A new oxygen model for mineralization and nitrification in aerobic suspended culture systems

Abstract

Evsel ve endüstriyel atıksulann mineralizasyon ve nitrifikasyonunda genel olarak havalı askıda askıda kültür sistemleri uygulanır. Havalı biyolojik arıtma tesislerinin ana kısmını havalandırma oluşturmakta ve genelde enerjinin en fazla kullanıldığı ünitedir. Mekanik havalandırıcılar veya hava üfleyiciler yardımı ile havalandırma tankı içine verilen hava içindeki oksijen veya doğrudan verilen oksijen organik substratlann bio- oksidasyonu, hücrelerin içsel solunumu ve amonyak azotunun nirrifikasyonu için kullanılmaktadır. Havalı biyolojik arıtma proseslerinin tipik konfigürasyonlan biri ile diğeri arasında farklılık göstermesine rağmen, herbir prosesin performans değerlendirmesinde prosesin geniş aralıklarda değişen işletme şartlan altında enerji kullanımı ile organik madde giderim verimi arasında kantitatif ilişki kurmak gerekir. Mineralizasyon ve nitrifikasyon için havalı askıda kültür sistemler kullanan biyolojik ahksu arıtma tesisinin dizaynı sırasında, proses seçimi kadar havalandırma sisteminin konfigürasyonuda önemlidir. Havalandırma sisteminin konfigürasyonu için belirleyici ana etkenler oksijen transferinin gerçekleşeceği havalandırma tankı reaktör tipi ve oksijen transferini gerçekleştirecek havalandırıcı ekipmanların fiziksel boyutları ile işletme sırasındaki gerçek verimleridir. Minerilizasyon için havalı askıda kültür sistemler kullanan konvansiyonel aktif çamur prosesi ile dizayn edilen biyolojik bir atıksu arıtma tesisinin tam karışımlı reaktör modelindeki havalandırma tankı, dizayn sırasında uygun boyutlarda gözükmesine rağmen, tank içindeki sıvı faza oksijen transferi sağlayacak mekanik havalandırıcıların ve/veya tank tabanına döşenecek difuzörlerin toplam sayısı, dizayn edilen su derinliği için yetersiz veya fazla olabilmektedir. Bu durum,dizayn sırasında havalandırıcı ekipmanlarının muhafazakar şekilde dizaynı ile aşılmaya çalışılmakta, ancak tesisin işletilmesi sırasında, öngörülen çıkış suyu kalitesi standartları sağlanmakla birlikte, birim kullanılan enerji başına giderilen organik madde miktarı düşük,bu nedenle tesis ekonomik işletme olmaktan uzaklaşmaktadır. XVI Minerilizasyon için havalı askıda kültür sistemler kullanan konvansiyonel aktif çamur prosesi ile dizayn edilen bir biyolojik atıksu arıtma tesisinin piston akımlı reaktör modelindeki havalandırma tankı, dizayn sırasında uygun boyutlarda gözükse bile oksijen transferini sağlayacak ekipmanların fiziksel boyutları ve/veya sayısı, dizayn edilen su derinliğindeki tank yüzey alanı veya tank taban alanına sığmamaktadır. Diğer taraftan, havalandırma tanla girişinde birim mikroorganizma kütlesi başına organik madde yüklemesinin fazla olması nedeniyle, havalandırma tankının bu kısımlarında, sıvı fazdaki çözünmüş oksijen konsantrasyonları hızlı oksijen kullanımı nedeniyle kritik hale gelip havasız ortamların oluşmasına neden olmaktadır. Böyle durumlar; tesisin işletilmesinde kontrol zorluklan getirmesi yanında tesis de verim düşüklüğü, çıkış su kalitesi standartlarının sağlanamaması şeklinde kendini göstermektedir. Rasyonel olarak dizayn edilmiş bir arıtma tesisinden işletme sırasında meydana gelebilecek dalgalanmalara cevap vermesi beklenir. Bu dalgalanmalar atiksu akımı ve bu akım içindeki kitletici konsantrasyonların da değişimler şeklinde ortaya çıkmaktadır. Atiksu akımındaki dalgalanmalar gerekli savak yapılan veya kontrol ekipmanlan ile önlenebilmekte ancak akım içindeki kirletici konsantrasyonlanndaki artış veya azalmalar doğrudan prosesi ve proses kontrol parametrelerini olumsuz yönde etkilemektedir. Bu etkilerden biri, havalandırma tankına oksijen sağlayan ekipmanların yetersiz kalması veya gereğinden fazla enerji kullanmaları şeklinde sonuçlanmaktadır. Havalandırma tankı girişinde dizayna esas alınan atıksu kirletici konsantrasyonun yüksek, oksijen transferini sağlayan ekipmanların yetersiz kalarak sıvı faz çözünmüş oksijen konsantrasyonunun kritik değer altına düşmesi halinde ise; sistem çıkışında arıtılmış su kalitesi öngörülenden yüksek, dolaysıyle giderim verimi düşmekte, buna bağlı etkileşim çöktürme tankında çamur yükselmesi şeklinde ortaya çıkmaktadır. Havalandırma tankı girişinde dizayna esas kirletici konsantrasyonunun düşük, oksijen temininin gerekenden fazla olması halinde ise gereksiz şekilde fazladan enerji kullanılmış olmakta, bu gibi durumlar megawatt/saat mertebesinde enerji kullanan arıtma tesisleri için büyük önem taşımaktadır. Atiksulann konvansiyonel veya ileri antımı için oluşan maliyetlerin önemi; bir tarafta su kalite kriterleri düzenli olarak sağlanırken, diğer tarafta her türlü anlamdaki maliyetlerin azaltılmasına yönelik tedbirlerin alınması için de belirleyici olmasıdır. Günümüzde biyolojik atıksu arıtma proseslerine optimum enerji kullanımı ile ilgili getirilen geniş kavram, birim enerji kullanımına karşı giderilen BOD miktarı olarak tanımlanmaktadır. xvii Havalı Askıda Kültür Sistemlerde Minerilizasyon ve Nitrifikasyon için Yeni Oksijen Modeli adlı bu çalışmada, mineralizasyon ve nitrifikasyon prosesi sırasında organik madde yüklemesi F/M, organik madde giderim verimi £, aktif çamur konsantrasyonu Xmlss gibi tesisin dizayn ve işletme parametrelerine bağlı olarak, havalandırma tankı içinde küresel formdaki değişik flok çaplan için sıvı fazdaki kritik çözünmüş oksijen konsantras yonlan CLk geliştirilen model çerçevesinde verilmiştir. Birinci bölümde çalışmanın amaç ve kapsamı, anlam ve önemi açıklanmıştır. İkinci bölümde havalı askıda kültür sistemler için oksijen gereksinimi ve oksijen temini üzerinde literatürde daha önce yapılmış çalışmalar verilmiştir, özellikle, oksijen transfer mekanizması, oksijenin aktif çamur ve floklar içinde difüzyonu, mineralizasyon ve nitrifikasyon üzerinde çözünmüş oksijenin etkileri ile aynca, oksijen temini, oksijen kütle transferi, karıştırma ve havalandırma prosesi için oksijen transfer düzeltme faktörleri ve girişimler ayrıntılı olarak verilmiştir. Üçüncü bölümde, mikrobiyolojik yapılar için literatürde daha önce yapılmış difüzyon modelleri tarihi gelişimi içinde incelenmiştir. Literatürdeki modelleme çalışmalarında yapılan genel kabuller; biyolojik yapıların değişik geometrik şekilleri için biyolojik yapının dış yüzeyinden iç kısmına oksijen ve/veya substrat transferinin konsantrasyon farkı ve difüzyon ile gerçekleştirildiklerini, havalı askıda kültür sistemler ile çalışan aktif çamur proseslerinde mikrobiyolojik yapıların genelde küresel formda floklar olarak ele alındığı gözlenmiştir. Model çalışmalarında, difüzyon mekanizması altında oksijenin önce sıvı faz sonra sıvı fazdan flokların içine olduğu, oksijen ve değişik sübstratlar için deneysel çalışmalardan elde edilen difüzyon katsayıları arasında farklılıklar bulunduğunu göstermiştir. İncelenen model çalışmalarından birinde, aktif çamurun yoğunluk, porosite, spesifik yüzey alanı, ortalama pore çapı ile ilgili yapılmış deneysel çalışma sonucuna göre aktif çamur ile kalınlaştınlmış aktif çamur için aynı diffîisivite katsayısının verildiği görülmüştür. Dördüncü bölümde, bu çalışmanın konusu olan havalı askıda kültür sistemlerde mineralizasyon ve nitrifikasyon için yeni oksijen modeli ve modelin dayandığı esaslar verilmiştir. Modelleme çalışmasında kullanılan tek bir flok'un geometrik gösterimi, yapılan kabuller ve sınır şartlan açıklanmıştır. Havalı askıda sistemlerde mineralizasyon ne nitrifikasyon için yeni oksijen modelinde, mineralizasyon ve nitrifikasyon için 0. mertebe reaksiyonda reaksiyon hızlan tanımı yapılmıştır. Flok içinde oksijenin reaksiyon hız sabiti ko, atiksu kirletici parametrelerinden kimyasal oksijen ihtiyacı (COD) ve biyokimyasal oksijen ihtiyara (BOD) ve amonyak azotu için ayn ayn verilmiştir. Oksijen transfer mekanizmasında ana rol oynayan flokların biyolojik mikroorganizma kütlesinden oluştukları hesaba katılarak, xviii bunun doğal sonucu oksijen reaksiyon hız sabiti ko ile olan doğrudan ilgisi, organik madde yüklemesi F/M, substratm giderim verimi £, ve aktif çamur konsantrasyonu Xmlss ile BOD ve azot için oksijenin stokiyometrik kullanım oranlar v terimleri birlikte ele alınarak 0. derece reaksiyon mertebesinde, aktif çamur floklarının oksijen kullanım hızı rf mineralizasyon için; rf = [v(U(F/M)]BODX] MLSS nitrifikasyon için, rf= [[v (SXF/M)]^ vn (g) (F/M)]^.N] X, MLSS şeklinde verilmiştir. Havalı askıda kültür sistemlerde mineralizasyon ve nitrifikasyon için biyolojik anksu arıtma tesisi havalandırma tankı içinde sıvı fazdaki kritik çözünmüş oksijen konsantrasyonları oksijen transferinin difüzyon mekanizması altındaki flok çaplan, proses dizayn ve kontrol parametreleri ile olan ilgili model denklemleri ise mineralizasyon için ; 1 1 d2 CkL=[ + ] [v® CF/MÖİbcd Xmlss 3E>l 6Df 4 nitrifikasyon için, 1 1 d2 ckL=[ - + - ] - [(v^cf/n^^+^xf/ivdK* 3Dl 6Df 4 MLSS şeklinde verilmiştir. xıx Beşinci bölümde, mineralizasyon ve nitrifikasyonda kullanılan model sabitleri literatür çalışmaları dikkate alınarak tablo halinde verilmiştir. Model içinde kullanılan sabitler; mineralizasyon ve nitrifikasyonda oksijenin stokiyometrik kullanım oranlan v = 0.84 kgOa/kgBOD, vn= 4.20 kg02/kgN, aktif çamur karışımında oksijenin difîizyon katsayısı 2.1xl0"9 m2/san, flok içinde oksijenin difîizyon katsayısı 0.74 10"9 m2/san alınmıştır. Mineralizasyon sırasında biyolojik atiksu antma tesisi havalandırma tankı aktif çamur ortamında, dizayn ve işletme parametrelerinin değişik değerlerine karşı hesaplanan kritik çözünmüş oksijen konsantrasyonunun aldığı değerler tablo ve şekillerle verilmiştir. Sistemde mineralizasyondan nitrifikasyona geçiş şartlan ile değişik BOD konsantrasyonlarına karşı hesaplanan amonyak azotu değerleri ayn tablo ve şekil ile verilmiştir. Bu bölümde son olarak, model çerçevesinde öngörülen mineralizasyondan nitrifikasyona geçiş ile nitrifikasyon prosesinde belirli işletme şartlan altında belirli flok çapı için hesaplanan kritik oksijen konsantrasyonunun aldığı değerler konunun önemini vurgulamak için ayrı bir tablo ve şekil ile gösterilmiştir. Son bölümde, sonuçlar ve tartışma sunulmaktadır.

In ihis study, critical oxygen concentrations, CLk for various floe diameters in spherical form in the aeration tank, with respect to the design and operational parameters such as organic loading F/M, removal efficiency \, and activated sludge concentration Xmlss in mineralization and nitrification processes is given in the frame of the developed model. In the first chapter, the basic principles leading to the description of the subject of concern are outlined and the scope and objectives of this study are defined. In the second chapter, emphasis is placed upon studies in the literature dealing with oxygen requirement and supply for aerobic uspended culture systems. Special attention was directed towards oxygen transfer mechanisms, diffusivity of oxygen through activated sludge and floes. In the third chapter, the oxygen diffusion models on microbial aggregates are reviewed in great extend. The main approaches in the literature were to use floe diameter in spherical form for oxygen diffusion models. In the fourth chapter, A New Oxygen Model for Mineralization and Nitrification in Aerobic Suspended Culture Systems is presented and given respectively as follows: 1 1 d2 C\=[ + ] [v($W(F/M)bJ XMtss 3Dl 6Df 4 1 1 d2 v(S0-Se) c\=[ + ] - [( ^) + i]xMLSS 3Dl 6Df 4 VN^-Ne) In the fifth chapter, the graphical representation is given, lathe last chapter, results and discussion are presented