Kaynarca İlçesindeki Biyogaz Potansiyelinin Belirlenmesi ve Kullanımının Yaygınlaştırılması Projesi BİYOGAZ TEMEL PROSESLER Hazırlayan Yrd. Doç. Dr. Ömer Hulusi DEDE

YAPILAMAKTA OLAN ÇALIŞMANIN KAPSAMI Bu projenin kapsamı Kaynarca İlçesindeki organik atıkların biyogaz üretiminde kullanılma potansiyelinin belirlenmesi, ilçenin biyogaz potansiyelinin ortaya koyulması, biyogaz üretim prosesleri hakkında bilgilendirme ve eğitimlerin yapılması olarak belirlenmiştir.

BİYOGAZ TEMEL PROSESLER

Biyogaz Nedir ? Biyogaz; hayvansal ve bitkisel kökenli organik atıkların anaerobik(havasız) ortamda fermantasyonu sonucu açığa çıkan, renksiz, kokusuz, havadan hafif, havaya oranla yoğunluğu 0,83 ve oktan sayısı 110 olan, parlak mavi bir alevle yanan bir gaz karışımıdır. Biyogaza “bataklık gazı” veya “gübre gazı” gibi isimlerde verilmektedir. Çok düşük sıcaklıklarda (-164 OC) sıvılaştırılabilen biyogaz, içerdiği kükürtlü bileşiklerden dolayı çürük yumurta gibi kokar. Ancak yanarken bu kokusunu kaybeder

Organik Atıklar Organik atıklar olarak adlandırdığımız atıklar genel olarak yapılarında su, karbonhidrat, protein, yağ, selüloz, hemiselüloz, lignin, bazı hidrokarbon türleri, çeşitli asit, baz ve tuzlar, az miktarda da mikro element bulunan ve biyolojik olarak ayrışabilirlikleri yüksek atıklardır.

Bu ayrışma atıkların hava ile temasının bulunmasına bağlı olarak, aerobik (havalı) veya anaerobik (havasız) olarak gerçekleşmektedir. Doğada kendiliğinden meydana gelen bu ayrışma süreci çeşitli mühendislik uygulamaları ile kontrol edilip hızlandırılarak organik atıkların çevreye kötü koku, patajon üremesi, vektör çekiciliği ve su kaynaklarının kirlenmesi gibi zararlar vermeden bertaraf edilmesinde kullanılmakta ve bertaraf işlemi sonunda kompost, organik gübre ve biyogaz gibi yararlı ürünler elde edilmektedir. Bu bertaraf teknikleri sürdürülebilir ve çevreci yöntemler olarak benimsenmiş ve depolama veya yakma gibi çevresel zararları fazla olan uygulamalara göre gün geçtikçe daha fazla kullanılır olmuşlardır.

Ülkemizdeki Yıllık Organik Atık Miktarları Yapılan hesaplamalara göre ülkemizde biyogaz üretiminde kullanılabilecek organik atıkların yıllık miktarı 142,09-239,66 milyon ton arasında değişmektedir.

Hangi Atıklardan Biyogaz Üretilebilir ? Zirai atıklar Bahçe atıkları Orman endüstrisi atıkları Kağıt endüstrisi atıkları Yemek atıkları Sebze, meyve, tahıl ve yağ endüstrisi atıkları Gıda endüstrisi atıkları (çikolata, maya, süt vb) Şeker endüstrisi atıkları Hayvan gübreleri Deri ve tekstil endüstrisi atıkları Evsel katı atıklar Atık su arıtma tesisi atıkları

Biyogazın Bileşimi Metan CH4 50-70 Madde Sembol Yüzde Karbondioksit CO2 30-40 Hidrojen H2 5-10 Azot N2 1-2 Su Buharı H2O 0,3 Hidrojensülfür H2S Eser miktarda

Çeşitli Kaynaklardan Elde Edilebilecek Biyogaz Verimleri ve Metan Miktarları Biyogaz Verimi (Litre/kg) Metan Oranı (% Hacim) Sığır Gübresi 90-310 65 Kanatlı Gübresi 310-620 60 Domuz Gübresi 640-550 65-70 Buğday Samanı 200-300 50-60 Çavdar Samanı 59 Arpa Samanı 290-310 Mısır Sapları ve Artıkları 380-460 Keten, Kenevir 360 Çimen 280-550 70 Sebze Atıkları 330-360 Değişken Ziraat Atıkları 310-430 60-70 Yer Fıstığı Kabuğu 365 - Dökülmüş Ağaç Yaprakları 210-290 58 Algler 420-500 63 Atık Su Arıtma Çamurları 310-800 65-80

Biyogaz Oluşum Mekanizması Çeşitli organik maddelerin metan ve karbondioksite dönüşümü karışık mikrobiyolojik faaliyetlerle oksijensiz olarak üç aşamada gerçekleştirilmektedir. Biyogaz üretiminin temel mekanizmaları olan bu aşamaların süresi kullanılan materyale, seçilen reaktör tipine ve ortam sıcaklığına bağlıdır. Yüksek sıcaklıklar da (50-60 o C) reaksiyonun daha hızlı gerçekleştiği bilinmektedir. Bu yüzdendir ki biyogaz üretiminde sıcaklığın 5-60 oC’ nin altına düşmesi tercih edilmediğinden dolayı, özellikle soğuk bölgelerde reaktör için ilave ısıtma sistemleri kurulmakta ve üretilen gazın bir kısmı burada kullanılmaktadır. Ancak son yılarda biyogaz reaktörlerinin ısıtma sistemi olmadan daha düşük sıcaklıklarda da verimli işletilebilmesi amacıyla çalışmalar yapılmakta ve başarılı sonuçlar alınmaktadır

Biyogaz Oluşum Mekanizması

Biyogaz Oluşum Mekanizması Kompleks organik maddelerin havasız ayrışması en genel halde hidroliz safhası, asit üretimi safhası ve metan üretimi olmak üzere üç safhalı bir proses halinde ele alınabilir İlk safhada yüksek molekül ağırlıklı katı ve çözünmüş organik maddeler bakterilerin hücre dışı enzimleriyle hidrolize uğrayarak daha düşük molekül ağırlıklı organik maddelere dönüşür. Asit üretimi safhasına ise düşük molekül ağırlıklı organik maddelerin asit bakterilerince muhtelif uçucu yağ asitleri ve ardından da astetik asite dönüştürülür. Son safhada ise asit üretimi safhasında üretilen asetik asitin parçalanmasıyla veya CO2 ve H2 senteziyle metan üretimi gerçekleşir

Metan Gazının Oluşumu Anaerobik fermantasyonun üçüncü aşamasında devreye giren ve metan oluşumunu sağlayan metan bakterileri, fermantasyon ortamının sıcaklığına göre üç gruba ayrılır. Bu bakteriler ve optimum faaliyet sıcaklıkları aşağıdadır. Psikofilik Bakteriler : 5-25 °C Mezofilik Bakteriler : 25-38 °C Termofilik Bakteriler : 50-60 °C

Biyogazın Isıl Değeri Biyogazın ısıl değeri bileşimindeki yanıcı metan gazı ile belirlenir. Biyogazı ısıl değeri içeriğindeki metan gazı oranına göre 17-25 MJ/m3 arasında değişmektedir. 1 m3 biyogazın sağladığı ısı miktarı; (4700-5700 kcal/m3), 0,62 L gazyağı, 1,46 kg odun kömürü, 3,47 kg odun, 0,43 kg bütan gazı, 12,3 kg tezek, 4,70 kW.h elektrik enerjisi, 1,18 m3 havagazının sağladığı ısıya eşittir. Bununla birlikte, biyogaz üretim miktarında olduğu gibi, biyogazın içerdiği metan oranıda kullanılan atığın türü ve özelliğine göre farklılıklar göstermektedir. Biyogazın ısı değeri metan muhtevasına bağlı olarak 4.700-6.000 kCal/m3 arasında değişir. 1 m3 biyogazın ortalama kalorifik değeri 5500 kCal alınabilir.

Biyogaz Oluşumunu Etkileyen Faktörler 1. Besleme Sıklığı Düzenli bir gaz üretimi ve sıcaklık kontrolünü sağlamak için çürütücüyü sık aralarla, örneğin günde birkaç kez beslemekte yarar vardır. Çünkü düzenli bir gaz üretimi için karışım içerisindeki katı madde miktarının sabit tutulması gerekmektedir. Katı madde miktarını sabit tutabilmek için günlük besleme karışımına katılacak su ve gübre miktarları ile günlük besleme miktarları hesaplanır. GÜNLÜK BESLEME MİKTARI = REAKTÖR HACMİ / H. BEKLEME SÜRESİ

Biyogaz Oluşumunu Etkileyen Faktörler 2. Katı Madde İçeriği Kullanılan substratta katı madde içeriğindeki artış, metanojenlerin aktivitesini kademeli olarak yavaşlatır ve sonuç olarak biyogazın kalitesi düşer Biyogaz tesislerinde katı madde oranının %7-12 civarında olması önerilmektedir. Ancak atık çok fazla sulandırılırsa bu seferde mikroorganizmaların kullanacağı besi maddesi azalır ve biyogaz üretimi düşer.

Biyogaz Oluşumunu Etkileyen Faktörler 3. Hidrolik Bekleme Süresi Hidrolik bekleme süresi (HBS), gübre içindeki organik maddelerin bakteriler tarafından çürütülmesi sonucu biyogaz üretmesi için gerekli olan süre olarak tarif edilir. Sürekli beslemeli sistemlerde, bakterilerin reaktörlerden kaçmasını önlemek ve bakterilerin iki katına çıkmasını temin için HBS süresi daha uzun seçilebilir. HİDROLİK BEKLEME SÜRESİ = REAKTÖR HACMİ / GÜNLÜK DEBİ Sıvı Sığır Gübresi 12 ile 30 gün Saman Yataklı Sığır Gübresi 18 – 36 gün Bitki ile Karıştırılmış Sığır Gübresi 50 - 80 gün Sıvı Tavuk Gübresi 20 - 40 gün

Biyogaz Oluşumunu Etkileyen Faktörler 4. Karıştırma Karıştırma işlemi biyogaz oluşumunu etkileyen önemli faktörlerden biridir. Reaktör içerisindeki bakteriyel faaliyetin kararlı bir şekilde devam etmesi için verilen besin maddesine (Kullanılan Atık) rahat ulaşabilmesi gerekir. Bu durum reaktöre verilen atık ile bakterilerin homojen karışımı ile mümkündür. Bunun yanında karıştırma işlemi reaktör içindeki ısınında eşit olarak dağılımına yardımcı olur. Aynı zamanda karıştırma işlemi sırasında atık içerisindeki zor ayrışabilen katı maddelerin oluşturabileceği kompaktlaşmanında önüne geçilmiş olur.

Biyogaz Oluşumunu Etkileyen Faktörler 5. Sıcaklık Kontrolü Metanojenik bakteriler çok yüksek ve çok düşük sıcaklık şartlarında aktif değildirler. Biyokimyasal reaksiyonlar ve mikroorganizmaların büyümesi sıcaklık artışı ile artar. Metan oluşturucu bakteriler sıcaklık değişimine karşı çok hassastırlar. Biyoreaktör sıcaklığı 22 oC nin üzerinde tutulduğu zaman daha iyi performans sağlanabilir. Biyoreaktör sıcaklığı 22 oC nin altına düştüğü zaman biyogaz üretimi düşer. Bu sıcaklıkta biyogaz tesisinin işletilmesi ekonomik değildir. Çevre sıcaklığı 10 oC’nin altına düştüğünde gaz üretimi durur. Çoğu küçük reaktörler mezofilik şartlarda çalıştırılmaktadır. Buradaki optimum sıcaklık 35 ºC dir.

Biyogaz Oluşumunu Etkileyen Faktörler 6. pH Kontrolü Metan oluşturucu bakteriler nötr veya hafif alkali ortamda yaşarlar. Fermantasyon işlemi anaerobik şartlarda kararlı olarak devam ederken ortamın pH, normal olarak 7-7.5 arasında değişir.

Biyogaz Oluşumunu Etkileyen Faktörler 7. C / N Oranı Besi maddesindeki bileşikler, biyoreaktörde mevcut farklı bakteriler tarafından kullanılırlar. Metabolik işlemler için gerekli C/N oranı bakteriler için uygun olmalıdır. C/N oranı 23/1 den büyük olduğunda optimum çürüme için uygun değildir. Yine C/N oranı 10/1’den küçük olduğunda bakteriler üzerinde engelleyici etki yapmaktadır.

Biyogaz Oluşumunu Etkileyen Faktörler 7. Toksisite Mineral iyonlar, ağır metaller ve deterjanlar anaerobik arıtmada mikroorganizmaların büyümelerini engelleyerek toksik etki yaparlar.

Biyogaz oluşumunu hızlandıran koşullar: Sıcaklık 30 – 35 OC (mesofil) Nötral ya da hafif alkali reaksiyon (pH 7.0 – 7.5) Reaktörde kalış süresi 12 – 36 gün (mesofil) Işıksız ve oksijensiz ortam

Biyogazın kullanım alanları: Buhar tribünlerine yakıt (sıcaklık üretimi) Termik motorlara yakıt (elektrik enerjisi üretimi) CO2 ayırımından sonra, gaz basınçlı tüplere sıkıştırılabilir (doğal gaza benzer şekilde kullanılır) En optimumu ısıtma elektrik üretimi amaçlı kullanımdır.

Biyogaz Üretimi İçin Kullanılan Biyoreaktör Modelleri Sabit Kubbeli Üreteçler Hareketli Kubbeli Üreteçler Torba Tipi Üreteçler Sabit Film Üreteçleri Yukarı akışlı anaerobik üreteçler: Yatay-engelli üreteçler: Anaerobik havuz üreteçleri: Karıştırmalı Üreteçler: Tapa Akışlı Üreteçler: Temas Üreteçler: Asit Fazlı Üreteçler: Sıcaklık Fazlı Üreteçler: Anaerobik Akışkan Yataklı Üreteçler: Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Üreteçler: Ardışık kesikli anaerobik üreteçler: Hibrit üreteçler:

Sabit Kubbeli Reaktörler Kırsal bölgelerde biyogaz üretimi için çok uzun yıllardır kullanılan en basit reaktörlerdir. Çin’de 1930’lu yıllardan itibaren kullanılmaya başlanmış olan bu reaktörlerin ülkemizde de denemeleri yapılmıştır. Sabit kubbeli reaktörler ısı izolasyonu sağlanması amacıyla çoğunlukla toprağa gömülü olarak inşa edilmiş olup, bu sayede su ve hava sızdırmazlığı sağlanmış, tuğla veya betonarme, kapalı haznelerden oluşur. Besleme ve atık çıkarma için kapaklar konulmuştur. Reaktörün kubbesinde biriken biyogaz evlerdeki basit sistemlerle gündelik ihtiyacı karşılamakta kullanılmaktadır. Bu reaktörler verimlikleri düşük olsa bile, kolay inşa edilebilmeleri, inşasının basit ve ucuz olması, kolay işletilmesi sebebiyle en çok tercih edilen reaktör tiplerinden biridir.

Hareketli Gaz Biriktirme Deposuna Sahip Reaktörler Bu reaktörler, sabit gaz basıncı sağlamak için tasarlanmış reaktörlerdir. İlk olarak Hindistan’da kullanılmaya başlanmış olduğundan Hint tipi reaktörler olarak da isimlendirilirler. Bu reaktörlerde gazın biriktiği kubbenin hareketli oluşu basıncın kontrolünü sağladığından sistemlerin verimi sabit kubbeli reaktörlere göre daha yüksektir. Sabit kubbeli reaktörlerin aksine üretilen gazın bir kısmı reaktörde depolanır. Depo hareketli olduğu için gaz biriktikçe basıncın etkisiyle depo yükselir. Gaz kullanıldıkça deponun aşağı doğru iner. Deponun ağırlığı nedeniyle içerideki gazın basıncı, gaz miktarı azalmasına rağmen sabit kalır. Hareketli gaz deposu direkt organik atığın içine yerleştirilebildiği gibi sızdırmazlık açısından bir su kapanının içine de konulabilir. Hareketli gaz biriktirme deposuna sahip reaktörler, sabit gaz basıncına olanak sağladıkları için oluşan gazın kullanıldığı yakma elemanlarının verimli kullanılmasını kolaylaştırır. Hareketli depo darbelere ve delinmeye karşı dayanıklı malzemelerden yapıldığı için genellikle maliyeti yüksektir ve yapımı sabit kubbeli reaktörlere göre daha fazla işçilik ve umanlık gerektirir.

Hareketli Kubbeli Biyogaz Reaktörü (Kaynarca / Sakarya)

Torba Tipi Reaktörler Bu reaktör tipi 1960’lı yıllarda daha çok Tayvan’da, ülkedeki inşaat malzemelerinin ve işçiliğin yüksek maliyetli olması sebebiyle diğer reaktörlerde kullanılan metal, tuğla ve betonarme yerine daha ucuz malzemeler olan PVC, plastik gibi sızdırmaz malzemeler kullanılarak inşa edilmiş reaktör tipleridir.

Anaerobik Havuz Üreteçleri Bu üreteçler üzerleri gaz sızdırmaz örtülerle kapatılmış basit havuzlardır. Besleme bir taraftan sağlanırken belli reaksiyon süresi sonunda artıklar diğer taraftan dışarı alınır. Bu tip üreteçler özellikle mevsim koşullarının düşük sıcaklık aralığını sağladığı bölgelerde sıcaklık kontrolüne ihtiyaç olmadan normal ortam koşullarında kullanılabilirler. Maliyetleri düşüktür, fakat temizlenmeleri sırasında zorluklarla karşılaşılır

Hibrit ve Portatif Üreteçler Hibrit üreteçler farklı tasarımların avantajlarını bünyelerinde toplayarak maximum verim eldesini ve sorunların giderilmesini sağlamak amacıyla tasarlanan sistemlerdir. Örneğin yukarı akışlı anaerobik üreteçler, anaerobik filtre üreteçleri veya yatay akışlı engelli üreteçlerin özelliklerini bir üreteçte birleştiren hibrit sistemler üzerinde çalışılmaktadır

Biyogaz Reaktörlerin Temel Ekipmanları Biyogaz reaktörleri çok çeşitli olmasına karşın, gerek reaktör yapımında gerekse işletilmesinde kullanılan yapı malzemesi ve sitem elemanları çok farklılık göstermez. Bununla birlikte dikkat edilmesi gereken en önemli nokta biyogaz üretiminde kullanılan bir çok organik atığın korozif özelliliğinin fazla olmasından dolayı, seçilecek yapı malzemesi ve ekipmanların korozyona karşı dayanıklı olmalıdır.

Karıştırma Ekipmanları

Isıtma Ekipmanları

Atık Taşıma, Ayırma ve Filtrasyon Ekipmanları

Üretilen Biyogazın ve Oluşan Atıkların Depolanmasında Kullanılan Ekipmanlar

Biyogazdan Enerji Eldesinde Kullanılan Ekipmanlar

Biyogaz Reaktörlerin İnşası Reaktör inşaasına başlanmadan önce mevcut atık miktarına göre reaktör hacminin belirlenmesi gerekir. Hacmin Belirlenmesi İçin Kullanılan Formul Aşağıdaki Gibidir. Reaktör Hacmi = Günlük Atık Miktarı / Hidrolik Besleme Süresi Hidrolik bekleme süresi, seçilen çürüme sıcaklığı ile tespit edilir. Isıtmasız biyogaz tesislerinde reaktör içindeki sıcaklık toprak içindeki sıcaklığın 1-2 oC üzerinde alınır. Psikolofilik sıcaklık şartlarında hidrolik bekleme süresi (HBS) 100, Mesofilik şartlar için (20-35 oC) HBS 20, Termofilik şartlarda ise (50-60 oC) HBS 8,

Biyogaz Reaktörlerin İnşası Gübre içerisine ne kadar su ilave edileceği oldukça önemlidir. Çamur içinde katı madde konsantrasyonunun %3-9 arasında olması istenir. Reaktöre ilave edilecek çamur miktarı = Bio kütle + Su Gaz Depolama Bölümünün Hacmi Atık Deposunun Hacminin 5:1 veya 6:1’ i olmalıdır.

Biyogaz Reaktörlerin İnşası Reaktör inşaasına başlanmadan önce mevcut atık miktarına göre reaktör hacminin belirlenmesi gerekir. Hacmin Belirlenmesi İçin Kullanılan Formul Aşağıdaki Gibidir. Reaktör Hacmi = Günlük Atık Miktarı / Hidrolik Besleme Süresi Hidrolik bekleme süresi, seçilen çürüme sıcaklığı ile tespit edilir. Isıtmasız biyogaz tesislerinde reaktör içindeki sıcaklık toprak içindeki sıcaklığın 1-2 oC üzerinde alınır. Psikolofilik sıcaklık şartlarında hidrolik bekleme süresi (HBS) 100, Mesofilik şartlar için (20-35 oC) HBS 20, Termofilik şartlarda ise (50-60 oC) HBS 8,

TEŞEKKÜRLER