PIHTILAŞTIRMA - YUMAKLAŞTIRMA

Transkript

1 PIHTILAŞTIRMA - YUMAKLAŞTIRMA Koagülasyon ve flokülasyon; flok oluşturan kimyasal bir reaktifi, çökelemeyen katılarla birleştirmek ve yavaş çökelen askıda katıları hızlı çökeltmek için su ve atıksuya bu kimyasal reaktifin ilavesini içeren bir prosestir. Sularda katı maddeler üç halde bulunurlar. Bunlar; Çözünmüş halde bulunan maddeler: çapları 0,001 μm den küçük parçacıklardır. Örneğin Cu+2, Na+1, Cl-1 gibi maddeler. Kolloidal maddeler: bu tür maddelerin çapları 0,001 μm - 1 μm arasında değişirler. Örneğin; kil, silis, virüs gibi. Askıda katı maddeler: bu tür maddelerin çapları 1 μm den büyüktür. Örneğin, bakteriler ve kaolin gibi.

2 Partiküler m addeler Ç özünm üş m addeler 0,45 μm M oleküler ağırlıklılar Ao Ç ap, m etre Çözeltiler M Z+ PARTİKÜLLER FİLTRE TİPLERİ K um A sılı K atı M addeler Y umaklaşm ış agrega M etal oksitleri D oğal organik m addeler O O O Basit asitler 63 μm Silt 10-6 K iller ve kil-organik kom pleksleri H idrate olm uş iyonlar - K il K olloidler K iller Fe(O H ) 2 SiO 2 C aco 3 O 2 μm Bakteriler A lg H um ik m addler O rganik flamentler H ücre flam entleri V irüsler M embran M ikro Elekler M oleküler elekler Silika Jel Filtre K ağıtları A ktif K arbon M ikro Porlar M akro Porlar Elekler, K um, A ktif karbon granüller

3 Kolloidal daneciklerde denge İyi bir çökelme için suya ilave edilen kimyasal maddenin en büyük yükte olması gerekmektedir. Bir maddenin sudaki iyonik kuvveti aşağıdaki formülle hesaplanabilir: = μ 1 2 Ci Zi 2 C: İyonik konsantrasyon Z: İyonunun değerliği İyonik kuvvet yüksekse dağılma tabakası daha fazla sıkıştırılmış demektir. Ve danecikler birbirine daha fazla yaklaşmış demektir. Fakat düşük iyonik kuvvette aynı yüklü daneciklerin bir araya gelerek kimyasal arıtmaya temel teşkil eden yumak oluşumu ise olukça zordur. Su içerisindeki daneciklerin ( ) yüklü olması durumunda suya ilave edilen (+) yüklü iyonlar sayesinde ve iyonik kuvvet de büyükse dağılma tabakası sıkışır ve böylece elektrik yüklü kolloidal madde, etrafındaki elektrik yükle birlikte hareket etmeye başlar. Bu birlikte hareket eden tabakaya Stern Tabakası denilmektedir. Bu sabit tabaka dışında yine aynı işaretli iyonların oluşturduğu bir tabaka bulunur (dağınık tabaka). İyonların sayıları danecik yüzeyinden uzaklaştıkça azalır ve belli bir mesafede (+) yükler ile (-) yüklerin eşit duruma gelir. Eşit oldukları mesafeye izokinetik nokta elektrik birimi cinsinden ise izoelektrik nokta denilmektedir. Bu noktada potansiyel sıfırdır. Taneciğin yüzeyine yakın olan ve tanecikle birlikte hareket eden bir sınır düzlemi vardır bu düzleme de kesme düzlemi denir. Kesme yüzeyindeki elektriksel potansiyel ile izoelektrik nokta arasındaki potansiyel farkına Zeta Potansiyeli denir

4

5 Su ve atıksu kolloidleri için Zeta potansiyelinin büyüklüğü -12 ile -40 mv aralığında olup ortalama olarak ise -16 ile -22 mv aralığında değişim göstermektedir. Zeta potansiyeli; Zıt yüklü iyon ilavesi, Çözeltide iyon konsantrasyonunu artırarak çift tabakanın difüz kısmının daraltılması ile düşürülebilir. Endüstriyel atıksularda bulunan kolloidlerin büyük bir kısmı negatif yüklü olduğundan, koagülasyon; atıksuya yüksek değerlikli katyonların ilavesi ile gerçekleşir. Optimum koagülasyon, zeta potansiyelinin sıfır olduğu noktada oluşmaya başlar; bu nokta izoelektrik noktası olarak tanımlanır. Zeta potansiyeli hem kolloidal maddedeki yükün bir ölçüsü hem de bu yükün çözeltide etkili olduğu uzaklığın bir ölçüsüdür. İyonik kuvvet ne kadar yüksek ise zeta potansiyeli de o ölçüde azalır

6 Kolloidler su içinde Brownian hareketle hareket ederler. Aynı yüklü iki kolloid bir arada olduklarında birbirlerini itmek isterler. Çekme kuvveti ise Van der Waals kuvvetleri ile Brownian hareketlerinden doğan kinetik enerjiden dolayı ortaya çıkar (Eroğlu, 1987). Bu kuvvetler aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Tanecikler birbirine yaklaştığında artan itme kuvvetine karşılık, enerji engelini aşacak kadar yeterince yakınlaştığında Van der Waals kuvvetleri etkin duruma geçer. Böylece partiküller bir arada kalabilirler. Eğer kolloidleri kararsızlaştırmak ve bir araya getirmek için, var olan enerji engelini aşabilecek kinetik enerjinin sağlanması veya enerji bariyerinin düşürülmesi gerekir. Enerji engelini yenemeyen kolloidler birleşemezler. Bu nedenle çeşitli yöntemlerle engeli azaltmak uygun olabilir. Kolloidlerin enerji engelini aşarak yumaklaştırılması için Çevre Mühendisliğinde yapılan uygulamaların başında zıt yüklü kolloid ilavesi gelir. Daneciklere tesir eden kuvvetler (Thomas vd., 1999)

7 Kimyasal pıhtılaştırma ve yumaklaştırma Pıhtılaştırıcı olarak kullanılan kimyasal madde; Suda kolay çözünebilmeli Sudaki partikülleri en iyi şekilde çökeltebilecek kararlılıkta olmalı Çökelen kısmın tekrar suda çözünmeyecek tarzda teşkil etmesi Piyasada kolayca temin edilebilen türde olması Ucuz olması Meydana gelen katı formların çevreye zarar vermeyecek türde olması gibi özelliklere sahip olması gerekmektedir.

8 Pıhtılaştırma (Koagülasyon) Koagülasyon, kimyasal arıtma prosesinin ilk adımıdır ve hızlı karıştırma olarak da adlandırılır. İyi dizayn edilen bir hızlı karıştırma prosesi, gerekli olan kimyasal miktarının azalmasına ve flokülasyon ünitesinin veriminin artmasına sebep olacaktır. Etkili bir koagülasyon yapabilmek için, su kütlesi boyunca üniform olarak koagülantın hızlı dağılımı gereklidir. Böylece koagülant sudaki bütün askıda katı maddelerle ilişki kurar. Koagülasyon-flokülasyon prosesinde, partiküllerin bir diğerini yakalamak ve kontak kurmak için kabiliyeti, hız gradyanı ile tespit edilebilir. Uygulamada hız gradyanı (G) sn-1 arasında seçilmektedir. Buradaki G değeri, birim sıvı hacmine verilen enerji miktarıdır. Burada; G : ortalama hız gradyanı, 1/sn P : enerji gereksinimi, W μ : dinamik viskozite, N.sn/m2 V : reaktör hacmi, m3

9 Verimli bir flokülasyon için hızlı karıştırma adımındaki hız gradyanı yanında, hızlı karıştırma süresi de diğer önemli bir parametredir. Hızlı karıştırma süresinin; optimum dozu, oluşacak olan flok çapını, flokun oluşma süresini etkileyeceği bilinen bir gerçektir. Hızlı karıştırma tankında, genellikle sn lik karıştırma süreleri kullanılır. Dolayısıyla bağıntıda her iki taraf teorik hidrolik bekleme süresi (td =V/Q) ile çarpılırsa: Burada: td : Bekleme süresi, sn, Q : debi, m3/sn. Muhtelif karıştırma işlemleri için verilen G değerleri aşağıdaki tabloda verilmiştir.

10 Hızlı karıştırma için; değişik metotlar kullanılmaktadır. Borular da hızlı karıştırma işlemi koagülasyon için etkili bir yöntem olarak kullanılabilir. Borularda karıştırma yöntemi küçük tesislerde etkili bir şekilde kullanılabilir. Engelli kanallar kullanılarak koagülasyon-flokülasyon işlemi özellikle enerji sıkıntısı olan yerleşimlerde, az otomasyona sahip tesislerde ve yetişmiş elemanı az olan yerlerde kullanılmaktadır. Hava ile karıştırma işlemi de hızlı karıştırmayı sağlamak için kullanılmaktadır. Hidrolik sıçrama ve ventüri kanallarında karıştırma işlemi de sıkça kullanılan yöntemlerdir. Bu iki yöntem ve borularda karıştırma ile engelli kanallarda karıştırma işlemlerinde hızlı karıştırma işlemi, akım rejiminin değişmesiyle elde edilen türbülanstan faydalanılarak yapılmaktadır. Bütün bu yöntemlere rağmen, suların mekanik olarak karıştırılması en yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Bu yöntem, diğer sistemlerin ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olması, esnek olmamaları, yüksek yük kaybına sahip olmaları bütün şartlara adaptasyonlarının zor olması, üniform olmamaları gibi dezavantajları içermez. Mekanik karıştırıcılar; pervane, pedal ve palet gibi muhtelif şekillerde kullanılabilirler. Karışımın mekanik olarak yapıldığı hızlı karıştırma odaları, tek bölmeli veya iki bölmeli olarak dizayn edilebilirler. Ancak iki bölmeli yapılması daha uygundur. Mekanik karıştırıcıların verimleri yüksektir, debi değişimlerinden etkilenmezler ve yük kayıpları oldukça düşüktür.

11 Yumaklaştırma (Flokülasyon) Kimyasal ilave edildikten sonra, flokülasyon veya yavaş karıştırma işlemi kimyasal arıtma proseslerinin önemli bir adımıdır. Flokülasyon yavaş hareket eden pedallarla hafifçe karıştırarak geliştirilir. Yavaş karıştırma sonucu, küçük ve gelişmiş flokların birbirleriyle teması sonucu kolay çökebilen yumaklar meydana gelir. Floklar büyürken, şiddetli bir karıştırma flokların parçalanmasına sebep olur. Karıştırma işlemi dikkatli bir şekilde kontrol edilmelidir. Böylece uygun boyutta flok teşkil edecek ve daha hızlı çökecektir. Bu adımda da karıştırma işlemi için en çok mekanik sistem kullanılır. Bunlar düşey milli pedallı karıştırıcılar veya yatay milli pedallı veya kanatlı karıştırıcılardır. Bunların dışında dalgıç perdeli ve basınçlı hava ile de yumaklaştırma yapmak mümkündür. Su arıtımında karıştırma süresi genellikle dakika arasında alınmaktadır. Hız gradyanı sn-1 değerleri arasında seçilmektedir. Yumaklaştırmanın verimliliğini artırmak için, hız gradyanının kademeli olarak azaltılması uygundur.

12 Hız gradyanı ile bekleme süresinin çarpımının G*t= arasında kalması istenir. Bazı çalışmalarda G*t değerinin arasında kalmasının bir mahzuru olmadığı ifade edilmiştir. Su ve atıksu arıtımında, koagülasyon-flokülasyon prosesinin kullanılabilirliğini anlamak için jar test deneyi yaygın şekilde kullanılan bir metottur. Arıtma tesisi şartlarını temsil eden prosedürler tatbik edilirse, jar test hızlı ve ekonomik olarak önemli bilgiler üretir. Jar testten elde edilen sonuçlar sadece prosesi anlamada değil, aynı zamanda direkt olarak tesis dizaynına, işletmesine ve modifikasyonuna da uygulanabilir

13 Pıhtılaştırma ve yumaklaştırmada kullanılan kimyasallar ve reaksiyonları Klasik kimyasal arıtmada etkili olan reaksiyonların, kullanılan kimyasala bağlı olarak ele alınması gerekir. Pıhtılaştırma yumaklaştırma işleminde yaygın olarak Ca(OH)2 kullanılmakla birlikte alüm, FeCl3, FeSO4 ve polimerler kullanılır. Kimyasal arıtmada en çok kullanılan koagülantlar ve özellikleri Çizelge 1 de verilmiştir. Yumaklaştırma işlemini hızlandırmak ve daha büyük yumaklar elde etmek için yumaklaştırma işleminde aktif silika, polielektrolitler, kil ve kalsit gibi yardımcı koagülant maddeler de kullanılmaktadır.

14 Çizelge 1 Kimyasal arıtmada kullanılan koagülant maddeler (Eroğlu, 1991) Kimyasal madde Formülü Rengi Asit veya alkaliliği Alüminyum Sülfat Al2(SO4)3.14H2O Beyaz, katı form Asit Sodyum Aluminat NaAlO2.nH2O Beyaz Alkali FeCI3.6H2O Kahverengi, katı veya sıvı form Asit Demir Klorür Sarımsı-kahverengi, Demir Sülfat Fe(SO4)3.9H2O katı form Asit Demir Sülfat FeSO4.7H2O Yeşil, katı Asit Sönmüş Kireç Ca(OH)2 Beyaz Alkali Sönmemiş Kireç CaO

15 Alüm : Evsel atıksu arıtma sistemlerinin bir çoğunda küçük boyutlardaki askıda katıları floklaştırmak için alüm kullanılmaktadır. Birçok araştırmacı, alüminyum tuzlarıyla koagülasyonda iyi bir renk ve bulanıklık gideriminin sağlandığını göstermişlerdir. Alüm, kalsiyum ve magnezyum bikarbonat alkalinitesi içeren bir suya ilave edildiği zaman aşağıdaki reaksiyon meydana gelir. Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(HCO3)2 666,7 3x100 (CaCO3 olarak) 3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 +18H2O 3x136 2x78 Al(OH)3, atıksu içerisindeki askıda maddeleri çöktüren jelatinimsi bir floktur. Atıksuların arıtımında partikül giderimi, alüminyum tuzlarının yüksek OH/Al oranından olumlu bir şekilde etkilenirler. Yukarıdaki reaksiyon magnezyum bikarbonat ile de tamamen aynıdır, sadece kalsiyumun yerine magnezyum geçer. Reaksiyonlardan görüldüğü gibi, kullanılan alüm miktarına bağlı olarak yeterli miktarda alkalinitenin suda bulunması gereklidir. Eğer suda yeterli miktarda alkalinite yoksa ortama kireç verilerek ilave edilmelidir. Alüminyum iyonları, sudaki fosfor iyonlarıyla da reaksiyona girerek alüminyum fosfat oluşturur ve çökelir.

16 Al+3 + Hn(PO4)3-n AlPO4 + nh+ Al2(SO4)3 18H2O kullanıldığında, oluşacak reaksiyon aşağıda verildiği gibidir; Al2(SO4)3 18H2O + 2PO43-2AlPO4 + 3SO H2O şeklinde olur. Reaksiyona göre 1 gr PO4-P için 10.8 gr alüm gerekmektedir, ancak pratikte gereken alüm miktarı bundan daha yüksektir. Alümün etkili bir şekilde kullanılması için atıksuyun ph değerinin civarında olması gereklidir.

17 ÖRNEK: 10 mg/l dozunda Al2(SO4)3 18H2O ile reaksiyon yapmak için suyun alkalinitesi ne olmalıdır? ÇÖZÜM: Alkalinite CaCO3 cinsinden ifade edilir. Yukarıdaki kimyasal formüle göre 1 mol alüm (666,7 gr) ile reaksiyon yapmak üzere 3 mol Ca(HCO3)2 gerekmektedir. Bu değer aynı zamanda 3 mol CaCO3 e eşdeğerdir. Kalsiyum karbonatın molekül ağırlığı 100 gr/mol olduğuna göre, oranlamayı şu şekilde yapabiliriz. 666,7 gr Al2(SO4)3 18H2O için 0,01 gr/l için 3x100 gr CaCO3 gerekiyorsa X Buradan X değeri yani gerekli CaCO3 alkalinitesi = 0,0045 g/l = 4,5 mg/l olarak bulunur. Suyun içindeki alkalinite bu değerden az ise gerekli yumaklaştırmanın olması için suya kireç ilavesi etmek gerekmektedir.

18 Kireç : Kireç, su veya atıksuya ilave edildiğinde, yüksek ph da pozitif yüklü Mg(OH)2 ve CaCO3 çökeleklerinin oluşmasına sebep olur. Kireç tek başına çöktürücü olarak kullanıldığında aşağıdaki reaksiyonlar gerçekleşir. Ca(OH)2 + H2CO3 Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 CaCO3 + 2H2O 2CaCO3 + 2H2O

19 Kireç koagülant olarak kullanıldığında çöktürme çıkışında askıda katı madde ve oksijen ihtiyacında düşüş gözlenebilir. Yüksek sertlik ve alkalinite içeren atıksularda ph da, orta sertlik ve alkalinite içeren atıksularda ph de, düşük sertlik ve alkalinite içeren atıksularda ph de oldukça iyi bir çıkış suyu elde edilebilir. Kireç ile atıksuların arıtımında, oluşan Mg(OH)2 in miktarı ile giderilen TOK miktarı arasında sıkı bir ilişki vardır. Mg içeriği az olan atıksulara kireç ilave edildiğinde, yeterli miktarda Mg(OH)2 oluşmaması sebebiyle atıksudaki kolloidler çöktürülemeyecek ve düşük çıkış kalitesi elde edilecektir. Kireç ile fosfatın çöktürülmesi ise aşağıdaki reaksiyona göre gerçekleşebilir. Kireç gerçek bir koagülant değildir ancak bikarbonat alkalinitesiyle birleşerek kalsiyum karbonat, ortofosfat ile birleşerek kalsiyum hidroksiapatit oluşturur. Magnezyum hidroksit yüksek ph seviyelerinde çöker. İyi ayırma için ortamda bir miktar jelimsi Mg(OH)2 olması gerekir, ancak bu durumda oluşan çamurun susuzlaştırılması zorlaşır. Kireç çamuru genellikle sıkıştırılabilir, susuzlaştırılabilir ve tekrar kullanım için kalsiyum karbonatı kirece dönüştürmek üzere kalsinleştirilir. 5Ca++ + 3H2PO4- + 7OH- Ca5(PO4)3OH + 6H2O

20 Demir (2) sülfat: Demir (2) sülfat kimyasal çöktürücü olarak genellikle tek başına kullanılmaz. Çünkü çöktürme işleminin gerçekleşmesi için kirecin ilave edilmesi gereklidir. Demir (2) sülfat yalnız kullanıldığında aşağıdaki reaksiyon gerçekleşir. FeSO4 7H2O + Ca(HCO3) (CaCO3) Fe(HCO3)2 + CaSO4 + 7H2O 178 Ca(OH)2 şeklinde kirecin ilave edilmesi ile aşağıdaki reaksiyon gerçekleşir. Fe(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 178 Fe(OH)2 + 2CaCO3 + 2H2O 2x56 CaO 89,9 Fe(OH)2 atıksudaki oksijenle birleşerek demir (3) hidroksit e oksitlenir. Çözünmeyen Fe(OH)3, alüm flokuna benzer şekilde iri ve jelatinimsi bir yapıdadır. 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4x x18 4Fe(OH)3 4x106,9

21 ÖRNEK 10 mg/l FeSO4 7H2O içeren bir atıksuyun koagülasyonu için gerekli alkalinite, kireç ve oksijen miktarını hesaplayınız. ÇÖZÜM Gerekli alkalinite için: 278 gr FeSO4 7H2O için 100 gr CaCO3 gerekiyorsa 0,01 gr/l için X Buradan gerekli alkalinite miktarı (X) = 3,6 mg/l olarak bulunur. Gerekli kireç (CaO) için : 278 gr FeSO4 7H2O için 2x56 gr CaO gerekiyorsa 0,01 gr/l için X Buradan gerekli kireç miktarı (X) = 4 mg/l olarak bulunur. Gerekli oksijen için : 4x278 gr FeSO4 7H2O için 32 gr O gerekiyorsa 0,01 gr/l için X Buradan gerekli oksijen miktarı (X) = 0,29 mg/l olarak bulunur.

22 İyi bir floklaşmanın gerçekleşmesi için, 10 mg/l FeSO4 7H2O dozu için yaklaşık olarak 4 mg/l alkaliniteye, 4 mg/l kirece ve 0.29 mg/l oksijene ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sebeple demir (2) sülfatın evsel ve endüstriyel atıksuların arıtılmasında sıkça kullanımına rastlanmaz. Bunun yerine daha çok demir (3) sülfat veya demir (3) klorür kullanılır.

23 Demir (3) Sülfat: Doğal bikarbonat alkalinitesi ile demir (3) sülfatın demir (3) hidroksite dönüşüm reaksiyonu aşağıdaki gibidir. Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2 Reaksiyon neticesinde genellikle yoğun ve hızlı çökelen floklar oluşur. Eğer doğal alkalinite, reaksiyon için yeterli değilse kireç ilave edilebilir. Demir (3) sülfat için optimum ph aralığı 4 12 arasındadır. Bu aralıkta demir hidroksit oldukça stabil bir durumdadır.

24 Demir (3) klorür: Demir (3) klorür için reaksiyonlar şunlardır: FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3 + 3H+ + 3Cl3H+ + HCO3 3H2CO3 Demir (3) klorür ile kirecin birlikte kullanılması halinde aşağıdaki reaksiyon gerçekleşir. 2FeCl3 + 3Ca(OH)2 2x162 3x56 (CaO) 3 CaCl2 + 2Fe(OH)3 3x111 2x106,9 FeCl3 ile fosfat arasındaki reaksiyon ise aşağıdaki gibidir. FeCl3 + PO43- FePO4 + 3Cl- Reaksiyona göre 1 gr PO4-P u gidermek için 5.23 gr FeCl3 gerekmektedir.

25 Fe+3 ve Al+3 ile kimyasal arıtmada kabul edilen optimum ph arasındadır. FeCl3, ham atıksuları direkt fiziko-kimyasal olarak arıtmak için kullanılacaksa, ph nın 5.3 civarında tutulması daha uygundur.

26 Polielektrolit kullanımı: Polielektrolit, koagülant olarak kullanılan metal tuzlarının etkisini artırmak amacıyla atıksu arıtımında kullanılırlar. Bunların bir kısmının su arıtımında da kullanılmasına müsaade edilmektedir. Anyonik, katyonik ve noniyonik olmak üzere üç çeşidi bulunmaktadır. Şayet partüküler madde (-) yüklü ise bu durumda katyonik Polielektrolit kullanmak gerekmektedir. Polielektrolit, koagülantlarla birlikte kullanıldığında gayet çabuk çökelen, büyük ve yoğun pıhtılar teşkil ederler. Sıkışmadan dolayı oluşacak çamur miktarı da daha stabil ve hacimce daha azdır. Polielektrolit kullanılması ile birlikte koagülant miktarı da düşmektedir. Bazı durumlarda tek başlarına kullanılmaları da yeterli gelmektedir.