1

HARRAN ÜNİVERSİTESİ, ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

0503701-ATIKSULARIN ARITIMI DERS NOTLARI

Doç. Dr. Erkan ŞAHİNKAYA

Kaynak Kitap: Wastewater Engineering: Treatment and Reuse Metcalf & Eddy, Inc., George

Tchobanoglous, Franklin Burton, H. David Stensel (2003).

2010

2

BÖLÜM 1. ATIKSU ARTIMIYLA İLGİLİ YÖNETMELİKLER

1900-1970 arası atıksu arıtım amaçları;

• Kolloidal, askıda ve yüzen maddelerin giderimi

• Biyolojik olarak parçalanabilen organiklerin giderimi

• Patojenlerin giderimi

1970-1980 arasında ise atıksu arıtımında özellikle estetik ve çevresel kaygılar gözetilmiştir. BOD, TSS ve patojen gideriminde daha ileri seviyeler amaçlanmıştır. Ayrıca, azot, fosfor gibi

nütrientlerin arıtımı üzerinde durulmaya başlanmıştır.

1980’lerden sonra ise; önceki amaçlar daha yüksek arıtım seviyeleri amaçlanarak

korunmuştur. Ayrıca, uzun zamanda hastalığa sebep olabilecek düşük konsantrasyonlardaki

kirleticilerin (pestisit, antibiyotik gibi) üzerinde durulmaya başlanmıştır.

Sürekli olarak değişen deşarj standartları planlanan ve dizayn edilen arıtma tesislerinin

değişimine yol açmıştır. Tablo 1.1’de ABD’de deşarj için gerekli minimum deşarj standartları

verilmiştir.

Tablo 1. ABD’de uygulanan minimum deşarj standartları

Parametre Birim 30-günlük ortalama konsantrasyon

7-günlük ortalama konsantrasyon

BOİ5 mg/L 30 45 TAK (TSS) mg/L 30 45

CBOİ5 mg/L 25 40 pH - 6-9 6-9

Ülkemizde uygulanan yönetmelik ise; 31.12.2004 tarihli resmi gazetede yayımlanan ‘Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği’ dir. Bu yönetmelikte, hem evsel hem de endüstriyel

atıksuların alıcı ortama deşarjıyla ilgili sınır değerler verilmektedir.

Örnek olarak; evsel atıksuların alıcı ortama deşarjı için Tablo 1.2’de verilen sınır değerler

uygulanmaktadır.

Tablo 1.2 (Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği,Tablo 21). Evsel nitelikli atıksuların alıcı

ortama deşarj standartları

Endüstriyel nitelikli atıksular ise sınıflandırılmış olup, aşağıda örnekler verilmiştir.

Parametre Birim 2-saatlik kompozit numune

24-saatlik kompozit numune

BOİ5 mg/L 50 45 KOİ mg/L 180 120

TAK (TSS) mg/L 70 45 pH - 6-9 6-9

3

TABLO 5: GIDA SANAYİİ ATIK SULARININ ALICI ORTAMA DEŞARJ STANDARTLARI Tablo 5.1: Sektör: Gıda Sanayi (Un ve Makarna Üretimi) PARAMETRE

BİRİM

KOMPOZİT NUMUNE

2 SAATLİK

KOMPOZİT NUMUNE

24 SAATLİK KİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI (KOİ)

(mg/L) 250 200

ASKIDA KATI MADDE (AKM) (mg/L) 120 100 pH 6-9 6-9 Tablo 5.2: Sektör: Gıda Sanayi (Maya Üretimi) PARAMETRE

BİRİM

KOMPOZİT NUMUNE

2 SAATLİK

KOMPOZİT NUMUNE

24 SAATLİK KİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI (KOİ)

(mg/L) 1200 1000

ASKIDA KATI MADDE (AKM) (mg/L) 200 100 YAĞ VE GRES (mg/L) 60 30 pH 6-9 6-9 Tablo 5.3: Sektör: Gıda Sanayi (Süt ve Süt Ürünleri) PARAMETRE

BİRİM

KOMPOZİT NUMUNE

2 SAATLİK

KOMPOZİT NUMUNE 24 SAATLİK

KİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI (KOİ)

(mg/L) 170 160

YAĞ VE GRES (mg/L) 60 30 pH 6-9 6-9 TABLO 10: TEKSTİL SANAYİİ ATIK SULARININ ALICI ORTAMA DEŞARJ STANDARTLARI Tablo 10.1: Sektör: Tekstil Sanayi (Açık Elyaf, İplik Üretimi ve Terbiye) PARAMETRE

BİRİM

KOMPOZİT NUMUNE

2 SAATLİK

KOMPOZİT NUMUNE

24 SAATLİK KİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI (KOİ)

(mg/L) 350 240

AMONYUM AZOTU (NH4-N) (mg/L) 5 SERBEST KLOR (mg/L) 0.3 TOPLAM KROM (mg/L) 2 1 SÜLFÜR (S‾2) (mg/L) 0.1 - SÜLFİT (mg/L) 1 - YAĞ VE GRES (mg/L) 10 - BALIK BİYODENEYİ (ZSF) - 4 3 pH - 6-9 6-9 Tablo 10.2: Sektör: Tekstil Sanayi (Dokunmuş Kumaş Terbiyesi ve Benzerleri) PARAMETRE

BİRİM

KOMPOZİT NUMUNE

KOMPOZİT NUMUNE

4

2 SAATLİK 24 SAATLİK

KİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI (KOİ)

(mg/L) 400 300

ASKIDA KATI MADDE(AKM) (mg/L) 140 100 AMONYUM AZOTU (NH4-N) (mg/L) 5 - SERBEST KLOR (mg/L) 0.3 - TOPLAM KROM (mg/L) 2 1 SÜLFÜR (S‾2) (mg/L) 0.1 - SÜLFİT (mg/L) 1 - FENOL (mg/L) 1 0.5 BALIK BİYODENEYİ (ZSF) - 4 3 pH - 6-9 6-9 BÖLÜM 2. ATIKSU ARITIMINA GİRİŞ Atıksuların arıtım derecesi amaca göre değişiklik göstermektedir. Atıksular arıtıldıktan sonra;

• Alıcı ortama deşarj • Toprağa verme veya sulama • Geri kazanım/yeniden kullanım

gibi amaçlar için kullanılır. Dolayısıyla arıtım derecesi de amaca göre değişiklik göstermektedir. Arıtma metotları Temel işlemler; fiziksel arıtım metotları olup; temel prosesler ise kimyasal veya biyolojik arıtım metotlarını içermektedir. Tablo 2.1’de atıksu arıtımı amacıyla kullanılan arıtım metotlarının sınıflandırılması verilmiştir. Tablo 2.1. Temel işlemler ve temel proseslerin arıtım derecesine göre sınıflandırılması

Arıtım derecesi Tanım Ön arıtım (fiziksel arıtım) Tahta parçası, bez parçası gibi iri maddeleri ve yağ,

kum gibi mekanik ekipmanlara zarar verecek maddelerin giderimi

Birincil arıtım AKM ve çökelebilen organiklerin giderimi İleri birincil arıtım Askıda ve çözünmüş organiklerin giderimi ve

dezenfeksiyon İkincil arıtım Kimyasal ilavesi veya filtrasyon ile ileri düzeyde AKM

ve organik giderimi Nütrient gideren ikincil arıtım Biyolojik ayrışabilir organiklerin, AKM’nin ve azot,

fosforun giderimi Üçüncül arıtım İkincil arıtım sonrası kalan AKM’nin filtrasyonla (kum

filtresi) veya mikroeleklerle giderimi. Dezenfeksiyon veya nütrient arıtımı da burada sınıflandırabilir.

İleri arıtım Arıtılmış suyun tekrar kullanımı amacıyla ikincil arıtım sonrası organik ve AKM giderimi

5

Yaklaşık 20 yıl önce biyolojik nütrient giderimi (BNR) yeni teknoloji olarak bilinirdi. Fakat

bugün birçok nedenden dolayı BNR konvensiyonel biyolojik arıtımın bir parçası olmuştur.

Kimyasal metotlarla nütrinet giderimi, BNR’ye kıyasla çok daha pahalı olup ilave kimyasal

ve aşırı çamur üretimi en önemli dezavantajlarıdır.

Geçmişte nütrient arıtımı sadece hassas bölgelerde uygulanırken, ötröfikasyon nedeniyle alıcı

ortamların kalitesinin bozulmasıyla birçok yerde nütrient arıtımı uygulanmaya başlanmıştır. Ayrıca, çıkış sularından AKM giderimi amacıyla birçok yerde kum filtrelerinin kullanımı

yaygın hale gelmiştir. Özellikle UV ile dezenfeksiyon verimini arttırmak için filtrasyon çok

sık kullanılan bir yöntemdir.

Yeni ve gelişmiş arıtma tesislerinde kullanılan bazı ileri arıtım metotları ise;

• Santrifüj ayırıcılar

• Yüksek hızlı çöktürücüler

• Membran biyoreaktörler

• Ultafiltrasyon, nanofiltrasyon ve ters ozmoz

• UV dezenfeksiyonu

Arıtılmış suların kurak veya yarı kurak yerlerde sulama amacıyla kullanımı da atıksuların

değerlendirilmesi için oldukça önemli bir geri kazanım yöntemidir.

6

BÖLÜM 3. ATIKSU DEBİSİ VE KİRLETİCİ YÜKLERİNİN ANALİZİ VE SEÇİLMESİ

Atıksu debisinin ve kirlilik yükünün belirlenmesi atıksu arıtma tesisinin tasarımında önemli

bir adımdır. Seçilecek debi, arıtma tesisinin boyutunu, hidrolik özelliklerini ve işletimini

önemli derecede etkilemektedir.

Atıksu debisi ve yüklerin analiz ve belirlenmesinde önemli faktörler aşağıdaki gibi

sıralanabilir;

• Atıksu bileşenleri

• Atıksu kaynakları ve debileri

• Debi verisinin analizi

• Atık yüklerine ait verilerin analizi

• Debi, konsantrasyon ve yüklerin istatistiksel analizi

• Tarım debi ve atık yüklerinin seçimi

Atıksu Bileşenleri

Atıksu bileşenleri toplama siteminin çeşidine bağlı olup aşağıdakileri içerir;

• Evsel atıksular

• Endüstriyel atıksular

• İnfiltrasyon/inflow

• Yağmur suyu

Atıksu toplamak amacıyla üç farklı toplama sistemi kullanılır;

1. Atıksu toplama sistemi: Evsel atıksular, endüstriyel atıksular ve inflow/infiltrasyon

toplanır.

2. Yağmursuyu toplama sistemi: Bu tür kanala yağmur suları ve infiltrasyon/inflow

gelir.

3. Birleşik sistem: Bu tür toplama sistemine bütün atıksu ve yağmur suları gelir.

Atıksu Kaynakları ve Debileri

Evsel Atıksular: Evlerden ve ticarethanelerden gelen atıksuları kapsar. Mevcut verilerden

veya saha ölçümlerinden faydalanılarak belirlenmesi tavsiye edilir. Yeni kurulacak

yerleşimler için nüfus ve nüfus başına düşen atıksu kullanım istatistikleri kullanılarak

tahminler yapılır.

Su kullanım verilerinden de yararlanılabilir. Genel olarak kullanılan suyun %60-90’ı atıksu

olarak kanala gelir. Bahçe sulamasının fazla olduğu bölgelerde kullanım suyunun daha az bir

kısmı kanala gelirken, şehirleşmiş bölgelerde kullanım suyunun önemli bir kısmı atıksu olarak

kanala gelir.

Evsel kullanımlar nüfus ve kişisel kullanımlara göre tahmin edilebilir. Evler kalabalıklaştıkça

kişi başına düşen su kullanımı düşer.

7

Tablo 3.1. Evsel atıksu oluşum miktarları

Evde oturan kişi sayısı Aralık (L/kişi-gün) Tipik değer (L/kişi-gün) 1 285-490 365 3 194-335 250 5 150-260 193 7 140-244 182 8 135-233 174

Ticarethanelerden gelen sular: Tablo 3.2’de çeşitli ticaret hanelerden gelen atıksu miktarları

verilmiştir. Bu bölgelerden oluşan atıksular m3/ha.gün olarak da belirlenebilir. Genellikle 7,5-

14 m3/ha.gün arasındadır. İşyerleri, hastaneler ve okullar gibi işletmelerin kayıtlarından

faydalanılarak atıksu debilerinin tahmin edilmesi daha doğru bir yaklaşım olabilir.

İnfiltrasyon/inflow: Kanallara çeşitli yollarla giren sulardır. Özellikle kanal birleşim

noktalarından, kanallardaki kırık ve çatlaklardan sular girebilir. Yağmur nedeniyle yer altı su

seviyesinin yükselmesi nedeniyle kanala bağlı olarak 0,01-1,0 m3/gün.mm-km arasında

değişir. İnfiltrasyon ayrıca alan bazlı olarak da hesaplanabilir. Buna göre 0,2-28 m3/ha.gün

arasında alınabilir.

Exfiltrasyon: Kanalın birleşim ve servis noktalarından dışarıya atıksu sızmasıdır.

Exfiltrasyonun yoğun olması durumunda sığ yer altısuları kirlenerek içme sularına zarar

verebilir. Bazı durumlarda exfiltrasyon yüzeysel suların kirlenmesine ve bu sularda fekal

koliform sayısının artmasına neden olabilir. Kanallara bakım yapılması sonucu hem

exfiltrasyon hem de infiltrasyon debileri düşecektir.

Birleşik sistem kanalları: Bu kanallarda atıksular ve yağmur suları beraber toplanır.

Yağmurlu durumda kanaldaki debi kurak hava debisine kıyasla çok fazla olup, bazı

durumlarda atıksu debisi ihmal edilecek düzeyde olur. Çoğu zaman arıtma tesisi şiddetli

yağmurlar nedeniyle oluşacak yüksek debileri kabul edecek şekilde tasarlanmazlar. Çünkü

senede birkaç defa olabilecek bir debi için sistemin çok büyük tasarlanması hem yatırım

maliyetini arttıracak hem de düşük debili dönemlerde işletme problemlerine neden olacaktır.

Bu nedenle fazla suyun sisteme gelmeden ayrılması için by-pass yapılır. Bu fazla su bazen

arıtılmadan bazen de özel olarak tasarlanan çöktürücülerden geçirildikten sonra deşarj edilir.

Arıtma tesislerine gelecek pik debiler göz önünde bulundurularak hidrolik hesaplar yapılır.

Grafik Metodunu Kullanarak Eldeki Verilerin İstatistiksel Analizi

Üç aşamada gerçekleştirilir;

1. Eldeki veriler küçükten büyüğe sıralanır ve sıra numarası verilir.

2. Plotting position (grafik konumu) hesaplanır.

%plotting position= � ����� . 100

m: Sıra numarası

8

n: Gözlem sayısı

n+1: küçük numune sayılarından gelen hatayı telafi için 1 ile toplanır.

Grafik konumu; gözlem frekansının eşit veya daha küçük olduğu olasılık değerini verir.

3. Veriler aritmetik ve logaritmik kağıda çizilir. Veriler çizildikten sonra normal dağılım

kabul edilerek en iyi doğru geçirilir. Eğer verilere doğru uymuyorsa, logaritmik kağıda

çizilerek doğru geçirilir. Böylece log. değerlerinin normal dağılım gösterdiği kabul

edilir.

Örnek 3.4. Aşağıda 24 ay boyunca bir artıma tesisi çıkışından toplanan verileri kullanarak

istatistiksel parametreleri belirleyin.

Ay TSS(mg/L) KOİ (mg/L) 1,00 13,50 15,00 2,00 25,90 11,25 3,00 28,75 35,35 4,00 10,75 13,60 5,00 12,50 15,30 6,00 9,85 15,75 7,00 13,90 16,80 8,00 15,10 15,20 9,00 23,40 18,75

10,00 21,90 37,50 11,00 23,70 27,00 12,00 18,00 23,30 13,00 37,00 46,60 14,00 30,10 36,25 15,00 21,25 30,00 16,00 23,50 25,75 17,00 16,75 17,90 18,00 8,35 11,35 19,00 18,10 25,20 20,00 9,25 16,10 21,00 9,90 16,75 22,00 8,75 15,80 23,00 15,50 19,50 24,00 7,60 9,40

9

10

Çözüm

Sıra no TSS(mg/L) KOİ (mg/L) Plotting position (%) 1,00 7,60 9,40 4,00 2,00 8,35 11,25 8,00 3,00 8,75 11,35 12,00 4,00 9,25 13,60 16,00 5,00 9,85 15,00 20,00 6,00 9,90 15,20 24,00 7,00 10,75 15,30 28,00 8,00 12,50 15,75 32,00 9,00 13,50 15,80 36,00

10,00 13,90 16,10 40,00 11,00 15,10 16,75 44,00 12,00 15,50 16,80 48,00 13,00 16,75 17,90 52,00 14,00 18,00 18,75 56,00 15,00 18,10 19,50 60,00 16,00 21,25 23,30 64,00 17,00 21,90 25,20 68,00 18,00 23,40 25,75 72,00 19,00 23,50 27,00 76,00 20,00 23,70 30,00 80,00 21,00 25,90 35,35 84,00 22,00 28,75 36,25 88,00 23,00 30,10 37,50 92,00 24,00 37,00 46,60 96,00

y = 0.2706x + 4.1076

R² = 0.9412

y = 0.3157x + 5.6886

R² = 0.8595

0.00

5.00

10.00

15.00

20.00

25.00

30.00

35.00

40.00

45.00

50.00

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.00

mg

/L

% Plotting position

TSS

KOİ

11

Örnek 3.5. Aşağıda verilen haftalık debileri kullanarak oluşma sıklıklarını belirleyin. Ayrıca,

tam yıl bir işletmede oluşacak maksimum haftalık debiyi tahmin edin.

Hafta no m3/hafta 1 2900 2 3040 3 3540 4 3360 5 3770 6 4080 7 4015 8 3675 9 3810

10 3450 11 3265 12 3180 13 3135

Çözüm:

Hafta no m3/hafta % Plotting

Pos. 1,00 2900,00 7,14 2,00 3040,00 14,29 3,00 3135,00 21,43 4,00 3180,00 28,57 5,00 3265,00 35,71 6,00 3360,00 42,86 7,00 3450,00 50,00 8,00 3540,00 57,14 9,00 3675,00 64,29

10,00 3770,00 71,43 11,00 3810,00 78,57 12,00 4015,00 85,71 13,00 4080,00 92,86

y = 13.404x + 2808.3

R² = 0.9922

0.00

1000.00

2000.00

3000.00

4000.00

5000.00

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00

m3

/ha

fta

%plotting position

12

Bir yıl içinde gözlenebilecek maksimum haftalık debi:

İlk olarak olasılık faktörü hesaplanır. Pik hafta = m/(n+1) = 52/(52+1) = 0.981

Grafik kullanarak %98.1’e karşılık gelen debi = 4500 m3/hafta olarak hesaplanır.

Atıksu Debi Değişimlerinin Analizi

Arıtma tesisine gelen atıksu debileri günlük eğişimler göstermektedir (Şekil 3.1). Minimum

akım, su kullanımının az olduğu ve inflow akımının ana akım olduğu sabah erken saatlerde

olur. İlk pik akım sabah saatlerinin sonlarında, ikinci pik akım ise akşam 7-9 saatleri arasında

gözlenir. Pik akım ile ortalama akım arasındaki fark nüfusa ve kanalizasyon sisteminin

uzunluğuna bağlıdır.

Şekil 3.1. Evsel atıksu debisinin saatlik değişimi

Atıksu arıtma tesislerinin tasarımında kullanılacak debilere ait bazı tanımlamalar aşağıdaki

Tablo 3.3’de sunulmuştur.

Tablo 3.3. Arıtma tesisi tasarımında kullanılacak debilerin tanımları

Debi Tanım Ortalama kurak hava debisi Kurak hava koşullarında, infiltrasyonun sınırlı olduğu

koşullarda günlük ortalama debi Ortalama yağışlı hava akımı İnfiltrasyonun önemli olduğu yağışlı hava koşullarında

günlük ortalama debi. Yıllık ortalama günlük akım Yıllık ortalama debi Saatlik pik Gözlenen en yüksek saatlik debi Maksimum günlük Gözlenen en yüksek maksimum günlük ortalama debi Minimum saatlik debi Bir günde gözlenen en düşük ve 1 saat boyunca korunan debi Minimum günlük debi Bir gün boyunca korunan kayıtlı en düşük günlük ortalama

debi

13

Atıksu pik veya maksimum debisinin hesaplaması özellikle hidrolik hesapların yapılması için

oldukça önemlidir. Bu amaçla pik faktörü kullanılır. Pik faktörü aşağıdaki şekilde

hesaplanabilir:

Pik faktörü = günlük veya saatlik pik debi/ortalama debi

Tasarım debisinin seçimi

Atıksu arıtma tesisi boyutları hesaplanırken yıllık ortalama debi ve gelecekteki büyüme

dikkate alınsa da, bir arıtma tesisinin bir çok debi koşulunu sağlaması gerekmektedir. Tesisin

dizaynı için önemli debiler minimum ve pik debilerdir. Ayrıca, minimum, maksimum ve

ortalama kirlilik yükleri de önemlidir.

Minimum debiler: Düşük debiler özellikle arıtma tesisinin ilk işletmeye alındığı yıllarda

karşılaşılır. Dizayn debisine belli bir zaman sonra ulaşılacak olup, dizayn debisine ulaşılana

kadar düşük debiler beklenmelidir. Ayrıca gece saatlerinde de tesise düşük debiler

gelmektedir. Eğer sistemin sağlıklı işletilmesi için belli bir debinin üstüne çıkılması gerekirse,

14

arıtılmış suyun bir kısmı sistem girişine geri devredilebilir. Elde herhangi bir verinin

olmaması durumunda, minimum debi ortalama debinin %30 ile 70’i arasında değişir.

Pik debi faktörleri: Dizayn amacıyla kullanılan en önemli pik faktörleri; saatlik pik ve

maksimum günlük debilerin hesabı içindir. Saatlik pik debiler hidrolik hesaplar için

önemlidir. Aşağıdaki Şekil 3.2 ve Şekil 3.3 farklı debilerin hesaplanmasında kullanılabilecek

pik faktörleri göstermektedir.

Şekil 3.2’de görüldüğü üzere, ABD’de bir gün devam eden pik debinin ortalamaya oranı 2,9

olarak kabul edilir. Bir gün devam eden minimum debi ise ortalama debinin 0,4 katıdır. Diğer

süreler için veriler şekilden okunabilir.

Şekil 3.2. 30 günlük zaman periyotuna kadar pik debi ve minimum debinin yıllık ortalama

debiye oranları

Nüfus arttıkça, pik debilerle yıllık ortalama debi arasındaki farkın azaldığı Şekil 3.3’de

görülmektedir.

15

Şekil 3.3. Saatlik pik debi faktörünün nüfusa bağlı olarak değişimi

Örnek 3-9: Mevcut nüfusu 15.000 olan bir yerleşim yerinin atıksu arıtma tesisinin

büyütülmesi düşünülmektedir. 20 yılda nüfusun 25.000 olacağı ve ayrıca 2000 yeni

öğrencinin olacağı tahmin edilmektedir. Ayrıca yeni bir endüstrinin taşınacağı ve bu

endüstrinin ortalama debisinin 840 m3/gün ve maksimum debisinin 1260 m3/gün olacağı tahmin edilmektedir. İşletme günde 8 saat çalışacak ve haftada bir gün kapalı olacaktır. Tesise

gelen mevcut atıksu debisi günlük ortalama 6.500 m3/gün olup, infiltrasyon ve inflow un

düşük olduğu bilinmektedir. Inflitrasyonun ortalama akımda 100 L/kişi-gün ve pik debide 150

L/kişi-gün olduğu bilinmektedir. Yeni kurulacak olan evlerde su-tasarım aparatlarının

kurulması nedeniyle kişisel su kullanımının eskilere kıyasla %10 daha düşük olacağı tahmin

edilmektedir. Bu durumda gelecek için ortalama, pik ve minimum dizayn debilerini

hesaplayın. Pik debi için faktör 2,75 ve minimum debinin ortalamaya oranının 0,35 olduğu

bilinmektedir.

Çözüm:

1. İlk olarak şimdiki ve gelecekteki günlük kişi başı su kullanım miktarları

belirlenecektir.

a. Mevcut durumda evsel su kullanım hesaplanacaktır.

İnfiltrasyon= 100 L/kişi-gün x 15.000kişi = 15.000.000 L/gün = 1.500 m3/gün.

Evsel (kişisel) su kullanım miktarı = 6500 – 1500 = 5000 m3/gün.

b. Kişi başına evsel su kullanımının hesabı

Kişi başı su kullanımı = 5000/15000 = 0.33 m3/kişi-gün= 330 L/kişi-gün.

c. Gelecek için kişi başı su kullanım miktarlarının hesabı

16

Gelecekte su kullanımının %10 düşeceği tahmin edilmekte olup, kişi başı su kullanım

değeri 330x0.9 = 0,297 m3/kişi-gün olarak hesaplanır.

2. Gelecek için ortalama debinin hesaplanması

Mevcut kişisel kullanımdan oluşan atıksu = 5000 m3/gün

Artan nüfustan dolayı artacak kişisel kullanım (25000-15000)*0.297 = 2970 m3/gün

Öğrencilerden gelen (95L/kişi-gün kullanım) = 2000*0.095 = 190 m3/gün

Endüstriyel kullanım = 840 m3/gün

İnfiltrasyon (25.000*0.10 m3/(kişi.gün)) = 2500 m3/gün

Gelecekteki toplam ortalama günlük debi = 11.500 m3/gün

3. Gelecekteki pik debinin hesabı

Evlerde kişisel kullanımlar ( 2.95*(5000+2970+190)) = 22.440 m3/gün

Endüstriyel pik debi = 1260 m3/gün

İnfiltrasyon (25000*0.150) = 3750 m3/gün

Gelecekteki toplam pik debi = 27.450 m3/gün

4. Gelecekteki minimum debinin hesabı

Evlerde kişisel kullanımlar (0,35*(5000+2970) okulun kapalı olduğu gün) = 2780 m3/gün

Endüstriyel debi (akşamları işletmenin kapalı olduğu düşünülerek) = 0 m3/gün

İnfiltrasyon (25000*0.100) = 2500 m3/gün

Gelecekteki toplam pik debi = 5.280 m3/gün

Nüfus Verisinin Kullanılmasıyla Gelecekteki Atıksu Debilerinin Hesaplanması

Debideki değişimler ve nedenleri yukarıda ayrıntılı olarak tartışılmış olup, bu bölümde

geleceğe dair debi ve nüfus hesaplarının özellikle çeşitli yönetmeliklere göre hesaplanması

üzerinde durulacaktır.

1-İller Bankası Kanalizasyon Projeleri Yönetmeliği’ne göre, günün en fazla su sarf edilen bir

saatinde debi, o günün ortalama debisinin 2 katıdır. Senenin en çok su sarf edilen gününün

ortalama debisi Q24 ile gösterilirse, max Qst (Q12)= 2.Q24 ve gündüz saatlerine mahsus

ortalama debi 1,5.Q24 olarak hesaplanabilir.

2-Alman literatüründe sabah 8den akşam 20’ye kadarki gündüz saatleri ortalaması Q18 ile 24

saatin maksimum debisi Q14 ile gösterildiğine göre,

17

ABD ve İSKİ yönetmeliğine göre, maksimum saatlik debi ile maksimum günlük debinin

ortalamaya oranı nüfusa bağlı olup, aşağıdaki formül ile hesaplanabilir.

P, bin olarak nüfusu gösterir. Örneğin 100.000 kişilik nüfus için P =100 alınır.

18

Atıksu debilerinin hesabı:

Q= Qev+Qsanayi+Qsızma olarak hesaplanır.

Evsel debi, kişi başına günlük su sarfiyatı nüfusla çarpılarak bulunabilir. Yıllık ortalama kişi başına günlük su ihtiyacı qort ile gösterilirse yaz aylarındaki su ihtiyacını temsil eden değer

(qmax), ortalama değerin 1,5 katı olarak kabul edilmektedir. Su ihtiyacının %70–90 arasındaki

belirli bir oranı kanallara intikal etmektedir. Bu yüzden evsel debi;

Qevmax = Q24= α.qmax.N

İfadesiyle hesaplanır. Burada;

Qevmax = Q24 = yazlık evsel su sarfiyatı, m3/gün

α = Kullanılan suyun kanala gelen oranı

Buna göre debiler aşağıdaki formülleri kullanarak hesaplanır;

Qh = Q24/n1 + Qsanayi/n2 + Qsızma/24 Qort = (Q24 + Qsanayi + Qsızma)/24 Qmin = Q24/n3 + Qsanayi/n4 + Qsızma/24

Burada;

Qh = Hesap debisi, m3/saat

Q24 = En çok su sarf edilen yaz gününe ait ortalama evsel atıksu debisi, m3/gün

Qmin= Minimum debi, m3/saat

n1; amaca göre farklı değerler alabilir. Eğer maksimum saatlik debinin hesaplanması istenirse

saatlik pik debi ortalamanın 2 katı olarak kabul edilebilir (veya Şekil 3.1 kullanılır) ve Q12 =

2.Q24 olarak hesaplanır. Eğer Q12 debisi m3/saat olarak, Q24 debisi de m3/gün olarak alınırsa

Q12 = Q24/12 olarak alınır ve n1 = 12 alınmış olur.

19

Bazı durumlarda hesap debisi olarak Q18 yani gün içerisinde ortalama gündüz saatleri baz

alınabilir. Bu durumda yukarıdakine benzer şekilde Q18 = (24/18.Q24)/24 olarak hesaplanır.

Burada; Q18 debisi m3/saat olarak, Q24 debisi de m3/gün cinsindendir. Yukarıdan n1, 18 olarak

hesaplanır. Yani, Q18 = Q24/18.

Genel olarak, debi değişimleri nüfus artışıyla azalmakta olup n1 değeri nüfusa bağlıdır. Basit

olarak hesap debisinin tahmininde n1 değeri aşağıdaki tablodan alınabilir.

Tablo 3.4. Nüfusa bağlı olarak n1 değerleri

n2 = Sanayi debisiyle alakalı olup, tek vardiya çalışma durumunda 5-10 arası alınabilir.

n3 = minimum debi hesaplamasında kullanılmakta olup, 37-40 arasında bir değer alınır.

Mesela 40 alınabilir.

n4= minimum debi hesabında sanayi debisi için kullanılır. Eğer 2-3 vardiya çalışıyorsa 24

alınır. Eğer tek vardiya çalışılıyorsa, minimum debi gece debisi olduğundan sanayi debisi

hesaptan tamamen çıkarılır.

Sanayi debilerinin tahmini oldukça zor ve karmaşıktır. Küçük yerler için bu tahmin kolay iken

büyük yerleşim yerleri için oldukça zordur. Üç şekilde düşünülebilir;

1- Eşdeğer nüfus hesaplanıp, sanayi debisi evlerden gelen atıksu içinde düşünülebilir.

2- Debi değişimlerinden tahmin edilmeye çalışılır. 3- Sanayi bölgelerinden hektar başına debi alınarak hesaplanabilir. Buna göre 0,5-1,0

L/sn.ha arasında alınabilir.

Arıtma Tesislerine gelen yüklerin tahmin edilmesi Atıksu arıtma tesislerine gelecek yükler ise, kişi başı üretilecek kirlilik yükleri kullanılarak

hesaplanabilir. Ayrıca, kişi başı su tüketimi de kullanılarak arıtma tesislerine evsel

kullanımlardan dolayı gelecek kirlilik konsantrasyonları hesaplanmış olur. Bu hesaplamalar

için kullanılabilecek bazı değerler Tablo 3.5’de sunulmuştur.

20

Tablo 3.5. Evsel kullanımdan doğan kirlilik yükleri

Ayrıca Tablo 3.6’de evsel atıksular için tipik kirletici konsantrasyonları verilmiştir.

21

Tablo 3.6. Ham atıksuyun tipik özellikleri

22

BÖLÜM 4. FİZİKSEL ARITMA (IZGARALAR, KUM TUTUCULAR VE ÇÖKTÜRME HAVUZLARI)

Bu bölüm Öztürk vd. ‘Atıksu arıtımının esasları’ ve Muslu ‘atıksuların arıtımı’ kitaplarından

işlenecektir.

23

BÖLÜM 5. BİYOLOJİK ARITIMIN ESASLARI

Uygun koşulların sağlanması ve biyolojik sistemin iyi bir şekilde işletilmesi koşuluyla, atıksu

içerisindeki biyolojik olarak parçalanabilen bütün organik maddeler giderilebilir. Dolayısıyla,

çevre mühendisinin her bir biyolojik prosesi iyi bilmesi ve tüm koşulları optimum arıtımın

gerçekleşebilmesi için iyi ayarlayabilmesi gerekmektedir.

Biyolojik arıtımın amacı

• Çözünmüş ve partikül haldeki biyolojik parçalanabilir maddeleri çevresel açıdan kabul

edilebilir yan ürünlere (CO2 ve H2O gibi) dönüştürmek.

• Askıda ve çökemeyen partikülleri biyolojik yumaklar içerisine hapsetmek

• Azot ve fosfor gibi nütrientleri gidermek

• Bazı durumlarda spesifik iz maddeleri gidermek.

Bazı endüstriyel atıksularda, mikroorganizmalar için toksik organik veya inorganik maddeler

bulunmakta olup biyolojik arıtım öncesinde giderilmeleri gerekmektedir. Buna ön arıtım veya

pretreatment denir. Evsel atıksu arıtımı amacıyla en çok kullanılan bazı arıtma tesisi prosesleri

Şekil 5.1’de gösterilmiştir. Biyolojik arıtımda kullanılacak bazı özel terimlere ait tanımlar

Tablo 5.1’de verilmiştir.

Tablo 5.1. Biyolojik arıtımda kullanılan bazı özel terimlerin açıklamaları

Terim Tanım Metabolik fonksiyon Aerobik Proses Oksijen varlığında gerçekleşen biyolojik arıtım prosesi

Anaerobik proses Oksijen yokluğunda gerçekleşen biyolojik arıtım prosesi Anoksik proses Elektron alıcı olarak nitratın kullanıldığı biyolojik arıtım prosesi

Fakültatif proses Moleküler oksijen varlığında ve yokluğunda gerçekleşen biyolojik arıtım prosesi

Birleşik aerobik/anoksik/ anaerobik proses

Aerobik, anoksik ve anaerobik arıtım proseslerinin farklı kombinasyonlarda kullanılarak spesifik bir arıtım amacını gerçekleştirmek

Arıtım Prosesi Askıda-büyümeli proses

Arıtımdan sorumlu bakterilerin askıda büyüdüğü arıtım prosesi

Bağlı büyümeli proses Arıtımdan sorumlu bakterilerin taş, aktif karbon, plastik gibi inert bir yüzeye yapışık olarak büyüdüğü arıtım prosesi

Birleşik proses Askıda ve bağlı büyümenin bir arada kullanıldığı birleşik sistemler Arıtım Fonksiyonu Biyolojik nütrient giderimi

Biyolojik arıtma tesislerinde azot ve fosforun giderildiği proseslerdir.

Biyolojik fosfor giderimi

Biyolojik olarak fosforun mikroorganizmalarda biriktirilerek atıksudan giderildiği arıtım prosesidir.

Karbon kaynaklı BOİ giderimi

Biyolojik olarak organik maddenin atık biyokütleye ve CO2’e dönüştürüldüğü arıtım prosesidir. Burada azotun amonyağa dönüştürüldüğü kabul edilir.

Nitrifikasyon Amonyumun, iki aşamada nitrata dönüştürüldüğü proseslerdir.

24

Denitrifikasyon Nitratın elektron alıcı olarak kullanılarak azota indirgendiği biyolojik proseslerdir.

Stabilizasyon Biyolojik arıtım sonucu oluşan çamurun aerobik veya anaerobik olarak arıtılarak stabilize edildiği ve Zarasız hale getirildiği proseslerdir.

Substrat Biyolojik arıtımda organik madde veya nütriente verilen isimdir. Genellikle biyolojik arıtımda sınırlayıcı maddeye verilen isimdir. Örneğin organik maddenin giderildiği biyolojik arıtımda organik madde substrat iken, nitrifikasyonda amonyum substrattır.

Atıksu Arıtımında Mikroorganizmanın Rolü

Atıksu arıtımında çözünmüş ve partikül haldeki organik maddelerin arıtımında bir çok

mikroorganizma rol almakta olup, en önemlisi bakteridir. Mikroorganizmalar, çözünmüş yada

partikül halindeki organik maddeleri oksitleyerek, basit yan ürünlere ve biyo-kütleye

dönüştürmekte olup, bu olay aşağıdaki reaksiyon ile özetlenebilir.

Organik madde + O2 + NH3 + PO4-3 → yeni hücreler + CO2 + H2O

Ayrıca, bazı bakteriler amonyak veya amonyumu nitrata dönüştürebilmektedir. Bazı anoksik

bakteriler de nitratı elektron alıcı olarak kullanıp azot gazına indirgeyebilmektedir. Fosfor

arıtımında ise çeşitli konfigürasyonlar kullanarak fosfor depolayan bakteriler zenginleştirilir ve inorganik fosfor hücre içerisinde depolanır. Biyolojik oksidasyon sonucu üretilen

biyokütlenin özgül yoğunluğu, suyun yoğunluğundan biraz fazla olup kendi ağırlığıyla

çökelebilir. Arıtım sonrası bakterinin ayrılmaması durumunda tam bir arıtım yapılmış sayılmaz çünkü bakterinin kendisi çıkış suyunda KOİ ve BOİ olarak ölçülecektir.

Atıksu Arıtımı Amacıyla Kullanılan Biyolojik Prosesler

Atıksu arıtımı amacıyla kullanılan biyolojik prosesler askıda ve bağlı büyümeli olarak iki

kategoriye ayrılabilir(Tablo 5.2). Tablo 5.2’de verilen prosesleri dizayn ederek etkili bir

şekilde işletebilmek için proseslere ait reaksiyonları, her bir proseste yer alan

mikroorganizmaları, çevresel ve besin ihtiyaçlarını bilmek gerekmektedir.

Askıda Büyümeli prosesler

Askıda büyümeli sistemlerde mikroorganizmalar, uygun karıştırma metotlarıyla sistemde

askıda tutulur. Askıda büyümeli aerobik sistemler hem evsel hem de endüstriyel atıksuların

arıtımında yaygın bir şekilde kullanılmakla beraber, askıda büyümeli anaerobik proses

uygulamaları da mevcuttur. En yaygın olarak kullanılan askıda büyümeli aerobik proses aktif

çamur sistemi olup, Şekil 5.2’de gösterilmiştir. Aktif çamur prosesi 1913 yılında Lawrens

Deney İstasyonunda Clark ve Gage tarafından ve İngiltere’de Ardern ve Lockett (1914)

tarafından bulunmuştur. Sisteme aktifleştirilmiş (veya aktif) çamur denmesinin nedeni aerobik

koşullarda atığı stabilize edecek aktif biyokütlenin üretilmesidir. Havalandırma tankında

biyokütle karışımıyla atıksu temas halinde tutularak biyokimysal reaksiyonların oluşması

sağlanır. Havalandırma tankındaki kütleye karışık askıda katı madde denir. Bu karışımın

25

sağlaması ve sisteme oksijenin verilmesi için mekanik ekipmanlar kullanılır. Daha sonra,

karışık sıvı bir çöktürme tankına alınır ve burada biyokütle çöktürülerek yoğunlaştırılır.

Şekil 5.1. Evsel atıksu arıtımı amacıyla kullanılan arıtma çeşitli arıtma tesisi akım şemaları

Aktif çamur olarak adlandırılan çöktürülen çamur, havalandırma tankına geri devrettirilerek

arıtıma devam etmesi sağlanır. Üretilen çamurun bir kısmı günlük veya periyodik olarak

sistemden uzaklaştırılır çünkü çamurla beraber atıksu girişinden gelen bir kısım dirençli

katılarda sistemde birikmekte olup fazla çamurun çekilmesi gerekmektedir. Eğer sistemde

biriken çamur uzaklaştırılmaz ise bir şekilde sistem çıkışından kaçacak ve arıtılmış suyun

kalitesini bozacaktır.

Aktif çamurun önemli bir özelliği, 50 ile 200 µm arasında değişen flok partiküllerinin

üretilmesidir. Bu partiküller çökelme ile atıksudan uzaklaştırılabilir ve temiz bir çıkış suyu

elde edilebilir. Tipik olarak üretilen flokların %99’u çökelme ile sudan ayrılabilir.

26

Tablo 5.2. Atıksu arıtımında kullanılabilecek önemli biyolojik arıtma prosesleri

Tipi Genel Adı Kullanımı

Havalı Prosesler: Askıda-Büyüyen

Aktif çamur prosesleri Konvansiyonel(piston akımlı) Tam karışımlı Kademeli havalandırmalı Saf oksijenli Ardışık kesikli reaktör Kontakt stabilizasyon Uzun havalandırmalı A.Ç Oksidasyon hendeği Derin şaft A.Ç. sistemi

Karbonlu BOI giderimi ve nitrifikasyon

Yüzeyde büyüyen

(Biyofilmli)

Askıda-büyüyen Nitrifikasyon Havalandırmalı lagün Havalı çürütme Konvansiyonel havalı Saf oksijenli Damlatmalı Filtre Düşük hızlı Yüksek hızlı Kaba Filtre (roughing) Döner biyolojik disk Dolgulu kuleler

Nitrifikasyon Karbonlu BOI giderimi (nitrifikasyon) Stabilzasyon, karbonlu BOI5 giderimi nitrifikasyon Karbonlu BOI giderimi nitrifikasyon Karbonlu BOI giderimi karbonlu BOI giderimi ve nitrifikasyon

Birleşik askıda ve

tutunarak

büyüyen sistemler

Aktif çamur biyofiltre prosesleri biyofiltre prosesleri aktif çamur

Anoksik Prosesler: Askıda büyüyen

Tutunarak büyüyen

Askıda büyüyen denitrifikasyon Sabit-film denitrifikasyon

Denitrifikasyon

Havasız Prosesler:

Askıda büyüyen

Havasız çürütme Standart hızlı, tek kademeli Yüksek hızlı, tek kademeli iki kademeli Havasız kontakt prosesler Havasız çamur yataklı reaktör

karbonlu BOI giderimi

Tutunarak büyüyen Havasız filtre Genleşmiş yataklı reaktör

karbonlu BOI giderimi, atık stabilizasyonu, denitrifiaksyon. karbonlu BOI giderimi, atık stabilizasyonu

Birleşik havalı, havasız ve

anoksik prosesler Askıda büyüyen

Tek veya çok basamaklı, çeşitli özel prosesler

Karbonlu BOI giderimi, nitrifikasyon, denitrifikasyon P giderimi

27

Birleşik askıda ve

tutunarak büyüyen

Tek veya çok kademeli prosesler

Karbonlu BOI giderimi, nitrifikasyon, denitrifikasyon,Pgiderimi

Lagünler

Havalı havuzlar, Olgunlaştırma havuzları Fakültatif havuzlar Havasız havuzlar

Karbonlu BOI giderimi Karbonlu BOI gid.(nitr.) Karbonlu BOI giderimi Karbonlu BOI giderimi (atık stabilizasyonu)

Şekil 5.1. Askıda büyümeli biyolojik prosesler

Bağlı Büyümeli Sistemler

Bağlı büyümeli sistemlerde organik maddelerin ve nütrientlerin dönüşümünden sorumlu olan

mikroorganizmalar inert bir taşıyıcı malzemeye yapışık olarak büyürler. Bağlı olarak büyüyen

mikroorganizmalar biyofilm olarak adlandırılır. Mikroorganizmaların tutunması için

kullanılan taşıyıcı malzemeler; taş, çakıl, kum, plastik, tahta veya bazı sentetik malzemeler

olabilir. Bağlı büyümeli sistemler aerobik veya anaerobik olarak işletilebilirler. Ayrıca bu

sistemler, batmış yani tamamen su ile dolu veya batmamış yani kısmen su ile dolu olacak

şekilde de işletilebilirler.

28

Atıksu arıtımında en çok kullanılan aerobik biyofilm prosesi damlatmalı filtrelerdir. Bu

filtrelerde, atıksu üst taraftan yarı doygun yatak malzemesi üzerine damlalar şeklinde verilir

ve atıksu biyofilm üzerinden akarken arıtım gerçekleşir. Damlatmalı filtrelerde, taşıyıcı

malzeme olarak genellikle taş malzeme kullanılmakta olup derinlikleri 1.25-2 m arasındadır.

Damlatmalı filtre aşağıdaki şekilde verilmiştir.

Şekil 5.2. Bağlı büyümeli biyolojik arıtım prosesi

Modern damlatmalı filtreler ise; 5-10 m yüksekliğinde olup, biyofilm yapışması amacıyla

plastik malzeme kullanılmaktadır. Plastik malzeme ile doldurulmuş kulelerde, boşluk hacmi

genellikle yüksek olup %90-95 civarındadır. Boşluklardaki hava sirkülasyonu doğal yollarla,

tüplerle veya hava pompalarıyla sağlanmakta olup, bağlı olarak büyüyen mikroorganizmalar

için oksijen sağlanır. Atıksu biyofilm üzerinden ince bir film şeklinde akar. Fazla

mikroorganizma, taşıyıcı malzeme üzerinden kopar ve bu nedenle düşük konsantrasyonlarda

askıda katı madde içeren çıkış suyu elde edebilmek için çökeltme tankı gerekmektedir. Çöken

katılar, çökeltme tankının dip tarafında toplanır ve zaman zaman uzaklaştırılır.

Mikroorganizmaların Kompozisyonu ve sınıflandırılması

Biyolojik atıksu arıtımında kullanılan karışık kültür, bakteri, protozoa, rotifer ve alg gibi

birçok farklı mikroorganizma grubu içermektedir. Bazı durumlarda, biyolojik atıksu arıtımı

sadece spesifik türlerin varlığıyla gerçekleşebilir. Bu bölümde mikroorganizmaların daha iyi

anlaşılabilmesi için (1) hücre içeriği (2) hücre bileşimi (3) mikroorganizmaların aktivitesini

29

etkileyen çevresel koşullar (4) mikroorganizmaların tanımlanması ve sınıflandırılması için

metotlardan bahsedilecektir.

Hücre İçeriği

Prokaryotik hücrelerin önemli içerikleri ve fonksiyonları Şekil 5.3a ve Tablo 5.3’de

gösterilmiştir. Benzer olarak ökaryotik hücrelerin içerikleri ise Şekil 5.3b’de gösterilmiştir.

Şekil 5.3. Prokaryotik (a) ve ökaryotik (b) hücrenin yapısı

Mikroorganizmanın arıtma kapasitesini belirleyen enzimlerin üretilmesinden

deoxiribonükleik asit (DNA) ve ribozomlar sorumludur. Ribozomlar proteinlerin (dolayısıyla

enzimlerin) sentez yeri olup, proteinlerin yapısını belirleyen genetik bilgiyi DNA

sağlamaktadır.

Nükleik asitler, DNA ve RNA, nükleotitlerden meydana gelmektedir. Her bir nükleotit beş karbonlu şeker bileşiği, bir azotlu baz, ve fosfat molekülünden oluşmaktadır (Şekil 5.4). DNA

ve RNA zincirini oluşturmak için, fosfat grubu şeker molekülünün 3. karbonuna (oksijen

bağından saat yönüne doğru) bağlanır. DNA’nın azot bazı dört adet pirimidin veya purin

bileşiklerinden biri olabilir: stozin (cytosine, C), timin (thymine, T), adenin (adenine, A) ve

guanin (guanine, G). Benzer olarak RNA’da da dört azotlu baz yer almakta olup, sadece timin

yerine urasil (uracil, U) mevcuttur. DNA, çift sarmallı olup her bir sarmal birbirine azot

bağlarıyla bağlanmaktadır. Bağlanma oldukça spesifik olup, G ile C, A ve T birbirine

bağlanabilmektedir. RNA ise tek sarmallı bir yapı olup, A, C, G ve U bazlarını içermektedir.

DNA daki nükleotitlerin sırası, bakteriler için gerekli spesifik protein ve enzimlerin üretilmesi

için gerekli genetik kodu oluşturur. DNA’daki nükleotit sayısı oldukça fazla olup genellikle

kilobaz (1000 nükleotit) olarak verilir. Escherichia coli her bir DNA sarmalında 4.7 milyon

nükleotit veya 4700 kilobaz çiftine sahiptir.

30

Tablo 5.3. Bakterinin hücre içeriklerinin tanıtılması

Hücre bileşeni Fonksiyonu

Hücre duvarı Hücre şeklinin oluşmasını sağlar ve yapıyı kuvvetlendirir. Hücre membranını korur. Bazı bakteriler hücre duvarının etrafını saran yapışkan polisakarit tabaka oluşturabilir. Buna kapsül veya kaygan tabaka denir.

Hücre

membranı Hücre içerisine çözünmüş organik ve nütrientlerin alınmasıyla, hücre dışına metabolik ürünlerin atılmasını kontrol eder.

Stoplazma Su, nütrinet, enzim, ribozom ve küçük organik molekülleri içeren ve hücre hücrenin işlev görmesini sağlayan sıvıdır.

Stoplazmik depolar

Karbon, nütrient ve enerji sağlayan stoplazmik depolardır. Polihidroksibütrat (PHB) veya glikojen, yağ, ve sülfür granülleri gibi depolardır.

DNA Çift sarmallı bir yapı olup, hücrede üretilecek protein veya enzimler için genetik bilgileri sağlar.

Plazmid DNA Küçük yuvarlak DNA molekülleri olup, bakterilere özel genetik özellikler kazandırır.

Flagellea Protein olup saç yapısındadır. Bakteriye hareket özelliği kazandırır.

Fimbriae ve pili Kısa saç yapısında proteinler olup, bakterilerin birbirine ve yüzeylere yapışmasını sağlar.

Şekil 5.4. DNA ve RNA’yı oluşturan nükleotitlerin yapısı

Gen ekspresyonu, Şekil 5.5’de verilmiştir.

31

Şekil. 5.5. Gen ekspresyonu proteinlerin oluşmasını sağlar. İlk olarak DNA’nın bir

kısmındaki genetik kod mRNA ya yazılır, bu genetik kod ribozomlarda okunur ve tRNA ların

taşıdığı amino asitlerle önce polipeptitler ve son olarak proteinler oluşturulur.

Hücre enzimi; protein ve metalik iyonlar (Zn, Fe, Cu, Mn yada Ni) gibi kofaktörler içerir.

Enzimler, atıksu arıtımında mikroorganizmaların metabolik kapasitesini belirler. Enzimler

büyük moleküller olup, molekül ağırlıkları 10.000-1.000.000 arasında değişmektedir.

Enzimler; hidroliz, indirgenme-yükseltgenme ve sentez reaksiyonları gibi hücrenin önemli

biyolojik reaksiyonlarını katalizler. Örnek olarak hücre dışı enzimler, partikül halindeki yada

büyük moleküllerin hidrolizini gerçekleştirmekte olup, oluşan düşük molekül ağırlığına sahip

moleküller hücre membranından kolaylıkla geçebilmektedir. Enzimler ayrıca constitutive

(yapısal) veya inducible olarak adlandırılabilirler. Constitutive enzimler hücre tarafından

sürekli olarak üretilirken, inducible enzimler ancak spesfik bir bileşiğin mevcudiyetinde yani

özel koşullarda üretilen enzimlerdir. Enzim aktivitesi, sıcaklık ve pH ile değişebilmektedir.

Hücre içeriği

Biyolojik sistemlerde mikrobiyal büyümeyi desteklemek için, uygun nütrientlerin mevcut

olması gerekmektedir. Bir hücrenin tipik kompozisyonu, büyüme için nelerin gerektiğine dair

bilgiler sunmaktadır. Prokaryotlar %80 su ve %20 kuru madde içermektedir. Bu kuru

maddenin %90’ı organik ve %10’u inorganiktir. Prokaryotik bir hücreye ait tipik

kompozisyon Tablo 5.4’de verilmiştir.

32

Tablo 5.4. Bakteri hicresinin tipik kompozisyonu

Bir hücrenin organik kısmını göstermek için en çok kullanılan formül C5H7NO2 olup ilk defa

Hoover ve Porges tarafından 1952 yılında önerilmiştir. Organik franksiyonun yaklaşık %53’ü

karbondur. Fosforunda dikkate alındığı bakteri formülü ise C60H87O23N12P şeklinde

verilebilir. Her iki formülde yaklaşık olup, bakteri türüne, zamana ve yaşam koşullarına bağlı olarak kompozisyon değişebilir. Azot ve fosfor yüksek konsantrasyonlarda hücre içerisinde

bulunduğu için makro nütrienter olarak isimlendirilirler. Prokaryotlar ayrıca iz miktarda

çinko, mangan, bakır, molibdenyum, demir ve kobalt gibi metalik iyonlara yada

mikronütrientlere ihtiyaç duyabilir. Bütün bu elementler ve bileşikler mikroorganizmaların

yaşam çevrelerinden alındığından, her hangi birinin eksikliği büyüme hızını değiştirebilir.

Çevresel Faktörler

Büyüme ortamının pH ve sıcaklığı, mikroorganizmaların seleksiyon, hayatta kalma ve

büyüme özelliklerini önemli derecede etkiler. Birçok bakteri geniş bir pH ve sıcaklık

aralığında canlı kalabilirken, optimum değerler oldukça dar bir aralıktadır. Optimum

sıcaklığın altındaki değerlerde, genellikle 10oC’lik bir sıcaklık artışı, bakterilerin büyüme

hızını iki kat arttırır. Optimum sıcaklık değerlerine göre bakteriler psikrofilik, mezofilik ve

33

termofilik olarak sınıflandırılırlar. Her bir kategoriye ait optimum aralıklar Tablo 5.5’de

verilmiştir.

Tablo 5.5. Biyolojik proseslerin sıcaklığa göre sınıflandırılması

pH bakteri büyümesi için önemli çevresel faktörlerden biridir. Birçok bakteri pH 9,5’in

üzerinde veya 4.0’ün altında yaşayamamakta olup optimum değer genellikle 6,5-7,5

arasındadır. Bazı arkeler 60-80oC sıcaklıklarda, çok düşük pH değerlerinde veya yüksek

tuzluluklarda yaşayabilirler.

Mikrobiyal Metabolizmaya Giriş

Biyolojik artıma tesislerinin dizaynın veya seçiminin yapılabilmesi için mikroorganizmaların

biyokimyasal aktivitelerinin bilinmesi gerekmektedir. Mikroorganizmaların, hücrelerin

karbon kaynağına göre, elektron alıcı veya vericilerine göre kıyaslanması Tablo 5.6’da

verilmiştir. Farklı mikroorganizmalar; oksijen, nitrat, nitrit, Fe(III), sülfat, organik maddeler

ve CO2 gibi elektron alıcıları kullanabilirler. Bazı önemli karbon mekanizmaları ayrıca Şekil

5.6’da verilmiştir.

Şekil 5.6. Bakteri metabolizmalarına örnekler. (a) aerobik, heterotrof; (b) aerobik, ototrof; (c)

anaerobik, heterotrof

34

Tablo 5.6. Mikroorganizmaların karbon kaynağı, elektron alıcı, elektron verici ve ürettiği son

ürünlere göre sınıflandırılması

Mikrobiyal Büyüme İçin Karbon ve Enerji Kaynakları

Mikroorganizmanın büyümek ve etkili bir şekilde foksiyonlarını yürütmek için; enerji

kaynağına, hücre materyallerini üretmek için karbon kaynağına ve azot, fosfor, potasyum,

kalsiyum, magnezyum gibi inorganik nütrient kaynaklarına ihtiyacı vardır. Büyüme faktörleri

olarak kullanılan organik nütrientlere de ihtiyaç duymaktadır.

Karbon kaynakları: mikroorganizmalar karbon ihtiyaçları organik maddelerden veya

CO2’den temin ederler. Bakteriler organik yada inorganik maddeleri oksitleyerek enerji

üretirler. Işığı enerji kaynağı olarak kullanan organizmalar fototrof olarak bilinirler. Fototrofik

organizmalar, heterotrof (kükürt-indirgeyen bakteriler gibi) yada ototrof (algler ve

fotosentetik bakteriler). Enerjilerini kimyasal reaksiyonlardan üreten organizmalar ise

kemotrof olarak bilinir. Fototroflar gibi, kemotrofik organizmalarda heterotrof (protozoa,

fungus ve bakteriler) yada ototrof (nitrifikasyon yapan bakteriler) olabilirler. Kemoototroflar

manyak, nitrit, ferros demir ve sülfür gibi inorganiklerin oksidasyonundan enerjilerini

üretirler. Kemoheterotroflar ise organik maddelerin oksidasyonu sonucunda enerji üretirler.

Kemotrofların enerji üretmede kullandıkları reaksiyonlar, indirgenme-yükseltgenme

reaksiyonları olup, bir elektron vericiden alınan elektronların bir elektron alıcısına

aktarılmasını içerir. Elektron alıcı ve vericiler, mikroorganizma çeşidine bağlı olarak organik

veya inorganik olabilir. Enzimleri sayesinde elektronları, dışarıdan alınan bir elektron

vericisine aktaran organizmalar solunum metabolizmasına (respiratory metabolism) sahiptir.

35

Elektron alıcı olarak oksijenin kullanıldığı reaksiyonlara aerobik reaksiyonlar, nitratın

kullanıldığı reaksiyonlara anoksik reaksiyonlar denir. Diğerleri ise anaerobik reaksiyonlar

olarak adlandırılır. Anoksik ortamda nitrat elektron alıcı olarak kullanılarak azot gazına

indirgenir. Bu reaksiyon biyolojik denitrifikasyon olarak bilinir ve sulardan azot arıtımında

sıklıkla kullanılır. Sadece oksijeni kullanan organizmalar zorunlu aerobikler olarak bilinir.

Hem oksijen hem de nitratı kullananlar ise fakültatif olarak bilinirler.

Fermantasyon ile enerjilerini sağlayan ve aerobik ortamda yaşayamayan organizmalar zorunlu

anaerobikler olarak bilinirler. Fakültatif anaerobikler ise hem moleküler oksijen varlığında

hem de yokluğunda yaşayabilirler. Bu organizmalar iki gruba ayrılabilir. Gerçek fakültatif

anaerobikler oksijen mevcudiyetine bağlı olarak fermentatif metabolizmadan aerobik solunum

metabolizmasına geçebilirler. Aerotolerant anaerobikler ise kesinlikle fermentatif

metabolizma sonucu enerji üretmelerine rağmen, moleküle oksijene karşı hassas değildir.

Nütrient ve büyüme faktörleri ihtiyacı

Genellikle karbon veya enerji kaynakları değil de nütrientler mikrobiyal sentez ve büyümeyi

sınırlamaktadır. Mikroorganizmalar tarafından kullanılan inorganik elementler N, S, P, K,

Mg, Ca, Na ve Cl’dir. İz miktarda ihtiyaç duyulan önemli nütrientler ise; Zn, Mn, Mo, se, Co,

Cu ve Ni’dir. İhtiyaç duyulan organik nütrientler ise; büyüme faktörü olarak bilinir ve

precursor yada o0rganik hücrenin bir bileşeni olup, bunları bakteriler diğer karbon

kaynaklarından sentezleyemezler. Büyüme faktörleri bir organizmadan diğer organizmaya

değişiklik gösterse de önemli büyüme faktörleri (1) amino asitler (2) azotlu bazlar (purine ve

primidinler) ve (3) vitaminler olarak sınıflandırılır.

Evsel atıksular genellikle yeteri kadar nütrient içermekle beraber özellikle yüksek organik

madde içeren endüstriyel atıksularda nütrient eksikliği olabilir. Bakteri formülü

C12H87O23N12P olarak alınırsa, 100 g bakteri hücresi üretmek için 12,2 g azot, 2.3 g fosfata

ihtiyaç duyulacağı hesaplanır.

Bakteri Büyümesi

Substrat tüketilmesine paralel olarak, atıksu arıtımı sırasında sürekli olarak bakteri üretilir.

Bakteriler genellikle bölünme ile çoğalmakta olup buna binary fizyon denir. Bir hücrenin

bölünmesi için gerekli zamana generasyon zamanı denir ve bakteri çeşidine bağlı olarak

günler mertebesinden 20 dakika aralığına kadar değişebilir. Örnek olarak eğer generasyon

zamanı (ikilenme zamanı) 30 dakika alınırsa ve bakterinin çapı ve yoğunluğu sırasıyla 1 µm

ve 1 g/cm3 olarak alınırsa, bir bakterinin ağırlığı 5. 10-13 g olur. 12 saat içerisinde bakteri

sayısı 16.777.216 (224), toplam ağırlığı ise 8.4 µg olur. Dolayısıyla, bakteri ağırlığına kıyasla

sayısı çok daha önemli derecede artmaktadır. Tabi bu büyüme durumu hiç bir şeyin büyümeyi

sınırlamadığı durumlar için geçerli olup, genellikle atıksu arıtımında bir veya birkaç faktör

büyümeyi sınırlamakta olup, büyüme sonsuza kadar devam etmemektedir.

Kesikli bir reaktörde bakteri büyüme eğrisi aşağıda veriliş olup, büyüme evreleri lag fazı,

logaritmik büyüme fazı, durağan faz ve ölüm fazı olarak ayrılır.

36

Şekil 5.7. Kesikli reaktörde bakteri büyüme evreleri

Bakteri büyümesi ve dönüşüm katsayısı (biomass yield)

Dönüşüm katsayısı = (g üretilen biyokütle) / (g substrat tüketilen)

Aerobik bakteriler için: g SS veya VSS/g substrate; g SS veya VSS/g COD veya; g COD

biyokütle/g COD substrat

Ototrofik nitrifikasyon bakterileri için: g SS veya VSS/NH4-N oksitlenen.

Atıksu arıtımında, birçok organik madde suda bulunabileceği için organikleri tek tek

belirlemek imkânsızdır. Bu nedenle tüm organiklerin toplamı için bir ölçüt olan KOİ veya

BOİ kullanılır.

Biyokütle büyümesinin ölçülmesi

Biyokütle çoğunlukla organik maddelerden meydana geldiği için toplam bakteri miktarı

uçucu katı madde veya partikül KOİ ölçülerek belirlenebilir. Fakat bu ölçümlerde canlı ve

canlı olmayan bakteriler ayırt edilemez. Ayrıca, partikül halinde organik madde miktarı çok

fazla olan sularda bu ölçümler gerçek bakteri konsantrasyonunu vermeyecek olup, hücre

proteini, DNA ve enerji transferi amacıyla kullanılan ATP bakteri konsantrasyonunu

belirlemek amacıyla kullanılabilir. Genellikle kuru bakteri ağırlığının %50’sinin protein

olduğu kabul edilebilir. Düşük biyokütle içeren sularda bakteri konsantrasyonu bulanıklık

ölçülerek de belirlenebilir. Bazen sadece canlı bakterilerin ölçülmesi istenir. Bu durumda,

seyreltilen bakteri karışımı agar üzerine sürülerek ekim yapılır ve inkübasyon sonucunda

oluşan koloniler sayılır. Fakat unutmamak gerekir ki bütün bakteriler agar üzerinde

büyütülemeyebilir.

37

Stoiktikiyometrik denklemlerden yararlanarak dönüşüm katsayısı ve oksijen ihtiyacının belirlenmesi

Bahsedildiği üzere, atıksu içersindeki birçok organik madde olduğundan substratın kesin

formülünü belirlemek oldukça zordur. Bu nedenle organik madde miktarının bir ölçütü olarak

KOİ kullanılır. Burada anlatımı basitleştirmek için organik madde olarak glikoz (C6H12O6)’un

formülü, bakteri olarak da C5H7NO2 kullanılacaktır. Bu durumda aerobik şartlarda glikoz

oksidasyonu aşağıdaki denklemle verilebilir;

3C6H12O6 + 8O2 + 2NH3 →2C5H7NO2 + 8CO2 + 14 H2O

3(180) 8(32) 2(17) 2(113)

Buna göre dönüşüm katsayısı,

Pratikte substrat için KOİ, bakteri için ise VSS kullanılır. Bu durumda glikozun KOİ sinin

belirlenmesi gerekir. Bu amaçla aşağıdaki denklem yazılabilir,

glikozun KOİ si;

Olarak bulunur.

Bu durumda Y değeri g bakteri/g KOİ olarak aşağıdaki şekilde bulunur;

Gerçekte bakteri üretimi yukarıda yapılan hesaplamadan daha düşük olabilir. Çünkü bakteri

içerisine alınan substratın bir miktarı oksitlenerek hücre onarımı için kullanılabilir.

Biyolojik oksidasyon sırasında kullanılan oksijen miktarının hesaplanması için; (1) CO2 ve

H2O’ya oksitlenen organik madde miktarı, (2) biyokütlenin KOİ değeri ve (3) parçalanmayan

substratın KOİ değeri göz önüne alınır. Bakteri formülü C5H7NO2 olarak alınırsa,

biyokütlenin oksijen eşdeğeri 1,42 g KOİ/g biyokütle VSS olarak aşağıdaki şekilde

hesaplanır.

38

Dolayısıyla yukarıda verilen glikoz oksidasyonu için gereken oksijen aşağıdaki şekilde

bulunabilir.

oksitlenen substrat, gerekli oksijene eşit olup;

Oksijen ihtiyacı = Kullanılan KOİ – Hücre KOİ değeri

= (1.07 g O2/g glikoz).(3 mole x 180 g glikoz/mole) – (1,42 g O2/g hücre)(2x113 g

hücre/mole) = 577,8-320,9 = 256,9 g O2.

Dolayısıyla, kullanılan KOİ başına gerekli oksijen miktarı;

Kullanılan oksijen/glikoz = 256,9 g oksijen / [(3 mole x 1,07 g KOİ/g glikoz x 180 g

glikoz/mol)] = 0,44 g O2/g KOİ kullanılan.

Veya denklem kullanılarak gerekli oksijen miktarı aşağıdaki şekilde de hesaplanabilir.

Örnek 7.1. Gözlenen Biyokütle Dönüşüm Katsayısı ve Oksijen Kullanımı. Aşağıda

verilen geri devirsiz bir aktif çamur ünitesi 500 g/m3 konsantrasyonuna sahip çözünmüş biyolojik ayrışabilir KOİ (bsKOİ) içermektedir. Debi 1000 m3/gün ve reaktör çıkışındaki

bsKOİ ve VSS konsantrasyonları sırasıyla 10 ve 200 g/m3 dür. Buna göre;

a) Gözlenen dönüşüm katsayısını g VSS/g KOİ b) Gerekli olan oksijeni gO2/g KOİ ve g/gün olarak hesaplayın.

39

Çözüm:

1. Dönüşüm katsayısının hesaplanması

Aşağıda verilen genel denklemin geçerli olduğunu düşünerek

2. Giderilen her gram bsKOİ için gerekli oksijen ise;

a. İlk olarak KOİ kütle dengesi yazılır. Buna göre;

Birikim = giren – çıkan - kullanılan

0 = KOİgiren – KOİçıkış – kullanılan oksijen

Kullanılan oksijen = KOİgiren – KOİçıkan

KOİgiren = 500 g/m3. (1000 m3/gün) = 500.000 g KOİ/gün

KOİçıkan = çözünmüş KOİ + biyokütle KOİ

bsKOİçıkan = 10 g/m3 (1000 m3/gün) = 10.000 g KOİ/gün

Çıkışta biyokütle KOİ = 200.000 g VSS/gün (1,42 g KOİ/gVSS) = 284.000 g

KOİ/gün.

Çıkıştaki toplam KOİ = 10.000 g/gün + 284.000 g/gün = 294.000 g KOİ/gün

b. Gerekli olan oksijen ise;

500.000 g KOİ/gün – 294.000 g KOİ/gün = 206.000 g KOİ/gün = 206.000 g O2/gün.

c. Kullanılan her gram KOİ başına gerekli oksijen ise;

40

oksijen/KOİ = (206.000 g/gün)/(490.000 g/gün) = 0,42 g O2/g KOİ.

MİKROBİYAL BÜYÜME KİNETİĞİ

Evsel ve endüstriyel atıksular birçok farklı maddeler içerdikleri için organik bileşenlerin

konsantrasyonu genellikle biyolojik olarak parçalanabilir (biodegradable) KOİ (bKOİ veya

bCOD) yada UBOİ (UBOD) şeklinde verilir. bCOD ve UBOD, çözünmüş, koloidal ve

partikül halindeki biyolojik parçalanabilir bileşenleri kapsar. Bu bölümde kolaylık açısından

çözünmüş haldeki biyolojik parçalanabilir KOİ (bsCOD) kullanılacaktır. bsCOD iki

bileşenden oluşmaktadır; hızlı (veya kolay) ve yavaş parçalanabilir COD.

Aktif çamur reaktörü içerisindeki biyokütle genellikle MLSS (karışık sıvıda askıda katı

madde) veya MLVSS (karışık sıvıda askıda uçucu katı madde) olarak ifade edilir.

Biyoreaktördeki MLSS’in üç bileşeni vardır; biyokütle, biyolojik olarak parçalanmayan uçucu

katı madde (nbVSS) ve inert inorganik toplam askıda katılar (iTSS). nbVSS giriş atıksuyunda

olabileceği gibi, biyokütlenin içsel solunumu sırasında da üretilebilmektedir. iTSS ise giriş atıksuyundan dolayı oluşmaktadır.

Atıksu arıtımının amacı substrat tüketmektir. Ototrofik bakteriler için substrat veya elektron

verici genellikle organik maddeler iken, ototrofik bakterilerin kullanıldığı arıtma

sistemlerinde genellikle amonyak ve nitrittir.

Biyolojik sistemlerde substrat giderim hızı aşağıdaki denklemle ifade edilir (Monod Denklemi (Monod, 1942, 1949)).

�� = − ����� + �

Burada,

rsu = substrat tüketim hızı, g/(m3.gün)

k= maksimum spesifik substrat kullanım hızı, gsubstrat/gmikrrorganizma.gün (veya sadece

1/gün)

X= biyokütle konsantrasyonu, g/m3.

S= büyümeyi sınırlayan substrat konsantrasyonu, g/m3.

Ks= yarı doygunluk katsayısı. Büyüme hızı maksimum spesifik büyüme hızının yarısındayken

substrat konsantrasyonu Ks ye eşittir.

Monod Denklemine göre substrat kullanım hızı, substrat konsantrasyonuna bağlı olup

aşağıdaki Şekil 5.8’de bu değişim gösterilmiştir.

41

Şekil 5.8. Monod denklemine göre substrat kullanım hızı ile substrat konsantrasyonun

değişimi

Substratın maksimum hızda kullanıldığı durumda, bakteri de maksimum hızda büyüyecektir.

Bu durumda maksimum büyüme hızı;

�� = ��

ve

� = ���

Burada, µm = maksimum spesifik bakteri büyüme hızı, g hücre/g hücre.gün veya sadece

(1/gün)

Y = gerçek (true) dönüşüm katsayısı (g hücre/g substrat, veya birimsiz).

Bu tanımlara göre, substrat tüketim hızı ayrıca aşağıdaki denklemle de ifade edilebilir.

�� = − �����(�� + �)

Çözünmüş Substrat Kullanımı İçin Diğer Hız İfadeleri

rsu = -k

rsu = -kS

rsu = -kXS

�� = −�� ���

Biyolojik prosesin düşük substrat konsantrasyonlarında işletildiği sistemlerde genellikle

birinci dereden hız ifadeleri iyi sonuç verebilir.

42

Biyolojik olarak parçalanabilen partikül organiklerden çözünmüş substrat üretim hızı

Yukarıda verilen hız ifadeleri çözünmüş substratlar için geliştirilmiş olmakla beraber, evsel

atıksularda çözünmüş organik madde miktarı toplam parçalanabilir organik maddenin sadece

%20 ile 50’si kadardır. Endüstriyel atıksularda ise partikül halindeki organik madde miktarı

çok daha yüksek olabilmektedir. Mikroorganizmalar partikül halindeki organikleri direk

olarak tüketemezler ve bunları çözünmüş hale getirebilmek için hücre dışı enzimleri

kullanırlar. Partikül halindeki organikleri çözünebilir formlara getirilmesi kimi zaman hız

limitleyen basamak olup, proses hızı partikül substrat konsantrasyonuna ve biyokütle

konsantrasyonuna bağlıdır. Grady vd. (1999) tarafından verilen ve partikül halindeki

substratların çözünür hale geçme hızını ifade eden denklem aşağıda verilmiştir;

��,� = − �� ���� �(�� + ��)

Burada rsc,p = partikül haldeki substrat konsantrasyonun çözünmüş ürüne dönüşmesi nedeniyle

değişim hızı, g/m3.d.

kp= Partikül halindeki substratın maksimum spesik dönüşüm hızı, gP/gX.gün

P = partikül substrat konsantrasyonu, g/m3

X = biyokütle konsantrasyonu, g/m3

Kx = yarı doygunluk hız katsayısı, g/g.

Partikülün çözünüre dönüşüm hızı, organik madde ile partikül madde arasındaki temas

alanına bağlı olduğundan P/X denklemlerde kullanılmıştır.

Çözünmüş substrat üzerinden biyokütle büyüme hızı

Daha önce bahsedildiği üzere, biyokütle büyüme hızı ile substrat kullanım hızı doğru orantılı

olup, bu oran dönüşüm katsayısı (Y) ile verilir. Ayrıca, biyokütle çürüme hızı da mevcut

biyokütle miktarı ile doğru orantılıdır. Dolayısıyla, büyüme hız ile substrat kullanım hızı

arasındaki ilişki hem kesikli hem de sürekli sistemler için aşağıdaki denklemlerle ifade edilir.

� = −��� − � �

= � ����� + � − � �

Burada rg = net biyokütle üreme hızı, gVSS/m3d

Y = sentez dönüşüm katsayısı, gVSS/g bsCOD

kd = içsel solunum katsayısı, gVSS/gVSS.d

43

Eğer denklemin her iki tarafı X’e bölünürse, spesifik büyüme hızı aşağıdaki şekilde ifade

edilebilir.

Burada µ = spesifik biyokütle büyüme hızı, gVSS/gVSS.gün

Dolayısıyla spesifik büyüme hızı, toplam biyokütle konsantrasyonuna oranla biyokütle

miktarındaki günlük değişim olarak tanımlanır.

İçsel solunum katsayısı ise; hücre içi materyallerin oksidasyonu, hücre ölümü ve predasyon

olaylarını kapsar. Bu katsayı hücre yaşı ile değişim göstermektedir. Biyokütle

konsantrasyonundaki azalma içsel solunum olarak adlandırılır. Alternatif bir yaklaşım ise

lysis-regrowth (çürüme ve tekrar büyüme) modelidir.

Biyolojik büyüme sistemlerinde teorik olarak bir çok nütrient yada büyüme faktörü büyümeyi

limitleyebilmektedir. Fakat genellikle elektron verici limitleyen faktör olup diğerleri

fazlasıyla ortamda mevcuttur. Dolayısıyla, büyüme kinetiğinde kullanılan substrat terimi

genellikle elektron vericiye refer etmektedir.

Substrat Kullanımı ve Biyokütle Kullanımı için Kinetik Katsayılar

Substrat kullanımı ve biyokütle büyümesi için kullanılan k, Ks, Y ve kd gibi katsayılar

atıksuya, biyokütle popülasyonuna ve sıcaklığa bağlı olarak değişmektedir. Bu katsayılar

laboratuar veya gerçek ölçekli reaktör çalışmalarıyla elde edilir. Evsel atıksu da BOİ giderimi

için tipik katsayılar Tablo 5.7’de verilmiştir.

Tablo 5.7. Evsel atıksuların aktif çamur prosesi ile arıtılmasında kullanılabilecek kinetik

katsayılar

Oksijen kullanım hızı

Oksijen tüketim hızı substrat tüketim ve bakteri büyüme hızıyla orantılıdır. Dolayısıyla

oksijen kullanım hızı aşağıdaki şekilde verilebilir;

44

! = −�� − 1,42�

Burada r0 = oksijen kullanım hızı gO2/m3.d

1,42 = hücrenin KOİ sidir. bsCOD/gVSS

Sıcaklığın Etkisi

Biyolojik proseslerin verimlerinin belirlenmesinde sıcaklığın proses kinetiğini üzerine

etkisinin belirlenmesi oldukça önemlidir. Sıcaklık sadece biyolojik reaksiyon hızını etkilemez

aynı zamanda, gaz transfer hızını ve çökme hızını da etkilemektedir. Sıcaklığın biyokinetik

katsayılar üzerine etkisi aşağıdaki denklem ile ifade edilebilir.

�$ = �%!&($'%!) Burada kT ve k20 sırasıyla T ve 20oC’de ki kinetik katsayı değerlerini vermektedir.

θ = sıcaklık-aktivite katsayısı (1,02-1,25).

Toplam askıda uçucu katı madde ve aktif biyokütle

Biyolojik kinetiklerde kullanılan X aktif biyokütle konsantrasyonudur. Gerçekte bir

reaktördeki VSS aktif biyokütle dışında maddeleri de içermekte olup, aktif biyokütle oranı

atıksu karakteristikleri ve reaktör işletme koşullarına bağlı olarak değişmektedir. Aktif kütle

dışında VSS konsantrasyonuna katkıda bulunan diğer bileşenler ise; hücrenin decay inden

kaynaklanan hücre atıkları ve giriş atıksuyunda bulunan ve biyolojik olarak parçalanmayan

uçucu askıda katılardır.

Bakteri ölümü sırasında hücrenin parçalanması meydana gelir ve hücre materyalleri sıvı

içerinse salgılanır. Bu hücre materyaller üzerinden diğer bakteriler gelişebilmektedir.

Hücrenin bir kısmı (hücre duvarı) çözünmez ve biyolojik olarak parçalanamayan organik

madde olarak kalır. Oluşan bu artık maddeye hücre atık malzemesi denilir ve tüm hücre

ağırlığının %10 ile 15 ini oluşturmaktadır. Hücre atık malzemesi de VSS olarak ölçülür ve

karışık sıvıda ölçülen VSS konsantrasyonuna katkıda bulunur. Hücre atık malzeme oluşum

hızı direk olarak hücre içsel solunum hızı ile orantılıdır.

� = ( (� )�

Burada rxd = hücre atık oluşturma hızı, g VSS/m3.d

fd = hücrenin atık olarak kalan kısmı, 0.1-0.15 g VSS/gVSS

Havalandırma havuzundaki VSS’in bir kısmı giriş atıksuyundan gelen nbVSS olup evsel

atıksularda bu değer 60-100 mg/L olup, ön çöktürmeden sonra bu değer 10-40 mg/L’ye

düşmektedir.

45

Toplam askıda katı madde

Havalandırma havuzunda VSS oluşum hızı bulunurken, biyokütle oluşum hızı, hücre atığının

oluşum hızı ve girişteki nbVSS birikme hızı dikkate alınmalıdır.

Burada rXT,VSS = toplam VSS üretim hızı, g/m3.d

Q = Giriş debisi, m3/gün

X0,i = girişte nbVSS konsantrasyonu, g/m3

V = reaktör hacmi, m3.

Aktif biyokütle: üretilen net biyokütlenin toplam VSS’e oranı olarak ifade edilebilir.

FX,act = (-Yrsu – kdX)/rX,VSS

Burada FX,VSS = aktif biyokütle oranı olarak ifade edilir.

Net ve gözlenen dönüşüm katsayısı

Gerçek (true) dönüşüm katsayısı önceki bölümlerde hücre sentezi sırasında tüketilen substrata

kıyasla üretilen biyokütle olarak tanımlanmıştı. Biyolojik arıtım sistemlerinin dizayn ve

analizinde iki önemli dönüşüm katsayısı daha kullanılmaktadır. Bunlar; (1) net biyokütle

üretim katsayısı (2) gözlenen katı üretim katsayısı. Bu tanımlardan birincisi sistemdeki aktif

biyokütlenin üretimini tahmin etmek için kullanılır. İkincisi ise çamur üretiminde

kullanılmaktadır.

Net Biyokütle üretim katsayısı. Net biyokütle üretim katsayısı net biyokütle üretim hızı ile

substrat tüketim hızının oranı olup aşağıda verilmiştir.

�)*� = −�/��

Gözlenen dönüşüm (üretim) katsayısı. Sistemde ölçülen gerçek katı madde üretimini

bulmada kullanılır.

��)� = −,$,-../��

Örnek 7.5. Biyokütle ve çamur üretiminin hesaplanması. Endüstriyel atıksuların

arıtımında kullanılan bir aktif çamur tesisinde giriş atıksuyundaki bsCOD konsantrasyonu 300

g/m3 ve nbVSS konsantrasyonu ise 50 g/m3 dür. Giriş atıksu debisi 1000 m3/gün dür. Aktif

çamur havuzundaki biyokütle konsantrasyonu 2000 g/m3 ve bsCOD konsantrasyonu 15 g/m3

dür. Havalandırma havuzu hacmi 105 m3 dür. Hücre kalıntı üretim katsayısı fd; 0,1 ise net

46

biyokütle üretimi katsayısını, gözlenen çamur üretim katsayı değerini ve toplam MLVSS

içerisindeki biyokütle oranını hesaplayın. Tablo 5.7’de verilen kinetik katsayılar

kullanılacaktır.

Çözüm.

1. Net biyokütle üretim katsayısını bulalım.

Ybio = -rg/rsu bu durumda ilk olarak rsu hesaplanabilir.

Daha sonra rg aşağıdaki şekilde hesaplanabilir.

Son olarak;

2. Yobs hesaplanacaktır. ��)� = −,$,-../��. Formülde ilk olarak VSS üretim hızı

hesaplancaktır.

Son olarak,

47

3. Aktif biyokütle oranının hesaplanması

Görüldüğü üzere, hücre kalıntı üretimi ve giriş suyundaki parçalanamayan organikten dolayı

aktif biyokütle oranı %64’e düşmüştür.

48

BÖLÜM 6. ASKIDA BÜYÜME PROSESLERİNİN MODELLENMESİ VE AKTİF ÇAMUR PROSESİNİN DİZAYNI

Askıda büyümeli proseslerin (örnek: aktif çamur prosesi) tanıtılması

Geri devirli ve tam karışımlı askıda büyümeli aktif çamur prosesi model olarak alınarak kütle

dengesi kurulacaktır. Şekil 6.1’de bu tip bir reaktör verilmiş olup her bir sembolün ne ifade

ettiği belirtilmiştir.

Şekil 6.1. Kütle dengesi analizlerinde kullanılacak olan aktif çamur prosesi (a) fazla çamurun

geri devir hattından atılması durumu (b) fazla çamurun reaktörün içinden atılması durumu

Biyokütle İçin Kütle Dengesi

Kütle dengeleri hesaplamalarında artan bir madde için “+”, eksilen veya azalan bir madde için

ise “-“ kullanılır. Biyolojik arıtım sonucunda hücre veya biyokütle arıtışında net bir artış meydana gelmektedir.

1. Genel kütle dengesi kurulumu

3. Sembolik gösterim

/�/0 1 = 2�! − 3(2 − 24)�5 − 24�67 + �1

49

Burada,

dX/dt = Reaktördeki biyokütle konsantrasyonun değişimi, gVSS/m3.d

Q = Giriş debisi, m3/gün

X0 = girişteki biyokütle konsantrasyonu, g VSS/m3

Xe = çıkıştaki biyokütle konsantrasyonu, g VSS/m3

Qw = atık çamur debisi, m3/gün

XR = Geri devir hattındaki çamur konsantrasyonu, g VSS/m3

rg = Net biyokütle üretim hızı, gVSS/m3.d.

Eğer girişteki biyokütle konsantrasyonu ihmal edilir ve steady-state koşulların varlığı kabul

edilirse, denklem aşağıdaki hali alır;

�1 = 3(2 − 24)�5 − 24�67 Net büyüme yerine uygun formül yapılarak sadeleştirme yapılırsa aşağıdaki denklem elde

edilir; (2 − 24)�5 + 24�61� = −� ��� − �

Burada X biyokütle (aktif bioyokütle) konsantrasyonudur.

Denklemin sol tarafındaki eşitlik çamur yaşı (SRT)’nın tersi dir. Çamur yaşı; bir günde

sistemden atılan çamurun reaktördeki toplam çamur miktarına oranı olarak tanımlanır. Bu

durumda çamur yaşı;

�89 = 1�(2 − 2:)�5 + 2:�6

Bu durumda yukarıdaki denklem aşağıdaki şekilde yazılabilir. 1�89 = −� ��� − �

Olarak yazılır. 1/SRT terimi aynı zamanda spesifik büyüme hızı, µ, olarak da tanımlanabilir.

Çünkü sistemden her gün atılan çamur o gün büyüyen fazla çamur olup, sistemden günlük

atılan çamurun toplam çamur miktarına bölümü spesifik büyüme hızını vermektedir.

�.6$ = �

SRT sistemden atılan çamur miktarıyla kontrol edilmektedir. Sistemden atılan çamur miktarı

azaltıldıkça SRT artmakta bu durumda spesifik büyüme hızı azalmaktadır.

50

Spesifik büyüme hızına benzer olarak spesifik substrat kullanım hızı tanımlanmıştır. Spesifik

substrat kullanım hızı ise; -rsu/X olarak tanımlanır. Bu terim U veya q ile gösterilir.

; = < = ��� = 2(�! − �)1� = �! − �=�

Olarak tanımlanır. Burada;

U veya q = spesifik substrat kullanım hızı g BOİ yada COD/gVSS.gün

S0 = girişteki çözünmüş substrat konsantrasyonu, g BOİ veya bsCOD/m3

S = Çıkıştaki çözünmüş substrat konsantrasyonu, g BOİ veya bsCOD/m3

V = havalandırma tankı hacmi, m3

τ = hidrolik bekleme zamanı (V/Q), gün

Bu denklemlerin kullanılmasıyla aşağıdaki denklem elde edilir; 1�89 = ����. + � − �

Çamur yaşı aktif çamur tesislerinin dizayn ve operasyonunda önemli bir parametredir. SRT

aktifleştirilmiş çamurun sistemde ortalama kalış süresidir. Yumaklaşma ve çökelmenin iyi

olduğu aktif çamur tesislerinde çıkışta VSS konsantrasyonu genellikle 15 mg/L (veya 15

g/m3)’den küçüktür. Fazla çamur çökeltme tankından havalandırma tankına gönderilen geri-

devir çamur hattından veya havalandırma tankından atılır.

Yukarıdaki denklemleri uygun şekilde çözülmesiyle aşağıdaki denklem elde edilir. Bu

denklem kullanılarak bir aktif çamur prosesi çıkışındaki çözünmüş substrat konsantrasyonu

tahmin edilebilir.

� = �.31 + (� )�897�89(�� − � ) − 1

Görüldüğü üzere aktif çamur prosesi çıkış substrat konsantrasyonu kinetik katsayılar ile SRT

nin bir foksiyonudur. Denkleme göre çıkış substrat konsantrasyonu, giriş substrat

konsantrasyonundan bağımsızdır. Fakat ileride gösterileceği üzere, giriş substrat

konsantrasyonu bakteri konsantrasyonunu etkilemekte ve bu durum da çıkış substrat

konsantrasyonunu etkileyebilmektedir.

Substrat kütle dengesi.

Substrat tüketimi için havalandırma tankı etrafında kütle dengesi yazılırsa;

51

Birikim = giren-çıkan±üretilen/tüketilen

Burada rsu yerine yazılır ve styeady-state kabulü yapılırsa;

s/(Ks + S) yerine uygun terim yazılırsa;

� = >�89= ? 3 �(�! − �)1 + � �897 Denklemden görüldüğü üzere, biyokütle konsantrasyonu SRT, hidrolik bekleme zamanı, Y ve

giderilen substrast konsantrasyonun bir fonksiyonudur.

Aynı denklemler, geri devirsiz aktif çamur prosesi içinde kullanılabilir. Geri devirsiz

sistemlerde katı ile sıvı bekleme zamanları birbirine eşit olup, SRT = τ olacaktır. Bu durumda;

�89 = 1�2� = =

Elde edilen denklemler incelendiğinde, SRT’nin hem çıkıştaki çözünmüş substrat

konsantrasyonunu hem de havalandırma tankındaki biyokütle konsantrasyonunu önemli

derecede etkilediği ortaya çıkacaktır. Belli bir SRT seçildiğinde Qw belirlenir ve bir günde

sistemden atılan çamur kontrol edilerek sistem işletilir.

Havalandırma havuzunda katı konsantrasyonu ve katı (veya çamur) üretimi

Biyolojik bir reaktörde üretilen çamur prosesi devam ettirmek için her gün atılması gereken

madde miktarını göstermektedir. Üretilen çamur TSS, VSS ve biyokütle olarak belirlenir.

SRT kullanılarak aktif çamur prosesinde üretilen fazla çamur miktarı hesaplanabilir.

Buarada, PXT,VSS = günlük atılan toplam katı miktarı, gVSS/gün.

XT = tanktaki toplam MLVSS konsantrasyonu, g/m3.

Eğer günlük olarak atılan biyokütle konsantrasyonu bulunmak istenirse aynı denklemde XT

yerine X kullanılır. Yani;

52

Havalandırma havuzunda toplam katı konsantrasyonu

Havalandırma havuzundaki toplam katı konsantrasyonu biyokütle konsnatrasyonu ile nbVSS

konsantrasyonlarının toplamına eşittir. Bu durumda;

Burada bahsedilen nbVSS konsantrasyonu; girişte nbVSS konsantrasyonuna, üretilen hücre

atığına ve sistemden her gün atılan çamur miktarına bağlıdır. Eğer nbVSS için kütle dengesi

yazılırsa;

>/�@/0 ? 1 = 2�!,* − �*1�89 + ,,*1

Burada;

X0,i = Girişteki nbVSS konsantrasyonu, g/m3.

Xi = havalandırma tankındaki nbVSS, g/m3.

rX,i = hücre içsel solunumu nedeniyle üretilen hücre kalıntısı, g/( g/m3).

Eğer steady-state koşullar kabul edilirse ve rX,i yerine yazılırsa;

Denklemler birleştirilirse, aşağıdaki önemli denklem elde edilir.

Katı (çamur) üretimi.

Bahsedildiği üzere; .

Bu denklemden PXT,VSS hesaplanırsa;

Eğer yukarıdaki denklemde X yeride yukarıda bulunan denklem yazılırsa;

53

SRT’nin sistem performansı üzerine etkisi Şekil 6.2’de sunulmuştur.

Şekil 6.2. Tam katışımlı aktif çamur prosesinde SRT’nin çıkış çözünmüş substrat, biyokütle

ve MLVSS üzerine etkisi

SRT arttıkça daha çok hücre parçalanacak ve daha fazla hücre kalıntısı oluşacaktır.

Dolayısıyla SRT arttıkça MLVSS ve biyokütleye ait VSS konsantrasyonu arasındaki fark

artacaktır. Şekilden görüldüğü üzere, SRT değeri 2 günün üzerinde olduğu zaman çıkıştaki

çözünmüş bsCOD değeri çok düşük değerlere kadar düşürülmekte olup, aktif çamur

prosesinin evsel Atıksuların arıtımında ne kadar etkili olduğunu göstermektedir. Fakat ileriki

bölümlerde gösterileceği üzere, SRT seçiminde sadece substrat tüketimi göz önüne alınmaz.

Aynı zamanda biyokütlenin yumak oluşturması için SRT’nin en az 4-5 gün olması

gerekmektedir.

Günlük atılan toplam kuru katı miktarı TSS olarak ifade edilir. TSS; VSS ve inorganik katıları

içermektedir. İnorganik katılar giriş arıksuyunda bulunabileceği gibi, biyokütlenin ağırlık

olarak %10-15’i de inorganik maddelerdir. Girişteki inorganik katılar çözünmemiş halde olup,

havalandırma havuzundaki katılar tarafından adsorbe edildiği ve çamur ile beraber atıldığı kabul edilir. Daha önce bulunan XT,VSS formülüne girişteki inorganik katılar ve biyokütleden

gelen inorganiklerde eklenerek TSS değeri bulunur. Tipik olarak biyokütle VSS/TSS değeri

0,85 olup; 0,8-0,9 arasında değişmektedir.

54

PX,TSS= toplam katı madde olarak günlük atılması gereken çamur miktarı

TSS0 = Giriş atıksuyundaki toplam TSS konsantrasyonu, g/m3

VSS0 = Giriş atıksuyundaki VSS konsantrasyonu, g/m3

Toplam MLVSS ve MLSS miktarı (kg olarak) aşağıdaki formüller kullanılarak hesaplanabilir.

AB1�� C@�0Dı = �-..1 = E�,,-..F�89

AB�� C@�0Dı = �$..1 = E�,,$..F�89

Önce toplam MLVSS miktarı bulunur ve daha sonra MLVSS (veya MLSS) konsantrasyonu

seçilirse havalandırma tankı hacmi hesaplanabilir. Aktif çamur prosesinde MLSS

konsantrasyonu 2000-4000 mg/L arasında seçilebilir.

Gözlenen dönüşüm katsayısı

Yobs giderilen organik madde başına oluşan toplam çamur miktarının VSS veya TSS

cinsinden ifadesidir. Arıtma tesisinde yapılan deneyler neticesinde hesaplanabilir ve gTSS/g

bsCOD, gTSS/gBOD veya gVSS/g bsCOD, gVSS/gBOD şeklinde ifade edilebilir.

VSS cinsinden gözlenen dönüşüm katsayısı aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir. Bu

formül PX,VSS formülünün Q(S0-S) değerine bölünmesiyle elde edilir.

Atıksu girişinde nbVSS yok ise Yobs değerinin hesaplanmasında aşağıdaki formül kullanılır.

nbVSS varlığında denklemdeki Xo,i/(S0-S) giriş atıksuyundan gelmektedir. Genellikle

çıkıştaki substrat konsantrasyonu girişe nazaran çok düşük olup bu terim X0,i/S0 şeklinde

sadeleştirilebilir. Bu değer; ön çöktürme uygulanmış evsel atıksular için 0.1-0.3 g/g arasında

olup, ön arıtım uygulanmamış evsel atıksular için ise 0.3-0.5 arasındadır.

55

Oksijen İhtiyacı

Organik maddelerin arıtılması sırasında gerekli oksijen miktarı bulunurken arıtılan bCOD ve

üretilen ve günlük atılan fazla çamur arasında kütle dengesi kurarak hesaplanır. Eğer tüm

bCOD, CO2 ve H2O’ya oksitlenirse; oksijen ihtiyacı giderilen bCOD’ye eşit olacaktır. Fakat

bilindiği üzere, bakteri bCOD’nin sadece bir bölümünü enerji eldesi için kullanmakta olup,

diğer kısmını ise bakteri üretiminde kullanmaktadır. Oksijen ayrıca, içsel solunum amacıyla

da kullanılmakta olup, bu proses için gerekli oksijen sistem SRT’sine bağlıdır. Her hangi bir

SRT’de giderilen bCOD harcanan oksijen ve sistemden atılan VSS’e eşit olarak kütle dengesi

aşağıdaki şekilde kurulabilir.

Kullanılan oksijen = bCOD giderilen – Atılan çamurun COD si

8� = 2(�! − �) − 1,42�,,)*�

Burada

R0 = oksijen ihtiyacı, kg/gün

PX,bio = günlük atılan biyokütle kgVSS/gün

Buradaki PX,bio aktif biyokütle ile hücre atığının toplamını ifade etmekte olup, toplam atık

VSS formülündeki A ve B’yi içermekte olup aşağıdaki formül ile hesaplanabilir.

Örnek 7.6. Tam karışımlı askıda büyümeli bir sistemin (aktif çamur prosesi) Dizaynı. Tam karışımlı, geri devirli bir aktif çamur prosesi ön çöktürmeden geçirilmiş bir evsel atıksu

arıtımında kullanılacaktır. Ön çöktürme sonrasında atıksu özellikleri ise; Debi: 1000 m3/gün,

bsCOD = 192 g/m3, nbVSS = 30 g/m3 ve inert inorganik miktarı 10 g/m3. Havalandırma

tankında MLVSS = 2500 g/m3 olup, SRT = 6 günde tutulacaktır. Verilen datalar ile aşağıda

verilen kinetik katsayıları kullanarak aşağıdakileri hesaplayın.

1. Çıkış bsCOD konsantrasyonu nedir?

2. MLVSS konsantrasyonunu istenen değerde tutmak için Hidrolik bekleme zamanı ne

olmalıdır?

3. MLVSS içindeki biyokütle fraksiyonu nedir?

4. Oksijen ihtiyacını kg/gün cinsinden hesaplayın.

Kinetik katsayılar;

56

Çözüm

1. İlk olarak çıkıştaki bsCOD hesaplanacaktır.

2. HRT değerinin hesaplanması

Şeklini alır. Bu denklemi çözmek için aktif biyokütle konsantrasyonunun bilinmesi

gerekmektedir.

Bu denklem yukarıdaki denklemde yerine konursa;

Olarak bulunur. Havalandırma tankı hacmi ise;

57

1 = 2. = = 0.197 IüJ. 1000 CK/ = 197 CK. 3. Toplam çamur üretimi kg VSS/gün olarak hesaplanırsa;

4. Toplam çamur üretimi kg TSS/gün olarak hesaplanırsa;

5. Toplam çamur içerisindeki biyokütle fraksiyonun X T değerlerinden hesaplanması

X = (287,2 gmK gün)/τ = (287,2 gmK . gün)/ 0.197 gün = 1458gVSS/mK

Biyokütle fraksiyonu = X/XT = 1458/2500 = 0,58

6. Gözlenen katı üretim katsayısının (Yobs) g VSS/g bsCOD ve gTSS/g bsCOD cinsinden

hesabı.

Günlük atılan çamur = PX,T = 82.2 kg VSS/gün ve 101.4 kg TSS/gün

bsCOD giderilen = Q(S0-S) = (1000 m3/gün)[(192-0.56)g/m3/1000 g/kg] = 191440 gCOD/gün

= 191.4 kg COD/gün

VSS cinsinden Yobs = 82.2/191.4 = 0.43 g VSS/ g bsCOD

TSS cinsinden Yobs = 101.4/191.4 = 0.53 g TSS/g bsCOD.

7. Oksijen ihtiyacının hesaplanması

8! = 2(�! − �) − 1.42�,,)*�

�,,)*� = �,,-.. − ��),-.. = 82.2 �IIüJ − T1000 CKIüJU >30 I1��CK ? >1 �I1000I? = 52.2 �I/IüJ

58

8! = 1000 CKIüJ W(192 − 0.56)IYZ[CK \ (1�I 1000I⁄ ) − 1.42 >52.2 �I1��IüJ ?= 117.7 �IZ%/IüJ

Yorum Benzer bir yaklaşım partikül biyolojik ayrışabilir organik maddelerin arıtımında da

kullanılabilir. Partikül biyolojik parçalanabilir KOİ’nin bsCOD’ye eşit olduğu kabul

edilebilir. Normalde de SRT değeri 3 günden yüksek ise bütün biyolojik parçalanabilir

partikül KOİ, bsCOD’ye dönüştürülür.

Dizayn ve işletim parametreleri

Şimdiye kadar bahsedildiği üzere, aktif çamur tesislerinin arıtım performansını ve çamur

oluşumunu etkileyen en önemli parametre çamur yaşı (SRT) dır. Aktif çamur tesislerinin

dizayn ve operasyonunda kullanılan diğer iki önemli parametre ise F/M

(besin/mikroorganizma oranı) ve volumetrik yükleme hızı olup aşağıda tartışılmıştır.

Besin/mikroorganizma (F/M) oranı. Reaktöre beslenen BOİ veya KOİ’nin

mikroorganizmaya oranını ifade eder ve aşağıdaki formülle hesaplanır.

A = 9_`aDC bcd@C eü�acCcd@0_`aDC b@e_�ü0ac = 2�!1� Veya

A = �!=�

Burada, F/M = gBOİ veya bsCOD/gVSS.gün

Q=Atıksu debisi m3/gün

S0 = giriş BOİ veya bsCOD, g/m3

V= havalandırma havuzu hacmi, m3

X= havalandırma havuzunda biyokütle konsantrasyonu, g/m3

τ = hidrolik bekleme zamanı, V/Q = gün,

Spesifik substrat kullanım hızı.

59

Burada,

E= BOİ yada bsCOD giderim verimi

Görüldüğü üzere, SRT ve F/M birbiriyle alakalı parametreler olup, SRT’nin 20-30 gün olduğu

aktif çamur sistemlerinde F/M oranı 0,1-0,05 gBOD/gVSS.gün arasında değişirken; SRT’nin

5 ile 7 gün olduğu sistemlerde F/M oranı 0,3-0,5 gBOİ/gVSS.gün arasında değişmektedir.

Organik Hacimsel Yükleme hızı. Benzer olarak organik yükleme hızı COD veya BOD

olarak ifade edilebilir.

Burada Lorg = hacimsel organik yükleme hızı, kg BOD/m3.gün.

Proses Performansı ve Stabilite

Yukarıda bahsedilen kinetiğin performans üzerindeki etkileri Şekil 6.2’e gösterilmiştir. Şekilden görüldüğü üzere 1/SRT veya spesifik büyüme hızı (µ) direk olarak birbiriyle

ilişkilidir. Arıtma tesisi çıkışındaki substrat konsantrasyonu direk olarak SRT’nin bir

fonksiyonudur.

Şekilden görüldüğü üzere, belli bir SRT’nin altında atıksu arıtımı gerçekleşemez. Bu kritik

SRT değeri minimum SRT olarak tanımlanmakta olup, SRTmin olarak gösterilmektedir.

Dolayısıyla, fiziksel olarak SRTmin değerinin altında reaktördeki biyokütle atım hızı,

reaktördeki biyokütlenin büyüme hızından daha daha yüksektir. Bu durumda biyokütle

büyümesi olmaz ve bu durum washout olarak isimlendirilir.

Minimum SRT aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir. 1�89 = ���!�. + �! − �

Çoğu durumda S0 değeri KS değerinden çok daha büyük olup, yukarıdaki denklem aşağıdaki

şekilde sadeleştirilebilir. 1�89 ≈ �� − �

veya 1�89 ≈ �� − �

60

Şekil 6.3. Tam karışımlı ve piston akımlı aktif çamur prosesinde performans ve çıkış substrat

konsantrasyonunun SRT ile değişimi

Yukarıdaki denklemler kullanılarak SRTmin değeri hesaplanır. Bu değerin hesaplanmasında

kullanılabilecek tipik kinetik katsayı değerleri ise Tablo 5.7’de sunulmuştur. Bahsedildiği üzere, reaktörler SRTmindeğeri esas alınarak boyutlandırılamazlar çünkü minimum SRT’de

çıkış substrat konsantrasyonu giriş substrat konsantrasyonuna eşittir. Bu nedenle, etkili bir

arıtımdan emin olmak amacıyla, genellikle seçilen SRT, minimum SRT değerinin 2-20

katıdır. Esas olarak, SRT/SRTmin güvenlik katsayısı olarak bilinir ve sistemin etkili bir şekilde

işletildiğinin teminatı olarak düşünülür.

�^ = �89�89�*�

Piston akımlı reaktörlerin modellenmesi

Geri devirli ve piston akımlı bir aktif çamur prosesi Şekil 6.4’de verilmiştir. İdeal bir piston

akımlı reaktörde, reaktöre giren her partikülün reaktörde eşit süre kaldığı kabul edilir. Normal

olarak piston akımlı aktif çamur proseslerinin modellenmesi zordur. Fakat Lawrence ve

McCarty (1970) iki önemli kabul yaparak, piston akımlı reaktörlerin modellenmesini

kolaylaştırmışlardır.

1-Reaktöre girişinde ve reaktör çıkışında biyokütle konsantrasyonu eşittir. Bu kabul SRT/τ>5

olması durumunda geçerlidir. Bu durumda reaktördeki biyokütle konsantrasyonu için

ortalama değer olarak gösterilir.

2- Atık reaktörden geçerken substrat tüketim hızı aşağıdaki formül ile ifade edilir.

61

SRT ise aşağıdaki formüle göre hesaplanır;

Burada Si geri devir akımıyla seyreltildikten sonra reaktör girişindeki substrat

konsantrasyonudur.

α = geri devir oranı

Teorik olarak piston akımlı reaktör performansı, tam karışımlı reaktörden daha iyi olup bu

durum ayrıca Şekil 6.2’de sunulmuştur. Gerçekte ideal piston akımlı reaktör koşullarının

sağlanması imkansızdır. Özellikle, havalandırma nedeniyle karşım olmakta ve boyuna

dispersiyon nedeniyle ideal piston akımlı reaktör koşullarına erişilememektedir. Bu nedenle,

havalandırma tankının seri-bağlı reaktörler şeklinde bölünmesi (kademeli, staged) ile piston

akımlı reaktöre yaklaşılabilir ve bu durumda verim, bir adet tam karışımlı reaktörden çok

daha iyi olmaktadır. Fakat gelen atıksuyun daha iyi seyreltilmesi nedeniyle, tam karışımlı

reaktörler, kademeli reaktöre kıyasla şok yüklemelere karşı daha dayanıklıdır.

Aktif Çamur Prosesinin İrdelenmesi

Aktif çamur prosesleri getirilen daha sıkı deşarj standartları nedeniyle, nitrifikasyon,

denitrifikasyon ve biyolojik fosfor giderme gibi birimleri de içermektedir. Dolayısıyla, yeni

kurulan atıksu arıtma tesislerinde aerobik, anoksik ve anaerobik tanklar bulunmakta olup, bu

tanklar arasında geri devirler mevcuttur. En genel aktif çamur prosesleri; piston akımlı, tam

karışımlı reaktör ve ardışık kesikli reaktörler olup aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

62

Şekil 6.4. Piston akımlı (a), tam karışımlı (b) ve ardışık kesikli (c) aktif çamur prosesi

Aktif çamur prosesinin 1920 li yıllarda gelişmesinden 1970 lerin sonlarına kadar daha çok

uzunluk/genişlik oranı 10/1 olan piston akımlı reaktör tipleri kullanılmıştır. 1960 lı yılların

sonlarına doğru evsel atıksu kanallarına endüstriyel deşarjlar artmaya başlamış olup, toksik

etkilerinden dolayı piston akımlı reaktörlerin kullanımı çeşitli problemlere yol açmıştır. Bu

nedenle tam karışımlı reaktörler gelişmeye başlamış olup, daha büyük hacim ve seyrelme

nedeniyle tam karışımlı reaktörler (CMAS) tercih edilmeye başlamıştır. Nitrifikasyonun

istendiği durumlarda bazen iki kademeli sistemler kullanılabilir. İlk kademede karbon

giderimi yapılırken ikincide nitrifikasyon prosesi gerçekleşir. Diğer aktif çamur prosesleri ve

geliştirildiği yıllar ise; oksidasyon hendeği (1950ler),kontak stabilizasyon(1960lar), krause

prosesi (1960 lar), saf oksijenli sistemler (1970ler), orbal prosesi (1970ler) ve ardışık kesikli

reaktörler (1980ler).

63

1970’li yıllarda daha çok sadece organik madde giderimi üzerinde durulduğundan Şekil

6.4’de verilen prosesler kullanılmıştır. Fakat, nütrient giderimine dair yeni standandartların

gelmesiyle beraber, Şekil 6.5’de verilen nütrient gideren aktif çamur prosesleri kullanılmaya

başlanmıştır.

Şekil 6.5. Karbon ve azot gideriminde kullanılan, dört basamaklı Bardenfo prosesi

Son yıllarda özellikle azot ve fosfor giderimine yönelik olarak önemli gelişmeler

kaydedilmiştir. Ayrıca, membran proseslerdeki gelişmelere paralel olarak membran

biyoreaktör prosesleri de önemli ölçüde gelişmiş olup son yıllarda gerçek ölçekli bir çok

arıtma tesisinde kullanılmaya başlamıştır. Membranlar atıksudan katıları (bakteriler ve

virüsler dahil) gidermek için kullanılmakta olup, membran biyoreaktörlerde genellikle

çökeltme tankı kullanılmamaktadır.

Atıksu Karakterizasyonu

Aktif çamur proses dizaynı; (1) havalandırma havuzu hacminin belirlenmesi (2) çamur

oluşum miktarı, (3) gerekli oksijen miktarı, (4) önemli parametrelerin çıkış konsantrasyonlarını belirlemeyi içerir. Atıksu arıtma tesislerinin dizaynında atıksu

karakterizasyonu en önemli ve en kritik adımdır. Atıksu arıtma tesisi dizaynında önemli

olabilecek atıksu karakterizasyonları aşağıdaki şeklide gruplandırılabilir; (1) organik

substratlar, (2) azotlu bileşikler, (3) fosforlu bileşikler ve (4) toplam ve uçucu askıda katılar.

Tablo 6.1’de atıksu arıtma tesisleri dizaynı için kullanılan parametreler verilmiştir.

64

Tablo 6.1. Tipik bir evsel atıksu karakterizasyon parametreleri ve değerleri

Bu bölümde arıtma tesisi dizaynı amacıyla kullanılacak olan parametreler ve kısaltmaları

Tablo 6.2’de verilmiştir.

Karbonlu Bileşenler. BOD veya COD olarak ölçülen karbonlu parametreler aktif çamur

dizaynı için son derece önemlidir. Yüksek konsantrasyonlarda BOD veya COD; (1) daha

büyük havalandırma havuzu hacimlerine, (2) daha fazla oksijen verilmesine ve (3) daha fazla

çamur üretilmesine neden olur. BOD karbonlu maddeler için genel bir parametre olmakla

beraber, son zamanlarda COD daha yaygın bir şekilde kullanılmakta olup özellikle bilgisayar

simulasyon programlarında COD kullanılmaktadır. COD kullanılmasıyla, karbonlu maddeler

için kütle dengesi oluşturmak daha kolaydır. COD’nin farklı formları Şekil 6.6’da gösterilmiş olup, Tablo 6.2’de tanımlanmıştır.

Şekil 6.6. Atıksuda COD’nin fraksiyonları

65

Tablo 8.2. Atıksu arıtma tesisi dizaynında kullanılacak parametreler ve kısaltmaları

BOD’den farklı olarak COD’nin bir kısmı biyolojik olarak parçalanamaz. Dolayısıyla, COD

biyolojik olarak parçalanabilir ve parçalanamaz olarak ikiye ayrılmıştır. Önemli diğer bir

ayrım ise; her bir kategorideki COD’nin ne kadarı çözünmüş ve ne kadarı partikül halindeki

maddeden ileri gelmektedir. Biyolojik olarak parçalanmayan çözünmüş COD aktif çamur

arıtma tesisi çıkışında bulunacak olup, biyolojik olarak parçalanmayan partikül COD ise;

askıdaki çamur tarafından tutularak toplam çamur üretimine sebep olacaktır. Biyolojik olarak

66

parçalanmayan COD, organik madde olup ayrıca VSS’e de katkıda bulunacaktır. Dolayısıyla,

biyolojik olarak parçalanmayan partikül COD (nbpCOD) aynı zamanda biyolojik olarak

parçalanamayan uçucu askıda katı (nbVSS) olarak da adlandırılır. Atıksu aynı zamanda uçucu

olmayan askıda katı da içermekte olup, aktif çamur tesislerinde MLSS konsantrasyonuna

katkıda bulunur. Bu katılar aynı zamanda giriş inert TSS (iTSS) olarak da adlandırılmakta

olup, TSS ile VSS konsantrasyonu farkından hesaplanır. Aktif çamur tesislerinin dizaynı için

çözünmüş, çözünmüş kolay parçalanır (rbCOD) ve partikül COD (pCOD)

konsantrasyonlarının ölçümü son derece önemlidir. Kolay parçalanabilir kısım, bakteriler

tarafından kolayca assimile edilirken, partikül veya kolloidal haldeki COD öncelikle hücre

dışı enzimler tarafından çözünür hale getirilmelidir, dolayısıyla daha düşük hızlarda (yavaş parçalanan COD, sbCOD) parçalanırlar. Çözünmüş COD (sCOD) ölçmek için numune 0.45

µm gözenek çaplı filtreden geçirilir. Çözünmüş COD içerisinde; rbCOD, bir kısım koloidal

COD ve biyolojik olarak arıtılmayan çözünmüş COD (nbsCOD) bulunur. Evsel atıksularda

nbsCOD, SRT değeri 4 gün veya yüksek olacak şekilde işletilen aktif çamur tesisi çıkışındaki

çözünmüş COD’ye eşittir.

rbCOD aktif çamur proses kinetiği ve performansı üzerinde önemli bir etkiye sahiptir. rbCOD

konsantrasyonun etkilediği prosesler Tablo 6.3’de sunulmuştur. Konvensiyonel piston akımlı

reaktörlerde veya kademeli aktif çamur sistemlerinde, havalandırma havuzunun baş kısmında

daha fazla rbCOD olacağından hava ihtiyacı da daha fazla olacaktır. brCOD özellikle pre-

anoksik tanklarda denitrifikasyon performansını önemli ölçüde etkilemekte olup, aerobik

tanktan önce bütün organik madde giderilmiş olur. rbCOD konsantrasyonu ne kadar yüksek

olursa, denitrifikasyon hızı da o kadar yüksek olacaktır. Biyolojik fosfor giderimi amacıyla

kullanılan anaerobik tanklarda, rbCOD olması durumunda fermantasyon yolu ile, rbCOD

asetata dönüştürülür ve bu asetat fosfor depolayan mikroorganizmalar tarafından ortamdan

alınır. Atıksudaki rbCOD konsantrasyonu, biyolojik fosfor giderim performansını tahmin

edebilmek için bilinmelidir. rbCOD, fermentasyon yolu ile VFA’ya dönüşebilecek kompleks

çözünmüş organik maddeleri içerir. Sıcak iklimlerde, kanalizasyon sisteminde eğimin düşük

olması durumunda daha yüksek konsantrasyonlarda VFA bulunabilmektedir.

BOD test verisi kullanılarak biyolojik olarak parçalanabilir COD datası hesaplanır. Grady vd.

(1999)’ne göre bCOD/BOD oranı, UBOD/BOD oranından daha yüksektir. Bunun nedeni ise;

BOD testinde bütün bCOD oksitlenemez. bCOD’nin bir kısmı mikroorganizmaya dönüşür ve

mikroorganizma tamamen çürümez bir kısmı hücre kalıntısı olarak ortamda birikir. Evsel

atıksu için UBOD/BOD oranı 1.5 civarındadır. Dolayısıyla, bCOD/BOD oranı 1.6-1.7

arasındadır. Buna göre;

bCOD = UBOD + 1,42.fd(YH)bCOD olacaktır.

Uzun zaman inkübasyon sonunda; bYZ[gZ[ = ;gZ[ gZ[⁄1 − 1,42( (�h)

Burada;

67

fd = hücre kalıntısı olarak kalan hücre fraksiyonu, g/g

YH = Heterotrofik bakteriler için sentez dönüşüm katsayısı, gVSS/g COD kullanılan

Örnek olarak, bir evsel atıksuda UBOD/BOD= 1.5, fd = 0,15, YH = 0,4 ise; bCOD/BOD =

1,64 olarak bulunur.

Tablo. 6.3. Giriş suyundaki rbCOD konsantrasyonundan etkilenebilecek biyolojik prosesler

Proses rbCOD’nin etkisi Aktif çamur havalandırma Giriş atıksuyunda rbCOD konsantrasyonun fazla olması

durumunda piston akımlı ve kademeli aktif çamur havalandırma havuzu girişlerinde yüksek oksijen ihtiyacı

Biyolojik azot giderimi Pre-anoksik tanklarda, yüksek rbCOD konsantrasyonları yüksek denitrifikasyon hızlarına sebep olacak ve anoksik tankın hacmi azalacaktır.

Biyolojik fosfor giderimi Yüksek rbCOD konsantrasyonları yüksek biyolojik fosfor giderimine sebep olur.

Aktif çamur selektör Girişteki COD’nin rbCOD fraksiyonu arttıkça, selektörde flok-oluşturan bakteriler için daha çok COD mevcut olacaktır. Bu durumda, çamur hacim indeksi, SVI, nin iyileşmesi üzerine etkisi de artacaktır.

Azotlu bileşikler. Atıksudaki azot kompozisyonları Şekil 6.5’de verilmiştir. Toplam kjeldahl

azotu (TKN) amonyak ve organik azotun toplamıdır. Evsel atıksuda toplam TKN’nin %60-

70’i NH4-N’den ileri gelmekte olup bakteri sentezi ve nitrifikasyon için kullanılır. Organik

azot, partikül halinde veya çözünmüş halde olabilir. Her iki durumda da bir kısmı biyolojik

parçalanmaya dirençlidir. Partikül halindeki organik azot, çözünmüş organik azota göre daha

yavaş parçalanır çünkü partikül halindeki organik maddelerin öncelikle hidrolize uğraması

gerekmektedir. Parçalanmayan organik azot yaklaşık olarak, biyolojik parçalanmaya

uğramayan VSS’in %6’sı kadardır. Partikül halindeki biyolojik olarak parçalanmayan organik

azot aktif çamur flokları tarafından yakalanacak ve çamurda kalacaktır. Çözünmüş, biyolojik

parçalanmayan organik azot ise arıtılmış suda kalacaktır. Çözünmüş, biyolojik olarak

parçalanmayan azot, giriş TKN değerinin yaklaşık %3’ü kadardır. Çözünmüş, biyolojik olarak

parçalanmayan azot konsantrasyonu genellikle 1-2 mg/L N civarındadır. Ayrıca, içsel

solunum sırasında da bir kısım biyolojik parçalanmayan organik azot üretilebilir. Dolayısıyla,

biyolojik olarak parçalanamayan organik maddelerin kaynakları ve ekileyen faktörler üzerine

daha çok araştırma yapılması gerekmektedir.

Alkalinite. Alkalinite özellikle nitrifikasyon yapılacağı durumlarda oldukça önemlidir.

Nitrifikasyon sırasında asit üretilecek olup, tam nitrifikasyon için alkalinitenin yeterli olması

gerekmektedir.

68

Şekil 6.7. Atıksuda azot formlarının fraksiyonları

Atıksu Karakterizasyonu için ölçüm metotları.

Kolay parçalanabilen COD ölçüm metodu. Biyolojik tepki veya fiziksek seperasyon

yöntemleriyle ölçülebilir. Biyolojik tepki yönteminde; atıksu ile aklime olmuş aktif çamur

numunesi karıştırılır ve oksijen alma hızı zamana bağlı olarak kaydedilir. Atıksu ve aktif

çamur numunesi kesikli bir reaktörde karıştırılır. Önce bol hava verilerek ÇO konsantrasyonu

5-6 mg/L’ye kadar yükseltilir ve hava verilmeden sadece karıştırılarak oksijen

konsantrasyonundaki düşüş izlenir. ÇO konsantrasyonu 3mg/L’nin altına düşünce yüksek bir

şekilde hava verilerek ÇO 5-6 mg/L’ye tekrar yükseltilir ve sadece karıştırma altında ÇO daki

düşüş zamana karşı izlenir. Elde edilecek ideal bir ÇO-zaman grafiği şekil 6.8’de verilmiştir.

Şekil 6.8. Aktif çamur ile evsel atıksuyun karıştırılması ile elde edilebilecek ideal bir

çözünmüş oksijen kullanım hızı-zaman grafiği

TKN

Amonyak

N

Organik N

Biyolojik

parçalanabilir

Biyolojik

parçalanamayan

Çözünmüş Partikül Çözünmüş Partikül

69

Bu şekilde A alanı rbCOD kullanımı için gerekli oksijeni göstermektedir. Alan B ise, sıfırıncı

dereceden nitrifikasyon için gerekli olan oksijeni göstermektedir. Alan C partikül haldeki

COD degradasyonu için gerekli oksijen, D ise içsel solunum için gerekli oksijeni

göstermektedir. rbCOD’nin bir kısmının da bakteri sentezi için kullanıldığını düşünerek

aşağıdaki formül ile rbCOD konsantrasyonu hesaplanır.

bYZ[ = Zi1 − �h,jkl (1i. + 144)144

Burada; OA = a alanı için kullanılan oksijen, mg/L

YH,COD = heterotrofik bakteri için sentez dönüşüm katsayısı, g hücre COD/g COD kullanılan.

VAS = testte kullanılan aktif çamur, mL

Vww = atıksu hacmi, mL

YH değeri için Ekama vd. (1986) 0,67 değerini önermiştir.

Bu metot kısmen zor olduğundan, Mamais vd. (1993) tarafından daha kolay bir metot

önerilmiştir. Bu metot da; evsel atıksu ve aktif çamur ünitesinden çıkan atıksu da gerçek

çözünmüş COD değerleri bulunur. Bunun için; (1) 100 mL hacminde evsel atıksuya ve ikincil

arıtımdan geçmiş atıksuya 1 mL 100g/L ZnSO4 çözeltisi ilave edilir, (2) 6 M NaOH

kullanarak pH 10.5’e yükseltilir ve flok oluşumu için 5-10 dak yavaş bir şekilde karıştırılır., (3) numune 10-20 dakika çöktürülür ve üst duru su 0.45µm gözenek çaplı filtreden geçirilir,

(4) Üst duru suda COD ölçülür. Evsel atıksu için bulunan sCOD ile ikincil arıtımdan geçmiş sCOD farkı rbCOD değerini verecektir.

Biyolojik olarak parçalanamayan uçucu askıda katılar. COD/VSS oranının biyolojik

olarak parçalanabilen ve parçalanamayan fraksiyonlar için sabit olduğu kabul edilir.

Jb1�� = m1 − >b`YZ[`YZ[ ?n 1��

b`YZ[`YZ[ = (bYZ[ gZ[)(gZ[ − dgZ[)⁄YZ[ − dYZ[

bpCOD= biyolojik olarak parçalanabilen partikül COD, mg/L

pCOD = partikül haldeki COD, mg/L

sCOD = çözünmüş COD

Azotlu bileşenler. Arıtma tesisi çıkışında çözünmüş organik azot konsantrasyonu; TKN ile

NH4-N konsantrasyonu arasındaki farka eşittir. Biyolojik olarak parçalanamayan çözünmüş organik azot, direk olarak ölçülememekle beraber, arıtma tesisi çıkışı çözünmüş organik azot

konsantrasyonu yeterli bilgi sunmaktadır.

Biyolojik olarak parçalanamayan partikül organik azot aşağıdaki şekilde hesaplanabilir.

70

(o = (9�p − dZp − pq4 − p)1��

Jb`Zp = (o(Jb1��)

Burada;

fN = VSS’deki organik azot fraksiyonu, g N/g VSS

TKN = toplam TKN, mg/L

sON = çözünmüş (filtrelenmiş) organik azot, mg/L

nbpON=biyolojik olarak parçalanamayan partikül halindeki organik azot, mg/L

Özet hesaplama

Örnek 8.1. Atıksu karakteristiğinin belirlenmesi. Tabloda verilen atıksuya ait verileri

kullanarak aşağıdakileri hesaplayın?

1. bCOD (biyolojik olarak parçalanabilir COD)

2. nbpCOD (biyolojik olarak parçalanamayan partikül halindeki COD)

3. sbCOD (yavaş parçalanan COD, slowly biodegradable COD)

4. nbVSS (biyolojik olarak parçalanamayan VSS)

5. iTSS (inert TSS)

6. nbpON (biyolojik olarak parçalanamayan organik azot)

7. Toplam biyolojik olarak parçalanabilir TKN

71

Çözüm.

1. Daha önce verilen formülü kullanarak bCOD değerinin hesaplanması

2. nbpCOD değerinin hesaplanması

4. nbVSS değerinin hesaplanması

Jb1�� = m1 − >b`YZ[`YZ[ ?n 1��

72

b`YZ[`YZ[ = (bYZ[ gZ[)(gZ[ − dgZ[)⁄YZ[ − dYZ[

b`YZ[`YZ[ = 1.6(195 − 94)465 − 170 = 0.55

Jb1�� = (1 − 0.55)(200) = 90 CI/B

b. nbpON değerinin belirlenmesi

Jb`Zp = (o(Jb1��)

Jb`Zp = 0.064(90CI/B) = 5,8 CI/B

7. Toplam biyolojik parçalanabilir TKN değerinin belirlenmesi

bTKN = TKN-nbpON-sON

= (40-5.8-1.2) = 33 mg/L.

Aktif çamur prosesinin dizayınında, atıksu giriş suyuna geri devirlerle gelen suların etkisinin

de belirlenmesi gerekir. En önemli geri devir su kaynakları ise; çürütücü üst suyu, filtre geri

yıkma suları sayılabilir. Bu sular, oldukça yüksek konsantrasyonlarda COD, BOD, amonyum,

TSS içerebilirler.

PROSSES KONTROL VE ANALİZİNİN TEMELLERİ

Aktif çamur prosesinin dizayınında göz önünde bulundurulması gereken faktörler aşağıdaki

şekilde sıralanabilir;

1-Reaktör tipinin seçimi

2-Uygun kinetik denklemlerin seçimi

3-SRT ve yükleme hızının belirlenmesi

4. Çamur üretimi

73

5. Oksijen ihtiyacı ve transfer

6. Nütrient ihtiyacı

7.Diğer kimyasal ihtiyaçların belirlenmesi

8. Çamurun çökelme özellikleri

9. Selektör kullanımı

10. Çıkış karakteristikleri

Daha önce de açıklandığı üzere, SRT çamurun sistemde kalma süresi olarak tanımlanmakta

olup, aktif çamur dizaynında en önemli parametredir. SRT aktif çamur proses performansını,

çamur üretimini, oksijen ihtiyacını, çamurun çökme özelliğini etkilemektedir. Sıcaklığa bağlı olarak BOD giderimi için SRT değeri en az 3-5 gün olmalıdır. Eğer özellikle nitrifikayondan

ve bu proses için ihtiyaç duyulan oksijen tüketiminden kaçınılmak istenirse, 18-25oC

arasındaki işletmelerde SRT değeri 3 güne yakın olmalıdır. Nitrifikasyonu engellemek için

bazı arıtma tesisleri 1 gün civarında dahi işletilmektedir. 10oC sıcaklık değerlerinde sadece

BOD giderimini hedefleyen tesislerde SRT değeri olarak 5-6 gün değerlerinin kullanımı

oldukça yaygındır.

Nitrifikasyon prosesi için SRT değerinin seçimi oldukça önemli olup, sıcaklığa bağlıdır.

Ayrıca, nitrifikasyon prosesinin hızı farklı atıksudan atıksuya değişebilmektedir. Bunun en

önemli nedeni ise; nitrifikasyonu etkileyen toksik maddelerin atıksudaki varlığıdır. Kinetik

veriler ve çıkış amonyum değerinin kullanılmasıyla bulunan SRT değeri, bir emniyet katsayısı

kullanılarak arttırılır. Bunun en önemli nedenleri ise; işletmede çeşitli değişimlerin

yapılmasına izin verebilmek ve peak TKN yüklemelerinde sistem performansının olumsuz

etkilenmemesidir.

Tablo 6.4’de aktif çamur proses dizaynında kullanılacak formüllerin özeti sunulmuştur. Tablo

6.5’de ise farklı koşullar için seçilebilecek minimum SRT değerleri verilmiştir.

74

Tablo 6.4. Aktif çamur dizaynında kullanılan formüller

�$ = �%!&($'%!) DO= çözünmüş oksijen ihtiyacı F/M=besin/mikroorganizma oranı �� = − ���(�� + �) k=maksimum substrat kullanım hızı, 1/zaman kd = içsel solunum hızı, 1/zaman

�� = �� kdn =nitrifikasyon bakterileri içim içsel solunum hızı, 1/zaman �� = − �����(�� + �) kT= T sıcaklıkta reaksiyon hız sabiti Ks = yarı-hız sabiti Kn = Nirifikasyon bakterileri için yarı-hız sabiti � = � ����� + � − � � Ko = oksijen inhibisyon katsayısı Lorg= hacimsel organik yükleme hızı, kg/(m3.gün) � = �� µ = spesifik büyüme hızı, 1/zaman µm = maksimum spesifik büyüme hızı, 1/zaman

�89 = 1�(2 − 2:)�5 + 2:�6 µn = nitrifikasyon bakterileri için spesifik büyüme hızı, 1/zaman

�89 = 1/� µmn = nitrifikasyon bakterileri için maksimum spesifik büyüme hızı, 1/zaman 1�89 = − ����. + � − � N = azot konsnatrasyonu, mg/L

� = �.31 + (� )�897�89(�� − � ) − 1 η = nitrat ve oksijenin elektron alıcı olarak kullanılması durumunda hızlarının oranları

� = >�89= ? 3 �(�! − �)1 + � �897 PX = katı konsantrasyonu Q = debi Qw = Atık çamur debisi (�-..)1 = E�,,-..F�89 R0 = oksijen ihtiyacı, kg/gün rg=net biyokütle üretimi, kg/m3.gün (�$..)1 = E�,,$..F�89 rsu=çözünmüş substrat kullanım hızı, kg/m3.gün S=substrat konsantrasyonu, mg/L 8� = 2(�! − �). 1,42�,,)*� SF=güvenlik katsayısı S0 = giriş substrat konsantrasyonu, mg/L

A = 2�!1 SRT=Çamur yaşı, gün TSS = toplam katı madde konsantrasyonu, mg/L τ = hidrolik bekleme zamanı, gün �^ = �89�5ç*r5�/�89�*� θ = sıcaklık-aktivite katsayısı (1,02-1,25).

�� = − > ���p�� + p? > [Z�� + [Z? − � � U= substrat kullanım hızı = 1/gün V = hacim, gün X = biyokütle konsantrasyonu, mg/L

Xe = arıtma tesisi çıkış biyokütle konsantrasyonu, mg/L XR = çöktürme tankı geri devir hattında biyokütle konsantrasyonu, mg/L

Y = biyokütle dönüşüm katsayısı

75

Tablo 6.5. Aktif çamur prosesleri için SRT değerleri

Artım amacı SRT değişimi,

gün SRT değerini etkileyen Faktörler

Evsel atıksulardan çözünmüş BOD giderimi 1-2 Sıcaklık Evsel atıksularda partikül madde giderimi 2-4 Sıcaklık Evsel atıksularda flok oluşumu 1-3 Sıcaklık Endüstriyel atıksularda flok oluşturan bakterilerin gelişimi

3-5 Sıcaklık/bileşen

Tam nitrifikasyon gerçekleştirmek 3-18 Sıcaklık/bileşen Biyolojik fosfor giderimi 2-4 Sıcaklık Aktif çamur stabilizasyonu 20-40 Sıcaklık

Xenobiotik bileşiklerin giderimi 5-50 Sıcaklık/spesifik bakteri/sıcaklık F/M oranı. Proses dizayn ve işletme koşullarını karakterize etmek için kullanılan bir parametredir. BOD bazlı F/M oranı uzun havalandırmalı aktif çamur proseslerinde 0,04 (g substrat/g biyokütle.gün) değerinden yüksek hızlı sistemlerde 1 (g substrat/g biyokütle.gün) değerleri arasında değişmektedir. Hacimsel yükleme hızı. Hacimsel yükleme hızı, birim havalandırma hacmi başını bir günde yüklenen BOD veya COD miktarı olup, kg BOD/(m3.gün) veya kg COD/(m3.gün) birimleriyle ifade edilir. 0,3 ile 3 arasında değişmektedir. Çamur üretimi. Çamur arıtım birimlerinin dizaynı, aktif çamur tesislerinde oluşacak çamur miktarının tahminine bağlıdır. Çamur oluşum miktarının düşük tahmin edilmesi sonucunda arıtma performansı bozulacaktır. Oluşacak çamur, küçük dizayn edilmiş çamur artım birimleri tarafından alınmayınca, sistemde çamur birikecek ve sonuç olarak çamur ikincil çöktürme tankından kaçarak arıtma standartları aşacaktır. Oluşan çamur miktarı aşağıdaki formül kullanılarak belirlenebilir. �,,-.. = ��)�2(�! − �)(1�I/10KI) PX,VSS = Günlük üretilen atık çamur miktarı, kg VSS/gün Yobs = Gözlenen dönüşüm katsayısı, gVSS/g giderilen substrat Q=giril debisi, m3/gün S0 ve S= giriş ve çıkış substrat konsantrasyonu, mg/L Şekil 6.9’da BOD bazlı Y değerlerinin değişimi verilmiştir. SRT arttıkça gözlenen değişim katsayısı artmaktadır. Bunun nedeni ise artan içsel solunum nedeniyle bakteri azalmasıdır. Sıcaklık arttıkça, benzer olarak gözlenen Y değeri azalmaktadır. Bunun nedeni ise, aynı şekilde artan içsel solunum hızıdır. 20-30 0C arasında içsel solunum prosesi için sıcaklık düzeltme katsayısı (θ) 1.04; 10-200C arasında ise sıcaklık düzeltme katsayısı 1.12’dir.

76

Şekil 6.9. SRT’ye bağlı olarak net çamur üretiminin sıcaklığa bağlı değişimi (a) birincil arıtım içermesi durumunda (b) birincil arıtım içermemesi durumunda.

Oluşan çamur miktarı ayrıca aşağıdaki formül kullanılarak da belirlenebilir.

Atılan kuru çamur miktarı TSS’e eşit olup VSS toplam çamurun sadece bir kısmıdır. TSS, VSS’e ilave olarak inorganik katıları da içermektedir. Giriş atıksuyundan gelen inorganik katı miktarı (TSS0-VSS0) olarak verilir. Daha önce verilen denklemdeki A, B ve c terimleri ayrıca inorganik katıları da içermekte olup, toplam biyokütlenin VSS fraksiyonu yaklaşık 0,85’dir. Dolayısıyla, oluşan çamurun TSS olarak değeri; �,,$.. = s0,85 + g0,85 + Y0,85 + [ + 2(9��! − 1��!)

Burada; TSS0 = Giriş atıksuya ait TSS konsantrasyonu, mg/L VSS0= Giriş atıksuya ait VSS konsantrasyonu, mg/L

77

Üretilen günlük atık çamur miktarı özellikle SRT’den oldukça etkilenmektedir. SRT ayrıca havalandırma tankındaki MLSS konsantrasyonuna karar vermekte olup, genellikle 1200-4000 mg/L arasında değişmekte olup çamurun çökelme karakteristikleri de oldukça önemlidir. Oksijen ihtiyacı. Gerekli oksijen ihtiyacının belirlenmesinde, bCOD dengesi yazılarak, giderilen COD ile, arıtma tesisinden günlük atılan çamur miktarı göz önünde bulundurulur. Eğer atıksu içerisindeki bütün organik maddeler CO2, H2O ve NH3’e oksitlenirse; oksijen ihtiyacı giriş bCOD konsantrasyonuna eşit olacaktır. Fakat, bakteri bCOD’nin bir kısmını enerji üretmek için kullanırken diğer kısmını hücre üretimi amacıyla kullanılır. Oksijen ayrıca, hücre içsel solunumu için kullanılmakta olup, miktarı SRT’ye bağlıdır. Arıtma tesisinde nitrifikasyon prosesinin gerçekleşmesi durumunda ise; nitrifikasyon için gerekli oksijenin de eklenmesi gerekmektedir. Bu durumda aşağıdaki formül kullanılabilir. 8! = 2(�! − �) − 1,42�,,)*� + 4,332(pZt) Burada; R0 = toplam oksijen ihtiyacı, g/gün PX,bio = VSS cinsinden atılan çamur miktarı (daha önceki denklemlerde geçen A,B ve C terimleri), g/gün NOx = sistemde nitrata oksitlenen TKN konsantrasyonu. Sistemde bulunan bütün TKN nitrata dönüştürülmez. Bir kısmı da hücre üretiminde kullanılmakta olup, hücrenin yaklaşık %12’si azottur. Bu durumda, azot için bir kütle dengesi yazılırsa; Oksitlenen azot = Girişteki azot – çıkıştaki azot – hücre üretimi için kullanılan azot Q(NOx) = Q(TKN0) - QNe - 0,12PX,bio pZt = 9�p_ − p5 − 0,12�,,)*�/2 Nütrient ihtiyacı. Eğer biyolojik bir sistemin uygun olarak işemesini istiyorsak, nütrientlerin uygun miktarda ortamda bulunması gerekmektedir. Daha önce tartışıldığı üzere, en önemli nütrientler azot ve fosfor dur. Bakteri formülünü C5H7NO2 olarak kabul edersek, bakteri hücresinin yaklaşık %12,4’ünün azot olduğu hesaplanır. Fosfor ihtiyacı ise genellikle azot ihtiyacının yaklaşık 1/5’i olduğu kabul edilir. Bu verilen değerler kesin değerler olmayıp sadece tipik değerlerdir. Bahsedildiği üzere, hücre içerisindeki azot miktarı sistem SRT’sine ve çevresel koşullara bağlıdır. Genel bir kural olarak SRT değeri 7 günün üzerinde, her 100 g BOD giderimi için 5 g azot ve 1 g fosfor gerekmektedir. Diğer kimyasal ihtiyaçları. Nütrientlere ilave olarak, nitrifikasyon prosesinde alkaliniteye ihtiyaç duyulmaktadır. Nitrifikasyon prosesinde, bakteri büyümesi de göz önüne alınırsa, alkalinite ihtiyacı yaklaşık olarak 7,07 g CaCO3/gNH4-N olacaktır. Gerekli alkaliniteye ilave olarak pH değerini nötral aralıkta tutabilmek için arıtımlı suda yaklaşık 70-80 mg/L CaCO3 alkalinite kalması istenir. Aktif Çamur Çökelme Özellikleri. Çökelebilirlik testi kullanılarak, geri-devir çamur pompalama oranı hesaplanabilir. 1000-ml lik bir mezürde 30 dakikalık çökme sonucunda, çöken çamurun kapladığı hacmin temiz suya yüzde oranı geri devir oranını vermektedir. Bu

78

oranın hiçbir zaman %15 den daha az olmamalıdır. Örnek olarak 1000 mL lik bir mezürde 30 dakikalık bir çökme sonucunda çamur hacmi 275 mL ise ger devir oranı =275/(1000-275)*100 = %38 olacaktır. Dolayısıyla, eğer arıtma tesisine gelen atıksu debisi 2 m3/s ise, geri devir debisi 2.0,38 = 0,76 m3/s olacaktır. Geri devir çamur debisinin belirlenmesi için kullanılan diğer bir çökelebilirlik testi ise; çamur hacim indeksi (SVI) dir. Eğer SVI değeri biliniyorsa, havalandırma havuzunda istenen biyokütle konsantrasyonunu elde etmek için geri devir oranı aşağıdaki formül kullanılarak belirlenebilir. 2u = 100/3(100/�4�1v) − 17 Burada, Qr = Giriş debisinin yüzdesi olarak geri-devir aktif çamur debisi Pw = % cinsinden MLSS SVI = çamur hacim indeksi Örnek olarak havalandırma tankında MLSS konsantrasyonunu %0.3 de tutmaya çalışalım. SVI değerinin 100 ml/g olması durumunda geri devir çamur oranı; 100/[(100/(0,3x100))-1]=%43. Kütle-dengesi analizi. Geri devir çamur debisi ayrıca, çökeltme tankı veya havalandırma havuzu etrafında kütle dengesi yapılarak da belirlenebilir. Çökeltme tankındaki çamur tabakasının kalınlığının sabit olduğu ve tesis çıkışında katı konsantrasyonun ihmal edilebilecek düzeyde olduğu kabul edilecektir. Şekli 6.10’da görülen çöktürme tankı etrafında kütle dengesi yazarsak; Birikim = giren –çıkan 0 = X(Q+QR)-QRXR-QwXR-QeXe Xe’nin ihmal edilecek kadar küçük olduğu kabul edilirse, 0 = 26(� − �6) + �2 − 24�6 26 = 2� − 24�6�6 − �

Geri devir oranı Qr/Q = R ise; 8 = 1 − q89/�89�6� − 1

Ger devir oranı ayrıca havalandırma tankı etrafında kütle dengesi yazarak da belirlenebilir. Havalandırma tankında büyüyen biyokütle ihmal edilirse, havalandırma tankına giren ve çıkan katı madde miktarı eşit olacaktır. Eğer girişteki katı madde konsantrasyonu havalandırma tankındaki katı konsantrasyonuna kıyasla ihmal edilirse;

79

0 = �626 − �(2 + 26) 262 = 8 = �/(�6 − �)

Şekil 6.10. Geri devir çamur kontrolü için askıda katı madde kütle dengesi için şematik

gösterimler (a) son çöktürme tankı etrafında kütle dengesi (b) havalandırma tankı etrafında

kütle dengesi

Çamur Atımı. İstenen SRT değerinin korunması için her gün üretilen fazla çamurun

sistemden uzaklaştırılması gerekmektedir. Genellikle fazla çamur geri devir hattından

uzaklaştırılır. Bunun nedeni ise geri devir çamurunun (RAS) daha konsantre olması ve daha

az pompalama gerektirmesidir. Bazı durumlarda ise, atık çamur havalandırma tankı içinden

çekilir. Havalandırma tankı içerisindeki çamur konsantrasyonu daha az olduğundan, fazla

çamurun havalandırma tankından çekilmesi durumunda daha yüksek debilerde pompaj

gerekmektedir. Bazı durumlarda, arıtma tesisi çıkışında katı madde konsantrasyonu ihmal

edilemez durumda olup, SRT hesaplamak için aşağıdaki formül kullanılır.

Eğer arıtma tesisi çıkışında biyokütle konsantrasyonu ihmal edilecek düzeyde ise;

�89 ≈ 1�/24�6

ve

24 ≈ 1�/24�89

Eğer fazla çamur havalandırma havuzundan atılır ve arıtma tesisi çıkışında çamur

konsantrasyonu ihmal edilirse;

�89 = 1/24

yada

24 = 1/�89

80

Oksijen tüketim hızı. Mikroorganizmalar substrat kullandıkça oksijen tüketirler. Oksijen

kullanım hızları biyolojik aktivite ile ve organik yükleme ile ilgilidir. Oksijen tüketim hızı

kesikli bir reaktörde oksijen konsantrasyonunun zamana karşı ölçülmesiyle elde edilir. Elde

edilen veriler mg O2/L.saat şeklinde ifade edilebilir. Bazı durumda, bakteri konsantrasyonu da

ölçülerek spesifik oksijen kullanım hızı belirlenir ve bu değer oksijen tüketim hızı/MLVSS

şeklinde hesaplanır ve mg O2/(L. MLVSS. Saat) şeklinde ifade edilir. Ayrıca spesifik oksijen

tüketim hızı kullanılarak arıtma tesisi çıkış suyu kalitesi tahmin edilebilir.

İşletme Problemleri

Arıtma tesislerinde en çok gözlenen problem çamur kabarması, çamur yüzmesi ve Nocardia

köpüğüdür. Bu problemlerin tesislerde ortaya çıkma ihtimalinden dolayı bunların sebep ve

kontrol yöntemlerinin bilinmesi gereklidir.

Çamur Kabarması Çamur kabarması; çoğu zaman düşük çökelme özelliğine sahip MLSS’in çöktürme ünitesinde

iyi çökelememesi ve çıkış suyunda askıda katı konsantrasyonunun yüksek çıkması olarak

tanımlanır. Çamur kabarması meydana geldiğinde MLSS flokları sıkışmaz veya iyi çökelmez.

Bu sebeple çöktürülmüş çıkış suyu ile çamur partikülleride deşarj edilir. Sistemde iyi çöken

çamur meydana geldiğinde, çöktürücünün dibinde çamur seviyesi 10-30 cm kadar olabilir.

Ekstrem çamur kabarması hallerinde ise MLSS’in büyük bir miktarı sistem çıkış suyuna

karışır ve bu da eğer kullanılıyorsa yetersiz dezenfeksiyona ve çıkış suyu filtrelerinin

bozulmasına neden olur. Çamur kabarması başlıca iki tiptir. Bunların biri, filamentli

organizmaların sistemde meydana gelen olumsuz koşullar sebebiyle baskın tür olarak

gelişmesidir ve filamentli kabarma olarak isimlendirilir. Kabarmanın diğer tipi ise, viskoz

kabarmadır ve hücre dışı biyopolimerlerin ayrı miktarda çoğalmasıyla jel kıvamında çamur

meydana gelir. Biopolimerler hidrofilik olduğundan aktif çamur daha fazla su tutar ve bu

şartlarda da sulu kabarma meydana gelir. Sonuçta çamur, düşük çöktürme hızları ve düşük

sıkışma özelliğine sahiptir. Viskoz kabarma genellikle, sınırlı nütrient durumlarında veya

kolay ayrışabilen KOİ’nin yüksek miktarına sahip atıksuların çok yüksek yükle sisteme

verilmesi hallerinde meydana gelmektedir. Filamentli bakterilerin gelişimi sebebiyle çamur

kabarması problemleri daha yaygındır. Filament gelişimiyle, tek hücreli organizmaların

filamentleri çamur floğunun dışına taşar. Bu yapı, iyi çökelme özelliği olan floğun yetersiz

çökelmeyle sonuçlanan, yüzey alanı-kütle oranının artmasına sebep olur. Şekil 6.11’de iyi ve

kötü çökelme özelliğine sahip flok partikülleri gösterilmiştir.

Tablo 6.6’da çeşitli ipliksi bakterilerin tercih ettiği büyüme koşulları, Tablo 6.7 de ise çamur

kabarmasını etkileyen koşullar verilmiştir.

81

Şekil 6.11. İyi ve kötü çökelme özelliği gösteren çamur partikülü örnekleri: (a) filamentli olmayan iyi çöken flok, (b) filamentli mikroorganizmalarla köprü oluşturmuş flok

partikülleri, (c,d) kötü çökelmeye neden olan filamentli mikroorganizmaların mikroskopik görünüşleri, (e) sülfür granüllü Thiothrix filamentleri ve (f) düşük

çözünmüş oksijen konsantrasyonlarında gözlenen 1701 tipi filamentli mikroorganizma

Tablo 6.6. Aktif çamurda bulunan filamentli mikroorganizmaların tercih ettiği işletme koşulları

82

Tablo 6.7. Çamur kabarmasını etkileyen faktörler

Aktif Çamur Selektör Prosesi

1970 lere kadar çamur kabarması probleminin aktif çamur tesislerinde kaçınılmaz bir problem

olduğuna inanılıyordu. Fakat, 1973 yılında Chudoba vd. (1973) tarafından yapılan bir çalışma

ile, tam karışımlı reaktör ile kademeli reaktör (selektör) kıyaslanmış ve selektörlerin ipliksi

bakterilerin kontrolünde kullanılabileceği sonucuna ulaşmıştır. Rensink (1974) benzer olarak

reaktör konfigürasyonu ile ipliksi bakteri kontrolü arasındaki ilişkiyi belirlemiştir.

Selektörlerde ipliksi bakteriler yerine flok oluşturan bakterilerin gelişmesi desteklenir.

Selektörlerde bekleme zamanı düşük olup, substrat konsantrasyonu oldukça yüksek olup

yumak oluşturan bakterilerin gelişmesini desteklemektedir. Selektör küçük bir tank veya

tanklardan meydana gelmekte olup, bekleme zamanı 20-60 dakika arasında değişmektedir.

Selektör; aerobik, anoksik veya anaerobik olabilmekte olup, farklı selektör çeşitleri Şekil

6.12’de gösterilmiştir. Ardışık kesikli reaktörler, selektör görevi de görecek şekilde

işletilebilir. Selektörlerde rbCOD’nin biyük bir kısmı yumak oluşturan bakteriler tarafından

kullanılır. Partikül halindeki COD’nin parçalanması için daha uzun zaman gerektiğinden

selektör çıkışında partikül halindeki organik madde mevcut olacaktır. Selektörler yumak

oluşturan bakterileri kinetik-bazlı veya metabolik-bazlı olacak şekilde seçebilirler. Kinetik-

bazlı selektörler yüksek F/M değerlerine dayanırken metabolik selektörler ise; ya anoksik

yada anaerobik olacak şekilde işletilirler.

Kinetik bazlı selektörler. Bu reaktörlerde substrat konsantrasyonu yüksek olup, yumak

oluşturan bakteriler tarafından substrat yüksek hızlarda kullanılır. İpliksi bakteriler, düşük

substrat konsantrasyonlarında yüksek hızda çalışırken, yumak oluşturan bakteriler yüksek

substrat konsantrasyonlarında daha hızlı büyüyebilmektedirler (Şekil 6.13). Selektörlerde

yüksek substrat konsantrasyonlarının elde edilebilmesi için ardışık tam karışımlı düşük

83

hidrolik bekleme zamanına sahip reaktörlere atıksu verilir. Böylece, selektörlerde substrat

konsantrasyonu yüksek tutulmuş olacaktır.

Şekil 6.12. Tipik selektör konfigürasyonları (a) anaerobik/aerobik, (b) yüksek F/M ve

(c) anoksik selektör

Üç selektörün arka arkaya kullanılması durumunda önerilen COD F/M oranları aşağıdaki gibi

verilebilir;

• İlk reaktör; 12 gCOD/gMLSS.gün

• İkinci reaktör; 6 g COD/GMLSS.gün

• Üçüncü reaktör; 3 g COD/g MLSS.gün

Kinetik bazlı selektörlerde flokların aerobik kalabilmesi için çözünmüş oksijen

konsantrasyonlarının yüksek (6-8 mg/L) olması istenir. Pratikte bu koşulları sağlamak zor

84

olabilir ve bu nedenle genellikle selektörlerin anoksik veya anaerobik olarak işletildiği metabolik selektörler kullanılır.

Şekil 6.13. Farklı substrat konsantrasyonlarında ipliksi ve ipliksi olmayan bakterilerin spesifik

büyüme hızları

Atıksu karakteristiğine ve besleme şartlarına bağlı olarak ardışık kesikli reaktörler oldukça

etkili yüksek F/M selektörleri olarak davranabilirler. Reaktör işletiminin ilk safhasında

oldukça yüksek substrrat konsantrasyonlarına ulaşılır. Sonraki kesikli reaksiyon ise bir piston

akımlı proses ile aynıdır.

Metabolik bazlı selektörler. Nütrient gideren sistemlerde genellikle iyi çamur çökelmesi ve

minimum ipliksi bakteri gelişimi gözlenir. Bu reaktörlerde anoksik ve anaerobik koşullarda

reaksiyonlar gelişmekte olup, yumak oluşturan bakterilerin gelişmesi sağlanmış olacaktır.

İpliksibakteriler nitrit veya nitratı elektron alıcı olarak kullanamazlar. Bu durum

denitrifikasyon yapabilen yumak oluşturan bakteriler içi oldukça önemli bir özelliktir. Benzer

olarak, ipliksi bakteriler polifosfatı depolayamaz ve anaerobik koşullarda asetat

kullanamazlar. Bu durum fosfor depolayabilen yumak oluşturan bakteriler için oldukça

önemli bir avantaj olmakta ve fosfor depolayarak asetatı hücre içine alarak büyümekte ve

ipliksi bakterilere dominant olabilmektedir. Yüksek F/M anoksik veya anaerobik selektörler

için SVI değeri 65-90 ml/g arasında değişirken, tek bir anoksik selektör için SVI değeri 100-

120 mL/g arasında değişebilmektedir.

BOİ Giderimi ve Nitrifikasyon İçin Prosesler

BOİ Giderimi.

bCOD giderimi için heterotrofik bakterilere ait kinetik katsayılar Tablo 6.8’de verilmiştir.

85

Tablo 6.8. Heterotrofik bakteriler için 20oC’de kinetik sabitler

Tam karışımlı aktif çamur prosesi. Tipik bir tam karışımlı aktif çamur prosesi Şekil 6.14’de

sunulmuştur. Ön çöktürmeden geçmiş atıksu ile, son çöktürme tankı çamuru karıştırılarak

havalandırma havuzunun farklı noktalarından verilir ve tam bir karışım elde edilmeye

çalışılır. Havalandırma tankının içeriği tamamen karıştığı için organik yükleme, substrat

konsantrasyonu ve oksijen ihtiyacı tüm havuzda üniform olup, F/M oranı düşüktür.

Havalandırma tankının tamamen karışmasına dikkat edilerek, arıtılmamış veya kısmen

arıtılmış suyun kısa devreler yoluyla çıkıştan arıtılmadan çıkmamasına dikkat edilir.

Şekil 6.14. Tam karışımlı aktif çamur prosesi

Organik karbon giderimi ve nitrifikasyon için tam karışımlı aktif çamur dizaynında izlenecek

adımlar Tablo 6.9’da verilmiştir.

86

Tablo 6.9. BOD giderimi ve nitrifikasyon yapan aktif çamur prosesi için dizayn yaklaşımı

1- Atıksu giriş karakterizasyonunun yapılması

2- NH4-N, TSS be BOD konsantrasyonları için istenen çıkış suyu kalitesinin belirlenmesi

3- Beklenen pik/ortalama TKN yüklemesine göre 1,3 ile 2,0 arasında değişen emniyet

katsayısının seçilmesi.

4- Minimum DO konsantrasyonun seçilmesi. Nitrifikasyon istenmesi durumunda en az

2,0 mg/L seçilir.

5- Havalandırma tankı sıcaklığı ve DO göz önüne alınarak nitrifikasyon bakterileri için

maksimum spesifik büyüme hızı (µm) belirlenir ve Kn hesaplanır.

6- İstenen çıkış suyu NH4-N değerinin elde edilebilmesi için net spesifik büyüme hızı (µ)

ve SRT hesaplanır.

7- Emniyet katsayısı kullanılarak dizayn SRT değeri hesaplanır.

8- Biyokütle üretiminin hesaplanması

9- Azot kütle dengesi yapılarak oluşan NOx ve oksitlenen NH4-N hesaplanır.

10- Havalandırma tankı için VSS ve TSS kütleleri hesaplanır.

11- Belli bir MLVSS konsantrasyonu seçilerek havalandırma havuzu hacmi ve HRT

değeri hesaplanır.

12- Genel çamur üretimi ve gözlenen Y değeri hesaplanır.

13- Oksijen ihtiyacı hesaplanır.

14- Alkalinite gerekip gerekmediği hesaplanır.

15- İkinci çöktürme hacmi dizayn edilir.

16- Oksijen transfer sistemi dizayn edilir.

17- Çıkış suyu değerleri özetlenir.

18- Dizayn özet tablosu hesaplanır.

Örnek (Metcalf-8.2.). Sadece BOD giderimi yapan tam karışımlı aktif çamur prosesinin dizayn edilmesi. Debisi 22.464 m3/gün olan tam karışımlı aktif çamur prosesi dizayn

edilecektir. İstenen çıkış suyu özellikleri ise; (a) BODe konsantrasyonu 30 mg/L’den daha

düşük olmalı (b) çıkış TSSe değeri 15 mg/L den daha düşük olmalı. Tam karışımlı

havalandırma havuzunda su sıcaklığı 12oC alınacaktır. Ön çöktürmeden geçmiş atıksuya ait

özellikler aşağıda sunulmuştur.

Dizayn şartları ve kabuller:

1. İnce kabarcıklı seramik difüzörler kullanılacak olup, bunların temiz su için oksijen

transfer verimi %35’dir.

2. Havalandırma tankında su derinliği 4.9 m’dir.

3. Hava verecek seramik difüzörler havuz tabanından 0.5 m yukarıdadır.

4. Arıtma tesisinin yapılacağı yerin rakımı 500 m dir.

5. Havalandırma tankında DO 2 mg/L dir.

6. Havalandırma faktörü α BOD giderimi için 0,5 iken nitrifikasyon için 0,65’dir. β ise

0,95 ve difüzör tıkanma faktörü 0,90’dur.

7. Tablo 6.8’de verilen kinetik katsayılar kullanılacaktır.

8. BOD giderimi için SRT 5 gün alınacaktır.

87

9. Dizayn MLSS konsantrasyonu 3000 mg/L olarak alınacaktır.

10. TKN pik/ortalama değeri olan 1,5 emniyet katsayısı olarak alınacaktır.

Çözüm.

1. İhtiyaç duyulacak atıksu karakteristiklerinin belirlenmesi

a. bCOD’nin hesaplanması

bCOD = 1,6(BOD) = 1,6(140 mg/L) = 224 mg/L

b. nbCOD değerinin hesaplanması

nbCOD = COD-bCOD = 300-224 = 74 mg/L

c. sCODe değerinin hesaplanması

sCODe = sCOD-1,6sBOD

= (132 mg/L)-1,6(70) = 20 mg/L

d. nbVSS değerinin belirlenmesi

nbVSS = (1-bpCOD/pCOD)VSS

88

b`YZ[`YZ[ = (bYZ[/gZ[)(gZ[ − dgZ[)YZ[ − dYZ[

b`YZ[`YZ[ = 1,6(gZ[ − dgZ[)YZ[ − dYZ[ = 1,63(140 − 70)73(300 − 132)7 = 0,67

nbVSS = (1-0,67)(60 mg/L VSS) = 20 mg/L

e. iTSS değerinin bulunması

iTSS = TSS-VSS = 70-60 = 10 mg/L

2. Sadece BOD giderimi için askıda büyümeli tam karışımlı sistemin dizaynı

a. Biyokütle üretiminin hesaplanması

�,,-.. = 2�(�! − �)1 + � �89 + (( )(� )2�(�! − �)�891 + (� )�89

Bu denklem için kullanılacak veriler ise;

Q = 22464 m3/gün

Y = 0,40 g VSS/g bCOD

S0 = 224 mg/L

İlk olarak çıkıştaki bCOD konsantrasyonu belirlenir.

� = ��31 + (� )�897�893�� − � ) − 17

Tablodan Ks = 20 mg/L

µm,T = µmθT-20

µm,12 = 6 (1,02)12-20 = 3,5 g/g.gün

kd,T = k20θ(T-20)

kd,T = k20θ(T-20) = (0,12)(1,04)12-20 = 0,088g/g.gün

� = %!3��!,!ww)x7x3(K,x'!,!ww)'�7 = 1,8 CI/B

Bu verileri kullanarak; Px,VSS hesaplanır;

89

3. Havalandırma tankındaki toplam biyokütlenin belirlenmesi.

�89 = 1�/�,

a. Atıksudan gelen nbVSS’inde dahil edilmesiyle hesaplanan toplam PX,VSS

PX,VSS = 1478 + Q(nbVSS)

1478 kg/gün + 22464 m3/gün(20 g/m3)(1kg/103g)

=1478+449,3 = 1927,3 kg/gün.

PX,TSS ise;

b. Havalandırma havuzunda VSS ve TSS kütlelerinin hesaplanması

VXVSS = PX,VSSSRT = 1927,3 kg/gün. 5 gün = 9637 kg

Havalandırma havuzundaki toplam TSS ise;

XTSS.V = (PX,TSS).SRT = 2412,7 kg/gün. (5 gün) = 12064 kg.

4. Dizayn MLSS konsantrasyonun seçimi ve havalandırma havuzu tank hacminin

belirlenmesi

a. Havalandırma tankı hacminin belirlenmesi

V(XTSS) = 25405 kg

XTSS = 3000 g/m3 alınırsa;

V =(12064 kg)(103g/kg) /(3000 g/m3) = 4021 m3.

Bekleme zamanı ise; τ = V/Q = 4021 m3 (24h/gün) /(22464 m3/gün) = 4,3 h.

90

c. MLVSS konsantrasyonun belirlenmesi

VSS fraksiyonu = 9637/12064 = 0,80.

MLVSS = 0,8*3000 mg/L = 2400 mg/L.

5. F/M ve BOİ hacimsel yüklemenin belirlenmesi.

a. F/M oranı aşağıdaki şekilde belirlenir;

b. Hacimsel BOD yükleme değerinin belirlenmesi

5. Gözlenen dönüşüm katsayısı değerlerinin TSS ve VSS’e bağlı olarak belirlenmesi

a. TSS bazlı gözlenen Y

= gSS/gbCOD = PX,TSS / Q(S0-S) = 2412 kg/gün / [22464m3/gün (224-1,8) g/m3] (1 kg/103g) =

0,48 gTSS/gbCOD

b. VSS bazlı gözlenen Y değerinin hesaplanması

Ygöz,VSS = 0,48 gTSS/bCOD.0.80 gVSS/gTSS = 0,38 g VSS/gbCOD.

Veya

0.38 gVSS/gbCOD. (1.6gbCOD/gBOD) = 0,61 gVSS/gBOD.

7. Oksijen ihtiyacının hesaplanması.

8. İnce-kabarcıklı havalandırma sisteminin dizaynı.

91

Burada, AOTR = arazi koşullarında gerçek oksijen transfer hızı, kgO2/gün

SOTR = 20oC sıcaklıkta ve başlangıç DO konsantrasyonun sıfır olduğu standart koşullarda saf

suda oksijen transfer hızı, kgO2/gün.

Burada C20 ve Cs,T,H değerleri sırasıyla 9,08 ve 11,93 mg/L kabul edilecektir. α = 0,50 ve β =

0,95 alınarak;

Gerekli hava debisi ise aşağıdaki şekilde hesaplanabilir;

qDyD /cb@d@, �I//D�@�D = �Z98, �I/dDD03(z) �60 /D�@�DdDD0 � ��I Z2C3ℎDyD�7 12oC ve belirtilen hava basıncında havanın yoğunluğu 1.1633 kg/m3 alınabilir. Belirtilen

koşullarda hava içersindeki oksijen oranının 0,23 olduğu kabul edilirse; hava içerisindeki

oksijen konsantrasyonu; 0,23x1,1633 kg/m3 = 0,270 kg O2/m3 hava bulunacaktır. Bu durumda

gerekli hava debisi;

qDyD /cb@d@, �I/D�@�D = 315 �IdDD0m(0,35) �60 /D�@�DdDD0 � >0,270 �IZ2C3 ℎDyD?n = 55,5 C3//D�@�D

Nitrifikasyon İçin Proses Dizaynı.

Nitrifikasyon iki basamaklı bir proses olup amonyumun önce nitrite, sonra nitrata oksitlenme

adımlarından oluşur. Nitrifikasyon prosesine üç önemli neden için ihtiyaç duyulabilir (1)

amonyağın balıklar üzerndeki toksik etkisi ve oksijen tüketimine sebep olması, (2)

ötröfikasyon montrolü nedeniyle azot gideriminin gerekli olması durumunda nitrifikasyon-

denitrifikasyon porseslerinin beraber kullanımı, (3) Yeniden kullanım uygulamaları için azot

gideriminin gerekli olması. Örnek olarak içme suları için maksimum nitrat

konsantrasyonunun 10 mg/L NO3-N’den düşük olması gerekmektedir. Evsel atıksularda TKN

(organik azot + amonyum) konsantrasyonu azot cinsinden 25-40 mg/L arasındadır. Su

sıkıntısının çekildi bazı bölgelerde evsel atıksularda TKN konsantrasyonunun azot cinsinden

200 mg/L N değerlerine ulaşabildiği gözlenmiştir.

BOD giderimine benzer olarak askıda büyümeli ve bağlı büyümeli sistemlerde nitrifikasyon

prosesleri gerçekleştirilebilir. Çoğunlukla BOD ve nitrifikasyon prosesi aynı reaktör içinde

gerçekleştirilir. Bazı durumlarda, atıksuyun içerisinde potansiyel olarak toksik veya

92

inhibisyona sebep olabilecek maddeler olabilir. Bu durumda, iki-çamur askıda büyümeli

prosesi (two-sludge suspended growth process) kullanılabilir. İki çamur prosesinde, iki

havalandırma ve iki çöktürme tankı vardır. Birinci aktif çamur prosesi sadece BOD giderimi

amacıyla düşük SRT değerlerinde işletilir. BOD ve toksik maddeler ilk prosesde giderilir ve

böylece nitrifikasyon hızını düşürebilecek organik ve toksik maddeler giderilmiş olur (Şekil

6.15).

Nitrifikasyon amacıyla bağlı büyümeli sistemlerde kullanılır. Genellikle nitrifikasyon için

kullanılan reaktöre atıksu alınmadan önce BOD giderimi yapılır. BOD giderimi ve

nitrifikasyon prosesinin aynı bağlı büyümeli sistemde gerçekleşmesi durumunda heterotrofik

bakteriler, ototrofik nitifikasyon bakterilerinden çok daha hızlı büyüyerek ortamda dominant

olurlar. Bilindiği üzere, heterotrofik bakterilerin büyüme hızı, nitrifikasyon bakterilerin çok

daha büyüktür.

Şekil 6.15. Biyolojik nitrifikasyon prosesi için tek-çamur ve iki-çamur askıda büyümeli

sistemler

Nitrifikasyon stokiyometrisi

Nitrifikasyon enerji üreten iki basamaklı bir prosestir.

93

Toplam reaksiyon ise;

NH4+ + 2O2 NO3

- + 2H+ + H2O

Yukarıdaki denklemlere göre, amonyumun, nitrata dönüşümü için 4,57 gO2/g N gerekmekte

olup, bu oksijenin 3.43 gO2/g-N kısmı nitrit üretimi için 1,14 gO2/g-N kısmı ise nitritin

nitrata dönüşümü için kullanılmaktadır. Oksidasyona ilave olarak, karbon dioksit fiksasyonu

ve azotun hücre içine alınması proseslerinin de göz önünde bulundurulması gerekmektedir.

Hücre büyümesinin ihmal edilmesi durumunda, nitrifikasyon prosesi için gerekli alkalinite

aşağıdaki reaksiyondan hesaplanabilir.

NH4+ + 2HCO3

- + 2O2 NO3- + 2CO2 + 3H2O

Yukarıdaki reaksiyona göre, her bir gram NH4-N oksidasyonu için [(2x50 g CaCO3/eq)/14]

7,14 g alkalinite (CaCO3 olarak) gerekmektedir.

Bahsedildiği üzere, amonyumun bir kısmı hücre içerisine alınarak bakteri üretiminde

kullanılır. Bakteri üretiminin de göz önünde bulundurulması durumunda;

NH4+ + 1,863O2 + 0,098 CO2 0,0196 C5H7NO2 + 0,98NO3

- + 0,0941H2O+1,98 H+

Yukarıdaki denklemden görüleceği üzere; 1 g amonyum azotunun oksidasyonu için 4,25 g O2

kullanılmakta olup, CaCO3 olarak 7,07 g alkaliniteye ihtiyaç duyulmaktadır. Ayrıca

oksitlenen her g amonyak azotu için 0,16 g yeni hücre oluşmaktadır. Bir önceki denkleme

kıyasla, 1 g amonyak-azotunun oksitlenmesi için daha az oksijene gerek vardır. Çünkü

amonyağın bir kısmı hücre sentezi için hücre içine alınır. Werzernak ve Gannon (1967)

tarafından yapılan bir çalışmaya göre; bir gram amonyak azotunun oksitlenmesi için 4.33 g

O2’ne ihtiyaç duyulmaktadır.

Nitrifikasyon bakterileri büyümek için CO2 ve fosfora da ihtiyaç duymaktadırlar. Fakat, hücre

büyümesi çok düşük olduğundan çoğunlukla ikisi de limitleyen faktörler olmamaktadır.

Nitrifikasyon bakterileri ayrıca çeşitli iz elementlere ihtiyaç duymakta olu; Cu =0,01,

Mo=0,03, Ni=0,10 ve Zn = 1.0 mg/L konsantrasyonlarında ihtiyaç duyulmaktadır (Poduska,

1973).

Nitrifikasyon bakterilerinin büyüme kinetiği

28oC’nin altındaki sıcaklıklarda, amonyağın nitrite oksidasyonu daha yavaş olduğundan,

dizayn ve kinetik hesaplamalarında hız limitleyen basamak olan amonyağın oksidasyonu

dikkate alınır. Yeterli konsantrasyonda oksijenin olması durumunda, amonyak oksitleme hızı;

94

�� = > ���p�� + p? − � �

Burada;

µn = nitrifikasyon bakterileri için spesifik büyüme hızı, g yeni hücre/g hücre.gün

µnm = nitrifikasyon bakterileri için maksimum spesifik büyüme hızı, g yeni hücre/g hücre.gün

Kn = Yarı hız sabiti, mg manoyak-azotu/L

Kdn = Nitrifikasyon bakterileri için içsel solunum katsayısı, gVSS/gVSS.gün.

Nitrifikasyon bakterileri için maksimum spesifik büyüme hızı için oldukça farklı değerler

verilmiş olmakla beraber, 20oC’de µnm 0,25 ile 0,77 gVSS/gVSS.gün arasında değişmektedir.

Nitrifikasyon bakterileri için µnm değeri heterotrorofik bakteriler için rapor edilen değerlerden

çok daha düşüktür. Bu nedenle, aktif çamur sistemlerinde nitrifikasyon prosesi için çok

yüksek SRT değerlerine ihtiyaç duyulmaktadır. 10oC’de nitrifikasyon için gerekli SRT değeri

10-20 gün arasında, 20oC’de ise 4-7 gün arasında değişmektedir. Sıcaklığın artmasıyla

beraber, nitritin nitrata oksidasyonu hız limitleyen basamak olur ve yüksek sıcaklıklarda ve

düşük SRT değerlerinde nitrit birikimi söz konusu olur.

Nitrifikasyon hızı, çözünmüş oksijen konsantrasyonuna da bağlı olup, heterotrofik bakterilere

kıyasla daha yüksek oksijen konsantrasyonlarına ihtiyaç duyarlar. Genellikle 3-4 mg/L

oksijene kadar nitrifikasyon hızı artar. Bu durumda nitrifikasyon bakterileri için hız ifadesi

aşağıdaki şekli alır;

�� = > ���p�� + p? ( [Z�� + [Z) − � �

Burada;

DO = Çözünmüş oksijen konsantrasyonu, mg/L

Ko = DO için yarı doygunluk sabiti, mg/L.

Oksijen konsantrasyonuna ilave olarak, nitrifikasyon hızı pH, toksisite, metal ve iyonize

olmamış amonyak konsantrasyonundan da etkilenmektedir.

Tablo 6.9’da nitrifikasyon prosesi için kinetik katsayılar verilmiştir.

95

Tablo 6.9. Aktif çamur nitrifikasyon kinetik katsayıları (sıcaklık 20oC)

Örnek 8.2. BOD giderimi ve nitrifikasyon için tam karışımlı aktif çamur proses dizaynı. Daha önceki örnekte verilen atıksu için BOD giderimi ve nitrifikasyon yapan proses dizayn

edilecektir. Debisi 22.464 m3/gün olan tam karışımlı aktif çamur prosesi dizayn edilecektir.

İstenen çıkış suyu özellikleri ise; (a) BODe konsantrasyonu 30 mg/L’den ve NH4-N

konsantrasyonu 0,5 mg/L’den daha düşük olmalı (b) çıkış TSSe değeri 15 mg/L den daha

düşük olmalı. Tam karışımlı havalandırma havuzunda su sıcaklığı 12oC alınacaktır.

Dizayn şartları ve kabuller:

1. İnce kabarcıklı seramik difüzörler kullanılacak olup, bunların temiz su için oksijen

transfer verimi %35’dir.

2. Havalandırma tankında su derinliği 4.9 m’dir.

3. Hava verecek seramik difüzörler havuz tabanından 0.5 m yukarıdadır.

4. Arıtma tesisinin yapılacağı yerin rakımı 500 m dir.

5. Havalandırma tankında DO 2 mg/L dir.

6. Havalandırma faktörü α BOD giderimi için 0,5 iken nitrifikasyon için 0,65’dir. β ise

0,95 ve difüzör tıkanma faktörü 0,90’dur.

7. Tablo 6.8’de verilen kinetik katsayılar kullanılacaktır.

8. BOD giderimi için SRT 5 gün alınacaktır.

9. TKN için pik/ortalama emniyet katsayısı FS = 1,5

96

Çözüm.

1. Sadece BOD gideren sistem dizaynına benzer şekilde dizayn yapılacaktır. Fakat ilk

olarak nitrifikasyon için dizayn SRT sinin belirlenmesi gerekmektedir. Daha önce

verilen denklem kullanılarak, nitrifikasyon bakterileri için spesifik büyüme hızı

bulunacaktır.

�� = > ���p�� + p? ( [Z�� + [Z) − � �

Tablo 6.9’da verilen kinetik katsayılar 20oC sıcaklık için verilmiş olup sistemin işletileceği 12 oC için kinetik katsayıların yeniden hesaplanması gerekmektedir.

a. 12oC’de µnm = (0,75)(1,07)(12-20) = 0,44 g/g.gün.

b. 12oC’de Kn = (0,744)(1,053)(12-20) = 0,49 g/g.gün.

c. 12oC’de kdn = (0,08)(1,04)(12-20) = 0,06 g/g.gün.

d. Çıkış NH4-N konsantrasyonu 0,5 mg/L olup, bu durumda spesifik büyüme hızı;

�� = |>0,44 II . IüJ? �0,5 CIB �0.49 + 0.50 ~ > 20,50 + 2? − 0,06I/I. IüJ = 0,12 I/I. IüJ

97

2. Teorik ve dizayn SRT değerinin bulunması

a. Teorik SRT aşağıdaki formül ile bulunabilir;

SRT = 1/µ = 1/0,12 = 8,33 gün.

b. Dizayn SRT değerinin bulunması

Dizayn SRT değeri = (Teorik SRT)(FS) = 1,5x(8,3) = 12,5 gün.

3. Oluşan biyokütle aşağıdaki şekilde bulunabilir;

Bu formülde kullanılacak olan değerler ise;

Q = 22464 m3/gün

Y = 0,40 gVSS/s bCOD

S0 = 224g bCOD/m3

kd = 0,088 g/g.gün

µm = 3,5 g/g.gün

Oluşan çamur miktarının belirlenmesi için ilk olarak reaktör çıkışındaki bCOD değerinin

bulunması gerekmektedir.

� = ��31 + (� )�897�893�� − � ) − 17 � = 2031 + (0,088)12,5712,533,5 − 0.088) − 17 = 1,0 CI/B

TKN nin bir kısmı heterotrof ve ototrof bakteriler tarafından hücre üretimi amacıyla

kullanılacağından oluşan nitrit ve nitrat toplamının giderilen TKN’nin %80’nine eşit olduğu

kabul edilecektir. Bu durumda;

NOx = 0.80(35) = 28 mg/L.

b. Yukarıda verilenler ışığında oluşan çamur miktarı hesaplanırsa;

98

4. Azotun nitrata oksitlenen kısmı, azot dengesi yazılarak hesaplanabilir.

NOx = TKN-Ne-0,12Px,bio/Q

= 35-0,50-0,12gN/gVSS.1154,7kgVSS/gün(103 g/kg)/(22464 m3/gün) = 28,3 g/m3

Dolayısıyla, seçilen 28 mg/L değerinin doğru olduğu kabul edilebilir.

5. Havalandırma havuzunda VSS ve TSS miktarının ve konsantrasyonunun belirlenmesi

VSS toplam miktarı = Px.SRT

Daha önceki bölümde toplam biyokütle miktarı bulunmuştu. Toplam VSS değerinin bulmak

için bu değere giriş atıksuyundan gelen nbVSS değerinin de eklenmesi gerekmektedir.

Bu durumda

PX,VSS = 1154,7 kg/gün + Q(nbVSS)

= 1154,7 + (22464 m3/gün)(20 g/m3)(1kg/103 g) = 1154,7 + 449,3 = 1604,0 kg/gün.

PX,TSS ise aşağıdaki formülle hesaplanır;

�,,$.. = s0,85 + g0,85 + Y0,85 + [ + 2(9��! − 1��!)

99

Bu durumda;

PX,TSS = [(1154 kg/gün)/0,85] + (449,3 kg/gün) + Q(TSS0-VSS0)

=1358,5 kg/gün+449,3 kg/gün+22464 m3/gün(10 g/m3)(1kg/103g) = 2032,4 kg/gün

6. Havalandırma havuzunda VSS ve TSS kütlesinin hesaplanması

MLVSS miktarı = (XVSS)(V) = (PX,VSS)SRT

=(1604,0 kg/gün)(12,5 gün) = 20050 kg.

MLSS kütlesi ise;

(XTSS)(V) = (PX,TSS)(SRT)

=(2032,4 kg/gün)(12,5) = 25405 kg.

7. MLSS konsantrasyonu seçilerek tank hacmi ve bekleme zamanı hesaplanır.

a. (V)(XTSS) = 25,405 kg. MLSS konsantrasyonu 3000 mg/L olarak seçilirse;

V = [24405x103 g/kg] /(3000 g/m3) = 8468 m3.

b. Havalandırma havuzunda bekleme zamanının hesaplanması;

τ = V/Q = [(8466 m3) (24h/d)]/(22464 m3/gün) = 9.0 h.

c. MLVSS konsantrasyonunun bulunması

VSS fraksiyonu = (20050 kg VSS)/(25405 kg TSS) = 0,79.

MLVSS = 0,79(3000 g/m3) = 2370 g/m3.

8. F/M ve BOD hacimsel yükleme değerlerinin hesaplanması.

a. F/M = (QS0)/(VX) = (22464x140)/[2370x8466] = 0,16 g/g.gün

b. Lorg. = (QS0)/V = [(22464 m3/gün)(140 g/m3)]/(8466 m3x103 g/kg) = 0,37 kg/m3.gün

9. TSS ve VSS bazlı Ygözl. (Yobs) değerlerinin bulunması

PX,TSS = 2032,4 kg/gün

bCOD giderilen = Q(S0-S) = 22464 m3/gün[(224-1)g/m3](1kg/103g) = 5009,5 kg/gün

a. Yobs,TSS = (2032,4 kg/gün)/(5009,5 kg/gün) = 0,41 gTSS/gbCOD

= (0,41 gTSS/gbCOD) (1.6 gbCOD/BOD) = 0,65 gTSS/gBOD.

b. VSS bazlı gözlenen dönüşüm katsayısı (Yobs) ise;

(0,41 gTSS/gbCOD)(0,80 gVSS/gTSS) = 0,328 gVSS/gbCOD

100

=(0,328 gVSS/gbCOD)(1,6g bCOD/gBOD) = 0,52 gVSS/gBOD.

10. Oksijen ihtiyacının belirlenmesi

11. İnce kabarcıklı havalandırma sisteminin kullanılması durumunda gereken hava debisinin

hesaplanması.

a. SOTR değerinin hesaplanması. α=0.65, β=0.95, ve F=0,9.

�Z98 = sZ98 m Y�,%!�^(�Y�$h − Y)n (1,024%!'$)

b. Hava debisinin belirlenmesi.

12. Alkalinitenin kontrolü.

a. Alkalinite dengesinin kurulması

pH’yı 7 civarında tutmak için gerekli alkalinite = giriş Alk-Alk. Tüketilen + eklenecek

alkalinite

Giriş Alkalinitesi = 140 mg/L CaCO3

Nitrata dönüştürülen amonyak = 28,3 mg/L

Nitrifikasyon sırasında harcanan alkalinite = (7,14 gCaCO3/gNH4-N)(28,3 mg/L) = 202 mg/L

CaCO3.

pH değerinin 7 civarında tutulabilmesi için gereken alkalinite miktarı 70-80 mg/L CaCO3

olup, bu durumda gerekli alkalinite;

101

Alkalinite ihtiyacı = 202,6+80-140 = 142,6 mg/L CaCO3.

Günlük ihtiyaç duyulan alkalinite miktarı ise = (142,6 g/m3 CaCO3)(22464 m3/gün)(1

kg/103g) = 3203 kg/gün CaCO3.

c. Gerekli alkalinitenin sodyum bikarbonat olarak hesaplanması.

Genellikle sodyum bikarbonat, kirece tercih edilir. Nedeni ise kullanımının daha kolay olması

ve daha az çökelti oluşturmasıdır.

CaCO3’ın eşdeğer ağırlığı = 50 g/eq dir.

NaHCO3’ün eşdeğer ağırlığı ise; 84 g/eq dir. Bu durumda;

NaHCO3 gereksinimi = 3203 kg/gün CaCO3x(84 g NaHCO3/eq)/(50 g CaCO3/eq) = 5380

kg/gün NaHCO3.

13. Çıkış BOİ değerinin hesaplanması.

BOD = sBOD+(gBOD/1.42 g VSS)(0,85 gVSS/g TSS) (TSS, g/m3)

Çıkış BOD değerinin 3 g/m3 olduğu ve TSS’in 10 g/m3 olduğu kabul edilirse;

14. Son çöktürme tankının boyutlandırılması.

a. Aktif çamur geri devir oranının hesaplanması

Xr değeri 4000-12000 mg/L arasında değişmekte olu, 8000 mg/L olarak seçilmiştir. Bu

durumda;

R = (3000)/(8000-3000) = 0.60.

İkinci çöktürme tankı için yüzey yükü ortalama debide 22 m/gün (16 ile 28 m/gün arasında

değişmektedir) olarak alınırsa;

102

Çö�0üCc ℎDy�� DaDJı = 22464 CK/IüJ22 CK/C%. IüJ = 1021 C%

Toplam üç havuz kullanılırsa, her birinin alanı = 1021/3 = 312 m2 olarak bulunur.

Çöktürme tankı çapı ise; 20,8 m olarak hesaplanmış olup, 20 m alınmıştır.

c. Çöktürme tankına katı yüklemenin kontrolü

Katı yükleme = [(Q+Qr) (MLSS)]/A = (1+R)Q(MLSS)/A

Toplam çöktürme tankı alanı = (π/4)(20m)2x3 = 942 m2.

Katı yükleme=

Katı yüklemesinin 4-6 kg MLVSS/m2.saat arasında kalması istenip değer uygundur. Ayrıca

son çöktürme tankları için dizayn bilgileri Tablo 6.10’da sunulmuştur.

Tablo 6.10. İkincil çöktürme havuzlarına ait dizayn kriterleri

15. Sadece BOD gideren ve hem BOD gideren hem de nitrifikasyon yapan aktif çamur

proseslerine ait dizayn sonuçlarının kıyaslanması.

103

Yorum. Nitrifikasyon için yapılan dizayn incelenirse, biyokütle bileşenleri içerisinde hücre

kalıntısının ve nitrifikasyon bakterilerinin toplam çamur içerisinde oldukça küçük bir kısmı

oluşturduğu görülür (sırasıyla; %13,6 ve 3,7). nbVSS’in katkısı önemli olup TSS’in %22 sini

oluşturmaktadır.