Atıksularda patiküler inert KOİ tayini

Abstract

Aktif çamur biolojik arıtma sistemleri, günümüzde en yaygın kullanım alanına sahip arıtma sistemidir. Aktif çamur sistemleri üzerine pek çok çalışma yapılmış, ve modelleme ve tasarım için pek çok deneysel veri elde edilmiştir. Çok bileşenli modelleme uygulamalarında kullanılan pek çok kinetik ve stoykiometrik parametre deneysel olarak tayin edilmiş ya da sabit olarak kabul görmüştür. Çok bileşenli modelleme çalışmalarında en önemli olan, atıksu karakterizasyonunun belirlenmesidir. Burada bahsedilen karakterizasyon, atıksuyun organik madde içeriğine ve niteliğine göre yapılacak bir karakterizasyondur. Atıksuların organik madde içeriği, uçucu askıda katı madde (UAKM), biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ), ve kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) gibi konvansiyonel, kollektif parametrelerle ifade edilebilir. KOİ parametresi BOİ parametresinden daha yaralıdır, çünkü KOİ ile substrat, biyokütle ve çözünmüş oksijen arasında bir elektron alıcısı denklemi kurmak mümkün olur. Ancak KOİ, organik maddenin biyolojik olarak ayrışabilirliği konusunda bir belirleme yapamamaktadır. Bu yüzden KOİ, bileşenlerine ayırtarak incelenmelidir. KOİ öncelikle, biyolojik olarak ayrışabilen ve inert KOİ olarak ikiye ayrılabilir. Daha sonra inert çözünürlük özelliklerine göre, çözünmüş ve partiküler olarak tekrar iki gruba ayrılmıştır. Biyolojik olarak ayrışabilen KOİ, ayrışma özelliklerine göre yavaş ve hızlı ayrışan KOİ olarak ele alınır. Biyolojik olarak ayrışabilen KOİ çok önemlidir, çünkü bu KOİ fraksiyonu biyokimyasal süreçlere girer ve tüketilir. Tüm modelleme ve tasarım hesaplamalarının bu KOİ fraksiyonu kullanılarak yapılması gerekmektedir, aksi takdirde modelleme ve tasarım değerleri tam doğru ve kesin olmaz. Biyolojik olarak ayrışabilen KOİ fraksiyonunun bulunabilmesi için inert KOİ fraksiyonunun saptanması gerekmektedir. Ancak atıksuların çözünmüş ve partiküler inert KOİ fraksiyonlarının belirlenmesi özellikle deşarj standartları ve işletme parametreleri açısından da büyük önem taşımaktadır. Çözünmüş inert KOİ fraksiyonu hiç bir biyokimyasal reaksiyona katılmadan atıksu deşarjı ile dışarı atılır. Bu yüzden bu fraksiyon deşarj standartları açısından büyük önem taşımaktadır. Partiküler inert KOİ fraksiyonu da hiç bir biyokimyasal reaksiyona katılmaz, ancak bu KOİ aktif çamur içinde birikir. Partiküler inert KOİ sistemden sadece fazla Xİİİ çamur atılması ile çıktığı için sistemde çamur yaşma bağlı olarak birikir. Bu yüzden, özellikle yüksek partiküler inert fraksiyonuna sahip atıksular söz konusu olduğunda işletme parametreleri ve sistemin verimi çok iyi seçilmeli ve hesaplanmalıdır. Atiksularda partiküler inert KOİ fraksiyonunun varlığı, sistemden atılan çamur miktarını da büyük ölçüde etkileceği için çamur miktarının belirlenmesi ve çamur stabilizasyonu konularında tasarım açısından büyük önem taşır. Bu parametre dikkate alınmadığında havalandırma havuzundaki tüm askıda katı maddenin aktif çamur olduğu göze alınarak sistemin giderim verimi konusunda da yanlış yapılmış olacaktır. Tüm bu sebeplerle atıksuların partiküler inert KOİ fraksiyonunun belirlenmesi modelleme, tasarım, ve işletme açısından çok önemlidir. Bu çalışmada, çok bileşenli modellerden, içdel solunum modeli incelenmiş, ve model detaylı olarak anlatılmıştır. İçsel solunum modelinin beş bileşen ve üç süreçli hali, karbon giderimi konusunda kullanılmıştır. Modeldeki süreçler, çoğalma, içsel solunum ve hidrolizdir. Model bileşenleri ise, biolojik olarak hızlı ayrışan substrat, Ss, biolojik olarak yavaş ayrışan substrat, Xs, heterotrofik biokütle, XH, partiküler inert mikrobiyal ürünler, Xp, ve çözünmüş inert mikrobiyal ürünler, Sp'dir. Model matrisinde inert KOİ bileşenleri Xı, ve Sı, de görülmekle beraber bu bileşenler hiçbir biyokimyasal reaksiyona girmeden sistemden çıkarlar. İçsel solunum modeli kullanılarak kütle dengeleri yazılmış ve bu denklemler, kararlı denge koşullan için çözülmüştür. Partiküler inert KOİ hesaplamaları için bu çözümlerden yararlanılmıştır. Atiksularda partiküler inert KOİ parametresinin tayini için şimdiye kadar pek çok method önerilmiştir. Bu methodlar,önerdikleri deney ve hesaplama yöntemleri, tez içerisinde, detaylı bir biçimde incelenmiştir. Önerilen methodlanrın deney yöntemleri çeşitlilik göstermektedir. Partiküler inert KOİ parametresinin belirlenmesi için, sürekli ve kesikli deney yöntemlerinin yanı sıra model kalibrasyonu da öneriler arasındadır. Bu çalışma çerçevesinde son olarak önerilen, üç kesikli deney yöntemi karşılaştırmalı olarak, Tuzla Organize Deri Sanayi atıksuyu kullanılarak yapılan deneylerle incelenmiştir. Bu üç yöntem, Method 1, Method 2, ve Method 3 olarak adlandınlmışur. Method 1, ham atıksu ile beslenmiş tek bir havalandırılmış kesikli reaktör kullanılarak yapılan bir deneydir. Bu deneyde çok az miktarda daha önceden atıksuya aklime edilmiş biyokütle kullanılmıştır. Ham atıksu reaktörüne aşılanan biyokütle havalandırılır, ve tamamen mineralize olana dek deney sürdürülür. Deney esnasında reaktördeki toplam ve çözünmüş KOİ bileşenleri ölçülerek, bunlar arasındaki farktan reaktörün partiküler KOİ profili elde edilir. Ölçümler hep aynı nihayi değerleri verdiğinde deney kesilir. Elde edilen nihayi partiküler KOİ, atıksudaki partiküler inert KOİ ve oluşan partiküler inert mikrobiyal ürünleri içerir. Oluşan inert mikrobiyal ürünlerin konsantrasyonu, model esaslı bir iterasyon yöntemi ile hesaplanarak atıksudaki partiküler inert KOİ bileşeni hesaplanır. Ancak bu deney yöntemi, çözünmüş inert KOİ, biyokütlenin inert fraksiyonu, ve heterotrofik dönüşüm XIV oranı gibi parametrelerin bilinmesini ya da deneysel olarak hesaplanmasını gerektirmektedir. Method 2, bir ham atıksu bir de süzülmüş atıksu ile beslenen iki kesikli reaktör kullanılarak yapılan bir deneydir. Bu deneyde çok az miktarda daha önceden atıksuya aklime edilmiş biyokütle kullanılmıştır. Ham ve süzülmüş atıksu reaktörlerine aşılanan biyokütle havalandırılır, ve tamamen mineralize olana dek deney sürdürülür. Deney esnasında reaktörlerdeki toplam ve çözünmüş KOÎ bileşenleri ölçülerek, reaktörlerin toplam ve çözünmüş KOİ profilleri elde edilir. Ölçümler hep aynı nihayi değerleri verdiğinde deney kesilir. Elde edilen nihayi toplam ve çözünmüş KOİ değerleri kullanılarak, reaktörlerdeki toplam KOİ giderimleri hesaplanır. Reaktördeki KOİ gjderimlerinin oranı, biyolojik olarak ayrışabilen giriş KOİ değerlerinin ve dolayısıyla reaktörlerde oluşan inert mikrobiyal ürünlerin oranına eşittir. Süzülmüş atıksu reaktöründe oluşan nihayi partiküler KOİ, inert mikrobiyal ürünlerin KOİ konsantrasyonunu belirtir. Bu deney verisi ve belirtilen oran kullanılarak elde edilen hesaplar sonucu, partiküler inert KOİ parametresi belirlenmektedir. Method 3, ham atıksu, süzülmüş atıksu ve süzülmüş atıksu ile aynı KOİ konsantrasyonuna sahip glikoz solüsyonu ile beslenen üç kesikli reaktör kullanılarak yapılan bir deneydir. Bu deneyde çok az miktarda daha önceden atıksuya ve glikoza aklime edilmiş biyokütle kullanılmıştır. Ham ve süzülmüş atıksu, ve glikoz reaktörlerine aşılanan biyokütle havalandırılır, ve tamamen mineralize olana dek deney sürdürülür. Deney esnasında reaktörlerdeki çözünmüş KOİ bileşenleri ölçülerek, reaktörlerin çözünmüş KOİ profilleri elde edilir. Ölçümler hep aynı nihayi değerleri verdiğinde deney kesilir. Süzülmüş atıksu ve glikoz reaktörlerinden elde edilen nihayi çözünmüş KOİ değerleri kullanılarak, atıksuyun çözünmüş inert KOİ bileşeni hesaplanır. Bu hesaplama glikoz reaktöründeki nihayi çözünmüş KOİ değerinin sadece çözünmüş mikrobiyal ürünlere ait olduğu varsayımına dayanır. Biyolojik olarak ayrışabilen giriş KOİ değerlerinin oranı, reaktörlerde oluşan çözünmüş inert mikrobiyal ürünlerin oranına eşittir. Süzülmüş atıksu reaktöründe oluşan nihayi çözünmüş KOİ, inert mikrobiyal ürünlerin KOİ konsantrasyonu ile girişteki çözünmüş inert KOİ değerlerinin toplamından oluşur. Süzülmüş atıksu reaktörünün biyolojik olarak ayrışabilen KOİ fraksiyonu kullanılarak ham atıksu reaktöründeki biyolojik olarak ayrışabilen KOİ fraksiyonu bulunur. Bu deney verisi ve belirtilen oran kullanılarak elde edilen hesaplar sonucu, partiküler inert KOİ parametresi belirlenmektedir. Bu üç method, deri atıksuyu ile yapılan deneylerle incelenmiş, ve Method 3 'ün deneysel verilerle yapılan hesaplamalarda, kendi içerisinde tutarsız sonuçlar verdiği görülmüştür. Method l'in sonuçlarına bakıldığında ise, hesaplanan partiküler mikrobiyal biyokütle konsantrasyonunun, gerçek değerinin çok altında olduğu, hatta bu değerin süzülmüş atıksu reaktöründe oluşan ve miktarı deneysel olarak bulunan partiküler mikrobiyal biyokütle konsantrasyonunun da altında olduğu görülmüştür. Bunun sebepleri araştırıldığında ise, kullanılan biyokütle inert fraksiyonu, fsx, parametresinin yanlış olduğu sonucuna varılmıştır. Bu noktada çalışma bu stoykiometrik parametrenin, f^c, daha yakından incelenmesine karar verilerek, kapsamlı bir literatür araştırması yapılmıştır. Literatürde bu parametrenin belirlenmesi için sentetik çözeltiler ile beslenen sürekli reaktörler ile yapılmış deneyler sonucu f^, parametresinin genel olarak 0.20 kabul edildiği görülmüştür. Model denklemleri ve yapılmış olan inert KOİ deneylerindeki süzülmüş atıksu reaktöründe oluşan partiküler KOİ parametresi kullanılarak yapılan hesaplarda fEX, parametresinin 0.20 değerinin çok üzerinde olduğu sonucu elde edilmiştir. Biyokütlenin inert fraksiyonunu temsil eden fEx, parametresinin belirlenmesi için ayrıca yeni bir set deney tasarlanmıştır. Bu deneylerde deri atıksuyu ve sentetik çözelti ile beslenen kesikli reaktörler kullanılmıştır. Atıksu ve sentetik çözeltiye aklime edilen biyokütle ile az miktarda aşılanan reaktörler, havalandırılarak, biyokütlenin tam mineralizasyonu sağlanana dek çalıştırılmıştır. Bu deney seti için, süzülmüş atıksu reaktörü, kimyasal arıtılmış ve süzülmüş atıksu reaktörü, sentetik çözelti ile beslenmiş reaktör ve sentetik çözelti ile arka arkaya beş kez beslenmiş reaktör olmak üzere dört tane kesikli reaktör hazırlanmıştır. Reaktörlerin hepsine aynı biyokütle aşılanmış, ve reaktörler uzun bir süre numune alınmadan çahştınlmıştr. Deneylerde son dönemde alınan numunelerle toplam ve çözülmüş KOİ değerleri ölçülmüş ve deneylerin bittiğine reaktörlerdeki oksijen tüketim hızı (OTH) ölçülerek karar verilmiştir. Ölçülen nihayi toplam ve çözünmüş KOİ değerleri arasındaki fark ile reaktörlerde oluşan partiküler inert mikrobiyal ürünler hesaplanarak, bu sonuçlar ve model denklemleri yardımı ile deri atıksuyu ve sentetik çözelti üzerinde çoğalan biyokütlelerin inert fraksiyonları, fsx, değerleri elde edilmiştir. Elde edilen deneysel fee, değerleri ile Method 1 yeniden ele alındığında daha sağlıklı ve tutarlı sonuçlara varıldığı görülmüştür. Yeni Method 1 sonuçlan ve Method 2'nin sonuçlan karşılaştınldığında sonuçların birbirine çok yalan olduğu görülmüştür. Ancak Method 2'nin hesaplama yöntemi deneysel verilerin oranlanmasına dayalı olduğu için deney verilerindeki küçük sapmalar, hesaplama sonuçlarında büyük oynamalara sebep olacağından, Method 2'nin hesaplama yöntemi önerilmemektedir. Çalışmada ayrıca, Method 2 ve Method 3'te önerilen yöntemlerle çözünmüş inert KOİ parametresi de hesaplanmış ve her iki yönteminde birbirine çok yakın ve tutarlı sonuçlar verdiği görülmüştür. Çözünmüş inert KOİ, Sı, deri atıksuyunun toplam KOİ'sinin %10-%14'ünü oluşturur. Çözünmüş inert KOİ, Sı, deri atıksuyunun çözünmüş KOİ' sinde %16-%28 arasında değişen oranlarda bulunmuştur. Partiküler inert KOİ, Xı, deri atıksuyunun toplam KOİ'sinin %3 ile %19'u arasında değişen değerlere sahiptir. Deri atıksuyunun karmaşık yapısı ve değişken niteliğinden kaynaklanan bu çok farklı değerlerin ortalaması %11 olarak tespit edilmiştir. Evsel atıksu ile yapılan deneylerde çözünmüş ve partiküler inert KOİ parametreleri hesaplanmıştır. Çözünmüş inert KOİ, Sı, evsel atıksuyun toplam KOİ'sinin %3-%5'ini oluşturur. Çözünmüş inert KOİ, Sı, evsel atıksuyun çözünmüş KOİ'sinde %9-%22 arasında değişen oranlarda bulunmuştur. Partiküler inert KOİ, Xı, deri atıksuyunun toplam KOİ'sinin %10 ile %16'sı arasında değişen değerlere sahiptir. îki önemli stoykiometrik parametrenin, fgx, ve Yxp, bulunması için önerilen deneylerde deri atıksuyunda fix, için %42 ve Yxp için 0.27 değerleri bulunmuştur. Sentetik besleme çözeltisi ile yapılan deneylerde bu biyokütlenin inert fraksiyonunun %11 ve oluşan inert mikrobiyal ürünlerin fraksiyonunun, Yxp, 0.07 olduğu görülmüştür. Önceki çalışmalarda kabul edilmiş fex, değeri olan %20, burada çok farklılık göstermektedir. Bu konuda daha fazla deneysel çalışma yapılması gerekmektedir, ancak, bu çalışma göstermiştir ki, fEX, parametresi, atıksuya bağlı bir parametredir ve sağlıklı modelleme ve tasarım çalışmalarının yürütülebilmesi için bu parametrenin deneysel olarak her atıksu için belirlenmesi gerekmektedir. Sonuç olarak yapılan değerlendirmede, Method 1, deneysel olarak bulunan fEX, ve YH, değerleri ile atıksulardaki partiküler inert KOİ fraksiyonunu en tutarlı ve sağlıklı şekilde tayin etmektedir. Method 2 ve Method 3, çözünmüş inert KOİ parametresinin belirlenmesinde kullanılmalıdır.

Activated sludge systems and their multicomponent modelling is very important for the biological treatment of wastewaters. Wastewater characteristics, in the sense of organic content should be determined in detail for the accurate modelling and design considerations. COD is the collective analytical parameter accepted to be useful for modelling purposes but it has to be fractionated for the correct determination of organic fractions with different degradation characteristics. COD first is divided into two, as inert and biodegradable COD, and the two general categories are further sub-divided to their soluble and particulate fractions. All the modelling calculations should be based on biodegradable COD, since the inert COD is not involved in any biochemical reaction occurring in the activated sludge and the soluble inert fraction by-passes the system while the particulate inert fraction is accumulated in the activated sludge. The determination of the initial inert COD of wastewaters, is therefore, very important as far as the effluent standards and sludge disposal are concerned. There are many proposed methods in the literature to find the initial inert particulate COD of wastewaters, as summarized in the study, and the recently proposed three batch methods are experimentally evaluated. It is not possible to estimate initial inert COD without determining the particulate residual products generated by biomass decay, with the proposed methods. Two of the methods estimated this parameter experimentally and the third based on modelling. So the study is extended in the sense that, literature survey and additional experimental procedure design, are performed for the determination of the particular residual products generated and the biologically inert fraction of the biomass. Experimental research is still recommended in this subject but as far as this study is concerned, the experiments, performed on tannery wastewater effluents and synthetic solution prepared, have shown that the inert fraction of biomass and the generation of residual inert products are wastewater specific, and should be determined experimentally. Depending on the experimental results of tannery wastewater effluent and the evaluation of the three methods proposed, it is concluded that the best way for the determination of initial particulate inert COD is the proposed method based on modelling unless correct, experimentally determined value of the stoichiometric parameters, heterotrphic growth rate and inert fraction of biomass are used.