Alkaloid Atık Suyunun Membran Biyoreaktör İle Arıtılmasıyla Oluşan Atık Çamurun Aerobik Çamur Stabilizasyonunda Partiküler Bileşenlerin Modellenmesi

Abstract

Alkaloid prosesinden kaynaklanan endüstriyel atıksular yüksek sülfat, asetik asit ve organik madde içermektedir. Bu çalışmada kullanılan alkaloid atıksuları su geri kazanımının sağlanması, mevzuatta yer alan deşarj standartlarına uygun olarak sürdürülebilir atıksu arıtımının gerçekleştirilmesi amacıyla hali hazırda pilot ölçekli bir membran biyoreaktör ile arıtılmaktadır. İncelenen endüstriyel tesisin ortalama debisi 480 m3/gün ve kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) konsantrasyonu maksimum 43000 mg/L'dir. KOİ parametresinin Su Ürünleri Yönetmeliği (1995)’nde öngörülen 170 mg/L’ye kadar indirilmesi gerekmektedir. Fakat konsantrasyonu bu değere indirmek mümkün olmadığından Su Kirliliği Kontrol Yönetmeliği (2004)’nde belirtilmiş olan 1500 mg/L baz alınmıştır. Buna göre, deşarj limitinin sağlanması için arıtma sonrasında %99.6 KOİ giderim verimi elde edilmesi zorunlu olmaktadır (Keskinler ve İnsel, 2014). Bu tez çalışmasında alkaloid prosesinden kaynaklanan giriş atıksuyunun biyolojik arıtılabilirlik bazlı karakterizasyonu kapsamında inert partiküler ve çözünmüş madde konsantrasyonlarının belirlenmesi hedeflenmektedir. Oluşan atıksuların arıtıldığı pilot ölçekli membran biyoreaktörde oluşan atık çamurun aerobik stabilizasyonunun değerlendirilmesi yapılmış olup içsel dönüşüm katsayısı respirometrik olarak belirlenmiştir. Respirometrik deneyler ve modelleme yardımıyla biyolojik sistem ile ilgili kinetik ve stokiyometrik katsayılar bulunmuştur. Ayrıca elde edilen tüm sonuçlar kullanılarak biyolojik çamurun partiküler ürün konsantrasyonu ve bu partiküler ürünün ayrışma katsayıları da modelleme ile belirlenmiştir. Giriş atıksuyunda çözünmüş ve partiküler inert maddelerin belirlenmesi için Orhon ve diğ, 1994 yöntemi kullanılmıştır. Bu yöntem gereğince aerobik işletilen ve toplam ve çözünmüş ile beslenen 2 adet reaktör kurulmuştur. Deney sonuçlarına göre, toplam KOİ miktarı 27344 mg/L olan giriş alkaloid atık suyunun % 1.13’ü yani toplam partiküler inert madde miktarı 309 mg/L, % 1.52’si yani toplam çözünmüş inert madde miktarı 416 mg/L olarak belirlenmiştir. Aerobik çamur stabilizasyon prosesinde 23000 mg/L AKM ve 9800 mg/L UAKM içeren atık çamur kullanılmıştır. Zamana karşı günlük bazda AKM, UAKM ve pH ölçümü yapılmıştır. Deney AKM/UAKM parametreleri sabitlenene kadar devam etmiştir. Deney sonunda UAKM/AKM oranı 0.35 mg UAKM/mg AKM bulunmuştur. 19 gün sonunda giderim verimi % 38 UAKM olarak hesaplanmıştır. Alkaloid atık suyunun ayrışma katsayılarının ve havalandırma sisteminin dizayn parametrelerinin (ayrışma kinetiği tespiti, havalandırma sistemi tasarımı) belirlenmesi için respirometrik teknikler yaygın olarak kullanılmaktadır. Çamur bekletme süresi 20 gün olan atıksuyundan elde edilen respirometrik profilden yararlanılarak, atık suyundaki organik maddenin %85’inin kolay ayrışabilir madde olduğu anlaşılmaktadır. Kolay ayrışabilir maddeler aerobik koşullarda inhibe olmamaktadırlar. Kolay ayrışabilen organik maddenin yüksek olmasının sebebinin üretimde kullanılan asetik asit vb. maddelerden kaynaklandığı şeklinde yorumlanabilir. Ayrışabilen organik maddenin tamamı 400 dakika reaksiyon süresi sonunda tükendiği rapor edilmektedir. Aerobik stabilizasyon çalışmasında oksijen tüketim hızına bağlı olarak ölçülen içsel solunum hızı (bH) Ekama ve diğ., 1986 tarafından önerilen methodu baz alınarak 0.14/gün olarak hesaplanmıştır. Modelleme çalışmalarında AQUASIM simülasyon programı kullanılmıştır. Partiküler ürünün ayrışma çalışması Özdemir ve diğ., 2014 çalışması baz alınarak yapılmıştır. Ayrıca stabilizasyon sürecinde elde edilen OUR profilleri Aktif Çamur Modeli No:1 (ASM1) kullanılarak modifiye edilmiştir. Reaktörde biyokütle içeriği aktif heterotrofik biyokütle XH, yavaş ayrışan partiküler biyokütle XS, partiküler inert madde, XI ve metabolik reaksiyonlar sonucu oluşan XP olarak dört ana bileşen model kalibrasyonu ile değerlendirilmiştir. Model çalışmalarınde 4063 mg COD/L olan toplam biyokütle miktarı içerisinde heterotrofik biyokütle miktarı KOİ cinsinden ise 2854 mg KOİ/L olarak belirlenirken UAKM cinsinden 2375 mg UAKM/L olarak hesaplanmıştır. Model aynı zamanda Xp için hidroliz hız sabitini (kXP) 0.01 mg KOİ/mg KOİ olarak vermiştir. Son olarak çamur yaşının aktif çamur prosesinde çamur bileşenlerine etkisi araştırılmıştır. Bu bağlamda kullanılan Özdemir ve diğ., 2014 çalışmasında, aktif çamur prosesi farklı çamur yaşlarında stabilize edilmiştir. Çamur yaşı arttırıldığında kXP değerinin arttığı gözlemlenmiştir.

Industrial wastewater includes high amount of sulphate, acetic acid and organic matter due to the process of Alkaloid. Alkaloid wastewater that is used in this study has already been treated in a pilot scaled reactor according to the decharge standarts in legal regulations to execute a sustainable wastewater treatment. The industrial plant, which is studied, has an avarage flow rate of 480 m3/d and a maximum chemical oxygen demand (COD) concentration of 43000 mg/L. COD parameters must be increased to 170 mg/L as proposed in the Turkish Water Aquaculture Regulation (1995). However; because it seems unachievable to reduce the concentration, 1500 mg/L which is indicated in the Turkish Water Control Regulation (2004) was taken into consideration. Thus 99.6 percent of COD removal efficiency becomes obligatory to achieve the discharge limit after the treatment (Keskinler and İnsel, 2014). This thesis study aims to identify the dissolved and inert particulate component concentrations of influent wastewater, which resulted from alkaloid process within the contex of biologic treatability-based concentration. Aerobic stabilization of sludge in the pilot scaled membrane bioreactor, in which the wastewater was treated, was evaluated and the endogeneous decay coefficient was determined as respirometric. With the help of respirometric experiments and modelling kinetic and stoichiometric coefficients that related to biologic system were detected. Furthermore, particular product concentration of the sludge and decay coefficients were detected through modelling by using all of the results. To determine the particulate inert and dissolved substances in the influent wastewater (Orhon et al., 1994) method was used. According to this method 2 reactors, which were continuously aerated and were fed with raw wastewater, soluble wastewater were operated. According to experimental results of initial wastewater characterization, inert COD XI and SI were calculated as 309 mg/L (1.13 % of the CT) and 416 mg /L (1.52 %). Sludge that includes 23000 mg SS/L and 9800 mg/L VSS were used in the process of Aerobic Stabilization. SS, VSS and pH measurements were made timely and daily. The experiment had been carried on until the SS/VSS parameters were stabilized. The VSS/SS ratio of the stabilized sludge was found 0.35 mg VSS/mg SS. External aerobic sludge stabilization of the thickened sludge achived a volatile suspended solids reduction % 38 after 19 days. Application of the method proposed by (Ekama et al., 1986) based on successive measurements of descending OUR levels in the course of sludge stabilization yielded endogenous decay rate (bH) of 0.14/d. AQUASIM simulation program was used in the modelling proccesses. Decay of the particulate substance study was based on (Özdemir et al., 2014). OUR data were simulated using the Activated Sludge Model No:1 (ASM1), which provides a mechanistic description for this process is adopted in this part of the study. Biomass composition assessed by model calibration involves four major fractions, namely heterotrophic active biomass, XH; remaining particulate slowly biodegradable COD, XS; particulate inert COD of influent origin, XI and particulate metabolic products, XP generated in the course of metabolic reactions in the reactor. The modelling experiments indicates a total solids concentration of mg COD/L when expressed in terms of cell COD, corresponding to a VSS value of 2375 mg/L; the corresponding active biomass (XH) level is around 2854 mg COD/L. The model estimated the hydolysis rate constant for XP (KXP) as 0.01 mg COD/mg COD. Finally the effects of sludge retention time (SRT) of the activated sludge process on sludge compositon and aerobic sludge stabilization was searched for. In terms of Özdemir et al., 2014, Activated sludge processes operated at different sludge ages have differenk KXP. Kxp value increased with increasing SRT.