Aerobik granül çamurun oluşumu ve yapısının incelenmesi
Investigation of aerobic granular sludge formation and structure
Yazar: KARİN ALEKSANYAN MAĞDEN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. GÜLSÜM YILMAZ
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Mevcut evsel atıksu arıtma tesisleri geniş alanlara gereksinim gösterir. Bunun temel nedeni, havalandırma tanklarındaki düşük biyokütle konsantrasyonlarıyla beraber sistemde istenen miktarda biyokütleyi tutabilmek için geniş çöktürme tanklarına ihtiyaç duyulmasıdır. Son yıllarda yapılan çalışmalar, atıksu arıtımında flokül çamur yerine granül çamur kullanımının bu sorunu çözdüğünü göstermiştir. Aerobik granül çamur, aerobik koşullarda herhangi bir taşıyıcı malzemeye ihtiyaç duymadan çoğalabilen, kompakt ve yoğun biyolojik agregattır. Aerobik granül çamur oluşumu, askıda çoğalan flokül çamurdan kompakt agregata ve sonunda olgun aerobik granül çamur oluşumuna doğru kademeli bir biyolojik süreçtir.Anaerobik atıksu arıtımı ve anaerobik granül çamur yapısı son 20 yılda geniş ölçüde incelenmiş ve çözülmüş olmasına rağmen, aerobik granül çamur teknolojisi yeni bir konudur. Son zamanlarda aerobik granül çamur üzerine yapılan çalışmalarda, sentetik atıksulardan organik madde, azot giderimi ve biyolojik fosfor giderimi rapor edilmiştir. Aerobik granül çamur üzerine hemen hemen bütün çalışmalar sentetik atıksuyla laboratuvar ölçekli AKR'lerde; birkaçı gerçek endüstriyel atıksu ile ve çok azı evsel atıksu ile gerçekleştirilmesine rağmen, aerobik granülasyon teknolojisinin evsel ve endüstriyel atıksuların biyolojik olarak arıtımına doğru önemi gittikçe artmaktadır. Literatürde çoğunlukla aerobik granül çamur oluşumuna etki eden faktörler ve aerobik granül çamurla organik madde ve nütrient giderimi incelenmiştir. Aerobik granül çamur prosesinin en büyük dezavantajı uzun süreli işletmelerde stabilitesinin sağlanamamasıdır. Bu nedenle aerobik granül çamur prosesinin tam ölçekli arıtma tesislerine uygulanabilmesi için, granülasyon mekanizması, granül yapısı ve granülasyonda sorumlu mikrobiyal türler tanımlanmalı buna göre stabilite problemlerine çözüm önerileri getirilmelidir.Bu çalışmanın amacı, nütrient giderimi sağlayan aerobik granül çamur elde etmek, elde edilen granül çamurun yapısını makro ve mikro ölçekte incelemektir. Çalışma kapsamında ayrıca granül oluşumuna ve stabilitesine etkisi olduğu düşünülen faktörlerin (pH, Ca++, hidrodinamik kesme kuvveti, OLR) incelenmesi hedeflenmiştir.Çalışmada, AKR'ler gerçek evsel atıksu karakterindeki değişiklikleri elimine etmek için, evsel atıksu karakterine en yakın sentetik atıksu ile işletilmiştir. AKR'lerde nütrient giderimi sağlayan aerobik granül çamur elde edilebilmesi için kısa çöktürme süresi (5 dk) seçilmiştir. Ayrıca çalışma süresince çöktürme süresi, OLR ve kesme kuvvetinin granül oluşumuna ve yapısına etkileri incelenmiştir. Çalışma boyunca dört set deney serisi kurulmuştur. İlk iki sette elde edilen veriler doğrultusunda uygun aşı çamuru ve uygun sentetik atıksu kompozisyonu seçilmiştir. Üçüncü sette nütrient giderme kapasitesine sahip aerobik granül çamur elde edilmiş; granül yapısı makro ve mikro ölçekte incelenmiş, kimyasal yapısı analiz edilmiştir. Bu sette, çalışmanın 138. gününde reaktör muhtevası ikiye bölünmüş; kontrol reaktörü (R1)'ne paralel olarak işletilen aynı konfigürasyonda bir reaktör (R2) ile Ca++ iyonunun granülasyona ve granül yapısına etkisi izlenmiştir. Üçüncü sette ayrıca kesikli deneylerle pH'nın granül stabilitesi üzerine etkisi incelenmiştir. Dördüncü sette, nütrient giderimi sağlayan granüllerden farkını ortaya koyabilmek amacıyla, sadece karbon giderimi sağlayan bir reaktörde granül çamur elde edilmiş ve iki çamur karşılaştırılmıştır.Sonuç olarak, granül çamurun elde edilmesinde, en etkili seleksiyon baskısının çöktürme süresi olduğu, ancak nütrient giderimi sağlayan granül çamur oluşturulmak isteniyorsa, çöktürme süresinin ÇHİ'deki iyileşmeye paralel kademeli olarak azaltılması gerektiği bulunmuştur. Reaktör konfigürasyonuna uygun çöktürme süresi, (Vs)min ile hesaplamalıdır. Seçilen (Vs)min değeri floküler çamurun sistemden etkili bir şekilde yıkanmasını sağlamalıdır. İncelenen aralıkta hidrodinamik kesme kuvvetinin (0,78-1,96 cm/sn) granül boyutuna önemli bir etkisi olmamıştır, ancak artan kesme kuvvetiyle granüller daha dairesel ve daha düzgün bir dış yüzeye sahip olmuştur. OLR'nin incelenen aralıkta (1,2-2,4 kgCOD/m3.gün) hem granül boyutuna hem de mrfolojisine etkisi görülmemiştir. Üçüncü sette oluşan granül çamur ile NH4-N ve PO4-P giderimi sağlanmış, ancak NO3-N giderilememiştir. Bunun nedeni, granül ortalama boyutunun nispeten küçük (400 µm) olması ve uygulanan yüksek hava debisi nedeniyle, granül içinde yeterli anoksik bölge oluşturulamamasıdır. Yapılan kesikli deneylerde pH'ın çalışılan aralıkta granül boyutuna etki etmediği gösterilmiştir. Ca+2'un ise granül oluşum süresini kısalttığı ve granül boyutunda artışa neden olduğu tespit edilmiştir. Uygulanan PCA analiziyle üçüncü sette nütrient giderimi gerçekleştiren granül çamurda, kimyasal bağlı fosforun toplam fosforun yaklaşık %8,3'ü olduğu bulunmuştur. Bu da fosfor gideriminin esas olarak biyolojik olarak gerçekleştiğini göstermektedir. Işık mikroskobu ve ESEM görüntülerinde, granül yapısında kok ve çubuk şeklinde bakterilerin yanı sıra serbest veya koloni halinde protozoona, serbest hareket eden rotiferlere ve nematodlara rastlanmıştır. Buna göre oluşan aerobik granüllerde mikrobiyal çeşitlilik fazladır.

Abstract:
Present sewage treatment plants require large surface areas. This is mainly due to the need for large settling tanks to maintain the biomass in the system, in combination with the low biomass concentration in the reaction tanks. The recent studies pointed out that this problem can be solved in wastewater treatment using granular sludge. The aerobic granular sludge is a compact and dense biological aggregate grown under aerobic conditions without a carrier material. The formation of aerobic granules is a gradual process from suspended sludge flocs to compact aggregates, then to granular sludge and finally to mature aerobic granules.Aerobic granular sludge is a novel technology although the anaerobic wastewater treatment and the structure of anaerobic granular sludge were intensively investigated and solved in the last two decades. Recently, aerobic granules cultivated in SBRs with synthetic wastewater have been reported to achieve COD and nitrogen (N) removal and, in some cases, biological phosphorus (P) removal. Although nearly all studies on aerobic granulation have been carried out in lab-scale SBRs using synthetic wastewater with the some of them using real wastewater and with a few of them using real sewage, the aerobic granulation technology is moving towards sewage and industrial use for biological wastewater treatment. The literature was mostly investigated the factors effecting the granular sludge production, and the removal of organic matter and nutrient with granular sludge. The stability problem is the most important drawback of the aerobic granular sludge process because the structure of aerobic granule has not been analyzed so far. That is the granule sludge breaks up two parts and the characteristics of the granule sludge is destroyed. The structure of granular sludge and its stability problems should be solved for the full-scale application of the aerobic granular sludge processes.The aim of this study is to obtain aerobic granular sludge, achieving nutrient removal, and to investigate the granule structure from macro to micro scale. and stability of the granular sludge obtained. In addition assessing the factors involved in granule formation and have effect on granule stability such as pH, Ca+2 concentration, hydrodynamic shear force, OLR was targeted.In this study to minimize the effects of changes in real domestic wastewater characterization SBRs fed with domestic synthetic wastewater. In SBRs to obtain aerobic granular sludge that has the ability to remove nutrients short settling time (5 min) was employed. Also the effects of settling time, OLR and hydrodynamic shear force on granule formation and structure were investigated. During the study four experimental set-ups were used. According to the results obtained from set up-1 and set up-2 proper synthetic wastewater composition and seed sludge were chosen. In the third set-up after obtaining granular sludge with nutrient removal capability, the granular structure from macro to micro scale was investigated and the chemical structure was analyzed. Furthermore on the 138th day mixed liquor in the reactor was divided to two reactors (R1 & R2), which were operated parallel and had same configuration, and the effects of Ca+2 on the granulation process and granule structure were investigated. R1 was the control reactor and R2 was operated parallele to R1. In set up-3 the effects of pH on the granule stability were investigated by batch tests. In set up-4 R3 was operated and granules were obtained to reveal the differences between granules which have the ability to remove nutrients and granules which have the ability to remove organic matter.Settling time was found the main selection pressure to obtain granular sludge. However to obtain granular sludge achieving nutrient removal settling time has to be reduced in parallel with SVI improvement. The proper settling time for the selected reactor configuration has to be calculated via (Vs)min. The selected (Vs)min value has to wash out floccular sludge effectively. In the studied range hydrodynamic shear force (0,78-1,96 cm/s) did not significantly affect the granule size however, the granules became rounder and had regular surface in response to increasing shear force. The applied OLR (1,2-2,4 COD/m3.d) did not have any significant effect both on granule size and morphology.