Investigation of phosphorus recovery from anaerobic digestion supernatant of diverse wastes

Fosfor rezervlerinin tükenmeye başlamasından ve fosforun yenilenemeyen ve yeri başka bir elementle doldurulamayan yapısından dolayı fosforun geri kazanımı giderek önem kazanan ve çözüm bekleyen önemli problemlerden biridir. Hücrenin yapı taşlarından birisi olan ve tarım arazilerinin sürdürülebilirliği için büyük önem arz eden fosfor, aynı zamanda yaşam döngüsünün devamlılığı için zorunludur. Fosforun, doğal kaynağı olan fosfor rezervlerinden çıkarılmasının yanı sıra doğal olmayan fosfor döngüsü de fosfor için önemli bir kaynak olarak görülebilir. Doğadaki fosfor döngüsü, karada ve denizde olmak üzere iki ekosistemde gerçekleşmektedir. Ayrıca, birçok endüstride geniş uygulama alanları olan ve deterjan, gübre, boya, gıda, içki, ilaç gibi ürünlerin yanı sıra insan ve hayvan dışkısında bulunan fosfor, doğal olmayan fosfor döngüsünü oluşturmaktadır. Önemli miktarda fosforun bu değerli fosfor kaynağından geri kazanılması ile fazla fosforun ekosisteme deşarjı da önlenebilir. Böylece atıksu, önemli bir fosfor kaynağı olarak kullanılabilir. Bu çalışmanın amacı, büyük ölçekli olarak uygulanacak bir arıtma çamurunun farklı atıklarla karıştırılıp, anaerobik olarak çürütülmesine dayanan projenin laboratuvar ölçekli halinin incelenmesidir. Çalışma genel olarak, ileri biyolojik atıksu arıtma tesisinden alınacak arıtma çamurunun, katı atık düzenli depolama sahasının girişinden alınacak evsel organik atık ve aynı tesiste oluşan sızıntı suyunun, bir arada anaerobik olarak parçalanmasına dayanmaktadır. Anaerobik parçalanma sonucunda, atık, susuzlaştırma ünitesine gelerek, katı kısım kompost tesisine, sıvı kısımın ise %67'si anaerobik çürütücü girişine geri devredilecek, kalan %33'lük kısım ise sızıntı suyu arıtma tesisine gönderilecektir. Bu çalışmanın asıl amacı ise tüm atıkların beraber anaerobik olarak çürütülmesi sonucunda, çamur çürütücüsü üst suyundan fosfor geri kazanım veriminin incelenmesidir. Fosfor konsantrasyonunun yüksek olduğu atıksu arıtma tesislerinin arıtma çamurları, fosfor geri kazanımı için önemli bir kaynaktır. Bu alandaki çalışmalar, özellikle ileri biyolojik fosfor giderimi ile anerobik çürütücü içeren atıksu arıtma tesislerinden yüksek miktarda fosfor geri kazanılabileceğini göstermiştir. Fosfor geri kazanım metodlarının büyük bir kısmı, atıksuya veya arıtma çamuruna kimyasal ilave edilerek fosforun çöktürülmesi işlemi olan kristalleştirme metoduna dayanmaktadır. Kristalleştirme metodu; atıksuya veya arıtma çamuruna kimyasal ilave ederek, ortamdaki fosforun çökmesi prensibine dayanmaktadır. Çöktürme sonucunda, fosfor, ya strüvit denilen; azot, magnezyum, fosfor içeriğine sahip bir bileşik oluşturmakta ya da kalsiyum ile bileşik oluşturarak çökelmektedir. Ancak, kalsiyumun genellikle ortamda yeterli miktarda bulunmayışı ve dışarıdan ilave edilmesinin maliyeti arttırması nedeniyle strüvit çöktürmesi çok daha fazla kullanılan bir yöntem olmuştur. Ayrıca, strüvit yöntemi ile geri kazanılan fosfor, direk olarak tarım arazilerinde gübre olarak kullanılabilmektedir. Bu nedenle, bu çalışmada da strüvit çöktürmesi kullanılacaktır. Bu çalışmada, hem geri kazanılan fosfor miktarını hem de anaerobik çürütücünün biyogaz verimini arttırmak amacıyla, çeşitli atıklar anaerobik olarak birlikte çürütülmüştür. Anaerobik çürütme, 250 ml'lik şeffaf şişelerde, 37 ' de elli gün boyunca, her gün şişelerin basınçları ölçülerek takip edilmiştir. Anaerobik çürümenin gerçekleştiği beş şişeden, ilk üç şişe, atıkların tamamını, belli oranlarda (%11 arıtma çamuru, %11 sızıntı suyu, %11 evsel organik atık ve %67 aşı çamuru) içermekte, kalan iki şişe ise aşı çamurunun takibi amacıyla yalnızca (%100 aşı çamuru) aşı çamurundan oluşmaktadır. Anaerobik çürüme verimi, hem ölçülen gaz miktarının, ideal gaz yasasına göre, biyogazın molar oranı hesaplanarak hem de birinci gün ve ellinci günde, karışımın toplam katı ve uçucu katı içeriği ölçülerek, takip edilmiştir. Atıkların anaerobik olarak çürütülmesi sonucunda, tüm atıkların belirli oranlarda bulunduğu, birinci, ikinci ve üçüncü şişelerde, ortalama olarak %44 uçucu katı maddenin çürümesi sağlanmıştır. Bunun yanı sıra, anaerobik çürütmenin ellinci gününde, kümülatif biyogaz miktarı 850 ml hacime ulaşmıştır. Anaerobik çürütmenin ardından, dışarıdan kimyasal eklenmeden yalnızca 0,1 M NaOH ilavesiyle pH ayarlanarak, fosfor strüvit çöktürmesiyle geri kazanılmıştır. Strüvit çöktürmesine etki eden en önemli noktalardan birisi pH' dır. Ve bu çalışmada, üç farklı pH aralığı (pH: 8,8; pH: 9,8 ve pH: 10,8) kullanılarak, çöken strüvit miktarı incelenmiştir. Çökelmenin en fazla olduğu, pH: 9,8' de, 100 ml anaerobik çamur çürütücüsü üst suyundan, 8,26 gram strüvit elde edilmiştir. Geri kazanılan fosforun verimini bulmak amacıyla fosfor ve amonyum azotu, anaerobik çürütücünün üst suyunda ve çöktürülen strüvitin asidik çözeltide çözündürülmesi ile elde edilen solüsyonda, analiz edilmiştir. Fosfor geri kazanımının yanı sıra, çalışmanın diğer bir önemli noktası; Samsun Doğu İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi'nin anaerobik çamur çürütücüsünün girişinden alınan arıtma çamurlarının, aynı şekilde Samsun Avdan Enerji Düzenli Katı Atık Depolama Tesisi'nden alınan evsel organik atık ve sızıntı suyu ile beraber anaerobik olarak çürütülmesidir. Bu çürütme ile hem arıtımı zor olan atıkların bertarafı mümkün olmuş hem de bu arıtmadan biyogaz elde edilmiştir. Fosfor geri kazanım potansiyeli ve anerobik çürütücünün biyogaz üretim verimini incelemek amacıyla; anaerobik çürütücü kurulmadan önce tüm atıklarda, çürütücünün kurulduğu birinci gün karışımda, anaerobik çürümenin stabil hale geldiği ellinci günde karışımda, struvit çöktürmesinden elde edilen çökeltinin asidik solüsyonda çözülmesi ile elde edilen sıvıda ve çöktürmeden arta kalan filtratta; toplam katı madde, uçucu katı madde, toplam fosfor, orto fosfat, toplam kjeldahl azotu ve amonyum azotu analizleri yapılmıştır. Yapılan analizler sonucunda, atıkların oluşturduğu karışımda, anaerobik çürütme ile girişteki toplam fosforun %50'si, orto fosfatın %77'si giderilmiştir. Bununla beraber, çamur çürütücüsü üst suyunda yapılan strüvit çöktürmesi ile %75, 7 toplam fosfor, %75 orto fosfat strüvit olarak geri kazanılmıştır. Deneysel analizlerin dışında, atıkların karakterizasyon değerleri kullanılarak, anaerobik çürütücünün birinci ve ellinci gün değerleri teorik olarak da hesaplanmıştır. Karadeniz Bölgesinin en büyük atıksu arıtma tesisi olan, Samsun Doğu İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi, biyolojik olarak azot ve fosforu arıtan proseslere sahiptir. Ön arıtma ve biyolojik arıtma sonucunda, birincil çöktürme ve son çöktürme tanklarından elde edilen arıtma çamurları, anaerobik olarak çürütülmektedir. Arıtılan atıksu ise derin deniz deşarjı ile yeniden doğaya dönmektedir. Çalışmada, numunesi kullanılan diğer bir tesis ise; Samsun Avdan Enerji Düzenli Katı Atık Depolama Tesisi' dir ve hem Samsun İlinden hem de çevre illerden toplanan evsel katı atıkların düzenli depolama ile uzaklaştırıldığı bir tesistir. Fosfat kayaçlarının hızla tükenmesi ve fosforun atıksudan geri kazanımı üzerine birçok çalışma yürütülmesine karşın var olan geri kazanım teknolojileri, fosfat rezervleriden elde edilen fosforun maliyetinden çok daha yüksektir. Dolayısıyla, fosfor geri kazanım çalışmalarının geliştirilmesinin zorunlu olmasının yanı sıra fosforun kullanımına kısıtlamalar getirilmeli, fosfor kullanım verimi yükseltilmeli ve ekonomide fosforun geri dönüşümü arttırılmalıdır. Aynı zamanda, fosfor geri kazanımında kullanılan kimyasal maddeler hem maliyeti yükseltmekte hem de fosfor geri kazanımını sınırlamaktadırlar. Bu nedenle, yeni teknolojilerin, kimyasal kullanımını en aza indirmesi gerekmektedir. Bu da; ihtiyaç duyulan kimyasal maddelerin atıklardan sağlanması ile mümkün olacaktır. Bu çalışmanın amaçlarından birisi de, yüksek azot içeriğine sahip sızıntı sularının, strüvit çöktürmesinde gerekli olan azot, magnezyum ve fosfat molar oranının 1:1: 1 olmasını sağlamaktır. Sızıntı suyu kullanımı, gerekli olan azot miktarını karşılamakla kalmayıp, sızıntı sularının arıtımının da anaerobik olarak gerçekleşmesine olanak vermiştir. Aynı şekilde, çalışmada kullanılan evsel organik atıkların hem fosfor hem de organik madde içeriğinin zengin oluşu, anaerobik arıtmanın biyogaz üretim potansiyelini arttırmak ve fosfor konsantrasyonunu yükseltmekle kalmayıp, bu atıkların arıtımını da sağlamıştır.