Aralıklı havalandırma optimizasyonuyla konvansiyonel aktif çamur sisteminin ileri biyolojik arıtmaya dönüştürülmesi
Full scale upgrade of conventional activated sludge system to nutrient removal process with intermittent aeration optimization
Yazar: ANDAÇ ÖZHAN
Danışman: PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Atıksu arıtma tesisleri, sürdürülebilir çevre ve ekosistemlerin korunması açısından kritik bir role sahiptir. Özellikle artan nüfus, sanayileşme ve kentleşme gibi faktörler, atıksuların doğru şekilde arıtılmasını her zamankinden daha önemli hale getirmiştir. Doğrudan alıcı ortamlara deşarj edilen atıksular, su ekosistemlerinde ciddi sorunlara yol açabilir. Örneğin, ötrifikasyon yani su kaynaklarında aşırı alg büyümesi, oksijen seviyesini düşürür ve su ekosistemini tehlikeye atar. 
Benzer şekilde, müsilaj (deniz salyası) problemi, deniz ekosistemlerini olumsuz etkileyen bir başka önemli sorundur. Bu tür problemlerin temelinde genellikle atıksularla alıcı ortamlara taşınan azot ve fosfor gibi besin maddeleri bulunmaktadır. Bu durumun önüne geçebilmek için, Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği Bakanlığı, tüm atıksu arıtma tesislerinin azot ve fosfor giderimini sağlayan ileri teknolojilerle donatılmasını önermekte ve bu yönde çalışmalar yürütmektedir. Bu dönüşüm, yalnızca çevresel problemlerin azaltılmasına katkı sağlamakla kalmaz, aynı zamanda sürdürülebilir kalkınma hedeflerine ulaşmada da önemli bir adım olarak kabul edilmektedir.
Konvansiyonel aktif çamur sistemleri, 20. yüzyılın başlarında keşfedilmesinden bu yana atıksu arıtma teknolojilerinin temelini oluşturmuştur. Bu sistemler, ilk olarak münferit evlerde kullanılan küçük ölçekli arıtma sistemleri olarak geliştirilmiştir. Ancak zamanla, artan nüfus yoğunluğu ve sanayileşme ile birlikte daha büyük ölçekli, toplu kullanım alanlarına hitap eden atıksu arıtma tesislerine evrilmiştir. Günümüzde aktif çamur sistemleri, hem evsel hem de endüstriyel atıksuların arıtımında yaygın olarak kullanılan en etkili yöntemlerden biri olarak kabul edilmektedir. Bu sistemler, organik kirlilik yükünün azaltılması ve zararlı mikroorganizmaların kontrol altına alınması gibi işlevleriyle, su kalitesinin korunmasına büyük katkı sağlamaktadır. Teknolojideki ilerlemeler sayesinde, konvansiyonel sistemlere biyolojik, kimyasal ve fiziksel arıtma süreçleri entegre edilerek daha verimli ve sürdürülebilir çözümler sunulmaktadır. Bu gelişmeler, çevresel kirliliğin önlenmesinde önemli bir araç haline gelmiştir.
Mevcut durumda Türkiye'de büyük ölçekli tesislerin neredeyse tamamı karbon gideriminin yanında besi maddesi giderimi yapan ileri biyolojik atıksu arıtma tesisleri olarak planlanmaktadır. Bu sistemler atıksudaki karbon azot ve fosforun biyolojik olarak giderimini sağlamaktadır. 
Biyolojik azot fosfor giderimini sağlayan bir çok sistem konfigürasyonu bulunmaktadır. Bu konfigürasyonlara örnek olarak; A2O (Anaerobik/Anoksik-Oksik), 5 kademeli Bardenpho, Johannesburg ve Modifiye UCT (Universty of Capetown) örnekleri verilebilir. Bu tip konfigürasyonlarda nitrat geri devri, çamur geri devir hatları gibi büyük maliyet gerektiren pompa sistemleri bulunmaktadır. 
Küçük yerleşim bölgeleri ve yazlık bölgelerde dengesiz atıksu miktarları, değişken giriş atıksu konsantrasyonları sebebiyle sürekli ve büyük ölçekli sistemlerin kullanımı tercih edilmemektedir. Büyük ölçekli yatırımlar ile azot fosfor giderimini sağlayacak tasarımlar hem işletmesel olarak problem çıkarmakta, hem de ekonomik olarak mümkün olmamaktadır. Tüm bu nedenler doğrultusunda bu bölgelerde oluşan atıksular modüler ve yalnızca karbon giderimini amaçlayan paket arıtma mantığını benimseyen tesisler ile arıtılmaktadır. 
Büyük ölçekli uygulamalarının yanında aralıklı havalandırma sistemleri, bu tip bölgelerde konvansiyonel aktif çamur sistemlerine ekonomik bir alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır. Aralıklı havalandırma sistemleri havalandırmayı açıp kapatmak sureti ile aynı havuzda ardışık aerobik ve anoksik periyotlar yaratılarak nitrifikasyon ve denitrifikasyon yolu ile azot gidermek için tasarlanmış bir prosestir. Sistemin başında veya çamur geri devri üzerinde anaerobik koşullar oluşturarak Biyolojik Aşırı Fosfor Giderimi elde etmek de mümkün olabilir. Seçilen çevrim süresinin aerobik fazında, çıkış akımında nitrat yükselirken anoksik koşullarda da amonyak konsantrasyonu havalandırma başlayıncaya kadar yükselecektir. Çıkış akımında toplam azotun fraksiyonları belli bir aralıkta dalgalanırken toplam azot için standartları sağlayacak şekilde tasarım yapılabilir. Bu tasarımların proses verimlerinin incelenebilmesi için modelleme çalışmaları ile optimizasyon gerekmektedir.
Bu çalışmada küçük yerleşim bölgesinde bulunan ve yalnızca karbon giderimine çalışan modüler tip konvansiyonel aktif çamur sisteminin tesis bazlı modelleme yaklaşımıyla aralıklı havalandırma sistemine dönüştürülmesi incelenmiştir. Yapılan modelleme çalışmaları sonrasında 30 dakikalık çevrim süresinde 20 dakika havalandırma açık/10 dakika havalandırma kapalı olmak üzere çalıştırılan aktif çamur tesisi azot giderimini başarılı bir şekilde gerçekleştirilirken bir yandan da sisteme verilen hava miktarı azaltılarak tesisin elektrik ihtiyacının düşürülmesi, dolayısıyla karbon ayak izinin azaltılması hedeflenmiştir.
Bununla beraber, revizyon öncesi tesiste bulunan dengeleme tankı, tanka mikser ilaveleri yapılarak anaerobik havuza dönüştürülmüş ve tesisin çamur geri devir hattı bu tanka yönlendirilmiştir. Bu sayede tesiste 1,65 saat bekletme süresi bulunan Bio-P havuzu ile fosfor giderimi amaçlanmıştır.
Yapılan modelleme çalışmaları, tesiste çıkış toplam azot ve toplam fosfor konsantrasyonlarının Kentsel Atıksuların Arıtımı Yönetmeliği Tablo 2'de belirtilen sırasıyla 15 mg N/L ve 2 mg P/L deşarj standartlarını sağladığını göstermiştir.
Modelleme çalışmalarının sonuçları ile birlikte, mevcut tesiste önerilen revizyonlar gerçekleştirilmiştir. Gerçek tesisten alınan çıkış numuneleri, modelleme çalışmalarının sonuçları ile uyumlu olarak çıkış toplam azot ve toplam fosfor için sırasıyla 11 mg N/L ve 1 mg P/L olarak ölçülmüştür.
Çalışma sonrasında aralıklı havalandırma sistemlerinin organik karbonu gideren konvansiyonel aktif çamur sistemlerinin BNR'a dönüştürülmesinde minimum yatırım ile kullanılabileceği ortaya çıkmıştır. Fakat bu sistemlerin oksijen konsantrasyonu ve çevrim süresi ile aerobik fraksiyon optimizasyonları için dinamik simülasyon yapılması mutlak derecede önem arz etmektedir. Dinamik modelleme sayesinde içsel geri devir ile azot giderimi ve simultane nitrifikasyon-denitrifikasyon azot giderimi oranı optimize edilebilmektedir.

Abstract:
Wastewater treatment plants have a critical role in terms of sustainable environment and protection of ecosystems. Especially factors such as increasing population, industrialization and urbanization have made the proper treatment of wastewater more important than ever. Wastewater discharged directly into receiving environments can cause serious problems in aquatic ecosystems. For example, eutrophication, the excessive growth of algae in water bodies, reduces oxygen levels and endangers the aquatic ecosystem.
Similarly, mucilage problem is another major problem that negatively affects marine ecosystems. Nutrients such as nitrogen and phosphorus, which are usually discharged to receiving environments with urban wastewater, are at the origin of such problems. In order to prevent this situation, the Ministry of Environment, Urbanization and Climate Change recommends that all wastewater treatment plants should be equipped with advanced technologies for nitrogen and phosphorus removal. This transformation not only contributes to reducing environmental problems, but is also recognized as an important step in achieving sustainable development goals.
Conventional activated sludge systems have formed the basis of wastewater treatment technologies since their discovery in the early 20th century. They were first developed as small-scale treatment systems for individual households. However, over time, with increasing population density and industrialization, they have evolved into larger-scale, mass-use wastewater treatment plants. Today, activated sludge systems are widely recognized as one of the most effective methods for the treatment of both domestic and industrial wastewater. These systems contribute greatly to the protection of water quality by reducing the organic pollution load and controlling harmful microorganisms. With the advances in technology, more efficient and sustainable solutions are offered by integrating biological, chemical and physical treatment processes into conventional systems. These developments have become an important tool in preventing environmental pollution.
Currently, nearly all large-scale wastewater treatment plants in Turkey are designed as advanced biological treatment facilities that address nutrient removal in addition to carbon removal. This approach aligns with the country's commitment to mitigating environmental issues such as eutrophication and water pollution in receiving bodies. These advanced treatment systems utilize biological processes to effectively remove carbon, nitrogen, and phosphorus from wastewater, ensuring compliance with stringent discharge standards and contributing to the preservation of aquatic ecosystems.
Various system configurations have been developed to facilitate biological nutrient removal, each tailored to specific treatment objectives and wastewater characteristics. Prominent among these are configurations such as the A2O (Anaerobic/Anoxic-Oxic), 5-stage Bardenpho, Johannesburg, and Modified UCT (University of Cape Town) systems. These systems employ a combination of anaerobic, anoxic, and aerobic zones, strategically sequenced to optimize the removal of nitrogen and phosphorus while maintaining energy and resource efficiency.
A critical feature of these configurations is the inclusion of nitrate recirculation and sludge recirculation lines, which enhance the efficiency of nitrogen and phosphorus removal. However, the implementation of these features comes with significant operational and capital costs. These costs are associated with the energy demands for pumping and mixing, as well as the need for precise monitoring and control systems to maintain the delicate balance required for effective biological processes. Despite these challenges, the adoption of such advanced configurations is a necessary investment to achieve sustainable wastewater management and to protect water resources for future generations.
In small settlements and communities, continuous and large-scale systems are not preferred due to unstable wastewater quantities and variable influent wastewater concentrations. Designs that provide nitrogen and phosphorus removal with large-scale investments are operationally problematic and economically infeasible. For these reasons, wastewater in these regions is treated with modular plants adopting package treatment logic, focusing solely on carbon removal.
In addition to large-scale applications, intermittent aeration systems are an economical alternative to conventional activated sludge systems in such regions. Intermittent aeration systems remove nitrogen through nitrification and denitrification by creating successive aerobic and anoxic periods in the same basin by opening and closing the aeration. Biological enhanced phosphorus removal is possible by creating anaerobic conditions at the beginning of the system or on sludge recirculation. During the aerobic phase, nitrate levels increase in the effluent stream, while ammonia concentration increases during anoxic conditions until aeration resumes. Despite fluctuations in total nitrogen fractions in the effluent, designs can meet total nitrogen standards through optimization with modeling studies.
This study investigates the conversion of a modular-type conventional activated sludge system, located in a small residential area and designed only for carbon removal, to an intermittent aeration system using a plant-based modeling approach. In the first part of the study, plant-based steady-state simulations of the existing system were performed using the plant's average influent characterization, calculating effluent total nitrogen and total phosphorus concentrations. Steady-state simulations showed the plant already meets effluent COD standards. However, the average effluent total nitrogen concentration was 25 mg N/L, and the total phosphorus concentration was 2.5 mg P/L. These results indicate that the existing system does not meet the discharge criteria of 15 mg N/L for total nitrogen and 2 mg P/L for total phosphorus as specified in the Urban Wastewater Treatment Regulation in Turkey.
In the second part of the study, optimization of the plant with an intermittent aeration system was studied. Simulations were performed using different aeration times and recirculation rates. Scenario analyses were conducted regarding effluent concentrations with higher nitrogen and phosphorus loads and different plant operation schemes. These modeling studies aimed to determine the most economical operation scheme that meets discharge standards.
After the modeling studies, the activated sludge plant, operated with 20 minutes of aeration on/10 minutes of aeration off in a 30-minute cycle time, successfully realized nitrogen removal. This operation reduced the amount of air supplied to the system, lowered the electricity requirement, and decreased the carbon footprint. Additionally, the equalization tank in the plant was converted into an anaerobic basin by adding mixers, and the sludge recirculation line was directed to this tank. This Bio-P tank, with a hydraulic retention time of 1.65 hours, aimed to enhance phosphorus removal.
Modeling studies showed that the effluent total nitrogen and total phosphorus concentrations met the discharge standards of 15 mg N/L and 2 mg P/L, respectively, as specified in Table 2 of the Urban Wastewater Treatment Regulation in Turkey. Following the proposed revisions based on the modeling results, effluent samples from the actual plant measured 11 mg N/L and 1 mg P/L for effluent total nitrogen and total phosphorus, respectively, aligning with the modeling study results.