DEZENTEGRE EDĠLMĠġ BĠYOLOJĠK ÇAMURUN DENĠTRĠFĠKASYON SĠSTEMLERĠNDE KARBON KAYNAĞI OLARAK KULLANILABĠLĠRLĠĞĠNĠN ARAġTIRILMASI

Transkript

1 ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ DEZENTEGRE EDĠLMĠġ BĠYOLOJĠK ÇAMURUN DENĠTRĠFĠKASYON SĠSTEMLERĠNDE KARBON KAYNAĞI OLARAK KULLANILABĠLĠRLĠĞĠNĠN ARAġTIRILMASI YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Seda KÖROĞLU Anabilim Dalı : Çevre Mühendisliği Programı : Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Tez DanıĢmanı: Prof. Dr. Nazik ARTAN EKĠM 2010

2

3 ĠSTANBUL TEKNĠK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ DEZENTEGRE EDĠLMĠġ BĠYOLOJĠK ÇAMURUN DENĠTRĠFĠKASYON SĠSTEMLERĠNDE KARBON KAYNAĞI OLARAK KULLANILABĠLĠRLĠĞĠNĠN ARAġTIRILMASI YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Seda KÖROĞLU ( ) Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 13 Eylül 2010 Tezin Savunulduğu Tarih : 05 Ekim 2010 Tez DanıĢmanı : Prof. Dr. Nazik ARTAN (ĠTÜ) Diğer Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Orhan Ġnce (ĠTÜ) Prof. Dr. AyĢen ERDĠNÇLER (BÜ) EKĠM 2010

4

5 iii Değerli aileme,

6 iv

7 ÖNSÖZ Bu yüksek lisans çalışması İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Anabilim Dalında gerçekleştirilmiştir. İlk olarak tüm tez çalışmam boyunca bana devamlı cesaret veren, deneyim ve engin bilgilerini paylaşan saygıdeğer hocam Prof. Dr. Nazik ARTAN a teşekkür etmek istiyorum. Aynı zamanda laboratuvar çalışmalarım boyunca yardımını esirgemeyen Araş. Gör.Dr. Gülsüm Emel Zengin Balcı ya çok teşekkür ederim. Aynı zamanda, bu çalışmayı değerli arkadaşlarıma ve tüm eğitimim boyunca her zaman yanımda olan ve her konuda destek veren Anneme teşekkürü bir borç bilirim. Eylül 2010 Seda Köroğlu Çevre Mühendisi v

8 vi

9 ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa ÖNSÖZ... v ĠÇĠNDEKĠLER... vii KISALTMALAR... ix ÇĠZELGE LĠSTESĠ... xi ġekġl LĠSTESĠ... xiii ÖZET... xv SUMMARY... xvii 1. GĠRĠġ Tezin Amacı ARITMA ÇAMURU MĠKTARININ AZALTILMASI VE ÖZELLĠKLERĠNĠN ĠYĠLEġTĠRĠLMESĠ AMACIYLA YAPILAN ÖN ĠġLEMLER Dezentegrasyon Prosesi Dezentegrasyon derecesi Kimyasal dezentegrasyon Bazik ortamda çamur dezentegrasyonu Ozon arıtımı Fiziksel dezentegrasyon Termal dezentegrasyon Kimyasal ve termokimyasal dezentegrasyon Biyolojik dezentegrasyon Termofilik bakterilerin kullanımıyla gerçekleştirilen yüksek sıcaklıkta çamur stabilizasyonu Enzimatik ön arıtım Mekanik dezentegrasyon Yüksek basınçlı homojenizasyon ünitesi Karıştırıcı Bilyeli Değirmenler Lysate santrifuj yoğunlaştırıcı Mekanik Jet Tekniği Yüksek performanslı elektrik akımı tekniği Ultrasonik dezentegrasyon Dezentegrasyon Sonrası Oluşan Çözünmüş Faz Özellikleri Ozon dezentegrasyonu sonrası oluşan çözünmüş faz özellikleri Termal ve termokimyasal dezentegrasyon sonrası oluşan çözünmüş faz özellikleri Kimyasal dezentegrasyon sonrası oluşan çözünmüş faz özellikleri Fiziksel dezentegrasyon sonrası oluşan çözünmüş faz özellikleri Ultrasonik dezentegrasyon sonrası oluşan çözünmüş faz özellikleri Dezentegrasyon Yöntemlerinin Anaerobik Ve Aerobik Ayrışabilirliğe Etkisi Çeşitli dezentegrasyon yöntemlerinin anaerobik ayrışabilirliğe etkisi Çeşitli dezentegrasyon yöntemlerinin aerobik ayrışabilirliğe etkisi vii

10 2.4 Dezentegre Edilmiş Çamur Üst Suyunun Karbon Kaynağı Olarak Denitrifikasyon Proseslerinde Kullanımı MATERYAL VE METOD Deneysel Çalışmanın Planlanması Kullanılan Dezentegrasyon Yöntemleri Deneysel Çalışmanın Planlanması Termokimyasal Dezentegrasyon Ultrafiltrasyon Yöntemi İle Boyut Dağılımı Analizi Denitrifikasyon Testi Analizler DENEYSEL SONUÇLAR VE DEĞERLENDĠRME Dezentegrasyon Sonuçları Ultrafiltrasyon Sonuçları Denitrifikasyon Hızlarının Belirlenmesi SONUÇLAR VE ÖNERĠLER KAYNAKLAR viii

11 KISALTMALAR ÇKOĠ: Çözünmüş Kimyasal Oksijen İhtiyacı ÇOK: Çözünmüş Organik Karbon DD: Dezentegrasyon Derecesi KOĠ: Kimyasal Oksijen İhtiyacı OTH: Oksijen Tüketim Hızı SOTH: Spesifik Oksijen Tüketim Hızı SE: Spesifik Enerji TKN: Toplam Kjeldahl Azotu TKOĠ: Toplam Kimyasal Oksijen İhtiyacı TOK: Toplam Organik Karbon TP: Toplam Fosfor AKM: Askıda Katı Madde UAKM: Uçucu Askıda Katı Madde UYA: Uçucu Yağ Asidi Atm: Atmosfer diğ: Diğerleri ix

12 x

13 ÇĠZELGE LĠSTESĠ Çizelge 2.1 : Ozon dezentegrasyon yönteminin çamur çözünürlüğüne etkisi Çizelge 2.2 : Ozonlanmış çamurun tam ölçekli uygulamaları Çizelge 2.3 : Cambi prosesinin uygulama örnekleri Çizelge 2.4 : Termokimyasal dezentegrasyon ile ilgili yapılan araştırmalar Çizelge 2.5 : Mekanik dezentegrasyon uygulama örnekleri Çizelge 2.6 : Çevre mühendisliğinde ultrasonik uygulamalar Çizelge 2.7 : Spesifik enerji değişimine karşın partikül boyutu değişimi Çizelge 2.8 : Ultrasonik yoğunluk ve süre ile ÇKOİ değişimi Çizelge 2.9 : Sonikasyon süresi ile protein konsantrasyonunun değişimi Çizelge 2.10 : Değişik sürelerde ÇKOİ ve metan üretiminin değişimi Çizelge 2.11 : Ultrasonik dezentegrasyon sonrası TN ve TP değişimi Çizelge 2.12 : Ultrasonik dezentegrasyon derecesinin değerlendirmesi Çizelge 2.13 : Farklı sonikasyon koşullarında organik katıların çözünürlüğü Çizelge 2.14 : Sonikasyon süresi ile ÇKOİ değişimi Çizelge 2.15 : Ultrasonik dezentegrasyon literatur özeti Çizelge 2.16 : Çeşitli dezentegrasyon yöntemlerinin avantaj ve dezavantajları Çizelge 2.17 : Dezentegrasyon yöntemlerinin ekonomik açıdan değerlendirilmesi. 37 Çizelge 2.18 : Mekanik dezentegrasyon teknikleri ile yapılan uygulama sonuçları. 38 Çizelge 2.19 : Santrifujleme işlemi sonrası sıvı faz içerisindeki artış Çizelge 2.20 : 24 günlük test sonunda ayrışabilirlik, metan ve biyogaz yüzdesi Çizelge 2.21 : Çeşitli dezentegrasyon yöntemlerinin CH 4 üretimine etkisi Çizelge 3.1 : Membran filtrelerin özellikleri Çizelge 4.1 : Yüksek enerji girişli ultrasonik dezentegrasyon yöntemi deney sonuçları Çizelge 4.2 : Düşük enerji girişli ultrasonik dezentegrasyon yöntemi deney sonuçları Çizelge 4.3 : Termokimyasal dezentegrasyon yöntemi deney sonuçları Çizelge 4.4 : Yüksek enerji girişli ultrasonik dezentegrasyon sonrası santrifujlenmiş kısmın boyut dağılımı Sayfa xi

14 Çizelge 4.5 : Termokimyasal dezentegrasyon sonrası santrifujlenmiş kısmın boyut dağılımı Çizelge 4.6: Düşük enerji girişli ultrasonik dezentegrasyon sonrası santrifujlenmiş kısmın boyut dağılımı xii

15 ġekġl LĠSTESĠ ġekil 2.1 : Çamur dezentegrasyonunun şematik gösterimi... 5 ġekil 2.2 : Spesifik enerji girişi ile dezentegrasyon derecesinin değişimi... 7 ġekil 2.3 : 30 dakikalık süre boyunca çeşitli alkali dozlarda ÇKOİ değişimi... 9 ġekil 2.4 : Ultrasonik dalgalar (ultrases) ġekil 2.5 : Sonix sistem ġekil 2.6 : Ultrasonik homejinizasyon ünitesi ġekil 2.7 : Aktif çamurun mikroskobik gözlemi ġekil 2.8 : Aktif çamurun, elektron mikro grafik kullanımıyla değişimi ġekil 2.9 : Özgül enerji girişimine karşın ÇKOİ değişimi ġekil 2.10 : Farklı enerji girişleri göre, amonyak miktarının değişimi ġekil 2.11 : Farklı sürelerde SOTH nin değişimi ġekil 2.12 : Farklı enerji girişleri ve toplam katı bileşiminde ÇKOİ oluşumu ġekil 2.13 : Farklı ph değerlerine göre ÇKOİ değişimi ġekil 2.14: Hidrodinamik arıtma süresine karşın ÇKOİ değişimi ġekil 2.15 : US ile ön arıtılmış çamurun aerobik çürütülmesi ġekil 3.1 : Ultrasonik homojenizatör sisteminin fotoğrafı ġekil 3.2 : Ultrafiltrasyon ünitesinin şematik gösterimi ġekil 3.3 : Deneysel çalışmada kullanılan ultrafiltrasyon ünitesi ġekil 3.4 : Santrifuj Cihazı ġekil 4.1 : Santrifujlenmiş kısmın boyut dağılımına karşı %KOİ/KOİ değişimi ġekil 4.2: Santrifujlenmiş kısmın diferansiyel KOİ (mg/l) ye göre değişimi ġekil 4.3 : Biyolojik çamurda N Bileşenleri Değişimi (X/S 0 =0.99 gr KOİ/gr UAKM) ġekil 4.4 : Biyolojik çamurda N Bileşenleri Değişimi (X/S 0 =0.44 gr KOİ/gr UAKM) ġekil 4.5 : İçsel Solunum Fazında N Bileşenlerinin Değişimi Sayfa xiii

16 xiv

17 DEZENTEGRE EDĠLMĠġ BĠYOLOJĠK ÇAMURUN DENĠTRĠFĠKASYON SĠSTEMLERĠNDE KARBON KAYNAĞI OLARAK KULLANILABĠLĠRLĠĞĠNĠN ARAġTIRILMASI ÖZET Biyolojik atıksu arıtma tesislerinden çıkan fazla çamurun miktarının azaltılması ve çevresel sorunlara yol açmadan uzaklaştırılması, giderek önem kazanan bir konudur. Çamurun organik madde içeriğinin ve patojen mikroorganizma konsantrasyonunun azaltılması amacıyla günümüzde yaygın olarak kullanılan çamur stabilizasyonu yöntemleri ile, çürütme prosesi sırasında organik maddeler tümüyle parçalanamadığı için, istenilen ölçüde stabil bir çamur üretilememektedir. Bu nedenle, çamurun stabilizasyon derecesini artırmak, daha fazla biyogaz elde etmek ve süreci hızlandırmak gibi amaçlarla çamur dezentegrasyonu denilen çeşitli ön işlemlerin geliştirilmesi son zamanlarda önem kazanmıştır. Çamur dezentegrasyonu, biyolojik, kimyasal ve fiziksel yöntemler kullanılarak dışsal zorlamalarla çamur floklarının kırılması ve mikroorganizmaların hücre duvarlarının parçalanarak hücre içindeki maddelerin çözünür formda sıvı faza geçirilmesi işlemidir. Oluşan sıvı faz, karbon, azot ve fosfor bileşikleri açısından oldukça zengindir ve aminoasitler, nükleik asit ve yağ asitleri gibi çözünmüş organik bileşikleri ve çözünür formdaki diğer organik bileşikleri içermektedir. Nütrient gideren atıksu arıtma tesislerinde, denitrifikasyon veya ileri biyolojik fosfor giderimi için çoğu zaman ihtiyaç duyulan ilave çözünmüş karbon kaynağı yerine dezentegre edilmiş çamur üst sıvısının bir kısmının kullanılabileceği düşünülmekle birlikte literatürde bununla ilgili araştırma oldukça kısıtlıdır. Bu çalışmada, iki farklı enerji girişi ile işletilen ultrasonik yöntem ve termokimyasal yöntem ile dezentegre edilmiş çamur üst suyunun konvansiyonel karakterizasyonuna ek olarak santrifüj sonrası üst fazda ultrafiltrasyon yöntemi ile boyut dağılım analizi yapılmış ve anoksik kesikli deneyler ile denitrifikasyon hız katsayıları belirlenmiştir. Enerji girişi artınca KOI/TKN oranının düştüğü, ÇKOİ/TKOİ oranı sabit kalmakla birlikte partikül boyutu 2 nm den küçük olanların yüzdesinin 11 den 23 e çıktığı, bu oranın termokimyasal dezentegrasyonda %71 ile en yüksek değere ulaştığı tesbit edilmiştir. Düşük enerjili ultrasonik dezentegrasyonla elde edilen çamur üst suyu ile yürütülen anoksik kesikli deneyler, spesifik denitrifikasyon hızının, içsel solunumla denitrifikasyon hızından yaklaşık 3 kat büyük olduğunu göstermiştir. Azot giderimi için ilave karbon kaynağına ihtiyaç duyulduğu durumlarda, dezentegre edilmiş çamurun tamamının anaerobik çamur çürütmeye verilmesi yerine stokiometrik olarak hesaplanacak bir kısmının anoksik tanklara geri verilmesinin azot giderimini iyileştireceği sonucuna varılmıştır. xv

18 xvi

19 AVAILABILTY OF DISINTEGRATED BIOLOGIC SLUDGE AS CARBON SOURCE IN DENITRIFICATION SYSTEMS SUMMARY The increasing amount of sludge that comes out of the biological wastewater treatment systems without causing negative effects on the environment has gained great importance. Sludge stabilization is one of the important processes applying to the sludge before the final disposal. It reduces organic matter content, and pathogen content of sludges. But organic matter can not be digested completely that is why much stable sludge can not be produced during digestion process. Therefore, some pre-treatment processes such as sludge disintegration have gained importance to increase sludge stabilization degree, obtain more biogas and speed up the processes. Sludge disintegration process can be described as breaking-up the sludge flocks by external biological, chemical, and/or physical means and disrupting cell membranes of microorganisms so change intracellular contents into the bulk liquid in a soluble form. This form contains carbon, nitrogen, phosphor components highly and dissolved other organic compunds such as amino acid, nucleic acid and oil acid. Supernatant that consists of disintegrated sludge should be used instead of the soluble carbon source within the wastewater treatment such as denitrification, the biologically enhanced nutrient elimination or the biologically enhanced phosphorus elimination. However, the studies are not enough in the literature. In this study, in addition to convensional characterization of disintegrated sludge supernatant with ultrasonic disintegration operated with two different energy input and thermochemical disintegration, particular size distrubition analysis is made with ultrafiltration metot within supernatant sludge and denitrification rate is determined with anoxic batch tests. When the energy input increases, COD/TKN degreases whereas SCOD\TCOD is steady. Percentage of the supernatant, which is smaller than 2nm, increases from 11 to 23. This rate has the highest value with % 71 in thermochemical disintegration method. Anoxic batch tests that are run by using supernatant supplied from ultrasonic disintegration with low energy, indicate that specific denitrification rate is approximately three times greater than denitrification rate of endogeneous decay. Instead of using all disintegrated sludge in anaerobic reactor, the part of this sludge that is calculated as stochiometrically should be returned to denitrification process when addition carbon source is needed. Therefore, efficiency of the nutrient removal is decided to get better. xvii

20 xviii

21 1. GĠRĠġ Son yıllarda artan atıksu arıtımı ihtiyacının doğal bir sonucu olarak çamur oluşumu da artmakta ve arıtma çamurlarının uzaklaştırılması giderek büyüyen, önem kazanan ve çözüm bekleyen bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu nedenle, arıtma çamurlarına anaerobik çürütme uygulamasından önce çamurun biyolojik ayrışmasının artırılması amacıyla çamurun hidrolizini hızlandırarak, hem çamur miktarında bir azalma yaratan hem de anaerobik çürütücü verimini artırarak daha küçük hacimler kullanılmasını sağlayan dezentegrasyon işlemleri yaygın hale gelmiştir. Çamur dezentegrasyonu çoğunlukla anaerobik çamur çürütmenin verimini artırmak, sistemin genel çamur miktarını azaltmak ve organik madde içeriğini düşürmek gibi amaçlarla kullanılmakla beraber evsel ve endüstriyel atıksu arıtma tesislerinde uygulanan biyolojik nütrient gideriminin başarısındaki en önemli faktör olan uygun karbon kaynağının temini için de alternatif olarak gündemde olan bir konudur. Dezentegrasyon işlemindeki diğer bir amaç, çamurun hidrolizi ile çok büyük moleküllerin küçük moleküllere parçalanması ve zor ayrışan bileşiklerin kolay ayrışan bileşiklere dönüştürülmesi ve dezentegrasyon ile deaktive olmuş biyokatıların biyolojik parçalanma için çok iyi bir besin kaynağı olmasını sağlamaktır. Bu konuda yapılan çalışma ile dezentegrasyona uğramış çamur üst suyunun, denitrifikasyon sistemlerinde karbon kaynağı olarak kullanılabilirliği hakkındaki kısıtlı bilgiye ulaşılabilmek amaçlanmaktadır. 1.1 Tezin Amacı Bu tezin amacı, çamura ultrasonik ve termokimyasal dezentegrasyon yöntemlerinin uygulanması ile çamur üst suyunun denitrifikasyon sistemlerinde karbon kaynağı olarak kullanımı ve nütrient gideriminde çıkış kalitesinin elde edilmesidir. 1

22 Bu kapsamda ultrasonik yöntem ile dezentegre edilmiş çamur üst suyunda, ultrafiltrasyon ile KOİ fraksiyonları belirlenmiş ve denitrifikasyon hızları ölçülmüştür. Bu amaç doğrultusunda, ilk olarak dezentegrasyon prosesi ve yöntemleri, dezentegrasyonun hangi amaç için yapıldığı anlatılmıştır. Bu çerçevede ikinci bölümde, dezentegrasyon sonrası oluşan çözünmüş faz özellikleri, dezentegrasyon yöntemlerinin anaerobik ve aerobik ayrışabilirliğie etkisi ve çalışmanın esas konusunu oluşturan, dezentegre edilmiş çamur üst suyunun karbon kaynağı olarak denitrifikasyon proseslerinde kullanımı hakkında bilgi verilmiştir. Üçüncü bölümde deneysel yaklaşım bulunmaktadır. Bu kapsamda, çamura uygulanan ultrasonik ve termokimyasal dezentegrasyon yöntemleri ile birlikte, ultrafiltasyon yöntemi ile gerçekleştirilen boyut analizi ve denitrifikasyon hızlarının belirlenmesi testleri verilmiştir. Dördüncü bölümde deney sonuçları ayrıntılı şekilde anlatılmış ve son bölümde deney sonuçları genel olarak değerlendirilmiş ve varılan sonuçlar ortaya konulmuştur. 2

23 2. ARITMA ÇAMURU MĠKTARININ AZALTILMASI VE ÖZELLĠKLERĠNĠN ĠYĠLEġTĠRĠLMESĠ AMACIYLA YAPILAN ÖN ĠġLEMLER Atıksu arıtma sistemi çamur, kum ve köpük tutma birimlerini ihtiva eder. Arıtma işlemi sonunda çıkan çamur genellikle sıvı veya yarı katı formda olup kullanılan prosese ve işletmeye bağlı olarak % oranında katı içermektedir. Çıkan çamur hacimce büyük olup, işlenmesi ve bertarafı giderek büyüyen, önem kazanan ve çözüm bekleyen bir problem olarak karşımıza çıkmaktadır. Atıksu tesisinin üniteleri seçilirken bu atıkların daha sonra nasıl bertaraf edileceği konusu mutlaka göz önüne alınmalıdır. Atıksu arıtma tesislerinden açığa çıkan çamurun arıtılması ve depolanması için uygulanacak yöntemler ham atıksuyun karakterizasyonuna, arıtma proseslerine, kullanılan kimyasallara, yönetmeliklere ve diğer pek çok özel koşullara bağlıdır. Ayrıca, çamur bertaraf sisteminin maliyeti ve işletme gerekleri, atıksu arıtma tesisine yakın hatta belki de daha fazla olabilmektedir. Özellikle arıtma çamurları tehlikeli atık sınıfına giren tesislerde, bu atıkların normal atıklarla karıştırılmadan özel yollarla bertaraf edilmesi gerekmektedir. Avrupa Birliği atık politikası da yönetim önceliklerinin hiyerarşisini baz almaktadır; Minimizasyon Geri kazanım Enerjiyi tekrar kazanarak yakma Düzenli depolama Bu nedenle proje mühendisi, çamur bertaraf sistemlerinin maliyetleri ve işletim verimlilikleri ve Avrupa Birliği direktiflerini de göz önüne alarak alternatifleri çok iyi değerlendirmelidir. Ülkemizdeki uygulamalara bakıldığında klasik çamur arıtma yöntemleri ile arıtılan çamurun nihai uzaklaştırma yöntemi çoğunlukla düzenli depolama alanlarına verilmesi şeklinde olmaktadır. Düzenli depolama alanlarına verilen arıtılmış 3

24 çamurdaki en önemli problem ise çamurun organik katı madde içeriğinin yeterince azaltılamamış olmasıdır. Klasik çamur arıtma yöntemleri olarak anılan ve arıtma tesisinden kaynaklanan çamurların biyolojik olarak stabilizasyonunun gerçekleştirildiği işlemler iki şekilde uygulama alanı bulmaktadır. Bunlardan ilki uzun havalandırmalı aktif çamur sistemleridir. Çamur stabilizasyonu yüksek çamur yaşlarında havalalandırılarak oksijenli ortamda sağlanmaktadır. Ancak, eşdeğer nüfusu fazla olan yerleşimler için uzun havalandırmalı aktif çamur sistemleri büyük tank hacimleri ve yüksek işletme enerjisi gerektirdiğinden, ilk yatırım ve işletme maliyetleri açısından uygun alternatif olmamaktadır. İkinci alternatif ise çamur stabilizasyonununun aktif çamur sisteminin dışında gerçekleştirilmesidir. Çamur stabilizasyonu aerobik ve anaerobik çamur çürütücülerle sağlanabilir. Aerobik çamur stabilizasyonunda, çamur yine uzun havalandırmalı sistemlerde olduğu gibi hava verilerek sağlanmakta ancak, uzun havalandırmalı aktif çamur sisteminden tek farkı çamurun yoğunlaştırılması nedeniyle daha küçük hacimlerde gerçekleştirilmesidir. Bunun yanında havalandırma için gerekli oksijen dolayısı ile enerji ihtiyacı değişmemektedir. Anaerobik çamur stabilizasyonunda ise çamur havasız ortamda stabilize edilmektedir. Bunun yanı sıra, toplam katı miktarının %30-40 azaltıldığı belirlenmiştir. Ancak, bu prosesin ilk yatırım maliyetinin yüksek olması ve nüfüs eşdeğerinden fazla olan atıksu arıtma tesislerinde çok fazla maliyet oluşturması gibi dezavantajları olduğu belirlenmiştir. Bu nedenle, arıtma çamurlarına anaerobik çürütme uygulamasından önce çamurun biyolojik ayrışmasının artırılması amacıyla çamurun hidrolizini hızlandırarak hem çamur miktarında bir azalma yaratan, hem de anaerobik çürütücü verimini artırarak daha küçük hacimler kullanılmasını sağlayan dezentegrasyon işlemleri yaygın hale gelmiştir. Çamur azaltma stratejisi olarak, geri devir çamurunun kısmi dezentegrasyonu da önerilmektedir. Çamur dezentegrasyonu ultrasonik ya da diğer mekanik, kimyasal, termal, biyolojik ve hibrit teknolojilerin kullanımı ile olmaktadır. Bu teknolojilerin kullanımı, yüksek yatırım ve işletme maliyetinin yanı sıra, tüm aktif çamur proseslerinde bazı dezavantajlar da içermektedir. Bu nedenle, geri devir çamuruna 4

25 dezentegrasyon uygulandığında, maliyet analizi ve çevresel etkilerinin değerlendirilmesi yapılmalıdır. 2.1 Dezentegrasyon Prosesi Dezentegrasyon işlemi biyolojik, kimyasal ve fiziksel yöntemler kullanılarak dışsal zorlamalarla çamur floklarının kırılması ve mikroorganizmaların hücre duvarlarının parçalanarak hücre içindeki maddelerin çözünür formda sıvı faza geçirilmesi işlemi olup, dezentegrasyon işleminin çamur özelliklerinde yarattığı değişiklikler üç farklı gruba ayrılabilmektedir ( Weemaes, 1998). Flok yapısının bozulması ve hücre parçalanması Çözünmüş maddelerin ve küçük partiküllerin salınması Biyokimyasal prosesler Hücre dezentegrasyonunun çamur karakteristikleri üzerine etkileri hidroliz, dezenfeksiyon, çökelme, susuzlaşma ve flokulasyon özelliklerinin iyileşmesi olarak belirtilmektedir. Çamur dezentegrasyonunun şematik gösterimi Şekil 2.1 de gösterilmektedir. ġekil 2.1 : Çamur dezentegrasyonunun şematik gösterimi. Dezentegrasyon işlemi, çamur çürüme işlemi ile karıştırılmakla birlikte, mekanizması itibariyle sadece organik maddenin indirgenmesi işlemini kapsayan çürüme işleminden oldukça farklı ve daha ileri bir arıtma tekniğidir. Dezentegrasyon mekanizmasının diğer bir aşaması olan hücre parçalanmasının partikül boyutu üzerine bir etkisi bulunmamaktadır. Çünkü dezentegrasyon nedeniyle parçalanmış hücre duvarı boyutu ile parçalanmamış hücre boyutları arasındaki 5

26 partikül boyutu farkı, partikül boyutu analizörü ile tanımlanamayacak kadar küçüktür. Partikül boyutundaki azalma, genellikle partikül hacmindeki azalma ile ilişkili olarak, artan yüzey alanı sebebiyle çamur içindeki katıların daha kolay hidroliz olmasını sağlamaktadır (Müller, 2004). Etkin bir dezentegrasyon sonucunda, çamur bünyesindeki organik maddelerin büyük bir kısmı sıvı faza geçmekte, sıvı faza geçemeyen katı çamur partikülleri ise büyük oranda inorganik maddeleri içermekte ve bu sebeple dezentegrasyon uygulanmış arıtma çamurları susuzlaştırma sonrasında daha yüksek katı madde içeriklerine ulaşmaktadırlar (Müller, 2003). Dezentegrasyon sonrasında sıvı faz, hücre içi bileşenleri olan aminoasit, nükleik asit ve yağ asitleri gibi çözünmüş organik bileşikleri ve çözünebilen formdaki diğer organik bileşenleri içermektedir. Sıvı faz karbon, azot ve fosfor bileşikleri açısından oldukça zengindir. Karbon bileşikleri daha sonraki biyolojik proseslerde kolaylıkla parçalanabildiklerinden bu bileşikler atıksu arıtımında denitrifikasyon veya ileri biyolojik fosfor giderimi proseslerinde karbon kaynağı olarak kullanılabilmektedir (Müller ve diğ., 2004; Vranitzky ve diğ., 2005). Dezentegre edilen çamurların anaerobik çürümesi, anaerobik proseslerde hız sınırlayıcı adım olarak bilinen hidroliz adımının daha da hızlı olmasını sağlamaktadır. Diğer yandan, dezentegrasyon tekniği olarak oksidasyon prosesleri kullanıldığında, katı fazda bulunan hücre parçaları (biyokatılar) biyolojik parçalanma için çok iyi bir besin kaynağı olabilmektedir. Böylece çamur daha stabil hale gelir ve anaerobik çürütücüde daha fazla biyogaz oluşumu olmakta olduğu belirlenmiştir (Vranitzky ve diğ., 2005). Dezentegrasyon işlemi ile çamur yapısında meydana gelen değişimlerden biri de çamurun viskozitesinin azalmasıdır. Çamurun viskozitesindeki azalma, çamurun çökelebilme özelliğini iyileştirmesinin yanı sıra, çamurun karıştırma ve pompaj işlemlerini de kolaylaştırılması açısından oldukça önemlidir Dezentegrasyon derecesi Çamurun dezentegrasyon işlemi sonrasında indirgenebilirlik özelliğini değerlendirmek amacıyla dezentegrasyon derecesi (DD) parametresi 6

27 kullanılmaktadır. Bu parametre oksijen tüketimi ve kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) ile % olarak hesaplanmaktadır. Dezentegrasyon derecesini oksijen tüketimi ile belirlemek için, ölçülen spesifik oksijen tüketimi OCm, arıtılmamış çamurun Ocu spesifik oksijen tüketimi ile ilişkilendirilir. DRo=[1 (OCm/OCu)] 100 [%] (1) Kimyasal oksijen ihtiyacının kullanılması ile dezentegrasyon derecesi, aşağıdaki denklemle belirlenir. DRKOİ=[(KOİm KOİu)/(KOİa KOİu)] 100 [%] (2) Burada; KOİm: dezentegrasyon sonrasında çamur sıvısındaki KOİ konsantrasyonu, KOİu: ham çamur sıvısındaki KOİ konsantrasyonu, KOİa: kimyasal dezentegrasyon sonrasında çamur sıvısındaki KOİ konsantrasyonu, olarak tanımlanmaktadır. Dezentegrasyon derecesi spesifik enerji girişine göre değişmektedir. Bu değişim Şekil 2.2 de gösterilmiştir (Müller, 2000a). ġekil 2.2 : Spesifik enerji girişi ile dezentegrasyon derecesinin değişimi Son yıllarda çamurun ileri derecede stabilizasyonuna, dolayısıyla atık çamur miktarının en aza indirilmesi ve daha fazla biyogaz üretiminin sağlanmasına yönelik olarak pek çok dezentegrasyon metodu araştırılmaktadır 7

28 Dezentegrasyon metotları 4 aşamadan oluşmaktadır (Filibeli ve Kaynak, 2006; Ødegaard, 2004). Kimyasal Dezentegrasyon - Bazik Ortamda Çamur Dezentegrasyonu - Fenton Prosesi - Ozon Arıtımı Fiziksel Dezentegrasyon - Termal Dezentegrasyon - Kimyasal ve Termokimyasal Dezentegrasyon Biyolojik Dezentegrasyon - Enzim Kullanımı - Otoliz Mekanik Dezentegrasyon - Yüksek Basınçlı Homojenizasyon Ünitesi - Karıştırıcı Bilyeli Değirmenler - Lysate Santrifüj Yoğunlaştırıcı - Mekanik Jet Tekniği - Yüksek Performanslı Elektrik Akımı Tekniği - Ultrasonik Dezentegrasyon Kimyasal dezentegrasyon Bazik ortamda çamur dezentegrasyonu Bazik ortam koşulları, hidrolizin gelişmesine ve yağ, hidrokarbon ve proteinlerin, alifatik asitler, polisakkaritler ve aminoasitler gibi daha küçük ve çözünebilir maddelere dönüşümüne olanak sağlamaktadır. Bazik ön arıtma sistemlerinin kullanıldığı çalışmalarda NaOH in kirece göre daha yüksek bir çözünürlük verimine sahip olduğu belirlenmiştir. Çünkü Ca 2+ ve Mg 2+ gibi katyonlar, hücre dışı polimerik maddeler ile hücrelerin bağlanmasında temel 8

29 maddelerdir. Kalsiyum katyonlarının artması ile organik polimerlerin yeniden floklaştığı ve çözünürlüğün azaldığı Şekil 2.3 de gösterilmiştir (Filibeli ve Kaynak, 2006). ġekil 2.3 : 30 dakikalık süre boyunca çeşitli alkali dozlarda ÇKOİ değişimi. Fenton prosesi, hidrojen peroksitin oksitleyici etkisi ve demir (II) tuzunun katalizörlüğünde gerçekleşen bir ileri oksidasyon prosesidir. Fotofenton reaksiyonları organik kirleticilerin ayrışmasından sorumludur. Fenton reaksiyonları, demirin katalizlenmesi ve H 2 O 2 nun ayrışması ile asidik çözeltide hidroksil radikalleri üretir. Fe 2+ + H 2 O 2 Fe 3+ +OH +OH - (1) Fenton ve fotofenton reaksiyonlarının hızı, ışık şiddeti, demir konsantrasyonu, hidrojen peroksit dozajı ve ph gibi sistem parametrelerine bağlıdır. Fenton prosesi çamur susuzlaştırmada kullanılmaktadır. Bunun yanı sıra laboratuar ölçeğinde yapılan bir çalışmada, fenton prosesi kentsel nitelikli bir arıtma çamuruna uygulandığında, artan hidrojen peroksit dozuna bağlı olarak, sıvı fazda KOİ, azot ve fosfor değerlerinin arttığı, fenton prosesinin çamur dezentegrasyon derecesini artırdığı ve çamurun anaerobik çürümesi öncesinde bir ön arıtma işlemi olarak kullanıldığında stabilizasyonun derecesini artıracağı belirlenmiştir (Filibeli ve Kaynak, 2006). 9

30 Ozon arıtımı Ozon normal sıcaklık ve basınçta gaz halindedir. Ozonun suda çözünürlüğü, sıcaklığa, ozonun gaz fazındaki kısmi basıncına ve ph a bağlıdır. Bozunma OH - iyonu, O 3 ün radikal bozunma ürünleri, çözünen organik maddelerin bozunma ürünlerine, alkali, geçiş metalleri, metal oksitler ve karbon gibi maddelerin varlığı ile katalizlenir. OH radikallerinin ozon oksidasyonundaki rolünün belirlenmesine yönelik olarak Rc değeri kullanılmaktadır. Bu değer, ozonun OH radikallerine oranı olarak ifade edilmektedir. Bakteriler genel olarak polisakkaritlerle çevrilmiş olan bir hücre duvarı, bir stoplazmik membran ve genetik bilgileri taşıyan kromozomu bulunduran stoplazmadan oluşmaktadır. Hücre sıvısı nötral ph seviyelerinde olup; yüksek konsantrasyonda bikarbonat iyonları içermektedir. Bu koşullarda ozonun radikal hareketi hücre içerisinde inhibe edilmektedir. Diğer yandan, stoplazmik membran içeriğindeki çok sayıda proteinden dolayı ozon reaksiyonlarının gerçekleşmesi için bir alan sağlamaktadır. Kalıntı ozon bu membranı geçtiğinde, stoplazma ve kromozom ozon reaksiyonları için tercih edilen alan olacağından ve nükleik asitler ozon tarafından parçalanarak ozon dezentegrasyonu gerçekleşmektedir. Çamurun çözünebilmesi ve miktarının azaltılması, ozon dozajına bağlı olduğu, çeşitli araştırmacılar tarafından belirlenmiştir. Ozon arıtımı için, maliyet analizi ve enerji tüketim miktarı araştırıldığında, ozon dezentegrasyonun, çamur arıtımı ve uzaklaştırma için yapılan işletme maliyetini azalttığı, bu nedenle, ozonun yatırım ve işletme maliyetini karşıladığı belirlenmiştir (Böhler ve diğ., 2004 ). Ozon dezentegrasyonu ile ilgili dünya çapında laboratuar ölçekli çalışmalar yapılmasına karşın, Japanya ve İtalya da tam ölçekli tesislerde uygulamaları yapılmıştır (Zhang ve diğ., 2009). Zhang ve diğerleri (2009), ozon dezentegrasyonun çamur azaltma üzerindeki etkilerini araştırdıklarında, çamur miktarındaki azalmanın %6,3 lük kısmının 10

31 aerobik kısımda,%14,7 lik kısmının ise anoksik/aerobik bölgede olduğunu ifade etmişlerdir. Çamurun ozonlanması, UAKM/AKM oranının ve ph değerinin azalmasına yol açar. Ham çamur içindeki %78 lik UAKM/AKM oranı, 0.16 g O 3 /g katı madde ozon dozu kullanılarak yapılan dezentegrasyon sonucu % 73 değerine azalırken, 0.5 g O 3 /g katı madde ozon dozu kullanılarak yapılan dezentegrasyon ile de ph değerinin 6.2 den 3 e azaldığı belirlenmiştir. Buna ilaveten, ozon dozunun artırılması ile suyu oluşturan bağların hızlıca azaldığı ve çamurun su içeriğinin azaldığı bulunmuştur. Zeta potansiyelinin ise bu artan ozon dozajı ile artmış olduğu belirlenmiştir (Bougrier ve diğ., 2006). Çamurun, farklı dozlarda katı madde ozon dozu kullanılarak dezentegre edilmesi ile partikül çapının, ozon dozuna bağlı olarak %10-30 arasında azaldığı, ancak düşük ozon dozu kullanımı ile partikül boyutta çok büyük değişimlerin olmadığı yapılan farklı araştırmalarla belirlenmiştir (Zhang ve diğ., 2009; Bougrier ve diğ., 2006; Zhao ve diğ., 2007). Çamurun ozon ile farklı dozlarda dezentegre olmasının partikül boyutu üzerine etkisi, yüksek ozon dozlarının kullanılması ile çamur floklarının yıkılmasının yanı sıra, küçük partikül madde miktarında artış olduğunu ve bu artışın, ozon dezentegrasyonu sonrası çamur çözünürlük verimini artırdığı da çeşitli araştırmacılar tarafından desteklenmektedir. Farklı özellikteki çamur örneklerinin, çözünürlük verimleri üzerindeki değişimler Çizelge 2.1 de gösterilmiştir. Çizelge 2.1 : Ozon dezentegrasyon yönteminin çamur çözünürlüğüne etkisi Başlangıç Toplam Katı Konsantrasyonu (mg/l) Ozon Konsantrasyonu (mg/l) Ozon Dozu (g O3/g TK) İşletme Modu Verim (%) Referanslar Sürekli Mantero ve diğ., Kesikli Sieven ve diğ., Kesikli 90 Lee ve diğ., Kesikli Bougrier ve diğ., Kesikli 45 Park ve diğ., Kesikli Mines ve diğ., Kesikli 58.9 Cui ve Jahng, 2004 Ozon ile dezentegrasyon yönteminin diğer avantajı ise, son yıllarda arıtma tesislerinde uzaklaştırılması maliyetli olan çamur miktarını azaltmaktır. Bu 11

32 yöntemin, tam ölçekli tesislere uygulandığında çamur miktarı azalım yüzdelerinin değişimini Çizelge 2.2 de verilmiştir (Erdoğan, 2005). Çizelge 2.2 : Ozonlanmış çamurun tam ölçekli uygulamaları. Kapasite Atıksu Tipi Ozonlama Süre Çamur Azalımı (%) Referanslar Geri Devir Çamurunun Bir Kısmının Ozonlanması 450 m 3 /gün Evsel 4.5 m 3, 0.034g O 3 /g TK 550 kg /gün İlaç g O 3 /g TK'den büyük m 3 /gün Endüstriyel 3-4 kg O 3 /sa, g O 3 /g TK 850 m 3 /gün Mezbahane 045kg O 3 /sa, g O 3 /g TK 9 ay 100 Sakai ve diğ., ay 100 YasuietaL, ay 40 Vergine ve diğ., yıl Wolff ve H wren, Fiziksel dezentegrasyon Termal dezentegrasyon Termal dezentegrasyon metodu, C sıcaklık ve kpa basınç aralığında gerçekleştirilen fiziksel dezentegrasyon yöntemidir. Bu yöntem çamura uygulandığında, çamur flok yapısı bozulmakta ve mikrobiyal hücre duvarları tahrip edilmektedir. Hücre duvarının parçalanması ile hücre duvarı tarafından korunan maddeler sıvı faza geçmekte ve çözünür forma dönüşmektedir (Vranitzky ve diğ., 2005). Termal dezentegrasyon uygulamalarına bakıldığında, Cambi prosesi çamurun termal dezentegrasyonu amacıyla kullanılan patentli prosestir. Bu proses, Danimarka, Norveç, İrlanda ve İngiltere de olmak üzere 4 tam ölçekli tesiste uygulanmış ve dezentegrasyon uygulaması, 30 dakikada ve yaklaşık C sıcaklıkta yapılmıştır. Sonuç olarak, katıların yaklaşık %30 unun çözünebildiği ve biyogaz oluşumunun, konvansiyonel atıksu arıtma tesisi ile karşılaştırdığında, 1,5 kat daha iyi verimler sağladığı, bunların yanı sıra çamur miktarında azalma, biyogaz artışı ve susuzlaştırma özelliğinin iyileştiğini de bu proses ile kanıtlanmıştır. Cambi prosesinin çeşitli uygulama alanlarında, çamur özeliğindeki değişmleri Çizelge 2.3 de verilmiştir (Drawnel, 2008). 12

33 Çizelge 2.3 : Cambi prosesinin uygulama örnekleri. Tesis Kapasite (ton/yıl) Uygulama Etkiler Biyogaz Kullanımı Oxley Creek, Brisbane, Avustralya Çamur keki %30-35 Elektrik ve proses akımında yeniden kullanma WWTP Kapusciska, Polonya %50 çamur azalımı, %35 toplam katı artışı, %40 elektrik artışı Elektrik, proses akımı ve bölgesel (tesis) ısıtmada yeniden kullanma Brüksel, Belçika Çamur azalımında artış Termal Dezentegrasyona akım üretmek Fredericia, Danimarka %100 Biyogaz, %50 susuzlaştırma Elektrik, proses akımı ve tesis ısıtmada yeniden kullanma Norveç Çamur azalımında artış Danimarka Thames Water, Chertsey, İngiltere HIAS, Hamar, Norveç %34 susuzlaştırabilirlik, 4708 tondan 1840 tona kek azalımı Çözünmüş katının %2'den %3,5'a artması, %60 UAKM azaltılması %70 Çamur azalımı Püskürtmeli kurutucu için ısıtma Elektrik, proses akımı ve tesis ısıtmada yeniden kullanma Elektrik, proses akımı ve tesis ısıtmada yeniden kullanma Elektrik, proses akımı ve tesis ısıtmada yeniden kullanma Kimyasal ve termokimyasal dezentegrasyon Termokimyasal dezentegrasyon yöntemi, normal basınçta, C sıcaklık değerinin altında, çamura asit yada baz ilavesi ile gerçekleşmektedir (Ødegaard, 2004). Termal dezentegrasyon işleminde yüksek sıcaklıklarda başarılı sonuçlar elde edilmesine rağmen, termokimyasal dezentegrasyon yönteminde düşük ya da normal sıcaklıklarda da başarılı sonuçlar sağlanmıştır. Termokimyasal dezentegrasyon yönteminin çeşitli amaçlarla kullanımı birçok araştırmacı tarafından belirlenmiştir. Woodard ve diğerleri (2004), yüksek sıcaklıklarda süllfürik asitle atık aktif çamurun termokimyasal ön arıtımını ve asit dozunun, sıcaklığın, zamanın ve başlangıç askıda katı konsantrasyonlarının etkisini araştırmışlardır. Oda sıcaklığında, 5 dakika süre ile 4 gram sülfürik asit/akm ilavesi ile yürüttükleri çalışmada, toplam katı madde konsantrasyonunda azalma olduğunu ve asit dozunun, çözünürlüğü tek başına 13

34 etkileyebilen bir parametre olduğunu belirtmişlerdir. Asit ilavesi (H 2 SO 4 ) ile yapılan dezentegrasyon yönteminde, çok hızlı hidrolizin gerçekleştiği ve uçucu yağ asidinin azaldığı da gözlemlenmiştir. Smith ve Goransson (1992), yüksek ph değerlerinin yanı sıra, düşük ph değerlerinde, termokimyasal dezentegrasyonun değişimini araştırmışlardır. Hidrojen klorür (HCL) ya da sülfürik asit (H 2 SO 4 ) kullanılarak yürütülen termokimyasal dezentegrasyonda, hidrojen klorürün çözünürlükte daha iyi sonuçlar verdiğini bulmalarına rağmen, denitrifikasyondaki verimin sülfürik asit (H 2 SO 4 ) kullanıldığında elde edilen verimden daha az olduğunu belirlemişlerdir. Yapılan bu araştırmalara göre, asidite ve alkalinitenin çözünürlük üzerinde etkileri olduğu, bunun yanı sıra sıcaklık değişiminin de sonuçlara etki ettiği sonucuna varılmaktadır. Termokimyasal dezentegrasyon yönteminin, farklı işletme koşullarında çamura uygulanması ile çamurun yapısında meydana gelen değişimler, çeşitli araştırmacılar tarafından yapılan çalışmalar ile Çizelge 2.4 de gösterilmiştir. 14

35 Çizelge 2.4 : Termokimyasal dezentegrasyon ile ilgili yapılan araştırmalar. İşletme Parametreleri Sonuçlar Referans C, dak, p H=1-2, H 2 SO4 ilavesi Partikül organik maddenin %40'ının çözünmüş olduğu belirlenmiştir C, NaOH ilavesi p H=9 ÇKOİ/TKOİ oranının %35 arttığı belirlenmiştir C, 5 dak, 0.3 gr NaOH/UAKM C, 5 dak, 4 gr H 2 SO4/AKM ÇKOİ/TKOİ, karbon, protein ve yağ oranının %45, %90, %44, %61 arttığı belirlenmiştir. Hidroliz hızının artışı, uçucu yağ asidi miktarının azalışı gözlemlenmiştir C, p H=12 ÇKOİ/KOİ oranının %38 arttığı belirlenmiştir. (Ødegaard, 2004) (Marjoleine ve diğ.,1998) (Woodard ve diğ., 1994) (Woodard ve diğ., 1994) (Yiying ve diğ., 2009) C, 5 dak, 0.3 gr NaOH/UAKM, kombine atıksu Metan üretiminin %200' den fazla arttığı, çözünürlüğün %40-50 arasında olduğu belirtilmiştir. (Tanaka, 1997) Biyolojik dezentegrasyon Organik madde içerisinde bulunan büyük moleküller, küçük moleküllere mikroorganizmaların salgıladıkları enzim ile dönüşmektedir. Biyolojik çamur dezentegrasyonu da mikroorganizmaların enzim aktivitesine bağlıdır. Genellikle, nütrient gideriminde, karbon kaynağı sağlamak için biyolojik dezentegrasyon yöntemi uygulanabilir. Hatziconstantinou ve diğerleri (1999), sıcaklık ve hidrolik bekletme süresinin değişimi ile biyolojik dezentegrasyonun nasıl değişebileceği hakkında çalışmışlardır. Buna bağlı olarak sıcaklık ve hidrolik bekletme süresinin artırılması ile, çözünmüş KOİ miktarının artmış olduğunu belirlemişlerdir Termofilik bakterilerin kullanımıyla gerçekleģtirilen yüksek sıcaklıkta çamur stabilizasyonu Oto termal termofilik aerobik çürüme işlemi (ATAD) bir biyolojik stabilizasyon yöntemidir. Kentsel arıtma çamurlarının ve konsantre organik atıkların stabilizasyonu ve dezenfeksiyonu için kullanılmaktadır. Yüksek konsantrasyonda organik madde içeren atıklar havalandırıldıklarında metobolik oksidasyon sırasında çevreye ısı verilmektedir. Sistemde mevcut olan termofilik bakterilerin yüksek reaksiyon hızları biyolojik olarak indirgenebilir konsantre organik atıkların indirgenmesini kolaylaştırmaktadır. Sistem, ilave bir ısı temini olmaksızın C arasındaki 15

36 termofilik sıcaklıklarda işletilen, tek veya çok kademeli aerobik çürütücülerden oluşmaktadır. Organik madde içeriği yüksek olan arıtma çamurları, çeşitli endüstriyel atıklar ve hayvansal atıklar; tam karışımlı, ısı kayıpları önlenecek şekilde iyi izole edilmiş ve biyokimyasal oksidasyon için yeterli miktarda hava sağlanan bir reaktörde aerobik olarak çürütüldüklerinde, biyolojik indirgenebilir katıların oksidasyonu sırasında açığa çıkan ısı, sistem sıcaklığını termofilik seviyelere çıkarmak için yeterli olmaktadır. Sistemdeki yüksek işletme sıcaklıklarına bağlı olarak organik madde indirgenmesinin yanısıra, atığın içerdiği patojenik organizmalar da giderilerek tam bir dezenfeksiyon sağlanmaktadır. Sistemin diğer avantajları ise yüksek sıcaklıklarda reaksiyon hızlarındaki artışa bağlı olarak reaktör hacmi ve maliyetin düşük olması, biyokatı beslemesi için bir ön arıtma gerekmemesi, sistemin işletim kolaylığı ve enerji gereksinimlerinin diğer aerobik arıtma sistemlerine göre az olması ( 7 kwh/kg KM) şeklinde sıralanabilmektedir (Kelly, 1999; AbuOrf ve diğ., 2001; Kelly ve Donal, 2003) Enzimatik ön arıtım Atıksuyun ön arıtımında uygulanan diğer bir yöntem enzimatik ön arıtımdır. Biyolojik parçalanmaya karşı dirençli kirleticilere karşı enzim kullanımının, geleneksel arıtıma göre pek çok üstünlüğü vardır. Arıtım sürecinde kirleticilerin hidroliz basamağı, parçalanmayı sınırlayan en önemli basamaktır. Enzimler, substratın fonksiyonu olarak organik maddelerin parçalanmasını katalizler. Uzun zincirli proteinlerin, karbonhidratların veya lipidlerin üzerine etki yaparak parçalar. Enzimatik ön arıtım işlemi ile başlangıçtaki ham bileşikten farklı özelliklere sahip, daha kolay asimile edilebilen hidroliz ürünlerinin oluşumu sağlanır Mekanik dezentegrasyon Yüksek basınçlı homojenizasyon ünitesi Yüksek basınçlı homojenizasyon ünitesi, çok kademeli bir yüksek basınç pompası ve bir homojenizasyon valfından oluşmaktadır. Yüksek basınç pompası, 300 m/s hızındaki valf ile çamura güç uygulamakta ve çamur partikülleri içerisinde kavitasyon baloncukları oluşmaktadır. Bu baloncuklar, sıcaklık ve basınç artışına neden olmakta ve çamur dezentegrasyonu için gerekli koşulları yaratmaktadır. 16

37 Yüksek basınçlı homojenizasyon ünitesinde mikroorganizma dezentegrasyonu ani basınç salınımının yarattığı kavitasyon nedeniyle olmaktadır (Müller, 2000a) KarıĢtırıcı Bilyeli Değirmenler Karıştırıcı bilyeli değirmenler, yaklaşık 1 m 3 hacminde, içerisi tamamıyla öğütücü bilye ile dolu olan düşey veya yatay monte edilen silindirik veya konik bir değirmenden ve bu değirmen içine monte edilen bir karıştırıcıdan oluşmaktadır. Bilyeler genelde 0,2 0,3 mm çapındaki taş malzemedir. Karıştırıcı değirmen içerisinde rotasyon sağlanmaktadır. Mikroorganizma dezentegrasyonu, rotasyon sırasında bilyeler birbirine çarparken oluşan kayma ve basınç gerilmelerinin etkisiyle olmaktadır (Müller, 2000a) Lysate santrifuj yoğunlaģtırıcı Lysate santrifüj yoğunlaştırıcı, bir santrifüj yoğunlaştırıcı ve yoğun çamur deşarj noktasına yerleştirilen bir dezentegrasyon ünitesinden oluşmaktadır. Santrifüj eksenine entegre edilen özel parçalayıcılar olan lysate halkaları ile hücre dezentegrasyonu gerçekleşmektedir. Bu yolla çamurun öğütülmesi değil, hücre yapısının parçalanması sağlanmaktadır. Dezentegrasyon için ilave enerji gereksinimi az olmakta ancak buna bağlı olarak oldukça düşük dezentegrasyon derecelerine ulaşılmaktadır. Dohányos (2004), tam ölçekli bir lysate santrifüj yoğunlaştırıcı ile yaptığı çalışmada, dezentegrasyon düzeneği monte edilmiş olan santrifüj kullanımıyla özgül biyogaz üretiminin, büyük ölçekli bir arıtma tesisinde % 7,5, orta ölçekli bir arıtma tesisinde ise % 26 oranında arttığını ifade etmiştir. Zabranska ve diğerleri (2006), ise ölçekli bir lysate santrifüj yoğunlaştırıcı ile yaptığı çalışmada, biyogaz üretiminin %15 den %26 ya kadar arttığını ifade etmiştir. Çizelge 2.5, mekanik çamur dezentegrasyonu yönteminin, çamur üzerindeki değişimini farklı araştırmacıların yaptığı çalışmalarla ortaya koymaktadır. 17

38 Çizelge 2.5 : Mekanik dezentegrasyon uygulama örnekleri. Ölçek Malzeme Süre Laboratuar Yüksek Basınç Kesikli Karıştırıcı bilye Biyogaz Artışı 30 dakika %81 9 dakika %10 Diğer Etkiler %136 ÇKOİ artışı %20 UAKM azalma Referans Machnicka ve diğ. (2005) Baier ve Shmidheiny, (1997 Laboratuar Karıştırıcı - - %36 fazla çamur Strunkmann ve diğ. (2006) bilye azalımı Laboratuar Santrifuj - %84 - Dohanyos ve diğ. (2006) Tam Mikro Çamur Mekanik Jet Tekniği 24 saat %16 %90 viskozitede azalma Stephenson ve diğ. (2007) Mekanik jet tekniği, çözünmüş hava flotasyonu işlemine benzer şekilde çalışmaktadır. Bu yöntemde çamur 50x105 Pa (509858,1 kg/m 2 ) ile basınçlandırılır ve ardından basıncın kaldırılmasını sağlayan bir ağızdan m/s hızla çıkarak bir plakaya çarpıp, parçalanmaktadır (Müller, 2000b) Yüksek performanslı elektrik akımı tekniği Yüksek performanslı elektrik akımı tekniği, bir elektro-hidrolik teknik olup, bu işlemde çamura 10 milisaniyeden daha küçük periyotlarda mega watt aralığında elektrik akımı verilmekte ve bu akım katı ve sıvı ortamlarda şok dalgalar oluşturması ile hücre dezentegrasyonu işlemi gerçekleşmektedir (Müller, 2000b) Ultrasonik dezentegrasyon Ultrasonik insanların duyabileceği üst limitin ötesindeki ses olarak tanımlanmaktadır. Normal işitme aralığı 16 Hz ve yaklaşık 18 khz arasındadır ve 20 khz den daha büyük tüm sesler genellikle ultrasonik olarak düşünülmektedir. Ince ve diğerleri (2001), frekansların üç aralığını belirlemişlerdir: Yüksek frekans (2-10 MHz) Orta frekans ( khz) Düşük frekans ( khz) Ultrasonik dalgaların oluşturduğu ses aralığı Şekil 2.4 de gösterilmektedir. 18

39 ġekil 2.4 : Ultrasonik dalgalar (ultrases). Ultrasonik dezentegrasyon uygulaması çamur ön arıtımı işlemi olarak kullanılmasının yanı sıra, farklı uygulama alanlarında da kullanıldığı Çizelge 2.6 da gösterilmiştir (Mason, 2005; Neis ve Tiehm, 1999) Çizelge 2.6 : Çevre mühendisliğinde ultrasonik uygulamalar. Biyolojik Arıtma (Radikal etki ile dezenfeksiyon) Kimyasal Arıtma (Kolay giderilemeyen kirleticilerin radikal veya termal etki ile ayrışması) Atıksu Çamur Temiz su Diğer Uygulamalar Borularda meydana gelen iç kireçlenmenin giderilmesi Kimyasal Arıtma (Kolay giderilemeyen kirleticilerin radikal veya termal etki ile ayrışması) Kabaran çamurun ayrışması (Mekanik etki ile çamur dezentegrasyonu ) Biyolojik nütrient giderimi (Mekanik etki ile çamur dezentegrasyonu ) Aerobik Ayrışma (Mekanik etki ile çamur dezentegrasyonu ) Anaerobik Ayrışma (Mekanik etki ile çamur dezentegrasyonu ) Çamur susuzlaştırma (Mekanik etki ile çamur dezentegrasyonu ) Hava Temizleme Toprak iyileştirme Ultrasonik uygulamalar, fiziksel ve kimyasal durumların anlaşılmasını sağlayan ve iyi bir bilgi olmaksızın kontrol edilemeyen işletme parametrelerine oldukça duyarlıdır. En çok kullanılan genel parametreler aşağıda tanımlanmıştır. Ultrasonik Frekans: Bir saniye içindeki titreşim veya çevrim sayısıdır.[khz] ile ölçülür. Ultrasonik Güç Şiddeti: Transduser alan başına sağlanan güçtür. [W cm -2 ] olarak ölçülür. Ultrasonik Güç Yoğunluğu: Numune hacmi başına sağlanan güçtür. [W L -1 ] veya 19

40 [W cm -3 ] olarak ölçülmektedir. Ultrasonik Enerji Dozu: Numune hacmi başına enerji girişidir. [kj L -1 ] veya [kwsa L -1 ] olarak ölçülmektedir. Ultrasonik Enerji Yoğunluğu ya da Özgül Enerji: Çamurun toplam katı madde içeriğine göre enerji girişidir. [kj kg -1 ] veya [kwsa kg -1 ] olarak ölçülmektedir. Ultrasonik sistemler, genellikle sıvıya ve özellikle de çamura uygulanan akustik güç metotları olarak 3 kısımdan oluşmaktadır. Prop sistemler Tüp sistemler Yıkama reaktörleri Prop sistemler, çevresel araştırma ve laboratuar ölçekli çalışmalarda sık sık kullanılmaktadır. Ultrasonik sistemlerin tam ölçekli uygulamalarının birçoğu bu sitemden uyarlanmıştır. Elliott ve Mahmood (2007), tam ölçekli çamur dezentegrasyonunda en genel kullanılan sistemleri belirlemişlerdir. Soniko Ltd.tarafından Sonix (İngiltere) Ultradalga GmbH tarafından Sonolyzer (Almanya) ġekil 2.5 : Sonix sistem Prop sistemlerde, tek bir güç çevirici, hız dönüştürücü ile kimyasal reaksiyon içerisindeki enerjiyi bağlamaktadır. Çamur dezentegrasyonunda, güç çevirici başına 20

41 enerji girişi 1 ve 6 Kw arasında olduğu belirlenmiştir. Başka bir araştırmacıya göre ise bu enerji girişinin 16 Kw a kadar çıktığı ifade edilmektedir ( Hielscher, 2005). Pratikte, güç çevirici elektrik enerjisini mekanik harekete çeviren elektrikli cihazdır. Bu hareket daha sonra sese dönmektedir ve genellikle artmakta olan bir sestir. Ultrasonik homojenizasyon ünitesi ise, 20 ile 40 khz aralığında yüksek voltaj sağlayan bir jeneratör, piezoelektrik materyal olarak kullanılan ve elektriksel gücü mekanik güce çeviren bir seramik kristal ve gücü sıvıya transfer eden bir probtan oluşmaktadır. Şekil 2.6 da şematik olarak gösterilmektedir. ġekil 2.6 : Ultrasonik homejinizasyon ünitesi. Ultrasonik işlem sıvı fazda kabarcık oluşumuna sebep olmaktadır. Bu kabarcıklar belirli (kritik) bir büyüklüğe ulaştıklarında sönerek sıvı-gaz ara yüzeyinde bölgesel bir sıcaklık artışına ve yüksek basınca, sıvı fazda ise türbülansa ve kayma kuvvetlerine neden olmaktadır. Bu olağan dışı bölgesel koşullar radikal oluşumu ile sonuçlanmaktadır (Bougrier ve diğ., 2005). Ultrasonik arıtma kullanılarak yapılan çamur dezentegrasyonunda etkili olan dört yol 1. hidromekanik kayma kuvvetleri, 2. ultrasonik radyasyon altında üretilen OH, H, N, O radikallerinin oksitleyici etkisi, 3. çamur içinde yer alan hidrofobik maddelerin termal ayrışması, 21

42 4. ultrasonik çamur dezentegrasyonu süresince meydana gelen sıcaklık artışı olarak verilmektedir. Yukarıda verilen etkiler göz önüne alınarak ultrasonik arıtımı, radikallerin kullanıldığı kimyasal reaksiyonlar, piroliz, yanma ve kayma kuvvetlerinin oluşturduğu bir birleşim olarak ifade etmek mümkündür. Dezentegrasyonun gerçekleşmesinde ilk iki etki çok önemli rol oynamaktadır. Ultrasonik radikallerin etkisi incelendiğinde oluşan OH radikali miktarı diğer radikallere oranla çok daha fazla olduğundan dezentegrasyon işlemi büyük ölçüde OH radikalinin oksitleyici etkisiyle gerçekleşmektedir. Ultrasonik arıtma sırasında sıcaklığın artması ile stoplazmik membrandaki yağ çözülerek membran üzerinde küçük delikler oluşturmaktadır. Hücre içi maddelerin bu deliklerden bırakılması ile dezentegrasyon gerçekleşmektedir. Ancak çamurda sıcaklık artış hızı oldukça düşüktür. Atık aktif çamur içerisinde hidrofobik madde miktarının az olması sebebiyle bu yolla gerçekleşen dezentegrasyon da ihmal edilebilecek düzeydedir. Sisteme verilen enerji, ultrasonik frekans ve giriş çamurunun özellikleri (ph, katı madde içeriği vb) ultrasonik arıtma mekanizmasını etkileyen en önemli faktörlerdir. Hücre dezentegrasyonu, sisteme verilen enerji miktarı ile orantılıdır.(muller,2001) Sisteme verilen enerji artırıldığında, dezentegrasyonun derecesi de artmaktadır. Yüksek frekans uygulaması radikaller tarafından oksidasyon sağlarken, düşük frekanslar basınç dalgalarına benzer mekanik ve fiziksel bir etki yaratmaktadır. Zhang ve diğerlerinin (2006), yaptıkları çalışmada 30 dakika süreyle 0,5 W/mL güç ve 25 khz frekansta uygulanan ultrasonik işlemin çamur floklarını % 30,1 oranında dezentegre ettiğini, katı madde kütlesini %23,9 oranında azalttığını ve çamurdaki canlı aktivitesini %95,5 oranında düşürdüğünü ifade etmiştir. Tiehm ve diğerleri (2001), çamur dezentegrasyonu amacıyla 3.6 kw, 31 khz şiddetindeki ultrasonik enerjiyi 64 saniye süreyle uygulamanın çamur içindeki organik maddeleri açığa çıkardığını ve anaerobik çürüme zamanını 22 günden 8 güne indirdiğini ifade etmişlerdir. Ultrasonik sistemin proses optimizasyonu ve dizaynı için bazı kriterler dikkate alınmalıdır; (a) Seçilen ultrasonik sistemin verimi, partiküllerin dönüşümü (b) Hücre yıkımı için gerekli olan, minimum enerji girişinin değerlendirilmesi 22

43 (c) Maksimum çamur dezentegrasyonu için çeşitli işletme dataları (Toplam katı madde, süre, frekans, amplitudu vb.) (d) Çamur dezentegrasyonunda ultrasonik sistemin tüm işletme maliyeti Ultrasonik ön arıtım ile ilgili çok çeşitli değişkenler vardır. Bu değişkenlerin bazıları, işletme sıklığı, çamurun tipi, toplam katı madde içeriği, organik fraksiyonlar, işletme sıcaklığı ve ultrasonik güçtür. Bu durum, ultrasonik sistemin işletme durumunun anlaşılmasını zorlaştırmaktadır. Birçok araştırmacı, sık sık verimsiz durumların oluştuğu ultrasonik sistemler ile laboratuar ve pilot ölçekli çalışmalar yapmışlardır. Bu verilerin direk kullanımı, pilot ölçekli veya tam ölçekli tesislerde kayıplara yol açmaktadır. Bunun için, laboratuardan pilot ölçeğe, pilot ölçekten tam ölçekli tesise geçişte ölçek yükseltme yapılmalıdır. Farklı parametreler çamur dezentegrasyon verimini değerlendirmek için kullanılır. Bu parametreler, fiziksel, kimyasal ve biyolojik olmak üzere 3 kategoride sınıflandırılır. 1-Fiziksel Parametreler (Boyut dağılımı ve mikroskobik gözlemlerler sonucu değişimler) 2-Kimyasal Parametreler (Çözünmüş KOİ ve amonyak konsantrasyonunun artması ve proteinin açığa çıkması) 3-Biyolojik Parametreler (Oksijen tüketim hızı ve hetetrofik sayım) Ultrasonik dezentegrasyonun verimini belirlemedeki tekniklerden bazıları partikül boyut dağılımı, mikroskobik görüntü, türbidite ve çamur susuzlaştırılabilirliğidir. Fiziksel değerlendirme, özellikle partikül boyut dağılımı ve mikroskobik görüntü analizleri, çamur dezentegrasyonunun nitel ölçümü olarak sıkça kullanılmaktadır. Tiehm ve diğerleri (2005), farklı ultrasonik frekanslarda, ortalama partikül boyutu ve türbiditenin değişimine göre çamur dezentegrasyonunu değerlendirmişlerdir. Bu araştırmacılar, 41 khz frekansta, 120 NTU bulanıklığında (en yüksek türbidite), en düşük ortalama partikül boyutunu 20 µm bulmuşlardır. Bunun ile birlikte, ultrasonik arıtım olmaksızın, partikül boyut ve türbiditeden söz edilemeyeceğini belirlemişlerdir. 23

44 Mao ve diğerleri (2005), 0.18, 0.33, ve 0.52 W/ml güç yoğunluğunda, 1,5 kw maksimum güç girişinde, 20 khz frekansta ve 1 dakikalık sürede ultrasonik dezentegrasyon yöntemini kullandıklarında, boyut dağılımının 47,7 µm (kontrol) den 31.2, 21 ve 17,8 µm ye azaldığını belirlemişlerdir. Chu ve diğerleri (2001), maksimum güç girişi 110 W ve 20 khz frekansta, flok boyutu üzerinde farklı sonikasyon yoğunlukları ve zamanın etkilerini araştırmışlardır W/ml sonikasyon yoğunluğunda, 120 dakikalık sürede flok boyutunun azalmadığını ifade etmişlerdir. Sonikasyon yoğunluğunu 0.22 W/ml ye arttırdıkları zaman, flok boyutunun azaldığını gözlemlemişlerdir. 20 dakikalık sürede, sonikasyon yoğunluğunu 0.33 ve 0.44 W/ml gibi yüksek bir değere artırdıklarında, flok boyutunun 99 µm den yaklaşık 22 ve 3 µm ye azaldığını belirtmişlerdir. Bu araştırmada, sürenin 120 dakikaya artırılması ile flok boyutunun 3 µm değerinin altına inmediği de test edilmiştir. Bu nedenle, etkili çamur dezentegrasyonunda ultrasonik yoğunluğun, süreden daha da önemli olduğu yapılan bu çalışmada kanıtlanmıştır. Bougrier ve diğerleri (2005), 225 W enerji girişinde ve 20 khz frekansta, ultrasonik dezentegrasyon yönteminin kullanımı ile farklı enerji girişlerinde (kj/kg Toplam Katı), partikül boyut dağılımı üzerinde çalışmışlardır. Spesifik enerji girişinin artması ile, çamur partiküllerinin d50 sinin azalma eğiliminde olduğu belirlenmiştir. (d50: 50 mm çaptan daha az ve 50 mm çapa eşit partiküllerin %50 sidir.) Bu değişimi Çizelge 2.7 de göstermişlerdir. Çizelge 2.7 : Spesifik enerji değişimine karşın partikül boyutu değişimi. Spesifik enerji girişi (kj/kg Toplam Katı) Partikul Boyutu (μm),d ,6 18,5 17,6 12,7 Tiehm ve diğerleri (1997), ise 3,6 W enerji girişi ve 31 khz frekansta, ultrasonik arıtımın 29,5 ve 96 s lik sürede, 165 µm (ham çamur) partikül boyutundan (d50), 135 ve 85 µm ye azaldığını göstermişlerdir. Çamur dezentegrasyonunda, ışık ve elektron mikroskobunun kullanımı ile görsel araştırmalara dayanan çalışmalar, son zamanlarda oldukça çok kullanılmaktadır. 24

45 Khanal ve diğerleri (2006 b), Şekil 2.7 de gösterilen 20 khz frekans, 1,5 kw sabit enerji girişi ile işletilen ultrasonik dezentegrasyon sırasında meydana gelen, filamentlerin (ipliksi yapı) yok olması, flokların içinde yapısal değişimlerin olması gibi nitel bilgileri, ışık bazlı mikro grafiklerde resimli olarak göstermişlerdir. Ancak, ışık mikroskobik görüntüsü, hücre duvarı ile ilgili bilgi sağlamamaktadır. Ultrasonik dezentegrasyon öncesinde (A), çok sayıda filament dahil olmak üzere, flok yapısının da, ışık mikroskobu altında karmakarışık olduğu gözlemlenmiştir. Ultrasonik dezentegrasyonda (B), 2 dakika sonra, filament ve flokların neredeyse tamamının dezentegre olduğu ve az çok homojeniz dokuların olduğu gözlemlenmiştir. ġekil 2.7 : Aktif çamurun mikroskobik gözlemi. Khanal ve diğerleri (2006c), tarayıcı elektron mikro grafikleri (SEM) kullanarak hücresel düzeyde, çamur dezentegrasyonu ile ilgili bilgiyi Şekil 2.8 da göstermişlerdir. Sonikasyon öncesinde (A), çok sayıda filament dahil olmak üzere floklarında karmaşık olduğu, 2 dakikalık (B) sonikasyon sırasında, filamentlerin yanı sıra, flokların yapısının da, bakteri hücrelerinin yıkımı olmaksızın önemli ölçüde bozulduğu gösterilmiştir. 10 dakikalık (C) uzun sonikasyon süresinde, çok dağılan bakteri hücreleri ile filament yapıları ve flokların neredeyse tamamının dezentegre olduğu gözlemlenmiştir. 30 dakikalık (D) sonikasyon süresinde ise, hücre duvarında az ya da çok yıkılmanın olduğu gözlemlenmiştir. 25

46 ġekil 2.8 : Aktif çamurun, elektron mikro grafik kullanımıyla değişimi. Çamur dezentegrasyon yönteminde, kimyasal değerlendirme fiziksel değerlendirmeden daha çok bilgi sağlamaktadır. Kimyasal dezentegrasyonda öncelikle, sıvı faz içindeki aktif çamurun çözünürlüğü ölçülmektedir. Çevre mühendisliğinde, tüm oluşan organik maddeler bir araya getirilmekte ve çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacına göre (ÇKOİ) ölçülmektedir. Ancak, ÇKOİ nin bir kısmını oluşturan hücre dışı polimerik maddeler (EPS) ve organik atıklar dahil olmak üzere hücre dışı maddeler de ultrasonik ön arıtım ile dezentegre olmaktadır. Bu nedenle, ÇKOİ çamur dezentegrasyon miktarını belirlemede bürüt parametredir. Ultrasonik dezentegrasyon ile ilgili neredeyse tüm literatürde, çamur dezentegrasyon verimini belirlemede ÇKOİ ölçümü kullanılmaktadır. Sonikasyon süresinin artışına göre, ÇKOİ miktarındaki artış birçok çalışmada gösterilmiştir. Ancak, bu süreye göre çalışmaları birbirine göre karşılaştırmak çok zordur. Çünkü ultrasonik dezentegrasyon; toplam katı madde içeriği, frekans, çamur tipi, çamurun birim hacme düşen güç miktarı, (ya da ultrasonik yoğunluk), sıcaklık, sonikasyon süresi ve literatürde tanımlanmayan birçok bilgiye bağlıdır. Daha iyi karşılaştırma yapmak için, oluşan ÇKOİ nin özgül enerji girişi ile doğrulanması gerekmektedir. Özgül enerji girişi, dezentegrasyonda başarılı olmak için, çamurun birim başına enerji girişi olarak tanımlanmaktadır. (Örneğin TK olarak). Özgül enerji girişi, ultrasonik güç, ultrasonik süre, çamur hacmi ve toplam katı (TK) konsantrasyonunun bir fonksiyonudur ve aşağıdaki denklemi kullanılarak hesaplandığı belirlenmiştir. E Özgül =P*t/V*TK 26

47 Burada; E Özgül= Özgül enerji girişidir. Birimi; kws/kg TK (kj/kg TK) [L 2 T 2 ] dır. P: Ultrasonik güçtür. Birimi, kw [ML 2 T 3 ], T:Ultrasonik süredir.(saniye).birimi:[t], V:Litrede ultrasonik dezentegre olmuş çamur hacmidir. Birimi, [L 3 ], TK: Toplam katı konsantrasyonudur. Birimi, kg/l [ML 3 ]. Khanal ve diğerleri (2006a), farklı özgül enerji girişlerinde ÇKOİ nin tipik artışını Şekil 2.9 da belirlemişlerdir. ġekil 2.9 : Özgül enerji girişimine karşın ÇKOİ değişimi. Yukarıdaki grafiğe göre, ÇKOİ nin artışı, sonikasyon süresine ve özgül enerji girişine bağlıdır. Pham ve diğerleri (2009), yaptıkları çalışmada, ÇKOİ nin özgül enerji girişi, ultrasonik yoğunluk ve süre ile değişimini Çizelge 2.8 de belirlemişlerdir. 27

48 Çizelge 2.8 : Ultrasonik yoğunluk ve süre ile ÇKOİ değişimi. Özgül Enerji Girişi (Kj/kg TK) Ultrasonik Yoğunluk Süre (dakika) ÇKOİ (%) 1226,1 0,27 W/cm ,0 3456,5 0,75 W/cm ,6 3678,3 0,27 W/cm , ,6 0,75 W/cm ,5 640,9 0,27 W/cm ,9 1806,8 0,75 W/cm ,7 1922,7 0,27 W/cm ,9 5420,5 0,75 W/cm ,2 3234,5 0,51 W/cm ,8 Wang ve diğerleri (2006), farklı özgül enerji girişlerinde, ultrasonik dezentegrasyon yöntemini incelemiş ve bunun sonucu olarak, sıvı faz içinde açığa çıkan DNA, polisakkarit ve protein ile ilgili çalışmışlardır. Ultrasonik ile dezentegre olmuş çamurun sıvı kısmı içinde proteinin baskın olduğu belirlenmiştir. Bu proteinin konsantrasyonun, özgül enerji girişi 50 kj/g TK olduğunda, 2500 mg/l ye kadar arttığını gözlemlemişlerdir. Wang ve diğerleri (1999), farklı sürelerde, sıvı faz içinde oluşan çözünmüş protein ve karbonhidratı incelemişlerdir. Buna göre, çözünmüş protein konsantrasyonunun zamanla arttığını Çizelge 2.9 da belirtmişlerdir. Çizelge 2.9 : Sonikasyon süresi ile protein konsantrasyonunun değişimi. Süre (dak) Çözünmüş Protein (mg/l) Çözünmüş Protein (mg/l) Protein tüm mikrobiyal hücrelerin yapımında oldukça önemli bir parametredir. Flok gibi mikrobiyal agregalar için yapısal matris sağlayan mikrobiyal hücre dışı polimerik maddeler (EPS), aynı zamanda protein içermektedir. Fakat ultrasonik çamur dezentegrasyonun da protein ölçümü yerine KOİ ölçümü daha çok tercih edilmektedir. Groonroos ve diğerleri (2005), 27 khz frekans, 200 W/ml yoğunlukta, değişik sürelerde ÇKOİ ve metan üretiminin değişimini Çizelge 2.10 da belirtmişlerdir. 28

49 Çizelge 2.10 : Değişik sürelerde ÇKOİ ve metan üretiminin değişimi. Frekans (k Hz) Ultrasonik Yoğunluk w/ml Süre (dakika) ÇKOİ (mg/l) Metan üretimi m 3 /KOİ ,22 2, ,09 Khanal ve diğerleri (2006c), ultrasonik dezentegrasyon yönteminde, farklı TK içeriği ve özgül enerji girişlerine (kj/gtk) göre, oluşan amonyak azotu ile ilgili çalışmışlardır. Sonuçlar, toplam katı içeriği ve özgül enerji girişinin artması ile birlikte oluşan amonyak azotunun arttığını Şekil 2.10 de göstermiştir. ġekil 2.10 : Farklı enerji girişleri göre, amonyak miktarının değişimi. Ultrasonik dezentegrasyon sırasında, sıvı faz içerisinde açığa çıkan hücre içi organik azotun, bakteri hücreleri tarafından amonyağa hidroliz olması ile dezentegrasyon olmaktadır. Bunun sonucu olarak amonyak azotunun miktarı artmaktadır. Bougrier ve diğerleri (2005), ultrasonik dezentegrasyon yöntemini kullanarak, farklı özgül enerji girişlerinde, çözünmüş organik ve amonyak azotun oluşumunu gözlemlemişlerdir. Toplam Kjeldahl azotu (TKN) nun, özgül enerji girişi ile değişmediğini belirlemişlerdir. Buna dayanarak, ultrasonik dezentegrasyonun azot minerelizasyonuna ve uçuculuğuna katkı sağlamadığını öneri olarak ifade etmiş, ancak katı faz içindeki organik azotun azaltılırsa, özgül enerji girişinin artması ile birlikte, organik azot ve amonyak azotunun artacağını da belirtmişlerdir. 29

50 Zhang ve diğerleri (2008), ultrasonik dezentegrasyon sonrası TN ve TP konsantrasyonunun, zaman ve farklı ultrasonik güç yoğunluğuna göre değişimini Çizelge 2.11 de göstermişlerdir. Çizelge 2.11 : Ultrasonik dezentegrasyon sonrası TN ve TP değişimi. Parametre TN (mg/l) TP (mg/l) Zaman (dakika) Ultrasonik Güç Yoğunluğu (W/ml) 0,2 0,5 0,8 1 1,2 1, ,79 5,79 5,79 5,79 5,79 5,79 5,79 5 8,42 20,73 35,06 37,69 50,7 55,65 55, ,44 26,58 45,96 54,44 78,26 65,2 92, ,85 42,33 64,33 72,4 90,04 92,78 174, ,32 46,77 69,17 97,02 113,2 118, ,77 53,43 73,41 119,6 116,6 155,9 211,6 0 4,93 4,93 4,93 4,93 4,93 4,93 4,93 5 7, ,5 34,82 42,86 50,9 56, ,07 15,43 30,23 41,6 45,43 51,44 57, ,36 16,72 38,17 55,2 58,41 56,27 59, ,79 18,22 40,74 59,4 60,05 63,78 62,72 Zhang ve diğerleri (2008), farklı işletme koşullarında, ultrasonik dezentegrasyon derecesinin enerji verimliliği açısından değerlendirmesini Çizelge 2.12 de belirtmişlerdir. Çizelge 2.12 : Ultrasonik dezentegrasyon derecesinin değerlendirmesi. İşletme Koşulları Sonuçlar % 49,22 kj/g AKM, 0,5 W/ml, 20 dakika DD KOİ =%8,22 % 49,22 kj/g AKM, 1 W/ml, 10 dakika DD KOİ =%14,41 % 49,22 kj/g AKM, 2 W/ml, 5 dakika DD KOİ =%17,5 % 118,08 kj/g AKM, 0,8 W/ml, 30 dakika DD KOİ =%24,29 % 118,08kj/g AKM, 1,2W/ml, 20 dakika DD KOİ =%25,81 % 118,08 kj/g AKM, 1,6 W/ml, 15 dakika DD KOİ =%28,17 Ultrasonik dezentegrasyon ile yapılan bu çalışmada, çamura aynı enerji girişi verilmesine karşın, yüksek güç yoğunluğu ve daha kısa sürede yüksek dezentegrasyon verimine ulaşıldığı belirtilmiştir. Bu nedenle anaerobik çamur 30

51 çürütücülerin verimini artırmak ve kazanç sağlayabilmek için, yüksek güç yoğunluğu ve kısa sonikasyon süreleri önerilmektedir. Biyolojik değerlendirme, spesifik oksijen tüketim hızının dikkate alınmasını kapsamaktadır. Aktif çamur başlıca, aerobik ve fakültetif bakterilerden oluşmaktadır. Bu nedenle oksijen tüketim hızının ölçümü aktif çamurun biyolojik aktivitesini belirlemede iyi bir indikatördür. Khanal ve diğerleri (2006), farklı sonikasyon sürelerinde, aktif çamur örneğinin spesifik oksijen tüketim hızı (SOTH) üzerinde çalışmışlardır. Bu çalışmada, 20 ml ultrasonik dezentegre olmuş çamur, %1.5 lik toplam katı ve 500 mg/l ÇKOİ kullanıldıklarında, spesifik oksijen tüketiminin zamana karşı değişimini Şekil 2.11 de göstermişlerdir. ġekil 2.11 : Farklı sürelerde SOTH nin değişimi. Ultrasonik dezentegrasyonun hızlı ve verimli çalışması birçok faktör tarafından etkilenmektedir. Bu faktörler kısaca 3 kategoride sınıflandırılmaktadır. (a) Çamur (katı) karakteristikleri (b) Sonikasyon koşulları (c) Ultrasonik bileşenlerin dizaynı Çamur tipi (ham çamur, aktif çamur ve hayvan gübresi vb), toplam katı içeriği ve partikül boyutu gibi çamur karakteristikleri ultrasonik dezentegrasyonu önemli ölçüde etkilemektedir. Grönroos ve diğerleri (2005), en yüksek kuru katı içeriğinde, maksimum çözünmüş KOİ konsantrasyonunu belirlemişlerdir. Ancak, araştırmacılar ÇKOİ mg/ Katı madde 31

52 g değişimini, yüksek katı madde içeriklerinde, çamur dezentegrasyonunun olup olmadığını anlamak zor olduğu için göstermemişleridir. Khanal ve diğerleri (2006c), farklı özgül enerji girişleri ve toplam katı madde içeriğinde, ÇKOİ nin değişimini değerlendirmek için yaptıkları çalışma şekil 2.12 te verilmektedir. ġekil 2.12 : Farklı enerji girişleri ve toplam katı bileşiminde ÇKOİ oluşumu. Şekil 2.12 e göre, hem toplam katı hem de enerji girişinin artması ile ÇKOİ nin artan eğilimde olduğu belirlenmiştir. Wang ve diğerleri (2005) ise, ÇKOİ değişiminde, toplam katı madde içeriğinin önemli etkisi olduğunu belirlemişlerdir W/ml ultrasonik yoğunlukta, 30 dakikalık sürede, toplam katı içeriğini %5 değerinden %1 e artırdıklarında, çözünmüş KOİ miktarının 3966 mg/lt den 9019 mg/l gibi bir değere ulaştığını belirlemişlerdir. Bu çalışma ile de, yüksek katı madde içeriğinin düşük katı madde içeriğinden daha fazla enerji açığa çıkardığı sonucuna ulaşılmıştır. Süre, yoğunluk, sıcaklık, ph, amplitud ve güç girişi de ultrasonik dezentegrasyonu etkileyen önemli parametrelerden bazılarıdır. Uzun sonikasyon süresinin anlamı, yüksek enerji girişi gerektirmekte ve buna bağlı olarak yüksek çözünmüş KOİ oluşmaktadır. Farklı sonikasyon koşullarında çözünürlük ile ilgili çalışmaların bazıları çizelge 2.13 te özetlenmiştir. 32

53 Çizelge 2.13 : Farklı sonikasyon koşullarında organik katıların çözünürlüğü. Çamurun Tipi Frekans (khz) Güç Girişi (W) Ultrasonik Yoğunluk (w/ml) Aktif Çamur (TK: %3) ,1 Aktif Çamur ( TK: % 1,85) Aktif Çamur Aktif Çamur - - Aktif Çamur - - Aktif Çamur - - 0,2 Özgül Enerji Girişi (kj/kg TK) ÇKOİ (mg(lt) , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ÇKOİ/TKOİ (%) Referanslar Khanal ve diğ.(2006) Bougrier ve diğ.(2005) Pham ve diğ. (2009) - Zhang ve diğ.(2008) Mao ve diğ.(2005) Groonrons ve diğ.(2004) Wang ve diğerleri (2006), W/ml ultrasonik yoğunluk, 20 KHz frekans, toplam katı içeriği %3 seçilerek yapılan dezentegrasyonda, 5, 15 ve 20 dakikalık süreleri dikkate aldıklarında çözünmüş KOİ nin değişimini çizelge 2.14 te vermişlerdir. Çizelge 2.14 : Sonikasyon süresi ile ÇKOİ değişimi Süre (dakika) ÇKOİ (mg/l) Ultrasonik dezentegrasyonda, sonikasyon koşullarını etkileyen diğer parametreler ph ve sıcaklıktır. 33

54 Wang ve diğerleri (2005), çamuru yüksek ph değerlerinde 30 dakikalık sonikasyon süresi ile dezentegre ettiklerinde, ÇKOİ miktarının artmış olduğunu Şekil 2.13 te gözlemlemişlerdir. ġekil 2.13 : Farklı p H değerlerine göre ÇKOİ değişimi. Ultrasonik dezentegrasyon sırasında, alkalinite ilavesi ile ph değerinin artmakta olduğu, bu nedenle de bakteri hücre duvarının yıkımının kolaylaştığı Şekil 2.13 de elde edilen sonuçlarla doğrulanmıştır. Wang ve diğerleri (2005), çok değişkenli lineer metodu kullanarak, kinetik modele dayalı, biyolojik çamur dezentegrasyonunda ph, toplam katı içeriği, ultrasonik şiddet ve yoğunluk etkilerini dikkate alarak çalışmışlardır. Buna göre, ph >çamur konsantrasyonu > ultrasonik şiddet > ultrasonik yoğunluk olduğu sonucunu bulmuşlarıdır. Ultrasonik dezentegrasyon yöntemi sonrası çamurun sıcaklığı, süre ve sonikasyon yoğunluğuna bağlı olarak artmaktadır. Tiehm ve diğerleri (1997), ultrasonik dezentegrasyon ile 31 khz frekansta, 64 saniyede sıcaklığın 15 0 C sıcaklıktan 45 0 C sıcaklığa ulaştığını gözlemlemişlerdir. Chu ve diğerleri (2001), çamuru 120 s dezentegre ettiklerinde, sıcaklığın artmış olduğunu gözlemlemişlerdir. 0.11, 0.22, 0.33 ve 0.44 W/ml ultrasonik yoğunlukta, sıcaklık değişimi 30, 42,51 ve 56 0 C ve 0.44 W/ml sabit gücü dikkate aldıklarında, çamurun sıcaklığı 19 0 C sıcaklıktan, 30, 50 ve 56 0 C sıcaklığa, 0( kontrol), 20, 60 ve 34

55 120 s de ulaşmış olduğunu belirlemişlerdir. Sonuç olarak, ultrasonik yoğunluğun sıcaklık artışında, sonikasyon süresinden daha baskın rol oynadığını belirtmişlerdir. Grönroos ve diğerleri de (2005), ultrasonik çamur dezentegrasyonunda sıcaklığın önemli bir parametre olduğunu ifade etmişlerdir. Bu araştırmacılar, çalışmalarında çamur sıcaklığını ayarlayarak ve 30 dakikalık sürede ÇKOİ nin değişimini, ultrasonik arıtım öncesi ve sonrası incelemişlerdir. Sıcaklığın 30 0 C sıcaklıktan 60 0 C sıcaklığa artırılması ile, ultrasonik çamurun ÇKOİ değeri 2150 mg/l den 2950 mg/l ye, ultrasonik olmamış çamurun ise 750 mg/l den 1550 mg/l ye artmış olduğunu belirlemişlerdir. Farklı işletme koşullarında, çamura ultrasonik dezentegrasyon yöntemi uygulandığında, çamurda meydana gelen değişimler çeşitli araştırmacılar tarafından Çizelge 2.15 de gösterilmiştir. Çizelge 2.15 : Ultrasonik dezentegrasyon literatur özeti. İşletme Parametreleri Sonuçlar Referans 30 dakika, 0.5 w/ml, 25 khz 20 khz, 0.96 w/ml, %3 TK, 5-30 dakika 0.09 w/ml, 40 dakika, 9600kj/kg TK 0.2 w/cm 2, 10 dakika 20 khz, 3w/ml, 1-20 dakika 20 khz, W, 0-30 dakika 27 khz, kj/kg TK, %21,45 TK ÇKOİ %87 artırılması, katı madde kütlesinin %23,9 azalımı (Zhang ve diğ., 2006) ÇKOİ' nin 2000 mg/l' den mg/l' ye artırılması (Wang ve diğ., 2006) ÇKOİ' nin %340, TN' un %71,6, TP' un % 207.5, çözünmüş organik karbonun %860 artırılması (Erden ve Filibeli, 2009) KOİ giderim veriminin %3.6 artırılması (Xie ve diğ., 2009) ÇKOİ' nin 1000 mg/l' den 4000 mg/l' ye artırılması (Mao ve diğ., 2004) ÇKOİ, Protein, Polisakkarit ve DNA'nın artırılması (Wang ve diğ., 2005) ÇKOİ' nin 150 mg/l' den 3200 mg/l' ye artırılması (Groonroos ve diğ., 2005) Ultrasonik dezentegrasyon teknolojisi, birkaç yıldır Avrupa da başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. Şu sıralarda, çoğunlukla Almanya olmak üzere, 8 tam ölçekli tesiste ultrasonik yöntem uygulanmaktadır. Çamurun tamamını anaerobik olarak arıtan Süd arıtma tesisinde (Almanya), 2000 yılı, Mayıs ayında ultrasonik tesisin işletilmeye alınması ile, ayrışabilirliğin ortalama %50 arttığı, biyogaz üretiminin %45 arttığı ve susuzlaştırma sırasında %11 daha az polimer ihtiyacı olduğu belirtilmiştir. 35

56 Diğer tam ölçekli tesis ise Almanya da Darmstadt bölgesindedir. Bu tesis, 35:65 oranındaki ilk çamur ve son çamurun karışımını arıtmaktadır yılı, Kasım ayında, ultrasonik tesisin işletilmeye alınması ile uçucu katıların azaltılması %44 den %55 lere kadar arttığı, buna bağlı olarak biyogaz üretiminin, yaklaşık olarak %50 oranında arttığı ve kullanılan polimerden üçte biri kadar kullanılmasına rağmen, susuzlaştırmanın iyi olduğu ve kek katı içeriğinin %5 e kadar artmış olduğu belirtilmiştir (Bartholomew ve diğ., 2002). Almanya da bulunan Mannheim atıksu arıtma tesisinde çamur, %50 ilk, %50 son çamur ve %10 yumaklaştırılmış çamurdan oluşmaktadır. Ultrasonik tesisin işletilmeye alınması ile, uçucu katı madde miktarının %70 azaldığı, buna bağlı olarak biyogaz üretiminin %45 arttığı ve bu tesiste de daha az polimer kullanılmasına karşın susuzlaştırılmanın iyi olduğu belirtilmiştir. Ultrasonik arıtım ile elde edilen biyogaz üretiminden 1,2 MW enerji üretildiği, bununda yıllık 285,000 ($443,754) lık kazanç sağlandığı hesaplanmıştır. Diğer bir tesis ise, ayrışma olmaksızın son arıtımında ultrasonik arıtımın kullanımına göre dizayn edilmiştir. Bu durumda, kabaran çamurun tamamının elime edildiği, biyolojik nütrient giderim veriminin ve denitrifikasyonun daha iyiye gittiği ve üretilen çamur miktarının azaldığı belirlenmiştir (Bartholomew ve diğ., 2002). Çeşitli dezentegrasyon yöntemlerinin avantaj, dezavantaj, maliyet ve uygulama sonuçlarının karşılaştırılma tabloları Çizelge 2.16, Çizelge 2.17 ve Çizelge 2.18 de gösterilmiştir (Weemaes ve diğ., 2000). 36

57 Çizelge 2.16 : Çeşitli dezentegrasyon yöntemlerinin avantaj ve dezavantajları. Metot Avantaj Dezavantaj Karıştırıcı Bilyeli Değirmenler Yüksek Basınçlı Homojenizasyon Ünitesi Lysate Santrifüj Yoğunlaştırıcı Termal Dezentegrasyon Ultrasonik Dezentegrasyon Ozon Arıtımı İşletme Güvenilirliği ve koku problemi olmaması Atıksu arıtma tesisine kolay uyum, koku problemi olmaması, iyi susuzlaştırma Koku problemi olmaması ve az enerji tüketimi Çok iyi susuzlaştırma, patojen giderimi, enerjinin tekrar kullanımı Koku ve tıkanma probleminin olmaması, atıksu arıtma tesisine kolay uyum Kimyasal ilavesi gerekmemesi, küçük doz ile yüksek oksidasyon, çok iyi susuzlaştırma Sürtünme Kayıpları, Tıkanma Problemleri, Düşük dezentegrasyon derecesi, Yüksek enerji tüketimi Düşük patojen giderimi, Tıkanma Problemleri, Yüksek enerji tüketimi Düşük çamur dezentegrasyonu, Yüksek enerji tüketimi Yüksek enerji gereksimi, Mekanik parçaların korozyonu, Ekipmanın kaplanması Yüksek ilk yatırım maliyeti, Yüksek bakım, Yüksek enerji tüketimi Yüksek enerji tüketimi, Çamurdaki metallerin sıvıya geçmesi Çizelge 2.17 : Dezentegrasyon yöntemlerinin ekonomik açıdan değerlendirilmesi. Tahmini Maliyet Metot Karıştırıcı Bilyeli Değirmenler Yüksek Basınçlı Homojenizasyon Ünitesi %Hücre Dezentegrasyonu EURO/ton KM Ultrasonik Dezentegrasyon Avantaj Yüksek verim, kolay işletim Yüksek verim, düşük enerji ihtiyacı Tam hücre dezentegrasyonu Dezavantaj Yüksek enerji ihtiyacı Karmaşık Yüksek enerji ihtiyacı Termokimyasal Dezentegrasyon Kolay işletme Biyolojik Dezentegrasyon Kolay işletme, düşük maliyet Paslanma, koku problemi Koku problemi 37

58 Çizelge 2.18 : Mekanik dezentegrasyon teknikleri ile yapılan uygulama sonuçları. Karıştırıcı bilyeli değirmenler Ultrasonik dezentegrasyon Yüksek basınçlı homojenizasyon ünitesi Labratuar Ölçekli Pilot Ölçekli Tesis Uzun Süreli İşletme İşletme Kararlılığı Çok iyi,+ iyi,-kötü,--çok kötü 2.2 Dezentegrasyon Sonrası OluĢan ÇözünmüĢ Faz Özellikleri Dezentegrasyon işlemi, arıtma çamuru floklarının yapısının, fiziksel, kimyasal ve biyolojik etkilerle bozunarak, flok bileşenlerinin ayrıştırılması ve içeriğinin sıvı faza geçirilmesi işlemidir. Sıvı faz, hücre içi bileşenleri olan aminoasit, nükleik asit ve yağ asitleri gibi çözünmüş organik bileşikleri ve çözünebilen formdaki diğer organik bileşenleri içermenin yanı sıra karbon, azot ve fosfor bileşikleri açısından oldukça zengindir. Karbon bileşikleri daha sonraki biyolojik proseslerde kolaylıkla parçalanabildiklerinden bu bileşikler atıksu arıtımında denitrifikasyon veya ileri biyolojik fosfor giderimi proseslerinde karbon kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Bu kapsamda, farklı dezentegrasyon yöntemleri sonucunda oluşan çözünmüş faz özelliklerinin tekrar kullanılabilirliği ve tesis verimine etkileri hakkında literatür çalışmaları bu bölümde anlatılmıştır Ozon dezentegrasyonu sonrası oluģan çözünmüģ faz özellikleri Çamura, ozon ön arıtımı uygulanması ile hücre duvarları üniform olarak zarar görmekte ve su içerisindeki hücre içi maddeler açığa çıkmaktadır. Bu proses oldukça etkili olmasının yanı sıra, toplam azot (TN), toplam fosfor (TP), protein ve özellikle DNA nın başlangıçta hızlı bir şekilde artmasını sağlamaktadır. Bu artıştan sonra, 38

59 hücreler ozonun etkisine karşın uygun hale gelmekte buna karşın ÇKOİ konsantrasyonu de zamanla artmaktadır. Zhang ve diğerleri (2009), 50 mg O 3 /gr katı madde ozon dozu kullanılarak, 105 dakikalık sürede çamuru ozon ile dezentegre ettikten sonra, 4000 devir/dakika, 30 dakikalık bir sürede santrifüj işlemi uygulayarak çamur üst fazı elde etmişlerdir. Çamur üst faz içerisinde, ÇKOİ, TN, TP, DNA ve polisakkarit miktarının değişimini incelediklerinde, TN, TP, protein ve DNA nın ilk 15 dakikada hızlı bir şekilde arttığı ve sonra azaldığı gözlemlenmiştir. Bu eğilim, mikroorganizma hücrelerinin içerisinde mevcut olan DNA ve mikroorganizmaların hücre duvarından gelen TP için özellikle geçerlidir. Buna karşılık, polisakkaritlerin ilk 45 dakikada çok yavaş arttığı ve 60. dakikaya doğru gidildikçe artmaya başladığı belirtilmiştir. Sonuç olarak, AKM ve UAKM nin % 49.1 ve 45.7 azaldığı, üst faz içerisindeki ÇKOİ, TN, TP, protein, polisakkarit ve DNA nın % 699, %169, %2379, %602, %528 ve %556 artmış olduğunu belirlemişlerdir. Yan ve diğerleri (2009), çamuru ozon ile dezentegrasyon işlemine tabi tuttuklarında, dev/dakika ve 10 dakikalık santrifujleme işlemi sonrası oluşan sıvı faz içerisindeki değişimi çizelge 2.19 da belirtmişlerdir. Çizelge 2.19 : Santrifujleme işlemi sonrası sıvı faz içerisindeki artış. Ozon dozajı g O 3 /g TK Laktik Asit Konsantrasyonu (mm) Laktik Asit Konsantrasyonu (mg/l) Sülfat Konsantrasyonu (mm) Fosfat Konsantrasyonu (mm) 0-105,51 1,17 0, ,06 1,48 0, ,68 545,11 2,09 0, ,87 467,16 1,47 0, ,27 0, ,72 357,19 1,59 0,51 39

60 2.2.2 Termal ve termokimyasal dezentegrasyon sonrası oluģan çözünmüģ faz özellikleri ÇKOİ/TKOİ oranının karşılaştırılması hidrolizin genel gösterimini ifade etmektedir. Çiğdem ve diğerleri (2006), MW (96 0 C mikrodalgada ısıtma) ve CH (96 0 C konvansiyonel ısıtma) olarak adlandırılan iki farklı termal dezentegrasyon yöntemini kullanarak, ÇKOİ/TKOİ oranının 0.06 dan 0.15 (MW için) ve 0.27 (CH için) ye artmış olduğunu belirlemişlerdir. Hidroliz hızını etkileyen en önemli faktörlerden bir tanesi de sıcaklık olduğu sonucunu da doğrulamışlardır. Park ve diğerleri (2004), 91 0 C MW ile yapılan termal dezentegrasyon sonucu, ÇKOİ/TKOİ oranının 0,19 dan 0,21 değerine artmış olduğunu belirtmişlerdir. Dereix ve diğerleri (2005), orta sıcaklıkta (kaynama sıcaklığının altında) termal ön arıtım yöntemi ile, ÇKOİ/TKOİ oranının dört kata kadar artabileceğini, sıcaklığın C a artırılması ile sekiz kata kadar bu oranın artabileceğini test etmişlerdir. Valo ve diğ. (2004), termokimyasal dezentegrasyon yöntemini kullanarak, C sıcaklıkta kimyasal ilavesi olmaksızın çözünürlüğün %60, KOH ilavesi ile ph 12 de ÇKOİ/TKOİ oranının %83 olduğunu belirlemişlerdir. Literatürde termal ve termokimyasal dezentegrasyon sonucu yapılan çalışmalar değerlendirildiğinde, sıcaklığın artması ile ayrışabilirliğin ve ÇKOİ/TKOİ oranının artmasına karşın, sıcaklığın normal seviyelerde tutulup, dezentegrasyon yönteminde kimyasal ilavesi yapıldığında da bu oranın artmış olduğu yukarıda anlatılan çeşitli araştırmalar sonucunda bulunmuştur Kimyasal dezentegrasyon sonrası oluģan çözünmüģ faz özellikleri Jih ve diğerleri (1999), toplam katı içeriği %1 olan evsel atıksuyu, normal sıcaklıkta, 24 saatlik sürede, 20 ve 40 meq/lt NaOH kullanarak yaptıkları dezentegrasyon ile supernetant içerisinde ölçülen ÇKOİ/KOİ değerinin %3,5 ten %39 ve %55 e kadar artmış olduğunu belirlemişlerdir Fiziksel dezentegrasyon sonrası oluģan çözünmüģ faz özellikleri Hidrodinamik dezentegrasyon ile, polimer maddelerin katı fazdan sıvı faza geçmekte olduğu ve süpernetant içindeki KOİ nin zamanla artmış olduğu şekil 2.14 de gösterilmiştir (Machnicka ve diğ., 2005). 40

61 ġekil 2.14 : Hidrodinamik arıtma süresine karşın ÇKOİ değişimi Ultrasonik dezentegrasyon sonrası oluģan çözünmüģ faz özellikleri Ultrasonik ön arıtımın çözünürlük üzerindeki etkisi, organik madde miktarına bağlı olarak izlenmektedir. Ultrasonik ön arıtım sonucu, düşük frekanslı ultrasonik tarafından üretilen çekim gücü sayesinde, bakteriyel hücre yapısı dezentegre olmaktadır. Böylece, çözünmüş organik madde miktarı ve ayrışma hızı artmaktadır. Çimen (2009), et işleme tesisi çamur numuneleri kullanılarak yapılan deneysel çalışmasında, ultrasonik ön arıtmanın, çamur üst suyu özelliklerini etkilediğini belirtmiştir kj/kg TK spesifik enerji değeri için, çamur üst suyunda kimyasal oksijen ihtiyacı, çözünmüş organik karbon, toplam azot, toplam fosfor değerlerinin sırasıyla %487, %290, %3230 ve %870 yükseldiğini ifade etmiştir. Zhang ve diğerleri (2006), 25 khz frekansta ultrasonik dezentegrasyon tekniğini kullanarak yapılan bir çalışmada, çözünmüş KOİ değişimi, AKM ve UAKM değişimini araştırmışlardır. Ultrasonik dezentegrasyon sonrası oluşan çamura, 5000 dev/dakikada, 10 dakika santrifüj işleminin uygulanması ile oluşan sıvı faz, 0.20µm çaplı membran filtreden geçirildikten sonra, ÇKOİ, protein ve nükleik asit analizleri için 2 saat mikrodalga fırında bekletilmiştir. Ultrasonik dezentegrasyon ile, flok yapısının bozulması sırasında, hücre dışı polimerik maddelerin açığa çıkmasından dolayı ÇKOİ miktarının artmış olduğu ve sıvı fazda ölçülen protein konsantrasyonun belli bir süreye kadar arttığı, daha sonra da azaldığı belirlenmiştir. Protein konsantrasyonunun fazla olması, çamurun organik madde içeriğinin fazla olduğunu göstermektedir. ÇKOİ, sıvı fazda bulunan protein ve nükleik asit konsantrasyonun %690, %560 ve %1640 arttığı ve AKM ve UAKM konsantrasyonunun azaldığı 41

62 belirlenmiştir. Bunun yanı sıra, sonikasyon süresinin bu değişimlerde etkili olduğu da ifade edilmiştir. Chu ve diğerleri (2001), 20 khz frekans, 110W güç ve 120 dakikalık sonikasyon süresinde, çamuru dezentegrasyon işlemine tabi tuttuklarında, ÇKOİ/TKOİ oranının 0.05 den 0,22 ye artmış olduğunu belirlemişlerdir. Tiehm ve diğerleri (1997), 6kW, 31 khz ve 64 s sürede çamura ultrasonik dezentegrasyon yöntemi uyguladıklarında, süpernetant içindeki ÇKOİ değişiminin 630 mg/l den 2270 mg/l ye artmış olduğunu belirtmişlerdir. 2.3 Dezentegrasyon Yöntemlerinin Anaerobik Ve Aerobik AyrıĢabilirliğe Etkisi ÇeĢitli dezentegrasyon yöntemlerinin anaerobik ayrıģabilirliğe etkisi Çamur dezentegrasyonu, anaerobik çürüme öncesinde anaerobik çürüme uygulamasında hız sınırlayıcı adım olan hidroliz aşamasını elimine etmek ve anaerobik stabilizasyon derecesini artırmak amacıyla ön arıtma olarak geliştirilmiştir (Bougrier ve diğerleri, 2005; Weemaes ve diğerleri, 2001). Dezentegrasyon uygulamasıyla, stabilizasyon derecesinin artmasına bağlı olarak klasik anaerobik çürüme işlemine göre daha düşük miktarda çamur üretimi, daha stabil bir çamur ve daha yüksek miktarda biyogaz oluşumu mümkün olmaktadır (Wang ve diğ., 2005). Kullanılan dezentegrasyon yöntemleri farklı olmasına rağmen, ulaşılmak istenilen hedef aynıdır. Machnicka ve diğerleri (2005), biyolojik hidroliz proseslerinde kullanılan hidrodinamik dezentegrasyon sonrasında oluşan çamurun, %10, %20 ve %30 luk dezentegre edilmiş kısmının anaerobik prosese ilave edilmesi ile biyogaz üretiminin %22, %95 ve %131 artmış olduğunu gözlemlemişlerdir. Owen ve diğerleri (1979), atıksu içerisindeki organik maddelerin, anaerobik ayrışabilirlik üzerindeki etkilerini değerlendirmek için, biyokimyasal metan potansiyelini incelemişlerdir. Yapılan çalışmada, anaerobik ayrışabilirlik, alkali ön arıtım sonrası çamurun ayrışabilirliği, uçucu katı madde giderimi ve metan üretimi üzerinde çalışmışlardır. Kimyasal ön arıtımda 20 ve 40 meq/lt NaOH kullanılmıştır. Kimyasal ön arıtım sonrası çamurun bir kısmı santrifüjlenip süpernetant, bir kısmı ise partiküler kısım olmak üzere ikiye ayrılmıştır. Biyokimyasal metan üretimi (BMP) testi yardımı ile filtre edilmemiş çamur örneği, süpernetant ve partiküler 42

63 kısmın, anaerobik ayrışma verimi üzerindeki etkilerinin belirlenmesinde kullanıldığı ifade edilmiştir. 30 günlük ayrışma süresi sonunda, 20 ve 40 meq/lt NaOH ile arıtılan örneklerin, kimyasal ilavesi yapılmayan örneklere göre daha fazla gaz üretimi yaptığı gözlemlenmiştir. 40 meq/lt NaOH ilavesi sonucunda gözlenen gaz üretimin de kontrole göre %34 artmış olduğu belirtilmiştir. Bunun yanı sıra, çözünmüş kısmın metan üretimi, partiküler kısmın metan üretiminden daha fazla olduğu bu nedenle, çözünmüş kısmın ayrışabilirliği partiküler kısmınkinden daha önce olduğu da ifade edilmiştir. Ray ve arkadaşları (1990), 35 ºC sıcaklıkta ve farklı alıkonma süreleriyle işletilen tek kademeli yüksek hızlı anaerobik çürütücü verimini değerlendirmek için, çamuru farklı konsantrasyonlarda NaOH kullanarak dezentegrasyon işlemine tabi tutmuşlardır. Bunun sonucunda dezentegre olmuş çamur numunesinin, ham çamura göre organik madde indirgenmesinin ortalama % 25-35, gaz üretimini ise ortalama % aralığında arttığını test etmişlerdir. Tanaka ve diğerleri (1997), anaerobik proses öncesinde, kimyasal ve termokimyasal ön arıtımı araştırmışlardır. Atıksu arıtma tesisine kimyasal olarak NaOH ilave edilmesi ile uçucu yağ asidinin çözünürlüğünün ve metan üretimin yaklaşık %50 oranında artmış olduğunu gözlemlemişlerdir. Termokimyasal arıtımda, 0,3 g/g NaOH uçucu yağ asidi dozu kullanılarak, C sıcaklıkta, 5 dakikalık ısıtma sonucunda, çözünürlüğün %45 oranına ulaştığı belirlenmiştir. Buna göre, karbonhidrat, protein ve yağın çözünürlüğünün %90, %64, %61 olduğu test edilmiştir. Çözünürlükteki bu artışın, hidroliz aşamasını hızlandırdığı ve anaerobik arıtım verimini artırdığı sonucunu da doğrulamaktadır. Tanaka ve diğerleri (1997), evsel ve endüstriyel arıtım yapan tesislerde, çözünürlüğü artırabilmek için, anaerobik çürütücü öncesi birçok ön arıtım yöntemlerini araştırmışlardır. Termal ön arıtım için, 115 ve C sıcaklık aralığında uçucu yağ asidinin çözünürlüğünün yaklaşık %15 olduğunu ve sonra C de 1 saatlik ısıtma sonucunda, bu oranın %30 değerine ulaştığını belirlemişlerdir. Buna ilaveten, C de yapılan bu termal dezentegrasyonda, biyogaz oluşumunun ise %90 değerine ulaştığını test etmişlerdir. 43

64 Kepp ve Solheim (2001), 170 C de yapılan tam ölçekli bir çalışmada, dezentegre olmuş çamurun, anaerobik çürütücüye verilmesi ile çamur çürüme derecesinin klasik çürüme işlemine göre % 80 oranında arttığını göstermişlerdir. Li ve Noike (1992), atıksuyun ayrışabilirlik karakterizasyonu üzerinde, termal ön arıtım yöntemini kullanarak çalışmışlardır. Çalışmalarını, 62 ile C aralığında değişen sıcaklık değerleri ve 15 ile 120 dakika aralığında değişen bekletme sürelerinde sürdürmüşlerdir C sıcaklık ve 30 dakikada yapılan bir termal dezentegrasyonda, çözünürlüğün %55 olduğunu, ilk 30 dakikada metan üretiminde bir artış olmamasına karşın, 60 dakikadan sonra artış olduğunu gözlemlemişlerdir. Optimum arıtma koşulunun ise C sıcaklık ve 60 dakikalık bekletme süresinde olduğunu belirlemişlerdir. Barjenbruch ve Kopplow (2003) yaptıkları çalışmada, arıtma çamurunun termal dezentegrasyonu sonucunda anaerobik çürümesi ile stabilizasyon derecesinin artmasının yanı sıra çamurun su verme özelliklerini geliştirmesi ve çamurun köpük oluşturma eğilimini azaltması gibi avantajları olduğunu bulmuşlardır. Bu yapılan çalışmalara göre, termal dezentegrasyon ile çamur miktarının azaltılmasının yanı sıra, sıcaklığın arttırılması ile çözünebilirlik ve biyogaz oranının artmış olduğu, buna karşın bekletme süresinin sıcaklık kadar etkili olmadığı özetlenebilir. Weemaes ve diğerleri (2000), yaptıkları bir çalışmada anaerobik çürüme öncesinde ön arıtma prosesi olarak 0,1 g O 3 /g KOİ ozon dozu kullanmış ve bu uygulama sonrasında çözünebilir KOİ değeri, ham çamura oranla % 29 ± 6 oranında artmıştır. Ham çamurun anaerobik çürütülmesi ile elde edilen metan üretim verimi % iken, ozonla ön arıtım sonrasında anaerobik çürütücüye verilen çamurların metan üretim verimi % olarak belirlenmiştir. Yeom ve diğerleri (2002), 0.1 g O 3 /g katı madde ozon dozu kullanarak çamuru dezentegre ettiklerinde, ham çamura göre ayrışabilirliğin 2-3 kat daha fazla olduğunu belirtmişlerdir. Ozon dozu miktarının 0.2 g O 3 /katı maddeye kadar artırdıklarında, ayrışabilirliğin daha da arttığını, ancak çok fazla artırmanın da ayrışabilirliği etkilemediğini gözlemlemişlerdir. Çünkü ozon biyolojik olarak ayrışabilenleri başlangıçta kolayca ayrıştırmakta ve sonuç olarak zor ayrışanların dönüşümünü gerçekleştirememektedir. Anaerobik çürütme verimini belirlemede, ozon dozunun 44

65 çok fazla artırılması ayrışabilirliği sürekli artırmadığı, buna bağlı olarak anaerobik çürütücü veriminin de sadece ozon dozajı miktarına bağlı olmadığını da bu çalışma kanıtlamaktadır. Wang ve diğerleri (1999), 200 W gücünde ve 9 khz frekansında çalışan bir ultrasonik ünite ile %4 toplam katı içeren yoğunlaştırılmış atık çamurun, organik parçalanma verimi ve ayrışabilirliği üzerine çalışmışlardır. Çamura 10, 20, 30 ve 40 dakika gibi farklı sonikasyon sürelerinde ultrasonik dezentegrasyon yöntemi uygulaması ile, organik giderim veriminin sırasıyla %11, %20, %38 ve %46, kümülatif metan üretiminin ise %15, %38, %68 ve %75 artmış olduğunu belirtmişlerdir. Tiehm ve diğerleri (1997), ultrasonik ön arıtım ile uçucu katı madde parçalanmasını ve anaerobik çürütücü üzerindeki etkisini incelemişlerdir. 3,6 kw, 31 khz şiddetindeki ultrasonik enerjiyi 64 saniye boyunca uyguladıklarında, oluşan dezentegre olmuş çamur numunelerini, anaerobik çürütücüye verdiklerinde, uçucu askıda katı madde miktarında, kontrol numunesine göre, yaklaşık %9,8 parçalanma olduğu, anaerobik çürüme zamanının 22 günden 8 güne azaldığı ve biyogaz üretiminin de artmış olduğunu ifade etmişlerdir. Tiehm ve diğerleri (2001), çamurun anaerobik ayrışmasında sırasında, uçucu katı madde parçalanmasında sonikasyon süresinin etkisini araştırmışlardır. Sonikasyon testi 41 khz frekansta, disk transduserlerin kullanımı ile yapıldığı belirtilmiştir. Atık çamur sırasıyla 7.5, 30, 60, ve 150 dakika ultrasonik ile arıtılması sonrası, uçucu katı madde giderim verimi sırasıyla %5.6, %27, %46, ve %56.7, kümülatif metan üretimi sırasıyla 0 kontrol kabul edilerek 2.93, 2.79, 3.39, 3.38 ve 4.15 L değerine artmış olduğunu ifade edilmiştir. Bunun yanı sıra, 7.5 dakika gibi çok küçük bir sürenin, tam ölçekli tesiste oldukça uzun bir süre olduğu unutulmamalıdır. Bu nedenle son yıllarda yapılan gelişmeler, yüksek amplitud ve daha fazla güç vererek sürenin kısaltılması amacını taşımakta olduğu bilinmektedir. Bougrier ve diğerleri (2006), anaerobik çürütücü verimini artırmak için, aynı koşullar altında alınan çamur numunelerine ultrasonik, ozon ve termal dezentegrasyon yöntemini uygulamışlardır. Ultrasonik ön arıtımda verilen enerji, termal ön arıtımda sıcaklık ve ozon ön arıtımda ozon dozajına bağlı olarak ayrışabilirliğin belli bir 45

66 değere kadar arttığı, buna bağlı olarak biyogaz üretiminin de belli bir değere kadar artmış olduğu, sonra artmanın azalma eğiliminde olduğu gözlemlenmiştir. Çizelge 2.20 de 24 günlük test sonunda oluşan ayrışabilirlik, metan ve biyogaz yüzdesi değişimi gösterilmektedir (Bougrier ve diğ., 2006). Çizelge 2.20 : 24 günlük test sonunda ayrışabilirlik, metan ve biyogaz yüzdesi. Arıtılmamış Ultrasonik dezentegrasyon 6250 kj/kg TK 9350 kj/kg TK Ozon dezentegrasyonu Termal dezentegrasyon 0,1 0,16 g O3/TK g O3/TK C C Biyogaz Üretimi 1 1,51 1,53 1,08 1,25 1,59 1,59 Metan İçeriği (%) Metan Üretimi (ml CH4/g KOİ) Ayrışabilirlik ( %) Çeşitli dezentegrasyon yöntemlerinin, biyolojik çamura uygulanması ile anaerobik çürütücülerde metan (CH 4 ) değişim yüzdeleri Çizelge 2.21 de özetlenmiştir. 46

67 Çizelge 2.21 : Çeşitli dezentegrasyon yöntemlerinin CH 4 üretimine etkisi. Yöntem İşletme Parametreleri CH 4 Üretimi/Değişimi Referans Mekanik Dezentegrasyon Ultrasonik Dezentegrasyon Ultrasonik Dezentegrasyon Anaerobik Çürütücüde %10, %20, %30 dezentegre edilmiş çamur kullanımı 200 W, 11 gün, 9 khz, 10, 20, 30, 40 dakika 41 k Hz, 7. 5, 30, 60, 150 dakika %22,%95, %131 artış (Barlindhaug ve diğ., 1996) %15,%38, %68,%75 artış (Wang ve diğ., 1999) ml (Tiehm ve diğ., 2001) Ultrasonik Dezentegrasyon Ultrasonik Dezentegrasyon Termokimyasal Dezentegrasyon Termal Dezentegrasyon Termal Dezentegrasyon Ozon Dezentegrasyon 1.5 k J/kg AKM, 4 gün 19% artış (Cui ve diğ., 2006) 9690 k J/kg TK, 0.09 w/ml 44% (Filibeli ve Erden, 2009) C, 5 dakika, 0,3 gr NaOH/UAKM 220% (Tanaka ve diğ.,1997) C, 60 dakika 90% (Tanaka ve diğ., 1997) C 23% (Carrere ve diğ., 2006) 0,1 gr O 3 /g KOİ ozon dozu %33-41'ten %45-51'artımı (Weemaes ve diğ., 2000) ÇeĢitli dezentegrasyon yöntemlerinin aerobik ayrıģabilirliğe etkisi Çamur dezentegrasyonu ile ilgili tüm çalışmalar anaerobik ayrışabilirlik üzerinedir. Ancak küçük atıksu arıtma tesislerinde, anaerobik çürütücülerin ilk yatırım maliyetinin yüksek ve işletmesinin karışık olmasından dolayı aerobik sistemler daha çok tercih edilmektedir (Grady ve diğ., 1999). Literatürde dezentegre olmuş çamurun, aerobik çürüme verimine etkileri hakkında yeterli bilgi bulunmamakla birlikte, farklı araştırmacıların yaptıkları çalışmalar aşağıda kısaca açıklanmaktadır. Caffaz ve diğerleri (2005), tam ölçekli evsel atıksu arıtma tesisinde fazla çamuru stabilize etmek için aerobik çürütücülerin kullanılmasını tanımlamışlardır. Aerobik proses öncesinde, çamurun ozon ile dezentegre edildiği ve 9 aylık işletme sırasında, 9,7 mg O 3 katı madde ozon dozu kullanımı ile aerobik ayrışma veriminin, konvansiyonel tesise göre %89 arttığını fakat nitrat ve inorganik azot konsantrasyonunun azaldığını gözlemlemişlerdir. Khanal ve diğerleri (2006), 1.5 kw ve 20 khz lik frekansta çalışan ultrasonik ünite yardımı ile, %3 KM içeren atık çamuru 10 dakikalık sonikasyon süresinde 47

68 dezentegre ettiklerinde, atık çamurun 8, 10 ve 15 günlük çamur bekletme süreleri sonunda, aerobik çürümesi sonucundaki değişimini Şekil 2.15 de deneysel olarak belirlemişlerdir. ġekil 2.15 : US ile ön-arıtılmış çamurun aerobik çürütülmesi. Aerobik çürütücü, sonikasyona uğramamış çamurla beslendiğinde 8,10 ve 15 günlük çamur bekletme sürelerinde sırasıyla uçucu katı madde gideriminin %13, %22 ve %31 olduğunu, ancak sonikasyona uğramış çamurla beslenmesi halinde uçucu katı giderim veriminin %20, 25 ve 36 olarak arttığını belirlemişlerdir. Jın ve diğerleri (2009), aerobik arıtım öncesi alkali ön arıtımı bunun ardından da ultrasonik dezentegrasyon yöntemini kullanmışlardır. Böylece ÇKOİ/KOİ oranının %36,3 den %89,3 değerine ulaştığını ve aerobik arıtım veriminin artmış olduğunu belirlemişlerdir. 2.4 Dezentegre EdilmiĢ Çamur Üst Suyunun Karbon Kaynağı Olarak Denitrifikasyon Proseslerinde Kullanımı Evsel ve endüstriyel atıksu arıtma tesislerinde, biyolojik nütrient giderimi son yıllarda oldukça fazla önem kazanmıştır. Biyolojik nütrient giderimi yapan bu atıksu arıtma tesislerinin uygunluğunu karbon/azot ve karbon/fosfor oranı belirlemektedir. Bu oranı artırmak için en yaygın kullanılan yöntemler atıksuların ön arıtmadan geçirilmesi veya ilave karbon eklenmesi şeklinde uygulama alanı bulmaktadır. İlave karbon kaynağı ya metanol, etanol, asetik asit, glikoz ya da çabuk ayrışabilen organik 48

69 madde olabilir ancak yüksek işletme maliyetinden dolayı bu yöntem çok tercih edilmemekte birlikte çeşitli alternatifler aranmaktadır. Bu nedenle, yüksek işletme maliyeti getirmeyecek ilave karbon kaynaklarının araştırılması son yıllarda önem kazanmaya başlamıştır. Bunun için geri devir çamuruna veya atık çamura dezentegrasyon yöntemlerinin uygulanması, son yıllarda araştırıcıların önemle üzerinde durdukları bir konu haline gelmiştir. Çamur dezentegrasyonuna uğramış çamurun, anoksik tanka geri devir ettirilmesi ile dezentegrasyon ile elde edilen çözünmüş organik bileşikler sistemin denitrifikasyon kapasitesini arttırabilir (Kunz ve Wörne 1998, Diehm ve diğ., 2004). Böylece, metanol gibi karbon kaynaklarını eklemek yerine dezentegre olmuş fazla çamuru karbon kaynağı olarak kullanmak yeni bir alternatif olarak ortaya çıkmaktadır. Bu uygulama, ilave edilen karbon kaynağı maliyetlerini düşürmesinin yanı sıra uzaklaştırılması gereken çamur miktarını da azaltmaktadır (Müller, 2000a). Kunz ve diğerleri (1996), denitrifikasyon hızı 1.5 ve 5 mg NO 3 N/g UAKM saat arasında olan sisteme, dezentegre olmuş çamur numunelerinin geri devir ile verilmesi durumunda, bu hızın 15 mg NO 3 N/g UAKM saat değerine kadar çıkabileceğini, böylece dezentegre edilmiş çamurun denitrifikasyon proseslerinde karbon kaynağı olarak kullanımının uygun olduğunu rapor etmişlerdir. Barlindhaug ve Odegaard (1996), dezentegrasyon sonucu oluşan çözünmüş maddelerin denitrifikasyon prosesi için ilave karbon kaynağı olarak kullanılabileceğini düşünerek, termal dezentegrasyon yöntemini incelemişlerdir. Bu araştırmacılar, C de KOİ oranının %15-20, sıcaklığın C a kadar artırılması ile bu oranın %30-32 değerine kadar arttığını test etmişlerdir. Sıcaklık artışının yanı sıra, sürenin de artırılmasının ayrışabilirliği arttırdığını test etmişlerdir. KOİ oranlarında meydan gelen bu artıştan dolayı, termal dezentegrasyon sonucu oluşan çamurun denitrifikasyon sistemlerinde kullanılabileceğini düşünmüş fakat uygulama sonuçlarını göstermemişlerdir. Dolayısıyla, KOİ yapısının araştırılması boyut dağılımı ile belirlenip, denitrifikasyon sistemlerinde, dezentegre edilmiş çamurun kullanılıp kullanılamayacağı belirlenmesi oldukça önemlidir. 49

70 50

71 3. MATERYAL VE METOD 3.1 Deneysel ÇalıĢmanın Planlanması Deneysel çalışmanın amacı, çamura termokimyasal dezentegrasyon, yüksek enerji girişli ve düşük enerji girişli ultrasonik dezentegrasyon yöntemlerinin uygulanması ile çamur üst suyunun denitrifikasyon sistemlerinde karbon kaynağı olarak kullanılabilirliğini araştırmaktır. Bu kapsamda ultrasonik ve termokimyasal yöntemler ile dezentegre edilmiş çamur üst suyunda, ultrafiltrasyon tekniğinin kullanımı ile boyut dağılımı analizi gerçekleştirilmiştir. Dezentegrasyon sonrası elde edilen çamur üst suyunda denitrifikasyon testleri yürütülmüş; zamana karşı nitrat ve nitrit konsantrasyonları ölçülerek denitrifikasyon hızları tespit edilmiştir. Deneysel çalışmada, Paşaköy İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi nin geri devir hattından alınan aktif çamur örneği kullanılmıştır. Geri devir çamurundan, dezentegre edilmiş çamurlardan ve santrifuj sonrası elde edilen üst sularından alınan numunelerde toplam kimyasal oksijen ihtiyacı (TKOİ), çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı (ÇKOİ), askıda katı madde (AKM), uçucu askıda katı madde (UAKM), toplam kjeldahl azotu (TKN) ve amonyak azotu (NH 3 ) analizleri gerçekleştirilmiştir. 3.2 Kullanılan Dezentegrasyon Yöntemleri Deneysel ÇalıĢmanın Planlanması Ultrasonik ön arıtım işleminde Bandelin-Sonopuls HD 2200 marka ultrasonik homojenizasyon ünitesi kullanılmıştır. Ultrasonik prop olarak VS 70 T model tipi kullanılmıştır. Ultrasonik prob çamur numunesinin içerisine, beherin tabanından 2-3 cm yukarıda kalacak şekilde daldırılmıştır. Ultrasonik dezentegrasyon yöntemi iki farklı koşulda gerçekleştirilmiştir. Birinci deney setinde 100 ml çamur numunesi behere konularak, 30 dakika süreyle dezentegre edilmiş ve hesaplanan özgül enerji girişi kj /g TK dır. İkinci deney setinde 200 ml çamur numunesi behere konularak, 10 dakika sürede dezentegre edilmiş ve hesaplanan özgül enerji girişi kj /g TK dır. Her iki koşulda da işletme frekansı 20 khz, sağlanan güç 200 W 51

72 ve %80 amplitude değeri dikkate alınarak deneyler yürütülmüştür. Dezentegre olmuş çamur numuneleri santrifüjlenerek çamur üst suyu elde edilmiştir (9000 dev/dak, 15 dakika). Kullanılan Ultrasonik ünitenin fotoğrafı Şekil 3.1 de verilmiştir. ġekil 3.1 : Ultrasonik homojenizatör sisteminin fotoğrafı Termokimyasal Dezentegrasyon Termokimyasal dezentegrasyon işlemi 1000 ml çamur numunesinde gerçekleştirilmiştir. Alınan çamur örneği 80 0 C sıcaklığa ayarlanmış etüvde 60 dakika süreyle tutulmuştur. Daha sonra çamura 0.1 NaOH eklenerek ph 10 değerine ayarlanmıştır. Dezentegre olmuş çamur 9000 dev/dak da 15 dakika süreyle santrifüjlenerek çamur üst suyu elde edilmiştir. 3.3 Ultrafiltrasyon Yöntemi Ġle Boyut Dağılımı Analizi Ultrafiltrasyon deneyleri, inert gaz olarak azot gazının (N 2 ) kullanımı ile atm basınç altında gerçekleştirilmiştir. Kullanılan azot gazının dolum basıncı 230 bar (15 0 C), tehlike sınıfı 2, gaz mühtevası 10,50 m 3 (15 0 C), saf azot oranı % 99.99, kokusuz, havadan hafif, boğucu (yüksek konsantrasyonda), alev almayan ve zehirli olmayan bir gazdır. 52

73 Alınan numuneler sırasıyla nm (Millipore AP40, cam elyaf), 450 nm (Durapore HV, polyvinylidene fluoride) ve 220 nm (Durapore GV, polyvinylidene fluoride) gözenek büyüklüğündeki konvansiyonel filtrelerden süzülmüştür. Kullanıldıktan sonra atılan bu filtreler için önerilen diferansiyel gaz basıncı 0,7 atm dir. Filtrasyon deneyleri boyunca, bu filtrelerde uygulanan maksimum işletme basıncı 0,35 atm dir. Atıksu numunesi 220 nm den süzüldükten sonra sırasıyla molekül ağırlığı 100 kda, 30 kda, 10 kda, 3 kda ve 1 kda (Millipore, PL serisi) olan membran filtrelerden süzülmüştür. Önerilen maksimum işletme basıcı, 100 kda için 0,7 atm, diğerleri için 3.7 atm dir. Tüm deneyler oda sıcaklığında gerçekleştirilmiştir. Kullanılan filtre özellikleri Çizelge 3.1 de ve ultrafiltrasyon ünitesi Şekil 3.2 ve 3.3 de verilmiştir. Çizelge 3.1 : Membran filtrelerin özellikleri. Filtre Tipi Filtrasyon Millipore AP40, cam elyaf Durapore PVDF Durapore GV, PVDF Ultrafiltrasyon Millipore, PL series Millipore, PL series Millipore, PL series Millipore, PL series Millipore, PL series Filtre Boyutu Maksimum İşletme Basıncı Saklama Rejenerasyon µ 0.35 atm* Kullanılıp atılır Kullanılıp atılır 0.45 µ 0.35 atm* Kullanılıp atılır Kullanılıp atılır 0.22 µ 0.35 atm* Kullanılıp atılır Kullanılıp atılır 100 kda 0.7 atm %10 Etanol, +4 o C 30 kda 3.7 atm %10 Etanol, +4 o C 10 kda 3.7 atm %10 Etanol, +4 o C 3 kda 3.7 atm %10 Etanol, +4 o C 1 kda 3.7 atm %10 Etanol, +4 o C 0.1N NaOH, 30 dakika 0.1N NaOH, 30 dakika 0.1N NaOH, 30 dakika 0.1N NaOH, 30 dakika 0.1N NaOH, 30 dakika 53

74 ġekil 3.2 : Ultrafiltrasyon ünitesinin şematik gösterimi. ġekil 3.3 : Deneysel çalışmada kullanılan ultrafiltrasyon ünitesi. 220 nm den sonra kullanılan ultrafiltrasyon membran diskler için, her bir filtrasyon adımında, ultrafiltrasyon cihazında ml numune hacmi bırakılmıştır. Çünkü ultrafiltrasyon kabı içerisinde ani basınç düşmesi nedeni ile membran ultrafiltrasyon diski bozulabilmektedir. Oluşan vorteks, toplam derinliğin 1/3 ünün altına düşmemelidir bu nedenle tüm deney boyunca, magnetik karıştırıcının hızı kontrol edilmiştir. Filtrasyon işlemi sırasında, toplam derinlik azaldığı için karıştırıcının hızı da azaltılmıştır. Böylelikle numunenin homojen şekilde karışmasını sağlamanın yanında, membran yüzeye bitişik çözünmüş maddenin erken polarlaşmasını engellemektedir. Ayrıca uygulanan basıncın membran filtreye zarar vermemesi için çok artırılmamasına dikkat edilmiştir. Membran filtrelerde süzme işlemine 54

75 başlamadan önce filtrelerin rejenerasyonu için 0,1 N NaOH çözeltisi kullanılmıştır. Membran filtrelerden işletme basıncı altında 300 ml NaOH geçirildikten sonra 300 ml distile sudan geçirilmiştir. Filtrasyon işlemi bittikten sonra filtre üzerindeki kalıntıların giderilmesi için, işletme basıncı altında %70 lik etanol ile 300 ml ya da 30 dakika tekrar süzme işlemi yapılmıştır. Bu işlemden sonra membran filtre kâğıtları, tekrar kullanılabilmek için %10 luk etanol çözeltisinde, +4 0 C deki buzdolabında saklanır. Deneysel çalışmada, ultrasonik ve termokimyasal dezentegrasyon yöntemleri uygulanan çamur örnekleri hemen santrifüjlendikten sonra, elde edilen çamur üst suyu numuneleri için ultrafiltrasyon işlemi yapılmıştır. Her süzme işleminden sonra 50 ml numune asitlendirilerek KOİ analizi için ayrılmıştır. 3.4 Denitrifikasyon Testi Dezentegre olmuş çamur üst suyunun, denitrifikasyon proseslerinde karbon kaynağı olarak kullanılabilirliğinin araştırılması için denitrifikasyon hızları belirlenmiştir. Bu amaçla dezentegre olmuş çamur üst suyunun, anoksik ortamda zamana karşı nitrit ve nitrat tüketim hızları ölçülmüştür. Kesikli olan yürütülen bu deneylerde kullanılan biyokütle, Paşaköy İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisi anoksik ünitesinden temin edilmiştir. Farklı F/M oranlarında yürütülen bu deneylerde 1 litre hacminde 3 adet teflon kapaklı cam reaktörler kullanılmış, dışarıdan oksijen girişini engellemek için reaktörlerin ağzı kapatılmış ve içeriye azot gazı verilmiştir. Cam reaktörlere belirlenen F/M oranlarına göre anoksik çamur ve substrat olarak dezentegre olmuş çamur üst suyu konulmuştur. İçsel solunum fazında çalıştırılan reaktöre substrat ilavesi yapılmamış sadece anoksik çamur konulmuştur. Tüm reaktörlere 200 mg NO 3 -N /L olacak şekilde KNO 3 ilave edilmiştir..tam karışım sağlamak amacıyla manyetik karıştırıcılar kullanılmıştır. Başlangıçta her 15 dakikada bir, daha sonraları ise numune alma periyotları arttırılarak 5-6 saat boyunca numune alınmış ve süzülmüş numunelerde nitrat ve nitrit analizleri yürütülmüştür. 3.5 Analizler Deneysel çalışmada, Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ), Toplam Katı Madde (TKM), Askıda Katı Madde (AKM), Uçucu Askıda Katı Madde (UAKM), Toplam Kjeldahl 55

76 Azotu (TKN), Çözünmüş Organik Karbon (ÇOK), Nitrat (NO 3 -N), Nitrit (NO 2 -N) ve ph analizleri gerçekleştirilmiştir. Ölçümler sırasında KOİ dışındaki tüm deneyler Standart Metodlara göre yürütülmüştür (APHA, 2005). KOİ analizleri ISO 6060 yöntemine göre yapılmıştır. Nitrat ve nitrit analizleri, DIONEX ICS-1500 model İyon Kromatografta yürütülmüştür. Deneylerde kullanılan tüm kimyasal maddeler analitik saflıktadır. ph ölçümleri duyarlıklı Orion 720 marka ph metre ile yapılmıştır. Çamur numuneleri 9000 devir/dakika da ve 15 dakika süreyle Hettich Zentrifugen marka Universal 320 model bir santrifüj aletinde santrifüjlenmiştir (Şekil 3.4). ġekil 3.4 : Santrifüj Cihazı. 56