Havalimanlarında ortaya çıkan buz çözücü sıvıların yüksek-hızlı anaerobik sistemlerde arıtılabilirliği: Biyogaz potansiyeli ve enerji geri kazanımının araştırılması

Günümüzde havayolu ulaşımı artık çoğunlukla tercih edilen bir ulaşım alternatifi olmaktadır. İnsanlara birçok açıdan kolaylık sağlayan havayolu taşımacılığı, artan dünya nüfusuyla beraber giderek daha fazla tercih edilmeye başlanmıştır. Türkiye İstatistik Kurumu'nun havayolu ulaştırma istatistikleri incelendiğinde, kullanımın her geçen yıl, bir önceki yıla göre arttığı görülmektedir. Bu verilere göre 10 yıl önce 2006 yılında yaklaşık 595000 adet olan iç-dış hat toplam uçak trafiği, 2016 yılında yaklaşık 1.450.000 adet olarak kayıtlara geçmiştir (TUIK, 2017). Dünya genelinde havalimanlarında yoğun kar yağışının gerçekleştiği kış şartlarında uçuş güvenliğini sağlamak amacı ile uçuş öncesi veya uçuş sırasında üzerinde kar veya buz olan uçaklara piste indikleri zaman özel bir alanda buz çözücü sıvı (BÇS) uygulaması yapılmaktadır. Buz buz çözücü sıvılar, uçakların dış yüzeylerinde birikmiş olan buz, don ve kar gibi birikimlerin uzaklaştırılması amacıyla uygulanır. BÇS işleminde kullanılan dört tip sıvı mevcuttur. Bu sıvıların en temel bileşeni, 'etilen glikol' veya 'propilen glikol'dür. Bu çalışmada temel hammaddesi propilen glikol olan sıvı seçilmiştir. Çünkü yapılan araştırmalara göre, diğer bileşen ile karşılaştırıldığında 'propilen glikol'ün çevreye verdiği zarar daha azdır ve arıtımı daha kolaydır. Ayrıca Tip 2 sıvısı aynı zamanda buz oluşmayı önleyen bir yapıya da sahiptir. BÇS'ları; Tip 1, Tip 2, Tip 3 ve Tip 4 olarak ayrılmaktadır. Tip 1 sıvısı; %8 sudan, %90 glikoldan ve %2'den daha az oranda kimyasal maddelerden oluşmaktadır. Tip 2 ve Tip 4 sıvıları ise Tip 1 sıvısının yeniden formüle edilmiş hali olup; %33 oranında su, %65 oranında glikol ve %2 oranında alkol esaslı kimyasallardan oluşmaktadır. Bu tip sıvıların, Tip 1 sıvısına göre daha fazla su miktarı içermesi nedeni ile kullanımları öncesinde seyreltme yapmaya gerek kalmamaktadır. BÇS tipleri uygulanacak uçakların boyutlarına göre değişmektedir. Farklı tipte bulunan bu sıvılar arasındaki en temel fark, viskozite değerleridir. Bu sıvılar, Uluslararası Standartlar Kuruluşu (ISO) tarafından belirlenen kurallar ve standartlar çerçevesinde üretilmektedir. (EPA, 2000). BÇS işleminde tüm dünyada yaygın olarak kullanılan Tip 2 sıvısı, İstanbul'da halen inşaatı süren büyük bir havalimanında da kullanılacaktır. Mevcut uygulamada, bu sıvılar, sıcak su ile seyreltildikten sonra uçaklara püskürtülmekte ve bu işlemi takiben havalimanlarında bulunan ızgara ve kanallar vasıtasıyla taşınarak bir depolama tankı içerisinde biriktirilmektedir. Depolama tankının belirli bir süre sonra dolması ile birlikte belirli oranlarda evsel nitelikli atıksulara karışarak en yakın Kentsel Atıksu Arıtma Tesisi (AAT)'ne taşındığı bilinmektedir. Ayrıca, yağmur yağması ve yüzeysel akış gibi yollarla buz-çözücü sıvı ile kontamine olmuş bu atıksular nihayetinde Kentsel AAT'lere ulaşabilmektedir. Ancak, yapılan araştırmalar göstermektedir ki bu sıvılar ile kontamine olmuş atıksular, AAT'lerde bulunan biyolojik sistemlerin kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) yükünü önemli ölçüde arttırmakta ve bu tesislerin tasarım parametreleri ile uyumlu olmayan arıtma verimlerinde çalışmalarına sebebiyet vermektedir. Türkiye şartlarında BÇS işlemi sadece kış aylarında ve iklim özelliklerinden dolayı yaklaşık 3 ay süresince uygulanan bir işlemdir. Türkiye'deki birçok havalimanında toplanan BÇS'nin bir kısmı, depolama tanklarından tankerler vasıtasıyla uzaklaştırılırken; bir kısmı ise arıtılmadan doğrudan kanala veya alıcı ortama verilmektedir. BÇS yüksek organik madde içermesi nedeni ile doğrudan deşarj yapıldığında, çevresel ve insan sağlığı bakımından risk oluşturmaktadır. Bu tarz sıvılar tarafından kontamine olan atıksuların başlıca çevresel etkileri şunlardır (Vasilyeva, 2009): • Alıcı ortamdaki çözünmüş oksijen miktarını düşürmesi, • Alıcı ortamdaki azot ve fosfor konsantrasyonunun artımına bağlı olarak ötrofikasyona neden olması, • Alıcı ortamdaki canlılar için ölü bölgeler oluşturması, • Alıcı ortamdaki canlılık çeşidini değiştirmesi ve azaltması, • Yeraltı sularını ve içme sularını kontamine etmesi, • Alıcı ortamın ve çevresindeki bölgelerin fiziksel şartlarını değiştirmesi (koku, köpük sorunu vb.), • BÇS solunumu ile ortaya çıkabilecek sağlık problemleri ve ciltte ve gözde tahrişe neden olması gibi problemlere neden olmaktadır. Yapılan araştırmalar sonucun da, Tip 2 sıvısı ile kirlenmiş atıksuların arıtımında havasız arıtma sistemlerinin, aerobik sistemlere göre daha fazla verim sağladığı ve işletme maaliyetlerinin daha düşük olduğu görülmüştür. Bu sebeple, bu sıvıların karıştıkları atıksuların daha sürdürülebilir yöntemlerle arıtılarak kaynağında yönetilmeleri gün geçtikçe önem arz etmektedir. Bu tez çalışması kapsamında, hali hazırda havalimanlarında oluşan evsel karakterde atıksuların, yüksek organik madde içerikli buz çözücü sıvı ile belirli oranlarda seyreltilerek; yüksek hızlı bir anaerobik (havasız) reaktörde arıtılabilirliği ile biyogaz verimi araştırılmıştır. Böylece, yüksek organik içerikli BÇS'nin bu tarz reaktörlere beslenmeden önce gerekli ilave seyreltme suyu ihtiyacı da halihazırda havalimanında üretilen evsel atıksuyun kullanılmasıyla daha sürdürülebilir bir yaklaşımla karşılanmış olacaktır. Tez çalışmasında, son yıllarda havasız biyoteknoloji alanında çok yaygın olarak kullanılan yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör (HÇYR) sistemi kullanılmış olup; bu tip reaktörler enerji teknolojileri arasında önemli bir yer kaplamaktadır. Bu sistemlerde, yüksek organik içerikli atıksuların arıtımlarına izin verilmekte, arıtım için daha az alana ihtiyaç duyulmakta ve reaktörde yenilenebilir bir enerji kaynağı olan biyogaz eldesi mümkün olabilmektedir. Çalışma kapsamında ayrıca, biyoreaktör içerisinde işletme süresince belirli aralıklarla alınacak çamur numunelerinde, mikrobiyal türlerdeki değişim de araştırılmış ve yüksek oranda glikol içeren bu tarz sıvıların anaerobik arıtımları sırasında biyosistemler üzerindeki etkisi hücre içi yaklaşımla da belirlenebilmesi hedeflenmiştir. Bu tez kapsamında ilk olarak çalışmanın amaç, kapsam ve önemi tanımlanarak, ne için bu çalışmanın yapılması gerektiği vurgulanmıştır. İkinci bölümünde ise konu ile ilgili genel bilgiler verilerek, anaerobik biyoteknolojinin ne olduğu, BÇS genel özelliklerinden ve arıtma koşullarından bahsedilmiş olup, son olarak ise BÇS ile kontamine olmuş evsel karakterde atıksuların arıtımı ile yapılmış çalışmalardan örneklerin verildiği bir literatür araştırması bulunmaktadır. Bu genel bilgilendirme sonrasında, çalışmada kullanılan tüm yöntemler üçüncü bölümde detaylı olarak verilmiştir. Ayrıca bu bölümde tez çalışmasında kullanılan evsel atıksuyun karekterizasyonuna, BÇS (Tip 2) özelliklerine, BÇS ile kontamine olmuş evsel atıksuyun karekterizasyonuna detaylı olarak değinilmiş olup, çalışma süresince kullanılan reaktörlerin (kesikli ve sürekli) işletme koşulları hakkında da detaylı bilgiler bulunmaktadır. İki tür reaktörde aynı işletme koşullarında yürütülmüştür. Dördüncü bölüm olan 'Bulgular ve Değerlendirme' kısmında, kesikli ve sürekli reaktör düzeneklerinden elde edilen konvansiyonel parametreler pH, alkalinite, toplam-çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı; tKOİ-çKOİ giderimleri, askıda katı madde (AKM), uçucu askıda katı madde (UAKM), biyogaz üretimleri, PG analizi ve uçucu yağ asitleri (UYA) değişimleri sunulmaktadır. Bu arada reaktörlerin işlemi sırasında belirli aralıklarla alınan numunelerden yapılan analizlerin sonuçları detaylandırılarak verilmiştir. Çalışmanın son bölümünde ise tez çalışması kapsamında elde edilen sonuçlar özet halinde sunularak, gerekli değerlendirmelere yer verilmiştir. Ayrıca çalışma sonucunun varmak istediği yer belirtilerek, gerçek ölçekte bu sistemlerin sürdürülebilir olduğuna ulaşılmıştır. Çalışma sonuçlarına göre belirli bir orana kadar BÇS ile kontamine olmuş evsel atıksuların kesikli ve sürekli olarak işletilen havasız reaktörlerde arıtılması durumunda yüksek biyogaz üretimlerinin gerçekleştiğini ortaya konulmuştur. Tez çalışmasının ilk kısmında kesikli reaktörlerde %0, %0,83, %1,01, %1,20, %2,24, %2,83, %3,08, %3,45, ve %4,20 oranlarında Tip 2 BÇS içeren toplam 9 adet reaktör hazırlanmıştır. Yapılan deneyler ve biyogaz verimi sonucunda optimum oran %0,83 ve %1,01 Tip 2 BÇS olmuştur. Bu yüzde de elde edilen tKOİ giderim yüzdesi 90'dır. çKOİ giderimi ise %94 olarak elde edilmiştir. Ayrıca üretilen biyogazlardan biyogaz verimi hesaplanarak, en yüksek verim 0,63 m3/kg çKOİbeslenen değerinde %0,83 reaktöründe bulunmuştur. Bunun yanında, BÇS oranının ≥%1,20 olduğu reaktörlerde biyogaz verimlerinde düşüş gerçekleşmiştir. Bunun nedeni ise yüksek BÇS oranı UYA artışına neden olmuş, bununla birlikte pH değerinin düşmeside metanojenler üzerinde yarattığı inhibisyon etkisi olduğu gözlemlenmiştir. Reaktörler 74 gün boyunca işletilmiş olup, süre sonunda reaktörler açılarak çalışmanın ikinci kısmına başlanılmıştır. Kesikli olarak işletilen havasız reaktörlerde evsel atık sudaki optimum BÇS oranının %0,83 ve %1,01 olarak belirlenmesini takiben; çalışmanın ikinci kısmında yukarı akışlı bir HÇYR sistemi yaklaşık 8 ay boyunca işletilmiştir. İşletmeye alma döneminde tez çalışmasının ilk kısmında işletilen kesikli reaktörlerden de aşı olarak çamur numunesi kullanılmıştır. Ayrıca, kağıt-karton fabrikasına ait bir mezofilik havasız reaktörden aşı çamuru ilave edilmiştir. Başlangıç aşamasında sisteme sadece evsel atıksu ile besleme yapılmış; daha sonra belirlenen BÇS aralığında (%0,36-%0,54 BÇS) yaklaşık iki ay boyunca besleme yapılmıştır. Bunu takiben; işletmenin 68-154. günleri arasında BÇS besleme oranı %1,05 oranına yükseltilmiştir. Fakat sistemde, yüksek organik yüklemeden dolayı bir süre sonra gaz üretimi durmuştur. Gaz üretiminin tekrardan görülebilmesi için sisteme beslenen BÇS oranı tekrardan %0,19 oranına düşürülmüştür. Sistemde düşük biyogaz üretimi gözlemlenmesine rağmen, yüksek oranda KOİ ve TKM giderimleri gözlenmiştir. Buna göre, biyogaz verimleri birinci periyot için (%0,36-0,54 BÇS) 3,9 L/kg çKOİbeslenen, ikinci periyot için (%1,05 BÇS) 1,4 L/kg çKOİbeslenen ve üçüncü periyot için ise (BÇS=%0,19) 1,8 L/kg çKOİbeslenen değerlerinde bulunmuştur. HÇYR sisteminde yüksek oranda organik karbon (tKOİ ve çKOİ) giderimi elde edilmiştir. Buna göre her periyotta işletme dönemi boyunca ortalama giderim verimleri tKOİ ve çKOİ için sırası ile %73-%88 ve %84-%90 aralığında bulunmuştur. Bu nedenle, bu çalışmanın bulguları, havasız sistemlerin Tip II BÇS'nin belirli bir oranın üzerinde ≥%1,05 beslenmesi sonucunda zehirli etkiye sebep olabileceğini ve inhibisyon etkisinin yarı-sürekli olarak işletilen anaerobik sistemlerde (yüksek hızlı HÇYR gibi) daha belirgin bir şekilde gözlendiğini göstermiştir. Yapılan bu çalışmalara ek olarak, bakteriler ve metanojenler arasındaki mikrobiyal ilişkilerin anlaşılabilmesi, ayrıca özellikle BÇS gibi kirleticilerle kontamine olmuş atıksuların arıtılması sırasında bu türlerin anaerobik reaktörlerin kararlılığını ve performansını nasıl etkilediğinin belirlenebilmesi için mikrobiyal topluluk analizi de gerçekleştirilmiştir. Buna göre, Actinobacteria, Bacteroidetes, Chloroflexi, Firmicutes, Fusobacteria, Proteobacteria, Spirochaetes, Synergistetes, Thermotogae ve Verrucomicrobia filumları birinci ve ikinci periyotların son günlerinde alınan çamur örneklerinde (sırası ile %0,36-0,54 BÇS; t=67 gün ve %1,05 BÇS; t=154 gün) yapılan analizlerde tespit edilmiştir. Bunlar arasında, işletme süresince baskın iki tür olan Bacteroidetes ve Firmicutes filumları sırası ile %25'den %30'a ve %31'den %32'ye artış göstermiştir. Ayrıca, arke filumlarından; Methanomicrobia, Methanobacteria ve Thermoplasmata yapılan mikrobiyolojik analizler sonucunda baskın olarak gözlenmiştir. Methanomicrobia ve Methanobacteria filumları artış gösterirken, Thermoplasmata filumunun bağıl baskınlık oranı azalmıştır. Bu tez çalışmasında ayrıca, havalimanlarında gerçek ölçekte kurulacak havasız sistemlerin işletme şartlarının daha iyi anlaşılabilmesi için; tek modüllü yukarı akışlı bir HÇYR reaktörüne ait kavramsal tasarım 2019 yılı için yapılmıştır. Tasarım hesaplamaları sırasında, sadece bu çalışmadan elde edilen sonuçlar değil aynı zamanda araştırılan havalimanının önceki yıllara ait rapor verilerinden (buz çözücü uygulaması yapılan uçak sayısı vb.) de yararlanılmıştır. Sonuçlar, kontrollü besleme ve işletme şartları altında BÇS ile kontamine olmuş evsel atıksuların yüksek-hızlı havasız arıtımının uygulanabilir olduğunu ve makul miktarlarda biyogaz üretimi ile enerji geri kazanımının da mümkün olabileceğini göstermiştir. Buna göre, içerisinde %0.5 oranında Tip II BÇS içeren evsel atıksuların HÇYR ile arıtımı sırasında yaklaşık 920 m3/gün biyogaz ile bunun eşdeğeri olan yaklaşık 4340 kW-saat toplam enerji (elektrik ve ısı) üretimleri elde edilebilmiştir.