Atıksuların Arıtılması Dersi CEV411

4. Hafta Atıksuların Arıtılması Dersi CEV411 Aktif Çamur Sistemleri, Organik Karbon, Biyolojik Azot ve Fosfor Gierimi - Aktif Çamur Prosesi - 1 Dersin Kapsamı ve Önemi Tokat-Yeşilırmak 1. Kirletici Parametreler ve Tasarım Verileri 2. Deşarj Stanartları (AB, Kentsel Atıksuların Arıtılması) 3. Atıksu miktarları 4. Arıtma tesislerine ebi ve parametrelerin kütle engesi 5. Organik Karbon Gierimi ve Reaktör Tasarımı 6. Nitrifikasyon ve Reaktör Tasarımı 7. Denitrifikasyon Proses Tasarımı 8. Son Çökeltme Tankı Tasarımı 9. Reaktör konfigürasyonları ve uygulamaları 2 1. Kirletici Parametreler ve Tasarım Verileri 1. Debi: Q ortalama, Q max, Q min, Q peak 2. Organik Mae: KOİ, BOİ 5, TOK 3. Azot: TKN, NH 4 -N 4. Fosfor: TP, Ortho-P 5. Spesifik Kirleticiler: Mikrokirleticiler, Zenobiyotikler vs. Kirletici Parametreler: Partiküler, Çözünmüş!! KOİ = Çözünmüş KOİ + Partiküler KOİ TKN = (NH 4 -N + Çöz. Org. Azot) + Part. Org. Azot TP = (PO 4 -P + Çöz. Org. Fosfor) + Part. Org. Fosfor 3 1

1. Kirletici Parametreler (Metcalf ve Ey, 2003) Toplam katı mae(tkm), mg/l Toplam çözünmüş mae (TÇM), mg/l Toplam askıa mae (TAM), mg/l Çökebilen mae, mg/l BOİ 5, mg/l TOK, mg/l KOİ, mg/l Azot (Top N), mg/l Organik, mg/l Amonyum, mg/l Nitrit + nitrat, mg/l Fosfor (Top P), mg/l Organik, mg/l İnorganik, mg/l Klorür, mg/l Sülfat, mg/l Alkalinite, mg/l as CaCO 3 Yağ ve gres, mg/l Toplam koliform, no/100 ml Konsantrasyon Zayıf Orta Kuvvetli 350 250 100 5 110 80 250 20 8 12 0 4 1 3 30 20 50 50 10 6 ~10 7 720 500 200 10 220 160 500 40 14 25 0 8 3 5 50 30 100 100 10 7 ~10 8 1200 850 350 20 400 290 1000 85 35 50 0 15 5 10 100 50 200 150 10 7 ~10 9 4 2. AAT Deşarj Stanartları (Kentsel Atıksuların Arıtılması Yönt.) Parametreler Konsantrasyon Minimum arıtma verimi, % BOİ 5 25 mg/l 70-90 KOİ 125 mg/l 75 AKM 35 mg/l 90 Toplam Azot (*) 15 mg/l (N=10000-100 000) 10 mg/l (N>100 000 ) Toplam Fosfor(*) 2 mg/l (N=10000-100 000 ) 1 mg/l (N>100 000 ) 70-80 80 (*) Ötrofikasyona tabi hassas alanlara kentsel atık su arıtma tesislerinen boşaltmalar için şartlar. Yerel şartlara bağlı olarak parametrelerin biri yaa ikisi biren uygulanabilir. Konsantrasyon eğerleri yaa azalma yüzeleri uygulanacaktır. (AB: EEC271-1991) (TC: Resmi Gazete 26047 nolu 8.01.2006 terihli kanun) 5 3. Atıksu Miktarı: Debi (Flowrates) Q peak Q max Q ort Metcalf & Ey, 2003 6 2

Debiler (İstatistiksel Değerlenirme) Q max Q ort %85 unercut (ATV131, 2000) Henze et al., 1995 7 8 Örnek: Kaıköy Atıksuyunun Konvansiyonel Karakterizasyonu (ref: Okutman, 2001) Parametre Birim Değer Q ortalama m 3 /gün 600,000 KOİ mg/l 450 BOİ 5 mg/l 220 TKN mg/l 50 AKM mg/l 310 UAKM mg/l 210 TP mg/l 8.1 9 3

4. Kirletici Parametrelerin Kütle Dengesi Q Giriş KOİ = 450 TKN = 50 AKM = 310 TP = 8 Q filtrat2 AKM = 300 KOİ = 700 TKN = 450 TP = 150 Q filtrat1 AKM = 200 TKN = 40 TP = 9 10 5. Organik Mae Gierimi ve Proses Tasarımı Stanart Tasarım Parametreleri: F/M oranı Çamur Yaşı (SRT) Hirolik Bekletme Süresi (HRT) Aktif Çamur Reaktörü Son Çökeltme Giriş (Q in ) Çıkış Insel v., 2006 Deri OSB-WWTP Geri Devir (RAS) Fazla Çamur (P ) 11 Oxiation Ditch 12 4

5. Organik Mae Gierimi ve Proses Tasarımı Saece BOİ 5 ve toplam KOİ parametreleri proses tasarımı açısınan yeterli olamamaktaır? Toplam KOİ oksie olabilen tüm organiklerin bir eşeğerini göstermekteir. Toplam KOİ parametresini fraksiyonlar haline getirmemiz kolaylık sağlayacaktır. f = (BOI 5 COD) = 0.4-0.6 buzağı etkisi!! BOİ 5 eney koşulları: poorly conitione F/M (Besin/Biyokütle) parametresi 13 KOİ Fraksiyonları Toplam KOİ (C T ) <0.45 micron >0.45 micron Çözünmüş KOİ (S T ) Partiküler KOİ ( T ) Çözünmüş İnert KOİ (S I ) Kolay Ayrışabilen KOİ (S s ) Yavaş Ayrışan KOİ ( s ) Partiküler İnert KOİ ( I )? BOİ 5 L=BOİu C S = S S + S C S BOİ u 14 Organik Karbon Gierim Moeli H 2 O O 2 H H 2 O growth ecay O 2 P S S hyrolysis S 15 5

Respirometre-OTH İTÜ Çevre Mühenisliği /Dr. Seat Ürünül Laboratuvarı 16 respiration rate [mgo2/l.h] 160 140 120 100 ammonia acetate wastewater wastewater 80 60 40 nitrite 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 time [hour] 17 KOİ Fraksiyonları Ayrışabilen KOİ: Respirometrik (OTH) yöntemler İnert KOİ: AAT Çıkış suyu analizi ve analitik yöntemler Evsel Atıksu KOİ Fraksiyonları- İstanbul Fraksiyon Konsant. Fraksiyon S I 22 mg/l 5% S S 45 mg/l 10% S 338 mg/l 75% I 45 mg/l 10% VSS (UAKM) Orhon, D., Ateş, E., Sözen, S. an Ubay Çokgör, E. (1997) Characterization an COD fractionation of omestic wastewaters, Environmental Pollution, 95, 2, 191-204. 18 6

Karbon Gierimi Reaksiyonları Heterotrofik Çoğalma r H ˆ H SS.. K S S S H Hiroliz r S SS S t t k. h S İçsel Solunum r k H H Partiküler maelerin oluşumu (İçsel Solunum) r P t P f.k. H 19 5. Organik Mae Gierimi ve Proses Tasarımı 20 Pg747-Metcalf & Ey, 2003 Karbon Gierimi Stokiyometrisi Ayrışabilen KOİ (S S + S ) Oksijen (1-YH) YH YN 1 k Biyokütle (hücre COD ) Y H (g hücrekoi /g KOİ) Y N Çoğalma ve Ölüm Kinetiği r H ˆ H Y H = 0.5-0.67 ghücre KOİ / gkoi 1 g UAKM = 1.42-1.48 g KOİ UAKM / AKM = 0.7-0.9 S.. K S S H k H 21 7

Karbon Gierimi T20 k(t) k max 22 KOİ Kütle Dengesi Enüstriyel! S I S I AKM-UAKM H S I S I S S S I AKM-UAKM KOİ S I H I 10-20 mg/l Çıkış AKM 23 Karbon Gierimi Proses Hesabı (KOİ Bazlı) * Tamamı Ayrışabilir 1. Konvansiyonel Atıksu Karakterizasyonu Parametre Birim Değer Q ortalama m 3 /gün 50,000 KOİ mg/l 450 BOİ 5 mg/l 220 TKN* mg/l 50 AKM mg/l 310 UAKM mg/l 210 TP mg/l 8.1 Alkalinite mgcaco3/l 320 2. KOİ Fraksiyonlarının belirlenmesi Fraksiyon Konsantrasyon S I 22 mg/l 5% S S 45 mg/l 10% S 338 mg/l 75% I 45 mg/l 10% C S 383 mg/l 85% 24 8

Karbon Gierimi Proses Hesabı (KOİ Bazlı) 1. Tasarım Verileri Atıksu karakterizasyonu Seçilen Çamur Yaşı, = 5 gün (!) Reaktöreki MLSS konsantrasyonu 3500 g/m 3 Soğuk havaa proses sıcaklığı = 15 C 2. Günlük Çamur oluşumunun bulunması Biyokütle çoğalması: P VSS QY 1 k ( S0 S) f k Y Q ( S0 1 k S) İnert Organik Mae: P I Q I Reaktöre Gierilemeyen UAKM Girişteki inert katı mae: (AKM-UAKM) Toplam Çamur Miktarı: P F P (AKM UAKM) Q Toplam P VSS P I P f 25 Tasarım T 15 k T20 ( 1520) 15 k20 0. 121. 04 0. 1 ˆ 0 C T20 ( 1520) mh ˆ 5. 01. 07 3. 6 15 mh 20 K S 20 mg / L Çıkış suyu kalitesi (mgkoi/l) gün gün 1 1 Sıcaklığa bağlı kinetik K ( 1 k ) S ˆ ( 1 k mh 20( 1 0. 1* 5) ) 3. 6* 5 ( 1 0. 1* 5) S 2 mgkoi / l Çamur Oluşumu, P P BM Q Y(S0 S) f k Q (S0 S) 1 k 1 k 26 P Bio P Bio Q Y (S0 S) f k Q(S0 S) 1 k 1 k 50, 000 0. 45 ( 383 2) 0. 08 0. 1 50, 000 ( 383 2) 5 1 0. 15 1 0. 15 P Bio ( 5745 510) 6255 kguakm / gün VSS UAKM ( ) 0.8 SS AKM 6255 P Bio 7818 kgakm / gün 0. 8 1 PI I Q 45 50000 2250 kgkoi / gün 1000 1 1 PI I Q 2250 kgkoi / gün gkoi UAKM 1. 42 0. 8 guakm AKM 1980 kgakm/ gün 27 9

Karbon Gierimi Proses Hesabı (KOİ Bazlı) 3. Reaktörün hacmi, V T Reakt. MLSS: T = 2000 5000 g/m 3 = 5 gün P T VT T Reaktör Geometrisi (Autoca örneği!) Oksiasyon Havuzu-Carousel Atnalı tipi reaktör Piston Akımlı Reaktör Dairesel Reaktör Dikörtgensel-Tam karışımlı 28 1 P f (AKM UAKM) Q ( 310 210) 50000 5000 kg / gün 1000 PT PBio PI Pf 78181980 500014800kg /gün Reaktör Hacmi, V P T VT V 3. 5 14800 T 5 3 V T 21142m H su = 5 Alan = 4228 m 2 m Öev: Önçökeltme yapılması urumuna reaktör hacmini hesaplayınız? (M&E, 2003, pg405) 29 Değişik tank uygulama şekilleri prop A E 0,3 30 10

Karbon Gierimi Proses Hesabı (KOİ Bazlı) 4. Oksijen İhtiyacı, OR C OR Q(S S) 1. 42 0 P VSS Stanar Şartlaraki oksijen ihtiyacı, SOR C SOR OR F( C S, 20 S,T,H 1. 024 CL) (T20) 31 C SOR OR F( C S, 20 S,T,H 1. 024 CL) (T20) SOR: Stanart şartlaraki oksijen ihtiyacı (kgo2/gün) : Oksijen transferi üzeltme faktörü (0.6-1.2) : Tuzluluk yüzey gerilimi üzeltme faktörü (0.8-1.0) F: Difüzör tıkanma faktörü (0.65-0.9), (mekanik hav: F=1.0) C S,T,H : Proses şartlarınaki oksijen oygunluk konsantrasyonu (mg/l)!! T: Aktif çamur proses sıcaklığı (C) 32 OR Q(S S) 1. 42 0 P Bio 10167 kgo 2 / gün 50000 ( 383 2) 1. 426255 19050 8883 SOR OR 1. 024 0. 75 0. 9 ( 0. 8 1100, 2, 00) 9. 0 ( 1520) SOR 1. 7510167kg / gün SOR 1. 75OR 17795 kgo2 / gün 33 11

Karbon Gierimi + Nitrifikasyon Proses Hesabı Nitrifikasyon Kinetiği 34 n mn N DO K N K DO n O k T20 ( 1520) mn ˆ 0. 75 1. 103 0. 46 15 mn T20 ( 1520) n15 kn 0. 08 1. 04 0. 06 T20 ( 1520) 15 Kn Kn 0. 75 1. 035 0. 63 gün gün 1 1 mg / L 1 A mn N DO k K N K DO n 1 0. 5 2. 0 0. 46 0. 06 0. 63 0. 5 0. 5 2. 0 A A min 9. 7gün O n Minimum aerobik çamur yaşı 35 Nitrifikasyon Proses Hesabı Pik faktörü (TKN pik /TKN ort ) = 1.2 A PFAmi 1. 2* 9. 7 12gün n A min 9. 7gün K ( 1 k ) S ˆ ( 1 k P Bio mh 20 ( 1 0. 1* 12) 2. mgkoi / l ) 3. 6* 5 ( 1 0. 1* 12) S 7 NO x 0. 78 50 39 Q Y (S0 S) f k Q(S0 S) 1 k 1 k mgn / L QYn (NO x ) 1 k P AKM 1 Bio ( 78. 3 16. 7 2. 39) 97. 39 121. 74 mg / L Q UAKM 0. 8 n 36 12

Nitrifikasyon Proses Hesabı PBio NOx TKN Ne 0. 12 50 0. 5 11. 68 39mgN / L Q 3 m kg P Bio Q121. 74 50000 * 0. 12174 6087 kg / gün 3 gün m 1 PI I Q 45 50000 2250 kgkoi / gün 1000 P I 1 1 I Q 2250 kgkoi / gün gkoi UAKM 1. 42 0. 8 guakm AKM 1980 kgakm/ gün PT PBio PI Pf 6087 1980 5000 13060 kg / gün 37 Nitrifikasyon Proses Hesabı PT PBio PI Pf 6087 1980 5000 13060 kg / gün P T VT T V 3. 5 13060 T 12 3 V T 44780 m Oksijen İhtiyacı, OR OR Q (S S) 1. 42 PBio 4. 33 Q NOx 0 50000 ( 383 2) 4. 33 50000 37 OR 1. 42 4262 1000 1000 OR 19050 8645 7794 10405 7794 18200 kg / gün 38 Nitrifikasyon Proses Hesabı C SOR OR F( C S, 20 S,T,H 1. 024 CL ) SOR 1. 75OR 31850 kgo2 / gün Alkalinite Kontrolü (T20) Kullanılan Alkalinite (nitrifikasyon) gcaco3 7. 14 * 36gN / L 257mgCaCO3 / L gnh4 N Kalan Alkalinite = Toplam Alkalinite Kullanılan Alkalinite 320 257 93 mgca CO3 / L 39 13

Karşılaştırma Tasarım Parametresi Birim Organik Karbon Organik Karbon + Nitrifikasyon Aerobik Çamur Yaşı, A gün 5 12 Tank Hacmi, V T m 3 21,142 44,780 F/M oranı kgboi 5 /kgmlvss 0.17 0.07 Hirolik Bekletme Süresi saat 10 21 Stanart Oksijen İhtiyacı (SOR) kgo 2 /gün 17,795 31,850 40 Son Çökeltme Tankları 41 Son Çökeltme Tankları Kesit Scum trough Scum line Drive Skimmer assembly Scraper arm Center shaft Influent baffle Water level Sluge line Concrete tank Center scraper Effluent pipe 42 14

43 Plan Scum baffle Walkway. 40.7 m iam. 316 SS 90 V-notchs aroun the weir plate @ 39.5 cm c/c Scum line. Scum trough Rake arm Effluent launer Outer sewer Effluent box 2 m 2 m Influent pipe Sluge pipe Influent pipe 44 45 15

46 Up to 200 ft 47 Up to 400 ft 48 16

Kütle Dengesi Son Çökeltme Tankı kütle engesi: 49 Aktif Çamur Reaktörü üzerine kütle engesi: 50 ALAN (A) 51 17

Tasarım Kriterleri Hirolik Yük Katı Mae Yükü (SLR) Su erinliği, H S Q MLSS Konsantrasyonu Son Çökeltme S eff S S Se Çıkış Kalitesi I eff UAKM AKM KOİ UAKM Q R = 0.5-1.5 Q (Q QR ) SLR A Q HLR A MLSS ATV, 131 (2000) 52 Tasarım Kriterleri Hirolik Yükleme Hızı Katı Mae Yükleme Hızı (SLR) Su yüksekliği, H S 53 Tasarım QR R Q MLSS MLSS RAS RAS = 5000 12000 mg/l 3. 5 0. 63 9. 0 3. 5 Q 50000 HLR 22 3 2 m / m.ay A A (Q QR ) SLR A 2 5. 2kg / m.h MLSS ( 1 0. 63) 500003. 5 227524 A 2275 2 D 2275 4 n n 3 D 31 m 54 18

55 56 Membran Biyoreaktör Moülü 57 19

Havalanırıcı Sistem Seçimi A. Difüzörlü Sistem 58 Difüzör... 59 Problem! 60 20

Blower-Üfleyiciler Santrifüj Blower Lobe-type positive isplacement blower 61 61 Jet Aeration 62 63 21

64 65 66 22

67 68 B. Yüzeysel Havalanırıcılar Fixe aerator Floating aerator Turbine aerator Disk aerators 69 23

Yüzeysel Havalanırıcılar 70 Karıştırma İhtiyacı Difüzörlü Sistem Minimum gerekli hava miktarı: Gri System: 10-15 m 3 /10 3 m 3 /min (hacimsel) Spiral Roll: 4.6-10.8 L/m.sec (reaktör uzunluğunca) Mekanik Havalanırıcı Volumetrik Enerji 20-40 kw/10 3 m 3 0.75-1.50 HP/10 3 ft 3 71 Dikörtgen kesitli tanklaraki yatay akış klavuz uvarsız havuzaki kayıplar simetrik kılavuz uvarlı havuzaki kayıplar asimetrik kılavuz uvarlı havuzaki kayıplar V ort = 0.3 m/sn = 1 feet/sec 72 24

Örnek: Tankta kum birikmesi oluşmuş, çünkü tesiste kum tutucu çalışmıyor! 73 Yarı Kesikli sistemler: Arışık Kesikli Reaktörler Fill React Settle Decant Ile Time 74 AKR Sistemi Influent Influent Holing Tank 2 Tank SBR Effluent Influent Transfer Pumps 75 25

76 AKR: Dolurma ve Karıştırma Sistemi 77 AKR: Dolurma, Karıştırma ve Boşaltma Sistemi 78 26

Avantages Simple operation Automatic failure response Automatic aeration control Lower operating cost Highest egree of flexibility available Automatic removal of tanks from service Power failure memory Monitors tank levels an flow rates Reaily expanable Disavantages Slightly higher cost 79 Kaynaklar Metcalf & Ey, (2003) Qasim S., (1999) Henze v., (2005) ATV-DVWK, 131 80 27