Aktif çamur sistemlerinde oksijen gereksiniminin biyokimyasal esasları ve modellenmesi

Transkript

1 itüdergisi/d mühendislik Cilt: ayı: Ağustos 2002 Akti çamur sistemlerinde oksijen gereksiniminin biyokimyasal esasları ve modellenmesi Derin ORON*, Özlem KARAAN-GÜL, Nazik ARTAN İTÜ İnşaat Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Maslak, İstanbul Özet Bu çalışmada, akti çamur sistemlerinde oksijen tüketimi, değişik biyokimyasal dönüşümleri yansıtan temel süreçler yardımı ile belirlenip modellenmiştir. Modellemede, sübstrat kullanımı ve biyokütle oluşumu esas alınmıştır. Oksijen tüketimini belirten iadelerde sübstrat ve biyokütlenin tanımı için kullanılan değişik parametre çitleri kullanılmıştır. Kullanılan modellerin kinetiği ve stokiyometrisi matris ormatında her parametre çiti için ayrı ayrı tanımlanmıştır. Oksijen tüketimi için geçerli olan değişik iadeler bu modellere göre türetilmiş ve bu yaklaşımla literatürde verilen benzer tanımların biyokimyasal temelleri ortaya konmuştur. İncelemede, Türkiye de akti çamur tesislerin tasarımında oksijen gereksiniminin hesaplanması için yönetmeliklerde kullanılması önerilen iadeler de ele alınmış ve bu iadelerdeki katsayıların geçerliliği değerlendirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Akti çamur, biyokütle, modelleme, oksijen gereksinimi, sübstrat. Biochemical basis and modeling o oxygen requirement in activated sludge systems Abstract In this study, oxygen requirement in activated sludge is evaluated and modelled in terms o undamental processes relecting dierent biochemical transormations. Modern modeling concepts deine substrate utilisation and endogenous decay as major processes requiring inal electron acceptor. In aerobic systems, dissolved oxygen acts as, and thereore, is consumed as the inal electron acceptor. ubstrate and biomass may be deined in terms o dierent parameters. Chemical oxygen demand (COD) and biochemical oxygen demand (BOD 5 ) are the traditional substrate parameters. COD also serves to deine biomass along with the more traditional volatile suspended solids (V) parameter. Model alternatives covering basic biochemical processes in activated sludge are deined in a matrix ormat or dierent substrate and biomass parameters, each associated with a dierent stoichiometry. These modeling alternatives are used to derive dierent oxygen requirement expressions, all compatible among themselves, or each substrate/biomass couple. The biochemical bases o the coeicients in these expressions are set in terms o undamental model constants. As a practical implication o the conceptual evaluation approach, this study also covers a critical appraisal o ormulations proposed in the regulations implemented by the authorities in Turkey, or the evaluation o the oxygen requirements in activated sludge design. Keywords: Activated sludge, biomass, modeling, oxygen requirement, substrate. * azışmaların yapılacağı yazar: Derin Orhon, dorhon@ins.itu.edu.tr. Tel: (22) Makale metni tarihinde dergiye ulaşmış, tarihinde basım kararı alınmıştır. Makale ile ilgili tartışmalar tarihine kadar dergiye gönderilmelidir.

2 D. Orhon, Ö. Karahan-Gül, N. Artan Giriş Akti çamur sistemlerinde arıtma olayının temel unsurlarından biri havalandırmadır. avalandırma yolu ile reaksiyon ortamına sürekli çözünmüş oksijen sağlanır. etersiz havalandırma yapıldığında çözünmüş oksijen konsantrasyonunun azalması ve hatta tükenmesi söz konusudur. Bu durumda tüm arıtma düzeni çöker. Dolayısıyla, akti çamurdaki çoğalma ortamının gerek duyduğu oksijen miktarının doğru hesaplanması büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla, oksijen gereksiniminin hesaplanmasına yönelik değişik iadeler geliştirilmiştir (Orhon ve Artan, 994; ckenelder ve Grau, 992). Bu iadelerin bazıları akti çamur sistemlerinin tasarımı için düzenlenen yönetmeliklerde yer almıştır (ATV, 99). Çok yakın bir geçmişe kadar, oksijen gereksinimini tanımlanmasına ampirik yaklaşımlar hakim olmuştur. Bu yaklaşımlar mühendislik sağ duyusu ile çoğu kez kabul edilebilir bir yaklaşıklıkla, doğru sonuçlara yönelmiştir. Ancak, son dönemlerde akti çamur düzenindeki gelişmeler ve organik karbonun yanında azot ve osor giderimine çalıştırılan sistemlerin ortaya çıkması oksijen gereksiniminin daha titiz ve doğru bir bakış açısı ile tanımlanmasını zorunlu kılmıştır. Oksijen, aerobik koşullarda çalıştırılan akti çamur ortamında, çoğalan biyokütlenin metabolik onksiyonları bünyesinde, enerji sağlayan reaksiyonların temel unsurlarından biridir ve bu reaksiyonlarda son elektron alıcısı olarak kullanılmaktadır. Bu çerçevede, metabolik onksiyonlar için gerekli oksijen miktarının doğru hesaplanabilmesi, öncelikle bu onksiyonları mekanizma olarak tanımlayan iziksel modellerin mümkün olduğunca gerçekçi bir temelde belirlenmesine bağlıdır. Bu da, gerçek biyokimyasal dönüşümleri modelde yansıtacak süreçlerin ve bu süreçleri tanımlayacak, bunların içinde yer alacak model bileşenlerinin mümkün olan en doğru biçimde belirlenmesi anlamına gelmektedir. Akti çamur sistemlerini modelleme çabaları 960 lı yıllarda başladıkları dönemden bu yana çok gelişmiştir. Organik karbon giderimi için ilk modeller sadece, sübstrat, biyokütle ve çözünmüş oksijen bileşenlerini ve çoğalma ve içsel solunum proseslerini tanımlar iken (Alonzo ve McCarty, 97), günümüzde aynı amaç için çok bileşenli ve süreçli modeller kullanılmaktadır (Orhon ve Artan, 994). Oksijen gereksiniminin doğru belirlenebilmesi için, modelleme yanında, modelde kullanılan sübstrat ve biyokütle gibi temel model bileşenlerini tanımlayan kimyasal oksijen ihtiyacı, KOİ, biyokimyasal oksijen ihtiyacı, BOİ 5, ve uçucu askıda katı madde, UAKM, gibi parametreler arasındaki stokiyometrik ilişkilerin model bünyesinde doğru kurulması esastır. Şu anda, tüm güncel modellerde hem sübstrat hem de biyokütle için KOİ parametresi kullanılmaktadır. Ancak modelleri uygulamaya dönüştürme aşamasında bazen sübstratı BOİ 5 parametresine, biyokütleyi de UAKM parametresine dönüştürmek gerekebilir. Bu durumlarda oksijen gereksinimi bağıntısının türetilmesine esas olan kütle korunum denklemlerinin yeni stokiyometriye göre yeniden iadesi söz konusudur. Uygulamada rastlanan yanlışlıklar bu dönüşümlerin doğru yapılmamasından kaynaklanmaktadır. Modellerde yer alan biyokimyasal süreçler bir dizi kinetik ve stokiyometrik katsayı ile belirlenmektedir. Modellerin geçerliliği, büyük ölçüde bu katsayıların değerlerine bağımlı olmaktadır. Bu katsayıların hiçbiri için mutlak değerler söz konusu değildir. Bazı modelleme çalışmalarında katsayılar için önerilmiş olan kullanım (deault) değerlerini sadece yol gösterici büyüklükler olarak değerlendirmek doğru olur (enze v. diğ., 987). er bir model katsayısının incelenen mahale ve atıksuya uygun olarak seçilmiş olması gerekir. Özellikle, değişik parametrelerin (KOİ/BOİ 5 ; KOİ/UAKM, vb.) dönüşümlerini tanımlayan stokiyometrik katsayıların her atıksuya uygun olarak dikkatle belirlenmesi, hesapların doğruluğu bakımından çok önemlidir. Bu çalışmada, aerobik koşullarda, organik karbon giderimine çalıştırılan akti çamur sistemlerinde oksijen tüketimi, değişik biyokimyasal dönüşümleri yansıtan temel süreçler yardımı ile belirlenip modellenmiştir. Bunun için yeni, çok bileşenli model tanımları kullanılmış ve elde edilen sonuçlar geleneksel modelleme yaklaşımları ile kıyaslanmıştır. Modelleme, esasta sübstrat ve biyokütle türlerinin KOİ ile belirlendiği sistemler için ele alınmış, buradan KOİ/UAKM

3 Akti çamur sistemlerinde oksijen gereksinimi ve BOİ 5 /UAKM parametre çitleri için gerekli değişiklikler gösterilmiştir. Çalışmada, Türkiye de akti çamur tesislerinin tasarımında oksijen gereksiniminin hesaplanması için kullanılması önerilen iadeler de ele alınmış ve bu iadelerdeki katsayıların geçerliliği değerlendirilmiştir. Kavramsal aklaşım Akti Çamur Modellerinin Matris aklaşımı ile Gösterimi Akti çamur modellerinin reaksiyon kinetiğinin açıkça belirlenebilmesi için IAWRC Çalışma Grubu (enze v. diğ., 987) taraından modellerin matris ormatında oluşturulması önerilmiştir. Modellerin bu ormata uygun olarak yazılması, hem daha iyi anlaşılmasını sağlamış, hem de modellerde yer alan reaksiyonlara ait denklemlerin bilgisayar ortamına kolaylıkla aktarılmasına olanak vermiştir. Matris yaklaşımı ile, model bileşenleri, prosesler, stokiyometrik bağıntılar ve proses kinetiği net bir şekilde belirlenebilmekte ve modelde yer alan süreçlerin reaksiyon hızları sistematik olarak iade edilebilmektedir. Önerildiğinden bugüne değin geniş bir kullanım alanı bulan matris gösteriminde (Tablo ) ilk kolon tanımlanan modele ait proseslerin isimlerini, j, içerir. Matrisin ilk satırında, model bileşenleri, i, verilmektedir. Matrisin son (sağ) kolonu her bir prosese ait proses hızı, ρ j, iadelerinden oluşmakta ve her model bileşeninin stokiyometrik katsayısı, ν ij, matrisin içine yerleştirilmektedir. Matriste yer alan her proses satırı kütle korunumunu sağlamalıdır. Başka bir deyişle tüm model bileşenlerinin KOİ cinsinden gösterilmesi ve çözünmüş oksijenin de negati KOİ olarak değerlendirilmesi halinde her proses satırındaki stokiyometrik iadelerin toplamı sıır olmalıdır. ν ij = 0 () i Model bileşenlerine ait reaksiyon hızları, r ij, her proseste o bileşenin stokiyometrik katsayısı ile proses hızının çarpımından elde edilir. r ij = ν ij.ρ j (2) Bileşenlerin gözlenen hızları ise tüm proseslerdeki reaksiyon hızlarının toplamına eşittir. r i = j r = ν ρ (3) ij j ij j Çok Bileşenli Akti Çamur Modellerinde Oksijen Gereksinimi Akti çamur modelleri, içerdikleri prosesler, bu proseslerin ilişkili oldukları model bileşenleri ve tanımlandıkları proses hızı iadeleri ile birbirlerinden ayrılırlar. Günümüzde geçerliliğini kaybetmiş olmasına karşın, konvansiyonel akti çamur modeli bu sistemlerin modellemesinde kullanılan temel kavramları örneklemek açısından önem taşımaktadır. Konvansiyonel akti çamur modellemesinde, çoğalma ve içsel solunum organik karbon giderimini tanımlayan iki temel proses olarak kullanılmıştır. Bu prosesler minimum üç model bileşeni için tanımlanır - biyokütle, sübstrat ve çözünmüş oksijen. Akti Tablo. Matrisi Gösterimi Bileşen i 2 i roses ızı, ρ j j roses ML -3 T - ν ν 2 ν i ρ 2 ν 2 ν i2 ρ 2 ρ j ν j ν 2j ν ij ρ j Gözlenen dönüşüm hızı, r i = r = ν ρ ML -3 T - ij ij j j j arametreler, ML -3 Birim Birim Birim Birim

4 D. Orhon, Ö. Karahan-Gül, N. Artan çamur sistemlerinin tüm modelleme yaklaşımlarında, çoğalma prosesi Monod türü bir denklem ile iade edilir. İçsel solunum kavramı ise, modellere birinci dereceden bir reaksiyon hızı ile yansıtılmıştır. roses hızlarının [ML - T - ] birimi ile belirlendiği ve birim zamanda, birim hacimde kütle değişimini verdiği dikkate alınmalıdır. Konvansiyonel akti çamur modellerinde sübstratın ve biyokütlenin birer bileşen ile tanımlanması, bu modellerin kullanımı açısından büyük güçlükler yaratmaktadır. KOİ, BOİ, UAKM gibi kolekti parametrelerle iade edilen bu bileşenler, hız kısıtlayıcı sübstratı ve akti heterotroik biyokütle konsantrasyonunu belirleyemediğinden, model sonuçlarının tutarlılığı ve geçerliliği tartışılır hale gelmektedir. Konvansiyonel modellerin ikinci önemli eksiği ise, modeldeki çoğalma ve içsel solunum proseslerinin sistemin mekanizmasını tanımlamaktaki yetersizliğidir. Bunun yanı sıra, sistem çıkışında ölçülen organik maddenin giriş atıksuyunun arıtmadan artakalan bir bölümü olduğunun kabul edilmesi, çıkış suyu kalitesinin belirlenmesinde hatalara yol açmaktadır. Bu konuda yürütülen çalışmalar, akti çamur sistemlerinde yer alan süreçler sonucu oluşan mikrobiyal ürünlerin çıkış atıksuyu karakterini belirlediğini ortaya koymuştur. Bu kapsamda, konvansiyonel akti çamur modelinin sistemde oluşan inert metabolik ürünler ile giriş akımında mevcut ve hiç bir biyokimyasal reaksiyona girmeden sistemden atılan inert bileşenler de hesaba katılacak şekilde geliştirilmesi, deşarj edilen atıksuyun organik madde içeriğini belirlemek açısından büyük önem taşımaktadır. Geleneksel modellerin yetersizliklerini gidermek amacıyla önerilen çok bileşenli modeller günümüzde oldukça yaygın bir kullanım alanı bulmaktadır. 987 yılında IAWRC Çalışma Grubu (enze v. diğ., 986) taraından önerilen Akti Çamur Modeli No. (Activated ludge Model No., AM) atıksuyun organik madde içeriğini kolay ve yavaş ayrışan bileşenler olarak ikiye ayırmış ve çoğalma ve bozunma proseslerine ek bir proses olararak da yavaş ayrışan organik maddenin hidrolizini kullanmıştır. AM uyarınca tanımlanan bozunma prosesinin, ölüm-yenilenme mekanizması doğrultusunda gerçekleştiği ve biyokütlenin bozunması ile inert metabolik ürünler ve yavaş ayrışan organik sübstrat oluştuğu varsayılmıştır. Biyokütlenin bozunması ile oluşan yavaş ayrışabilir sübstrat tekrar çoğalmada kullanılarak sonsuz bir döngü içine girdiğinden ve tanımlanan bozunma prosesinin pek çok prosesi bir arada yansıtması dolayısıyla net bir şekilde karakterize edilememesinden dolayı, AM modeli kısa süre içerisinde bozunma prosesi olarak içsel solunum mekanizması kullanılarak üzere modiiye edilmiştir. Bu modiikasyon ile modelin bilgisayar ortamında simulasyonu ve içsel solunum prosesinin akti biyokütle bazında karakterizasyonu mümkün olabilmiştir. Karbon ve azot giderimi için önerilmiş AM modeli genişletilerek biyolojik aşırı osor giderimini de içine alacak şekilde düzenlenmiş ve AM2 ve AM2d modelleri 995 yılında yayınlanmıştır (enze v. diğ., 995). Bu modellerin akti çamur sistemlerinin tasarımı ve işletmesinde kullanılması ile ortaya çıkan tecrübeler, AM modelinin sistemde gerçekleşen süreçleri tanımlamakta yetersiz kaldığını göstermiş ve AM proseslerine sübstratın biyokütle içerisinde çeşitli polimerler halinde depolanması da eklenerek AM3 modeli önerilmiştir (Gujer v. diğ., 2000). Bu çalışma kapsamında, çoğalma prosesinin AM modeli esas alınarak, biyokütlenin bozunmasının ise, içsel solunum mekanizması uyarınca gerçekleştiği kabul edilerek (Washington ve etling, 965; ckho ve Jenkins, 967; Chudoba v. diğ., 968) yalnızca karbon giderimi için hazırlanan model Tablo 2 de verilmektedir. Modelde, sübstrat kolay ( ) ve yavaş ayrışan KOİ ( ) bileşenleri ile tanımlanmış, yavaş ayrışan KOİ nin hidroliz ile kolay ayrışan KOİ ye dönüştüğü iade edilmiştir. Ayrıca, Tablo 2 de de görüldüğü üzere, içsel solunum mekanizması ile bozunan biyokütlenin bir kısmının ( ) çözünmüş ormda ( ), bir kısmının da ( ) partiküler ormda ( ) inert metabolik ürün oluşturduğu belirtilmiştir. Giriş akımındaki çözünmüş ( I ) ve partiküler ( I ) inert KOİ bileşenleri, hiç bir biyokimyasal proses içinde yer almadığı için matriste gösterilmemiştir. Ayrıca, bu kapsamda sadece karbon giderimi ele

5 Akti çamur sistemlerinde oksijen gereksinimi Tablo 2. İçsel solunum modeli ile karbon giderimi için hazırlanan reaksiyon matrisi Bileşen i roses ızı, ρ j j roses O ML -3 T - Çoğalma µ ˆ K + 2 İçsel olunum (- - ) b 3 avaş Ayrışan Organik Maddenin k h idrolizi K + arametreler, ML -3 KOİ KOİ ücre KOİ KOİ KOİ O 2 -KOİ - alındığından akti heterotroik biyokütle bileşeni modelde yer almıştır. Matrisin Özelliği: sübstrat ile biyokütlenin KOİ ile belirlenmesi Akti çamur sistemlerinin tasarımında ve modellenmesinde en önemli noktalardan biri de atıksuyun organik madde içeriğinin belirlenmesidir. Atıksularda bulunan azot ve osor gibi inorganik bileşikler izikokimyasal yöntemlerle kolaylıkla belirlenebilmekte ancak, çok sayıda ve değişik ormlarda bulunabilen organik bileşiklerin tekil olarak saptanması mümkün olamamaktadır. Bunun sonucu olarak, atıksuda bulunan organik maddelerin indirekt yöntemler kullanılarak kolekti parametreler ile belirlenmesi yoluna gidilmiştir. Bu amaçla atıksu karakterizasyonunda ve akti çamur sistemlerinin modellemesinde sıklıkla kullanılan parametreler BOİ (Biyokimyasal Oksijen İhtiyacı), KOİ (Kimysal Oksijen İhtiyacı), ve TOK (Toplam Organik Karbon) olarak sıralanabilir. Bu parametreler arasında KOİ modelleme çalışmaları açısından büyük önem taşımaktadır, çünkü KOİ parametresi, biyokimyasal reaksiyonlardaki karbon dengesini sübstratın stokiyometrik eşdeğeri olarak iade edebilmektedir. Bir başka deyişle KOİ, sübstrat, biyokütle ve çözünmüş oksijen arasında elektron eşdeğerliği kurması bakımından modellemede ve tasarımda kullanılabilecek en uygun parametredir. Akti çamur sistemleri, gün içindeki debi ve organik yük dalgalanmalarına karşın, uzun vadede kararlı dengede işletilebilirler. istem modellemesi için Şekil de şematik olarak gösterilen proses diyagramı ndan yararlanılabilir. Şekilde gösterildiği gibi, temel kütle korunum denklemleri için sistemin giriş ve çıkışını içine alan kontrol kesitleri göz önüne alınır. Modelleme genelde aşağıdaki kabullere dayandırılır: Çökeltme tankında biyokimyasal reaksiyon oluşmaz. Çökeltme tankındaki biyokütle ihmal edilir. Giriş akımı biyokütle içermez ( = 0). Çıkış akımında biyokütle olmayacak şekilde ( e = 0) tam çökelme sağlanır ve çamur sadece artık çamur akımı ile uzaklaştırılır. Bu kabuller, kinetik teori ya da tesisin tasarımı ve işletimini etkilemeksizin, modelin basit bir çerçevede yorumlanmasını sağlar. Kararlı halde çalışan bir sistemde oksijen gereksinimi (OG), giriş ( O ) ve çıkış ( O ) akımlarındaki oksijen konsantrasyonları arasındaki ark ihmal edilerek, oksijen tüketim hızın-

6 D. Orhon, Ö. Karahan-Gül, N. Artan Q W O I I Q V i, i Q+Q r i, i Q r Q r Q+Q W I O e = 0 i, R Şekil. roses diyagramı dan hareketle hesaplanabilir. Oksijen tüketim hızı, OT, Tablo de verilen matris esas alınarak belirlenmiştir. OG = V OT = V µ + V ( )b (4) ukarıdaki iadede kullanılan parametresi, içsel solunum sonucu oluşan inert metabolik ürünlerin raksiyonunu tanımlamakta ve aşağıdaki bağıntı ile verilmektedir: = + (5) Akti heterotroik biyokütle atıksudaki kolay ayrışan sübstrat ( ) ve yavaş ayrışan sübstratın ( ) hidrolizi ile oluşan üzerinde çoğalma yolu ile oluşur. Bu iki sübstrat bileşeni için toplam ayrışabilir sübstrat iadesi: C = + (6) tanımlaması yapılarak elde edilir ve sistemde ayrışabilir KOİ nin giderim verimi ile verilirse, kütle dengesi iadesinden: µ QC (7) V = eşitliği elde edilir. Bu değer (4) denkleminde yerine konursa aşağıdaki iade oluşturulur: OG = ( ) QC + V ( )b (8) Kolay ayrışan sübstratın tamamıyla sistemde giderileceği düşünülürse, giderim verimi () yavaş ayrışan sübstratın ( ) hidroliz hızı taraından belirlenecektir. ukarıdaki denklem (8), sistemin oksijen gereksinimi üzerine iki önemli prosesin etkisini ayrı ayrı göstermektedir. İlk terim, çoğalma prosesinde enerji üretimi için kullanılan sübstratın oksijen eşdeğerini iade ederken ikinci terim içsel solunum prosesinde kullanılan oksijen miktarını göstermektedir. Oksijen gereksinimi sistemde tüketilen sübstrat ve üretilen çamur miktarına bağlı olarak da iade edilebilir. istemdeki net çamur üretimi üç bileşenden oluşmaktadır: = + + (9) T I Çamur bileşenleri ayrı ayrı kütle dengesi iadeleri ile hesaplanır. Akti heterotroik biyokütle için yazılan kütle dengesi iadesinden: = V ( µ b ) (0) ve çamur yaşı tanımından: VQ b W θ = = () µ, (7), (0) ve () eşitlikleri kullanılarak aşağıdaki gibi hesaplanır: = QC (2) QC = + b θ N

7 Akti çamur sistemlerinde oksijen gereksinimi Burada, N, net dönüşüm oranı olarak aşağıdaki gibi tanımlanmıştır: N = (3) ( + b θ ) artiküler inert ürün üretimi,, için yazılan kütle dengesi iadesinde: = b V = b θ (4) ın değeri yerine konulduğunda (4) denklemi aşağıdaki gibi yeniden düzenlenebilir: = b θ QC (5) N isteme giren partiküler inert KOİ ise sistemde bir değişikliğe uğramadan çamurun bir bileşeni olarak, I, sistemden uzaklaştırılmaktadır. Bu durumda sistemde üretilen azla çamur ile atılan I aşağıdaki eşitlik ile hesaplanır. isteme giren çözünmüş inert KOİ nin ( I ) ise hiç bir biyokimyasal reaksiyona girmeden, aynı miktarda (Q I ) sistemden çıktığı kabul edilmektedir. I = Q I (6) Giriş atıksu akımındaki toplam KOİ nin ayrışabilir kısmı (C ), raksiyonu ile, partiküler inert kısmı da I raksiyonu ile tanımlanır ise, girişteki partiküler inert KOİ bileşenini (7) denklemi ile iade etmek mümkün olduğundan: I I = C (7) sistemde oluşan toplam çamur, T, aşağıdaki denklem ile hesaplanır: I T = ( + b θ ) NQC QC (8) + Oksijen gereksinimi, net çamur üretimini ( T ) gösterecek şekilde KOİ üzerinden yazılacak kütle dengesinden de aşağıda verildiği gibi hesaplanabilir: OG = QC + Q (9) T I (9) eşitliği (9) iadesinde yerine konursa, sistemin oksijen gereksinimi şöyle bulunur: OG = QC Q ( ) (20) + istemde oluşan çözünmüş inert ürünler için yazılan kütle dengesinden: Q + b V 0 (2) = (0),() ve (2) denklemleri birleştirilerek oluşan çözünmüş metabolik ürün miktarı aşağıdaki iade ile belirlenir: Q = b θ QC (22) N (2), (5) ve (22) eşitliklerinin değerleri (20) denkleminde yerine konur ve (5) denkleminde verilen tanımı kullanılarak düzenlenir ise oksijen gereksinimi için aşağıdaki gibi bir iade elde edilir: [ ( + b θ )] OG = QC (23) N Böylece oksijen gereksinimi, inert ürünlerin de dahil edildiği net dönüşüm oranına bağlı olarak bulunur. Denklemden görülebileceği gibi, belirli bir atıksu karakteri için oksijen gereksinimi sadece çamur yaşının bir onksiyonudur. Atıksu karakterini belirleyen parametrelerden, ve gibi stokiyometrik katsayılar ile b gibi bir kinetik katsayının oksijen gereksinimi hesabında etkili olduğu açıkça görülmektedir. Atıksudaki ayrışabilir KOİ konsantrasyonunun (C ) belirlenmesi de son derece önemlidir. istemin işletme koşullarına bağlı olarak giderim veriminin hesaplanabilmesi için de hidroliz prosesinin kinetik katsayılarının belirlenmesi gereklidir. KOİ/UAKM arametreleri ile Oluşturulan Modeller Akti çamur sistemlerinin tasarımında çoğu kez sübstratın [KOİ], biyokütlenin de uçucu askıda katı madde, [UAKM] cinsinden iade edilmesi pratik kolaylık sağlamaktadır. Bu durumda, ya da N katsayılarının da uygun birimlerde, yani [g UAKM/g KOİ] cinsinden tanımlı olması ve kütle korunum denklemlerinde bu birimlerle kullanılması gereklidir.

8 D. Orhon, Ö. Karahan-Gül, N. Artan Biyokütle ölçümünde UAKM parametresi kullanıldığında oksijen gereksiniminin hesaplanabilmesi için UAKM nin oksijen eşdeğerine çevrilmesi gerekmektedir. Çevirme aktörü olarak kullanılan in değeri akti biyokütlenin yapısal kompozisyonunun C 5 7 NO 2 ormülü ile tanımlanmasından hareketle teorik olarak.42 g KOİ/g UAKM olarak bulunabilir. Çamurun diğer bileşenleri için bu çevirme aktörü.42 g KOİ/g UAKM değerinden bir miktar arklı olabilir. Reaktörde ölçülen UAKM değerinin, T,UAKM, (8) denkleminde kullanılabilmesi için akti biyokütle raksiyonunun da,, bilinmesi gerekir. Akti biyokütle raksiyonunun,, işletme koşullarına (θ ) ve atıksu içindeki inert partiküler KOİ raksiyonuna, I, bağlı olarak değişeceği (2) ve (8) denklemlerinden görülmektedir: N = = (24) T ( + b θ )N + I Bu durumda (8) denklemi: OG = ( + V ' ( ) QC )b T,UAKM şeklinde düzeltilmelidir. Burada: (25) ' = [g UAKM/g KOİ] (26) olarak tanımlanmıştır. Benzer şekilde, UAKM/KOİ birimi ile verilen net dönüşüm oranının da KOİ/KOİ birimine çevrilebilmesi için (23) denkleminde çevirme aktörü kullanılmalıdır: ' [ ( + b θ )] OG = QC (27) Bu iadede: N ' ' N N = = (28) ( + b θ ) olarak tanımlanmıştır. BOİ 5 /UAKM Modelinin Verdiği Bağıntılar KOİ, daha önce de belirtildiği gibi, modellemede ve tasarımda kullanılabilecek en uygun parametredir. Buna karşın, değişik ülkelerde geçerli birçok yönetmelikte, tasarımın hala BOİ 5 kullanılarak yapılması istenmektedir. Türkiye deki İller Bankası önetmeliği ndeki hesaplamalarda da BOİ 5 parametresi esastır. Bu tür bir yaklaşım, İller Bankası önetmeliğinde olduğu gibi, geçerli stokiyometrik katsayıların ve model bileşenleri arasındaki ilişkilerin yanlış hesaplanmasına yol açmaktadır. Zorunluluk olduğu hallerde, reaksiyon kinetiği matrisini, sübstrat ve biyokütle için BOİ 5 ve UAKM kullanarak kurmak mümkündür. Bu durumda birim ayrışabilir KOİ miktarına karşı gelen BOİ 5 değerini veren bir [g BOİ 5 /g ayrışabilir KOİ] katsayısının matristeki gerekli stokiyometrik iadelerde kullanılması ve h katsayısının [g UAKM/g BOİ 5 ] birimi ile tanımlanması gerekmektedir. Bu şekilde oluşan reaksiyon kinetiği matrisi Tablo 3 te verilmiştir. BOİ 5 /UAKM modelinde oksijen gereksinimi Bileşen j roses Tablo 3. BOİ 5 /UAKM isteminde Reaksiyon Kinetiği Matrisi i Çoğalma - 2 h h h roses ızı, ρ j ML -3 T - µ ˆ. K 2 İçsel solunum k d arametreler, ML -3 UAKM BOİ 5 O

9 Akti çamur sistemlerinde oksijen gereksinimi Tablo 3 te verilen reaksiyon hızları kullanılarak aşağıdaki gibi iade edilir: h OG = V µ + V kd (29) h Bu modelde giderilen sübstrat için aşağıda verilen eşitlik yazılabilir: µ V = Q (30) h Burada, sisteme giren atıksudaki organik maddenin ( ), KOİ cinsinden eşitliği aşağıdaki gibidir: = (3) C Bu eşitlik yukarıdaki denklemde yerine konduğunda: OG = h Q + V k d (32) denklemi elde edilir. istemin net dönüşüm oranı,, aşağıdaki gibi tanımlanır ise: Nh Nh N h = = (33) ( + k θ ) d net dönüşüm oranı kullanılarak hesaplanacak oksijen gereksinimi aşağıdaki gibidir: OG = Nh Q (34) istemin oksijen gereksinimi günlük sübstrat giderimi ve çamur üretimi ile hesaplanır ise aşağıdaki bağıntı geçerli olur: OG = Q (35) İller Bankasına Göre Oksijen Gereksinimi esabı İller Bankası taraından yayınlanmış olan Atıksu Arıtma Tesisi roses Genel Şartnamesi uyarınca nüus, kişi başına düşen su kullanımı üzerinden hesaplanması gereken atıksu debileri ve yine kişi başına düşen kirlilik yüklerine göre yapılacak hesaplar tasarlanacak tesislerin ana tasarım parametrelerini oluşturmaktadır. Fiziksel ve mekanik, biyolojik ve kimyasal arıtma prosesleri ile çamur stabilizasyonu, arıtılmış atıksuyun dezeneksiyonu ve koku arıtımı proseslerinin çeşitli uygulama üniteleri için hazırlanmış olan teknik şartname, akti çamur sistemlerinin havalandırma havuzları için tasarımda kullanılacak kriterleri BOİ 5 /UAKM modeli doğrultusunda belirlemektedir. Bu çalışmada, İller Bankası Şartnamesi ile belirlenen tasarım parametrelerinin doğruluğunun değerlendirilmesi amaçlandığından, bu şartname ile belirlenmiş ormüller ve önerilen katsayılar, yukarıda detaylı bir şekilde tanımlanmış çok bileşenli akti çamur modeline ait katsayılarla kıyaslanacaktır: OG = a L + k re M V (36) 00 Bu iadede; a = organik maddenin ayrıştırılması için gerekli oksijen miktarı ( kg O 2 /kg BOİ 5 alına-caktır) = arıtma verimi (%) L = günlük kirlilik yükü (kg BOİ 5 /gün) k re = içsel solunum hızı (kg O 2 /kg AKM.gün) M = sistemde tutulan AKM konsantrasyonu (kg AKM/m 3 ) V = havalandırma havuzu hacmi (m 3 ) olarak tanımlanmıştır. ukarıda verilen ormül çalışmanın önceki sahalarında KOİ/KOİ birimleri kullanılarak türetilmiş olan oksijen gereksinmesi ormülü ile karşılaştırıldığında burada yer alan iadelere denk düşen terimler aşağıdaki gibi bulunmaktadır: L = Q C (37) 00 istemdeki çamur, AKM cinsinden iade edildiğinde:

10 D. Orhon, Ö. Karahan-Gül, N. Artan T,UAKM M = (38) AKM çamurun UAKM/AKM oranı aşağıda verilen aktör ile belirlenir: T,UAKM AKM = (39) T,AKM Bu durumda, (36) denkleminde verilen a ve k re katsayıları aşağıdaki gibi hesaplanmalıdır: a = ( ) (40) k re = ( ) b (4) AKM Ayrıca yönetmelikte günlük çamur yüküne, L, bağlı olarak k re parametresinin alacağı değerler Tablo 4 te verildiği gibi özetlenmiştir. Tipik bir evsel atıksu için Tablo 5 te verilen kinetik, stokiyometrik katsayılar ve oranlar kullanılarak çok bileşenli model için hesaplanan tasarım parametreleri ile yönetmelikte verilen parametreleri karşılaştırmak mümkün olacaktır. Çok bileşenli substrat modeli kullanılarak değişik çamur yaşları için hesaplanan akti biyokütle raksiyonu,, ile buna karşılık gelen çamur yükü, L, parametrelerinin değişimi Şekil 2 de gösterilmiştir. esaplamalarda kullanılan ormüller aşağıda verilmektedir: L µ = AKM = AKM (42) θn Şekil 2 de verilen graik üzerinden saptanan en uygun eğri denklemleri, akti biyokütle raksiyonunun çamur yaşına göre logaritmik bir azalma gösterdiğini, buna karşılık çamur yükündeki azalmanın en iyi şekilde üstel ampirik bir denklem ile iade edilebileceği sonucunu vermiştir. arametrelere ait eğri denklemleri ve regresyon sonuçları aşağıda verilmektedir: = ln θ r 2 = Tablo 4. Çamur yüküne bağlı olarak alınacak k re değerleri L (kg BOİ 5 /kg AKM. gün) k re (kg O 2 /kg AKM. gün) Tablo 5. Tipik evsel atıksu için verilen literatür değerleri (Orhon ve Artan, 994). arametre Birim Değer kg KOİ/kg KOİ 0.67 b /gün I kg KOİ/kg KOİ 0.0 kg KOİ/kg KOİ 0.85 kg BOİ 5 /kg KOİ 0.50 kg KOİ/kg UAKM.42 AKM kg UAKM/kg AKM 0.80 % 80 L = x r 2 = önetmelikte içsel solunum hızı olarak tanımlanan k re parametresi yukarıda da verildiği gibi sistemdeki çamurun akti biyokütle oranına ve dolayısıyla da çamur yaşına bağlı olarak azalmaktadır. Şekil 3 te gösterilen bu değişim çamur yaşına bağlı olarak, akti biyokütle oranına benzer olarak logaritmik bir ampirik denklem ile doğrulukla belirlenebilmektedir: k re = ln θ İller Bankası yönetmeliğinde verildiği gibi, tanımlanan içsel solunum hızını, çamur yüküne bağlı olarak göstermek açısından Şekil 4 te verilen graik hazırlanmıştır. İçsel solunum hızı, k re, artan çamur yükü ile logaritmik olarak artmaktadır. Graik üzerinden çizilen en uygun eğrinin denklemi aşağıda verilmektedir: k = ln L r 2 = re +

11 Akti çamur sistemlerinde oksijen gereksinimi Akti eterotroik Biyokütle Fraksiyonu, Çamur aşı, θ (gün) akti biyokütle çamur yükü Çamur ükü, L (kg BOİ5/kg AKM.gün) Şekil 2. Akti biyokütle ve çamur yükünün çamur yaşına bağlı olarak değişimi İçsel olunum ızı, k re (kg O2/kg AKM.gün) Çamur aşı, θ (gün) çamur yükü içsel solunum Çamur ükü, L (kg BOİ5/kg AKM.gün) Şekil 3. İçsel solunum hızı ve çamur yükünün çamur yaşına bağlı olarak değişimi ukarıda verilen ampirik denklem kullanılarak yönetmelikte verilen değerler ile çok bileşenli model sonuçları Tablo 6 da ve Şekil 5 te karşılaştırmalı olarak gösterilmektedir. önetmelikte organik maddenin ayrıştırılması için gerekli oksijen miktarı olarak tanımlanan a parametresi çok bileşenli model ile yapılan hesaplar sonucu yukarıda verilen atıksu ve sistem spesiikasyonları için 0.66 kg O 2 /kg BOİ 5 olarak belirlenmiştir. Şekil 5 te görüldüğü gibi yönetmelikte verilen oksijen gereksinimi iadesinin ikinci kısmında kullanılan k re katsayısı çok bileşenli modelleme ile hesaplanan değerlerin üzerindedir. Bu durum çamur yaşına göre irdelendiğinde, Şekil 6 da verilen graikten anlaşıldığı gibi, yüksek çamur yaşlarında, ya da başka bir deyişle yavaş çalışan sistemlerde iki arklı şekilde hesaplanan oksijen gereksinimi oldukça arklı olmaktadır.

12 D. Orhon, Ö. Karahan-Gül, N. Artan İçsel olunum ızı, k re (kg O2/kg AKM.gün) onuçlar Çamur ükü, L (kg BOİ 5 /kg AKM.gün) Şekil 4. İçsel solunum hızının çamur yüküne bağlı olarak değişimi 0.25 İçsel olunum ızı, k re (kg O2/kg AKM.gün) önetmelik Model Çamur ükü, L (kg BOİ 5 /kg AKM.gün) Şekil 5. Çamur yüküne bağlı k re değerlerinin karşılaştırmalı değerlendirmesi Tablo 6. Çamur yüküne bağlı k re değerlerinin karşılaştırmalı değerlendirmesi İller Bankası Şartname Değerleri Çok Bileşenli Model Değerleri L k re θ k re (kg BOİ 5 /kg AKM.gün) (kg O 2 /kg AKM-gün) (gün) (kg O 2 /kg AKM-gün)

13 Akti çamur sistemlerinde oksijen gereksinimi 0.25 İçsel olunum ızı, k re (kg O2/kg AKM.gün) önetmelik Model Çamur aşı, θ (gün) Şekil 6. k re değerlerinin çamur yaşına göre karşılaştırmalı değerlendirmesi onuçlar Oksijen gereksinimi akti çamur sistemlerinde hem yatırım hem de işletme ihtiyaçları açısından büyük önem taşıyan bir tasarım parametresidir. ratik olarak sistemin istenen verimde çalıştırılabilmesi ve ekonomik açıdan optimizasyonunun sağlanabilmesi için, bu parametrenin doğru bir yaklaşımla hesaplanması zorunludur. Günümüzde akti çamur sistemlerinin işletilmesinde elde edilen kuramsal bilgiler ve ortaya konan kavramsal yaklaşımlarla, akti çamur prosesinin biyokimyasal temellerini ve bu çerçevede oksijen gereksinimini, matematiksel olarak belirlemek mümkün olmaktadır. Bu çalışma kapsamında, oksijen tüketiminin hesaplanmasında kullanılan değişik modellere göre türetilmiş iadeler ve bu yaklaşımla literatürde verilen benzer tanımların geçerliliği değerledirilmiştir. Güncel modelleme yaklaşımları itibariyle oksijen gereksiniminin, sistemin en önemli işletme parametrelerinden biri olan çamur yaşına ve çamur yaşının bir onksiyonu olarak hesaplanan net dönüşüm oranına bağlı olarak iade edilmesi gerektiği bu çalışma ile açıkça ortaya konmaktadır. Ancak Türkiye de uygulandığı biçimiyle olduğu gibi, çok bileşenli modelleme kavramlarının yeterince iade edilemediği dönemlerde oluşturulmuş ampirik iadeler kullanılarak yapılan sitem tasarımları ve oksijen gereksinimi hesaplamaları da mevcuttur. İller Bankası örneğinde de görüldüğü üzere, kullanılan bu tür ampirik yaklaşımlar, çoğu kez doğru tanımlanması ve saptanması gereken, havalandırma havuzu AKM konsantrasyonu ya da atıksuyun BOİ 5 içeriği gibi, sistem girdilerine ihtiyaç duymaktadır. Bu tür iadeler sistem tasarımında önemli zorluklar yaratmakta ve tasarım parametrelerinin bilimsel esaslardan uzak bir yaklaşımla seçilmesine yol açmaktadır. Bu çalışmada da belirlendiği gibi, Türkiye özelindeki İller Bankası Şartnamesi uyarınca yapılan oksijen gereksinimi hesaplamalarının bilimsel modelleme yaklaşımları ile yapılan hesaplardan çok arklı olduğu görülmektedir. istem tasarımında, parametre seçimlerinde yapılacak hataları en aza indirebilmek için bu hesaplamalarda azla emniyetli katsayıların kullanılması önerilmektedir. Bu durum ise sonuç olarak, arıtma verimi ve maliyetleri açısından optimize edilmemiş sistem tasarımlarına yol açmaktadır. Bu kapsamda tesis tasarımına esas oluşturacak şekilde hazırlanan yönetmeliklerin bilimsel ve teknolojik gelişmelere paralel olarak güncellenmesi gerektiği sonucuna varılmıştır.

14 D. Orhon, Ö. Karahan-Gül, N. Artan Kaynaklar ATV. (99). Bemessung von einstuingen Belebungsanlagen ab 5000 inwohnerwerten. Arbeitsblatt A 3. Chudoba, J., Nemec, M. ve Nemcova, R. (968). Residual organic matter in activated sludge process eluents-ii. Degradation o saccharides and atty acids under continuous conditions. Technol. Wat., 3, 27. ckenelder, W. W., Jr. ve Grau,. (992). Activated udge rocess Design and Control: Theory and ractice. Lancester, A: Technomic ublishing Co. Inc. ckho, D. ve Jenkins, D., (967). Activated sludge system kinetics o the steady and transient states. RL Report No University o Caliornia, Berkeley. Gujer, W., enze, M., Mino, T. ve van Loosdrecht, M. (2000). Activated ludge Model No.3. In: Activated ludge Models AM, AM2, AM2D and AM3, enze, M., Gujer, W., Mino, T., van Loosdrecht, M., (eds.) IWA cientiic and Technical Report No.9. IWA London. IBN: enze, M., Grady, C.. L. Jr., Gujer, W., Marais, G. v. R. ve Matsuo, T. (987). Activated ludge Model No.. IAWRC cientiic and Technical Report No., IAWRC, London. enze, M., Gujer, W., Mino, T., Matsuo, T., Wentzel, M. C. ve Marais, G. v. R., (995). Activated ludge Model No.2. IAWRC cientiic and Technical Report No.2, IAWQ, London. McCarty,. L., (97). nergetics and microbial growth. Water ollution Microbiology,, R. Mitchell, ed., New ork, N:Marcel Dekker, Inc., Orhon D. ve Artan, N., (994). Modelling o Activated ludge ystems, Technologic ubl. Co., Lancester, UA. Washington, D. R. ve etling, L. J., (965). Volatile sludge accumulation in activated sludge plants. J. Wat. oll. Cont. Fed., 37, 499.