Sızıntı suyu kullanılarak mikroalg biyokütlesi ve yağ/lipid üretimi

Sızıntı suları, sıkıştırılmış katı atıkların düzenli depolanması sahalarından ortaya çıkan, doğal ekosisteme zehirli etkisi olan, toplumlara ve civarındaki çevreye ciddi sağlık problemleri yaratan arıtımı oldukça güç bir atıksu türüdür. Düzenli depolama sızıntı atıksularının arıtımı sızıntı suyunun karakterine (yaşı ve yapısı) ve içeriğine (organik madde miktarı, zehirliliği, ağır metalleri gibi birçok parametreye) bağlı olarak oldukça karmaşık ve kirletici parametre giderimi zordur. Düzenli depolama sızıntı atıksularının başarılı ve istenen düzeyde arıtımına ve içeriğindeki zehirli maddelerin giderimine maliyeti düşük olarak ancak biyolojik ve fiziko-kimyasal işlemlerin birlikte kullanılmasıyla ulaşılabilir. Düzenli depolama sahaları uzunca bir zaman sürekli yüksek konsantrasyonlu amonyak azotu (NH4+-N) içeren sızıntı suyunu katı atıkların depolanması ve depolanma sonrası kapatılma planı içerisinde de devam etmektedir. Bu önemli besi maddesi (Amonyak azotu) mikroalg üretiminde zengin bir kaynak olarak kullanılabilir. Sızıntı suyunun üçüncül arıtma sonrası kullanılarak üretilen mikroalgler hem atıksu problemini arıtarak ortadan kaldırmakta ve hemde mikroalg çoğaltılmasıyla sürdürülebilir ve yenilenebilir enerji üretimine en iyi kaynak temin edecek seçeneklerden birisi olan biyokütle (ve dolayısıyla yağ) sağlayarak iki amaca birden ulaşılmasında önemli rol oynamaktadır. Bu amaca ulaşmak için tasarlanan laboratuvar ve arazide kurulan pilot ölçekli mikroalg kültürü çoğaltma havuzu deneysel düzeneklerinde İstanbul Düzenli Depolama Tesisinin ikincil arıtımına uygulanan ultra filtrasyon (UF) sisteminin çıkışından alınan örnekler kullanılmıştır. Bu sistemin temel amacı UF sisteminden yüksek konsantrasyonlarda çıkan amonyak azotu (NH4+-N) ve Nitrat Azotunun (NO3--N) giderimini sağlarken aynı zamanda mikroalg biyokütlesi ve hücre içi yağ-lipit birikimini elde edilmesidir. Öncelikle arıtılmış sızıntı suyu numunelerinde değişik seyreltileri kullanılarak laboratuvar deney setlerinde mikroalg çoğaltma denemeleri yapılmış, daha sonra bu setlerden elde edilen optimum seyrelti ve koşullar düzenli depolama alanı içerisinde kurulan pilot tesise uyarlanarak mikroalg biyokütlesi çoğaltma çalışmalarında kullanılmıştır. Laboratuvar şartları altında yapılan deneysel setlerde çoğaltma koşulları değiştirilerek en iyi koşullar tespit edilmiş, tespit edilen bu koşulların kullanılan mikroalg türlerinin çoğalması üzerine olan etkileri ile amonyak azotunun giderimine ve yağ/lipid üretimine olan etkileri araştırılmıştır. Yeni üretilen mikroalg biyokütlesinin çoğaltılması ile elde edilen biyokütlede hücreler içerisinde depolanan yağ/lipit üretim miktarı, yağ çıkarma-ekstraksiyon işlemi ve biyokütle üretim-verimliliğide ayrıca analiz edilmiştir. Düzenli depolama sızıntı suyunun arıtımını konvansiyonel arıtma tesisleriyle sağlamak pek mümkün olamamakta ve ileri arıtma teknolojilerinin kullanılması gerekmektedir. Odayeri düzenli depolama sızıntı atıksuyu karakterizasyonu oldukça kuvvetli KOİ (yaklaşık 15000-20000mg/L), amonyak azotu (1500-2500 mgL) ve diğer inorganik, kirletici ağır metaller gibi zehirli parametreleri içermektedir. Bu atıksuyun arıtımında karbon gideriminden başka ilave olarak azot giderici nitrifikasyon ve denitrifikasyon prosesleride kullanılmakta ayrıca çıkan arıtılmış sular ultrafiltrasyon ve nano filtrasyon ünitelerinden geçirilmektedir. Bu tez ve çalışmada kullanılan sızıntı suyu, normal konvensiyonel aktif çamur, nitrifikasyon ve denitrifikasyondan proseslerinden çıkan arıtılmış suların daha sonra ultrafiltrasyon membranlardan geçirildikten sonra elde edilmiş çıkış suları üzerinde yürütülmüştür. Bu sistemin (UF) çıkışından alınan arıtılmış sızıntı atıksuları orijinal sızıntı sularının depolama alanından toplandığı bölgelere göre karakterizasyonunda değişiklikler göstermektedir. Bu yüzden yapılan deneysel çalışma ve testlerdeki sonuçlar her bir sete özgü olarak değerlendirilmelidir. Laboratuvar testleri camdan yapılma steril 1 litrelik erlenlerde (çalışma hacmi 500 ml), havalandırmalı, karıştırmalı ve çalkalamalı sistemde, floresan beyaz ışıklı 55 µmol foton m2sn-1 kaynak kullanılarak aydınlatılarak yaklaşık her bir set 20-50 gün kadar sürdürülmüştür. Pilot tesis havuzu düzenli depolama yapılan sahada, tesis işletmelerinin yanında 200 litre hacimli, çalışma derinliği yaklaşık 30 cm olan pleksiglasdan yapılmış, mikroalglerin çökelmemsi için suyun karışımı motora bağlı pedallı bir sistemle karıştırılmış ve işletilmesi sağlanmıştır. Arazi çalışmalarında kullanılan pilot tesis ise genellikle herbir set için 30-75 gün çalıştırılmıştır. Laboratuvar çalışmaları yaklaşık oda sıcaklığında (24-250C) yürütülmüş ve kesikli sistemlerin pH değeri 6,5-7,5 değerleri arasında tutulmaya çalışılmıştır. Laboratuvar ortamında yapılan ilk mikroalg türü seçimi ve optimizasyon testlerinde arıtılmış sızıntı suyunun (UF çıkışı) besleme suyunun içindeki oranı arttıkça özellikle % 70-100 seviyelerinde mikroalg çoğalma hızı ve besi maddesi giderimi üzerine etkisi olumsuz olarak yansıdığı bulunmuştur. % 50 seyreltisi kullanılan arıtılmış sızıntı suyu en iyi mikroalg çoğalma verimi görülen seyrelti olmuş ve yaklaşık 1.67 gr/L-kuru biyokütle (~242 mg L-1 NH4+-N içerikli) elde edilmiştir. En iyi amonyak azotu giderimi % 10 arıtılmış sızıntı suyu kullanılan deney setinde (~50 mg/L-NH4+-N) tam giderim verimine (%100) ulaşılmıştır. İkinci laboratuvar ortamında mikroalg-biyokütle çoğaltma setinde ise yine en iyi biyokütle üretimine 1,5 gr/L-kuru ağırlık eldesi ile % 50 seyreltisi kullanılmış arıtılmış sızıntı suyunda (~ 380 mgL-1 NH4+-N içerikli) ve % 31.88 NH4+-N giderimi olan sette ulaşılmıştır. Arazide yürütülen mikroalg çoğaltma havuzunda ise biyokütle çoğalma miktarı ve besi maddeleri giderimi 0,5 (gr m-2 d-1) seviyelerine düşmüştür. Arazideki açık sistem mikroalg çoğaltma pilot tesisinde sızıntı suyunun amonyak konsantrasyonu (NH4+-N) inişli çıkışlı değerler göstermiştir. Laboratuvar çalışmalarında NO3-N giderimi hem 5 farklı numuneler üzerinde denenmiş hemde arazide yürütülen pilot tesis çalışmalarında yürütülen sızıntı suyu giderim çalışmalarında izlenmiş ve ölçülmüş ancak giderim verimi hesabı oldukça farklılık göstermiştir. Sistemdeki nitrat konsantrasyonu farklı numunelere bağlı olarak 150-300 mg/L aralığında sistemde mevcut olup giderim verimi oldukça minimum ve önemsiz oranlarda sistemde azalıp çoğaldığı görülmüştür. Üçüncü laboratuvar denemeleri ve araştırmalarında en yüksek 2,5 gr/L-kuru ağırlık eldesi ile % 50 seyreltisi kullanılmış arıtılmış sızıntı suyunda amonyak (~248 mgL-1 NH4+-N) ve dışarıdan fosfat (6 mgL-1 PO4-3-P) ilave edilmiş sette (N:P oranı 40:1 ayarlanmış) oranında elde edilmiştir. Bu deney seti ile birlikte biyokütle üretgenlik-verimi 92.59 mgL-1d-1, yağ-lipit içeriği 51.38 mg g-1 (% 5.14) ve lipit üretimi 5.6 mgL-1d-1 değerleri elde edilmiştir. Yağ içeriği bakımından bakıldığında, mikroalg kültürleri en iyi çoğalmayı (2,5 gL-1-kuru ağırlık) % 50 seyreltisi kullanılan arıtılmış sızıntı suyunda göstermesine karşılık hücrelerdeki birikmiş yağ-lipit içeriği en düşük değerlerde (% 5,14) kalmıştır. Biyokütle olarak artış en iyi değere ulaşmasına karşılık bu hücrelerin yağ-lipit içeriği oldukça düşük kalmış ve biyokütleyle doğru orantılı olarak artış göstermemiştir. Pilot tesiste yapılan denemelerde ise mikroalg çoğalması ve besi maddesi (nutriyent) giderim verimi laboratuvar deneyi sonuçlarına göre düşmüştür. Özellikle nitrat (NO3-) hem laboratuvar deneylerinde hem de pilot sistemdeki çalışmalarda giderim verimi en az olan besi maddesi olarak bulunmuştur. Yağ içeriği olarak bakıldığında ise, en çok mikroalg çoğalmasının sağlandığı (2,5 gr/L-kuru biyokütle) %50 arıtılmış sızıntı suyunun kullanıldığı örneklerde mikroalg hücrelerinin çok düşük bir yağ üretim oranına (< 10 mg/L-gün) sahip olduğu tespit edilmiştir. Buna karşılık %10 arıtılmış sızıntı suyu içeren seyreltik çözeltide yapılan denemelerde yağ üretim oranı (~4 mg/L-gün) daha düşük olmasına rağmen, mikroalg hücrelerinin (Chlorella vulgaris ve Chlamydomonas reinhardtii) en yüksek miktarda yağ (114.64 mg/gr-kuru biyokütle) biriktirdiği bulunmuştur. % 10 arıtılmış sızıntı suyu kullanılan sette biyokütlenin içerisinde en yüksek yağ-lipit içeriği ve oranı (114,64 mg gr-1-kuru ağırlık da %11,5) tespit edilmiştir ki bu yağ-lipit verimliliği değeri (4,37 mgL-1gün-1) literatürde elde edilmiş yağ-lipit verimliliği miktarlarının (4-505 mgL-1 gün-1) en düşük olan alt değerlerine karşılık geldiği görülmektedir. Elde edilen sonuçlara bakıldığında % 50 seyreltilmiş arıtılmış düzenli depolama sızıntı suyunun kullanılmasının (250 mgL-1 NH4+-N içeren atıksu) mikroalgal çoğalmayı desteklediği ve amonyak azotu gideriminde ise % 30'un üzerinde giderim verimi sağlandığı görülmüştür. Bu tez çalışması ile yapılan laboratuvar ve pilot sistem deneysel çalışmaları mikroalg çoğaltılmasında kullanılmasının mümkün olabileceği, sızıntı suyunun yapısında yüksek konsantrasyonlarda bulunan amonyak arıtımında kullanılabileceği ancak elde edilen biyokütle içeriğinin ve özellikle yağ/lipid miktarının sürdürülebilir ve yenilenebilir enerji üretimine mevcut koşullarda yeterli kaynak ve verimlilik sağlamadığı görülmüştür. Bu durum farklı koşulların uygulanması ve farklı mikroalg türlerini seçilmesiyle değiştirilebilir, geliştirilebilir, hücrelerin yağ/lipit içeriği artırılabilir ve sonuçta biyodizel yakıtı olarak kullanılabilecek daha verimli sürdürülebilir bir enerji üretim sistemine çevrilebilir.