The importance of pH control during anaerobic digestion of municipal treatment sludges

Abstract

Keywords: Hydrolysis; acidogenesis; anaerobic digestion; primary sludge; pH effect.

1. Gi̇ri̇ş

Atıksu arıtma tesislerinden kaynaklanan arıtma çamurlarının stabilizasyonu için uygulanan havasız (anaerobik) çürütme teknolojisi ile enerji geri kazanımı da amaçlanmaktadır. Havasız çürütme tekniklerinin, arıtma çamurlarının hacim ve ağırlıklarında azalma ve aynı oranda biyogaz üretimleri sebepleriyle uzun yıllardan beri başarılı uygulamaları bulunmaktadır [1]. Anaerobik çürütme proseslerinin uygulamalarında en önemli amaçlardan birisi olan katı madde miktarındaki azalma, özellikle Türkiye gibi düzenli depolama alanlarında bertaraf edilen arıtma çamurları açısından önem taşımaktadır. Bu çamurların miktarlarındaki azalma ile depolama alanlarına gönderilmesi gereken çamur hacimleri de azalacaktır. Böylece düzenli depolama tesislerinde son yıllarda gözlenen alan ihtiyacı da önemli oranda azalacaktır. Evsel atıksu arıtma tesisleri (AAT)’de bulunan ön-çökeltim tanklarından kaynaklanan çamurlar esas olarak kum, yemek-atığı, çökelmiş organik ve inorganik maddeler ile tuvaletlerden kaynaklanan ham atıksuyu içermektedir [2]. Bu özelliklerinden dolayı, ön-çökeltim çamurları biyolojik olarak ayrışabilmekte ve metan fermantasyonu için uygun bir kaynak olmaktadır. Konvansiyonel havasız çürütme, öncelikle evsel AAT çamurlarının organik içeriklerinin azaltılmasında sıklıkla tercih edilmektedir. Fakat tek kademeli tam karışımlı havasız reaktörlerde gerçekleştirilen çürütme proseslerinde farklı mikroorganizma grupları aynı fiziksel ve kimyasal ortamda birarada bulunmakta ve bu durum reaktör içersinde optimum dönüşüm verimlerinin teminini güçleştirmektedir. Özellikle yüksek katı madde içeriğine sahip substratın kullanıldığı havasız çürütücülerde asit üretimi ve asit kullanımının dengede bulunması önem kazanmaktadır [3]. Havasız sistemlerin verimleri üzerinde etki eden etkenler; pH, sıcaklık, substratın ve aşının özellikleri, partiküllerin boyutları ve biyolojik olarak ayrışabilen maddelerin konsantrasyonları olarak sıralanmaktadır [4]. Ön-çökeltim çamurları gibi yüksek katı madde içeriğine sahip substrat ile beslenen anaerobik çürütücülerin performanslarını etkileyen en önemli etkenin pH parametresi olduğu ve metan gazı üretiminin, pH=6.3-7.8 aralığının dışında düşebileceği belirtilmektedir [5]. Bu sebeple havasız çürütücülerde pH’ın optimum değerin altına düşüşünün önlenmesi amacıyla, birçok çalışmada ilave alkalinite ihtiyacı vurgulanmaktadır [6, 7, 8]. Bu çalışmanın amacı evsel kaynaklı bir ön-çökeltim çamurunun mezofilik sıcaklıkta (35°C) havasız çürütülmesi sırasında pH parametresinin etkisinin araştırılmasıdır. Kesikli olarak işletilen havasız çürütülerin performansları, çözünmüş KOİ (KOİçöz), uçucu yağ asidi (UYA) ve uçucu askıda katı madde (UAKM) parametrelerinde gözlenen değişimler ile değerlendirilmiştir.

3. Deneysel Çalişma

Organik maddelerin çözünülebilirlikleri üzerinde pH’ın önemli etkilerinin bulunması sebebiyle, havasız çürütme proseslerinin asit fazı kademesinde UYA üretimine bağlı olarak gözlenen pH düşüşü ve bunun metan üretimi üzerindeki etkisi birçok çalışmada incelenmiştir. Bu çalışmada kullanılan ön-çökeltim çamurunun kesikli olarak işletilen tam karışımlı havasız reaktörlerde çürütülebilirliği, KOİçöz, UYA üretimleri ile birlikte UAKM parametresindeki giderim ile değerlendirilmiştir. pH kontrolü yapılmayan reaktör (R1)’de UAKM giderimi %38 (Şekil 1a) olarak gözlenirken pH kontrolü yapılan reaktör (R2)’de UAKM giderimi %60 olarak bulunmuştur (Şekil 1b). pH kontrolü yapılmayarak, çalışmanın genelinde, çürütmenin pH=6.5 değerinin altında gerçekleştirildiği reaktörde daha düşük AKM ve UAKM giderimleri gözlenmiştir. Her iki reaktörde de gözlenen UAKM giderimleri, UYA ve KOİçöz üretimleri ile paralellik göstermiştir. Fakat UYA ve KOİçöz üretimleri, pH kontrolü yapılan reaktörde daha erken durarak azalma eğilimine geçmiştir. Böylece pH kontrolü yapılan reaktörde metan fazına geçişin başladığı bekletme süresinde, pH kontrolü yapılmayan reaktörde hidroliz ve fermantasyon adımları hala devam etmektedir. Baskın UYA her iki reaktörde de asetik asit ve propiyonik asit olarak gözlenmiştir. UYA’nın tamamen tüketilmesi ise her iki reaktörde de gerçekleşmiş, fakat bu tüketim pH kontrolü yapılan reaktörde yaklaşık 1 hafta daha erken sürede gözlenmiştir (Şekil 2a-b). pH kontrolü yapılmayan reaktör (R1)’de çalışma süresince pH değerleri 4.7-6.7 aralığında artarak değişim göstermiştir. Bu reaktörde, UYA konsantrasyonlarındaki artış, ani pH düşüşü ile birlikte gerçekleşmemiştir. Bunun sebebi olarak, ön-çökeltim çamuru içersinde bulunan proteinlerin ve bunların yapıtaşları olan aminoasitlerin fermantasyonu ile amonyağın salınması ve amonyum iyonlarının tamponlama etkisi göstermesi düşünülmektedir. Ayrıca ön-çökeltim çamurunda bulunan deterjanların içerisindeki sabunun ayrışması ile ortaya çıkan sodyum, çürütme süresince tampon etkisi göstererek alkalinite ve pH’ın ani düşüşünü engellemektedir [10].

Şekil 1. AKM ve UAKM konsantrasyonlarının zamanla değişimi; (a) pH kontrolü yapılmayan reaktör (b) pH kontrolü yapılan reaktör

Şekil 2. KOİçöz ve UYA konsantrasyonlarının zamanla değişimi; (a) pH kontrolü yapılmayan reaktör (b) pH kontrolü yapılan reaktör

4. Sonuç VE Değerlendi̇rme

Evsel kaynaklı ham ön-çökeltim çamurunun havasız çürütülmesi sırasında pH kontrolü yapılarak, proses süresince pH’ın 6.5 değerinin üzerinde tutulduğu reaktörde, pH kontrolü yapılmayan reaktöre kıyasla yaklaşık %20 daha fazla UAKM giderimi gözlenmiştir. Fakat pH kontrolü yapılmayan reaktörde çalışma süresince pH değerleri 4.7-6.7 aralığında değişim göstermiştir. Bu sebeple pH’ın havasız çürütülebilirlik üzerindeki etkisi daha düşük pH değerlerinde izlenememiştir. Evsel kaynaklı ön-çökeltim çamurunun yüksek konsantrasyonlarda protein ve

deterjan içermesi ve bunların parçalanmaları ile açığa çıkan amonyum iyonları ve sodyum gibi alkalinite-oluşturan katyonlar tamponlama etkisi göstererek pH’ın ani bir şekilde düşüşünü engellemektedir. Her iki reaktörde hidroliz ve fermantasyon sonucu KOİçöz artışı ilk 4 gün içersinde gözlense de, pH kontrolü yapılan reaktörde UYA üretimi 2. günün sonunda azalma eğilimine geçmiştir. pH kontrolü yapılmayan reaktörde ise UYA konsantrasyonlarında gözlenen azalma yaklaşık 5 günden sonra gerçekleşmiştir. UYA’nın tamamen tüketilmesi ise her iki reaktörde de gerçekleşmiş olsa bile bu tüketim pH kontrolü yapılan reaktörde yaklaşık 1 hafta daha erken sürede gözlenmiştir. Bu durum pH’ın 6.5 değerinin üzerinde tutulmasının hidrolizfermantasyon adımlarının daha hızlı tamamlanarak metan üretimi fazının daha erken gerçekleştiğini göstermektedir. Asit üretimi adımının düşük pH değerlerinde (asidik ortam) optimize edilmesine karşılık asit üreten bakterilerin de hemen hemen nötr pH değerlerinde daha aktif oldukları söylenebilmektedir. Konu ile ilgili çalışma sonuçlarının biyogaz üretimleri ile birlikte değerlendirilmeleri ile pH’ın havasız çürütme prosesi üzerindeki etkisinin incelenmesi daha anlamlı olabilmektedir. pH kontrolünün katı madde giderimi üzerindeki pozitif etkisinin belirlenmesi ile özellikle Türkiye gibi düzenli depolama alanlarında bertaraf edilen arıtma çamurlarının miktar ve hacimlerindeki meydana gelecek azalma, düzenli depolama tesislerinde son yıllarda gözlenen alan ihtiyacını önemli oranda azaltacaktır. REFERENCES / KAYNAKLAR [1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10]

Dohanyos M., Zabranska J., Jenicek P., “Enhancement of Sludge Anaerobic Digestion by Using of a Special Thickening Centrifuge”,. Wat. Sci. Tech., 36, 11, 145–153, 1997. Choi H. B., Hwang K. Y., Shin E. B., “Effects on Anaerobic Digestion of Sewage Sludge Pretreatment”, Wat. Sci. Tech., 35, 10, 207–211, 1997. Liu T., “Anaerobic Digestion of Solid Substrates in an Innovative Two-Phase Plug-Flow Reactor (TPPFR) and a Conventional Single-Phase Continuously Stirred Tank Reactor”, Wat. Sci. Tech., 38, 8-9, 453–461, 1998. Elefsiniotis P., Wareham D. G., Oldham W. K., “Particulate Organic Carbon Solubilization in an Acid Phase Upflow Anaerobic Sludge Blanket System”, Environmental Science and Technology, 30, 1508–1514, 1996. Lay J. J., Li Y. Y., Noike T., et.al., “Analysis of Environmental Factors Affecting Methane Production From High-Solids Organic Waste”, Wat. Sci. Tech., 36, 6-7, 493– 500, 1997. Florencio L., Field J.A., van Langerak A., et.al., “pH-Stability in Anaerobic Bioreactors Treating Methanolic Wastewaters”, Wat. Sci. Tech., 33, 3, 177-184, 1996. Yangin Gomec C., Speece R. E., “The Role of pH in the Organic Material Solubilization of Domestic Sludge in Anaerobic Digestion”, Water Science and Technology, 48, 3, 143150, 2003. Kim M., Gomec C. Y., Ahn Y., et.al., “Hydrolysis and Acidogenesis of Particulate Organic Material in Mesophilic and Thermophilic Anaerobic Digestion”, Environmental Technology, 24, 9, 1183-1190, 2003. “Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater”, 19th edn, American Public Health Association/American Water Works Association/Water Environment Federation, Washington DC, USA, 1995. Speece R.E., “Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters”, Archae Press, Nashville, Tennessee, 1996.

Share and Cite