Biohydrogen production from organic wastes using anaerobic membrane bioreactor

Günümüzde enerji üretimi fosil kaynaklı yakıtlar kullanılarak gerçekleşmektedir. Artan nüfusa ve endüstriyel üretime bağlı olarak enerji ihtiyacı da artış göstermektedir. Son yıllarda enerji ihtiyacını karşılamak için hidrojen enerjisi ile ilgili araştırmalarda artış meydana gelmiştir. Biyolojik hidrojen üretiminin yaygınlaşması atmosfere salınan emisyonların azaltılması bakımından oldukça önemlidir. Mikroorganizmaya dayalı hidrojen üreten sistemler birbirleri ile karşılaştırıldığında, hidrojen sentez hızının en yüksek olduğu sistem anaerobik fermentasyon sistemidir. Ancak hidrojen sentez hızı oldukça geniş aralıkta değişmektedir. Teorik olarak 1 mol glikoz 12 mol H2 üretme potansiyeline sahip iken mevcut fermentasyon teknolojileri ile ancak 2-3 mol H2 üretilebilmektedir. Bunun nedenleri organik maddenin asetat veya asetona kadar ayrışmaması ve hidrojenin uçucu yağ asitleri ve alkollere indirgenmesi için kullanılmasıdır. Bu nedenle en yüksek hidrojen üretim potansiyeline sahip ortam koşullarının belirlenmesi önemlidir. Üretilen hidrojenin, anaerobik ortamda organik maddelerin indirgenmesinde kullanılmasından dolayı, genelde hidrojen üretim oranları çok düşük seviyelerde kalmaktadır. Biyokütleden yakıt elde etme prosesleri şimdilerde yaygın kullanımda olan proseslerdir. Biyokütlenin substrat olarak kullanıldığı proseslerde etanol, biyometan, biyodizel gibi yakıtlar elde edilmektedir. Biyokütle olarak ise şeker pancarı, mısır, atık yağlar ve organik katı atıklar kullanılmaktadır. Evsel kaynaklı katı atıkların uzaklaştırılması ile ilgili problemlerin çokluğu göz önüne alındığında, biyohidrojen üretiminde organik katı atıkların kullanılması durumunda yenilenebilir enerji üretimi ve katı atık azaltılması gibi faydalar sağlanması bakımından değerlendirilmesi gereken bir prosestir. Anaerobik arıtma endüstriyel atıksular, gıda endüstrisi atıksuyu ve tarım kaynaklı atıksuların arıtımında kullanılan bir yöntemdir. Bunun dışında arıtma çamurlarının stabilizasyonunda, organik katı atıklar ve hayvansal atıkların arıtımında da yaygın olarak kullanılmaktadır. Anaerobik sistemlerin oksijen ihtiyacı yoktur, böylece oksijeni suda çözmek için gerekli enerji ihtiyacı ortadan kalkmış olur. Ayrıca üretilen gazın, enerji ihtiyacının bir kısmını karşılamasıdır. Arıtma sonucu oluşan metan gazından gerekli sistemler kurularak ısı ve elektrik üretilir. Anaerobik sistemlerde çamur üretimin az olması da önemli bir avantajdır. Ancak metan üreten arkelerin büyüme hızının düşük olması sistemin olumsuz tarafıdır. Bu sebeple anaerobik arıtma sistemlerine membran modülleri eklenerek sistemde tutulan biyokütle konsantrasyonları arttırılarak arkelerin olumsuz özelliklerinin azaltılması amaçlanmaktadır. Anaerobik membran biyoreaktör, oksijensiz ortamda biyolojik atıksu arıtımının uygun membran kullanarak katı/sıvı faz ayrımını yapan sistem olarak tanımlanabilir. Evsel atıksular gibi seyreltik atıksuların anaerobik membran biyoreaktörde arıtılması ile ilgili literatürde az sayıda çalışma yer almaktadır. Seyreltik atıksular ile ilgili uygulamalar genellikle daha ılıman iklimlerde reaktörler ısıtılmadan ortam sıcaklığında gerçekleştirilmektedir. Anaerobik arıtma kimyasal oksijen ihtiyacı'si düşük atıksular için uygun bir yöntem değildir. Anaerobik reaktörleri ısıtmak için enerji ihtiyacı çok yüksektir. Geçmişte yapılan çalışmalar incelendiğinde anaerobik membran reaktörler kullanılarak biyohidrojen üretimi hedeflenen çalışmlar yapıldığı görülmektedir. Yapılan çalışmalarda sadece glikoz veya sentetik ürünler kullanılmıştır. Bu değerlerden yararlanılarak gerçek atıklardan biyohidrojen üretim potansiyelini belirlemek mümkün değildir. Biyohidrojen üretiminde membran kullanılmasının temel sebebi sistemde tutulan biyokütle konsantrasyonunu arttırmasıdır. Yapılan çalışmalara bakıldığında yemek atıklarının yüksek karbon içerisinde dolayı hidrojen üretimi için uygun olduğu ve yaygın olarak tercih edildiği görülmektedir. Mevcut çalışmada membran modüllerden yararlanılarak yemekhane atıklarından biyohidrojen üretimi amaçlanmıştır. Yemek atıklarının yüksek karbon içeriği ve membranların yüksek biyokütle bekletme özelliklerininden yararlanılarak anaerobik sistemlerin biyohidrojen üretimini arttırmak hedefi ile çalışmalar yürütülmüştür. Bu kapsamda biyohidrojen üretimi için gerekli olan laboratuar ölçekli arıtma çalışmaları ve biyohidrojen üretiminde elde edilen atıksudan biyometan eldesi çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmada sunulan analiz sonuçları yaklaşık 7 aylık bir zaman dilimi içerisinde laboratuar ortamında sürdürülen araştırmada kullanılan reaktörlerden alınan örneklere dayanmaktadır. Biyolojik hidrojen üretimi amacı ile laboratuar ölçekli termofilik (55 ? C) sıcaklıkta anaerobik membran biyoreaktör işletilmiştir. Sistemde anaerobik koşulların sağlandığını gözlemlemek amacıyla online olarak ORP izlenmiştir. ORP'nin pozitif değerler alması durumunda ise sisteme azot jeneratörü vasıtasıyla azot beslenmiştir. Çalışmada nötral pH'da hidrojen üretimi hedeflendiğinden, işletme periyodu boyunca asit veya baz ilavesi ile nötr pH'da işletilmiştir. İTÜ Yemekhanesinden alınan yemek atıkları lavabo altı öğütücü yardımıyla parçalanarak sisteme verilmiştir. Sistemde %5 UKM miktarını sağlayabilmek için öğütülen yemek atıkları sui le seyreltilmiştir. Başlangıçta sistem her biri 5L hacime sahip 2 adet tam karışımlı reaktörden oluşmaktadır. İkinci reaktörde boşluklu lif yapıda 3 adet polipropilen membran modülü yer almaktadır. Membranların gözenek çapı 0,2 m ve alanı 0,047 m2 dir. Ancak yapılan çalışmalar sonunda tüm reaksiyonların birinci reaktörde tamamlandığı, ikinci reaktörün herhangi bir işlevi olmadığı anlaşılmıştır. Bunun sonucunda da ikinci reaktör devre dışı bırakılarak, buradaki membranlar birinci reaktöre aktarılmıştır. 2. ayın sonunda membranlardaki tıkanmanın kimyasal geri yıkama ile giderilmediği ve geri dönüştürülemeyen tıkanma olduğu görülmüştür. Ayrıca kullanılan polipropilen membranlarının sistemin işletilmesi sırasında problelere neden olduğu ve yüksek sıcaklıktan olumsuz yönde etkilendiği görülmüştür. Bu sebeple sistemde kullanılan MF membranları PES UF membranları ile değiştirilmiştir. Yeni membranların nominal gözenek çağı 0.05 m civarındadır. Ancak gerek reaktör hacminin küçük olmasına bağlı olarak tam karışımın sağlanaması gerekse atığın yağlı ve yapışkan özelliğinden dolayı mebranların hızla tıkanması nedeniyle 200 günlük işletme periyodunun sonunda harici membran ünitesi ilave edilmiştir. Fermentör hacminin düşük olmasına bağlı olarak membran alanının efektif olarak kullanılamaması ve mebran tıkanmalarına müdahale temek amacıyla reaktörün sıklıkla açılması sonucunda system koşullarının olumsuz etkilenmesi değişikliği yapmayı gerekli kılmıştır. Harici membran ünitesi yereleştirilmesi sonucunda system hacmi 11 L'ye yükselmiştir. Bu sayede membran alanı 0,130 m2'ye çıkarılarak toplanan süzüntü miktarı arttırılmıştır. Membranlardaki tıkanma durumunu görmek amacıyla membran basıncı izlenmiştir. Sistemdeki geri yıkama prosesi, membranlardaki basınç değeri belirlenen maksimum değere ulaştığında gerçekleşecek şekilde ayarlanmıştır. Ayrıca sisteme 20 dakikalık periyotlar halinde 1 dakika boyunca azot gazı verilmiştir. Giriş akımındaki yüksek partiküler maddeye bağlı olarak tıkanma süresi giderek kısalmış ve geri yıkama yetersiz kalmıştır. Bu hallerde membranların dış ortamda su ile yıkanması işlemi gerçekleştirilmiştir. Membran modüllerinin performansı atıksu karakterine göre değişim gösterdiğinden sisteme sabit hızlarda besleme yapılamamıştır. Sabit süzüntü ve sabit besleme değerleri elde edilemediğinde HRT ve OLR'de salınımlar meydana gelmiştir. Başlangıçta ortalama 18 gün olan HRT system hacminin azaltılması ile birlikte 28 güne çıkmıştır. Membranların değiştirilmesi ile birlikte tekrar 20 gün seviyesine düşmüş, harici membran ünitesinin eklenmesi ile de 12 gün seviyesinde sabitlenmiştir. OLR ise başlangıçta 18 kg KOİ/m3/gün iken ikinci aşamada 2 kg KOİ/m3/gün seviyesine düşmüştür. 3. periyotta ise yükselişe geçerek iki katına ulaşmış, harici membran ünitesinin yerleştirilmesinin ardından yükseliş trendi devam etmiş ve 11 kg KOİ/m3/gün değerine ulaşılmıştır. Sistemin giriş KOİ değerleri geniş aralıkta değişmiştir. Bunun sebebi yemekhaneden alınan atıkların farklılık göstermesidir. Giriş akımında ortalama KOİ değeri 100, 000 mg/L civarındayken 4. işletme döneminde 82,000 seviyesine gerilemiştir. Bunun nedeni, TKM miktarının 65 g/L'den 55 g/L seviyesine düşürülmesidir. Çıkışta membrandan toplanan süzüntünün KOİ değeri başlangıçta 39.000 mg/L civarında olmasına karşın işletme şartlarındaki değişikliklere bağlı olarak sırasıyla 31 ,000, 26,000 ve son olarak da 25,000 seviyesine düşmüştür. Polipropilen membranların PES ile değiştirilmesi ve gözenek çapının 0,2 m'den 0,05 m'ye düşürülmesine bağlı olarak arıtma veriminde artış meydana gelmiştir. İşletme süresi boyunca sistem çıkışında uçucu yağ asit miktarının düzenli olarak arttığı görülmüştür. Bu durum sistemde asit üretim safhasında zamanla iyileşme olduğunu ortaya koymuştur. Çıkış akımında asetik asit dışında bütirik asitte tespit edilmiştir. Başlangıçta çıkış akımındaki KOİ'nin %21'i Bütirik asitten %12'si de assetik asitten kaynaklamaktadır. Son işletme döneminde bu oranlar biribirine yaklaştığı ve asetik asit oranının %23, bütirik asit ise %24 olduğu görülmüştür. Çıkış akımındaki toplam KOİ'nin çözünmüş KOİ'ye eşit olduğu varsayılarak başlangıçta çıkış akımındaki UYA, KOİ değerinin %23'ini oluşturmaktadır. Zamanla bu değer % 51 seviyesine ulaşmıştır. Bu artış sistemde fermentasyon prosesinde iyileşme olduğunu göstermektedir. Sistemde sağlıklı olarak 130. günden itibaren gaz ölçümü yapılabilmiştir. Maksimum 1000 mL/L/gün değerine ulaşılmış, ancak daha sonra 200 mL/L/gün seviyesinde sabitlenmiştir. Sistemde elde edilen spesifik hidrojen üretim hızı ise ortalam 58 mL H2/g TUKMekl seviyesindedir. Sistemdeki UYA üretimi zamanla iyileşmesine karşın hidrojen üretim hızında iyileşme gözlenmemiştir.