ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Onur ORTATEPE EVSEL NİTELİKLİ ATIKSULARIN AEROBİK VE ANAEROBİK ŞARTLAR ALTINDA, AZOT VE FOSFOR GİDERİM VERİMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ADANA 2013
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ EVSEL NİTELİKLİ ATIKSULARIN AEROBİK VE ANAEROBİK ŞARTLAR ALTINDA, AZOT VE FOSFOR GİDERİM VERİMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI Onur ORTATEPE YÜKSEK LİSANS TEZİ ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Bu tez 11/07/2012 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir. Prof. Dr. Ahmet YÜCEER Doç. Dr. Çağatayhan Bekir ERSÜ Doç. Dr. Ramazan BİLGİN DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu tez Enstitümüz Çevre Mühendisliği Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. Mustafa GÖK Enstitü Müdürü Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir. 2
ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ EVSEL NİTELİKLİ ATIKSULARIN AEROBİK VE ANAEROBİK ŞARTLAR ALTINDA, AZOT VE FOSFOR GİDERİM VERİMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI Onur ORTATEPE ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI Danışman Jüri : Prof. Dr. Ahmet YÜCEER Yıl :2013, Sayfa:99 : Prof. Dr. Ahmet YÜCEER : Doç. Dr. Çağatayhan Bekir ERSÜ : Doç. Dr. Ramazan BİLGİN Yapılan çalışmada evsel nitelikli sentetik atıksu kesikli aktif çamur ve yukarı akışlı anaerobik filtre reaktörü kullanılarak arıtılmıştır. Reaktörlere verilen sentetik atıksu ortalama değerleri; KOİ 500 mg/l, TKN (NH 3 ve Organik Azot) 45 mg/l, NO 3 2,5 mg/l, toplam fosfor 8,5 mg/l dir. Deneysel çalışmalar sırasında kesikli aktif çamur reaktörü ve yukarı akışlı anaerobik filtre reaktörleri eş zamanlı olarak işletilmiş ve aynı evsel nitelikli sentetik atıksu ile beslenmiştir. Kesikli aktif çamur reaktörü; uçucu askıda katı madde (UAKM) 3500 mg/l, askıda katı madde (AKM) 5000 mg/l, hidrolik bekletme süresi (HRT) 24 saat, çamur yaşı 20 gün, F/M oranı 0,06 gün -1, Çözünmüş oksijen (ÇO) 3,6 mg/l ortalama değerleri altında işletilmiştir. Yukarı akışlı anaerobik filtre reaktörü; AKM 15000 mg/l, HRT 12 saat ve 35 0 C sabit sıcaklık değerleri altında işletilmiştir. Bu parametreler işletme sırasında sürekli olarak kontrol edilmiştir. Kesikli aktif çamur reaktöründe ortalama % 90, yukarı akışlı anaerobik filtre reaktöründe ortalama % 78 KOİ giderildiği görülmüştür. Kesikli aktif çamur ve yukarı akışlı anaerobik filtre reaktörlerinin azot ve fosfor değerlerinin karşılaştırılması; TKN, NH 3, NO 3, NO 2 ve toplam fosforun giriş ve çıkış konsantrasyonlarına göre hesaplanmıştır. Çalışma sonunda kesikli aktif çamur reaktörü ortalama giderim verimleri; TKN % 91, toplam fosfor %63, yukarı akışlı anaerobik filtre reaktörlerinde ise ortalama TKN % 12 oranında giderilirken, toplam fosforun %20 oranında artış gösterdiği gözlenmiştir. Yukarı akışlı anerobik filtre reaktöründe azot ve fosfor çıkış konsantrasyonlarının yüksek olmasından dolayı Kurak bölgelerde evsel nitelikli atıksuların, yukarı akışlı anerobik filtre reaktörü ile arıtıldıktan sonra zirai amaçlı sulama suyu olarak yeniden kullanılması düşünülmektedir. Anahtar Kelimeler: Kesikli aktif çamur, yukarı akışlı anerobik filtre, kurak bölgelerde atıksuların yeniden kullanılması, azot giderimi, fosfor giderimi. I
ABSTRACT MSc. THESIS THE TREATMENT OF NITROGEN AND PHOSPHORUS PERFORMANCE COMPARISON WITH BATCH FLOW ACTIVATED REACTOR AND UPFLOW ANAEROBIC FILTER REACTOR Onur ORTATEPE ÇUKUROVA UNIVERSITY INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF ENVIRONMENTAL ENGINEERING Supervisor : Prof. Dr. Ahmet YÜCEER Year :2013, Pages:99 Jury : Prof. Dr. Ahmet YÜCEER : Assoc.Prof.Dr. Çağatayhan Bekir ERSÜ : Assoc.Prof.Dr. Ramazan BİLGİN In this study, synthetic domestic watsewater is treated with batch flow activated sludge and upflow anaerobic filter reactor. The reactors are fed with synthetic domestic wastewaters which have the value of COD (chemical oxygen demand) 500 mg/l, TKN (NH 3 and organic nitrogen) 45 mg/l, NO 3 2,5 mg/l, total phosphorus 8,5 mg/l. During the study, the batch flow activated sludge and upflow anaerobic filter reactor are run simultaneously and supplied with the same synthetic domestic watsewater. The batch flow activated sludge reactor is run under the average of MLVSS 3500 mg/l, MLSS 5000 mg/l, hydraulic retention time (HRT) 24 hour, Solids residence times (SRT) 20 days, F/M ratio 0,06 day -1, DO (dissolved oxygen) 3,6 mg/l. The upflow anaerobic filter reactor is run under the average of MLSS 15000 mg/l, HRT 12 hour and 35 0 C constant temperature. These parameters are always checked during the running. It is observed that, from the activated sludge %90 and from the upflow anaerobic filter reactor % 78 COD is removed. The comparison of nitrogen and phosphate values of the batch flow activated sludge and upflow anaerobic filter reactors are calculated according to the inlet and outlet concentration of; TKN, NH 3, NO 3, NO 2 and total phosphorus. The batch flow activated sludge reactor average removal rate: TKN % 91, total phosphorus %63. The upflow anaerobic filter reactor average removal rate for TKN % 12 but total phosphorus increased % 20. In conculusion, upflow anaerobic filter reactor, nitrogen and phosphorus discharge concentration is higher than batch flow activated sludge reactor. Therefore the effluent can be reused in arid regions for irrigation, due to high nutrient content. Keywords: Batch flow activated sludge, upflow anaerobic fitler, wastewater reuse, nitrogen removal, phosphorus removal. II
TEŞEKKÜR Lisans ve yüksek lisans eğitimim ve tez çalışmam boyunca her türlü olanağı sağlayarak yardımlarını benden esirgemeyen ve fikirleriyle bana yol gösteren danışman hocam Çevre Mühendisliği Bölüm Başkanı Sayın Prof. Dr. Ahmet YÜCEER e sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Eğitimim ve tez aşmam boyunca fikirleri bana ışık tutan hocalarım Sayın Prof Dr. Mesut Başıbüyük e, Sayın Doç. Dr. Çağatayhan Bekir ERSÜ ye, Sayın Yard Doç Dr. Turan YILMAZ a ve teşekkür ederim. Çalışmamda gerekli olan ekipmanlar ve tezim süresince bana destek veren Arş. Gör. Dr. Orkun İbrahim DAVUTLUOĞLU na, Arş. Gör. Dr. Ayşe ERKUŞ a, Arş. Gör. Dr. Fatih ERKUŞ a ve Arş. Gör. Behzat BALCI ya teşekkür ederim. Çalışmam sırasında benden yardımlarını esirgemeyen tüm yüksek lisans öğrencisi arkadaşlarıma teşekkür ederim. Bana yüksek lisans eğitimi imkanı veren Ç.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü ne ve çalışmalarım esnasında tüm bölüm olanaklarından yararlanmamı sağlayan Çevre Mühendisliği Anabilim Dalı Başkanlığı na, teşekkürlerimi sunarım. III
İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ...I ABSTRACT... II TEŞEKKÜR... III İÇİNDEKİLER... IV ÇİZELGELER DİZİNİ...VII ŞEKİLLER DİZİNİ... IX SİMGELER VE KISALTMALAR... XII 1. GİRİŞ... 1 1.1. Evsel Nitelikli Atıksuyun Özellikleri... 3 1.1.1. Evsel Nitelikli Atıksularda Azot ve Fosforun Önemi... 6 1.2. Çevre Mühendisliği Uygulamalarında Azot... 7 1.2.1. Azot Döngüsü... 10 1.2.2. Nitrifikasyon... 11 1.2.3. Denitrifikasyon... 14 1.3. Çevre Mühendisliği Uygulamalarında Fosfor... 15 1.3.1. Fosfor Döngüsü... 17 1.4. Evsel Nitelikli Atıksuların Arıtılması... 18 1.4.1. Aerobik (Havalı) Arıtma Prosesleri... 19 1.4.1.1. Aktif Çamur Yöntemi... 21 1.4.1.2. Aktif Çamur Yönteminde Organik Maddenin Parçalanması... 23 1.4.1.3. Kesikli Aktif Çamur Yöntemi... 25 1.4.1.4. Kesikli Aktif Çamur Yönteminde Azot Giderimi... 28 1.4.1.5. Kesikli Aktif Çamur Yönteminde Fosfor Giderimi... 30 1.4.2. Anaerobik (Havasız) Arıtma... 32 1.4.2.1. Anaerobik Arıtma Mekanizması... 33 1.4.2.2. Anaerobik Arıtma Yöntemleri... 35 1.4.2.3. Anaerobik Filtre Reaktörleri... 37 1.4.2.4. Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktöründe Azotun Davranışları... 38 IV
1.4.2.5. Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktöründe Fosforun Davranışları... 40 1.5. Dünya da Su Kaynakları ve Kullanım Şekilleri... 43 1.6. Türkiye de Su Kaynakları ve Kullanım Şekilleri... 44 1.7. Atıksuların Yeniden Kullanılma İhtiyacı... 46 1.7.1. Kentsel Amaçlı Yeniden Kullanım... 47 1.7.2. Endüstriyel Amaçlı Yeniden Kullanım... 47 1.7.3. Çevre ve Rekreasyon Amaçlı Yeniden Kullanım... 47 1.7.4. Yeraltı Suyunun Beslenmesi Amaçlı Yeniden Kullanım... 47 1.7.5. İçme Suyu Kaynaklarının Artırılması Amaçlı Yeniden Kullanım... 48 1.7.6. Tarımsal Amaçlı Yeniden Kullanım... 48 1.7.7. Atıksuların Yeniden Kullanımında Dikkat Edilmesi Gereken Faktörler... 50 1.8. Atıksuların Tarımsal Amaçlı Yeniden Kullanımı... 50 1.8.1. Atıksuların Tarımda Yeniden Kullanılması Planlanırken Dikkat Edilmesi Gereken Faktörler... 52 1.8.2. Su Kaynağının Özellikleri... 52 1.8.2.1. Miktar... 52 1.8.2.2. Kalite... 53 1.8.2.3. Tuzluluk... 53 1.8.2.4. Sodyum İçeriği... 54 1.8.2.5. Eser Elementler... 54 1.8.2.6. Bakiye Klor... 55 1.8.2.7. Nutrientler... 55 1.8.2.8. Endokrin Bozucular... 55 1.8.3. Ekonomik Açıdan Uygunluk... 56 1.8.4. Mikrobiyolojik Açıdan Sağlık Riskleri... 56 1.8.5. Toksikolojik Açıdan Sağlık Riskleri... 57 1.8.6. Sosyokültürel Konular... 58 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR... 59 3. MATERYAL VE METOD... 67 3.1. Materyal... 67 V
3.1.1. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü... 67 3.1.2. Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörü... 68 3.1.3. Sentetik Atıksu... 69 3.2. Metot... 70 3.2.1. Analitik Yöntemler... 70 3.2.2. Deneysel Çalışma... 71 4. BULGULAR VE TARTIŞMA... 73 4.1. Reaktörlerin İşletmeye Alınması... 73 4.2. Deneysel Bulgular... 75 4.2.1. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü Bulguları... 75 4.2.2. Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörü Bulguları... 79 5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER... 89 KAYNAKLAR... 93 ÖZGEÇMİŞ... 99 VI
VII
ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 1.1. Ham Evsel Nitelikli Atıksuyun Kirlilik Dereceleri... 4 Çizelge 1.2. Ham Evsel Nitelikli Atıksuyun Karakteristiği... 5 Çizelge 1.3. Farklı ülkelerdeki ham evsel nitelikli atıksu değerlerinin karşılaştırılması... 6 Çizelge 1.4. Sucul ortamlarda NH4+, NO 2 ve NO 2 iyonlarının fazla miktarda bulunması sonucu oluşabilecek kirlilik türleri... 8 Çizelge 1.5. Havalandırma havuzlarında Nitrifikasyon yapabilme yeteneğine sahip organizma grupları.... 13 Çizelge 1.6. Çevre mühendisliği uygulamalarında en çok rastlanan fosfor bileşikleri... 17 Çizelge 1.7. Enerji ve karbon kaynaklarına göre mikroorganizmaların genel sınıflandırılması... 20 Çizelge 1.8. Aerobik ve anaerobik bakteriyel metabolizma... 34 Çizelge 1.9. Dünyadaki Toplam Su Miktarlarının Yüzdesi... 44 Çizelge 1.10. Dünya da Yıllara Göre Su Tüketim Miktarları... 44 Çizelge 1.11. Ülkemizde Tüketilebilir Su Potansiyeli Miktarları ve Yüzdesi... 45 Çizelge 1.12. Arıtılmış Atıksu Kullanım Uygulamaları.... 49 Çizelge 2.1. HUASB reaktöründe evsel nitelikli atıksuyun arıtılmasında ait parametreler... 62 Çizelge 2.2. Farklı reaktörlerdeki azot giderim oranları... 63 Çizelge 2.3. HUSB ve UASB reaktörlerinin ortalama değerleri... 64 Çizelge 3.1. Sentetik Atıksu Bileşimi... 70 Çizelge 4.1. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü İşletme Parametreleri... 73 Çizelge 4.2. Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörü İşletme Parametreleri... 74 Çizelge 4.3. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü Bulguları... 73 Çizelge 4.4. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü TKN Bulguları... 76 Çizelge 4.5. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü NH3 Bulguları... 76 Çizelge 4.6. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü Organik Azot Bulguları... 77 Çizelge 4.7. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü Nitrat Azotu (NO 3 ) Bulguları... 77 VIII
Çizelge 4.8. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü Nitrit Azotu (NO 2 ) Bulguları... 78 Çizelge 4.9. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü Toplam Fosfor Bulguları... 78 Çizelge 4.10. Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörü Bulguları... 80 Çizelge 4.11. Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörü TKN Bulguları... 81 Çizelge 4.12. Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörü NH 3 Bulguları... 81 Çizelge 4.13. Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörü Organik Azot Bulguları... 82 Çizelge 4.14. Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörü Nitrat Azotu (NO 3 ) Bulguları... 82 Çizelge 4.15. Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörü Nitrit Azotu (NO 2 ) Bulguları... 83 Çizelge 4.16. Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörü Toplam Fosfor Bulguları... 83 Çizelge 5.1. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü ve Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörü Ortalama Değerleri... 89 IX
ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. Ötrofikasyonun sucul ortamdaki döngüsü... 9 Şekil 1.2. Azot döngüsü.... 10 Şekil 1.3. Atıksu içerisinde bulunan amonyum iyonunun nitrifikasyon basamakları.... 11 Şekil 1.4. Nitrifikasyon bakterilerinden a)çomaksı Şeklindeki Nitrobacter b)nitrosomonas.... 11 Şekil 1.5. Atıksu içerisinde bulunan amonyak ve amonyum iyonunun farklı ph aralığında bulunma yüzdesi... 12 Şekil 1.6. Ani nitrifikasyon sırasında bulunan protozoa türleri... 13 Şekil 1.7. Fosfor Bileşikleri... 16 Şekil 1.8. Fosfor Döngüsü... 18 Şekil 1.9. Piston Akımlı Aktif Çamur Reaktörü... 22 Şekil 1.10. Tam Karışımlı Aktif Çamur Reaktörü... 22 Şekil 1.11. Klasik Aktif Çamur Prosesinin Şematik Gösterimi... 23 Şekil 1.12. Organik maddenin biyolojik bir hücreye transferi... 24 Şekil 1.13. Kesikli aktif çamur prosesi... 27 Şekil 1.14. Aktif Çamur aerobik fosfor giderim profili... 31 Şekil 1.15. Biyolojik fosfor giderim prosesinde BOİ ve Ortofosfatın değişimi... 32 Şekil 1.16. Anaerobik dönüşüm prosesleri... 35 Şekil 1.17. Askıda çoğalan sistemler... 36 Şekil 1.18. Biyofilm üzerinde çoğalan sistemler... 37 Şekil 1.19. ph değişimine bağlı amonyak ve amonyum değişimi... 39 Şekil 1.20. Polifosfatın kimyasal yapısı ve yüksek enerjili ortofosfat grubu... 41 Şekil 1.21. Biyolojik fosfor arıtımında, Anaerobik ve Aerobik metabolizmaların davranışları... 41 Şekil 1.22. İleri Biyolojik Fosfor Giderim Prosesi şematik gösterimi... 42 Şekil 2.1. Anaerobik filtre reaktöründe farklı hidrolik bekletme sürelerindeki KOİ ve AKM giderim verimleri... 65 Şekil 3.1. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü... 68 X
Şekil 3.2. Yukarı akışlı anaerobik filtre reaktörü ve biyogazın toplandığı ölçeklendirilmiş silindir ve asitli su tankı düzeneği... 69 Şekil 4.1. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü ve Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörlerinde KOİ giderim verimlerinin karşılaştırılması... 84 Şekil 4.2. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü ve Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörlerinde TKN giderim verimlerinin karşılaştırılması... 85 Şekil 4.3. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü ve Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörlerinde NH3 Azotu giderim verimlerinin karşılaştırılması.... 86 Şekil 4.4. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü ve Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörlerinde Nitrat (NO 3 ) giderim miktarlarının karşılaştırılması... 87 Şekil 4.5. Kesikli Aktif Çamur Reaktörü ve Yukarı Akışlı Anaerobik Filtre Reaktörlerinde Fosfor giderim miktarlarının karşılaştırılması... 88 XI
SİMGELER VE KISALTMALAR A.Ç. AKM BOİ BOİ 5 BOİ u ÇBS (SRT) ÇHİ (SVI) ÇO F/M HRT KOİ MLSS MLVSS NH 3 NO 2 NO 3 OLR TÇM TKM TKN TOK TP UAKM : Aktif çamur : Askıda katı madde : Biyolojik oksijen ihtiyacı : Beş günlük biyokimyasal oksijen ihtiyacı : Nihai biyokimyasal oksijen ihtiyacı : Çamur bekletme süresi (Sludge retention time) : Çamur hacim indeksi (Sludge volume index) : Çözünmüş oksijen : Besin maddesinin organizma miktarına oranı (Food/Microorganism) : Hidrolik bekletme süresi (Hydraulic retention time) : Kimyasal oksijen ihtiyacı : Karışık sıvıda katı madde (Mix liquor suspended solids) : Karışık sıvıda uçucu katı madde (Mix liquor volatile suspended solids) : Amonyak azotu : Nitrit azotu : Nitrat azotu : Organik yükleme oranı (Organic loading rate) : Toplam çözünmüş katı : Toplam katı madde : Toplam kjeldahl azotu : Toplam organik karbon : Toplam fosfor : Uçucu askıda katı madde XII
XIII
1. GİRİŞ İçinde bulunduğumuz yaşam küresi, sadece insanlar için değil aynı zamanda diğer tüm canlılar içinde yaşam kaynağıdır. Çok hassas bir denge içinde olan bu eşsiz dünyanın başka alternatifi bulunmamaktadır. Günümüze kadar doğal kaynakların bilinçsiz kullanımı ile sürekli tahrip edilmesi, özellikle çevreye duyarlı olmayan endüstrileşme, hızlı ve plansız kentleşme eğilimleri vb. nedenler, sahip olduğumuz doğal zenginliklerin hızla tahrip olmasına, hatta bazı türlerin yok olmasına neden olmuştur. Ekolojik dengedeki bu bozulmalar başta küresel ısınma olmak üzere, yaşamın temel kaynağı olan suyun kalitesinin bozulmasına ve miktarının da her geçen gün azalmasına neden olmuştur. Suyun giderek azalan ve dolayısı ile kıymetlenen bir kaynak olması, su havzalarının önemini arttırmaktadır. Bu nedenle su havzalarının planlanması konusunda sistematik bir stratejinin olmaması ve su havzalarının küresel ölçekteki ekolojik değişimlerden hemen etkilenen bir yapı sergilemesi nedeniyle önemi bir kat daha artmaktadır. Su stresinin işaretlerini bugün her yerde görmek mümkündür. Yer altı sularının seviyeleri düşmekte, göller küçülmekte, sulak alanlar yok olmaktadır. (Öztürk, 2005) Bugün şehirlerimizde yaşanan sorunlardan bir tanesi de atıksulardır. Atıksu karakterizasyonu, uygun arıtma sistemlerinin tasarımı ve tesisin düzgün bir şekilde işletilmesi açısından çok önemlidir. Kentsel atıksular genellikle ham evsel atıksular ile ön arıtmadan geçmiş endüstriyel atıksulardan oluşmaktadır. Bu yüzden bu atıksular çok farklı özelliklere sahiptir ve ekonomik bir arıtma için karakterizasyonunun bilinmesi gerekmektedir. Evsel ve endüstriyel atıkların arıtılmadan veya gerektiği gibi arıtım yapılmadan deşarj yapılmasıyla alıcı ortamdaki çözünmüş oksijen miktarını azalmasına ve bunun sonucunda ekolojik dengenin bozulmasına neden olmaktadır. Atıksu deşarjlarıyla kirletilmiş yüzeysel suların kalitesi giderek düşmekte ve belirli bir süre sonunda bu sular, birçok kullanım amacına hizmet edemez hale gelmektedir. Atıklar sonucu, kayıp ve kirlenme dünyada olduğu gibi ülkemizde de çok kısıtlı alıcı ortamlar olan; su ve toprak kaynaklarında önemli sorunlar oluşturmaktadır. Bu 1
sorunların üstesinden gelmenin en akılcı yolu atık üretmemektir. Bu mümkün olmadığında da atıkları arıtmak ve yeniden kullanmaktır. (Türkmen, 2006) Atıksuların yeniden kullanıldığı alanlar: 1. Zirai amaçlı sulama (tarımsal ürün yetiştirme) 2. Arazi iyileştirme amaçlı sulama (park, bahçe, yeşil alan sulaması) 3. Endüstriyel amaçlı kullanım (kazan ve soğutma suları vb.) 4. Yer altı suyu zenginleştirilmesi 5. Rekreasyon ve çevresel amaçlı kullanım (göl, bataklık ve balıkçılık faaliyetlerinde vb) 6. Evsel amaçlı kullanım alanlarında (tuvalet suları, yangın söndürme vb.) 7. İçme suyu olarak yeniden kullanımı Bazı sanayileşmiş ülkelerin belirli şehirlerinde ve gelişmekte olan ülkelerin bazılarında çok az miktarda su kaynağı bulunmaktadır. Özellikle kurak (arid) ve yarı kurak (semi arid) bölgelerde atıksular boşa harcanmayacak kadar değerlidir. Bu kapsamda atıksuların arıtımı artık tüm dünyada kaçınılmaz hale gelecektir. Yapılan çalışmada evsel nitelikli atıksuyun aerobik ve anaerobik şartlar altında azot ve fosfor giderim verimleri kıyaslanmıştır. Azot ve fosfor alıcı ortamlara direk olarak deşarj edildiklerinde ortamı olumsuz yönde etkilerler. Bunlardan en etkilisi alg patlaması olarak bilinen ötrofikasyon olayıdır. Bunun yanında azot ve fosfor, bitkiler için besin ( nutrient ) kaynağıdır. Özellikle gübreler yüksek miktarda azot ve fosfor içermektedirler. Tarımsal amaçlı kullanılan bu gübreler yüksek miktarda ürün eldesi ve verimlilik sağlamaktadır. Bu nedenle azot ve fosfor tarımsal amaçlı olarak, en çok ihtiyaç duyulan iki elementtir. Evsel nitelikli atıksuların azot ve fosfor açısından zengin olması, atıksuyun tarımsal amaçlı kullanılmasını gündeme getirmiştir. Arıtılmış atıksuyun alıcı ortama verilmesi yerine tarımsal amaçlı olarak kullanılması, hem su kaynaklarının korunmasını hem de alıcı ortamların kirletilmesinin önlenmesi açısından çok önemlidir. (Yüceer, 2009) 2
1.1. Evsel Nitelikli Atıksuyun Özellikleri Evsel nitelikli atıksular askıda, koloidal ve çözünmüş halde organik ve inorganik maddelerden oluşur. Atıksuyun konsantrasyonu, kullanılan suyun kirletilmeden önceki konsantrasyonuna ve suyun kullanılış amacına bağlıdır. Gerek iklimsel şartlar, gerekse de insanların yaşam standartları ve kültürleri atıksu karakteristiğini önemli ölçüde etkiler. Kişi başına günlük su tüketim değerlerinin değişmesi ve evsel kanalizasyonlara, endüstriyel atıksuların verilmesi de atıksu karakteristiğini değiştiren önemli parametrelerdir. Her ne kadar suya deşarj edilen atık miktarları toplumların özelliklerine göre farklılık gösterse de, bu fark çok yüksek değildir. Bununla birlikte atıksu karakteristikleri sadece şehirden şehre değil, her bir yerleşim birimi için mevsimden mevsime hatta saatten saate bile değişkenlik gösterebilir. Atıksulardaki kirleticilerin konsantrasyonuna bağlı olarak gösterdiği değişkenlik, atıksuyun sınıflandırılmasına neden olmuştur. Evsel nitelikli atıksu; zayıf orta veya kuvvetli derecede olarak sınıflandırılmıştır. Çizelge 1.1 de (ham) hiç arıtılmamış ve bir işleme uğramamış evsel nitelikli atıksu özellikleri verilmiştir. (Metcalf&Eddy, 2003) 3
Çizelge 1.1. Ham Evsel Nitelikli Atıksuyun Kirlilik Dereceleri (Metcalf & Eddy,2003) Kirleticiler Birim Konsantrasyon Zayıf Orta Kuvvetli Toplam Katı Madde mg/l 390 720 1230 Toplam Çözünmüş Katı Madde mg/l 270 500 860 Uçucu Çözünmüş Katı Madde mg/l 110 200 340 Toplam Askıda Katı Madde mg/l 120 210 400 Uçucu Askıda Katı Madde mg/l 95 160 315 BOI 5 (20C 0 ) mg/l 110 190 350 Toplam Organik Karbon mg/l 80 140 260 KOI mg/l 250 430 800 Toplam Azot mg/l 20 40 70 Organik Azot mg/l 8 15 25 Serbest Amonyak Azotu mg/l 12 25 45 Nitrit mg/l 0 0 0 Nitrat mg/l 0 0 0 Toplam Fosfor mg/l 4 7 12 Organik Fosfor mg/l 1 2 4 İnorganik Fosfor mg/l 3 5 10 Klorür mg/l 30 50 90 Sülfat mg/l 20 30 50 Yağ ve Gres mg/l 50 90 100 Uçucu Organik Bileşikler mg/l <100 100-400 >400 Çizelge 1.2 de, çizelge 1.1 deki gibi hiçbir arıtma işlemi uygulanmamış (ham) evsel nitelikli atıksuyun, standart olarak kabul edebileceğimiz ortalama değerleri verilmiştir. Çizelge 1.2 de görüleceği gibi, atıklar çok yüksek oranda karbon, azot, fosfor gibi organik besinlerden ve yüksek konsantrasyonda mikroorganizmalardan oluşmaktadır. Bunlar hemen çürümeye müsait olup, kanallarda akarken bile biyolojik bozunmaları devam eder. Böylece zaman içinde 4
atıksuyun bazı özellikleri de değişmektedir. Toplumlar arasında, özellikle de gelişmekte olan ve gelişmiş toplumlar arasında su tüketimi çok farklı olabileceğinden, değerler g/kişi-gün cinsinden verilmiştir. (Arceivala, 2002) Çizelge 1.2. Ham Evsel Nitelikli Atıksuyun Karakteristiği (Arceivala, 2002) Madde Atıksuda Bulunma Değeri (g/kişi-gün) BOİ 5 (20 0 C) 45-54 KOİ 1.6-1.9xBOİ 5 Toplam Organik Karbon 0.6 1.0xBOİ 5 Toplam Katı Madde 170-220 Askıda Katı Madde 70-145 Alkalinite (CaCO 3 cinsinden) 20-30 Kloridler 4-8 Toplam Azot 6-12 Organik Azot 0.4 x toplam azot Serbest Amonyak Azotu 0.6 x toplam azot Nitrit - Nitrat 0.0-0.5 x toplam azot Toplam Fosfor 0.6-4.5 Organik Fosfor 0.3 x toplam fosfor İnorganik Fosfor (ortho- ve polifosfat) 0.7 x toplam fosfor Toplam Bakteri (100 ml atıksu içinde) 10 9-10 10 Koliform Bakteriler (100 ml atıksu içinde) 10 9-10 10 Kanalizasyon sistemlerinin etkili çalışması durumunda, biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) değeri genellikle 54 g/kişi-gün civarındadır. Gelişmekte olan bazı bölgelerde oluşan atıksuyun tamamı kanalizasyon sistemine verilmediğinden, BOİ değeri 30-40 g/kişi-gün seviyesinde olabilir. Eğer kanalizasyonda birleşik sistem uygulanıyorsa, BOİ değeri %40 daha yüksek yani 77 g/kişi-gün seviyesinde 5
olmaktadır. Evsel nitelikli atıksular azot ve fosfor gibi besinlerin ana kaynağıdır. Birçok endüstri kuruluşunun atıksularında (gübre ve gıda endüstrileri hariç) çok az miktarda besin elementi bulunur. Gelişmen ve gelişmekte olan ülkelerin BOİ, azot ve fosfor değerleri karşılaştırılması Çizelge 1.3 de verilmiştir (Arceivala, 2002). Çizelge 1.3. Farklı ülkelerdeki ham evsel nitelikli atıksu değerlerinin karşılaştırılması (Metcalf&Eddy, 2003) (g/kişi-gün) Ülke Toplam Askıda Toplam Amonyak Toplam BOİ Katı Madde Kjeldahl Azotu Azotu Fosfor Brezilya 55-68 55-68 8-14 - 0.6-1 Danimarka 55-68 82-96 14-19 - 1.5-2 Mısır 27-41 41-68 8-14 - 0.4-0.6 Almanya 55-68 82-96 11-16 - 1.2-1.6 Yunanistan 55-60 - - 8-10 1.2-1.5 Hindistan 27-41 - - - - İtalya 49-60 55-82 8-14 - 0.6-1 Japonya 40-45 - 1-3 - 0.15-0.4 Filistin 32-68 52-72 4-7 3-5 0.4-0.7 İsveç 68-82 82-96 11-16 - 0.8-1.2 Türkiye 27-50 41-68 8-14 9-11 0.4-2 Uganda 55-68 41-55 8-14 - 0.4-0.6 Amerika (USA) 50-120 60-150 9-22 5-12 2.7-4.5 1.1.1. Evsel Nitelikli Atıksularda Azot ve Fosforun Önemi Teknolojik gelişmeler, hızlı nüfus artışı ve tüketim alışkanlıklarının artması ile birlikte; alıcı ortamlara verilen atıkların miktar ve çeşitliliğinde bir artış gözlenmiştir. Özellikle yeni kirleticilerin ortaya çıkması, su kaynaklarının, toprağın ve atmosferin yararlı kullanımını azaltmaktadır. İnsan aktiviteleri sonucunda, yüzeysel sularda, azot ve fosfor miktarının artması en yaygın sorunlardan biri olan ötrofikasyona neden olur. Ötrofikasyon 6
belirtileri daha çok yaz ayları boyunca alglerin çoğalması (Alg patlaması) sonucu ortaya çıkar. Alg patlaması sonucu sularda ki; bulanıklık artar, çözünmüş oksijen seviyesi düşer, balıklar ölür, flora ve fauna çeşitliliği azalır. Yüzeysel sulardaki alg miktarı ve bulanıklığın artması ile içme amaçlı olarak kullanılacak suların klorlama (Dezenfeksiyon) ihtiyacı da artacaktır. Bununla birlikte yüksek seviyede kurşun içeren dezenfektanların kullanılmasıyla insanlarda kanser riski de artacaktır. Sucul ortamda aşırı miktarda nutrient varlığı mikroorganizma aktivitesini arttıracaktır. Buna örnek olarak pfisteria insan sağlığına zarar verebilecek bir mikroorganizma türüdür (US.EPA,2001). Kullanılabilir su kaynaklarının her geçen gün azalması, mevcut su kaynaklarının korunmasının önemini arttırmaktadır. Türkiye de de mevcut su kaynaklarının korunması için azot ve fosfor kontrolü büyük önem taşımaktadır. Azot ve fosforun alıcı su ortamlarında meydana getirdiği kirlilik önemli boyutlara varabilmektedir. Bunun içinde azot ve fosforun giderilmesi için, gerekirse ileri arıtma yapılmalıdır. Özellikle gelişmiş ülkelerde azot ve fosforun ayrı ayrı giderilebildiği gibi, birlikte de giderilebileceği sistemler uygulamalı olarak ispatlanmıştır. Azot ve fosforun kontrolü için uygulanan kimyasal ve fiziksel proseslerin pahalı olması, kimyasal çöktürme halinde ortaya fazla miktarda çamur çıkması ve bu çamurun bertarafında karşılaşılan güçlükler, biyolojik arıtma tekniklerini ortaya çıkarmıştır ( Gülşen ve ark.,1997). 1.2. Çevre Mühendisliği Uygulamalarında Azot Azot içeren atıksular alıcı ortama deşarj edildiklerinde alıcı ortamın su kalitesini bozarlar. Amonyum iyonu (NH + 4 ), nitrit iyonu (NO - 2 ), ve nitrat iyonu (NO - 3 ), sucul ortamda bulunan temel azotlu bileşiklerdir. Sucul ortamlarda, azotlu bileşiklerin oluşturduğu önemli kirlilik etkileri; Çözünmüş oksijen seviyesi azalması, Toksisite, 7
Ötrofikasyon, Methemoglobinemia, Uluslararası örgütler ve yönetmeliklerle, alıcı ortamlarda (göl, deniz, vs.) azotu belli seviyelerde tutabilmek için sınır değerler getirilmiştir. Çözünmüş Oksijen Seviyesi Azalması: Azot bileşiklerince zengin atıksular alıcı ortamlara deşarj edildiklerinde ortamdaki oksijenin azaldığı gözlenmiştir. Oksijen seviyesindeki bu azalma ortamdaki mikrobiyal faaliyetlerden kaynaklanmaktadır. Mikroorganizmalar için besin (nutrient) kaynağı olan azotun alıcı ortamlarda bulunması, ortamdaki mikrobiyal faaliyetleri ve mikroorganizma konsantrasyonunu arttırırlar. Sucul ortamdaki çözünmüş oksijen seviyesinin azalması; alglerin çürükçül bakterilerin tarafından ayrıştırılması sırasında çözünmüş oksijenin büyük bir kullanmaları ve amonyum iyonunun nitrifikasyona uğraması ile çözünmüş oksijenin azota bağlanmasıdır. (Gerardi, 2002) Toksisite: Azotun üç farklı bileşiği de sucul ortamda, özellikle balıklar için toksisteye neden olabilmektedirler. Nitrat, amonyum ve nitrit iyonları ile kıyaslandığında daha fazla toksik etkiye sahip olduğu bilinmektedir. Çizelge 1.4. Sucul ortamlarda NH4+, NO 2 ve NO 3 iyonlarının fazla miktarda bulunması sonucu oluşabilecek kirlilik türleri (Gerardi, 2002) Azotlu Bileşikler Kirlilik Türleri Sucul bitkilerin aşırı büyümesi NH + - 4 / NO 2 Çözünmüş oksijen seviyesinin azalması Toksisite (NH + 4 için NH + 3 Toksisitesi) Sucul bitkilerin aşırı büyümesi - Çözünmüş oksijen seviyesinin azalması NO 3 Toksisite Methemoglobinemia Amonyum iyonu (NH + 4 ), birçok organizma grubu için nutrient kaynağı olsa dahi, sudaki ph seviyesinin artması ile ortamdaki amonyum iyonu amonyağa (NH + 3 ) dönüşür. Sucul ortamlarda yüksek konsantrasyonlarda bulunan amonyak canlılar için toksik etkiye sahiptir. Sucul ortamlarda ph 9,4 ve üzeri olduğunda amonyum iyonunun büyük bir kısmı amonyağa dönüşür. 8
Ötrofikasyon: Azot ve fosforun arzu edilmeyen seviyelerde alıcı ortamlarda bulunması sonucu oluşur. Fosfat (PO -2 4 ), ötrofikasyona neden olan birincil neden olsa da, azot atıkları da su kirliliğini ciddi boyutlarda arttırmaktadır. Azot ve fosforun alıcı ortamda fazla miktarda bulunması ortamdaki sucul bitkilerin (alg) hızlı bir şekilde çoğalmasını sağlar. Bakteri ve mantarlar ölen bitkilerin kalıntılarını, çözünmüş oksijeni de kullanarak ayrıştırır. Çözünmüş oksijen ve bitki kalıntıları; karbondioksit, su, amonyum iyonu, fosfat iyonu ve sülfat iyonuna dönüştürür. Bakteri ve mantarlar da yeni hücreler oluşturarak çoğalırlar. Büyük hacimdeki mikroorganizma konsantrasyonu sonucu ortamdaki çözünmüş oksijenin büyük bir kısmı da tüketilir. Ötrofikasyon sonucu sucul ortamda; çözünmüş oksijenin azalmasına bağlı canlı ölümlerine, su da renk, koku ve tat değişikliğine neden olur. Şekil 1.1. Ötrofikasyonun sucul ortamdaki döngüsü (Gerardi, 2002) Methemoglobinemia: Nitrat iyonuyla kirlenmiş içme suyu, insan vücuduna özellikle bebeklere kolaylıkla girebilmektedir. Bebek vücuduna giren nitrat iyonu sindirim sisteminde nitrite dönüşerek dolaşım sistemine de girebilmektedir. Nitrit iyonu hemoglobinde bulunan demir ile bağ oluşturur ve hemoglobin hücresinin akciğerlerden oksijen alımını engeller. Böyle bir durumda bebeğin vücudu mavi renge dönüşür. Bu nedenle bu hastalığa mavi bebek hastalığı da denmektedir. Vücuda alınan oksijenin yetersiz olması, bilinç yitimine veya ölüme neden olabilmektedir. (Gerardi, 2002) 9
1.2.1. Azot Döngüsü Azot elementi, proteinlerin yapısının temel elementi olmasından dolayı oldukça önemli bir besin tuzudur. Klorofil, RNA, DNA, birçok ko-enzim ve bazı vitaminler azot içeren biyomoleküllerdir. Azot elementi ayrıca, fotosentez, solunum, protein sentezi, genlerin oluşumu ve büyüme gibi önemli hayatsal fonksiyonlar için gerekli bir elementtir. Sucul sistemlerde çeşitli formlarda bulunan azot elementinin en yaygın formları nitrat (NO 3 ), nitrit (NO 2 ), serbest amonyak (NH 3 ), amonyum (NH4+), serbest azot gazı (N2), amino asitler ve proteinler gibi organik formlardır. Basit kimyasal reaksiyonlar ile bir formdan diğerine dönüşüm gözlenebilmekle beraber, daha sıklıkla biyolojik aktivitenin sonucudurlar. Sucul çevrelerdeki azot döngüsü Şekil 1.2 de şematik olarak gösterilmektedir. (Lekang, 2007). Şekil 1.2. Azot döngüsü (Lekang, 2007). 10
1.2.2. Nitrifikasyon Biyolojik nitrifikasyon, amonyum iyonunun oksidasyona uğrayarak nitrit ve nitrat iyonuna dönüşmesidir. Oksidasyon boyunca amonyum ve nitrit iyonuna nitrifikasyon bakterileri tarafından (Nitrosomonas ve Nitrobacter) oksijen bağlanır. Nitrifikasyonun gerçekleşmesi doğal denge için çok önemlidir. Özellikle bitkiler, azot ihtiyaçlarını nitrat iyonunu absorbe ederek karşılarlar. Şekil 1.3. Atıksu içerisinde bulunan amonyum iyonunun nitrifikasyon basamakları (Gerardi, 2002). Şekil 1.4. Nitrifikasyon bakterilerinden a)çomaksı Şeklindeki Nitrobacter b)nitrosomonas (Gerardi, 2002). Nitrifikasyon, atıksu arıtma tesislerinin işletilmesi ve planlanması açısından da önemli bir yere sahiptir. Aerobik arıtma tesislerinde, amonyum ve amonyak miktarları ph ve sıcaklığa bağlı olarak değişiklik gösterirler. Standart bir aktif çamur arıtma tesisinde 10 0 C - 20 0 C sıcaklık ve 7-8,5 ph aralığında, atıksudaki azotun %95 i amonyum iyonu halinde bulunur. Oksidasyon sırasında sudaki çözünmüş 11
oksijen, amonyum iyonu ve nitrit iyonuna bakteri hücresi içerisinde bağlanır. Çünkü biyokimyasal reaksiyonlar hücre içinde meydana gelir. (Gerardi, 2002). Şekil 1.5. Atıksu içerisinde bulunan amonyak ve amonyum iyonunun farklı ph aralığında bulunma yüzdesi (Gerardi, 2002). Amonyum iyonu, ürenin hidrolizi ve organik azot bileşikleri parçalanması ile oluşur. Organik azot bileşiklerinin hidroliz ve parçalanması sonucu amino grubu ortaya çıkar ve amonyum iyonu oluşur. Birçok organizma grubu amonyum iyonu ve nitrit iyonunu okside edebiliyor olsa da, özellikle aktif çamur sistemlerinde; Nitrosomonas ve Nitrobacter bakterileri tarafından oksidasyon gerçekleştirilir. Bu iki bakteri türü özel enzimlere ve hücre yapılarına sahip olduklarından nitrifikasyon için önemli bakterilerdir. Nitrifikasyon bakterileri diğer organizma gruplarından daha fazla oranda nitrifikasyon yapabilirler ancak bu hücre bölünmesi veya büyümesine bağlı değildir. Nitrifikasyon bakterileri, diğer organizma gruplarından yaklaşık 1000 10.000 kez daha fazla nitrifikasyon yapabilme kapasitesine sahiptirler. (Gerardi, 2002). 12
Çizelge 1.5. Havalandırma havuzlarında Nitrifikasyon yapabilme yeteneğine sahip organizma grupları (Gerardi, 2002). Organizma Tür Aktinomisetler Myocbacterim Nocardia Alg Chlorella Bakteri Arthrobacter Bacillus Nitrobacter Nitrosomonas Proteus Pseudomonas Vibrio Mantar Aspergillus Protozoa Epistylis Vorticella Nitrifikasyon bakterilerinden iki tür Protozoa, ani nitrifikasyon sırasında çok sayıda bulunan türlerdir. Bunlar Epistylis ve Vorticella dır. Şekil 1.6. Ani nitrifikasyon sırasında bulunan protozoa türleri (Gerardi, 2002) 13
1.2.3. Denitrifikasyon Denitrifikasyon terimi ilk olarak 1886 yılında Fransa da kullanılmıştır. Bu terim substratı parçalamak için nitrat iyonlarını kullanan bakteriler olarak adlandırılmıştır. Atıksular için denitrifikasyon; organik maddenin parçalanması için fakültatif bakterilerin (denitrifikasyon bakterileri) nitrat ve nitrit iyonunu kullanması olarak tanımlanabilir. Azot bileşiklerinin atıksudan uzaklaştırılması için genellikle denitrifikasyon ve nitrifikasyon birleşik sistemleri kullanılsa da, denitrifikasyon anoksik şartlar altında gerçekleşir. Bu nedenle denitrifikasyon elverişli işletme koşularının sağlanmasında katkıda bulunur. Örnek olarak aktif çamur arıtma sistemlerinde bulunan bakterilerin yaklaşık % 80 i anaerob fakültatif bakterilerdir. Bu organizmalar sahip oldukları enzimler sayesinde sudaki serbest oksijeni, nitriti ve nitartı kullanarak organik maddeleri parçalayabilirler. Fakültatif anaeroblar ilk olarak sudaki serbest oksijeni daha sonra ise nitriti ve nitratı kullanırlar. Organik parçalanma aerobik ve anaerobik şartlar altında gerçekleşebilir. Aerobik ortamda serbest oksijen molekülleri kullanılarak hücresel faaliyetler sürdürülür ve organik madde parçalanır. Örnek olarak glikozun parçalanması; C 6 H 12 O 6 + O 2 6CO 2 + 6H 2 O Atıksu ortamında serbest oksijen molekülü bulunmadığı, organik maddenin parçalanması için nitrit ve nitrat iyonu gibi bağlı oksijenin kullanıldığı durumlara anaerobik ortam denir. Eğer ortamdaki nitrit ve nitrat gibi bağlı oksijenlerde, hücresel faaliyetler için kullanılırsa, ortam anoksik şartlara dönüşür. C 5 H 10 O 5 + 4NO - 3 + 4H + 5CO 2 + 7H 2 O +2N 2 Anoksik şartlar altında nitrit ve nitrat iyonları bir dizi biyokimyasal reaksiyonlar sonucu indirgenir. Bu biyokimyasal reaksiyonlar sonucu nitrit ve nitrat, 14
gaz fazına geçerek moleküler azot haline dönüşür. Denitrifikasyon süresince, nitrat iyonu önce nitrite daha sonra da moleküler azot gazına dönüşerek atmosfere yayılır. Nitrifikasyon, azotun atıksudan uzaklaşmasını sağlamaz, sadece amonyum iyonunu nitrat iyonuna dönüştürür. Ancak nitrifikasyonun ardından gerçekleştirilen denitrifikasyon, azot bileşiklerini, azot gazı formuna dönüştürerek atmosfere ulaştırır. Bununla birlikte moleküler azot olan azot oksitler, denitrifikasyon süresince nitrit ve nitrat iyonlarından oluşurlar. Denitrifikasyon sırasında oluşan azot gazı suda çözünmez formda olduğundan direk atmosfere yayılır. (Gerardi, 2002). 1.3. Çevre Mühendisliği Uygulamalarında Fosfor Yüksek konsantrasyonlarda fosfor içeren atıksuların kontrolsüz şekilde alıcı ortamlara deşarj edilmesi sonucunda su kalitesinde önemli ölçüde bozulmalar oluşabilmektedir. Bu nedenle fosfor kirliliği, çevresel açıdan gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Sucul ortamlarda fosfor, fosfat formunda bulunur. Özellikle inorganik fosfat bileşikleri veya bunların dehidrate şekilleri olan polifosfatlar çevre mühendisliği uygulamalarında önemli bir yere sahiptir. Evsel nitelikli atıksular fosfor bileşiklerince zengindirler. Sentetik deterjanların kullanımı ile birlikte evsel nitelikli atıksulardaki fosfor miktarı 2-3 kat artarak 8-12 mg/l seviyesine gelmiştir. Deterjanların katkı maddelerinin %50 sinden fazlasını polifosfatlar oluşturmaktadır. Bu da evsel nitelikli atıksulardaki inorganik fosfor miktarını arttırmaktadır. İnorganik fosforun önemli bir kısmı da insan metabolizmasında proteinlerin parçalanması sonucu oluşur. Bir insanın günde atacağı fosfor miktarı 1,5gr/gündür. Evsel atıksuların 1-2mg/L sini organik fosfor, 4-9mg/L sini inorganik fosfor oluşturur. (Samsunlu, 2006) 15
Toplam Fosfor Toplam İnorganik Fosfor Organik Fosfor Ortofosfat Polifosfat Şekil 1.7. Fosfor Bileşikleri Polifosfatlar, birden fazla ortofosfat molekülünden su çıkması ile elde edilen dehidrate şekiller olduğundan, su ortamında zamanla hidrolize uğrar ve orto haline geri dönerler. Polifosfatın hidrolize olarak ortofosfat haline dönüşmesine örnek bir reaksiyon olarak, Tetrasodyum pirofosfatın, Di sodyum fosfata hidrolizi verilebilir. Na 4 P 2 O 7 + H 2 O 2Na 2 HPO 4 Bu dönüşüm olayının hızı, sıcaklığın bir fonksiyonudur ve sıcaklık kaynama noktasına yaklaştıkça hız artar. Hidroliz olayının hızı, aynı zamanda ph ın düşmesi ile arttırılabilir. Kompleks fosfatların hidrolizi; aynı zamanda bakteriyel enzimler vasıtası ile de olmaktadır. Bu nedenle temiz sularda dönüşüm hızı, atıksulara oranla daha az olmaktadır. (Samsunlu, 2006) 16
Çizelge 1.6. Çevre mühendisliği uygulamalarında en çok rastlanan fosfor bileşikleri (Samsunlu, 2006) Fosfat Bileşikleri Kimyasal Formülleri Ortofosfatlar Tri sodyum fosfat Na Di sodyum fosfat 3 PO 4 Na 2 HPO 4 Mono sodyum fosfat NaH 2 PO 4 Di amonyum fosfat (NH 4 ) 2 HPO 4 Polifosfatlar Sodyum hekzametafosfat Sodyum tripolifosfat Tetrasodyum pirofosfat Na 3 (PO 3 ) 6 Na 5 P 3 O 10 Na 4 P 2 O 7 1.3.1. Fosfor Döngüsü Fosfor elementi çoğu sucul sistemlerde büyümeyi ve üremeyi sınırlayıcı olduğu düşünülen bir besin tuzudur. Fosfor elementi, sucul sistemlerde inorganik fosfat iyonundan (PO -3 4 ) organik moleküllere kadar (fosfolipidler, şeker ve DNA gibi) birçok kimyasal formda bulunur. En temel ve en önemli formu ise ATP formudur. Fosfat iyonunun çeşitli formları arasındaki kimyasal denge, ph, kalsiyum ve alüminyum gibi metal iyonlarının varlığına, ortamın yükseltgenme indirgenme potansiyeline, sediment tabakasının karışım düzeyi ve kirliliğin var olup olmamasına bağlı olarak ortamda bulunabilirler. Sucul bir ekosistemde, çevrede fosfor bileşiklerinin katıldığı fiziksel ve kimyasal tepkimeler tam olarak tanımlanamamıştır. Partiküllü organik, çözünmüş organik, partiküllü inorganik ya da çözünmüş inorganik formlarda bulunabilen fosfor elementinin sucul ortamlardaki döngüsü şematik olarak Şekil 1.8 de gösterilmiştir. (Lekang, 2007). 17
Şekil 1.8. Fosfor Döngüsü (Lekang, 2007) 1.4. Evsel Nitelikli Atıksuların Arıtılması Evsel nitelikli atıksuların organik madde miktarının yüksek olmasından dolayı yaygın olarak biyolojik arıtma yöntemleri kullanılır. Biyolojik arıtma atıksuyun içinde bulunan askıda veya çözünmüş organik maddelerin bakterilerce parçalanması ve çökebilen biyolojik floklarla sıvının içinde kalan veya gaz olarak atmosfere kaçan sabit inorganik bileşiklere dönüşmesidir. Biyolojik arıtma sistemleri değişik şekillerde sınıflandırılabilirler. Ortamda oksijen varlığına göre havalı (aerobik) ve havasız (anaerobik) olarak sınıflandırılan bu sistemler kullanılan mikroorganizmaların sistemdeki durumuna göre askıda ve sabit film (biyofilm) prosesleri olarak da sınıflandırılabilirler. 18
Evsel nitelikli atıksu arıtımında organik madde içeriğinin yanı sıra azot ve fosfor gibi besi (nutrient) maddeleri de biyolojik arıtımda giderilir. Çoğu durumda toksik olabilecek eser (iz) miktardaki organik maddeleri de gidermek önemlidir. (Öztürk, 2005) 1.4.1. Aerobik (Havalı) Arıtma Prosesleri Bütün havalı (aerobik) atıksu arıtma proseslerinde atıklar a) sentez ve b) oksidasyon yolu ile yok olurlar. Diğer bir deyimle organik maddelerin bir kısmı yeni hücrelere dönüşürken (sentez) geri kalan kısmı gerekli enerjiyi üretmek için oksidasyona tabi tutulurlar. Atıksudaki BOİ nin giderimi, çökmeyen kolloidal katıların pıhtılaştırılması ve organik maddelerin kararlı hale gelmesi, başta bakteriler olmak üzere çeşitli mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilir. Mikroorganizmalar, kolloidal ve çözünmüş karbonlu organik maddeleri çeşitli gazlara ve yeni hücrelere dönüştürerek kullanırlar. Mikroorganizmalar, üremelerini ve diğer hayati fonksiyonlarını devam ettirmek için, Enerji kaynağına, Yeni hücre sentezi için karbona, Azot, fosfor, sülfür, potasyum, kalsiyum ve magnezyum gibi inorganik elementlere ihtiyaç duyarlar. Organik besi maddeleri de hücre sentezi için gereklidir. Mikrobiyal faaliyetler için gerekli karbon ve enerji kaynaklarına substrat adı verilir. 19
Çizelge 1.7. Enerji ve karbon kaynaklarına göre mikroorganizmaların genel sınıflandırılması (Öztürk, 2005) Sınıflandırma Enerji Kaynağı Karbon Kaynağı Ototrofik: Fotoototrofik Kemoototrofik Heterotrofik: Kemoheterotrofik Fotoheterotrofik Işık İnorganik yükseltgenmeindirgenme reaksiyonu İnorganik yükseltgenmeindirgenme reaksiyonu. Işık CO 2 CO 2 Organik Karbon Organik Karbon Organik maddeler yok olmaya başlayınca biyolojik hücrelerin bir kısmı gerekli enerjiyi sağlamak amacıyla kendi kendini oksitler (içsel solunum). Aerobik biyolojik oksidasyon reaksiyonları genel olarak aşağıdaki şekilde ifade edilebilmektedir: Organik madde (BOI, KOI) + O 2 + N+ P yolla parçalanamayan çözünebilir maddeler Hücre +CO 2 +H 2 O + biyolojik Hücre + O 2 CO 2 + H 2 O + N + P + parçalanmayan hücresel kalıntılar Bu biyolojik parçalanma olayı tüm havalı biyolojik arıtma sistemlerinde yer almaktadır. Aşağıda biyolojik reaksiyon 3 adımda gösterilmektedir. 1. Adım: Biyokütlenin üretimi ve organik maddenin oksidasyonu 8 (CH 2 O) + NH 3 + 3 O 2 C 5 H 7 NO 2 + 3 O 2 + 6 H 2 O + Enerji 2. Adım: Biyokütlenin solunumu C 5 H 7 NO 2 + 5 O 2 5CO 2 + NH 3 + H 2 O + Enerji 20
3. Adım: Nitrifikasyon NH 3 + 2 O 2 HNO 3 + H 2 O + Enerji Havalı biyolojik artıma yöntemleri genellikle iki büyük sınıfa ayrılabilirler: Arıtmayı yapan bakterilerin askıda bulunduğu sistemlerdir. Buna örnek olarak aktif çamur sistemi ve çeşitleri (türevleri) gösterilebilir. Arıtmayı yapan bakterilerin sabit bir yüzey üzerine tutunarak büyüdüğü sistemler. Bunların başlıca örnekleri damlatmalı filtreler ve dönen biyodisklerdir. Atıksu arıtımında çok sık kullanılan biyolojik prosesler; Havalandırmalı lagünler, Damlatmalı filtreler, Döner biyodiskler Stabilizasyon havuzları Aktif çamur prosesleridir. Aktif çamur prosesleri veya onun modifikasyonları daha çok büyük tesislerde, kullanılmaktadır. (Öztürk, 2005) 1.4.1.1. Aktif Çamur Yöntemi Aktif çamur süreci, arıtımı gerçekleştiren mikroorganizmaların askıda büyüme özelliklerine sahip olduğu bir aerobik biyolojik arıtma yöntemidir. Arıtım olgusu, oksijen ihtiyacına sahip olan maddelerin mikroorganizmaların metabolik faaliyetleri ile son ürünlere dönüştürülmesi ve yüksek kalitede çıkış suyunun eldesine yöneliktir. 21
1914 yılında Ardern ve Lockett tarafından İngiltere de geliştirilen proses, bir atığın aerobik olarak stabilizasyonunu gerçekleştirebilen aktif kütle üretiminin meydana gelmesi sebebiyle aktif çamur olarak adlandırılmıştır. Orijinal prosese benzer olan birçok versiyonu kullanılmaktadır. En çok piston akımlı ve tam karışımlı prosesler kullanılmaktadır. (Eckenfelder, 1998) Şekil 1.9. Piston Akımlı Aktif Çamur Reaktörü (Metcalf&Eddy, 2003) Şekil 1.10. Tam Karışımlı Aktif Çamur Reaktörü (Metcalf&Eddy, 2003) Aktif çamur proseslerinde ızgaradan geçirilmiş veya çöktürülmüş atıksu son çöktürmeden gelen konsantre çamurun değişik miktarlarıyla (%20-100) karıştırılır. Bu karışım bir havalandırma tankına verilerek burada organizmalar ve atıksu havalandırılır. Bu işlem ile mikroorganizmaların oksijen ihtiyacı giderilirken muhteva iyi bir şekilde karıştırılmış olur. Bu şartlar altında organizmalar organik maddenin bir kısmını enerji elde etmek amacıyla karbondioksit ve suya dönüştürür, kalan kısmını ise oksidasyonda elde edilen enerjiyi kullanarak yeni hücreler üretmek için kullanırlar. 22
Bu karıştırmadan sonra bir çökeltme tankına verilir ve burada flok halinde olan mikroorganizmalar çöktürülerek çıkış suyundan giderilir. Çöktürülen mikroorganizmalar veya aktif çamur daha sonra havalandırma tankının sonunda prosesin başına geri devir yapılarak tekrar atık suyla karıştırılır. Bu proseste sürekli olarak yeni aktif çamur üretilir ve her bir günde üretilen fazla çamur (atık aktif çamur), ön çöktürmedeki çamurla birlikte uzaklaştırılır. Doğru şekilde dizayn edilen ve isletilen aktif çamur tesislerinden çıkan su yüksek kalitelidir. (Metcalf&Eddy, 2003). Şekil 1.11. Klasik Aktif Çamur Prosesinin Şematik Gösterimi 1.4.1.2. Aktif Çamur Yönteminde Organik Maddenin Parçalanması Evsel nitelikli ham atıksuyun organik madde miktarı oldukça yüksektir. Aktif çamur sisteminde mikroorganizmalar yeni hücreler oluşturmak için atıksudaki çözünmüş oksijeni kullanarak organik maddeyi parçalamaya başlar. Mikroorganizmalar birikmiş yapıda bulunan organik maddeleri, kompleks organik maddeler gibi parçalamaya çalışırlar. Bu nedenle mikroorganizmaların 23
kompleks organik maddeleri parçalayabilmeleri için yeterli miktarda çözünmüş oksijenle, belirli sürede bir arada bulunmaları gerekir. Başlangıçta bir çeşit mikroorganizma birikmiş organik maddenin bir kısmını, diğer mikroorganizma grupları ise geriye kalan organik maddeyi parçalar. Atıksudaki bu organik maddeleri parçalayan mikroorganizmalar sudaki çözünmüş oksijeni de kullanırlar. Bu aşamada oksijen tüketimi ve mikroorganizma miktarında artış olur. Ortamdaki organik madde miktarının azalmaya başlaması ile mikroorganizmaların bir kısmı ölüm fazına geçer. Bu nedenle organik maddenin azalmasıyla birlikte kullanılan oksijen ve mikroorganizma miktarlarında da azalma olur. Ancak sürekli reaktörlerde, sisteme sürekli organik madde girişi olacağından mikroorganizmalar organik maddelerden beslenmeye devam ederek yeni hücreler oluşturacaktır. Bazı mikroorganizmalar, sindirdiği organik maddelerden ürettikleri sindirim artıklarını hücre duvarında absorbe ederler. Daha sonra bu sindirim artıkları başka mikroorganizmalar tarafından besin kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Bu birikmiş organiklerin sindirim prosesi; biyolojik popülasyonların kompleks organik maddeleri tamamıyla parçalayıncaya kadar devam eder (Junkins, 1983). Şekil 1.12. Organik maddenin biyolojik bir hücreye transferi (Junkins, 1983) 24
1.4.1.3. Kesikli Aktif Çamur Yöntemi Kesikli akışlı reaktörler yaygın bir kullanıma sahip aktif çamur proseslerinin başında gelmektedir. Kesikli akışlı reaktörler, tüm aktif çamur ve atıksu karışımının reaktörde tutulduğu, tam karıştırılan, sıcaklık ve konsantrasyon değişimlerinin çok olmadığı, belli bir atıksu akışı olmayan ve kapalı devre çalışan sistemlerdir. Reaktörde belli bir giriş ve çıkış akımı olmamasından ve reaktörde tam karışım olmasından dolayı atıksu içindeki tüm maddeler eşit sürelerde arıtmaya tabi tutulurlar. Kesikli akışlı reaktörler, doldur-boşalt yöntemine göre işleyen ve doldurma, havalandırma, çöktürme işlemlerinin tümünün aynı reaktörde meydan geldiği giriş ile çıkış akımı olmayan ve kapalı olarak çalışan reaktörlerdir. Kesikli akışlı reaktörlerde arıtma işleminde arka arkaya gerçekleşen 5 aşama bulunmaktadır. Bu aşamalar sırasıyla şöyledir; 1) Doldurma 2) Havalandırma 3) Çökeltme 4) Boşaltma 5) Bekletme Bu beş aşamadan oluşan işleme çevrim denilmektedir. Doldurma işleminde reaktörde bulunan aktif çamurun üstüne atıksu eklenmesi ve karıştırma ile besleme yapılmaktadır. Bu aşama yaklaşık 5-10 dakika sürmektedir (Metcalf&Eddy, 2003). Reaktöre doldurma işlemi sırasında verilecek atıksu miktarının reaktör hacmine oranı 3/4 olmalıdır (Dulkadiroğlu, 2003). Doldurma işlemi sırasında atıksu, yapılacak uygulamaya göre reaktöre karıştırmadan eklenebileceği gibi havalandırma yapılmadan karıştırarak yada karıştırma ve havalandırma bir arada yapılarak doldurulabilir. Havalandırma aşamasında reaktördeki aktif çamur üstüne eklenen atıksuya tam karışım ve havalandırma işlemi uygulanmakta ve bu işlem sonucu atıksudaki organik maddeler aerobik olarak oksidasyon reaksiyonları meydana getirmekle 25
birlikte anaerobik olarak denitrifikasyon oluşmaktadır. Oksidasyon havalandırma sonucu meydana gelirken, denitrifikasyon karıştırma işlemi sonucu ortaya çıkmaktadır. Havalandırma aşaması süresi atıksuyun özelliklerine göre 1-30 saat arasında değişmektedir. Havalandırma işlemi sırasında karıştırma yüksek hızlarda yapılmamalıdır. Hızlı karıştırma çamurun çökelme özelliğini olumsuz yönde etkilemektedir. Bu nedenle aktif çamur ve atıksu karışımının tüm reaktörde üniform dağılabileceği optimum bir seviyedeki hızla karıştırma işlemi yapılmalıdır. Çökeltme işleminde reaktörün havalandırma ve karıştırma işlemi durdurularak aktif çamur ve atıksu karışımının 45 dakika çökelmesi sonucu ayrılması sağlanmaktadır. Boşaltma işleminde çökeltmeden sonra reaktörün üst kısmında kalan supernatant tabakası, reaktörde herhangi bir çıkış yapısı olmaması nedeniyle, reaktörü yeniden besleme işlemine hazırlamak için sifonlama yoluyla dışarı alınır. Bu işlem yaklaşık 10 dakika sürmektedir. Bekletme işlemi reaktörün yeniden beslenmesi öncesi çamur stabilizasyonu sağlamak amacıyla yapılmakta olup opsiyonel bir işlemdir ve 30 dakika kadar sürmektedir. Bugüne kadar çeşitli modifikasyonları denenmiş olan kesikli akışlı reaktör sistemleri doldur-boşalt reaktörlere çok benzemekle birlikte en önemli farkı, atıksuyun reaktöre alınma süresinin tercihe bağlı olması ve bu işlemin reaksiyon sürecinin bir parçasını oluşturmasıdır. (Crites ve Tchobanoglous, 1998) 30 yıl önce Avustralya da geliştirilen kesikli boşaltma yapılan uzun havalandırma prosesi şekil 1.13 de şematik olarak gösterilmiştir. Fiziksel olarak tek bir havuz içeren proses, atıksuyun sürekli girişine imkan sağlarken, prosesten arıtılmış suyun çıkışı kesiklidir. Kesikli aktif çamur prosesi ve diğer klasik aktif çamur prosesleri arasındaki fark, klasik aktif çamur proseslerinde biyolojik arıtma kademeleri farklı tanklarda yapılırken kesikli aktif çamur da bütün kademelerin aynı tankta sırayla yapılmasıdır. Havalandırma ve çöktürme işlemleri aynı tankta yapıldığından çöktürme tankından havalandırma tankına çamur geri devrinin yapılmasına gerek yoktur. Normal işletmede 4 saatlik bir döngü kullanılır. Her bir döngü (1) havalandırma, (2) çöktürme ve (3) boşaltma olmak üzere, sırasıyla üç faza 26