Mikroalgal ve anaerobik mikrobiyel kültürlerin kullanımı ile entegre

Mikroalgal ve anaerobik mikrobiyel
kültürlerin kullanımı ile entegre
atıksu arıtımı, sera gazı mitigasyonu
ile biyo-enerji ve biyo-ürün eldesi
Prof.Dr. Göksel N. Demirer
Orta Doğu Teknik Üniversitesi
Çevre Mühendisliği Bölümü
GÜNEŞKENTLER SEMPOZYUMU VE SOLARKAMPUS ÇALIŞTAYI
15‐16 Kasım 2013, ODTÜ Kültür ve Kongre Merkezi McKinsey Global Institute
Resource Revolution: Meeting the world’s energy,
materials, food, and water needs, Kasım 2011
McKinsey, 2011
20. yüzyılda:
 dünya nüfusu 4 katına çıkmış,
 dünyadaki ekonomik büyüklük 20 kat artmış,
doğal kaynaklara olan gereksinim %600-2000 oranında
artmıştır.
Bu sürecin sonuçlarını 21. yüzyılda gözlemlemekteyiz.
Örneğin sadece 2010 yılının ikinci yarısında 44 milyon
insan artan gıda fiyatları nedeniyle yoksulluk sınırının altına
düştü.
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
2030 Yılına kadar…
Bugün 1,8 milyar olan orta-sınıf tüketici sayısı 4,8 milyara
çıkacaktır.
Doğal kaynaklara yönelik mevcut talep ciddi ölçüde artacak,
doğal kaynak eldesi giderek daha zor ve maliyetli hale
gelecektir. Örneğin çelik ihtiyacı %80 artacaktır.
İklim değişikliği nedeniyle ortaya çıkan yağış rejimlerindeki
değişiklikler hidroelektrik kaynaklarının %17’si ve su yoğun pek
çok proses üzerinde olumsuz etkiler yaratacaktır.
Toprak erozyonu, yer altı sularının kirlenmesi ve tükenmesi,
ormansızlaşma, okyanusların asidifikasyonu, vb. çevre
sorunlarının doğal kaynaklar üzerindeki olumsuz etkisi
giderek artacaktır.
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
McKinsey, 2011
Peki ya çözüm ?
İklim değişikliği de dahil olmak üzere pekçok çevre
sorununun yanı sıra hızla tükenmekte olan doğal
kaynakların sürdürülebilir olarak yönetilebilmesi için:
 doğal kaynak kullanımı ile ekonomik büyüme
ve
 çevresel etki ile kaynak kullanımı
arasındaki ilişkinin değiştirilmesi gereklidir.
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
Ekonomik Etkinlik
Kaynak Kullanımı
Çevresel Etki
Kaynak Kullanımı
Çevresel Etki
Son yıllarda bu hedefe ulaşmaya yönelik olarak pekçok
sürdürülebilirlik yaklaşımı, yöntemi ve aracı geliştirilmiştir.
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
Sürdürülebilirlik kavramı ekonomik, sosyal ve çevresel gelişimi paralel olarak
sağlamayı hedefleyen bir kavramdır.
Bu araçların bu üç eksen ve farklı katmanlar düzeyinde gruplandırılması
olasıdır.
Sürdürülebilirlik Politikası
Sürdürülebilir Sistemler
Alt Sistemler
Yaklaşımlar
Toplum
Prensipler
Çevre
Ekonomi
Sürdürülebilir Kalkınma
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
Glavic P. ve Lukman R., 2007. “Review of sustainability terms and their definitions”,
Journal of Cleaner Production, 15, 1875-1885.
Araştırma grubumuz sürdürülebilirlik konusunun pekçok altbaşlığına
yönelik araştırma ve danışmanlık projeleri yürütmektedir.
Sürdürülebilir Tüketim
Sürdürülebilir Üretim
Üçlü
Sorumluluk
Entegre Kirlilik Önleme
ve Kontrolü
Endüstriyel Ekoloji
(Simbiyoz)
Yaşam Döngüsü Analizi
Eko-Tasarım
Tedarik Zinciri
Yönetimi
Temiz Üretim
Faktör X
İşçi Sağlığı ve İşyeri
Güvenliği
Geri Dönüşüm
Yeniden Kullanım
Eko-Verimlilik
Yenilenebilir Kaynaklar
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
Alg kültürlerinin atık yönetiminde kullanılması ve bu süreçte
ortaya çıkan algal biyokütlenin biyoenerjiye dönüştürülmesi
«Yenilenebilir Kaynaklar» alanında yürüttüğümüz
çalışmalardan birisidir.
→ Atıksu arıtımı
→ Sera gazı emisyonlarının azaltımı
→ Yenilenebilir enerji
alanlarının kesişim noktasını oluşturan bu çalışma sadece
sürdürülebilirlik değil, güneş enerjisi kullanımına da özgün bir
örnek oluşturmaktadır.
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
NEDEN ALG ?
Arazi gereksinimi ve su ihtiyacı bazında algal
biyokütle diğer olası protein kaynaklarına göre
çok daha uygun bir seçenek oluşturmaktadır.
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
Ayrıca alg kültürlerinin:
-
Sürdürülebilir bir kaynak olması
Atıksu arıtımında kullanımı
Biyoenerji ve Biyoyakıt Eldesi
Pekçok sektör için hammadde olarak kullanılabilmesi
CO2 azaltımında kullanımı
Vd.
Pekçok kullanım alanı vardır.
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
ATIKSU ARITIMI
Atıksulardan azot ve fosfor giderimi Türkiye dahil pekçok ülkede hala
tam olarak çözülememiş bir sorundur. Ülkemizdeki belediyeler göz
önüne alındığında, üretilen atıksuyun sadece %28,8’i bu kirleticileri
giderebilen ileri arıtım yöntemleri ile arıtılmaktadır.
Bazı orta ve Kuzey AB ülkelerinde (Hollanda, İsviçre, Danimarka,
Avusturya, vd.) ileri arıtım yöntemleri ile arıtılan atıksuların oranı
toplamın %50-80’ini oluştururken, diğerlerinde bu oran %0-40
arasında değişmektedir.
Evsel atıksular için geçerli olan bu durum endüstriyel atıksular için de
çok farklı değildir. Örneğin ülkemizdeki organize sanayi bölgelerinde
üretilen atıksuların sadece %42,4’ü ileri arıtım yöntemleri ile
arıtılmaktadır.
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
ALGAL KÜLTÜRLERİN ATIKSU ARITIMINDA KULLANIMI
Güneş enerjisini kullanarak büyüyen mikroalgal kültürler atık
yönetiminde çok farklı amaçlar için kullanılabilmektedir. Besiyer madde,
organik kirletici, patojen, ağır metal ve diğer endüstriyel kirleticilerin
giderimi buna örnek olarak verilebilir. Buna ek olarak bu reaktörlerden
kaynaklanan atık biyokütle değerli bazı kimyasal ve biyo-yakıtların
(biyogaz, biyo-ethanol, bio-dizel, vd.) eldesinde hammadde olarak
kullanılır. Havalandırma ihtiyacını azalttığı için fotosentetik oksijen
üretimi mikroalglerin diğer kullanım alanlarından birisidir. Bu yaklaşım
özellikle aerobik olarak arıtılması gereken ve uçucu özelliğe sahip
olduğu için mekanik havalandırma esnasında uçan tehlikeli kirleticilerin
giderimi için çok caziptir. Bunlara ek olarak, mikroalgal kültürler
zeytinyağı, kağıt ve demir-çelik üretiminden kaynaklanan atıksuların
arıtımında kullanılabilmektedir.
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
Alg Kültürleri ile Yapılan Atıksu Arıtım
Çalışmalarına Örnekler
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
SERA GAZI AZALTIMI (MİTİGASYONU)
Atmosferdeki yüksek CO2 düzeyleri sonucu ortaya çıkan küresel ısınma sorununa
yönelik hızla artan duyarlılık nedeniyle 1997 yılında Birleşmiş Milletler İklim
Değişikliği Çerçeve Sözleşmesi kapsamında Kyoto Protokolü uygulamaya
koyulmuştur ve bugün itibarıyla 170’i aşkın ülke tarafından imzalanmıştır.
Bugüne kadar farklı CO2 mitigasyon yöntemleri araştırılmıştır. Bunlar iki kategoriye
ayrılabilir: (1) kimyasal reaksiyon bazlı yaklaşımlar ve (2) biyolojik CO2
mitigasyonu. Kimyasal reaksiyon bazlı yaklaşımlar yüksek maliyet ve enerji
tüketimine sahip oldukları için sağladıkları fayda marjinal kalmaktadır.
Alternatif bir yaklaşım olarak biyolojik CO2 mitigasyonu büyük ilgi çekmektedir.
Çünkü CO2’in fotosentetik olarak tutulmasına paralel olarak biyokütle enerjisi
üretimi de sağlamaktadır. Bu işlem mikroalgal kültürler dışında diğer bitkiler
aracılığı ile de gerçekleştirilebilmektedir. CO2 mitigasyonu için mikroalglerin
kullanılması özellikle atıksu arıtımı gibi başka bir proses ile entegre edildiğinde
pekçok avantaj sunmaktadır.
Birleşmiş Milletlere sunulan Sera Gazı Envanteri Raporları’na göre Türkiye’nin sera
gazı emisyonu, 1990 ile 2007 yılları arasında %118,8 oranında artmıştır. Kyoto
Protokolüne 2009 yılı Ağustos ayında taraf olan Türkiye, bu hızlı artış oranı
sebebiyle, protokolde 2012 yılı sonrası için öngörülecek yükümlülükleri
karşılayamama ve bunun sonucunda da ağır yaptırımlara maruz kalma riski
taşımaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarına geçiş ve CO2’in düşük maliyetli ve
etkin yöntemlerle mitigasyonu bu yönde atılabilecek önemli adımlar arasındadır.
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
Alg kültürlerinin CO2 azaltımında
kullanımı tüm Dünyada yoğun
araştırmalara konu olmaktadır...
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
YENİLENEBİLİR ENERJİ
Uluslararası Enerji Ajansı’na (UEA) göre dünyanın daha güvenilir ve
sürdürülebilir bir enerji politikasına sahip olması için yenilenebilir enerji
kaynaklarının daha önemli bir rol oynaması gerekmektedir. UEA’nın
tahminlerine göre yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen elektrik
miktarı 2008-2035 yılları arasında üç katına çıkacaktır.
Biyo-yakıt üretiminin de aynı dönemde dört kat artacağı
öngörülmektedir. Dolayısıyla, yenilenebilir kaynaklardan biyo-enerji
üretiminin küresel ölçekteki önemi önümüzdeki dönemde hızla artmaya
devam edecektir.
Güneş enerjisini kullanarak atıksulardan azot ve fosfor giderebilen
mikroalgal kültürler (biyokütle) anaerobik bozundurma ile biyogaza
dönüştürülebilir. Biyogaz üretimine ek olarak, bu işlem atık biyokütle
tasfiye maliyetlerini azaltırken besiyer madde (azot ve fosfor) içeriği
yüksek gübre eldesine de yol açar.
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
Algal Biyokütleden Biyoenerji ve Biyoyakıt
Üretimine İlişkin Pekçok Çalışma Söz Konusudur
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
ATIKSU ARITIMI, SERA GAZI AZALTIMI VE YENİLENEBİLİR ENERJİ
ELDESİ PARALEL OLARAK GERÇEKLEŞTİRİLMESİ
Mikroalgal kültürler ile besiyer madde giderimi ve atık mikroalgal
biyokütleden biyogaz, hidrojen ve gübre eldesi çeşitli araştırmalara
tekli ya da ikili konu olmuş uygulamalardır. Ancak, bu çalışmaya konu
olan mikroalgal ve anaerobik mikrobiyel kültürlerin entegre besiyer
madde giderimi, sera gazı mitigasyonu ve biyo-yakıt ve biyo-ürün
eldesi için birlikte kullanıldığı entegre bir konfigürasyon özgün bir
yaklaşımdır.
Bu inovatif konfigürasyon sadece güneş enerjisi kullanılarak atıksu
arıtımı ve CO2 mitigasyonu gibi önemli atık yönetimi sorunlarına bir
çözüm oluşturmakla kalmayacak, biyoyakıt (biyogaz ve biyohidrojen)
ve biyoürün (gübre) eldesi de sağlayacaktır. Bu çalışmanın en önemli
etkisi hem evsel hem de endüstriyel atıksuların atık CO2 kaynakları
(örneğin endüstriyel baca gazları) ile birlikte arıtılabilmesini sağlayan
özgün bir biyoteknolojik proses konfigürasyonunun
geliştirilmesi olacaktır. Bu sürece paralel olarak
sağlanacak olan biyoyakıt ve biyoürün eldesi,
sadece atık valorizasyonuna değil, sürdürülebilir
atık yönetimine de önemli bir örnek oluşturacaktır.
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
TÜBİTAK Çevre, Atmosfer, Yer ve Deniz Bilimleri
Proje No: 111Y205
Mikroalgal ve anaerobik mikrobiyel kültürlerin kullanımı ile entegre
atıksu arıtımı, sera gazı mitigasyonu ile biyo-enerji ve biyo-ürün eldesi
Azot ve fosfor
kaynağı olarak
evsel ve endüstriyel
atıksu
CO2, NOx ve SOx
içeriği azaltılmış
baca gazı
Biyogaz
Chlorella Vulgaris
ve
Karışık doğal
kültür
CO2 kaynağı hava
ve demir çelik
endüstrisi baca gazı
Biyohidrojen
Algal
biyokütle
Biyodizel
Lipid
Hayvan Yemi
Azot ve fosfor içeriği
azaltılmış atıksu
Atıksu ve bacagazı artımı
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
Biyoyakıt ve biyoürün eldesi
Deneysel Düzenek ve Elde Edilen Sonuçlardan Özetler
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
Evsel Atıksulardan Azot ve Fosfor Giderimi
a)
12
pH
10
8
6
b)
2
1
0
c)
1000
800
60
600
40
400
TKM
TUKM
TUKM (%TKM)
200
0
2,7
d)
1,6
Klorofil-a
Feofitin-a
O.Y. (664/665)
1,8
Ayrıca, %68-83 gibi yüksek bir fosfor giderim
değeri de sağlanmıştır
20
0,9
1,4
1,2
100
80
60
40
20
0,0
15
e)
TN
TN Giderimi (%)
10
5
16
100
f)
80
Konsantrasyon (mg/L)
12
TAN
TAN Giderimi (%)
8
4
60
40
20
0
100
g)
80
12
60
8
PO4-P
PO4-P Giderimi (%)
4
0
40
20
100
80
60
40
20
h)
70
KOI
KOI Giderimi (%)
60
50
40
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
O.Y. (664/665)
Reaktörde toplam azot için %81-90,
amonyak azotu için ise %83-91 giderim
değerlerine ulaşılmıştır.
TKM (%UKM)
80
0
5
10
15
20
Zaman (gün)
25
30
35
Giderim (%)
Optik Yoğunluk
(685 nm)
X1 reaktöründe, toplam azot ve toplam
amonyak azotu verileri göz önüne
alındığında, yüksek giderim değerlerine
ulaşıldığı görülmektedir.
Biyogaz Üretimi
Evsel atıksu arıtımı yapılan
reaktörlerde büyüyen algal
biyokütle (Chlorella vulgaris)’nin
kullanılması ile 442 ml biyogaz / g
VS düzeyinde biyogaz üretilmiştir.
Bu düzey literatürde rapor edilen
performans düzeyleri ile
karşılaştırılabilir düzeydedir.
Üretilen biyogazın metan içeriği
ortalama %50’nin üzerinde
bulunmuştur.
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
ODTÜ, Çevre Mühendisliği Bölümü
Projemiz kapsamında:
- Ön arıtımı ve co-digestion yöntemleri ile algal biyokütleden elde edilecek
biyogaz miktarlarının artırılması,
- CO2 mitigasyonu,
- Biyohidrojen üretimi,
- Endüstriyel atıksu arıtımı
çalışmaları sürdürülmektedir.
TEŞEKKÜRLER
Prof. Dr. Göksel N. Demirer
Çevre Mühendisliği Bölümü
Orta Doğu Teknik Üniversitesi
Tel: 210 58 67
Faks: 210 26 46
e.posta: [email protected]