BİYOLOJİK TEMEL İŞLEMLER

BİYOLOJİK TEMEL İŞLEMLER BİYOLOJİK YÖNTEMLERLE NÜTRİENT GİDERİMİ Doç. Dr. Eyüp DEBİK

Nütrient Giderimi Azot atıksularda çeşitli şekillerde bulunabilir (organik, amonyak, nitrit ve nitrat). Genel olarak evsel atıksularda azot, organik veya amonyak şeklinde bulunur. Evsel atıksularda azot konsantrasyonu 25-35 mg/l aralığında değişir. Atıksu arıtma tesislerinin ön çökeltme havuzlarında toplam azot konsantrasyonunun %20 si çökelerek giderilir. 2

Nütrient Giderimi Biyolojik arıtmada organik azotun önemli bir kısmı amonyağa çevrilir. Amonyağın da %20 lik bir kısmı yeni hücre oluşumunda kullanılır. Klasik biyolojik arıtma tesislerinde geriye kalan %60 lık azot miktarı alıcı ortama deşarj edilir. 3

Nütrient Giderimi Fosfor atıksularda, inorganik, ortofosfat veya kompleks fosfatlar olarak organik formda bulunur. Kompleks fosfatlar sentetik deterjanlardan kaynaklanır ve atıksudaki fosfatın yaklaşık yarısını oluşturur. Kompleks fosfatlar biyolojik arıtmada ortofosfata hidrolize olurlar. 4

Nütrient Giderimi Evsel atıksularda ortalama fosfor konsantrasyonu 5-9 mg/l arasında değişir. Ön çöktürme esnasında fosforun %10 u çökelir, klasik biyolojik arıtma esnasında ise %10-20 si yeni hücrelere dönüşür. Kalan yaklaşık %70 lik kısım ise alıcı ortama deşarj edilir. 5

Biyolojik Arıtmada Azot Giderim Yolları 6

Nitrifikasyon Biyolojik nitrifikasyonda amonyak iki adımda nitrata okside olur. İlk adımda amonyak nitrite dönüşürken, ikinci adımda nitrit, nitrata dönüşür. Nitrosomonas tarafından amonyağın nitrite dönüşümü; NH 4 + + 1,5O 2 NO 2- + 2H + + H 2 O Nitrobakter tarafından nitritin nitrata dönüşümü; NO 2- + 0,5O 2 NO 3-7

Nitrifikasyon İki adım birleştirilirse amonyağın nitrata dönüşümü şu şekilde ifade edilebilir: NH 4 + + 2O 2 NO 3- + 2H + + H 2 O Bu arada amonyum iyonunun bir kısmı yeni hücrelere asimile olur. Biyokütle sentez reaksiyonu aşağıdaki şekilde gerçekleşir. 4CO 2 + HCO 3 + NH 4 + +H 2 O C 5 H 7 NO 2 + 5O 2 O halde genel reaksiyon: NH 4+ +1,731O 2 +1,962HCO 3 0,038C 5 H 7 NO 2 +0,962NO 3- +1,077H 2 O+1,769H 2 CO 3 8

Nitrifikasyon Hızı Amonyak ve nitrit konsantrasyonları nitrosomonas ve nitrobakterin maksimum büyüme hızına etki eder. Genel olarak nitrobakterin büyüme hızının nitrosomonas a göre daha büyük olması nedeniyle nitrifikasyon hızı, amonyağın nitrite çevrilmesi ile modellenir. N N max K N N N 9

Nitrifikasyon Hızı Tek adımda gerçekleştirilen karbon oksidasyonunitrifikasyon prosesinde aktif çamuru içerisindeki nitrifikasyon bakterilerinin oranı BOİ 5 / TKN oranına bağlıdır. Dolayısıyla nitrifikasyon bakterilerinin tüm bakterilere oranı şu şekilde hesaplanır: f N 0,60(giderilenBOİ 0,16(giderilenNH 5 ) 3 ) 0,16(giderilenNH 3 ) 10

Nitrifikasyon Hızı ÇO seviyesi µn max ı etkilediğinden şu eşitlik yazılabilir. N N max K ÇO ÇO Nitrifikasyon prosesinin hızı sıcaklığın azalmasıyla azalır. Dolayısıyla şu şekilde iki bağıntı yazılabilir: O 2 µ N = µ Nmax e 0,098(T-15) K N = 100,051T 1,158 11

Nitrifikasyon Hızı Maksimum nitrifikasyon hızı ph ın 7,2 ile 9 arasında olduğu aralıkta gerçekleşir. Birleşik karbon oksidasyon-nitrifikasyon işlemi için ph ın etkisi şu şekildedir: N N max 1 0,833(7,2 ph) O halde nitrifikasyon için genel denklem: N N max K N N ) N K O ÇO ÇO 2 0,098(T15 e 1 0,833(7,2 ph) 12

Nitrifikasyon Hızı µ N = nitrifikasyon bakterileri için spesifik büyüme hızı, g yeni hücre /g hücre -gün µ Nmax = nitrifikasyon bakterileri için maksimum spesifik büyüme hızı, g yeni hücre /g hücre -gün N = azot konsantrasyonu, g/m 3 K N = yarı hız sabiti (µ Nmax in yarısındaki azot konsantrasyonu), g/m3 ÇO = çözünmüş oksijen konsantrasyonu, g/m3 KO 2 = çözünmüş oksijen için yarı doygunluk katsayısı, g/m3 T = sıcaklık, C dir. 13

Nitrifikasyon İçin Kinetik Katsayılar Değerler Katsayılar Birim Aralık Tipik µ Nmax gün -1 0,40-2,00 0,90 K N mg/l NH4+-N 0,20-2,30 0,50 Y N mg VSS / mg NH 4+ -N 0,10-0,30 0,16 k dn gün -1 0,03-0,06 0,04 14

Nitrifikasyon Prosesleri (a) ayrı bölmede, (b) aynı bölmede nitrifikasyonlu askıda büyüyen proses 15

Nitrifikasyon Prosesleri (c) düşük hızlı bağlı büyüyen proses, (d) aktif çamuru takip eden bağlı büyüyen reaktör 16

Denitrifikasyon Denitrifikasyon nitrat azotunun azot gazına döndüğü proseslere verilen isimdir. Serbest oksijen olması istenmediğinden bu proses anoksik tanklarda yapılır. Denitrifikasyon bakterileri nitratı azot gazına çevirerek büyümeleri için gerekli enerjiyi elde ederler. Ancak hücre sentezi için bir karbon kaynağı gerekir. Nitrifikasyona uğramış sularda genelde karbon düşük miktarlardadır. Bu yüzden dışarıdan karbon ilave etmek gerekebilir. Karbon kaynağı olarak genellikle metanol ve diğer bazı organik bileşikler kullanılır. 17

Denitrifikasyon Denklemleri Nitrat giderimi için; NO 3- + 1,183CH 3 OH + 0,273H 2 CO 3 0,091C 5 H 7 NO 2 + 0,454N 2 + 1,820H 2 O + HCO - 3 Nitrit giderimi için; NO 2- + 0,681CH 3 OH + 0,555H 2 CO 3 0,047C 5 H 7 NO 2 + 0,476N 2 + 1,251H 2 O + HCO - 3 Oksijen giderimi için; O 2- +0,952CH 3 OH+0,061NO 3 0,061C 5 H 7 NO 2 +1,075H 2 O+0,585H 2 CO 3- +0,061HCO - 3 18

Denitrifikasyon Denklemleri Azot gazına çevrilen beher mg nitrat azotu başına, 2,70 mg metanol (CH 3 OH) kullanılır, 0,74 mg yeni hücre ve 3,57 mg alkalinite (CaCO 3 olarak) üretilir. Denitrifikasyon için gerekli metanol miktarı şu şekilde hesaplanabilir: CH 3 OH gereken = 2,70(NO 3 -N) + 1,56(NO 2 -N) + 0,95 ÇO Metanolün KOİ eşdeğeri yaklaşık olarak 1,5 mg KOİ / mg CH 3 OH olduğuna göre: KOİ gereken = 4,05(NO 3 -N) + 2,34(NO 2 -N) + 1,43 ÇO 19

Denitrifikasyon Hızı Nitrat konsantrasyonunun denitrifikasyon bakterilerinin büyüme hızına etki edeceği düşünülür. Buna göre: DN DN max K NO NO 3 3 NO 3 20

Denitrifikasyon Hızı Karbon konsantrasyonunun etkisi de aynen nitrat konsantrasyonunun etkisi gibi hesaplanır. DN DN max K C C C Sıcaklığın etkisi şu denklemle ifade edilir. p = 0,25 T 2 21

Denitrifikasyon Hızı Denitrifikasyon genel denklemi: R DN = R DN20 C x 1,09 (T-20) (1 ÇO) R DN R DN20 C T ÇO : denitrifikasyon hızı, : spesifik denitrifikasyon hızı : sıcaklık : çözünmüş oksijen 22

Nitrifikasyon-Denitrifikasyon Prosesleri (a) oksidasyon havuzu 23

Nitrifikasyon-Denitrifikasyon Prosesleri (b) dört adımlı piston akımlı Bardenpho prosesi, 24

BİYOLOJİK FOSFOR GİDERİMİ 25

Biyolojik Fosfor Giderimi Çözünür BOİ ve Ortofosforun değişimi 26

Biyolojik Fosfor Giderimi A/O prosesi 27

Biyolojik Fosfor Giderimi PhoStrip prosesi 28

Biyolojik Fosfor Giderimi Uçucu yağ asitleri ihtiyacını sağlamak için harici fermenter kullanımı 29

Biyolojik Fosfor Giderimi A 2 /O prosesi 30

Biyolojik Fosfor Giderimi Beş adımlı Bardenpho prosesi 31

Biyolojik Fosfor Giderimi UCT (University of Cape Town) prosesi 32

Biyolojik Fosfor Giderimi VIP (Virginia Inititative Plant) prosesi 33

ASKIDA BÜYÜYEN AEROBİK SİSTEMLER 34

Aktif Çamur Proseslerinin Sınıflandırılması 38

Aktif Çamur Proseslerinin Tanımı Klasik Piston Akımlı Aktif Çamur Prosesi 39

Aktif Çamur Proseslerinin Tanımı Kademeli Beslemeli Aktif Çamur Prosesi 40

Aktif Çamur Proseslerinin Tanımı Azalan Havalandırmalı Aktif Çamur Prosesi 41

Aktif Çamur Proseslerinin Tanımı Modifiye Havalandırma Kısa Havalandırma süresi, yüksek F/M oranı Kraus Prosesi Tam Karışımlı Yüksek Hızlı Havalandırma Yüksek Organik Yük ve MLSS konsantrasyonu (Yüksek F/M) Düşük HBS, Uzun SRT Saf Oksijen 42

Biyolojik Nütrient Giderimi için Aktif Çamur Prosesleri Tek Kademeli Nitrifikasyon Ayrı Kademede Nitrifikasyon Tek Kademeli Nitrifikasyon-Denitrifikasyon Azot ve Fosfor Giderimi 43

Küçük Yerleşimler için Aktif Çamur Prosesleri Kontak (Temas) Stabilizasyon 44

Küçük Yerleşimler için Aktif Çamur Prosesleri Oksidasyon Havuzu 45

Küçük Yerleşimler için Aktif Çamur Prosesleri Kesikli Boşaltmalı Uzun Havalandırma 46

Küçük Yerleşimler için Aktif Çamur Prosesleri Ardışık Kesikli Reaktör 47

Askıda Büyüyen Aerobik Sistemlerin Mukayesesi 48

Aktif Çamur Proseslerinin Tasarım Kriterleri Proses Yükleme Kriterleri F/M oranı Çamur Bekletme Süresi ( c, SRT) Hacimsel Organik Yük (L org ) Çamur Üretimi Oksijen ihtiyacı ve Temini Reaktör Boyutu ve Konfigürasyonu Karıştırma için Enerji İhtiyacı Son Çöktürme 49

MLSS, F/M ve Hacimsel Yükleme Oranları 50

Aktif Çamur Proseslerinin Tasarımı F/M oranına dayalı hacim V Q F X S / 0 M Ortalama çamur bekletme süresine dayalı hacim V Q S Y C X 0 Hacimsel yüke dayalı hacim V Q S L org 0 51

Aktif Çamur Proseslerinde Çamur Geri Devrinin Tespiti Q(X 0 ) + Q r (X r ) = (Q+Q r )(X) Qr Q X r X, mg / L, mg / L X, mg / L 52

Aktif Çamur Proseslerinde Çamur Üretimi 53

Askıda Büyüyen Aerobik Sistemlerde Oksijen İhtiyacı Kg O 2 /gün= Q(So-S) -1,42 Px + 4.6 * Q (NO 3 ) 2,86 * Q (NO 3 ) Aktif çamur proseslerinde katı bekletme süresi ve oksijen ihtiyacı değerleri Aktif çamur prosesi SRT, gün Oksijen ihtiyacı Yüksek hızlı (nitrifikasyon yok) 0,75-2 0,6-0,8 kgo 2 /kgkoi (uygulanan) Klasik (nitrifikasyon yok) 3-8 0,7-0,9 kgo 2 /kgkoi (uygulanan) Düşük hızlı (nitrifikasyon) >15 0,8-1,1 kgo 2 /kgkoi (uygulanan) + 4,6-4,7 kgo 2 /kgno 3 -N (üretilen) 54

Aerobik Sistemlerde Kullanılan Mekanik Havalandırıcılar 55

Aerobik Sistemlerde Kullanılan Mekanik Havalandırıcılar 56

Aerobik Sistemlerde Kullanılan Mekanik Havalandırıcılar Değişik tipleri için tipik oksijen transfer hızları ve α değerleri Transfer oranı, kgo 2 /kwh Havalandırıcı tipi SOTR AOTR α Yüksek hızlı yüzey havalandırıcı 1,2-1,85 0,74-1,1 0,6-0,9 Düşük hızlı yüzey havalandırıcı 1,54-2,78 1,5-1,73 0,6-0,9 Döner fırça yüzey havalandırıcı 1,2-2,16 1,5-1,3 0,6-0,9 Türbin havalandırıcı 1,2-2,47 0,74-1,54 0,6-0,9 Statik tüp havalandırıcı 1,2-1,85 0,74-1,1 0,6-0,9 57

Aerobik Sistemlerde Kullanılan Difüzör Tipi Havalandırıcılar 58

Aerobik Sistemlerde Kullanılan Difüzör Tipi Havalandırıcılar 59

Aerobik Sistemlerde Kullanılan Havalandırıcılar Difüzörlü havalandırma sistemleri için tipik oksijen transfer oranları ve α değerleri 60

Aerobik Sistemlerde Blower Kapasitesinin Tespiti Q hava W oksijen 2 hava AOTEO 1440 dakika / gün Burada; Q hava W oksijen = gereken hava debisi, m 3 /dakika = oksijen ihtiyacı, kg/gün AOTE = gerçek oksijen transfer verimi yüzdesi O 2 = oksijenin havadaki ağırlıkça yüzdesi (0,2315) γ hava = havanın spesifik ağırlığı (1 atmosfer ve 20ºC de: 1,2 kg/m 3 ) 61

Aerobik Sistemlerde Blower Gücünün Tespiti P W 0,283 wrt 1 P2 1 550ne P1 P W = her bir blower ın güç ihtiyacı, kw w hava = havanın kütlesel debisi, kg/saniye R = havanın gaz içeriği, 16,31 m.kg/(kg hava).ºr(u. S. birimi) T1 = giriş mutlak sıcaklığı, K P1 = giriş mutlak basıncı, atm P2 = çıkış mutlak basıncı, atm n = (k-1)/k = 0,283 hava için k = hava için 1,395 550 = 29,7 (SI birimleri) e = verim (kompresörler için genellikle 0,70-0,90) 62

Aerobik Sistemlerde Karıştırma için Enerji İhtiyacı Tam Karışım için gerekli güç = 19 ile 39 kw/10 3.m 3 Difüzörlü sistem (Rulo Tip) Grid tipi difüzör = 20-30 m 3 /10 3.m 3.dakika = 10-15 m 3 /10 3.m 3.dakika 63

Son Çöktürme Havuzları SVI çöken çamur hacmi AKM mg / ml / L L x1000 SVI < 100-150 ise iyi çökelme özelliğine sahip çamur SVI > 150 ise kötü çökelme özelliğine sahip çamur 64

Son Çöktürme Havuzları OR dizayn V 24saat / gün i SF O R V i = yüzey yükü, m 3 /m 2.gün = bölgesel çökelme hızı, m/saat S F = emniyet faktörü, tipik olarak 1,75-2,5 V i V max exp( Kx10 6 X ) V i V max K X = bölgesel çökelme hızı, m/saat = maksimum bölgesel çökelme hızı, tipik olarak 7,0 m/h = sabit, 150 SVI değerindeki aktif çamur sıvısı için tipik olarak 600 L/mg = aktif çamurdaki ortalama toplam askıda katı, mg/l 65

Son Çöktürme Havuzları 66

Son Çöktürme Havuzları için Tipik Dizayn Kriterleri Akış hızı, m 3 /m 2.gün Yük, kg/m 2.saat Arıtım tipi Ortalama Pik Ortalama Pik Derinlik m Aerobik-aktif çamur (uzun havalandırma hariç) 16-28 40-64 4-6 8 3,5-6 Uzun havalandırma 8-16 24-32 1,0-5 7 3,5-6 Selectors, biy. nütr. giderimi 16-28 40-64 5-8 9 3,5-6 Oksijen-aktif çamur 16-28 40-64 5-7 9 3,5-6 Fosfor giderimi için Çökt.; Çıkış suyu kons., mg/l Toplam P=2 Toplam P=1 Toplam P=0,2-0,5 24-32 16-24 12-20 3,5-6 Nitrifikasyon çıkış suyu 16-24 32-40 3-5 8 3,5-5 67

İşletme Problemleri Değişik F/M oranı ve SRT de baskın mikroorganizmalar 68

İyi ve kötü çökelme özelliği gösteren çamur partikülü örnekleri: (a) filamentli olmayan iyi çöken flok, (b) filamentli mikroorganizmalarla köprü oluşturmuş flok partikülleri, (c,d) kötü çökelmeye neden olan filamentli mikroorganizmaların mikroskopik görünüşleri, (e) sülfür granüllü Thiothrix filamentleri ve (f) düşük çözünmüş oksijen konsantrasyonlarında gözlenen 1701 tipi filamentli mikroorganizma-sphaerotilus 69

Aktif çamurda bulunan filamentli mikroorganizmaların tercih ettiği işletme koşulları 70

Çamur kabarması ve köpük oluşumu 71

Çamur kabarmasını etkileyen faktörler 72

Çamur kabarması ile ilgili önemli unsurlar şunlardır: (1) Atıksu karakteristikleri, (2) Çözünmüş oksijen konsantrasyonu, (3) Proses yükü, (4) Geri devir ve atık çamur deşarj oranları, (5) Tesis içerisinde oluşan süpernetant ile süzüntü sularının sisteme getirdiği yük ve (6) Çöktürme işletimi. 73

Çamur Yüzmesi Çamur yüzmesini önlemenin yolları şu şekildedir: (1) Geri devir çamuru çekme hızını artırarak, çamurun çöktürme tankındaki bekleme süresini azaltmak, (2) İlk yöntemin işe yaramadığı durumlarda, havalandırmadan gelen atıksuyun hızını azaltmak, (3) Mümkün olduğu durumlarda çamur toplama mekanizmalarının hızını artırmak, (4) SRT değerini nitrifikasyonun gerçekleşemeyeceği değerlere kadar düşürmek. 74

Nocardia köpüğü: (a) havalandırma tankı üzerindeki köpük örneği (b) Microthrix Parvicella ve Nocardia filamentlerinin mikroskobik görünüşü 75

Köpük Kontrolü Köpüğün son çöktürmede tutulmasını engellemek Sıyrılan maddelerin geri devrinden kaçınmak Nocardia köpüğü üzerine klor sprayi uygulamak 76

Çamur Kabarması ve Köpük Oluşumu Flamentli Organizmaların Kontrolü 1- Geri devir çamuruna klor veya hidrojen peroksit ilavesi 2- Havalandırma havuzundaki ÇO konsantrasyonunun ayarlanması 3- Havalandırma havuzuna giriş akımının düzenlenmesi (F/M oranı) 4- Azot ve fosfor ilavesi 5- İz elementlerin ilavesi 6- İnorganik talc (magnezyum silikat) ilavesi 7- Selektor kullanımı 77

Selektör Aktif Çamur Prosesleri Substrat konsantrasyonuorganizmaların büyüme eğrileri 78

Çamur Kabarması ve Köpük Oluşumu anaerobik/aerobik 79

Çamur Kabarması ve Köpük Oluşumu 80

Çamur Kabarması ve Köpük Oluşumu anoksik selektör 81

Çamur Kabarması ve Köpük Oluşumu Aerobik için Anoksik için 82

Çamur Kabarması ve Köpük Oluşumu Geri devir akımından köpüğü almak Polimer kullanmak Köpük giderici kullanmak Anoksik veya anaerobik selektor kullanmak 83

Düşük Hızlı Aktif Çamur Prosesleri Yüksek kaliteli çıkış Stabil ve kolay işletme Enerji tüketimi az Nütrient gideriminin de sağlanabilmesi 84

Düşük Hızlı Aktif Çamur Prosesleri F/M oranı < 0,1 Genellikle 200 mg/l BOİ 5 girişi 20 saat veya daha yüksek bekleme süresi Nitrifikasyon için 0,05 <F/M< 0,1 Denitrifikasyon için 0,03 <F/M< 0,06 MCRT : 20-40 gün SVI < 80 Q< 7500 m 3 /gün Son Çöktürme de yüzey yükü: 12-16 m/gün Yükseklik : 1,8-2,5 m ( 6 m ye kadar çıkabilir) Geri devir : %50 - %150 85

Düşük Hızlı Aktif Çamur Prosesleri H = 1,2-1,8 m MCRT = 20-30 gün MLSS= 2000-8000 mg/l Hacimsel Org. Yuk= 0,1-0,3 kg BOİ/m 3.gun 86

Düşük Hızlı Aktif Çamur Prosesleri Ters akışlı havalandırma sistemi 87

Düşük Hızlı Aktif Çamur Prosesleri 88

Düşük Hızlı Aktif Çamur Prosesleri H= 2,4-4,6 m ; MCRT: 40-70 gün F/M= 0,01-0,1 ; MLSS= 1500-5000 mg/l 90