A Study On Oxygen Transfer, Organic Matter Removal And Nitrification İn Sewer Lines

Abstract

Kentsel atıksuların arıtılmasında yaygın olarak kullanılan biyolojik atıksu arıtma sistemlerinin tasarım, yapım ve işletilmelerinde zorluklar ile karşılaşılmaktadır. Bu zorluklar arasında geniş arazi gereksinimi, yüksek enerji gideri ve eğitilmiş personel ihtiyacı önemli yer tutmaktadır. Estetik ve hijyenik nedenler dolayısıyla arıtma sistemleri genellikle yerleşim birimlerine uzak bir konumda kurulmaktadır. Bu durumda büyük yerleşim merkezlerinin kullanılmış sularının toplanması ve seçilen atıksu arıtma sistemi yerine kadar iletilmesinde uzun kanallar gerekmektedir. Topoğrafik özelliklerin gereği veya arıtma sistemlerinin alıcı ortama uzaklığı gibi nedenlerle bazı durumlarda ise arıtılmış su alıcı ortama uzun akış süreleri sonunda ulaştırılmaktadır. Kanalizasyon şebekelerinde düşük hız nedeni ile askıdaki katı maddelerin çökelmelerinin önlenmesi veya yüksek hız nedeni ile boru aşınması olmaması için hızlar 0.5-1.0 ms"1 arasında alınmaktadır (Nielsen ve diğ.,1992). 0.5 ms'1 akış hızında 10 km uzunluğunda bir boru hattında atıksuyun geçirdiği hidrolik kalış süresi 5.5 saat olmaktadır. Konvansiyonel aktif çamur biyolojik atıksu arıtma sistemlerinde havalandırma tanklarında ortalama hidrolik bekletme süresinin 4-6 saat arasında olduğu düşünülürse boru içinde atıksuyun geçirdiği sürenin önemi daha iyi anlaşılmaktadır. Bu durum, atıksuyun arıtma sisteminin kurulu olduğu bölgeye kadar boru içinde katettiği mesafe ve zaman olgusu ile birleştirildiğinde boru içinde uygulanacak yöntemler ile kirlilik yükünün belirli ölçüde azaltılabileceği sonucuna varılmıştır. Literatürde, askıdaki ve yapışık konumdaki mikroorganizmaların işlevleri ile kanallarda organik maddelerin oksidasyonu üzerine çalışmalar bulunmaktadır. Parkhurst ve Pomeroy (1972), kanallardaki oksijen konsantrasyonunun değişimini çözünmüş oksijen eksikliği, atıksuyun oksijen tüketim hızı, biyofilmin oksijen tüketim hızı ve yüzeyden havalanma ile atıksuyun oksijen tranfer hızı'nın bir fonksiyonu olarak ifade etmişlerdir. Green ve Shelef (1980), atıksu kanallarına aktif çamur ve oksijen verilmesi durumunu laboratuvarda kesikli reaktörlere benzeterek uygulamışlardır. Örnek olarak Tel-Aviv metropoliten alanı atıksu toplama sisteminin 37 km uzunluğunda U şeklindeki ana kanalı alınmıştır. Özer (1982), akış süreleri fazla olan kanallarda evsel atıksuya doğal veya yapay yollarla oksijen temin edilmesi halinde oluşabilecek arıtma derecelerini incelemiştir. Atıksu kanallarının yüzeyinde oluşacak biyofilm ve askıdaki mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilmesi muhtemel gıda maddesi tüketimleri ile biyofilmin filtre edilemeyen maddeleri tutsaklama oranlarına bir yaklaşım yapılmıştır. Ancak, yapılan bu çalışmalara rağmen henüz atıksu kanalları pratikte atıksulann kirlilik yüklerinin azaltılması amacıyla yaygın olarak kullanılmamaktadır. Atıksuyun kanalizasyon hatlarındaki transformasyonu konusundaki bilgiler kısıtlı olup prosesleri tanımlayan modeller henüz geliştirilmemiştir. Bu çalışma kapsamında ise atıksu kanalda akış halindeyken biyofilmin organik madde giderimi ve nitrifikasyon kinetiğinin belirlenmesine yönelik olarak araştırma yapılmıştır. Böylece giderim mekanizmasının tam olarak belirlenmesi yoluna gidilmiştir. Aynca, substrat giderim veriminin arttırılması amacıyla kanalda akışa minumum derecede olumsuz etki edecek dolgu maddesi kullanılması, biyofilm yapışma yüzeylerinin arttırılması, akış dolayısıyla atıksuya oksijen transfer hızlarının arttırılması ve biyofilmden kopan parçacıkların etkileri konulan üzerinde durulmuştur. Proses kinetiğinin belirlenmesinde değişken dereceli substrat giderim modeli ile Monod modellerinden yararlanılmıştır. Laboratuvar Ölçekli Kanalizasyon Hattı Modeli Bu çalışmada kullanılan laboratuvar modeli iki tank arasına yerleştirilen 7.5cm çapında ve 2.7m boyunda PVC borudan oluşmaktadır. Modelde sentetik olarak hazırlanan evsel nitelikli atıksu bir dalgıç pompa vasıtasıyla sirküle edilerek atıksuyun boru içinde sürekli akışı sağlanmıştır. Çalışmanın başlangıç evresinde atıksu ile birlikte aktif çamur kullanılarak biyofilm üremesi sağlanmıştır. Su sıcaklığını sabit tutabilmek amacıyla bir kompresör, serpantin ve termostat'tan oluşan düzenek kullanılmıştır. Hidrolik özellikler ve oksijen transfer hızları Laboratuvar ölçekli kanalizasyon modelinin hidrolik özellikleri ve oksijen transfer hızlan kanalın boş ve kanal içine dolgu malzemesi (rasching rings) yerleştirilmesi durumunda incelenmiştir. Bu çalışma %1 ve %2 olmak üzere iki farklı kanal eğiminde gerçekleştirilmiştir. Hidrolik özellikler, debiler, hızlar ve kanaldaki su yükseklikleridir. Çalışma sırasında kullanılan eğimler ve hızlar pratikte kullanılanlar ile uyum içindedir. Her iki eğimde de Kı,a değerleri (oksijen transfer hızı, T1) su hızlarının artması ile artmaktadır. Ancak aynı hızda kanalın dolgulu olduğu konumda boş duruma oranla özellikle düşük eğimde daha yüksek oksijen transfer hızlan elde edilmiştir. Oksijen transfer hızlan genelde 0.03-0.18 dak."1 arasında değişmiştir. Bu değerler kanalizasyon hatlan için literatürde verilenler ile benzerlik göstermektedir. Değişken dereceli substrat giderim kinetiği modeli Biyofilmde substrat gideriminin kinetik olarak tanımlanmasında birim biyofilm kesitine giren ve çıkan materyal dengesi yazılarak ve sıvı film difüzyonu ihmal edilerek substrat giderme hızı konsantrasyonun fonksiyonu olarak ifade edilebilir. ra=kaSin Burada, Q(S -S),, rg = *r - '- = birim alan ıçm reaksiyon hızı, ML"T" A = biyofilm alanı, L2, Q = debi, ÜT1, S0= t=0 için substrat konsantrasyonu, ML"3, Sj= t=ti için substrat konsantrasyonu, ML"3, kj= reaksiyon hız sabiti, n = reaksiyon hızı derecesidir. Bu durumda reaksiyon hız sabiti ve derecesi logaritmik eksenlerde çizilen ra ile Si grafiklerinden yararlanılarak hesaplanabilir. Monod modeli Biyofilmler için substrat giderme işlevi biyofilm içindeki aktif durumdaki bakterilerin redox prosesi olarak ifade edilebilir. Bütün modern tanımlamalarda substrat giderme kinetiği 1° den 0° reaksiyon derecesine doğru yavaş bir geçişe dayanmaktadır. Biyofilmler için mikroorganizmaların konsantrasyonlarına bağlı olarak substrat giderimini tanımlayan eşitlik aşağıda verilmektedir. A. XS, Ta - ' YK.+S, ra = birim alan biyofilm için giderme hızı, ML'3!"1 Um = mikroorganizmaların maksimum spesifik büyüme hızı, T1 Y = giderilen organik madde için mikroorganizmaların çoğalma verimi X* = aktif mikroorganizma konsantrasyonu, ML"2 K, =maksimum spesifik büyüme hızının yarısındaki konsantrasyon, ML"3 Si=substrat konsantrasyonu, ML'3 Organik madde giderimi Bütün deneysel koşullarda yaklaşık 7 saatlik sirkülasyon süresi sonunda %90 toplam organik karbon (TOK) giderme verimi elde edilmiştir. 2.5 saatlik sirkülasyon süresi sonunda ise kanalın dolgulu olması durumunda %70 TOK giderme verimi elde edilmiştir. Bu verim aynı koşullarda kanalda dolgu malzemesi kullanılmadığı durumdan yaklaşık %15 daha yüksektir. Sonuçların reaksiyon kinetiği açısından değerlendirilmesinde ise sentetik atıksuyun TOK konsantrasyonuna bağlı olarak 3 değişik reaksiyon hız derecesi belirlenmiştir. 70 mgL'1 den daha yüksek TOK konsantrasyonlarında proses 0° reaksiyon kinetiğine uymaktadır. Burada substrat tamamen biyofilmin yapışma yüzeyine kadar nüfuz edebilmekte olup substrata kullanılma hızı substrat konsantrasyonundan bağımsızdır. Reaksiyon 10-70 mgL'1 TOK konsantrasyonları arasında ise 1/2° organik madde giderim kinetiğine uygunluk göstermektedir. Bu bölgede organik madde biyofilmin yapışma yüzeyine ulaşamadan tamamen kullanılmaktadır. Daha düşük konsantrasyonlarda ise proses 2° kinetiğine uygunluk göstermektedir. Bu bölgede düşük konsantrasyon nedeni ile sıvı film direnci önemli rol oynamakta olup biyofilm içine difüzyon ile sızabilen substrate süratle biyofilm tarafindan hemen okside edilmektedir. Deneysel çalışmaların sonuçlan Monod modeline de uygulanmış ve kinetik sabitler belirlenmiştir. Sonuçlar kanalda dolgu malzemesi kullanılması durumunda daha yüksek u"/Y ile K, değerlerine erişildiğini göstermiştir. Nitrifikasyon Kanal reaktöründe amonyak konsantrasyonu yaklaşık 24 saatlik sirkülasyon süresinde 1 veya 2 saat aralıklarla alınan örnekler ile izlenmiştir. Genellikle ilk 5-7 saatlik sirkülasyon süresi sırasında amonyak konsantrasyonunda bir miktar artış belirlenmiştir. Bu durum organik azotun amonyak azotuna çevrildiği amonifikasyon prosesi ile açıklanmıştır. Söz konusu proses göreceli olarak yüksek organik madde konsantrasyonunda hetotrofik organizmalar tarafindan gerçekleştirilmektedir. Yaklaşık %90 organik madde giderme verimine erişildiği bu bölgeden sonra ise amonyak konsantrasyonunda süratli bir düşüş gözlenmiş ve bütün deneysel koşullarda 17-22 saatlik sirkülasyon süresi sonucunda nitrifikasyon prosesi tamamlanmıştır. Toplam azot konsantrasyonlarında ise 24 saatlik sirkülasyon süresi sonucunda her iki durumda %33-64 arasında düşüş belirlenmiştir. Çalışmalar süresince nitrit ve nitrat konsantrasonlan izlenmiştir. Nitrit ve nitrat konsantrasyonlanndaki artış kanalın dolgulu olması durumunda diğer duruma oranla daha yüksektir. Başlangıçta 2-4 mgL"1 olan söz konusu konsantrasyon sirkülasyon periyodu sonunda 17-27 mgL'1 arasında bulunmuştur. Dolgulu ve dolgusuz kanalda yapılan deneysel çalışmalar nitrifikasyon prosesinin 0° kinetiğine uyduğunu göstermiştir. Ayrıca nitrifikasyon için Monod kinetik sabitleri de belirlenmiştir. Laboratuvar ölçekli kanal reaktöründe organik madde giderimi ve nitrifikasyon kinetiğinin belirlenmesine yönelik olarak yapılan çalışmaların sonuçlan Tablo 1 de özetlenmiştir. Askıdaki parçacıkların oksijen kullanım hızları Modelin çalışması sırasında yapılan oksijen kullanma hızı ölçümleri sonuçlarının değerlendirilmesiyle biyofilmden kopan parçacıkların oksidasyon için kullandıkları oksijen miktarları belirlenmiştir. Söz konusu miktar süzülmüş KOİ olarak ifade edilebilir (Özer, 1982). Yaklaşık % 90 oranında KOİ giderimi sağlanan 7 saatlik süre içinde 6-10 mgL"1 oxygen kullanılmıştır. Bu süre çerçevesinde yaklaşık 500 mgL"1 KOİ giderimi sağlandığı göz önüne alınırsa askıdaki parçacıklar tarafindan oksidasyon için giderilen KOİ nin %l-2 düzeyinde olduğu görülmektedir. Bu miktar ihmal edilebilir düzeyde olup deneysel çalışmalarda giderilen organik maddenin tümünün biyofilm işlevi sonucunda gerçekleştiği kabul edilmiştir. Bir miktar oksijen de askıdaki mikroorganizmaların sentezi için kullanılmaktadır. Ancak bu miktarı deneysel olarak belirlemek mümkün olmamıştır. Organik madde giderimi ve oksijen kullanımının modellenmesi Laboratuvar ölçekli kanal reaktöründe yapılan deneysel çalışmalarda elde edilen kinetik parametreler kullanılarak organik madde giderimi ve oksijen kullanımı için modelleme yapılmıştır. Bu aşamada bir reaktör parçasının tam karışımlı akım rejimine sahip olduğu kabul edilerek ve bir önceki haznenin çıkış suyu özelliklerini bir sonraki haznenin giriş suyu özellikleri olarak alınarak yapılmıştır. Hazne sayısını sonsuza yaklaştırarak çözüm gerçekleştirilmiştir. Tablo 1 Organik madde giderimi ve nitrifikasyon kinetiği sonuçlan kinetik bağıntı organik madde giderimi nitrifikasyon değişken derece dolgusuz kemal 0° 1/2° 1/2° (KOİ'na göre) dolgulu kanal 0° 1/2° ra»=koa,=2.52±0.35gm-2d-1 r.I/2,=0.75 Sj* raı/2»=3.0 S» rao,=koa»=5.35±0.55 gm^d"1 rai/2a=(0.675±0.075)SsiI/2 -2j-l rm=koan=0. 1 15±O.015gnf d 2^-1 TvrKnrO.USiûMSgm'â: Monod modeli dolgusuz kanal dolgusuz kanal (KOİ'na göre) dolgulu kanal r_ =0.0291*0.0016- XSS 9.39T0.45+S.İ r" =0.001395*0.0002 xs" 0.905T0.005+S. r" = 0.336- XS^ 157.58 + S"- r, =0.0703*0.005' r" =0.001395*0.0002- xs" 17.16*0.90+^ 0.905*0.005+S" organik madde giderimi belirtilmedikçe TOK'na göredir, nitrifikasyon NH3JSI cinsinden verilmiştir, ra=grn2gün \ X=gın2, S=mgl/' Organik madde giderimi için baz alınan reaktör parçasındaki değişimin değişken dereceli reaksiyon kinetiği ve Monod modellerine göre çözümü gerçekleştirilmiştir. Bir reaktör parçası için materyal dengesi yazılarak ve değişken dereceli model ve Monod kullanılarak yapılan çözümler sırasıyla aşağıda verilmektedir. S, = M/2as 2 Q, ^,, t "-1/2as "-İ \2 -~|2 2 Qi )2+S s(i-l) *-\ ¦K.+S.wj-^-X,^ Y ' Oj - 1 ^7<-K.+W^7^+K.s*o Deneysel çalışmada elde edilen sonuçlar her iki modelde zamana karşı bilgisayar programı ile hesaplanan konsantrasyonlar ile karşılaşnnlmıştır. 2.5 saatlik sirkülasyon süresine kadar deneysel sonuç ve her iki modelde hesaplanan konsantrasyonlar tam bir uyum sağlamıştır. Bu süreden sonra ise modellerde deneysel sonuçtan bir miktar sapma gözlenmiştir. Genel olarak Monod modeli değişken dereceli modele göre biraz daha iyi sonuç vermiştir. Bu durum Monod modelinin mikroorganizma miktarını göz önüne alması ile açıklanabilir. Ayrıca 2. 5 saatten fazla sirkülasyon sürelerinde her iki modelde de deneysel sonuçlara göre biraz daha düşük konsantrasyonlar bulunmuştur. Bu durum ise modellerde kullanılan piston akışlı akım rejimi yaklaşımının deneydeki tam karışımlı koşullara göre teorik olarak her zaman daha yüksek verime sahip olmasıyla açıklanabilir. Aynı yaklaşımla biyofilm tarafindan oksijen kullanımını ve akım dolayısıyla oksijen transferini içeren bir matematik modeli kurulmuştur. Materyal dengesi kullanılarak yazılan ve bir reaktör haznesi çıkışındaki oksijen konsantrasyonunu veren denklem aşağıda verilmektedir. Soi = Ll/2ao Qı 2(KLati+l) 12 A N k --i- KLati+l KLa C^tjS^,.!) KLati+l Bu modelin çalıştırılmasıyla zamana karşı atıksudaki çözünmüş oksijen konsantrasyonu hesaplanabilmektedir. Yine bir deney koşulundaki tüm parametreler kullanılarak yapılan örnek çözümde 5.0 mgL'1 başlangıç oksijen konsantrasyonu alınmış ve bu konsantrasyon yaklaşık 1/2 saatlik bir akış süresi sonunda 3.44 mgL'1 değerinde sabit kalmıştır. Sonuç Evsel nitelikli atıksulann taşınmaları sırasında kanalizasyon hattının biyolojik reaktör olarak kullanımı konusunda gerçekleştirilen deneysel ve teorik çalışmalar kirletici yüklerde önemli derecede azalmanın sağlanabileceğini göstermiştir. Bu çalışmada bulunan organik madde ve nitrifikasyon kinetiği sabitleri genel olarak değerlendirildiğinde literatürde yer alan konvansiyonel biyofilm sistemlerine göre daha düşük olduğu görülmektedir. Bu durum çalışmada kullanılan model reaktörünün çok farklı yapısı ile yüksek akım hızından kaynaklanmıştır. Arıtma veriminin kollektörlere uygulanacak modifikasyonlar ile arttırılabileceği gösterilmiştir. Atıksu kollektör sistemlerinin 30 yıl sonrası için tasarlanması ve inşa edildilmesi sebebiyle bu süre çerçevesinde kollektörler büyük ölçüde tasarım debilerinin çok altında ve boş olarak işlev görmektedir. Genelde kollektörlerde %60 doluluk oranına izin verilmektedir. Bu durumda kollektör hatlarında gerekli modifikasyonlar için yeterli hacim bulunmakta olup biyolojik arıtma reaktörü olarak kullanılabileceği düşünülmüştür. Ancak, laboratuvar koşullarında elde edilen sonuçların arazide pilot ölçekte de denenmesi ile yine laboratuvar ölçeğinde anoksik koşullarda transformasyonun incelenmesi konularında yeni araştırma çalışmalarına gereksinim bulunmaktadır.

Organic matter removal and nitrification in sewer lines as the wastewater flowed were investigated by running an attached growth circulating reactor under laboratory conditions. Hydraulic properties and oxygen transfer rates (Ku) were determined for various test conditions. Biofilm was grown and treatability studies were carried out by using glucose base synthetic domestic wastewater. Packing material (rasching rings) were placed in the reactor channel in order to increase the surface area and biofilm was also grown on the rings. Organic matter removal and nitrification efficiency and kinetics of the biofilm covering the inner surface of the channel and coating the rings were determined. Variable order reaction rate and Monod Model were used in the evaluation of the results. Depending on the bulk TOC concentration, three different reaction rate orders were observed. At high TOC concentrations 0° reaction rate was dominant, within the TOC concentrations of 10-70 mgL*1 the reaction matched half order kinetics. At remarkably low TOC concentrations the reaction rate order was around 2nd for unpacked channel runs. The reaction rate orders for packed channel experiments were determined to be quite similar to those of the rates obtained under unpacked channel conditions. However, zero order reaction rate constant were found to be higher in the case of packed channel runs. Around 90% TOC removal efficiency was attained following the 7 hour circulation period for both cases. However, at 2.5 hour circulation time, TOC removal efficiency of the packed channel, where 70% TOC removal obtained, was 15% higher than the unpacked channel conditions. Parameters related to the nitrifying characteristics of the biofilm for both cases were also determined throughout the study. Complete nitrification occurred following to the 17-22 h circulation period for all runs. Evaluation of the data revealed that zero order reaction rate was dominant for nitrification for both cases. Oxygen uptake rate measurements of the detached particles indicated that for both cases oxidation of organic matter by suspended organisms could be ignored and the whole organic matter removal was attributed to the biofilm activity. A mathematical model for TOC removal and dissolved oxygen depletion in the system was developed and the measured data was compared to the calculated values. Monod model was proved to be slightly more contiguous then the variable order model. Experimental and theoretical studies lead that reducing pollutant loads during the transportation of wastewater in sewer lines can be attainable.