KTÜ MERKEZ KAMPÜS ATIK SULARININ AKTİF ÇAMUR YÖNTEMİ İLE ARITIMINDA BİR GRAFİK YÖNTEM UYGULAMASI S.Serkan NAS 1, Adem BAYRAM 2**, Fatih SAKA 3, 1 KTÜ GMF İnşaat Müh. Bölümü, GÜMÜŞHANE ** 2 KTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, TRABZON 3 KTÜ GMF İnşaat Müh. Bölümü, GÜMÜŞHANE E-Posta:ssnas@risc1.ktu.edu.tr ÖZET Atıksuların arıtma tesislerinin boyutlandırma çalışmalarında ve alıcı ortam kirliliğinin incelenmesinde kirlilik karakterlerinin parametrik değer değişimleri önemli bir rol oynamaktadır. Alıcı ortam ve atıksuların nitelik-nicelik profilinin oluşturulmasında teorik ve deneysel yönden kullanılan yöntemlerin farklılığı da boyutlandırmayı önemli ölçüde etkilemektedir. Bu çalışmada KTÜ Merkez Kampüs atıksularının debi ve respirometrik biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) ölçümlerinin, farklı çamur yaşları, çamur konsantrasyonları, kirlilik yükleri ve çıkış suyu konsantrasyonları için aktif çamur yöntemi ile arıtımında grafik bir yöntemle reaktör hacimlerinin hesaplanması amaçlanmaktadır. Çalışma KTÜ Merkez Kampüs atıksularının günlük ortalama kirlilik yükünün (Q.So) 35kg/gün (ortalama debi 2L/sn ve giriş suyu BOİ konsantrasyonları 2mg/L), farklı çıkış suyu ve çamur konsantrasyonları için boyutlandırılacak aktif çamur havuzu hacminin de grafik yöntemle 2-25m 3 olduğunu göstermektedir. ANAHTAR SÖZCÜKLER: Respirometre, Biyokimyasal Oksijen İhtiyacı, Moment Yöntemi, En Küçük Kareler Yöntemi, Aktif Çamur Prosesi. A GRAPHICAL METHOD APPLICATION IN TREATMENT of KTU CENTRAL CAMPUS WASTE WATERS WITH THE ACTIVATED SLUDGE METHOD ABSTRACT Parametrical value variations of pollution characteristics have an important role in waste water treatment plants designing studies and researching of receiver environment pollution. Difference of using methods in terms of theoretical and experimental have also important effect on designing in forming of quality-quantity profile of receiver environment and waste waters. In this study, it is aimed to calculate reactor volumes with a graphical method in treatment of KTU Central Campus waste waters with activated sludge method for discharge and respirametric biological oxygen demand (BOD) measurements, different sludge ages and concentrations, pollution loads and outlet water concentrations. This study shows that daily average pollution load of KTU Central Campus waste waters (Q.So) is 35 kg/day (average discharge is 2l/s and BOD concentrations of entrance water is 2mg/l)activated sludge pond s volume is 2-25 m 3 for different outlet water and sludge concentrations. KEYWORDS: Respirometer. Biological Oxygen Demand, Moment Method, The Least Squares Method, Activated Sludge Process. 536
GİRİŞ Biyokimyasal Oksijen İhtiyacı, belirlenmiş şartlar altında organik maddelerin stabilizasyonu (inorganik maddelere dönüştürülmesi) sırasında mikroorganizmalar tarafından kullanılan oksijen miktarı olarak tanımlanır. Atık su arıtma tesislerinin ekonomik hesapları ve bu tesislerin işletmelerinin kontrolü ile nehir kirlenmesi üzerinde yapılan araştırmalar büyük ölçüde BOİ ölçümlerine dayanmaktadır. BOİ değerlendirmesini, mikroorganizmaların sayısı ve adaptasyonu, doğa ve parçalanan organik maddelerin konsantrasyonu, nütrientlerin miktarı ve inkibasyon süresi, sıcaklık ve ışık etkisi ile zehirli etkisi olan maddelerin biyolojik veya biyokimyasal işlemleri etkiler. Gibbon (1974), Eroğlu (1991), Muslu (1994), Milenko (1996), Gebara (1999) ve Papkov (2) a göre, aktif çamur metodu ile arıtmanın esası ise, fiziksel ve kimyasal metotlarla giderilemeyen atık su içerisindeki organik maddelerin çoğunluğunu bakterilerin oluşturduğu aerobik mikroorganizmaların metabolizma faaliyetleri neticesinde, yapı değişimi (asimilasyon) ve madde değişimine (disimilasyon) uğrayıp, çökelebilir biyolojik yumak (aktif çamur) haline gelerek, kararlı ve zararsız maddeye ve ısı enerjisine dönüşmesi olarak tanımlanmaktadır. MATERYAL VE YÖNTEM Berkün (1974), Rump, Krist (1988) e göre BOİ değerlerini respirometreler ve standart sulandırma tekniği ile belirlemek mümkündür. Son yıllarda BOİ, spektrofotometreler ve kitleriyle de belirlenebilmektedir. Standart sulandırma tekniği ile BOİ ölçümlerinde numuneler sulandırılarak kullanılır. Cam bir şişe içerisine konulan sulandırılmış numunenin başlangıç ve inkibasyon sonundaki (5 gün) çözünmüş oksijen içeriği arasındaki farktan BOİ değeri hesaplanır. Respirometrik ölçümlerde numuneler sulandırılmadan kullanılır. Magnetik karıştırıcılı koyu renkli deney şişelerine konulan numunelerden biyokimyasal reaksiyon sonucu çıkan CO 2 gazı KOH çözeltisi ile emilir ve kullanılan O 2 miktarı organik maddeyi parçalamak için atık su üzerindeki gaz fazda bulunan oksijenin çözünerek toplam basıncı düşürmesiyle manometrelerden okunur, bu değer uyum faktörüyle çarpılır ve günlük BOİ değerleri bulunur. Atık su arıtım tesisleri, su ekonomisinin büyük bir kısmını oluşturmaktadır. Bu nedenle, yüzeysel sulardan faydalanma şekilleri, kirlenebilme kapasiteleri, uygulaması mümkün olan arıtım metotları, arıtım derecesi, tesisin yeri, arıtım yan ürünlerinden yararlanma imkanları ve arazi şartları gibi birçok parametrenin de göz önünde bulundurulması gerekmektedir. Bu nedenle boyutlandırma çalışmalarında aktif çamur yöntemindeki gibi atık sulara ait bazı katsayıların bilinmesi durumlarında farklı kirlilik yükleri (Q.So)-hacim (V) abaklarının hazırlanması büyük kolaylık sağlamaktadır. Yani farklı kirlilik yüklerinden hareketle istenilen çamur yaşı, çıkış suyu ve çamur konsantrasyonlarına karşılık gelen reaktör hacimleri bu abaklar yardımıyla kolayca hesaplanabilmektedir Toksik ve inhibe edici atıklar, nütrientlerin eksikliği, debi, askıdaki katı madde miktarı, sıcaklık, çamur konsantrasyonu, çamur yaşı, çamur hacim indeksi, çamur geri devir oranı, katı alıkonma süresi, yükleme hızı, hidrolik alıkonma süresi, havalandırıcı çeşitleri (difüzörler, mekanik yüzeyli, radyal akımlı düşük devirli, eksenel akımlı yüksek devirli, yatay milli fırça şekilli, batık türbin havalandırıcılar), havuz tasarımı (tam karışımlı, piston akımlı) gibi birçok faktörün boyutlandırmada etkili olduğu aktif çamur tesislerinin boyutlandırılmasında (1)denklemi kullanılmaktadır(soyupak 1987). Y. θ c. Q.( So S) V = (1).(1 + Kd. θ ) c 537
Burada; V : Reaktör Hacmini (m 3 ) Y : Verim Sabitini (Evsel atık sular için tipik değer,5-,73) θc : Çamur Yaşını (gün) (Katı Madde Bekletme Süresini) (Aktif çamur havuzundaki çamurun toplam ağırlığının bir günde uzaklaştırılan çamurun toplam ağırlığına oranını) Q : Ortalama Evsel Su Tüketimini (m 3 /gün) So : Reaktör Girişindeki BOİ Konsantrasyonunu (mg/l) S : Reaktör Çıkışındaki BOİ Konsantrasyonunu (mg/l) : Çamur Konsantrasyonunu (Aktif çamur havuzundaki mikroorganizmaların konsantrasyonunu) (g/l) Kd : İçsel Azalma Hızını (Evsel atık sular için tipik değer,45-,125) (gün -1 ) göstermektedir. BULGULAR 1. foseptik çıkışından ve 2. foseptik girişinden (Şekil 3) tek ve kompozit olacak şekilde alınan numuneler karıştırılarak çökebilen atık su içindeki süspansiyon maddeler homojen hale getirilmiştir. 2 C den farklı numunelere su banyosunda ön ısıtma uygulanmıştır. Gerekli hacimde (164 ml) atık su numuneleri, içerisinde magnetik karıştırıcı bulunan lastik tıkaçlı, CO 2 absorbsiyonunu sağlaması için KOH tableti konulmuş deney şişelerine doldurulmuş ve warburg tipi respirometreye yerleştirilmiştir. Manometre, numunelerin üzerinde bulunan havanın basınç düşüşünü ölçer. Bakteriler organik maddeyi parçalamak için oksijen kullandıkça su içindeki oksijen miktarı azalır. Bu durumda su kendi üzerindeki gaz fazla bulunan oksijeni alarak çözer. Bu olay su üzerindeki gaz fazının toplam basıncının düşmesine neden olur. Böylece manometre kolu üzerinde cıva seviyesi yükselmeye başlar. Beşinci günün sonunda ölçüm bitirilmiş ve skaladan okunan değerler doldurulmuş numune miktarının uygunluk faktörüyle (U.F=1) çarpılmak suretiyle "Beş günlük biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ 5 ) değerleri elde edilmiştir (Şekil 1). 1. Foseptik çıkışından ve 2. Foseptik girişinden elde edilen 5 günlük (BOİ 5 ) değerleri Şekil 1 2 de gösterilmektedir. 538
BOİ Değerleri (mg/l) 14 12 8 6 4 2 41 1. FOSEPTİK ÇIKIŞI (MİN.) 68 8 89 95 TİPİK A EĞRİSİ BOİ Değerleri (mg/l) 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 t (Gün) t (Gün) Şekil 1. 1.Foseptik Çıkışı BOİ (5 günlük) Değerleri Figure 1. 1.Sewer Outlet BOD (5 days) Values 2 18 16 14 12 8 6 4 2 8 1. FOSEPTİK ÇIKIŞI (MA.) 11 13 14 148 TİPİK A EĞRİSİ 14 16 12 2. FOSEPTİK GİRİŞİ (MİN.) 14 2. FOSEPTİK GİRİŞİ (MA.) BOİ Değerleri (mg/l) 8 6 4 2 28 59 75 8 9 TİPİK A EĞRİSİ N BOİ Değerleri (mg/l) 12 8 6 4 2 62 89 113 18 TİPİK A EĞRİSİ 1 2 3 4 5 6 1 2 3 4 5 6 t (Gün) t (Gün) Şekil 2. 2.Foseptik Girişi BOİ (5 günlük) Değerleri Figure 2. 2.Sewer Entrance BOD (5 days) Values KTÜ Merkez kampus atıksularının yerinde yapılan debi ölçümleri sonucunda, akademik ve idari birimlerden gelen atıksuların ortalama değerlerinin 17,1L/sn, Farabi hastanesinden gelen atıksuların 3,3L/sn, toplam debinin ise 2,4L/sn olduğu görülmüştür (Şekil 3). 539
Kampüsten Gelen Atıksular Q Kampüs ( 17,1 L/sn ) 1. FOSEPTİK 1. GÖZ 2. GÖZ 3. GÖZ (Tamamen Dolu) Hastaneden Gelen Atıksular QHastane ( 3,3 L/sn ) 2. FOSEPTİK GİRİŞİ Q Toplam= 2,4 L/s 1. FOSEPTİK ÇIKIŞI 2. FOSEPTİK 1. GÖZ 2. GÖZ 3. GÖZ Dereye Deşarj Şekil 3. Numune Alınan Noktaların Şematik Gösterimi Figure 3. Schematic Showing of Sample Taking Places 1. Foseptik çıkışından ve 2. Foseptik girişinden elde edilen minimum ve maksimum 5 günlük (BOİ 5 ) değerlerinin En Küçük Kareler ve Moment yöntemlerine göre toplam biyokimyasal oksijen ihtiyaçları (L) ve biyooksidasyon hız sabitleri (k 1 ) Tablo 1-2 de verilmektedir. Tablo 1. Respirometrik BOİ Değerlerinin En Küçük Kareler Yöntemine Göre k ve L Değerleri Table 1. k and L Values of Respirametric BOD Values according to The Least Squares Method Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5 Denklem 41 68 8 89 95 4*a+ 278*b- 71,5 = 278*a+ 2626*b-4227,5= 8 11 13 14 148 4*a+ 46*b- 14 = 46*a+ 55*b- 136= 28 59 75 8 9 4*a+ 242*b- 71 = 242*a+ 1629*b-36= 62 89 18 113 4*a+ 359*b- 79,5 = 359*a+ 33429*b- 612= k (gün -1 ) L (mg/l),568 11,762 149,422 13,855 113 54
Tablo 2. Respirometrik BOİ Değerlerinin Moment Yöntemine Göre k ve L Değerleri Table 2. k and L Values of Respirametric BOD Values according to The Moment Method Y 1 Y 2 Y 3 Y 4 Y 5 ΣY ΣY*t ΣY/ΣY*t k (gün -1 ) L (mg/l) 41 68 8 89 95 373 1248,298878,526 12 8 11 13 14 148 68 199,35528,711 15 28 59 75 8 9 332 1141,29973,343 111 62 89 18 113 472 1537,3792,758 114 Aktif çamur reaktör hacimlerini veren denklemlerin düzenlenmesinde, havuz girişinde giriş suyu BOİ konsantrasyonu (So) 2 mg/l alınmaktadır (mekanik arıtımdan geçmiş atık suyun BOİ kirliliğindeki azalışın %2-45 arasında değiştiği düşünülmektedir (Soyupak 1987, Toprak 1994)). Çamur yaşları (θc) 5-1-15 gün ve çıkış suyu konsantrasyonları da (S) 5-4-3-2-1 mg/l alınacak olursa, θc = 5 gün ve S = 5 mg/l için (1) denklemi; Y. θ c. Q.( So S) Y. θc. Q. So. η,6.5. Q.(,2,5),3461.Q V = = = =.(1 + Kd. θ ).(1 + Kd. θ ).(1 +,6.5) c c şeklini alır. Benzer hesaplamalarla elde edilen değerler Tablo 3 de verilmektedir. Tablo 3. Farklı Çıkış Suyu BOİ Konsantrasyonları ve Çamur Yaşlarına Ait Reaktör Hacim Katsayıları Table 3. Reactor Volume Coefficients For Different Outlet Water BOD Concentrations and Sludge Ages Çamur Yaşları (θc) Çıkış Suyu Konsantrasyonları (S) θc = 1 gün θc = 15 gün S= 5 mg/l,3461.q,5625.q,715.q S= 4 mg/l,3692.q,6.q,7579.q S= 3 mg/l,3923.q,6375.q,853.q S= 2 mg/l,4154.q,675.q,8526.q S= 1 mg/l,4385.q,7125.q,9.q 541
Müstakbel nüfuslara (5--15-2-25-3) karşılık gelen evsel su tüketimi değerleri özgül debi L/gün/kişi alınarak sırasıyla; (5-- 15-2-25-3) m 3 /gün olarak alınmıştır.. Bu debi değerleri ve =3-3,5-4- 4,5-5 g/l çamur konsantrasyonları Tablo 3 deki denklemlerde (çamur yaşı 5 gün için) yerine konularak Tablo 4 ve Şekil 4 elde edilmektedir. Tablo 4. S=5mg/L ve θc=5 gün için Reaktör Hacimleri Değerleri Table 4. Reactor Volume Values For S=5mg/l and θc=5 days Q.S o (kg/gün) V(m 3 ) (g/l) 2 3 4 5 6 V 1 V 2 V 3 V 4 V 5 V 6 3 57,68 115,37 173,5 23,73 288,42 346,1 3,5 49,44 98,89 148,33 197,77 247,21 296,66 4 43,26 86,53 129,79 173,5 216,31 259,58 4,5 38,46 76,91 115,37 153,82 192,28 23,73 5 34,61 69,22 13,83 138,44 173,5 27,66 4 35 S = 5 mg/l ve = 3 g/l = 3,5 g/l Reaktör Hacmi V m 3 3 25 2 15 23 122 = 4 g/l = 4,5 g/l = 5 g/l 5 352.5 2 3 4 5 6 7 8 Şekil 4. S=5mg/L ve θc=5 gün için (Q.So-V) hacim abakları Figure 4. (Q.So-V) Volume Charts for S=5mg/l and θc=5 days Farklı çıkış suyu BOİ konsantrasyonları (S=4-3-2-1mg/L) ve çamur konsantrasyonları (=3-3,5-4-4,5-5g/L) için reaktör hacimlerini veren abaklar Şekil 5-6 da verilmektedir. () 542
Reaktör Hacmi V m 3 45 4 35 3 25 2 15 S = 4 mg/l ve 217 13 = 3 g/l = 3,5 g/l = 4 g/l = 4,5 g/l = 5 g/l Reaktör Hacmi V m 3 45 4 35 3 25 2 15 S = 3 mg/l ve 23 138 = 3 g/l = 3,5 g/l = 4 g/l = 4,5 g/l = 5 g/l 5 5 352.5 2 3 4 5 6 7 8 Şekil 5. S=4-3 mg/l ve θc=5 gün için (Q.So-V) hacim abakları Figure 5. (Q.So-V) Volume Charts for S=4-3 mg/l and θc=5 days 2 3 4 5 6 7 8 Reaktör Hacmi V m 3 5 45 4 35 3 25 2 15 S = 2 mg/l ve 244 146 = 3 g/l = 3,5 g/l = 4 g/l = 4,5 g/l = 5 g/l Reaktör Hacmi V m 3 5 45 4 35 3 25 2 15 S = 1 mg/l ve 258 155 = 3 g/l = 3,5 g/l = 4 g/l = 4,5 g/l = 5 g/l 5 352.5 2 3 4 5 6 7 8 5 352.5 2 3 4 5 6 7 8 Şekil 6. S=2-1 mg/l ve θc=5 gün için (Q.So-V) hacim abakları Figure 6. (Q.So-V) Volume Charts for S=2-1 mg/l and θc=5 days SONUÇLAR VE TARTIŞMA Evsel atıksuların toplam BOİ değerleri -6 mg/l arasında değişmektedir (Nemerow 1971). Minimum ve maksimum beş günlük KTÜ Merkez Kampüs atık sularının toplam BOİ değerleri ise En Küçük Kareler Yöntemine göre 1. Foseptik çıkışında 11-149 mg/l, 2. Foseptik girişinde 13-113 mg/l arasında olmaktadır (Tablo 1). Moment yöntemine göre ise 1. Foseptik çıkışında 12-15 mg/l, 2. Foseptik girişinde 111-114 mg/l olmaktadır (Tablo 2). Bu değerlerin mekanik 543
arıtımdan geçmiş atık suyun BOİ kirliliğindeki azalışın %2-45 arasında değiştiği düşünülecek olursa (Soyupak 1987, Toprak 1994) 1. Foseptik girişinde de toplam BOİ değerlerinin -6 mg/l arasında kalacağı görülmektedir. Kaldı ki hesaplamalarda mekanik arıtım verimi %25 kabul edilerek giriş suyu konsantrasyonu 2mg/L alınarak grafikler hazırlanmıştır. KTÜ Merkez Kampüs atıksularının günlük ortalama kirlilik yükü (Q.So) 35kg/gün (ortalama debi 2L/sn ve giriş suyu BOİ konsantrasyonları 2mg/L), farklı çıkış suyu ve çamur konsantrasyonları için boyutlandırılacak aktif çamur havuzu hacmi de, atık suyun kaynağı (evsel, endüstriyel, tarımsal ) ve kirlilik yükleri ne olursa olsun hesaplamalarda zamanlama yönünden kolaylık sağlayan, optimizasyon için algoritma oluşturan grafik yöntemle 2-25m 3 olmaktadır. KAYNAKLAR Berkün, M., 1974, Respirometric Measurement of Biochemical Oxygen Demand, Ph.D. Thesis, Birmingham University. Eroğlu, V., 1991, Su Tasfiyesi,3. Baskı,İ.T.Ü. Matbaası,Gümüşsuyu. Gebara, F., 1999, Activated Sludge Biofilm Wastewater Treatment System,Water Reseach 33, 23-238. Gibbon, D.L., 1974, Aeration of Activated Sludge in Sewage Treatment, Pergamon Press Inc., Ohio. Milenko, R., 1996, Respirometry of Activated Sludge, National Institute of Chemistry, Lyubljana. Muslu,Y., 1994, Atık Suların Arıtılması, 2. Baskı, Bilim Teknik Yayınevi, İstanbul. Nas, S.S., 23, KTÜ Merkez Kampüs Atıksularının Nitelik Nicelik Yönünden Değerlendirilmesi, 1. Ulusal Erciyes Sempozyumu, Kayseri. Nas, S.S., 23, Aktif Çamur Yöntemi İle Evsel Atıksu Arıtımı İçin Bir Grafik Yöntem Geliştirilmesi, 1. Ulusal Erciyes Sempozyumu, Kayseri. Nemerow, N.L., 1971, Liquid Waste of Industry Theories, Practices & Treatment, Addison- Wesley Publishing Company, Canada. Papkov,G., Libman,V., Argaman,Y., 2, Microbial Activity: Mathematical Expression Rump, H.H., Krist, H., 1988, Laboratory Manual for Examination of Water Wastewater and Soil, VCH Press, Germany. Soyupak, S.,1987, Biyolojik Arıtma ve Biyolojik Arıtma Tesisleri, Cilt I, Ertem Matbaacılık, Ankara. Toprak, H., 1994, Atık Su Arıtma Sistemlerinin Tasarım Esasları, Cilt I, D.E.Ü. Basım Ünitesi, İzmir. 544