucunda patojen
mikroorganizmalarn byk bir blmnn yok olmasdr.
Srlarn gnlk gbre ve idrar miktarlar aadaki regresyon eitlikleri ile
verilmitir. Eitlikler 494-599kg canl arlklar iin geerlidir.
y1= 0,028x 4,70 (r=0.642)
y2=0,157x 53,2 (r=0,791)
Burada; y1: Gnlk idrar retimi (kg/hayvan.gn),
y2: Gnlk gbre retimi (kg/hayvan.gn),
x: Hayvan arl (kg)
-
www.kimyamuhendisi.com
Bu eitliklerden yararlanarak 50 ba hayvandan elde edilebilecek gnlk gbre ve
idrar retimi toplam, hayvan arl 500 kg alndnda yaklak 1730 kgdr. Gbrenin
kuru madde oran %18 kadardr. Bu gbrenin fermantre yklenmeden nce bakterilerin
kuru maddeden yararlanabilmesi iin kuru maddesinin %9a indirilmesi gerekir. Bu
nedenle taze gbre yar yarya sulandrlr.
-
www.kimyamuhendisi.com
7 . HAYVAN GBRESNDEN BYOGAZ RETM
Hayvan trne, byklne bal olarak gnlk retilecek gbre miktar, gbredeki
su muhtevas, biyolojik ilem sonucu oluan bio gaz miktar ve reaktre besleme
yaplrken seyreltme oranlar Tablo 7.1de verilmitir. 1000 kg arlndaki hayvan
ve/veya hayvanlardan gnde slak bazda 60-80 kg gbre olumaktadr. 630 kg
arlndaki bir srdan gnde yaklak olarak 50 kg. gbre oluur. 450 kg. arlndaki
bir inekten yaklak olarak 36 kg., 45 kg. arlndaki koyundan yaklak 1.8 kg., 90 kg
arlndaki domuzdan yaklak 4.5 kg ve 450 kg. bir attan yaklak 20 kg. ve 1.8 kg. bir
tavuktan yaklak 0.09 kg gnlk gbre olumaktadr. Avrupa Topluluu lkelerinde
yllk olarak oluan tahmini hayvan gbresi miktar ekil 7.1de verilmitir. Burada
srlarn 35 kg, domuzlarn 5 kg, koyunlarn 3 kg ve tavuklarn 0.1 kg gnde hayvan
gbresi rettii kabul edilmitir.
-
www.kimyamuhendisi.com
ekil 7.1 Avrupa Topluluu lkelerinde Hayvan Gbresi Miktar Trkiye iin yukardaki veriler ile toplam hayvan saylar kullanlarak yllk olarak
oluan hayvan gbresi miktar 181.974.765 ton olarak hesaplanr. Bu miktarn iinde
tavuk ve domuz gbresi miktar yoktur. nk bu hayvanlarla ilgili veriye
ulalamamtr. Dolaysyla Trkiyenin hayvan gbresi miktar ok daha fazladr. Bu
verilere gre Trkiyenin biogaz potansiyeli yllk olarak en az 7.689.528.000 m3 ( 1.79
1011 MJ/ m3 )dr. Bunun doal gaza edeeri 1.05 1011 MJ/ m3 dr. lkedeki tavuk, at,
kei ve domuz says hesaba katlrsa bu miktar ok daha yksek olduu anlalr.
-
www.kimyamuhendisi.com
Tablo 7.1 Birim Gbre Arl Bana Biogaz Oluumu ve Seyreltme Oran
Hayvan Tr Nem Miktar (% Islak bazda)
Fermantasyon sonu bio gaz retimi (lt/kg)
Seyreltme Oran (gbre/su)
Sr 80-85 40 1/1 Domuz 75-80 70 1/2 Kmes Hav. 70-80 60 1/3 Kei 75-80 60 2/3 At 80-85 40 2/3 Koyun (45 kg) 75-80 50 2/3 Yetikin nsan(ocuk)
75-80 (75-90)
70 (70) 3/7
Anaerobik rtme reaktr hacm (Vd), organik maddelerin hidrolik bekleme sresi
(HBS) ve gnlk beslenen amur miktar (Sd) esas alnarak;
)()/()( 3 gnHBSgnmmmireaktrhacVd = denklemi ile hesaplanr.
Burada : m : Gnlk olarak beslenen atk miktar (m3/gn)
HBS: Hidrolik Bekleme Sresi (gn) Hidrolik bekleme sresi, seilen rme scakl ile tespit edilir. Istmasz biyogaz tesislerinde reaktr iindeki scaklk toprak iindeki scakln 1-2 oC zerinde alnr.
Psikolofilik scaklk artlarnda hidrolik bekleme sresi (HBS) : 1 00
Mesofilik artlar iin (20-35 oC) HBS : 20
Termofilik artlarda ise (50-60 oC) HBS : 8
gnn zerinde alnr.
-
www.kimyamuhendisi.com
Mesofilik artlarda alan basit biyoreaktrler iin hidrolik bekleme sresi en az 20
gn olmaldr. Pratik uygulamalar gstermitir ki bu hidrolik bekleme sreleri 20-100 gn
arasnda deimektedir. Reaktr scakl ile hidrolik bekleme sresine bal olarak gaz
retim hz ekil 7.1de verilmitir. Tablo 7.2 deki ve ekil 8deki veriler kullanlarak
doru gaz retim hz;
RTtRTT fmGyGY ,; = denklemi ile hesaplanr. Burada; GYT,RT: Reaktr scaklna ve bekleme sresine bal olarak gaz retimi,
mGy :ortalama spesifik gaz retimi,
fT,RT : Reaktr scaklna ve bekleme sresine bal olarak gaz retimi iin arpan
ekil 7.1 : Scakla ve Hidrolik Bekleme Sresine Bal Olarak Gaz retimi (1.Nisbi Gaz retimi (eitli hayvan gbresine ait deerler Tablo 11), ( 2. Hidrolik Bekleme Sresi, 3. Reaktr Scakl)
-
www.kimyamuhendisi.com
Gbre ierisine ne kadar su ilave edilecei olduka nemlidir. amur iinde kat
madde konsantrasyonunun %3-9 arasnda olmas istenir. Bu konsantrasyonun altnda ve
stnde fermantasyon sresi uzar. Hayvan gbrelerine ilave edilmesi gerekli su miktarlar
Tablo 6de verilmitir. ou krsal blgelerde hayvan gbresi ile birlikte tuvalet atk
sular ile kartrlarak reaktre verilerek amur iindeki kat madde konsantrasyonu %3-9
arasnda tutulur.Dolaysyla;
Reaktre ilave edilecek amur miktar = Bio ktle + Su
eklinde bulunur.
Bioktle reaktre verilmeden nce belli oranda idrar veya su ile seyreltilir. Bunlara
gre rmenin gerekletii reaktr hacmi tespit edilir.
Kurak havalarda hayvan gbresini seyreltmek iin hayvan idrar yeterli olmaz. Bu
durumda hayvan gbresinin seyreltilmesi gereklidir. Hayvan gbresini seyreltmede idrar
kullanm tavsiye edilir. Eer yeterli miktarda idrar yoksa seyreltme iin su kullanlr.
Hayvan gbresini su ile seyreltme yerine hayvanlara daha fazla su iirerek hayvan
idrarnn seyreltme amac ile kullanlmas tavsiye edilir. Hayvann daha fazla idrar
retmesi hem sal hem de daha fazla st retmesi asndan nemlidir.
Hayvan gbresi iinde saman ve dier kat maddeler (kum, kil vb.) bulunabilir. Bu tr
maddelerin hayvan gbresinden giderilmesi iin reaktre verilecek hayvan gbresi
akkan hale getirildikten ve kat maddelerin kmesi salandktan sonra reaktre
verilmesi tavsiye edilir. Reaktrn giri ve k nitesi gnlk olarak temizlenmelidir.
Tuvalet sular seyreltme amac ile kullanlacaksa bu sulara amar suyu gibi maddeler
kesinlikle kartrlmamaldr.
-
www.kimyamuhendisi.com
eitli hayvan gbresi ve atklar iin reaktrde oluan gaz miktar da Tablo 7.2 de
verilmitir.
Tablo 7.2 eitli Atk Trleri in Ortalama Gaz rn
Besi Maddesi Gaz retim Aral (lt/kgUM)
Ortalama Gaz retim Deeri (lt/kgUM)
Domuz Gbresi 340-550 450 Sr Gbresi 150-350 250 Kmes Hayvanlar Gbresi 310-620 460 At Gbresi 200-350 250 Koyun Gbresi 100-310 200 Ahr Gbresi 175-320 225 Tahl At 180-320 250 Msr Saman 350-480 410 Pirin Saman 170-280 220 im 280-550 410 Fil imeni 330-560 445 Bitkisel Atklar 300-400 350 Su Smbl 300-350 325 Alg 380-550 460 Kanalizasyon amuru 310-640 450
Gaz blm hacmi genel olarak Vd/Vg (reaktrde rme blm hacmi/gaz toplama
blm hacmi), 3:1 ila 10:1 veya 5:1 ila 6:1 arasnda deiir.
-
www.kimyamuhendisi.com
Krsal blgelerde az sayda hayvan olan yerler iin bir konutta gnlk olarak retilen
hayvan gbresi miktar belirlenerek biogaz tesisi kapasitesi belirlenir. Gnlk olarak
oluan hayvan gbresi miktarna gre gerekli bio reaktr hacmi Tablo 7.3de verilmitir.
Tablo 7.3. Kk Boyutlu Biogaz Reaktr Boyutlandrlmas
yimser Senaryo Gereki Senaryo Gnlk Gbre Miktar (kg)
Biogaz Tesisi Kapasitesi (m3)
Gnlk Gbre Miktar (kg)
Biogaz Tesisi Kapasitesi (m3)
d
-
www.kimyamuhendisi.com
Tablo 7.4 Doalgaz ve biyogaz zelliklerinin karlatrlmas (Biyogaz.com)
ZELLKLER DOAL GAZ
BYOGAZ
Bileim, hac. %si 95 98 55 65 Mol Arl, kg/molkg 16.04 26.18 Younluk, kg/m3 0.82 1.21 Isl Deer, MJ/m3 36.14 21.48
-
www.kimyamuhendisi.com
8 . BYOGAZIN DER YAKITLARLA KARILATIRILMASI
Biyogazn dier enerji kaynaklar ile karlatrlmas tablo 8.1 de ayrntl olarak verilmitir.
Tablo 8.1 Biyogazn dier yaktlarla karlatrlmas
YAKIT CNS BRM ISIL DEER YANMA VERM EDEER
Biyogaz m3 4700 kcal % 60 1 kWh
Elektrik kWh 860 kcal % 70 4,7 kWh
Gazya lt 9100 kcal % 50 0,62 lt
Odun kg 4700 kcal % 17 3,47 kg
Tezek kg 2100 kcal % 11 12,30 kg
Havagaz m3 4000 kcal % 60 1,18 kWh
-
www.kimyamuhendisi.com
9 . BYOGAZ RETMNN YARARLARI
Hayvansal ve bitkisel organik atk/artk maddeler, ounluklaya dorudan doruya
yaklmakta veya tarm topraklarna gbre olarak verilmektedir. Bu tr atklarn zellikle
yaklarak s retiminde kullanlmas daha yaygn olarak grlmektedir. Bu ekilde
istenilen zellikte s retilemedii gibi, s retiminden sonra atklarn gbre olarak
kullanlmas da mmkn olmamaktadr. Biyogaz teknolojisi ise organik kkenli atk/artk
maddelerden hem enerji eldesine hem de atklarn topraa kazandrlmasnaimkan
vermektedir.
Genel olarak biyogaz;
* Ucuz, evre dostu bir enerji ve gbre kaynadr.
* Atk geri kazanm salar
* Biyogaz retimi sonucu hayvan gbresinde bulunabilecek yabanc ot tohumlar
imlenme zelliini kaybeder,
* Biyogaz retimi sonucu hayvan gbresinin kokusu hissedilmeyecek lde yok
olmaktadr.
* Hayvan gbrelerinden kaynaklanan insan saln ve yeralt sularn tehdit eden
etmenlerin byk lde azalmas salanr
* Biyogaz retiminden sonra atklar yok olmamakta stelik daha deerli bir organik
gbre haline dnmektedir.
9.1 Artma amurunun Kullanl Hayvan gbresi kararl hale getirilmeden, geici olarak depolandnda; gbre iinde
bulunan azot bileikleri kontrolsz artlarda bozunarak yaklak olarak % 50-70i
kaybolmaktadr. Bu ise nemli miktarda besi maddesi kayb demektir.
-
www.kimyamuhendisi.com
Anaerobik rmeden sonra elde edilen gbrede organik maddelerin nemli miktar
kararl hale dnmektedir. Anaerobik ilemden sonra gbre iinde bulunan organik
maddelerin %40-60i metan ve karbon dioksite dnerek karbon miktarnda nemli
azalma olmaktadr. C/N orannda azot lehine artla sonulanmaktadr. Bir gbre
rneinde balangtaki gbrede amonyak azotu 2.9 g/lt iken anaerobik rme
ileminden sonra bu miktar 3.7 g/lt kmtr. C/N oran da 8 den 4 inmitir. Gbrenin
besi maddesi kalitesi artmtr.
Anaerobik rme ileminden sonra gbre iinde amonyum konsantrasyonu
artmaktadr. Artlm gbre mineral gbre gibi hareket etmektedir. Bitki kkleri
tarafndan daha bol olarak kullanlmaktadr. Bitkiler artlm amurdaki znr haldeki
azotu daha iyi kullanrlar. rm amur kullanldnda rn verimlilii %3-5 orannda
artar. Sv gbre ekim yapmadan nce kullanldnda ve topraa enjekte edilip zeri
toprakla rtld zaman etkisi daha fazla artar. Anaerobik olarak rtlm sv gbre
topraa 20 cm. derinlikte verildiinde bitkilerin azotlu maddeleri tam olarak besi maddesi
olarak kullanmas mmkndr. njeksiyon veya iz balkl aletlerle bu baarlabilir.
Bitki kkleri nitrattan ziyade amonyak azotunu kullanmay tercih eder. Bitkilerin
bymesi safhasnda sv gbre topraa ilave edilmektedir. Topraa ilave edilecek gbre
miktar, bitkiler tarafndan kullanlacak N, P, K bakmndan dengeli olmaldr. Bu da
bitkilerin bymesini hzlandrr. Amonyum bitkiler tarafndan daha ksa srede absorbe
edildiinden amonyumun nitrata dnerek yer alt suyuna karmas nlenir. Bylece
yer alt sularnn nitrat bakmndan kirlenmesi nlenir.
1-1.2 ton yer fst veya sprge dars retmek iin hektar bana 33 kg N, 11 kg
P2O5 ve 48 kg K2O kullanmak gerekir. rtlm sv gbre iindeki azot, fosfor ve
-
www.kimyamuhendisi.com
potasyum miktarna baklarak bitki trne gre topraa ilave edilir. Normalde rtlm
sv gbre sulu olduu iin hektar bana 30-60 ton sv gbre kullanmak yeterlidir. Bir
hektar yer fst iin kabaca 6-8 m3 kapasiteli bir tesisten elde edilen rm amur
yeterlidir. rm amurun imen zerinde kostik etkisi taze gbreye gre daha
dktr.
Anaerobik artma tesislerinde oluan rtlm sv gbre iindeki amonyak azotu
kaybn minimize etmek iin sv gbre depolama tank kapasitesi, rtme tank
hacminin %50i byklnde olmaldr. Anaerobik artma sonucu oluan sv gbre
tarm arazisinde ylda 2-4 defa kullanlabilir. Baz almalara gre ise anaerobik artma
amurunun arazide srekli olarak kullanlabilecei sylenmektedir.Sv gbrenin arazide
yzeyden pskrtlerek kullanm ekli ekil 33de verilmitir.
eitli hayvan gbresi toplam kat madde iinde bulunan besi maddeleri miktarlar
Tablo 9.1 de verilmitir.
Tablo 9.1 Hayvan Gbresi inde Bulunan Besi Maddesi Miktar
Hayvan Cinsi N P2O5 K2O CaO MgO
Sr Gbresi 2.3-4.7 0.9-2.1 4.2-7.6 1.0-4.2 0.6-1.1
Domuz Gbresi 4.1-8.4 2.6-6.9 1.6-5.1 2.5-5.7 0.8-1.1
Tavuk Gbresi 4.3-9.5 2.8-8.1 2.1-5.3 7.3-13.2 1.1-1.6
-
www.kimyamuhendisi.com
Ham gbreler yaban otu tohumu ve hastala sebep olan mikroorganizmalar ierir.
Anaerobik artma sonucu oluan gbrede yaban otu tohumlarnn imlenme kabiliyeti
der. Gbre iinde bulunan yaban otu tohumlar %95 orannda bozunur. Anaerobik
rtlm gbrede tm tohumlar tahrip olduu iin, amur minimum riskli olarak
kullanlr. Bylece yaban otu tohumu ile mcadele bedeli de minimize edilir.
Gbre iindeki kokuya sebep olan maddeler azalr. Reaktrden kan gbre kokusuz
ve kahve renkli olur. Hastalk yapc patojen mikroorganizmalar lr. Anaerobik rme
sonucu amur iindeki patojenler en az %90 orannda azalr. Haerelerde nemli oranda
azalma olur.
Anaerobik artm esnasnda kk molekll organik maddelerin ou bozunur.
Lignin gibi bozunmayan maddeler, topran humus yapsna katkda bulunur. Topran
humus yapsn dengeler. Bylece fermente olmu gbre humus yapc maddelerle
topran gbrelenmesine yardmc olur.
rm gbrenin ar derecede uygulanmas bitkilerin yanmasna sebep olabilir.
nk gbre iinde bulunan znm haldeki tuzlar toprakta birikerek topran
tuzlamasna neden olur. Dolaysyla rm gbre bitkinin kkne ulamaldr.
rm gbrenin geici olarak depolanmas, metan gaz retiminin devam etmesini
salar. Depoland yerde baz kat maddeler kelir. rm amuru arazide
kullanmadan nce kartrlmas tavsiye edilir.
Anaerobik olarak rtlm amur kimyasal gbre yerine kullanldnda %30
ekonomik deer kazanr. rtl gbre kimyasal gbreye ek olarak kullanlr.
Anaerobik rme sonucu elde edilen sv gbre ile aerobik komposta gre daha fazla
rn elde edilir. Bunun sebebi; anaerobik artlarda gbre iinde bulunan tm azot
trlerinin amonyak azotuna dnmesidir. Anaerobik rtlm amur, yllk meyve
rnn artrr.
-
www.kimyamuhendisi.com
635 kg. arlndaki bir srdan yaklak olarak 50 kg taze sr gbresi oluur. Bu
gbrenin KOI deeri; 5.7 kg, TKN deeri; 0.286 kg, TP deeri; 0.0445 kg ve toplam
potasyum deeri; 0.163 kg.dr. Anaerobik rme sonucu bu gbre iindeki karbon
miktar azalrken azot deimez. Gbre iinde bulunan nitrat tr azotlar, denitrifikasyon
sonucu amonyum azotuna dnrler. Bylece C/N orannda anaerobik rme sonucu
azot lehine art olur. Gbre miktar ise deimeden 100 kg olarak kar. nk gbre
reaktre verilmeden nce 1/1 orannda seyreltilmitir. Gbre sv formdadr.
Artma amurunun spring metodu ile arazide kullanlabilir. Spring nozullarnn aplar
in veya daha byk olmaldr. Yksek miktarda kat madde ieren artlm svlar iin
veya 2 in nozullar kullanlmaldr. Tek spring veya dz boru springlerin kullanlmas
tavsiye edilir. inten kk apl dner etkili nozullarn dk basnl sistemlerde
kullanlmas tavsiye edilmez.
inde rm hayvan gbresi dk dereceli fosforit ile kartrlarak yeni bir gbre
tr elde edilmektedir. rm amur fosforit ile 1:10 ila 1:20 orannda
kartrlmaktadr. Bylece topran fosfor ihtiyac problemi de zlmektedir. Bu
metotla topraktaki fosfor miktar %20 orannda artrlmaktadr . (2005 M.ztrk).
-
www.kimyamuhendisi.com
10- LTERATR ARATIRMASI
1 spanyada L.Castrillon , I.Vazquez , E.Maranon ve H.Sastre nin yapt yukar
akl anaerobik amur reaktrde (YAYR) sr gbresinin anaerobik artm balkl
alma ; 55 0C de termofilik ortamda sr gbresi 1mm lik bir filtreden geirilerek,
22,5,16 , 10,6 , 8,9 , ve 7,3 olmak zere farkl hidrolik bekletme sreleri (HBS)
uygulanarak , ticari olarak hem en ekonomik hem de en verimli reaktr olan yukar akl
anaerobik amur reaktrde gerekletirilmitir. almada kullanlan gbre iin kimyasal
oksijen ihtiyacnn termofilik artm iin 33,382 ile 45,513 mgO / l arasnda olduu ve
en yksek kimyasal oksijen ihtiyac (KO) deiiminin HBS nin 22,5 gn olduu
deneyde % 79,7 olarak belirlenmitir. Daha sonra elde edilen sonular nceden
mesofilik ortamda yaplan deney sonular ile karlatrldnda KO deiiminin nin
mesofilik ortamda daha fazla olduu grlmtr. Sonu olarak mesofilik artmn daha
avantajl olduu sonucuna ulalmtr.
2- Rusyada S.Kalyuzhnyi , V.Sklyar , V.Fedorovich , A.Kovalev ve A.Nozhevnikova
nn yapt almanon ayrntlar yledir . Deneyde YAY reaktrde 350C de mezofilik
artlarda ayr ayr sr,domuz ve tavuk gbresinin sulandrlm halde ,hibir kartrma
ve geri dnm ilemi olmadan anaerobik artmlar HBS 1 gn olarak yaplmtr .
Organik madde ykleme hz (OYH) gnde enfazla , sr iin 6 g KO / l , tavuk ve
domuz gbresi iin ise 12 g KO / l olmutur. Bu artlarda toplam KO azalmas sr
gbresi iin ; % 42 , tavuk veya domuz gbresi iin % 75 olmutur. Deney sonunda sr
gbresinden % 41,5 KO azalmas ile % 86 orannda metan, domuz gbresinden % 77
KO azalmas ile % 77 orannda metan gaz , tavuk gbresinden ise %75 KO azalmas
-
www.kimyamuhendisi.com
ile % 79 orannda metan gaz elde edilmitir. Tm bu sonulara baklarak da biyogaz
retimi iin en uygun gbrenin sr gbresi olduuna karar verilebilir.
3- Trkiyede Gamze Gngr Demirci ve Gksel Demirer in yapm olduu almann
amac ;tavuk ve sr gbresinin birlikte anaerobik artmna balang KO deriiminin
,scakln ve mikrobiyal altrmann etkisini incelemektir. Bunun iin farkl oranlarda
sr ve tavuk gbresi ieren( % 100 tavuk , %75 tavuk-%25 sr , %50 tavuk-%50 sr ,
%25 tavuk - %75 sr ve % 100 sr gbresi) karm 35 0C de mezofilik artlarda ve 2
farkl balang KO deerleri (12,000 ve 53,500 mg / l) ile batch reaktrde artma tabi
tutulmutur. Deney sonunda KO 12,000 iken toplam KO deiimi % 32-43,3 , KO
53,500 iken KO deiimi %37,39 50 olarak bulunmutur. Biyogaz verimi ise
balang KO deerleri 12,000 ve 53,500 iken sras ile 180-270 , 223-368 ml gas / g
KO olarak bulunmutur. Ayrca balang KO deeri 53,500 iken karmdaki tavuk
gbresi oran ykseldike biyogaz veriminin dt gzlenmitir. Deney atmosfer
scaklnda yapldnda mezofilik artlara gre ve mikrobiyal altrma yaplmadnda
biyogaz veriminde d gzlenmitir.
4- Msrda Hamed M. El-Mashad , Grietje Zeeman , Wilko K.P , Gerard P.A .Bot
tarafndan yaplan almann amac ; scaklk deiiminin artma etkisini incelemektir.
Deney ; 50 ve 60 0C de sr gbresinin tam kartrmal reaktrde 10 gn hidrolik
bekletme sresi uygulanarak artm yaplmtr. Deney sonuclar incelendiinde scaklk
arttka hidroliz olaynn yavalad , NH3 deriiminin arttt ve buna bal olarak da
asidojenik ve metanojenik bakterilerin faaliyetleri olumsuz ynde etkilenmitir.
-
www.kimyamuhendisi.com
5- ABDde D.R.Vartak , Engler, M.J.Mc. Farland n yapt almann amac ; hayvan
gbresinin anaerobik sakrofilik artmnda film reaktrlerin performansn incelemektir.
Bunun iin evresel ortamda 34 ve 100C arasnda 8 tane artm yaplmtr. Bu
reaktrlerden 2 tanesi kire ta ile , 2 tanesi polyester madde ile , 2 tanesi hem kire ta
hem polyester madde ile , 2 tanesi ise paketlenmeden altrlmtr. Artma 37 0C da
balanp scaklk yava yava 10 0C ye drlmtr. Ve bu scaklkta 5 hafta
beklenmitir. Metan oluumunda 37 0C de gzenekli yapya sahip olan polyester
maddenin byk yarar olmutur. Yani sadece polyester kaplandnda dierlerine gre
daha ok metan gaz elde edilmitir. Gzenekli yap sayesinde yksek mikrobiyal
populasyonun alkonulmasna imkan domutur.
6- ABDde Khursheed Karim , Rebecca Hoffman , Thomas Klasson un yapt almada
labaratuvar artlarnda kartrma eklinin biyogaz retimine etkisi incelenmitir. Inek
gbresinin toplam kat (TK) deriimlerinin %5 , %10 ve % 15 olduu halleri
kullanlarak 3 set deney yaplmtr. Deney 35 0C de mezofilik , HBS nin 16,2 ve TK
miktarlarnn %5, %10 ve %15 iken srasyla 3,1 , 6,2 , ve 9,3 g/l olduu durumlarda
yaplmtr. Sonular incelendiinde TK % 5 iken kartrmann kartrlmayan deneyin
benzerlikler gsterdii ve biyogaz veriminin %0,84 0,94 olduu grlmektedir.
Ancak TK % 10 ve 15 iken kartrldnda kartrlmadan yaplan artma gre % 10-
30 orannda daha fazla biyogaz elde edilmitir. Balangta kartrmann yaplmas pH
dmesine , kararszla ve uzun balama sresine neden olduu grlmtr.
-
www.kimyamuhendisi.com
11. SONU VE NERLER Yaplan literatr aratrmalar gsteriyor ki byk ba hayvan gbresinden en verimli
ekilde biyogaz elde edebilmek iin ; mezofilik bakteriler kullanarak 25-38 0C arasnda ,
hem en ekonomik hem de en verimli reaktr olan yukar akl amur yatak reaktrde pH
aral olarak 6,8 -8,2 artlarn uygulamak gereklidir. Bu artm iin YAY reaktre de
uygun olan 3-6 kg KO / m3 kirlilik konsantrasyonuna sahip atk ve 20 gnlk HBS
kullanlmaldr.
-
www.kimyamuhendisi.com
KAYNAKLAR Prof. Dr. M ZTRK , 2005 , Hayvan Gbresinden Biyogaz Eldesi' , Ankara
http://www.enerji.gov.tr/biyogaz.htm http://www.eie.gov.tr/biyogaz
http://www.uasb.org