Evsel atıksıların doğal ortam sıcaklıklarında havasız çamur yataklı reaktörde arıtımı ve ilave kimyasal arıtma uygulamaları
Anaerobic treatment of domestic wastewaters in upflow anaerobic sludge bed (UASB) reactor at a temperate conditions and chemical post-treatment applications
Yazar: ELİS GÜNEŞ
Danışman: DOÇ. DR. ÇİĞDEM YANGIN GÖMEÇ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2008
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Havasız arıtma prosesleri orta ve yüksek kirlilik yüklerine sahip atıksuların arıtımında yıllardan beri başarı ile uygulanmaktadır. Son yıllarda, farklı sıcaklık değerlerinde yapılan birçok araştırma, uygun proses tasarımı seçildiği taktirde, sıcaklık parametresinin havasız arıtma uygulamalarında kısıtlayıcı bir faktör olmadığını göstermiştir. Mikroorganizmaların istenilen sıcaklık değerlerine adaptasyonu sağlanırsa, reaktörlerin sakrofilik (düşük sıcaklık değerleri) şartlar altında dahi işletilebilecekleri ve sakrofilik havasız arıtmanın, orta ve düşük sıcaklıklarda deşarj edilen atıksular için çok uygun bir alternatif olabileceği belirtilmektedir. Genelde evsel atıksuların deşarj edildikleri sıcaklık değerleri 35oC'nin altında olduğu için, mezofilik havasız arıtma sırasında ısıtma ihtiyacı duyulmaktadır. Bu sebeple düşük sıcaklıklarda (10-20oC) işletilebilen havasız arıtma sistemleri çok daha düşük arıtma maliyetlerine olanak sağlayabilirler. Bazı dezavantajları olmasına rağmen, düşük sıcaklıklara sahip evsel atıksuların ilave ısıtma ihtiyacı göstermeyerek arıtılmaları, işletme maliyetlerini ve enerji ihtiyaçlarını önemli ölçüde azaltmaktadır. Bununla beraber anaerobik arıtma nütrient (besi maddesi) gideriminde etkili değildir. Eğer nutrient giderimine ihtiyaç varsa evsel atıksuyun arıtıldığı havasız arıtma sonrası ilave aerobik biyolojik arıtma veya fiziksel/kimyasal arıtma yöntemleri uygulanmalıdır. Bu çalışmada ileri arıtma alternatifi olarak MAP çöktürmesi, FeCl3 ilavesi ve amonyak sıyırma işlemleri uygulanacaktır.Çalışmanın amacı evsel atıksuların, floküler çamur ile aşılanmış ve doğal ortam sıcaklığında işletilen havasız çamur yataklı reaktör (HÇYR)'de arıtılabilirliğininincelenmesi ve anaerobik arıtma çıkışında nutrient (azot ve fosfor) açısından zengin çıkış sularına magnezyum amonyum fosfat (MAP) ve FeCl3 ile kimyasal çökelme uygulanarak Kentsel Atıksu Arıtımı Yönetmeliği (KAAY) Tablo 2'de verilen `Kentsel Atıksu Arıtım Tesislerinden İleri Arıtıma İlişkin Deşarj Limitleri'ne göre eşdeğer nüfusu 10000-100000 arasında olan yerleşim bölgeleri için öngörülen deşarj standart değerlerinin sağlanabilirliğinin araştırılmasıdır.Çalışma süresince HÇYR ortalama ?h=11,8 saat ile yaklaşık 4,5 ay, ortalama ?h=6,95 saat ile de 1 ay boyunca işletilmiş ve deneysel çalışma sonuçları değerlendirilmiştir. İlave ısıtma yapılmadan ortalama KOİtop giderim verimi %80 (%44-99) ve <30 mg/lt KOİçöz çıkış konsantrasyonu gözlenmiştir. Ayrıca sonuçlar AKM'nin yüksek oranda reaktör içersinde tutularak çıkış suyundan uzaklaştırıldığını göstermiştir. Bu sebeple, KOİtop gideriminin çamur yatağında partiküler organik maddenin fiziksel işlemler ile gideriminden kaynaklandığı düşünülmektedir. Giriş KOİtop konsantrasyonunun düşük gözlendiği zamanlarda sistemde elde edilen giderimin de azaldığı gözlenmiştir. Böylece, KOİtop gideriminin sıcaklıktan değil, giriş atıksuyundaki organik madde ve AKM konsantrasyonundan etkilendiği belirlenmiştir.Stokiyometrik (Fe+3:P=1:1) ve stokiyometrik üzerinde gerçekleştirilen FeCl3 ile kimyasal çökelme çalışmaları sonucunda, stokiyometrik dozajın 3 katı üzerinde gerekli deşarj standart değeri sağlanmıştır. Stokiyometrik dozajın 3 katı üzerinde %92 PO4-P giderim verimi elde edilirken ilave KOİtop giderimi ise yaklaşık %50 oranında gerçekleştirilmiştir. FeCl3 ile gerçekleştirilen ikinci çalışma sonucunda, stokiyometrik dozajın 2 katı üzerinde toplam fosfor açısından gerekli deşarj standart değeri sağlanmıştır. Bu oranda %85 PO4-P giderim verimi elde edilirken ilave KOİtop giderimi yaklaşık %82 olarak gözlenmiştir.Farklı pH değerlerinde gerçekleştirilen MAP çökelmesi çalışmasında ise pH=9'da stokiyometrik dozajda (Mg:NH3:PO4=1:1:1) NH3-N giderim verimi (%21) elde edilmiştir. Bunun devamında pH=9'da stokiyometrik ve stokiyometrik üzeri (Mg:NH3:PO4=1:1:1,2 ve Mg:NH3:PO4=1,1:1:1,1) dozajlarda MAP çökelmesi uygulanmış ve NH3-N giderim verimi (~%23) olarak stokiyometrik dozajda elde edilmiştir. Fakat NH3-N açısından istenilen deşarj standardı sağlanamamıştır.Havayla amonyak sıyırma ile gerçekleştirilen her iki çalışmada 24 saatlik havalandırma sonrası en yüksek NH3-N giderim verimleri %60 ve %77 olarak elde edilmiştir. KAAY'de TN için verilen standart değere (NH3-N ? TKN; NO2 ve NO3 ? 0 kabulu ile) 4 saatlik havalandırma sonrası ulaşılabilmiştir. Ayrıca PO4-P giderim verimi de elde edilmiştir.

Abstract:
Anaerobic processes have been generally applied successfully for the treatment of medium and high strength wastewaters. Many recent researches, conducted at various temperatures, revealed that temperature is not a limiting factor in anaerobic treatment applications if the appropriate process design is chosen. It is reported that if the microorganisms are acclimatized to desired temperatures, the reactors can be operated even under psychrophilic (low temperature) conditions. Psychrophilic anaerobic treatment becomes an attractive option for wastewaters, which are discharged at moderate to low temperatures. Since domestic sewage has a temperature lower than 35oC, heating is required during mesophilic anaerobic treatment. Thus, psychrophilic anaerobic treatment systems allow substantially lower treatment costs due to their ability to operate at lower temperatures (10-20oC). Despite some drawbacks, successful anaerobic treatment of many dilute streams, which are also low in temperature, without the addition of heat would be a significant achievement in reducing the operating costs and energy needs. However, anaerobic treatment has little influence on the nutrient removal. If nutrients are to be removed, additional aerobic biological or physical/chemical methods should be used after anaerobic treatment. In this study, chemical treatment with MAP precipitation, FeCl3 addition and ammonia stripping will be applied as post treatment alternatives.The aim of this study is to investigate the treatment potential of UASB reactor treating domestic wastewaters inoculated with flocculent seed sludge. Besides, additional chemical treatment applications (with MAP precipitation and FeCl3 addition) will be also investigated for the effluents of the UASB reactors which arerich in nutrients in order to provide the discharge standarts given in the related regulations. Operation of the UASBR with raw domestic wastewater during 4.5 months at a HRT=11.8 hr and 1 month at a HRT=6.95 hr yielded an average 80% (44-99%) total COD removal and <30 mg/lt soluble COD concentration. Results indicated that TSS coulde be retained in the reactor coupled with high total COD removals. Thus, it was considered that total COD removals were due to the entrapment of the particular organics inside the sludge bed by physical means. It was also observed that total COD removal was not affected by temperature but total COD and TSS in the effluent.Results of the first study with FeCl3 addition at stochiometric (Fe+3:P=1:1) and above stochiometric ratios indicated that the required discharge standarts in the case of phosphorus concentration could be achieved at three times of the stochiometric ratio. At this ratio, around 92% PO4-P with an additional 50% total COD removals could be observed. Results of the second study with FeCl3 addition at stochiometric and above stochiometric ratios indicated that the required discharge standarts in the case of phosphorus concentration could be achieved at twice of the stochiometric ratio giving around 85% PO4-P with an additional 82% total COD removals.In MAP precipitation, conducted at various pH values (pH=original, pH=8.0, pH=8.5, pH=9.0 and pH=9.5), showed that the NH3-N removal efficiency (~21%) could be achieved at the stochiometric ratio (Mg:NH3:PO4=1:1:1) at the pH value of 9.0. MAP precipitation study was repeated at the fixed pH=9.0 at stochiometric and above stochiometric (Mg:NH3:PO4=1:1:1,2 and Mg:NH3:PO4=1,1:1:1,1) ratios and the NH3-N removal efficiency (~23%) could be observed at the stochiometric ratio at pH=9.0. However, the required discharge standart values could not be achieved in the case of NH3-N concentration.In two studies with ammonia stripping after 24 hour aeration maximum NH3-N removal efficiencies were achieved as %60 and %70, respectively. It was observed that 4 hour aeration could be enough to provide the required discharge standarts (Assumption : NH3-N ? TKN; NO2 and NO3 ? 0 Besides PO4-P removal efficiency colud also be achieved.