Çok bileşenli kontakt stabilizasyon sistemlerinin modellenmesi ve dizaynı

Abstract

Aktif çamur prosesi, gerek evsel nitelikli atıksular gerekse endüstriyel nitelikli atıksuların arıtılmasında Türkiye ve Dünya'da en yaygın olarak kullanılan biyolojik arıtma prosesidir. Aktif çamur prosesi bulunduğundan bu yana pek çok değişikliğe uğramış, daha değişik ve spesifik atıksular için modifrye edilmiştir. Bu modifikasyonlar beraberinde bir çok avantaj da getirmiştir. Örneğin, uzun havalandırmalı aktif çamur sistemleri daha az ve stabil çamur çıkarması ve çamur arıtma masraflarım çok aza indirmesi bakımından günümüzde en sık uygulanan arıtma prosesi haline gelmiştir. Dolayısıyla bilim adamları en düşük ilk yatırım maliyeti ve işletme giderlerine ve daha yüksek arıtma verimine sahip olan proseslere yönelmişlerdir. Kontakt stabilizayon prosesi de getirdiği avantajlar bakımından çok tutulmuş ve başta Amerika olmak üzere pek çok yerde uygulanmıştır. Kontakt stabilizasyon, birbirinden çöktürme havuzu ile ayrılan iki tane havalandırılmış tanktan ibarettir. Giriş atıksuyu ilk önce kontakt tankına girmekte ve burada kısa süreli bir havalandırmadan sonra çöktürme havuzuna girmektedir. Çöktürme havuzunun üst fazı, arıtılmış atıksu olarak sistemi terk ederken, alttaki çamur fazı tekrar havalandırılmak üzere stabilizasyon tankına gitmektedir. Kontakt tankına göre daha büyük bir hacme sahip olan stabilizasyon tankında havalandırılan çamur tekrar kontakt tankına gitmektedir. Stabilizasyon tankında yoğun bir şekilde havalandırılan çamur; kontakt tankında ham atıksu ile temasa geçtiği zaman önemli oranda giderme verimleri saptanmıştır. Genellikle kolay ayrışabilir KOİ'nin %90'ı kontakt tankında giderilebilmektedir. Partiküler kabul edilen yavaş ayrışabilir KOİ de kontakt tankında mikroorganizmalar üzerine adsorbe olmaktadır. Partiküler KOİ, oksitlenebilmesi için hücre duvarından geçebilecek büyüklüğe indirgenmesi gerekmektedir. Bu da hidroliz prosesi ile mümkün olmaktadır. Kontakt tankında hidroliz için yeterli bekletme süresi olmadığından mikroorganizma üzerine adsorplanmış organikler, çöktürme tankında yoğunlaştıktan sonra stabilizasyon tankına girer ve burada hidroliz olduktan soma mikroorganizmalar tarafından oksitlenirler. Ancak büyük kontakt tankı hacimlerinde bir miktar hidroliz de olabilmektedir. Stabilizasyon tankı sistem içindeki çamur kütlesinin büyük bir kısmını bulundurduğundan bu tanktaki F/M oram çok düşük olacak dolayısıyla uzun havalandırmalı aktif çamur reaktörü gibi az yüklü olacaktır. Kontakt reaktörü ise stabilizasyonun tersine yüksek oranda oksitlenmemiş sübstrat bulunduracaktır. Mikroorganizma konsantrasyonu da stabilizasyon tankına göre düşük olduğundan bu reaktörün F/M oram yüksek, dolayısıyla çok yüklü olacaktır. XXIVKontakt stabilizasyon prosesinde beş ana dizayn parametresi vardır: 1.) Çamur Dağılım Oram, a 2.) Çamur Yaşı, 0x 3.) Çamur Geri Devir Oram, R 4.) Çamur Hacim İndeksi, SVI 5.) Giriş Atıksu Yükü 6.) Sıcaklık, T °C Çamur dağılım oram, a, kontakt tankındaki heterotrofik aktif çamur kütlesinin, sistemdeki toplam heterotrofik aktif çamur kütlesine oram şeklinde tanımlanır ve aşağıdaki şekilde ifade edilebilir, Vc.Xhc a = ? Ve. Xhc + Vs. Xhs Ve, Vs : Kontakt ve Stabilizasyon Tankı Hacimleri Xhc, Xhs.' Kontakt ve Stabilizasyon Tankı Heterotrofik Biyokütle Konsantrasyonları Çamur dağılım oram, a, çok bileşenli kontakt stabilizasyon sistemlerinde çamur yaşından daha önemli bir parametre olarak karşımıza çıkmaktadır, a, kontakt ve stabilizasyon tank hacimlerinin belirlenmesinde doğrudan etkilidir. Yüksek a değerleri kontakt tankı hacmini arttırırken ; stabilizasyon tankı hacmini azaltmaktadır. Kontakt tankı hacmini arttırmak oksidasyon ve hidroliz prosesleri için daha uzun bekletme süreleri sağlamak ve dolayısıyla çıkışta daha düşük KOİ konsantrasyonları sağlamak bakımından faydalı olmakla beraber sistemin toplam hidrolik bekletme süresini arttırdığından çok yüksek a değerlerinde çalışılmaması gerekmektedir. Bunun için a=0.30 değeri, çok sübstratlı kontakt stabilizasyon sisternlerinin dizaynında sınır değer olarak tanımlanmaktadır. Bu değerin üstündeki çamur dağılım oranlarında sistemi dizayn etmek kontakt tankı hacmini çok büyültecek, stabilizasyon tankı hacmini çok azaltacak ve dolayısıyla kontakt stabilizasyon prosesi konvansiyonel bir aktif çamur prosesine yakınsayacak ve avantaj len ortadan kalkacaktır. Buna göre çok sübstratlı kontakt stabilizasyon sistemlerinin dizaynında 0.05 < a < 0.30 aralığında çalışılması bu prosesin avantajlarından faydalanmak bakımından büyük önem taşımaktadır. Çamur yaşı, &x, çok sübstratlı kontakt stabilizasyon sistemlerinin dizaynında, proses içinde tutulacak biyokütle miktarım doğrudan belirlediğinden ikincil öneme haiz bir parametredir. Çamur yaşı, kontakt ve stabilizasyon tanklanndaki toplam biyokütlenin sistemden atılacak çamur miktarına oram olarak tanımlanabilir. Yüksek çamur yaşlarında kontakt tankında daha fazla organik made ve azot giderimi olacağından çıkış suyu KOTsi ve NH/-N değerleri de düşük olacaktır. XXVKonvansiyonel aktif çamur sistemlerinde olduğu gibi yüksek çamur yaşlarında sistemden atılacak fazla çamur miktarı da azalacaktır. Çok bileşenli kontakt stabilizasyon sistemlerinde geri devir oram, hesaplanması gereken bir parametredir. Önceki konvansiyonel kontakt stabilizasyon modelleme çalışmalarında geri devir oram bir seçime bağlı olarak model içinde proses değişkenlerinin bulunmasında kollanılıyordu. Ne var ki; hem çamur yaşını hem de geri devir oranım seçmek; son çöktürme etrafında yazılacak olan kütle dengesinden de görüleceği gibi birbirine bağlı olan iki bağımsız değişkenin aynı anda seçilemeyeceğini göstermektedir. Çamur hacim indeksi geliştirilen dizayn prosedürü gereği stabilizasyon tankı hereotroflk aktif biyokütlenin belirlenmesi bakımından çok önemlidir. SVI değeri her çamur karakterine göre farklı olduğu için laboratuar deneyi ile belirlenmelidir. Ancak SVK150 ml/gr değerine sahip olan çamurlar iyi çökelebilme özelliğine sahiptir. Bunun üstündeki değerlerde ise çamur yüzecek ve çöktürme tankı savaklarından kaçarak aktif biyokütlenin kaybına neden olacaktır. Bu çalışmada çamurun iyi çökelebildiği varsayılmış ve SVI değeri 150 ml/gr sabit kabul edilerek model çözdürülmüştür. Çok sübstratlı konakt stabilizasyon sistemlerinin modellemesi çok fazla değişken olmasından dolayı klasik aktif çamur sistemlerindeki kadar basit olamamaktadır. Çok bileşenli kontakt stabilizasyon sistmlerinin modellemesinde her bileşen ve proses için kontakt ve stabilizasyon tankı etrafında kütle denge denge denklemlerinin yazılması ve bunların bir nümerik metodla bilgisayar yardımıyla zamana bağlı çözülmesi yöntemi uygulanmıştır. Kütle dengelerinden elde edilen denklemler, birinci dereceden lineer olmayan homojen diferansiyel denklemlerdir ve bu denklem takımı dördüncü dereceden Runge Kutta yöntemiyle çözülmüştür. Ancak bu denklemlerin çözülmesi için geri devir oram, kontakt ve stabilizasyon tank hacimleri ve heterotrofik biyokütle konsantrasyonları ile sistemde tutulacak toplam heterotrofik biyokütle miktarının bilinmesi gerekmektedir. Bunların önceden doğru bilinebilmesi için br dizayn prosedürü geliştirilmiştir. Dizayn prosedüründe seçilen ve önceden hesaplanan parametreler denklem sistemi çözüldükten sonra geriye dönülüp kontrol edilmektedir. Bilgisayar programı, model içindeki tüm roses bileşenleri kararlı dengeye gelene kadar çalıştırılmaktadır. Çıkış KOİ ve amonyak konsantrasyonlarının standartlardan düşük olması durumunda çamur dağılım oram, a, veya çamur yaşı, 9x, artırılmalıdır. Tüm proses bileşenleri hesaplandıktan sonra oksijen tüketimi, çamur oluşumu, spesifik sübstrat giderim hızı, canlılık gibi parametreler hem kontakt hem de stabilizasyon tankları için belirlenebilmektedir. Karbon ve azot giderimi ayrı ayrı bölümlerde ele alınmış ve her birinin oksijen tüketim, çamur oluşumu gibi proses bileşenleri ayrı ayrı hesaplanmıştır. XXVIÇok sübstratlı kontakt stabilizasyon sistemleri Aktif Çamur Modeli No. 1' deki atıksu karakterizasyonu ve prosesler esas alınarak matematik modellemesi yapılmıştır. Ancak bu çalışmada ölüm-yenilenme modeli yerine içsel solunum modeli esas alınmıştır. Çok bileşenli olarak dizayn edilen kontakt stabilizasyon sistemlerinin en önemli özelliği, klasik aktif çamur sistemlerine nazaran daha az bir hacimle aynı arıtma verimim sağlayabilmesidir. Prosesin bu avantajı, geri devir çamurunun yüksek konsantrasyonda stabilizasyon tankında havalandırılmasından gelmektedir. Yoğun olan bu çamur kontakt tankında kısa bekletme sürelerinde bile hızlı giderim oranlarına ulaşabilmektedir Modelin çalıştırılmasından görülmüştür ki, a=0.10 ve 6x=5 gün için kontakt tankında kolay ayrışabilir KOÎ %80 oranında giderilebilmektedir. Aynı şartlarda hızlı hidroliz olabilir KOİ de % 55 oranında giderilebilmektedir. Çamur dağılım oram ve çamur yaşı arttırıldıkça bu giderme verimleri daha da artmaktadır. Bu a gösteriyor ki, kontakt stabilizasyon sistemleri tatmin edici miktarda KOİ giderebilmektedir. Yavaş ayrışabilir KOÎ zor hidroliz olduğundan ve ayrıca sistemde bu KOİ bileşeninin hidroliz olması için yeterli bekletme süresi olamdığından bu 6x bileşen sistem içinde ---fraksiyonu ile doğru orantılı olarak birikecek ve fazla çaur Obc hattıyla sistemi terk edecektir. Çamur yaşım fazla arttırmak inert partiküler mikrobiyel ürün oluşumunu da arttıracağından hem de kontakt ve stabilizasyon tanklarmdaki canlılık oranlarını düşüreceğinden tavsiye edilmemektedir. Giriş atıksuyundaki çözünmüş inert KOİ, sistem içinde hiçbir biyokimyasal reaksiyona girmeden prosesi terkedip çıkışaki KOİ konsantrasyonunu arttırıcı bir rol oynayacaktır. Buna karşın girişteki partiküler inert Ox KOI ise sistemde -t- oranında birikip sistemi çamur hattı ile terk edecektir. VBC Çok bileşenli kontakt stabilizasyon sistemlerinde amonyak da % 60 oranında antılabilmektedir. Daha yüksek giderim verimlerine ulaşabilmek için daha fazla kontakt tankı hidrolik bekletem süresine dolyısıyla daha yüksek a değerlerine ihtiyaç vardır. Ama sistem içinde giriş amonyak azotu tamamen oksitlenip nitrata dönüşmektedir. Çıkış amonyak konsantrasyonu dizayn prosedüründe bir kontrol olarak tanımlanmış ve çıkış amonyak standannm sağlanmadığı koşullarda çamur yaşı ve çamur dağılım oranının arttırılması öngörülmüştür. Dolayısıyla çıkıştaki amonyak konsantrasyonu dizaynda kıstlayıcı bir fakör olarak göz önüne alınması gerekmektedir. Kontakt stabilizasyon sistemlrinin nitrifikasyon modellemesinde, karbon oksidasyonunda olduğu gibi her bileşen ve proses için kütle dengeleri yazıldıktan sonra bunlar dördüncü dereceden Runge Kutta nümerik yöntemiyle çözdürülür. XXV11Nitrifikasyon ile ilgili proses bileşenlerinin bulunmasına esas teşkil eden parametreler karbon kısmında bulunan ön dizayn aşamasındaki parametrelerdir.Dolayısıyla karbon ve azot oksidasyonunun aynı anda çözdürülesi gerekmektedir. Azot ile ilgili bileşenlerinin bulunmasından sonra ototrofik fazla çamur oluşumu, ototroflann oksijen tükeimi, nitrifikasyon hızı gibi proses parametreleri kolaylıkla bulınabilir ve bu parametrelerin değişik şartlarda ne gibi sonuçlar verdiği incelenebilir. Bu çalışmada sıcaklık faktörünün proses olan etkisi incelenmemesine rağmen, düşük sıcaklıklarda proses verinıinin düşeceğini belirtmekte fayda vardır. Çünkü düşük sıcaklıklarda mikroorganizmalann büyüme hızı gibi yaşamsa faaliyetleri düşecektir. Yine bu çalışmada incelenmemesine rağmen giriş atıksu yükündeki salınımlardan kontakt stabilizasyon sistemleri çok etkilenmemektedir. Çünkü gelen değişik yükteki atıksu karakteri direkt larak kontakt ankına girmekte ve bu havuzdaki dengeleri bozmaktadır. Halbuki sistemdeki çamurun önemli bir bölümü stabilizasyon tankında bulunmakta ve proses kendini kısa bir sürede toparlayabilmektedir. Ancak sistem dengeye gelene kadar çıkış suyu özellikleri bozulacaktır. Aynı durum, tesise toksik atıkların gelmesinde de söz konusudur. Kontakt tankındaki bakteriler bu atıklardan ciddi bir şekilde etkilenecek ama proses bir kaç çamur yaşı diliminde eski haline dönüp kararlı dengeye ulaşacaktır. Amerika'da düzgün çalışmayan ve performansından tatmi olunmayan tesisler kontakt stabilizasyon sistemine dönüştürülmüştür. Böylece hem arıtma veriminde yükselme sağlanmış ve aynı arıtma çok daha düşük hacimlerde gerçekleştirilebilmiş hem de debi konsantrasyondaki salınımlardan tesisin etkilenmesi minimuma indirilmiştir. Kontakt stabilizasyon sistemlerinde çamur arıtma maliyetleri çamurun doğrudan stabilizasyon tankından atılması ile bir miktar düşürülebilir. Çünkü stabilizasyon tankında daha stabil ve organik madeden yoksun bir çamur muhteviyatı vardır. Halbuki fazla çamur direkt olarak çöktürme tankı dibinden çekilip atıldığında içinde yüksek miktarda oksitlenmemiş organik madde içerdiğinden ve stabil olmadığından çamur arıtma maliyetleri yüksek olacaktır. Buna karşın fazla çamuru direkt larak kontakt tankından attığımızda sistemin toplam oksijen ihtiyacı azalacaktır. Çünkü çamur kontakt tankından atıldığında beraberinde yüksek oranda oksitlenmemiş organik maddeyi de sistem dışına çıkartacaktır. Dolayısıyla bu organik maddeyi oksitlemek için oksijene gerek duyulamayacaktır. Ancak daha önce de belirtildiği gibi böyle bir dizayn da çamur arıtma maliyetlerini azaltacaktır. Özetlemek gerekirse kontakt stabilizasyon sistemleri gerek ilk yatırım ve işletme maliyetlerini düşürmsi bakımından gerekse proseste getirdiği vantajlar bakımından uygulanabilirliği oldukça yüksek olan bir aktif çamur modifikasyonudur. Bu tezdeki sonuçlardan görüleceği gibi özellikle tatil yerlerindeki otellerden ve pansiyonlardan kaynaklanan atıksulann arıtılmasında bir paket arıtma ünitesi larak rahatlıkla kullanılabilir. Debi ve konsantrasyon salınımları ile toksik atıklara karşı olan direnci nedeniyle de endüstriyel atıksulann arıtılmasında da cazip bir çözüm larak karşımıza XXVU1çıkmaktadır. Bunun yanında daha öncede değinildiği gibi klasik aktif çamur sistemleri verim artışı ve fleksibilite açısından kontakt stabilizasyon prosesine dönüştürülebilir. Tezin sonunda verilen bilgisayar programı ile çevre mühendisleri çok bileşenli kontakt stabilizasyon sistemlerini uygulamaya yönelik olarak en ince ayrıntısına kadar dizayn edebilme olanağı bulacaklardır.

The era's most popular treatment process - activated sludge- has been widely used to treat different kinds of wastewater. As the demand for cost effective, highly efficient solutions increased, the activated sludge process was altered to achieve this goal. Among all the process modifications contact stabilization was the least investigated and analyzed process. The traditional modelling studies were deficient in themselves because of the high number of independent process variables. In addition, the processes that make up the model were not fully understood to incorporate them into the process matrix. Being aware of the deficiencies of the previous models; it is the intent of this thesis to overcome this problem by investigating the process using the wastewater characterization presented in Activated Sludge Model No.l and the endogenous decay model. The multi component contact stabilization process is mathematically modelled with the application of mass balance principals for each component and for each process in the contact and stabilization reactors. The obtained set of equations whic are first order nonlinear homogenous differential equations are solved by the use of fourth order Runge Kutta. The required parameters, -hydraulic detention time of the contact and stabilization reactors, recirculation ratio...etc- for the calculation of process variables are determined from a design algorithma in which some assumptions are made. These assumptions are then verified to check whether they are in acceptable limits. The carbon removal and nitrification parts of the contact stabilization process are seperately analyzed but they are interactive among each other. The results obtained from multi component contact stabilization systems are satisfying enough to apply this process in full scale treatment plants. The resistivity and persistency to the cyclic loads as well as shock and toxic loads, and in addition the smaller volume needed to treat the wastewater when compared to the conventional systems are the two most significant advantages of multi component contact stabilization systems. The conventional activated sludge schemes are upgraded to contact stabilization process for better efficiency and to minimize the negative effects of the variations in concentration and flow rate and also the toxic shock loads. The computer program presented at the end of the thesis is oriented towards the practicing engineers and scientist to fully design the multi component contact stabilization process.