combi-fts

TUZLA İLERİ BİYOLOJİK ATIKSU ARITMA TESİSİ

Biyolojik Arıtma Prosesleri

Kullanılan her damla su atıksu haline dönüşür

Atıksu arıtımında kullanılan biyolojik prosesler farklı şekilde sınıflandırılabilir. Biyolojik arıtmada beş önemli grup bulunmaktadır. Bunlar; aerobik prosesler, anoksik prosesler, anaerobik prosesler, birleşik aerobik, anoksik ve anaerobik prosesler ve doğal arıtma sistemleri olarak sıralanabilirler. Her bir proses mikroorganizmaların konumuna göre askıda büyüyen, yüzeyde büyüyen (biyofilm) ve ikisinin birlikte uygulandığı kombine sistemler (askıda ve yüzeyde büyüyen prosesler) olmak üzere alt sınıflara ayrılabilir. Birden fazla prosesin art arda kullanıldığı ardışık sistemler de mevcuttur. Bu prosesler farklı uygulamalarla atıksu arıtımında kullanılabilmektedir. En sık kullanılan biyolojik prosesler aşağıda sıralanmaktadır.

  • Aktif çamur prosesleri
  • Damlatmalı filtreler
  • Döner biyodiskler
  • Havalandırmalı lagünler
  • Stabilizasyon havuzları


Aktif çamur prosesleri veya onun modifikasyonları daha çok büyük tesislerde, stabilizasyon havuzları ise küçük tesislerde kullanılmaktadır. Bu proseslerin optimum şartlarda tasarlanması ve işletilmesi bu prosesleri gerçekleştiren mikroorganizma türlerinin bilinmesi, spesifik reaksiyonların tanımlanması, performansı etkileyebilecek çevresel faktörlerin değerlendirilmesi, besi maddesi ihtiyaçlarının ve reaksiyon kinetiklerinin tanımlanması ile gerçekleştirilebilir.

Askıda Büyüyen Sistemler

Askıda büyüyen sistemler; arıtmayı yapan bakterilerin askıda bulunduğu sistemlerdir. Askıda büyüyen sistemlere örnek olarak aktif çamur sistemi ve çeşitleri verilebilir. Askıda büyüyen sistemler, aktif çamur havuzu içindeki biyokütlenin havalandırma veya mekanik karıştırma ile askıda tutulması ve atıksu ile homojen karıştırılarak uygun koşullarda istenilen reaksiyonların oluşturulması esasına dayanmaktadır. Bu amaçla, genellikle difüzörler veya yüzeysel havalandırıcıların kullanımı oksijen transferi ve tam karışımın sağlanması açısından yeterli olmaktadır. Havalandırma havuzuna oksijen transferi günlük ve mevsimlik ihtiyacı karşılayacak şekilde yapılmalıdır.

Tam karışımlı veya piston akımlı reaktör olarak projelendirilebilen aktif çamur havuzlarında atıksu, havalandırma havuzundan sonra son çökeltim havuzuna yönlendirilir. Son çökeltim tanklarında yerçekimi etkisi ile arıtılmış su biyokütleden ayrılarak sonraki arıtma ünitelerine (dezenfeksiyon, filtrasyon vb.) iletilir veya deşarj edilir. Aktif çamur sistemlerinde sadece organik maddenin ve amonyum azotunun giderimi (nitrat azotuna çevrilmesi) sağlanır.

Askıda çoğalan aktif çamur sistemlerinde organik madde giderimi ve nitrifikasyon prosesi, sistemin çamur yaşına bağlıdır. Organik madde giderimi yapan heterotrofik bakteriler, nitrifikasyonu sağlayan ototrofik bakterilere göre daha az hassastır. Dolayısıyla; normal şartlarda, nitrifikasyonun sağlandığı koşullarda organik madde giderimi de sağlanmaktadır. Öncelikle, nitrifikasyon prosesi için gerekli olan (havalı) çamur yaşı soğuk hava şartları göz önüne alınarak hesaplanmalı ve reaktör hacmi buna göre belirlenmelidir. Pratikte nitrifikasyon karbonlu organik maddenin giderilmesi için kullanılan reaktörde gerçekleştirilebileceği gibi, ayrı bir reaktörde de sağlanabilmektedir. Nitrifikasyon prosesinde 1 gram amonyum azotunun (NH4+-N) oksitlenmesi sonucu 7,14 gram CaCO3 alkalinitesi tüketilmektedir. Dolayısıyla nitrifikasyon prosesi için atıksudaki alkalinitenin kontrol edilmesi gerekmektedir. Çamur yaşının belirli seviyede seçilmesi ile (𝜃𝑐 ≤ 10 gün) sadece organik karbon giderimi de sağlanabilir.

nitrifikasyon

Yüzeyde Büyüyen Sistemler

Yüzeyde büyüyen sistemler ise; arıtmayı yapan bakterilerin sabit bir yüzey üzerine tutunarak büyüdüğü sistemlerdir. Bunların başlıca örnekleri; damlatmalı filtreler, döner biyolojik disk (biyodisk) ve dolgulu reaktörlerdir

nitrifikasyon

Mikroorganizmaların yüzeyde tutunduğu damlatmalı filtre ve döner biyodisk sistemlerinin şematik gösterimi

Biyolojik Arıtma Proseslerinin Uygulama Alanları

Biyolojik arıtma proseslerinin temel uygulama alanları aşağıda sıralanmaktadır.

  • Atıksuda özellikle BOİ, TOK (toplam organik karbon) veya KOİ olarak ölçülen organik maddelerin giderimi
  • Nitrifikasyon
  • Denitrifikasyon
  • Fosfor giderimi
  • Atık stabilizasyonu

Aerobik Prosesler

Askıda Büyüyen Aerobik Arıtma Sistemleri

Aktif Çamur Prosesi

Biyolojik arıtmada kullanılan en yaygın yöntem aktif çamur sistemleridir. Aktif çamur prosesi, İngiltere’de 1914’te Arden ve Lockett tarafından geliştirilmiştir. Bu prosesin çeşitleri geliştirilerek kullanılmaktadır. Bu sistem organik kirliliğin, askıda tutulan mikroorganizmalar (heterotrofik bakteriler) yardımıyla giderildiği bir arıtma metodudur.

Deşarj standartlarına bağlı olarak aktif çamur sistemleri karbonlu organik madde giderimi ve nitrifikasyon için uygun reaktör konfigürasyonları ile etkin olarak çalıştırılabilir. Son çökeltim tankında çökelen çamur aktif çamur havuzuna geri devrettirilmek sureti ile uygun biyokütle konsantrasyonu sağlanmış olur. Öngörülen biyokütle miktarından fazlası ise fazla çamur olarak sistemden atılır.

Son çökeltim havuzları biyolojik arıtmadan sonra arıtılmış atıksuyu biyokütleden yerçekimi etkisi ile fiziksel olarak ayıran dairesel ya da dikdörtgen planlı havuzlardır. Dairesel havuzlarda biyokütle atıksu karışımı besleme şekli olarak merkezden ya da çevreden yapılmakta, arıtılan su radyal doğrultuda hareket etmektedir. Dikdörtgen planlı havuzlarda ise yatay hareket ederek çökeltim tankından çıkmaktadır. Giriş yapısı ve çamur toplama sisteminin tasarımı çökeltim tankındaki laminer akım koşullarını ve çamurun çökelme özelliğini bozmayacak şekilde yapılmalıdır. Ayrıca, giriş yapısı ve köprünün hızı, karışımın enerjisini kırıcı düzenekler ile donatılmalı ve gerekli hız tahkikleri yapılmalıdır.

Çökeltilmiş su, son çökeltim havuzlarından savaklar yardımı ile toplanmaktadır. Birim savak yükleri hesaplanarak, toplam savak uzunluğu ve savak sayısına karar verilmektedir. Gerekli görüldüğü takdirde tek ve çift taraflı savaklar teşkil edilmektedir. Savaklar genellikle, dikdörtgen veya üçgen tipli olarak seçilmektedir. Savak yapıları minimum ve maksimum yükleri geçirecek şekilde planlanmalıdır.

Yüzeydeki köpük ve tabandaki biyolojik çamur birikintilerinin uzaklaştırılması için uygun bir yüzey ve taban sıyırma tertibatı bulunmalıdır. Tabandan çamur toplama işlemi köprüye bağlı sıyırıcı ya da pompa ile emme tipli olarak projelendirilir. Çamur haznesinin büyüklüğü çamurun özelliklerine ve çamur boşaltma aralıklarına uygun olmalıdır. Köprüye bağlı sıyırıcı olan sistemlerde havuz tabanı uygun teşkil edilmelidir. Emme tipli sıyırma tertibatında son çökeltim tankının tabanı düz olmalıdır. Son çökeltim tankındaki kenar su derinliğinin en az 3 m civarında olması öngörülmektedir.

Proses Tasarım Yaklaşımları

Aktif çamur prosesinin tasarımında göz önünde bulundurulması gereken kriterler aşağıda sıralanmaktadır.

  • Reaktör tipinin seçimi
  • Yükleme kriterleri
  • Çamur üretimi
  • Oksijen ihtiyacı ve transferi
  • Besi maddesi ihtiyacı
  • Filamentli bakterilerin kontrolü
  • Çıkış suyunun özellikleri (deşarj standartları)
  1. Reaktör Tipinin Seçimi

    Herhangi bir biyolojik prosesin tasarımında en önemli adımlardan biri kullanılacak reaktör veya reaktörlerin seçimidir. İşletmeyi etkileyen faktörler aşağıda sıralanmaktadır.

    • Arıtma prosesine hakim olan reaksiyon kinetiği
    • Oksijen transfer ihtiyacı
    • Arıtılacak atıksuyun özellikleri
    • Çevresel koşullar
    • İlk yatırım, işletme ve bakım maliyetleri

    Bu faktörlerin önemi her uygulama için değişecektir. İşletmeyi etkileyen faktörlerin aktif çamur prosesi için önemi aşağıda açıklanmaktadır.

    Birinci faktör; reaksiyon kinetiğinin reaktör seçimi üzerinde etkisidir. Reaktörler tam karışımlı veya piston akımlı olabilir. Her iki tip reaktör için de pratik açıdan bakıldığında hidrolik bekletme süreleri hemen hemen aynıdır.

    İkinci önemli faktör ise oksijen transfer ihtiyacıdır. Konvansiyonel piston akımlı biyolojik arıtma sistemlerinde, reaktör sonunda ihtiyacı karşılayacak oksijen konsantrasyonlarına ulaşmanın imkansız olduğu anlaşılmıştır. Bu durumda aktif çamur proseslerinde çeşitli modifikasyonlar yapılmıştır. Bunlar; kademeli havalandırma yapılan prosesler, kademeli beslemeli prosesler, atıksuyun reaktör boyunca dağıtıldığı prosesler ve tam karışımlı proseslerdir. Havalandırma reaktörün her yerinde aynıdır ve gerekli oksijen ihtiyacı veya daha fazlası sağlanır.

    Üçüncü faktör, arıtılacak atıksuyun özellikleridir. Örneğin; sisteme giren atıksu tam karışımlı reaktörde takriben eşit olarak dağılır. Piston akımlı reaktörlere kıyasla tam karışımlı reaktörlerde mikroorganizmalar şok yüklemelere daha kolay karşı koyabilir.

    Dördüncü faktör, çevresel koşullardır. Çevresel koşullar arasında; sıcaklık, pH ve alkalinite en önemlileridir. Atıksudaki sıcaklık değişimi doğrudan biyolojik reaksiyon hızını etkilemektedir. Örneğin; sıcaklıktaki 10ºC’lik azalma reaksiyon hızını yarı yarıya düşürür. Atıksu sıcaklığında önemli bir değişim bekleniyorsa, seri halde tam karışımlı veya piston akımlı reaktörler kullanmak etkili olacaktır. Alkalinite ve pH özellikle nitrifikasyon proseslerinde oldukça önemlidir. Düşük pH nitrifikasyon bakterilerinin büyümesini engeller. Düşük alkaliniteye sahip atıksular az da olsa bir tampon kapasitesine sahiptir ve pH, bakteri solunumu sonucu ortama verilen CO2 nedeniyle düşer.

    Beşinci faktör, ilk yatırım, işletme ve bakım maliyetleridir ve bunlar reaktör tipi ve büyüklüğü seçimi açısından son derece önemlidir.

  2. Yükleme Kriterleri

    Aktif çamur prosesinin kontrolü ve tasarımında uzun yıllar deneysel ve rasyonel parametreler kullanılmıştır. En çok kullanılan iki parametre, besi-mikroorganizma oranı (F/M) ve çamur yaşı (𝜃𝑐 )’dır.

    F/M’nin tipik literatür değeri 0,05-1 aralığında değişir. Yüksek kalite çıkış suyu, iyi çökelme özelliğine sahip çamur ve kararlı bir sistem elde edebilmek için genellikle 3-15 gün aralığında çamur yaşı uygulanır. Havalandırma tankında tipik hidrolik bekletme süresi 4-8 saat arasında değişmektedir. Günlük BOİ yükleme hızı da 0,3–3 kg/m3.gün aralığındadır.

  3. Çamur Üretimi

    Atılacak çamur miktarını belirlemek ve çamur yoğunlaştırıcı tasarımını yapabilmek için günlük oluşan çamur miktarını belirlemek gereklidir.

  4. Oksijen İhtiyacı ve Transferi

    Sistemin oksijen transfer verimi biliniyorsa verilmesi gereken hava miktarı da belirlenir. Verilen hava; atıksuda BOİ arıtımını, çamurun içsel solunumunu, ortam için gerekli karışımı ve havalandırma tankında minimum çözünmüş oksijen konsantrasyonunun 1-2 mg/L olmasını sağlayabilmelidir.

    F/M>0,3 ise; hava gereksinimi, iri kabarcıklı difüzör kullanıldığında 30-55 m3/kg giderilen BOİ, ince kabarcıklı difüzör kullanıldığında 24-36 m3/kg giderilen BOİ’dir. Düşük F/M oranlarında içsel solunum, nitrifikasyon ve uzun havalandırma süresinden dolayı hava ihtiyacı arttığından önerilen değer 75-115 m3/kg giderilen BOİ’dir. Aktif çamur proseslerinde hava ihtiyacı 93,5 m3/kg BOİ5, uzun havalandırmalı sistemlerde ise 125 m3/kg BOİ5’tir

    nitrifikasyon

  5. Besi Maddesi İhtiyacı

    Azot ve fosfor besi maddesi olup, atıksuda yüksek konsantrasyonda bulunmaları biyolojik reaksiyon için inhibisyona, düşük konsantrasyonda bulunmaları ise sınırlamalara yol açar. Hücre bileşimi C5H7NO2 olarak alınırsa, ağırlığının %12,4’ü kadar azot gerekecektir. Bu değer tipik değer olup, çevre şartları ve çamur yaşına bağlı olarak hücredeki azot ve fosfor dağılımı değişebilmektedir. Birçok biyolojik sistem için gerekli diğer besi maddeleri aşağdaki tabloda verilmektedir.

    nitrifikasyon

    Aşağıdaki tabloda E. Coli’nin inorganik kompozisyonu verilmektedir. Büyüme için gerekli eser elementler yaklaşık olarak buradan hesaplanabilir. Toplam besi miktarı üreyen net mikroorganizma miktarı ile ilgilidir ve besi maddesi gereksinimi çamur yaşının uzun olması ile azalacaktır.

    nitrifikasyon

  6. Filamentli Bakterilerin Kontrolü

    Aktif çamur proseslerinde filamentli bakterilerin büyümesi çok sık rastlanan bir işletme problemidir. Sistemde filamentli bakterilerin bulunması çamurun çökelme özelliğini zayıflatır ve kabarma problemine yol açar. Tek kademeli tam karışımlı reaktörler düşük substrat seviyelerinden dolayı filamentli bakterilerin büyümelerine çok uygundurlar. Bazı piston akımlı reaktörlerde de benzer problemlerle karşılaşılmaktadır. Son araştırmalar filamentli bakterilerin büyümesini engelleyen yöntemleri bulmak ve pratik kontrol metotları oluşturmak üzerine yoğunlaşmıştır. Filamentli bakterilerin kontrol ve önlenmesi için bir yaklaşım, ham su ile aktif çamur geri devrinin karıştığı ilk temas bölgesi için ayrı bölüm veya selektör kullanmaktır. Selektör; tam karışımlı veya piston akımlı reaktörlerde, ayrı bir tank veya portatif bir bölme olarak yer alabilir.

    Selektörün kullanılma amacı biyolojik prosesin yüksek F/M oranının bulunduğu ilk safhasında çözünmüş oksijen konsantrasyonunu kontrol ederek flok formundaki biyokütlenin büyümesini sağlamaktır. Yüksek substrat oranı nedeniyle çözünmüş organik madde hızlı bir şekilde flok formundaki biyokütle tarafından adsorplanır. Çözünmüş organik maddelerin ortamdan hızla adsorplanması sayesinde, ortamdaki filamentli bakteriler için daha az kullanılabilir substrat kalmış olur. Bu yöntem ile etkili sonuçlar alınmıştır. Yeterli bir karışım için havalandırma sağlanmalı veya mekanik karıştırıcılar kullanılmalıdır.

  7. Çıkış Suyunun Özellikleri

    Çıkış suyunun özellikleri arasında en önemli parametre organik madde içeriğidir. Biyolojik arıtma prosesinin çıkışında organik madde içeriği aşağıdaki üç bileşenden oluşmaktadır.

    • Çözünmüş organik maddeler
      • Biyolojik arıtmadan kaçan organik maddeler
      • Atığın biyolojik olarak parçalanması sırasında oluşan ara ürünler
      • Hücresel bileşimler (mikroorganizma ölümü sonucu)
    • Askıda organik maddeler
      • Arıtma sırasında oluşan ve son çökeltim tankından kaçan biyokütle
      • Arıtmadan ve çökeltim tankından kaçan giriş atıksuyundaki kolloidal organik katı maddeler
    • Biyolojik olarak parçalanamayan organik maddeler
      • Orijinal olarak ham atıksuda bulunan maddeler
      • Biyolojik parçalanma ürünleri

Proses Analizi

Bütün aerobik atıksu arıtma proseslerinde atıklar (a) sentez ve (b) oksidasyon yolu ile yok olurlar. Diğer bir deyişle; organik maddelerin bir kısmı yeni hücrelere dönüşürken (sentez), geri kalan kısmı gerekli enerjiyi üretmek için oksidasyona tabi tutulurlar. Organik maddeler yok olmaya başlayınca biyolojik hücrelerin bir kısmı gerekli enerjiyi sağlamak amacıyla kendi kendini oksitleyebilir (içsel solunum).

Aerobik biyolojik oksidasyon reaksiyonları genel olarak aşağıdaki şekilde ifade edilmektedir.

Organik madde (BOİ, KOİ) + O2 + N + P → Hücre + CO2 + H2O + biyolojik olarak ayrışamayan çözünebilir maddeler

Hücre + O2 → CO2 + H2O + N + P + biyolojik olarak ayrışamayan hücresel kalıntılar

Biyolojik olarak ayrışma tüm aerobik biyolojik arıtma sistemlerinde yer almaktadır. Biyolojik reaksiyon üç adımda gösterilmektedir.

  1. Adım: Biyokütlenin üretimi ve organik maddenin oksidasyonu

    8(CH2O) + NH3 + 3O2 → C5H7NO2 + 3O2 + 6H2O + Enerji

  2. Adım: Biyokütlenin üretimi ve organik maddenin oksidasyonu

    C5H7NO2 + 5 O2 → 5CO2 + NH3 + H2O + Enerji

  3. Adım: Nitrifikasyon

    NH3 + 2O2 → HNO3 + H2O + Enerji