Aralıklı havalandırmalı sürekli aktif çamur sistemlerinde azot gideriminin modellenmesi ve tasarımı

Abstract

Son yıllarda özellikle layısal alanlarda ve hassas bölgelerde nutrient deşarjına yönelik standartlar giderek sıkılaştınlmaktadn-. Bu nedenle yeni kurulan atıksu arıtma tesislerinin bu esasa göre tasarlanması ve karbon giderimine çalışan eski tesislerin geliştirilerek azot giderimine çalışır duruma getirilmesi büyük önem taşımaktadır. Ortama verilen oksijeni kontrol ederek tek bir reaktörde değişken olarak aerobik, anoksik ortamlar oluşturmak sureti ile azot giderimi sağlamak mümkündür. Tek çamurlu aralıklı havalandırmalı sürekli aktif çamur sistemleri olarak adlandırılan bu sistemlerin en önemli avantajlarından biri azot giderimi tek bir hacimde gerçekleştiğinden karbon giderimine çalışan mevcut tesislere reaktör hacmi, boru vb. gibi ilave yatırımlar gerektirmeden uygulanabilmeleridir. Bu sistemler dışarıdan karbon kaynağı ilavesi ve nitrat geri devri ihtiyacını da ortadan kaldırdıklarından tek çamurlu önde ya da sonda denitrifikasyon sistemlerine göre belirgin üstünlük taşırlar. Aralıklı havalandırmalı aktif çamur sistemlerinin ilk yatırım ve işletme maliyeti diğer azot gideren sürekli sistemlere göre daha düşüktür. Aralıklı havalandırılan sistemde bir çevrim, birbirini takip eden aerobik ve anoksik fazlardan oluşur. Sistemin havalandınldığı aerobik fazda amonyak azotu nitrata dönüşür havalandırmanın kesildiği anoksik fazda nitrat, azot gazına indirgenir. Çıkış konsantrasyonları da buna bağlı olarak salınım gösterirler. Sistemin kararlı dengeye ulaşmasından sonra bir çevrimden diğerine çıkış konsantrasyonları sabit kalır. Sistemin spesifik parametreleri bir çevrim boyunca sistemin havalandınldığı zaman fraksiyonunu ifade eden havalandırma oranı AF ve bir çevrim süresinin hidrolik bekletme süresme oranını ifade eden çevrim süresi oranı CTR dır. Azot giderimine çalışan aralıklı havalandırmalı sürekli sistemler ile ilgili deneysel araştırmalar, sistem parametrelerinin proses performansı üzerine etkisi ve elde edilen azot giderim verimleri üzerine yoğunlaşmaktadır. Sistemin modellenmesine yönelik çalışmalar bulunmakla birlikte bu araştırmalarda dizayn parametreleri ile model arasındaki gerekli ilişki kurulmamıştır. Karşılaşılan problemler deneme yanılma metodu baz alınarak çözülmeye çalışılmakta ve temel prensipler dikkate alınmamaktadır. Sistem halen ampirik yaklaşımlar çerçevesinde dizayn edilmektedir. Bu kapsamda, bu çalışmanın amacı aralıklı havalandırmalı aktif çamur sistemlerinde xiii azot giderim mekanizmasının esaslarının incelenmesi ve sistem tasarımı için güncel ve rasyonel yaklaşımın geliştirilmesidir. Tam karışımlı aerobik anoksik değişken sistemlerin doğru dizayn edilebilmesi ancak çok bileşenli modeller yardımıyla mümkündür. Bu çalışmada çok bileşenli Orhon, Artan modeli baz alınarak kesikli havalandırmalı aerobik anoksik aktif çamur sistemler için bir tasarım modeli geüştirilrniştir. Model simulasyonu çerçevesinde değişen tasarım ve işletme parametreleri için sistemin davranışı incelenmiştir. Model sistem parametrelerinin optimizasyounun sağlamak üzere revize edilmiş ve revizyon modeli destekli aralıklı havalandırmalı sürekli aktif çamur sistemlerinde azot giderimi için spesifik ve rasyonel bir dizayn prosedürü geliştilmiştir. Bu prosedür baz alınarak uygulanan sayısal bir dizayn örneği de çalışmada yer almaktadır. Sonuç olarak aralıklı havalandırmalı sürekli aktif çamur sistemleri sundukları ekonomik alternatif ve diğer azot giderim sistemlerine kıyasla sağladıkları yüksek giderim verimi nedeniyle tavsiye edilmektedir. Ancak bu sistemlerin dizaynının mevcut ampirik yaklaşımlar ötesinde rasyonel bir baza dayandırılması ve sistem mekanizmasının temel prensiplerinin anlaşılması gerekmektedir. Bu çalışma çerçevesinde aralıklı havalandırmalı klasik aktif çamur sistemleri için geliştirilen model simulasyonu ile sistem parametreleri ve sistem mekanizması incelenmiş ve sistem için spesifik bir dizayn prosedürü oluşturulmuştur.

In recent years discharge limits for nitrogen especially in coastal regions are made stricter. Thus, design of new wastewater treatment plants for nitrogen removal and upgrading and retrofitting of the existing ones are gaining importance. If oxygen supply to the biological culture is controlled in such a manner that the culture is exposed to aerobic and anoxic conditions in the reactor, nitrogen removal is achievable. These systems, called intermittently aerated activated sludge systems are readily incorporated into any existing plant without the need of new tankage, structure modification and additional equipment like pipes and pumps. As these systems require no carbon addition, nor internal nitrate recycling, they are superior to pre and postdenkrification systems. Because of low operating and investment costs they offer a much more economical alternative to the conventional continuos nitrogen removing systems. By intermittently aerated systems an operating cycle consists of an aerated (aerobic) and an unaerated (anoxic) period. During the aerobic period ammonia nitrogen is converted to nitrate, which is subsequently used to remove organic carbon. This can be recognised in the fluctuations in the effluent concentrations. After the system reaches a pseudo- steady state, the effluent concentrations within a cycle remain constant. The specific design parameters of intermittently aerated systems are aeration fraction AF, which defines the fraction of time, in which the system is aerated and the cycle time ratio CTR, which defines the ratio of a cycle time to the hydraulic retention time of the system. Commonly existing research of intermittently aerated systems focus on the effect of system parameters on process performance. Modelling approaches are limited and none of them can form the necessary correlation between the design parameters and the model. The problems of operating of the intermittently aerated systems were tried to be solved on a trial- error basis without considering the principles of the process. The design of the system is still based on empirical approaches. In this frame work the main objective of his study is to examine the principles of nitrogen removing mechanisms and to develop a rational design procedure for nitrogen removal in intermittently aerated activated sludge systems. XV Design of intermittently aerated activated sludge systems is only due to multi component modelling approaches possible. In this study the multi component model developed by Orhon and Artan is adopted. Due to simulation results the effect of the design parameters on the systems performance is studied. A revision of the model for process optimisation is suggested.. Finally a model supported design procedure for nitrogen removal in intermittently aerated systems is developed. Based on this procedure a design example is also given in this research work. Intermittently aerated activated sludge systems are highly recommended for their advantages like offering a very economical alternative to the other nitrogen removing systems and for their high nitrogen removal efficiency. The design of these systems should be based on a rational approach and not on an empirical one, like it has been always the case. In this study, a mathematical model for nitrogen removal in intermittently aerated activated sludge systems is developed. Due to the simulation results the effect of the specific parameters on systems performance and systems mechanisms are evaluated and a design procedure for nitrogen removal in intermittently aerated activated sludge systems are developed.