BİYOLOJİK ATIKSU ARITMA TESİSİ

Nitritasyon – Denitritasyon Prosesi

Bu proseste amonyum öncelikle nitrite oksitlenir (nitritasyon). Daha sonra, nitrit organik madde kullanılarak azot gazına dönüştürülür (denitritasyon). Nitritin nitrata oksitlenmesi engellenerek, tam nitrifikasyonda kullanılan oksijen ve havalandırma enerjisinden %25 tasarruf edilir. Ayrıca, nitrit üzerinden denitrifikasyon yapılması proses için gerekli organik madde miktarını %40 oranında azaltır.

Proses Stokiyometrisi ve Kinetik

Amonyumun ototrofik bakteriler tarafından nitrite oksitlenmesi prosesinin stokiyometrik denklemi aşağıda verilmektedir.

NH₄HCO₃ + 0,9852 NaHCO₃ + 0,07425 CO₂ + 1,4035 O₂ → 0,01485 C₅H₇O₂N + 0,9852 NaNO₃ + 2,9406 H₂O + 1,9852 CO₂

Oluşan nitritin azot gazına indirgenmesi için stokiyometrik olarak gerekli organik madde miktarı organik maddenin tipine göre değişmektedir. Aşağıda, en çok kullanılan organik madde kaynakları için stokiyometrik denklemler verilmektedir.

Atıksu

C₁₀H₁₉O₃N + 16,66 NO₂⁻ + 0,33 H₂O → 10 CO₂ + NH₃ + 8,33 N₂ + 16,66 OH⁻

Metanol

5CH₃OH + 10 NO₂⁻ → 5 N₂ + 5 CO₂ + 5 H₂O + 10 OH⁻

Asetat

5CH₃COOH + 13,33 NO₂⁻ → 6,67 N₂ + 10 CO₂ + 3,33 H₂O + 13,33 OH⁻

Yukarıdaki reaksiyonlar hücre sentezini içermediğinden gerçekte gerekli organik madde miktarı daha fazla olacaktır. Denitritasyon için gerekli biyolojik olarak ayrışabilir KOİ miktarı hücre sentezini de içerecek şekilde aşağıdaki gibi hesaplanabilir.

Burada;

1,71 : Nitritin oksijen eşdeğeri (g O2/g NO2-N)
𝑌𝑛 : Biyokütle net dönüşüm oranı (g UAKM/g KOİ)

ifade eder. Denitritasyon reaksiyonu denitrifikasyona göre %40 daha az organik madde gerektirir. Nitritasyon prosesi sırasında nitrifikasyon prosesinde tüketilene eşit miktarda alkalinite tüketimi olur. Denitritasyon reaksiyonunda da önemli miktarda alkalinite üretilmektedir. Bu nedenle kararlı bir nitritasyon prosesi için denitritasyon ile üretilen alkaliniteye ya da dışarıdan alkalinite takviyesine ihtiyaç duyulur. Alkalinite takviyesi, yan akımın ham atıksu, ön çökeltim sonrası atıksu ya da arıtma tesisi deşarj suyu ile karıştırılması ile de yapılabilir. Ancak, bu durumda nitritasyon prosesini kontrol etmek ve özellikle nitritin nitrata oksidasyonunu engellemek zorlaşır.

Amonyum oksidasyonu ve nitrit oksidasyonu yapan mikroorganizmaların kinetik sabitleri aşağıdaki tabloda verilmektedir. Buna göre, amonyum oksidasyonu yapan bakterilerin biyokütle dönüşüm oranı nitrit oksitleyen mikroorganizmalara göre daha yüksektir. Ayrıca, amonyum oksitleyen bakteriler daha düşük oksijen konsantrasyonlarında yaşayabilmektedir. Bu durumdan yararlanılarak, nitrit oksitleyen bakteriler baskı altına alınır ve sistemde çoğalmaları engellenir. Nitrit oksitleyen bakterilerin baskı altına alınması için genellikle aşağıdaki 4 mekanizmadan yararlanılır:

• Reaktörü 20°C’den yüksek sıcaklıkta ve düşük çamur yaşı ile işletmek
• Reaktörü kesikli havalandırma ile düşük çözünmüş oksijen konsantrasyonunda işletmek
• Serbest amonyak inhibisyonu (reaktör pH’sına bağlıdır)
• Serbest nitröz asidi inhibisyonu (reaktör pH’sına bağlıdır)

Nitritasyon – Denitritasyon Sistemleri

Bu bölümde, nitritasyon-denitritasyon amacıyla kullanılabilecek proseslerin detaylı açıklaması bulunmaktadır. Bu sistemlerin tipik tasarım ve kontrol parametreleri aşağıda verilmektedir.

BABE Prosesi

BABE (Kesikli Biyolojik Takviye Prosesi) prosesi yan akımdaki amonyağın nitrite oksidasyonu amacıyla kullanılan bir reaktördür. Reaktörde üretilen ve amonyak oksitleyen bakterilerce zengin çamur, ana akımı arıtan prosese gönderilerek aşılama (biyotakviye) yapılır. Bu sayede, ana prosesin nitrifikasyon verimi de arttırılır. BABE prosesi amacıyla yan akımda teşkil edilen kesikli havalandırılan bir AKR, anoksik ve aerobik bölmelerden oluşan piston akımlı bir reaktör ya da MLE prosesi kullanılabilir. Ana prosesin geri devir çamurunun (küçüktür) %10’u BABE reaktörüne gönderilir ve sıcaklık 25°C civarında tutulur. Bu sayede amonyum nitrite okside olur ve üretilen nitrit geri devir çamurundaki içsel karbon ve eklenen ilave karbon kaynakları ile denitrite edilir. BABE reaktörünün fazla çamuru ana prosese geri devrettirilir.

AKR

Ardışık kesikli reaktörde oksijen ya da pH kontrolü yapılarak nitritasyon-denitritasyon reaksiyonları gerçekleştirilebilir. Oksijen 1 mg/L’nin altında tutulur. Denitritasyon amacıyla dışsal karbon eklenir. AKR’nin reaksiyon süresi boyunca atıksu beslemesi yapılır. AKR genelde 30°C’de işletilir. Biyolojik reaksiyonlar sonucu açığa çıkan ısı, ısı değiştiriciler yardımı ile uzaklaştırılır ve reaktörün 38°C’nin üzerindeki sıcaklıklara çıkması engellenir. Çamur yaşı 5-10 gün arasında tutulur.

SHARON Prosesi

SHARON prosesi birbirine seri bağlı tam karışımlı anoksik ve anaerobik reaktörlerden oluşur. Proses 35-38°C’de işletilir. Aerobik ve anoksik bölmelerin çamur yaşı sırasıyla 1,5 ve 0,75 gün olarak tasarlanır ve işletilir. Aerobik bölmeden anoksik bölmeye, besleme debisinin 13 katı kadar nitrit geri devri yapılır. Anoksik bölmeye nitrit giderimi amacıyla dışsal karbon eklenir ve üretilen alkalinite nitrifikasyon prosesinde kullanılır. Gerektiğinde dışsal alkalinite kaynağı da gerekebilir. Çok yüksek konsantrasyonda amonyum içeren yan akımlar arıtma tesisi çıkış suyu ya da ön çökeltim havuzu çıkış suyu ile seyreltilerek proses girişindeki amonyum konsantrasyonunun 1500 mg/L’nin altına inmesi sağlanır.

Kısmi Nitritasyon – ANAMMOX - Anaerobik Amonyum Oksidasyonu (Deamonifikasyon) Prosesi

Deamonifikasyon prosesinde öncelikle amonyağın bir kısmı nitrite oksitlenir (kısmi nitritasyon). Daha sonra amonyum ve nitrit anaerobik şartlar altında ototrofik bateriler tarafından azot gazı ve nitrata dönüştürülür. Bu reaksiyonu gerçekleştirilen mikroorganizmalar Anammox bakterileri olarak adlandırılır.

Proses Stokiyometrisi ve Kinetik

Anammox bakterilerinin varlığı deniz ve göl sedimanları, toprak, sulak alanlar, atıksu arıtma tesisi çamurları gibi birçok farklı ortamda gösterilmiştir. Bu bakterilerin maksimum spesifik çoğalma hızı ototrafik nitrifikasyon bakterilerinin onda biri kadardır. Bu nedenle deamonifikasyon proseslerinin tasarımında çamur yaşı en önemli parametredir.

Kısmi nitritasyon prosesinin stokiyometrik denklemi aşağıda verilmektedir. Bu proses ile amonyumun bir kısmı nitrite dönüştürülür. Bu reaksiyon için oksijen ve alkalinite gerekmektedir.

2,3 NH₄⁺ + 1,87 O₂ + 2,66 HCO₃^-→ 0,02 C₅H₇O₂N + NH₄⁺ + 1,32 NO₂^- + 2,55 CO₂ + 3,94 H₂O

Havasız şartlar altında ototrofik anammox bakterileri amonyumu elektron verici ve nitriti elektron alıcı olarak kullanarak amonyumu okside ederler. Bu reaksiyon için organik madde gerekmemektedir. Reaksiyon sonucunda azot gazı ve nitrat oluşur. Açığa çıkan nitrat klasik denitrifikasyon prosesi ile azot gazına dönüştürüleceğinden organik maddeye ihtiyaç duyulur. Ancak deamonifikasyon ile giderilen 1 kg azot başına 0,11 kg nitrat azotu üretildiğinden, gerekli organik madde miktarı klasik denitrifikasyon prosesinin %11’i kadardır. Denitrifikasyon sırasında alkalinite üretileceğinden kısmi nitritasyon ve anaerobik amonyum oksidasyonu proseslerinde tüketilen alkalinitenin bir kısmı geri kazanılır. Ayrıca, deamonifikasyon prosesinin sadece ilk adımında (kısmi nitritasyon) oksijen kullanıldığından klasik nitrifikasyon prosesine göre %40 daha az oksijen gereklidir.

NH₄⁺ + 1,32 NO₂^- + 0,066 HCO₃^- + 0,13 H⁺→ 1,02 N₂ + 0,26 NO₃^- + 0,066 CH₂O_0,5N_0,15 + 2,03 H₂O

Anammox bakterileri için kinetik sabitler aşağıdaki tabloda verilmektedir. Anammox bakterilerinin hücre dönüşüm oranı çok düşük olduğundan, bu mikroorganizmaların reaktör içerisinde tutulabilmesi için çamur yaşının 20 günden fazla olması gereklidir. Anammox bakterilerinin en önemli özelliği uygun şartlar altında çok iyi çökelebilen granüller oluşturmalarıdır. Bu özelliğe dayanılarak granüler yataklı reaktörler ve spesifik yoğunluk esasına dayalı sistemler (hidrosiklon gibi) en sık kullanılan sistemlerdir. Deamonifikasyonun tek çamurlu bir sistemde yapılması halinde oluşan granüllerin dış kısmında amonyak oksitleyen bakteriler, iç kısmında ise anammox bakterileri bulunur. Bu durumda oksijen konsantrasyonu 0,3 mg/L civarında tutulur. Granülün dış yüzünde nitritasyon reaksiyonu gerçekleşir, iç kısımlarda ise oksijen konsantrasyonu düştüğünden anammox reaksiyonu için uyun şartlar oluşur.

Nitrit, anammox bakterileri için toksiktir ve geri dönüşümsüz inhibisyona yol açar. Nitrit inhibisyonu konsantrasyon ve maruz kalma süresinin bir fonksiyonu olup, reaktör de nitrit birikiminden kaçınılmalıdır. Ayrıca, oksijen de anammox bakterileri üzerinde geri dönüşümlü inhibisyona yol açar. Anammox bakterileri nitrit için nitrit okside eden bakteriler ile rekabet halindedir. Bu nedenle reaktörün işletme şartları çok iyi kontrol edilerek nitrit oksitleyen bakterilerin sistemde hakim olması engellenmelidir.

Kısmi Nitritasyon – Anaerobik Amonyum Oksidasyonu Sistemleri

Anammox bakterilerinin granül ve biyofilm oluşturma özelliğine dayanılarak birçok patentli sistem geliştirilmiştir. Bu sistemlerin hepsinin ortak yönü anammox bakterilerinin reaktör içerisinde kalış sürelerinin arttırılmaya çalışılması ve buna yönelik farklı çözümler kullanmalarıdır. Anammox bakterilerinin biyokütle dönüşüm oranı ve çoğalma hızı çok düşük olduğundan, deamonifikasyon sistemlerinin devreye alınma süresi çok uzundur. Ancak uygun aşının bulunması halinde bu süre kısaltılabilir.

ANITA^TMMox Prosesi

ANITA^TMMox prosesi tek kademeli bir deamonifikasyon prosesidir. Reaktör içerisinde mikroorganizmaların üzerine tutunduğu ve çok yüksek yüzey alanına sahip (500 m2/m3) plastik bir dolgu malzemesi bulunmaktadır. Bu tür reaktörler hareketli dolgu yataklı reaktörler olarak adlandırılır. Reaktör içerisindeki amonyum ve nitrit konsantrasyonları ölçülerek havalandırma kontrol edilir. Oksijen konsantrasyonu 0,5-1,5 mg/L aralığında değişir. Biyofilm kaplı plastik malzemenin reaktör içerisinde serbest hareket edebilmesi için reaktör hacminin %50’sinden fazla dolgu malzemesi kullanılmamalıdır.

DeAmmon hareketli yataklı biyofilm reaktör prosesi

DeAmmon prosesi 3 kademeli bir reaktörden oluşur. Her reaktör içerisindeki bölmeler seri bağı ya da paralel bağlı olarak işletilebilir. Reaktör içerisine toplam hacmin %50’sinden fazla olmamak kaydıyla, yüksek yüzey alanına sahip hareketli dolgu malzemesi (500 m2/m3) yerleştirilir. Her kademe havalı ve anoksik şartları sağlamak amacıyla kesikli olarak havalandırılır ve mekanik olarak karıştırılır. Havalı ve anoksik reaksiyon süreleri azot yüküne ve istenen giderme verimine göre ayarlanır. Tipik olarak 20-50 dakika havalı, 10-20 dakika anoksik reaksiyon süreleri kullanılır. Nitrit oksitleyen bakterilerin çoğalmasını ve oksijenin annomax bakterileri üzerindeki inhibisyon etkisini engellemek amacıyla, reaktör içi oksijen konsantrasyonlarının 3 mg/L’yi geçmemesi istenir.

DEMON AKR

DEMON ardışık kesikli reaktöründe havalı ve anoksik şartlar pH ya da zaman kontrollü kesikli havalandırma ile sağlanır. Nitrit oksitleyen bakterileri baskılamak ve havalandırma sonrası anoksik şartlara hızlı geçiş yapılabilmesi için reaktör içi oksijen konsantrasyonunun 0,3 mg/L’nin aşmaması istenir. Havalı ve anoksik süreler tipik olarak 10- 15 dakika ve 5-10 dakika arası tutulur. Havalandırma süreleri pH’a göre kontrol ediliyor ise 0,01-0,02 pH birimi değişimi ile havalandırma ekipmanı devreye girer ve çıkar. Reaktör içi pH, karbondioksitin sudan sıyrılmaması için 6,8’den yüksek tutulur. Reaksiyon adımında sürekli besleme yapılır. Anammox bakterileri granül oluşturduğundan, çamur hidrosiklondan geçirilerek granüler reaktöre geri döndürülür. Floküler çamur ve inert katılar ise sistemden atılır. Bu sayede, anammox granülleri için çamur yaşı 40-50 güne yaklaşır, diğer katılar (amonyum oksitleyen bakteriler, heterotrof bakteriler ve inert katılar) için ise çamur yaşı 10 gün civarıdır.

SHARON-ANAMMOX

Deamonifikasyon prosesi 2 kademeli reaktörlerde de gerçekleştirilebilir. Burada ilk kademede kısmi nitritasyon, ikinci kademede ise anaerobik amonyum oksidasyonu gerçekleştirilir. Kısmi nitritasyon reaktörü SHARON konseptini temel alan ve 1,5 gün çamur yaşıyla işletilen tam karışımlı bir reaktördür. Reaktör 30°C üzeri sıcaklıklarda, dışardan alkalinite ve organik karbon eklemesi yapılmadan işletilir. Burada amonyumun azotunun yaklaşık %50’si nitrite dönüştürülür. Kısmi nitritasyon sonrası atıksu yukarı akışlı olarak tasarlanan ANAMMOX reaktörüne beslenir. Yüksek yukarı akış hızları ile işletilen bu reaktörde, anammox bakterileri çökelme hızı 100 m/sa’ten yüksek granüller oluşturur. Bu sayede, reaktörün içerisinde %5-7 katı madde oranına sahip bir çamur yatağı gelişir. Granül oluşturmayan mikroorganizmalar, düşük yoğunluklu floküler çamur ve inert maddeler yüksek yukarı akış hızı sayesinde sistemden atılır. Reaktörde daha yüksek kesme kuvvetleri oluşturabilmek için oluşan azot gazı toplanarak reaktöre geri devrettirilir. Ayrıca arıtılmış suyun bir kısmı da yukarı akış hızını arttırmak ve reaktöre beslenen akımı seyreltmek için reaktöre geri beslenir.