BENTLEY-MERKİM
TÜRKİYE
VERMICON AG
TUZLA İLERİ BİYOLOJİK ATIKSU ARITMA TESİSİ
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 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; 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.
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
Mikroorganizmaların yüzeyde tutunduğu damlatmalı filtre ve döner biyodisk sistemlerinin şematik gösterimi
Biyolojik arıtma proseslerinin temel uygulama alanları aşağıda sıralanmaktadır.
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.
Herhangi bir biyolojik prosesin tasarımında en önemli adımlardan biri kullanılacak reaktör veya reaktörlerin seçimidir. İşletmeyi etkileyen faktörler aşağıda sıralanmaktadır.
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.
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.
Atılacak çamur miktarını belirlemek ve çamur yoğunlaştırıcı tasarımını yapabilmek için günlük oluşan çamur miktarını belirlemek gereklidir.
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
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.
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.
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.
Çıkış suyunun özellikleri arasında en önemli parametre organik madde içeriğidir. Biyolojik arıtma prosesinin çıkışında organik madde içeriği aşağıdaki üç bileşenden oluşmaktadır.
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.