Türkçe metni rahat izleyebilmeniz için, "browser" ınızın "document encoding" ini "Turkish" olarak değiştirdiniz mi ? ...
Prof.Dr. Hikmet Toprak
Aktif Çamur Süreci...
1. Aktif Çamur Sürecinin Tarihçesi ve Gelişimi...
Aktif çamur süreci, günümüzde, atıksu arıtımında en yaygın olarak kullanılan bir “teknoloji” niteliğindedir. Aktif çamur tesisleri, tropik bölgelerden kutuplara kadar uzanan çok geniş bir iklim kuşağında yer almaktadır. Buna ilaveten, yükselti bazında, deniz seviyesinden (örneğin gemilerdeki atıksu arıtma tesisleri) yüksek dağlara (örneğin dağlardaki otellerdeki atıksu arıtma tesisleri) kadar uygulama alanı bulmaktadır. Ölçek bazında ise, bir ailenin atıksularını arıtan paket tesislerden ibaret olabildiği gibi, metropollerin atıksularını arıtan çok büyük tesislerde de uygulanmaktadır. Örneğin, “İzmir Çiğli Atıksu Arıtma Tesisi” yaklaşık olarak 2 milyon nüfusa hizmet vermektedir. Aktif çamur sürecinin uygulandığı atıksu arıtma tesislerinin çıkış sularının kalitesi en “sıkı” alıcı ortam kriterlerini dahi sağlayabilmektedirler.
Aktif çamur sürecinin “keşfedilmesi” 1800’lü yılların sonunda İngiliz ve Amerikalı bilim adamlarının bağlı büyüme sistemleri üzerinde yaptıkları çalışmalar sonucunda gerçekleşmiştir. Sürecin havalandırılması ile ilgili araştırma ve çalışmalar Mayıs 1914’e kadar istenen sonuçları verememiştir. Ancak, Ardern ve Lockett adlı araştırmacıların havalandırma devam ederken, süreçte geri çevrim uygulaması ile istenen arıtma verimi sağlanmıştır. Aktif çamur olarak adlandırılan geri çevrilen bu “çözelti” arıtma işlemini gerçekleştiren aktif biyo-kütleden ibarettir. Biyo-kütlenin geri çevrimi aktif çamur sürecinin en önemli unsuru olarak ele alınmış ve sürecin en önemli “hayati fonksiyonu” olarak yorumlanmıştır. Geri çevrim havalandırma havuzunda istenen biyo-kütlenin eldesine olanak tanımaktadır. Böylece, atıksu arıtımı “teknolojik” olarak kabul edilebilir alıkonma süreleri içerisinde gerçekleştirilebilir hale getirilmiştir. Bununla birlikte, bu olgu (alıkonma süresi = havalandırma süresi) aktif çamur sürecinin en önemli dezavantajını oluşturmuş ve bu sürecin uygulanmasında bazı
kısıtlamaları gündeme getirmiştir. Geri çevrilen biyo-kütlenin arıtılmış sudan ayırılması ve havalandırma havuzunda
gerekli biyo-kütlenin sağlanabilmesi için yoğunlaştırılması gerekir. Bu işlemler havalandırma havuzundan sonra yer alan çökeltme havuzunda gerçekleştirilir. Çökeltme havuzunun iki ana işlevi vardır ; katı – sıvı ayırımını ve tabana çökelen katıların (biyo-kütle) yoğunlaştırılmasını sağlamak. Bu işlemler, ancak, aktif çamur olarak adlandırılan karışık
kültürlerin iyi çökelme özelliklerine sahip olması ile gerçekleşebilir.
Aktif çamur süreci 80 yıllık gelişiminin yanında günümüzde hala “evrim” geçirmektedir. Birçok bilim adamı ve araştırmacı süreç üzerinde çalışmalarda bulunmakta ve yeni fikirler üretmektedir. Genç bir tasarımcı her ne kadar geçmişte ortaya konan süreç bilgilerine sahip olsa da, günümüzde süreç tasarımı ve işletimi ile ilgili yeni gelişmelere tanık olmaktadır. Yıllar önce geliştirilen ve işletme sorunlarının çözülmesi ile ilgili olan yöntemler günümüz modern aktif çamur süreçlerinde de uygulanmaktadır. Özellikle “2.Dünya Savaşı” sırasında geliştirilen şişkin çamur sorununun nedenleri ve çözüm yöntemleri günümüzde hala kullanılmaktadır.
1.1. Sürekli ve Doldur – Boşalt İşletim Modları...
Gerek biyo-filtrelerden ve gerekse aktif çamur sürecinden ibaret olsun, İngiltere’deki ilk atıksu arıtma tesisleri genelde yarı-sürekli yada doldur – boşalt modlarda işletilmekteydi. Bu rejim, “dekantör” olarak işletilen ön çökeltme havuzlarının rejimi ile yürütülmekteydi. Ancak, daha sonraları sürekli işletim moduna geçildi. Doldur – boşalt modundan sürekli işletim moduna geçişi sağlayan unsur, aktif çamur tesislerinin arttırılan arıtma kapasiteleridir. Diğer bir etmen, doldur – boşalt reaktörlerinin bazı dezavantajlara sahip olmasıdır. Bunlar aşağıdaki gibi sıralanabilir :
(a) Çekilen debinin giriş debisinden daha yüksek olduğu durumlarda alıcı ortamların olumsuz bir şekilde etkilenmesi
(b) Çökeltme fazında tabandaki hava difüzörlerinin tıkanması
(c) Otomasyonun uygulanmadığı durumlarda yüksek iş gücü gerektirmesi
Aynı zamanda bu geçiş, aktif çamur süreçlerinde şişkin çamur sorununun ortaya çıkmasına neden olmuştur.
Spiral akıma sahip süreçlerin bazı avantajlara sahip olduğu iyi bilinmektedir. Çünkü ilk tesis edilen doldur – boşalt reaktörler, ideal piston akımlı reaktörleri simüle eden laboratuar ölçekli modeller bazında uygulanmaktaydı. Günümüzde uygulanan doldur – boşalt tipindeki reaktörler “sequencing batch reactors ( SBRs )”, Türkçe’ye uyarlanabilecek tanımı
ile, süreci işletimsel açıdan en iyi bir şekilde açıklayan ardışık kesikli beslemeli reaktörler olarak adlandırılmaktadır. SBR’lar genelde günde 1 veya 2 çevrime sahip olacak şekilde işletilmektedir. Her bir çevrim değişik zaman periyotlarına sahiptir. Bunlar aşağıdaki gibi özetlenebilir :
(a) Doldurma : Atıksu reaktör içerisine pompaj ile alınır. Doldurma sürecinde karışım uygulanabilir ( tabana çökelmiş
karışık sıvı havalandırma yapılmadan anaerobik veya anoksik koşullarda giren atıksu ile karıştırılır ) veya
uygulanmayabilir. Bazı uygulamalarda havalandırma işlemi de yapılmaktadır.
(b) Reaksiyon : Bu süreçte, doldurma işlemi sırasında başlatılan reaksiyonlar tamamlanır. Reaksiyon süreci, anoksik, anaerobik ve oksik alt – periyotlara bölünebilir.
(c) Çökeltme : SBR’ların en önemli avantajlarından birisi de, ayrı bir son çökeltme havuzu gerektirmeksizin, katı – sıvı ayırımının tüm reaktör içeriğinde gerçekleşmesidir.
(d) Duru su çekimi ( dekantasyon ) : Çökeltme işlemi sonunda üstte kalan arıtılmış su yüzeyde bulunan özel bir yüzer savak veya kademeli vanalar ile alınarak reaktörden uzaklaştırılır ve eğer gerekiyorsa kendinden sonra yer alan ileri arıtma ünitelerine iletilir.
(e) Fazla çamur uzaklaştırma : Bu süreç duru su çekimi ve doldurma periyotları arasında yer alır ve bazen çoklu reaktör düzenlemelerinde kullanılır. Bu periyotta fazla çamur tabandan alınarak sistemden uzaklaştırılır.
Evsel atıksuların arıtımında yaygın bir şekilde kullanılan SBR’lar, zirai atıksuların arıtımında da uygulama alanı bulmaktadır.Yapılan son çalışmalar SBR’ların, askıdaki biyokütlenin biyofilm ile birleştirilmesi sonucunda, BOİ5 ve
azotun yanında fosfor da giderebildiklerini göstermiştir.
Doldur – boşalt işletim modu oksidasyon hendeklerinde bile uygulama alanı bulmuştur. Hollanda’da yapılan araştırmalar sonucunda, oksidasyon hendeklerinin kesikli beslenmesi ile çamur hacim indeksinin ( SVI ) kontrol altında tutulabildiği saptanmıştır. Hollanda’da uygulanan bu işletim modu Danimarka’da modifiye edilmiş, oksidasyon hendeği içinde yaratılan faz izolasyonu ile hem azot hem de fosfor giderimi sağlanmıştır. Bu uygulamada iki yada ikiden fazla sayıda oksidasyon hendeği birlikte kullanılmış ve arıtılmış atıksu birbirleri arasında geri çevrilmiştir. İşletim fazları süresince, bakteriyel kültivasyon şartları ayrık oksidasyon hendeklerinde anoksik ve oksik bölgeler arasında alternatif özellik taşımıştır. Çökeltme işlemi ya bir oksidasyon hendeğinde yada bir son çökeltme havuzunda gerçekleştirilmiştir. “BIO – DENITRO” ve
“BIO - DENIPHO” sistemleri olarak bilinen izole edilmiş fazlı oksidasyon hendekleri İskandinavya ve Batı Avrupa
ülkelerinde yaygın bir şekilde uygulanmaktadır.
1.2. Havalandırma Sistemleri...
Aktif çamur tesislerinde doğru ve uygun havalandırma sistemi seçimi sorunu uzun zamandır yaşanmaktadır. Havalandırma
havuzuna gerekli oksijen transferini gerçekleştirmenin yanında enerji tüketimi de dikkate alınmalıdır. Difüze veya
mekanik havalandırma sistemleri arasında kıyaslama yapılmalı ve en uygun ve en ekonomik sistem seçilmelidir.
İlk inşa edilen aktif çamur süreçlerinde havalandırıcı fırçalar kullanılmaktaydı. Bununla birlikte, havalandırıcı
fırçaların henüz modası geçmiş değildir. Nitrifikasyon ve denitrifikasyonun aynı anda tek bir havuzda gerçekleştirilmesi
söz konusu olduğunda, karmaşık yapıya sahip havalandırıcı fırçalarla birlikte batık karıştırıcıların birlikte kullanılması oldukça iyi sonuç vermektedir. Havalandırıcı fırçalar; basitlikleri, güvenirlikleri ve sağlamlıkları ile günümüzde hala
ilgi odağı olmakta ve modern aktif çamur tesislerinde kullanılmaktadır.
Havalandırma türbinleri yüzeysel mekanik havalandırıcılara diğer bir örnek teşkil etmektedir. 1960’lı yıllarda ve 1970’li yılların başlarında bu tip havalandırıcılar altın çağlarını yaşamıştır. Havalandırma türbinlerinin kullanımına duyulan ilgi yeni bir aktif çamur sürecinin geliştirilmesine neden olmuştur. Bu süreç, günümüz literatüründe yerini “Carrousel” süreci olarak almıştır. Düşey şaftlı havalandırıcıların kullanıldığı oksidasyon hendeklerinin bir modifikasyonudur.
Aktif çamur sürecinin kullanım tarihinde basınçlandırılmış hava sistemleri de uygulama alanı bulmuştur. Bununla birlikte, aktif çamur sürecinin gelişim sürecinin ilk evrelerinde, difüze havalandırma sistemlerinin uygulanabilirliği aşağıda sıralanan nedenlerden dolayı kısıtlanmıştır ;
- Difüzörlerin tıkanması
- Kaba veya orta kabarcıklı havalandırma sistemlerinin düşük verime sahip olması
Günümüzde uygulanan ince kabarcıklı difüze havalandırma sistemlerinin oksijen transfer verimleri oldukça yüksek olup enerji tüketimleri de kabul edilebilir değerlerdedir. Birçok üretici firma arızalanmaya ve tıkanmaya karşı uzun süreli garantiler vermektedir. Difüze havalandırma sistemlerini savunanlar, mekanik yüzeysel havalandırıcıların enerji tüketimlerinin daha yüksek olduğunu ileri sürmektedirler. Bununla birlikte, bu sav, sadece, temiz su kullanılarak yapılan fabrika testleri için doğrudur. Havalandırma testleri gerçek atıksu ile yapıldığında, difüze ve mekanik yüzeysel havalandırıcılar arasındaki standart havalandırma verimleri arasındaki fark “dramatik” boyutlara ulaşmayacaktır. Bu, ALPHA katsayıları arasındaki büyük farktan kaynaklandığından ekonomik açıdan oldukça önemlidir. Bununla birlikte, ince kabarcıklı difüze havalandırma
sistemleri aşağıda sıralanan avantajlara sahiptir ;
(1) Difüze havalandırma sisteminin aktif çamur havuzunda yarattığı karışım, mekanik yüzeysel havalandırıcılara kıyasla daha “centilmence”dir. Havalandırma havuzundaki yumaklar, mekanik yüzeysel havalandırıcının türbin kanatlarının defalarca neden olduğu kesme kuvvetlerine maruz kalmaz. Bu kesme kuvvetleri sağlam ve kompakt yapıda olsalar bile, aktif çamur yumaklarını parçalar. Çökelemeyen mikro yumaklar mekanik yüzeysel havalandırıcının türbinindeki kanatların bu etkisi sonucu oluşur. Bu mikro yumaklar son çökeltme havuzunda çökelebilen iri yumaklarla bir araya gelemezse, ki bu son çökeltme havuzunun
tasarımına ve inşaatına son derece bağımlıdır, savaklardan kaçarak çıkış suyu kalitesini bozacaktır.
(2) Aktif çamur havalandırma havuzuna verilen basınçlandırılmış hava, kış mevsiminde havalandırma havuzunun sıcaklığını azaltmaz. Bu olgu özellikle nitrifikasyon gerçekleştiren aktif çamur süreçleri için oldukça önemlidir. Çünkü nitrifikasyon gerçekleştiren bakteriler sıcaklık salınımlarına oldukça duyarlıdır ve yavaş olan büyüme hızları nedeni ile uzun alıkonma sürelerine gereksinim duyarlar.
(3) Batık karıştırıcılar (“mixer”) ile birlikte kullanılan difüze havalandırma üniteleri havalandırma sistemini daha “elastik” kılar. Ayrıca, oksijen transfer veriminin artmasını sağlar. Bunun sonucunda enerji tüketimi önemli ölçüde azaltılabilir. Bu, sürekli çözünmüş oksijen konsantrasyonu veya yükseltgenme-indirgenme ölçümü yapılan, nitrifikasyon ve denitrifikasyonun aynı havuzda gerçekleştiği aktif çamur süreçleri için daha büyük bir önem taşır.
(4) İnce kabarcıklı difüze havalandırma sistemleri, alışılagelen difüze havalandırma sistemlerine ve mekanik yüzeysel havalandırıcılara kıyasla havaya daha az aeresol yaratmaktadır.
Saf oksijen veya oksijenle karıştırılmış havanın kullanımı, Avrupa ülkelerine kıyasla Amerika’da daha yaygındır. Örnek olarak, Amerika’daki en büyük atıksu arıtma tesislerinden biri olan Boston’daki “Deer Island” atıksu arıtma tesisinde
yüksek hızlı saf oksijenli havalandırma sisteminin kullanımı verilebilir. Bununla birlikte; mikrobiyolojik, biyokimyasal
ve kinetik açıdan, hava veya saf oksijen kullanımı arasında önemli bir fark yoktur. 1970’li yıllardaki inancın aksine, saf oksijenin kullanımı (çözünmüş oksijen konsantrasyonu 10 mg/L’den fazladır) tam karışımlı aktif çamur süreçlerinde şişkin çamur sorununu önleyememiştir.
1.3. Sürekli Akımlı Aktif Çamur Sistemlerinin Modifikasyonları...
Aktif çamur sürecinin uzun tarihi sürecince, birçok sürekli akıma sahip havalandırma havuzu modifikasyonları geliştirilmiştir. Bu modifikasyonların tamamı atıksu arıtımında kullanılmamıştır. Kendi gelişim zamanlarında popüler olan modifikasyonlar, arazi ölçekli küçük veya büyük arıtma tesislerinde sergiledikleri olumsuzluklar nedeni ile daha sonraki yıllarda uygulanmamaya başlamıştır. Örneğin, Prag merkezi atıksu arıtma tesisi, başlangıçta, kademeli havalandırma sistemine sahip “Gould” süreci olarak tasarımlanmıştır. 1950’li ve erken 1960’lı yıllarda, bu süreç mühendisler tarafından geleceği parlak bir süreç olarak görülmüştür. İşletim deneyimleri sonucunda bu sürecin (kademeli havalandırma) şişkin çamur sorununu yarattığı saptanmıştır. Bunun sonucunda, tesis piston akımlı sürece dönüştürülmüştür.
1.3.1. Hidrolik Rejim...
Sürekli akımlı aktif çamur süreçleri hidrolik rejim bazında iki gruba ayrılabilir ;
- Tam karışımlı aktif çamur süreçleri
- Piston akımlı aktif çamur süreçleri
Tam karışımlı aktif çamur süreçleri, girişten çıkışa kadar sahip oldukları substrat ve biyokütle konsantrasyonlarının homojenitesi ile karakterize edilir. Reaktördeki substrat konsantrasyonu çıkıştakine eşittir. Tam karışımlı aktif çamur süreci aşağıdaki Şekil 1’deki gibi şematize edilebilir.
Şekil 1. Tam karışımlı aktif çamur sürecinin şematik diyagramı
Tam karışımlı aktif çamur süreçleri, eski Sovyetler Birliği’nde ilk olarak, çok yüksek konsantrasyonlarda toksik etki gösteren fenol gibi biyolojik olarak ayrışabilir organik maddeler içeren oldukça kirli endüstriyel atıksuların arıtımında kullanılmaya başlamıştır. Geri çevrim çamuru havalandırma havuzunun başına çevrilir ve arıtılmış su ile temas ettirilmez. Bunun amacı havalandırma havuzundaki mikroorganizma konsantrasyonunu istenen değerde tutmaktır. McKinney adlı araştırmacıya göre, tam karışımlı aktif çamur süreçleri, mikrobiyolojik açıdan en iyi büyüme ve gelişim şartlarını sağlamaktadır. Diğer taraftan, kinetik ve metabolik “basınçlar” bu tür “rahat ve konforlu” şartlarda nispeten daha düşüktür. Tam karışımlı sistemlerdeki mikrobiyal topluluklar metabolik yetenekler açısından dar bir spektrum sergilerler ve genelde aşırı bir
şekilde büyüyen ipliksi bakteriler ile “mücadele” etmek zorunda kalırlar.
Piston akımlı reaktörlerin hidrolik rejimi, “geri-karışım (boylamsal karışım)” derecesine bağlı olarak ideal piston akıma yaklaşır. “Geri-karışım”ın boyutu havalandırma havuzunun inşasına yani fiziksel yapısına bağlıdır ve perdelerin uygulanması ile en aza indirgenebilir. Geri devrettirilen çamur arıtılmış su ile karıştırılır ve reaktöre alınır. (Şekil 2). Tam karışımlı süreçlerin aksine, aktif çamur mikroorganizmaları, ham atıksu ve arıtılmış çıkış suyu arasındaki substrat gradyanına sahip bir çevresel koşulda kultive edilirler. Mikrobiyolojistlerin korkularının tersine, bu tür bir kultivasyon şartları hassas ve kırılgan yapıya sahip olan nitrifikasyon bakterilerine bile zararlı değildir. Piston akımlı reaktörler aktif çamur mikroorganizmalarının metabolik yeteneklerini destekler ve karışık mikrobiyal toplumda seçici bir “baskı” uygular. Bu özelliklerinden dolayı, piston akımlı reaktörler nutrient giderimi sağlayan modern tesislerde yaygın uygulama alanı bulmaktadır.
Şekil 2. Piston akımlı aktif çamur sürecinin şematik diyagramı
1.3.2. Çamur Yaşı...
Aktif çamur süreçlerinin sınıflandırılmasında kullanılan diğer bir kriter de çamur yükü veya çamur yaşıdır. Çamur yaşı, biyokütlenin süreçte alıkonma süresi olarak da tanımlanabilir. Uzun havalandırmalı aktif çamur süreçleri 20 ila 25 günden daha büyük çamur yaşlarında işletilirler. Yüksek miktardaki çamura uygulanan organik substrat yükü oldukça düşük olduğundan mikroorganizmalar aerobik koşullarda iç solunum fazında yaşarlar ve kendilerini stabilize ederler. Bu nedenle, uzun havalandırmalı aktif çamur süreçleri genelde küçük atıksu arıtma tesislerinde tercih edilirler.
Birçok aktif çamur süreci, 5 ila 15 gün arasında değişen çamur yaşı değerlerinde işletilmektedir. Orta çamur yaşı
değerlerine sahip birçok süreç modifikasyonu geliştirilmiştir. Bunlara örnek olarak; azaltmalı havalandırmalı,
kademeli havalandırmalı ve modifiye havalandırmalı aktif çamur süreçleri verilebilir. Daha önceki yaklaşımlar sonucunda biyosorpsiyon veya temas-stabilizasyon süreci de bir aktif çamur modifikasyonu olarak günümüzde yerini almıştır. Bu süreç Şekil 3’te görüldüğü gibi 2 reaktörden ve bir çökeltme havuzundan ibarettir.
Şekil 3. Temas-stabilizasyon sürecinin şematik diyagramı
Temas tankındaki aktif çamur yumakları partiküler substratı absorbe eder. Aynı zamanda, ayrık hücreler halinde bulunan bakteriler çözünmüş substratı hızlı bir şekilde akümüle ederler. Yumaklar üzerinde absorbe edilmiş partiküler substrat hidrolize edilir. İçeride akümüle edilmiş substrat, rejeneratördeki depolanmış ürünler ile birlikte oksitlenir. Akümülasyon-rejenerasyon mekanizması ilk defa Teksas’daki Austin atıksu arıtma tesisinde uygulanmıştır. Eski Sovyetler Birliği’ndeki hemen hemen tüm aktif çamur süreçlerinde temas-stabilizasyon sistemi uygulanmıştır. Bu uygulama ile şişkin çamur sorunu ortadan kaldırılmıştır. Rejenerasyon zonunun katkısı, nutrient gideren sistemlerde bile bir çok sorunu çözmüştür. Almanya ve bazı Avrupa ülkelerinde iki kademeli aktif çamur süreçlerinin kullanımı oldukça yaygınlaşmıştır. Aslında bu süreç, Şekil 4’ten de görüleceği üzere iki ayrı biyolojik sistemden ibarettir.
Şekil 4. İki kademeli aktif çamur sürecinin şematik diyagramı
Eğer ilk kademede aşırı organik yük uygulanırsa, sistem AB süreci olarak tanımlanır. AB sürecinin en önemli olumlu yanı gerekli toplam reaksiyon hacmini azaltmasıdır. ABD’lerinde, 3 günden daha düşük çamur yaşına sahip yüksek hızlı aktif çamur süreçleri bazı durumlarda uygulama alanı bulmaktadır. Bunun gibi düşük çamur yaşları aktif çamur biyokütlesinin yapısına önemli ölçüde etkide bulunmaktadır. Pratik anlamda, tüm yavaş büyüyen mikroorganizmalar sistemden atılır. Yüksek hızlı süreçler sadece karbon giderimi sağlarlar. Bu şartlar altında azot ve fosfor giderimi kesinlikle garantilenemez. Bu tür tesislerin çıkış suları genelde derin deniz deşarjı ile alıcı ortama verilir. Bu tür bir tesise; California, Los
Angeles’teki Hyperion Atıksu Arıtma Tesisi örnek olarak verilebilir. Bu tesisin, alışılagelmiş işletim modunun, 1.5
günlük çamur yaşına sahip yüksek hızlı işletim moduna dönüştürülmesi ile, ipliksi bakteri olan Nocardia sp.’den kaynaklanan köpürme sorunu tamamen elimine edilmiştir. Bununla birlikte, bu işletim modunun uygulanması, tüm çevresinin denizlerle çevrili olması ve kıta içi kirli nehirlerinin fazla olması nedeni ile Avrupa’da pek uygulama alanı bulamamaktadır.
1.3.3. Aktif Çamur Sürecinin Düzenlenmesi ve Planlanması...
Sürekli akımlı aktif çamur süreçleri 100 yıldan fazla bir süredir uygulama alanı bulmaktadır. Alışılagelen aktif çamur
süreci iki ayrı üniteden ibarettir ; havalandırma havuzu ve onu takip eden son çökeltme havuzu. Bununla birlikte, havalandırma havuzunun içerisinde yer alan son çökeltme havuzlarının varlığı 1915’ten beri bilinmektedir. Bu tür
uygulamalar, atıksu debisinin düşük olduğu yerleşim birimlerinin atıksularının arıtılmasında kullanılan “paket” tesisler olarak tanımlanmaktadır. Bu tür “paket” tesislerin son çökeltme havuzları genelde istenen katı-sıvı ayırımını sağlayamazlar. Bunun nedeni genelde ; geometrisinden, hidrolik özelliklerinden, yumak oluşturma özelliklerinden ve çamur sıyırımındaki güçlüklerden kaynaklanır ve arıtma verimi çıkış suyundaki yüksek askıda maddeden dolayı oldukça azalır.
Alışılagelen aktif çamur süreci “koridor” şeklinde düzenlenen bir havalandırma havuzuna sahiptir. Piston akımlı koşullara mümkün mertebe yaklaşabilmek için perdeleme sistemi de uygulanmaktadır. Oksidasyon hendekleri ve Carrousel süreçleri de piston akıma yaklaşan hidrolik rejime sahiptir (Şekil 5 ve 6).
Şekil 5. Oksidasyon hendeği aktif çamur sürecinin şematik diyagramı
Şekil 6. Carrousel aktif çamur sürecinin şematik diyagramı
Aktif çamur süreçlerinin işgal ettiği araziden kazanım eğilimi ve havalandırma verimini arttırma çabaları ve böylelikle enerji tüketiminin azaltılmasına yönelik çalışmalar bazı “atipik” konstrüksiyonları gündeme getirmiştir. Bu tür bir derin şaftlı aktif çamur süreci bir İngiliz şirketi olan ICI tarafından 1970’li yıllarda geliştirilmiştir. Sistemin ana unsuru oldukça derin bir şafttan (100 m’den bile daha derin olan) ibarettir ve bu şafta eşmerkezli olarak diğer bir tüp monte edilmiştir. Karışık sıvı, aşağıya doğru bir akım yaratan merkezi tüp ve şaft ve tüp tarafından yaratılan halka arasında çevrilir. Halkadaki yukarı doğru akım hareketi basınçlandırılmış hava ile başlatılır. Hava difüzörleri merkezi tüpte, su yüzeyinden 20 ila 40 m aşağıda monte edilmiştir. Karışık sıvı çevrimine başladıktan sonra, halkadaki karışık sıvı ve hava difüzörleri üzerindeki merkezi tüp arasındaki yoğunluk farkı nedeni ile hareketine devam eder. Karışık sıvının şafttan degazifikasyon ve yumaklaşma bölgelerine doğru hareket etmesine rağmen, son çökeltme havuzu çıkış suyu askıda katı madde konsantrasyonu nispeten yüksektir. Aktif çamur yumakları, halka içerisinde yükselme hareketleri sırasında ince hava kabarcıkları tarafından parçalanırlar ve bunun sonucunda çökelemeyen mikro-yumaklar oluşur. Derin şaftlı aktif çamur süreçlerinin bir benzeri de “kule” aktif çamur sistemleridir. Adından da anlaşılacağı gibi, reaktörün içindeki
havalandırma 15 ila 20 m derinlikte gerçekleştirilir. Her iki sürecin de ortak olumsuz yanı sahip oldukları tam karışıma yaklaşan hidrolik rejimdir. Bu sistemler biyolojik nutrient giderimi amacı ile modifiye edilemezler.
1.4. Biyofilmli Aktif Çamur Süreçleri...
Aktif çamur sürecinin geliştirilmesinden sonra, havalandırma havuzu içerisinde yapılan bazı konstrüksiyonlar ile askıda ve yapışık büyüme süreçleri bir arada kultive edilmişlerdir. İlk uygulama oluklu asbest çimento plakalarının havalandırma havuzuna yerleştirilmesi ile gerçekleştirilmiştir. Daha sonraları, damlatmalı filtrelerde kullanılan modüler plastik dolgu ortamları kullanılmıştır. Biyofilmli aktif çamur süreçlerinin kullanımı 1980’li yıllarda başlamıştır. Bu süreçlerin, klasik aktif çamur süreçlerine kıyasla sahip oldukları olumlu yanları aşağıdaki gibi sıralanabilir :
- Daha kararlı bir verime sahip olmaları
- Aktif çamur yumaklarının daha yüksek çökelme verimine sahip olmaları
- Farklı alıkonma sürelerine sahip farklı iki biyolojik kütlenin nitrifikasyon gerçekleştirebilmeleri ve aşırı organik
yükü tolere edebilmeleri
- Sistemde bulunan biyofilmin eş zamanlı denitrifikasyon gerçekleştirebilmesi
Bu tür birleşik biyokütle kultivasyonu, teknolojik hatta uygulanan reaktör sayısına göre sınıflandırılabilir.
1.4.1. İki yada Daha Fazla Reaktör Uygulamaları...
En klasik ve alışılagelen uygulama aktif çamur sürecinden önce yer alan damlatmalı filtredir. Son çökeltme havuzu geri
devir çamuru havalandırma havuzuna iletilir. Eğer geri devir çamuru damlatmalı filtrenin en sonunda yer alan bir tanka gönderilirse süreç “aktifleştirilmiş biyofiltre (ABF)” olarak tanımlanmaktadır. ABF süreci birçok organik kirleticinin arıtılmasında başarı ile uygulanmaktadır. Süreçte yer alan aktif çamur sistemi suyun “cilalanmasını” sağlar ve aynı
zamanda nitrifikasyon da gerçekleştirebilir. Biyofiltrede kullanılan filtre dolgu ortamı, geri devir çamurunun
yaratabileceği tıkanmaya karşı dirençli olmalıdır. ABF sürecinin şematik akım diyagramı Şekil 7’de verilmiştir.
Şekil 7. ABF sürecinin şematik diyagramı
Aktif çamur süreci mevcut damlatmalı filtrelerin verimlerini arttırmak amacı ile de kullanılmaktadır. Bu tür bir
kombinasyon ABD’nde geliştirilmiş olup “damlatmalı filtre/katı temas” (TF/SC) süreci olarak tanımlanmaktadır. TF/SC
sürecinin üç değişik tipi Şekil 8’de sunulmuştur. Birinci akım şeması, mevcut bir damlatmalı filtrenin çıkış suyunun
yüksek konsantrasyonda çözünmüş BOİ5 içermesi durumunda uygulanır. İkinci akım şeması, son çökeltme havuzu çıkış suyunun oldukça bulanık olması durumunda, aktif çamur sürecinin bir “yumaklaştırıcı” olarak görev görmesi amacı ile uygulanır.
Üçüncü akım şeması ise, yukarıda sözü edilen her iki sorunun da giderilmesi amacı ile uygulanır.
Şekil 8. TF/SC sürecinin üç değişik şematik diyagramı
1.4.2. Tek Reaktör Uygulamaları...
Batık damlatmalı filtre dolgu ortamlarının kullanıldığı Alman aktif çamur süreçleri tek reaktör uygulamasına bir örnektir. Diğer bir örnek, biyodiskler ile kombinasyon oluşturan aktif çamur süreçleridir. Bu kombinasyon ilk defa 1970’li yıllarda Philadelphia’da uygulanmıştır. Geleceği en parlak ve aynı zamanda en ilginç kombinasyon belki de küçük poroz küplerden (örneğin poliüretan) ibaret bir biyofilm taşıyıcısına sahip aktif çamur sürecidir. Biyofilm taşıyıcısının poroz matrisinde çok yüksek miktarda biyokütle birikir ve bunun sonucunda normal bir aktif çamur sürecindeki mikroorganizma
konsantrasyonundan çok daha fazla MLSS elde edilir. Artan katı miktarı çökeltme havuzunda aşırı katı yükleme hızı
yaratmaz çünkü ekstra biyokütle köpük partikülleri tarafından tutulur. Bu sistem, aşırı organik yüke maruz kalmış
aktif çamur süreçlerinin iyileştirilmesinde başarı ile kullanılabilmektedir.
1.5. Nutrient Gideren Aktif Çamur Süreçleri...
Aktif çamur süreçlerinin tarihindeki en son bölüm atıksudan nutrient giderimidir. İngiltere’deki eski tasarım kriterleri
azot giderimini zorunlu kılmış, ancak değişik nedenlerden dolayı azot giderimi gerçekleştirilememiş, azot sadece okside olmuş bir forma dönüştürülebilmiştir. Alıcı ortamlardaki aşırı beslenme (ötrofikasyon) sorunu ile uğraşılırken, hem amonyak hem de nitratın alg büyümesini hızlandırdığı saptanmıştır. Aktif çamur sürecinin geliştirildiği ilk yıllarda, sentetik deterjanların yaygın bir şekilde kullanıldığı 1960’larda ve 1970’lerde fosfor dramatik bir sorun yaratmamıştır.
Bu bölümde; BOİ, N ve P giderimi sağlayan tek kademeli aktif çamur süreçlerine ağırlık verilecektir. İki ve üç kademeli
aktif çamur süreçleri sanki bir “çıkmaz sokak” gibidir. Azot giderimine yönelik tesis edilen ilk aktif çamur sürecinin
akım şeması Şekil 9’da verilmiştir. Sistem, farklı kultivasyon şartlarına sahip iki ayrı reaktörden ibarettir (Wuhrman Süreci).
Şekil 9. Wuhrman Süreci’nin şematik diyagramı
Birinci havalandırmalı reaktörde organik maddeler ve amonyak okside edilir. Nitrifiye edilmiş çıkış suyu havalandırılmayan anoksik reaktöre alınır ve burada nitrifikasyon sonucu oluşan nitrat azot gazına indirgenir. Bu süreç denitrifikasyon olarak adlandırılmaktadır. Denitrifikasyon hızı, harici biyolojik olarak ayrışabilir karbon kaynağının eksikliğinden dolayı oldukça yavaştır. Denitrifikasyon hızını arttırmak için azot içermeyen bir karbon kaynağı, örneğin metanol ilave edilir. Bu sistemler, anoksik reaktörün organik substrat gerektirmesi nedeni ile “post-denitrifikasyon” sistemleri olarak tanımlanmaktadır. 1960’lı yılların başında, ham atıksuyun bünyesindeki organik karbonun denitrifikasyon için uygun olup olmadığı tartışılmaya başlanmış ve yeni bir konfigürasyon geliştirilmiştir (Şekil 10). Bu sistemde anoksik bölge havalandırılan oksik bölgeden önce yer almaktadır. Fiziksel arıtımdan geçirilmiş atıksu anoksik bölgeye verilirken, geri devir çamuru oksik bölgeye iletilir. Oksik bölgede gerçekleşen nitrifikasyon sonucu oluşan nitrat dahili çevrim ile anoksik bölgeye iletilir. Bu dahili çevrimler bölgeleri ayıran perdedeki savak ve perde ve tank tabanı arasındaki boşluk sayesinde gerçekleşir. Diğer bir konfigürasyon Şekil 11’de verilmiştir.
Şekil 10. Ludzack-Ettinger Süreci’nin şematik diyagramı
Şekil 11. “Pre-denitrifikasyon” sürecinin şematik diyagramı
1977’de Vienna-Blumental atıksu arıtma tesisinde eş zamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyon uygulamasına geçilmiştir.
Bu uygulamada, her iki süreç de perdeler ile fiziksel olarak bölgelere ayrılmayan bir reaktörde gerçekleşir (Şekil 12). Başarılı bir denitrifikasyon için gerekli olan anoksik şartlar, aktif çamur mikroorganizmalarının iç solunum aktivitesi
ile anlık olarak sağlanır. Reaktörün bu bölgesinde uygulanan havalandırma özellikle yetersiz düzeydedir. Ancak, yumakları askıda tutmak için gerekli karışım dalgıç karıştırıcılar ile sağlanır. Eş zamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyon, yüzeysel havalandırıcılar ile, oksidasyon hendeklerinde veya Carrousel gibi sistemlerde, uzun “koridor”lar ile gerçekleştirilebilir. Eş zamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyon teriminin daha uygun olan farklı bir anlam taşıdığı unutulmamalıdır. Eş zamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyon aktif çamur yumaklarının mikro-seviyelerinde oluşur. Nitrifikasyon oksik olan üst tabakada gerçekleşirken, denitrifikasyon ise yumağın merkezinde oluşur.
Şekil 12. Eş zamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyon gerçekleştiren aktif çamur süreci
Aktif çamur süreçlerinde biyolojik fosfor giderimi, fosforun önemli bir kısmının yeni sentezlenmiş biyokütlenin içerisine alındığında gerçekleştiği 1940’lı ve 1950’li yıllarda saptanmıştır. 1965’te, Levin ve Shapiro adlı araştırıcılar aktif çamurun, hücre büyümesi için gerek duyduğu fosfordan daha fazla miktarda fosfor giderebilme yeteneğine sahip olduklarını belirtmişlerdir. Bu olguyu “lüks alım (luxury uptake)” olarak tanımlamışlardır. Günümüzde ise yaygın olarak kullanılan “arttırılmış biyolojik fosfor giderimi (enhanced biological phosphorus removal)” terimi geçerlidir. Levin araştırmaları sonucunda “PhoStrip” sürecini geliştirmiştir. Bu süreçte, fosfor aktif çamurda biyolojik olarak birikir. Aşırı miktarda biriken fosfor anaerobik şartlarda geri devir çamurundan uzaklaştırılır ve kireç ile çökeltilir (Şekil 13).
Şekil 13. “PhoStrip” Süreci’nin şematik diyagramı
“PhoStrip” süreci ilk kez Texas San Antonia atıksu arıtma tesisinde uygulanmıştır. Halihazırda ABD dışında birçok ülkede uygulama alanı bulmaktadır.
“Lüks alım” olgusunun doğası ve yapısı 1960’lı yıllarda oldukça yoğun bir şekilde tartışılmıştır. Bazı araştırmacılar biyolojik mekanizma fikrine karşı çıkmışlar ve aktif çamurdaki % 2’den daha fazla fosfor içeriğinin kimyasal çökeltmeye katkıda bulunduğunu ileri sürmüşlerdir. Daha sonra yapılan araştırmalar bu olgunun biyolojik doğası ve yapısını doğrulamıştır. 1975’de yapılan çalışmalar sonucunda, arttırılmış biyolojik fosfor giderimini sağlayan mikroorganizmanın Acinetobacter sp. olduğu saptanmıştır.
Hem azot hem de fosfor giderimi sağlayan aktif çamur sürecinin yeni bir modifikasyonu Güney Afrika’da yapılan çalışmalar sonucunda geliştirilmiştir. Bu süreç 2 anoksik ve 2 oksik bölgeden ibaret olup “Bardenpho” süreci olarak bilinmektedir
(Şekil 14).
Şekil 14. “Bardenpho” Süreci’nin şematik diyagramı
Uzun süreli laboratuar ve pilot ölçekli tesis çalışmaları sonucunda bu sürecin azot yanında fosforu da başarılı bir
şekilde giderdiğini kanıtlamıştır. Fosfor giderimi “Bardenpho” sürecinin önüne anaerobik bir reaktörün ilave edilmesi
ile daha yüksek bir düzeye ulaştırılmıştır. Bu süreç “Phoredox” olarak adlandırılmaktadır (Şekil 15).
Şekil 15. “Phoredox” Süreci’nin şematik diyagramı
1.6. Son Çökeltme Havuzları...
Öncelikle, aktif çamur sürecinin kontrolünün son çökeltme havuzu ile sağlandığını belirtmekte yarar vardır. Son çökeltme havuzlarında oluşan süreçlerin anlaşılması ve tasarım yöntemlerinin geliştirilmesi uzun yıllar almıştır. Günümüze kadar, atıksu arıtma tesisi tasarımcıları ve işletmecileri, minimum debide son çökeltme havuzu çıkış suyunda 20 mg/L’lik askıda
katı madde konsantrasyonu elde ettiklerinde oldukça memnun oluyorlardı. Bu değer uzun süreli ortalama bazında 30 mg/L idi.
Bu düşünce zamanla yerini 30 / 30 veya 30 / 20’ye bırakmıştır. Özel koruma alanları için bu çıkış suyu değerleri daha düşüktür.
Son çökeltme havuzlarının çıkış suyunda biyokütle konsantrasyonlarının önemli ölçüde azalmasının nedenleri aşağıdaki gibi sıralanabilir ;
(a) Modern aktif çamur süreci modifikasyonları sıvı fazda oldukça düşük kirletici konsantrasyonları (örneğin filtrelenmiş numunelerde) verir. Filtrelenmiş numunelerde BOİ5 konsantrasyonu 5 mg/L iken amonyak azotu ve toplam fosfor 1 mg/L’den daha düşüktür. İyi olmayan biyokütle ayırımı nedeni ile tesis çıkış suyu kalitesini düşürmek elbette mantıklı değildir.
(b) Son çökeltme havuzundan kaçan biyokütle alıcı ortamı önemli derecede kirletir. Çamur yaşına bağlı olarak, çıkış
suyundaki 20 mg/L’lik bir askıda katı madde konsantrasyonu; 10 ila 15 mg/L’lik BOİ5 konsantrasyonu, 1.5-2.0 mg/L’lik
organik azot ve 2.0 mg/L’ye kadar toplam fosfor (biyolojik fosfor giderimi söz konusu ise) konsantrasyonu sergiler.
(c) Ağır metaller ve bazı toksik organik bileşikler (örneğin organik halojenler) biyokütlede birikirler. Bunların sıvı fazdaki konsantrasyonları oldukça yüksek olabilir.
(d) Son çökeltme havuzu çıkış suyundaki askıda katı maddeler, geri yıkama sıklığını arttırdığı için üçüncül arıtım sistemi olan hızlı kum filtrelerinin kapasitelerini düşürür.
Yukarıda sözü edilen tüm nedenler için, son çökeltme havuzu çıkış suyundaki askıda katı madde konsantrasyonu mümkün mertebe düşük olmalıdır. Çökeltme havuzlarının tasarımı ve geliştirilmesi uzun yıllar boyunca inşaat mühendisliği yaklaşımı ile yürütülmüştür. Mühendisler çökelme olgusuna sadece hidrolik açısından yaklaşmışlar, biyokütlenin özelliklerini ve katı-sıvı ayırımındaki davranışlarını ihmal etmişlerdir. Günümüzde, aktif çamurun çökelme ve yoğunlaşma özellikleri dikkate alınmaktadır. Çıkış suyunda 10 mg/L’lik askıda katı madde konsantrasyonu sağlayabilmek için yeni konseptler geliştirilmekte ve çok karmaşık tasarım ve inşaat yöntemleri üzerinde çalışılmaktadır.
1.6.1. Son Çökeltme Havuzlarının İnşaatı...
Günümüzde genelde iki tip son çökeltme havuzu uygulanmaktadır ; dairesel ve dikdörtgen. Yıllar boyunca hangisinin kullanılması gerektiği birçok görüşün ortaya atılmasına neden olmuş ve yoğun tartışmalara yol açmıştır. Birçok firma,
inşaat basitliği nedeni ile dikdörtgen planlı son çökeltme havuzlarını tercih etmektedir. Bazıları ise, çökeltme ve yoğunlaştırma özelliklerinin daha üstün olduğunu ileri sürerek dairesel planlı çökeltme havuzlarını uygulamaktadır.
Gerçekte, hem dikdörtgen hem de dairesel planlı son çökeltme havuzlarından mükemmel bir çıkış suyu kalitesi elde edilebilir. Modern tesislerden elde edilen deneyimler, çıkış suyu kalitesinin şekilden çok tasarıma bağlı olduğunu ispatlamıştır.
Başlangıçta, son çökeltme havuzları genelde 2.50 m’lik bir ortalama ile sığ olarak tasarımlanmaktaydı. Bu tür havuzlar hidrolik ve katı yükleme hızında oluşan pik değişimlere oldukça hassastı, çünkü çamur örtü seviyesi çıkış savaklarına
oldukça yakındı. Günümüzde yan duvar yüksekliği 5 ila 6 m arasında değişen son çökeltme havuzları kullanılmaktadır. Böylelikle, aşağıya çekilen çamur örtü seviyesinin hidrolik ve katı yükleme hızında oluşabilecek pik değişimlerden etkilenmemesi sağlanmıştır. Aktif çamur karışık sıvısı havalandırma havuzundan son çökeltme havuzuna oldukça türbülanslı
ve çok iyi havalandırılmış koşullarda girer. Bu nedenle, son çökeltme havuzu gaz uzaklaştırımını ve yumaklaştırımını
sağlamak için yeterli zaman sağlayabilmelidir. Böylelikle, kaçan gaz kabarcıkları çökelmeyi etkilemez ve çökelemeyen mikro-yumak miktarı en aza indirgenir. Modern çökeltme havuzu tasarımı tankta bir yumaklaşma bölgesinin oluşturulmasını dikkate alır.Yumaklaşma bölgesi hidrolik olarak karıştırılır ve buna havuza giren karışık sıvının enerjisi yada dönen pedalların mekanik etkisi neden olur. Büyük çökeltme havuzları, havuza giren karışık sıvının sahip olduğu enerjiden kaynaklanan yoğunluk akımlarına maruz kalırlar. Akım, dikdörtgen planlı havuzun sonuna veya dairesel planlı havuzun çevre duvarına ulaştığında, çamur örtü seviyesi çıkış savaklarına yukarıya doğru hareket eder. Olası büyük miktarda aktif çamur yumak kaçmasını önlemek için, çıkış savakları çevre boyunca yerleştirilmemeli, çevre duvarından belirli bir mesafede monte edilmelidir. Amerikan uygulamalarında çıkış savakları için duvardan uzaklıkları tank çapının % 60 ila 80’idir. Dikdörtgen planlı havuzlarda yoğunluk akımları dalgıç perdelerin inşası ile elimine edilebilir. Uzun havuzlar yoğunluk akımlarından
çok daha az etkilenirler.
Çökeltme havuzlarının inşaatlarında gerçekleştirilen son gelişmeler, çökelmiş ve yoğunlaşmış aktif çamurun çekiminde de etkili olmuştur. Uzun bir süre, yoğunlaşmış aktif çamurun mekanik olarak sıyırılabileceği yönünde kalıcı düşüncelere sahip olarak geçmiştir. Bu hayati hata özellikle dikdörtgen planlı yatay akımlı tabanı yatay olan ve belirli bir eğime sahip olmayan çökeltme havuzlarında sorun yaratmıştır. Sorun, çözeltideki inert maddelerden farklı davranış gösteren biyolojik çözeltide yatmaktaydı. Yoğunlaşmış aktif çamur tabakası periyodik olarak sıyırılmadığı zaman, aktif çamur akım özelliğini kaybetmektedir. Yoğun aktif çamurun verimli bir şekilde çekilebilmesi için iki yargıya varılabilir ;
(a) Havuz tabanı, çökelen çamurun sıyırılabilmesi için belirli bir eğime sahip olmalıdır. Büyük çaplı dairesel planlı çökeltme havuzlarında çift eğimli taban önerilmektedir. Çamurun yoğunlaştığı, daha sıkışmış bir hale geldiği havuzun merkezinde daha yüksek bir taban eğimi uygulanmalıdır.
(b) Tabandaki sıyırıcı tüm yoğun çamur bölgesinde hareket edebilmelidir. Yani, sıyırıcıların ağırlığı, merkezde daha ağır, kenarlara gittikçe daha hafif bir yapıda olmalıdır.
1.6.2. Son Çökeltme Havuzu İle İlgili Teorilerdeki Gelişmeler...
Aktif çamurun çökelmesi ve yoğunlaşması ile ilgili teorik görüşler, çökeltme havuzundaki kütle akısına dayandırılmıştır. Kütle akısı, birim zamanda birim alandan geçen katı kütlesi olarak tanımlanır. Örneğin, çökeltme havuzunun birim en kesit alanından geçen ve kg/m2.saat olarak tanımlanan değer. Kütle akısı ile aktif çamur konsantrasyonu arasında bir ilişki kurulduğunda, kütle akısı eğrisi elde edilebilir. Geri çevrimin uygulandığı sürekli akımlı aktif çamur süreçlerinde, son çökeltme havuzundaki toplam kütle akısı iki bileşene sahiptir ;
(a) Yerçekimi etkisinden kaynaklanan çökelme nedeni ile oluşan kütle akısı
(b) Tabandan sürekli olarak çekimden kaynaklanan kütle akısı
Yerçekimi etkisinden kaynaklanan çökelme nedeni ile oluşan kütle akısı, değişik çamur konsantrasyonlarında, bölgesel
çökelme hızlarının ölçülmesi ile deneysel olarak saptanabilir. Bu ölçüm birçok faktörlere (örneğin deneyde kullanılan deneysel silindirlerin geometrisi, karışım, çamura uygulanan işlemler) bağlı olduğundan, deneysel verilerin istatistiki
uyum göstermesi ve bu verilerin değişik deney setlerinden elde edilen veriler ile kıyaslanması bazen oldukça zor olabilir. Bununla birlikte, elde edilen güvenilir veriler kütle akısı teorisine uyum göstermeyebilir. Çünkü, gerçek bir çökeltme havuzundaki şartlar laboratuar şartlarından oldukça farklıdır.
- Geri devir hattı çamur konsantrasyonu kestirilemez
- Son çökeltme havuzu çıkış suyundaki askıda katı madde konsantrasyonu, oldukça aşırı yüklü çökeltme havuzlarında kabaca tahmin edilebilir
- Çamur örtü seviyesinin yüksekliği hesaplanamaz
- Çökelme ve yoğunlaştırma açısından etkin olmayan, sadece yumaklaştırma görevi gören giriş kuyusunun en kesit alanı hesaplamalarda kullanılabilmektedir
- Çamur çekiminden kaynaklanan katı akısı çökeltme havuzunun tüm en kesit alanı veya tüm yüzey alanı ile ilgilidir
Son çökeltme havuzlarının modellenmesinde kullanılan mevcut eğilimler çok bölgeli dinamik modellere dayanmaktadır. Bu tür dinamik modeller son çökeltme havuzunu farklı tabakalara böler. Kütle dengesi her bir tabakada ayrı ayrı uygulanır ve daha sonra tüm havuza entegre edilir. Modeller; yumaklaşmayı, yatay ve düşey karışımı ve tabandaki yoğun çamur uzaklaştırımını dikkate alır. Bir aktif çamurun çökelme özellikleri çamur hacim indeksi bazında modelde yer alır. Model çıkış suyundaki ve geri devir hattındaki askıda katı madde konsantrasyonları hakkında basit bilgi edinilmesini sağlar. Ayrıca, çökeltme havuzundaki çamur örtü seviyesinin davranışı hakkında bilgi verir. Modellerin geliştirilmesi ve kalibre edilmesi zorunluluğuna rağmen, ki bu işlemler gerçek işletme verilerinin eksikliğinden dolayı oldukça zordur, planlama ve tasarım açısından oldukça iyi sonuç vermektedirler.
2. Şişkin Çamur ve Köpük Kontrolünün Tarihçesi ve Gelişimi...
Aktif çamurun zayıf çökelme özellikleri tesis tasarımcılarını ve işletmecilerini daima tehdit etmektedir. Ancak bu sorunun büyümesi, günümüzdeki modern tesislerde olduğu gibi, ilk inşa edilen aktif çamur süreçlerinde de dramatik sonuçlar yaratmamıştır. Bu paradoks bu tesislerin doldur-boşalt işletim modunda çalıştırılması ile açıklanmıştır. Şişkin çamura neden olan unsur aşırı ipliksi bakteri büyümesidir. Bu sorunun ortaya çıktığı yıllarda, aktif çamurdaki ipliksi bakteriler sphaerotilus ve aktif çamur mantarı olarak adlandırılmıştır. Günümüzde bunların tanımlanmasında mikrobiyolojinin büyük önemi vardır. 1950 ve 1980’li yıllarda yapılan mikrobiyolojik çalışmalar 30 kadar ipliksi bakterinin şişkin çamur sorununa neden olduğu saptanmıştır. Bununla birlikte, 1950’li yıllardan beri ipliksi bakteri kökenli olmayan şişkin çamur sorunu da bilinmekteydi. Ancak, hala günümüzde de ipliksi bakteri kökenli olmayan şişkin çamur sorununun nedenleri tam olarak anlaşılamamıştır. Bu sorun çok değişik şekillerde tanımlanmaktadır; örneğin ipliksi olmayan, mantar kökenli olan, hidroz yapıda olan, viskoz şişkin yapıya sahip olan, jelimsi yapıda olan gibi. Bu nedenle, oluşan çökelme sorunları sadece aşırı ipliksi bakteri büyümesi ile bağdaştırılamaz.
2.1. Şişkin Çamur Kontrolü ve Reaktör Konfigürasyonu...
Havalandırma havuzu konfigürasyonu ile aktif çamurun çökelme özellikleri arasındaki ilişki uzun yıllar önce belirlenmiştir. 1930’lu yıllarda, aktif çamur reaktörünün kompartmanlara ayrılmasının şişkin çamurun oluşumunu engellediği saptanmıştır. Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda, substrat gradyanının ipliksi bakteri büyümesine engel olduğu belirlenmiştir. 1965’te Hollanda’daki bir oksidasyon hendeği üzerinde yapılan çalışmalar sonucunda, sürekli beslemeli modan kesikli beslemeli moda geçişin, Sphaerotilus sp.’den kaynaklanan şişkin çamur nedeni ile yükselen çamur hacim indeksini önemli ölçüde azalttığı gözlenmiştir. Aynı yükleme hızına sahip doldur-boşalt süreci ve sürekli akımlı tam karışımlı aktif çamur süreci üzerinde yapılan çalışmalar sonucunda, doldur-boşalt şeklinde işletilen aktif çamur sürecinde çamur hacim indeksi “sludge volume
index (SVI)” 70 mL/g’dan daha düşük iken, sürekli akımlı tam karışımlı aktif çamur sürecinin SVI değeri 280 mL/g’daha büyük olarak ölçülmüştür. Bu, sürekli akımlı tam karışımlı aktif çamur süreçlerinin ipliksi kökenli şişkin çamura daha sık maruz kaldıklarının bir göstergesidir.
1972’de Prag’da kompartmanlara ayrılmış bir aktif çamur süreci geliştirilmiştir. Reaktörün ilk kompartmanına atıksu
girerken, geri çevrim çamuru da aynı kompartmana verilmiştir. İlk kompartman daha sonraları “seçici” olarak
adlandırılmıştır. Seçici, “ön-karışım bölgesi” veya “ilk temas bölgesi” olarak da tanımlanabilir. Seçicinin görevi,
özetle, küçük bir hacim içerisinde yaratılan yüksek substrat gradyanı ile ipliksilerin üremelerini önlemek şeklinde açıklanabilir. Yüksek substrat gradyanında, normal bakterilerin üreme hızları ipliksi bakterilere kıyasla çok daha
yüksektir.
2.2. Şişkin Çamurun Değişik Kultivasyon Şartlarında Kontrolü...
Aktif çamur oksik veya anoksik ve/veya anaerobik şartlarda kultive edilebilir. 1970’li yıllara kadar tasarımlanan aktif
çamur süreçleri, tasarımcıların anaerobik şartlardan korktukları için sürekli olarak tamamen oksik şartlara sahip olmuşlardır. Mühendislerin genel inanışı, aktif çamur süreçlerinin, sadece havalandırma havuzunda değil, aynı zamanda son çökeltme havuzunda da oksik şartlara sahip olması yönündedir. Çünkü, aksi halde, sürecin atıksu arıtma kapasitesini kaybedeceğini ileri sürmektedirler.
1950’li yılların başında aktif çamur süreçlerinde hem anaerobik hem de oksik kultivasyon şartları geliştirilmiştir. Bu birleşik şartlardaki kultivasyonun, tamamen oksik şartlara sahip süreçler ile kıyaslandığında, aktif çamurun çökelme özelliklerini iyileştirdiği saptanmıştır. Geri devir çamurunun anaerobik şartlarda tutulması, çamurun kalitesini bozmadığı gibi çamurun çökelme özelliklerini de arttırmıştır. Yapılan bazı çalışmalar sonucunda, anaerobik kultivasyon şartlarının
bazı ipliksi bakterilerin üremelerini de önlediği saptanmıştır. Bu olgu “metabolik seçim” olarak tanımlanmıştır.
Anoksik şartların olumlu etkisi (örneğin, oksik solunum yerine denitrifikasyonun oluştuğu şartlarda) 1970’li yıllarda Hollanda’daki oksidasyon hendeklerinde gözlenmiştir. Yüksek konsantrasyonda nitrat içeren geri devir çamuru, havalandırma havuzunun önünde yer alan ve havalandırılmayan bir tankta arıtılacak ham atıksu ile karıştırılmıştır. Anoksik ön-karışım bölgesinin SVI üzerine olan pozitif etkisi, yerel pH artmasından kaynaklanan yumaklardaki fosfor içeriğinin zenginleştirilmesi şeklinde açıklanmıştır. Havalandırma havuzunun önünde yer alacak bir anoksik ön-denitrifikasyon bölgesinin/tankının oluşturulması ipliksi bakterilerden kaynaklanan şişkin çamurun kontrolünde oldukça etkili olduğu saptanmıştır. İpliksi bakterilerin büyümelerinin bastırılması süreçteki boyuna karışımın azaltılması ile açıklanmıştır.
2.3. Şişkin Çamurun Özgün Olmayan Yöntemlerle Kontrolü...
Şişkin çamurun kontrolünde kullanılan özgün olmayan yöntemler, ipliksi bakterilerin nasıl büyüdüğü üzerinde durmaz.
Bu yöntemler sadece aktif çamurdaki mevcut ipliksi bakterilerin neden olduğu sorunları giderir. Bazısı “doğal”dır ve tesislerde kendi kendine görev görür. Bazısı ise, aktif çamur süreçlerinde nispeten dramatik olgular sergiler.
Şişkin çamurun kontrolünde kullanılan belki de en eski doğal yöntem aktif çamurun ağırlığını arttırmaktır (örneğin, yumakların özgül ağırlığında bir artış yaratmak). Böylelikle yumakların çökelme hızı artar. Bu olay, fiziksel arıtımı
olmayan aktif çamur süreçlerinde daha sık olur. Örnek olarak, Viyana-Blumental atıksu arıtma tesisi verilebilir.
Microthrix parvicella, Nostocoida limicola ve Tip-021N adlı ipliksi mikroorganizmalardan kaynaklanmış şişkin çamur
durumunda SVI değeri 100 mL/g’dan daha düşük olarak ölçülmüştür. İşlenmiş şeker pancarından kaynaklanan katı tanecikleri, Sphaerotilus natans’dan kaynaklanmış şişkin çamur koşullarına rağmen, 30 ila 40 mL/g arasında değişen SVI değerleri vermiştir. Koagülant ilavesi ile yumakların çökelme hızlarını arttırmak da oldukça yaygın bir uygulamadır.
Viyana-Simmering atıksu arıtma tesisi uzun yıllar boyunca sürekli demir sülfat (Fe olarak 7 g/m3) dozlaması
ile işletilmiş ve yüksek miktarda ipliksi bakteri bulunmasına rağmen, 120 ila 150 mL/g’den daha küçük SVI
değerlerinin elde edilebilmesini sağlamıştır. Alman uygulamalarına göre, şişkin çamur durumunda, SVI değerlerinde
başarılı bir düşüş sağlayacak, en az 10 gün süre ile sisteme verilmesi gereken optimum Fe dozu 35 g/m3’tür.
Aktif çamur yumaklarının dışına çıkmış ipliksi bakterilerin elimine edilmesinde kullanılan diğer bir yöntem de toksik
madde uygulamasıdır. İpliksi bakteriler, yumağın içinde bulunan “iyi huylu” bakterilere kıyasla, çok yüksek etkin toksik madde konsantrasyonlarına maruz kalır. Genelde en yaygın kullanılan toksik madde klordur. Şişkin çamur durumunda klor uygulanmasını savunanlar, klorun uygun (örneğin, uygun bir dozda, uygun bir yerde ve uygun bir süre ile) bir şekilde kullanılması durumunda, oluşacak aşırı klorlu organik bileşikler açısından herhangi bir tehlikenin olmadığı düşüncesine sahiptirler. Klor uygulaması genelde ABD’nde yaygın olup, diğer ülkeler klor uygulamasından “korkmaktadırlar”. Avrupa’da
klor acil durumlarda kullanılmaktadır. Klorlu hidrokarbonların oluşumu, klor yerine hidrojen peroksit veya ozonun kullanılması ile önlenebilir. Literatüre göre, hidrojen peroksit yaygın uygulama alanı bulmazken, ozon bir çok ülkede
yaygın bir şekilde başarıyla kullanılmaktadır. Ozon, ipliksi kökenli olmayan şişkin çamur sorununu ortadan kaldırmak
amacı ile de kullanılmıştır.
2.4. Biyolojik Köpürme...
Genel mikrobiyolojide bazı mikroorganizmaların yüzme ve köpük oluşturma eğilimlerine sahip oldukları oldukça iyi bilinmektedir. Bu işletme sorunu ilk kez 1969 yılında ABD’nde Milwaukee’deki doğu “Jones Island” atıksu arıtma tesisinde yaşandığından, sorun “Milwaukee gizemi” olarak adlandırılmıştır. Biyolojik köpürme, tüm nedenlerin tamamen açıklanamaması
ve gerçekçi kontrol yöntemlerinin geliştirilememesi nedeni ile geçtiğimiz yıllara kadar gizemini korumuştur.
Nocardia sp., Microthrix parvicella ve diğer köpük oluşturucu ipliksi mikroorganizmalar tarafından oluşturulan biyolojik köpük birçok araştırmacı ve işletmecinin “başını ağartmıştır”. Biyolojik köpürme genelde değişik kultivasyon şartlarına (örneğin, anaerobik, anoksik, oksik) sahip nutrient giderimi sağlayan aktif çamur süreçlerinde rapor edilmiştir. Bununla birlikte, alışılagelen oksik aktif çamur süreçlerinde de sık sık yaşanmaktadır.
1988 yılında California Üniversitesi’nin yaptığı bir anketin sonuçlarına göre, köpürmeye % 66 oranında nocardia tiplerinin neden olduğu belirlenmiştir. Birçok durumda köpürmeye ipliksi bakteriler olan Microthrix parvicella ve Tip 0041 neden olmaktadır. Geçmişte olduğu gibi günümüzde de köpürme sorununa karşı etkin bir çözüm ve kontrol yöntemi geliştirilememiştir. Bir aktif çamur sürecinde biyolojik köpürme sorunu varsa, çamur geri çevrimi yapılmamalıdır.
2.5. Şişkin Çamur ve Köpürme Sorunlarına Teorik Yaklaşım...
Günümüze kadar, şişkin çamur ve köpürme sorunları amprik bazda gideriliyordu ve elde edilen bilgiler dene-yanıl
çalışmalarına dayanmaktaydı. Bu olgu, şişkin çamur ve köpürmenin kontrolü için, aktif çamur süreçlerinin tasarımının
bir bilimsel prosedürden ziyade bir “sanat” olduğu gerçeğini açıklayabiliyordu.
1985’te Chudoba adlı bir araştırmacı “iyi huylu” mikroorganizmaların kinetik seçimi ile ilgili çalışmalar yapmış ve
substrat gradyanının bazı ipliksi mikroorganizmaların büyümesinin engellenmesi üzerindeki etkisini açıklayan bir
“mekanistik” yaklaşımda bulunmuştur. Model sadece bir çözünür substrat tipini dikkate almaktadır. Şişkin çamur kontrol
sorunu iki üniform mikroorganizma grubu (örneğin, “iyi huylular”-yumak oluşturanlar yani MU-stratejistleri ve ipliksi bakteriler yani K-stratejistleri) arasındaki basit bir çekişme olarak ele alınmıştır. Çözünmüş substratı biriktirme
yeteneği sadece yumak oluşturan mikroorganizmalara tanınmıştır. İpliksi bakterilerin bu yeteneklerinin daha düşük olduğu düşünülmüştür. Günümüzde bu yaklaşım kısmen doğrudur. Çünkü, kinetik ve biriktirme-rejenerasyon modelleri, baskın türler
olan Sphaerotilus natans ve Tip 021N’in bulunduğu laboratuar ölçekli çalışmalara dayanmaktaydı.
Aktif çamur süreçlerindeki şişkin çamur olgusunu tanımlayan ve daha sonra geliştirilen modeller Eikelboom adlı
araştırmacının gözlemlerinden ve bulgularından oldukça etkilenmiştir. Bu araştırmacı 30 kadar farklı ipliksi bakteri saptamıştır. Saptadığı tipler, sadece morfolojileri ve fizyolojileri açısından değil, aynı zamanda üredikleri aktif
çamur süreçlerindeki modifikasyonları açısından da birbirlerinden oldukça farklıdır. Modifikasyonların oluşumuna
arıtılan atıksuyun özellikleri ve sıcaklık gibi unsurlar neden olmaktadır. İpliksi bakteri tipleri şişkin çamur
oluşumuna neden olan şartların bir indikatörüdür. Daha sonraları geliştirilen modeller belirli tip ipliksi
mikroorganizmalar arasındaki farkları çok daha iyi ortaya koymuştur. 1985’te Chiesa ve Irvine adlı araştırıcılar
aşağıda belirtilen üç değişik tip mikroorganizmanın büyüme ve çekişmesi üzerinde araştırma yapmışlardır :
- “Zoogloeal” organizmalar (yumak oluşturanlar)
- Hızlı büyüyen ve açlıktan çok etkilenen ipliksiler
- Yavaş büyüyen ve açlığa dayanıklı ipliksiler
Kendi sonuçları ve literatür verilerine dayanarak, Wanner ve Grau adlı araştırmacılar, tüm Eikelboom tiplerini, morfolojik, fizyolojik ve metabolik benzerlik ve aynı işletme koşulları altında oluşumları bazında dört gruba ayırmışlardır. Sınıflandırma aynı zamanda, farklı ve özel tiplerin neden olduğu sorunların benzerliğini de ortaya koymuştur. Özel gruplar aşağıdaki gibi tanımlanmıştır :
- S : Sphaerotilus gibi oksik koşullarda büyüyenler
- C : Cyanophyceae gibi oksik koşullarda büyüyenler
- A : Tüm koşullarda büyüyenler
- F : Köpük oluşumuna neden olanlar
Aktif çamur mikroorganizmaları iki tip substrat kullanırlar ; (a) hızlı ve kolay ayrışabilir substratlar ve (b) partiküler organik maddelerin hidrolizi sonucu oluşan ürünler. Gujer ve Kappeler adlı araştırmacılar aşağıda sıralanan üç grup organizmayı içeren bir biyo-kinetik model geliştirmişlerdir :
- Yumak oluşturan hetetrofik organizmalar
- İpliksi hetetrofik mikroorganizmalar
- Nocardia tipi organizmalar
Bu oksik şişkin çamur biyo-kinetik model daha sonra aşağıda sıralanan üç değişik ipliksi bakteriye “nitel benzeşim modeli” olarak uygulanmıştır :
- Sphaerotilus natans
- Tip 021N
- Tip 0961
Daha sonraları şişkin çamur ve köpürme sorunlarının modellemesi ile ilgili yapılan bir başka çalışmada ise aşağıda sunulan gruplar tanımlanmıştır :
- Yumak oluşturanlar – 1 : Sürekli beslemeli ve tam karışımlı süreçlerdekiler veya anaerobik bölgeye sahip süreçlerdekiler
- Yumak oluşturanlar – 2 : Yüksek substrat gradyanına sahip süreçlerdekiler
- İpliksi organizmalar – 1 : Sphaerotilus natans, Tip 1701 ve Tip 021N gibi türler
- İpliksi organizmalar – 2 : Microthrix parvicella ve Tip 0092
Aktif çamur popülasyon dinamiğinin aşırı derecede karmaşık olmasına rağmen, günümüzde şişkin çamuru ve köpürmeyi açıklayan çok daha iyi modeller geliştirilmektedir. Bu tip modellerin aktif çamur sürecinin tasarımında ve işletiminde oldukça yararlı olacağına inanılmaktadır.
3. Aktif Çamur Sürecinin Bütünleştirilmiş Tanımı...
Aktif çamur sürecinin uzun tarihçesi boyunca ortaya çıkan karmaşıklıklar, sürecin tanımlanmasında ve açıklanmasında farklı notasyonların kullanılmasından kaynaklanmaktadır. Her araştırmacı kendine özgü sembol ve parametreleri kullanmaktadır. Okuyucular, bir makale veya kitabın ekleri kısmında bir sembol listesi bulduklarında oldukça şanslıdırlar. Ayrıca, semboller ülkeden ülkeye değiştiği gibi, dilden dile de farklılıklar göstermektedir. İlaveten, bazı yazarlar İngiliz birimleri ile metrik sistem birimlerini aynı anda kullanabilmektedir. İngiliz birimlerinin halihazırda mevcut olmasına rağmen, İngiltere kökenli makale ve kitaplarda kullanılmaması şaşırtıcıdır.
Bu tür karmaşıklıklar, IAWQ’yu bir çalışma grubu oluşturmaya zorlamıştır. Çalışma grubunun ana amacı, uluslar arası
yayınlar için kabul edilecek bir yaygın notasyon sisteminin oluşturulmasıydı. Bunu gerçekleştirmek için, çalışma grubu uluslar arası ve ulusal dergilerdeki makaleleri ve İngilizce, Fransızca ve Almanca basılmış kitapları incelediler. Grup,
en sık kullanılan sembolleri ve sayılarını saptadı. Grubun hazırladığı öneri 1982’de “Water Research” adlı dergide basıldı. Grup tarafından önerilen notasyonlar daha sonraları dünya çapında yaygın bir kullanım alanı buldu. Günümüzde artık IAWQ’nun tüm yayınlarında ve konferans kitaplarında metrik sistem (SI) kabul edilmektedir.
Aktif çamur sürecinin tanımlanmasında kullanılan en önemli parametreler, sembolleri ve açıklamaları Tablo 1’de verilmiştir.
Aynı anlama sahip olan fakat farklı unsurları ifade eden (örneğin, giriş ve çıkış konsantrasyonları) büyüklükler için
nümerik alt indis kullanımı önerilmektedir. Nümerik alt indis sembolün uygulanacağı konumu belirtir. Bu konum, bir akım şeması veya liste bazında yazar tarafından belirlenmelidir.
Tablo 1. Aktif çamur sürecinin tanımlanmasında kullanılan semboller
Örneğin, Şekil 16’da verilen sistem için belirli sembollerin anlamı aşağıdaki gibidir :
- S1 : Giriş suyu çözünmüş substrat konsantrasyonu
- CBOİ,1 : Giriş suyu toplam BOİ5 konsantrasyonu (örneğin, çözünmüş için SBOİ,1 ve partiküler için XBOİ,1)
- X2 : Aktif çamur havalandırma havuzundaki biyokütle konsantrasyonu
- SBOİ,4 : Çıkış suyu çözünmüş BOİ5 konsantrasyonu
- Q5 : Geri devir çamur debisi
Şekil 16. Aktif çamur sürecinin bütünleştirilmiş açıklaması için örnek akım şeması
Aktif çamur sürecinin tanımlanması için bütünleştirilmiş notasyon sisteminin kullanılması, özellikle karmaşık modellerde oldukça büyük önem kazanmaktadır.
Prepared by Prof.Dr.Hikmet Toprak...
All rights reserved... © 1994 - 2006...
