Aktif çamur sistemlerinde çamur yaşının sistem kinetiğine ve biyolojik arıtılabilirliğine olan etkisinin belirlenmesi
Determination the effect of sludge age on system kinetics and biological treatability in activated sludge processes
Yazar: GÖKŞİN ÖZYILDIZ
Danışman: PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Aktif çamur kinetiği = Activated sludge kinetic ; Aktif çamur sistemi = Activated sludge system ; Aktif çamur süreci = Activated sludge process

Özet:
Aktif çamur sistemleri 100 yılı aşkın bir süredir biyolojik arıtmanın temelini
oluşturmakta ve hala dünya genelinde atıksu arıtımında en yaygın kullanılan proses
olma özelliğini korumaktadır. Atıksu arıtma tesislerinin tasarımında ya da mevcut
atıksu arıtma tesislerinin optimizasyonu esnasında, aktif çamurun içerdiği
mikroorganizma topluluklarının çoğalma, hidroliz ve ölüm gibi biyokimyasal
faaliyetlerinin iyi tanımlanması, sistem kinetiğinin ve tasarım parametrelerinin gerçek
durumu en iyi yansıtacak şekilde belirlenmesi, arıtma performansı ve işletme ve bakım
maliyetlerinin minimum düzeyde tutulması açısından büyük önem taşımaktadır.
Günümüzde laboratuvar ölçekli deneysel çalışmalar, model bazlı simülasyon
çalışmaları ile desteklenerek aktif çamur sistemlerinin kinetiği belirlenmekte ve arıtma
tesisleri bu model sonuçları baz alınarak elde edilen kinetik ve stokiyometrik katsayılar
kullanılarak tasarlanmaktadır. Mevcut tesisler üzerinde ise yine bu çalışmalardan elde
edilen sonuçlar kullanılarak revizyonlar gerçekleştirilmektedir. Bu bağlamda; yeni
yapılacak arıtma tesisleri için doğru tasarımın yapılabilmesi ya da mevcut tesislerde
yapılacak olan revizyonların doğru belirlenebilmesi için yalnızca sistem kinetiği değil,
değişken atıksu karakteri ve tasarım parametrelerine göre değişiklik gösterecek olan
kütle dengeleri de göz önünde bulundurularak tüm tesisin bütünsel bazda incelenmesi
çalışmalarda en doğru sonuçları vermektedir. Oksijen tüketim hızı profilleri
kullanılarak çoğalma ve hidroliz parametrelerinin belirlenmesi literatürde yaygın
olarak kullanılmaktadır. Ancak aktif çamur reaktöründe biriken yavaş ayrışan organik
madde, başlangıç oksijen tüketim hızı seviyelerini yükseltmekte, aktif biyokütlenin
dolayısı ile kinetik katsayıların belirlenmesini zorlaştırmaktadır. Bu nedenle,
respirometrik bazlı modelleme çalışmaları yapılırken tesiste biriken organik madde
konsantrasyonu da dikkate alınmalı, elde edilen kinetik katsayılarla ana sistemin
simülasyonu da paralel olarak yürütülmelidir. Bu yaklaşımla parametre tahmininde
çok büyük etkisi olan aktif biyokütle konsantrasyonu da elde edilebilmektedir.
Gerçekçi bir biyokütle kompozisyonu ancak bu şekilde gerçekleştirilen bütünsel
inceleme ile elde edilebilmektedir. Söz konusu bütünsel modelleme yaklaşımı ile giriş
ve çıkış akımlarının karakteristiği dinamik olarak belirlenebildiğinden, tesisin işletme
ve kontrol parametrelerinin takibi yapılabilmekte ve bu sayede sistem optimizasyonu
gerçekleştirilerek işletme maliyetleri minimum düzeyde tutulabilmektedir.
Bu çalışma kapsamında; aynı giriş akımı ile iki farklı çamur yaşında işletilen gerçek
ölçekli atıksu arıtma tesisinden alınan numuneler ile laboratuvar çalışmaları
gerçekleştirilmiştir. Farklı çamur yaşlarına sahip biyokütleler kullanılarak KOİ
bileşenleri ve respirometrik çalışmalar ile sistemlerin kinetikleri belirlenmiştir. Elde
edilen kinetik katsayılar ve tesisten temin edilen performans verileri kullanılarak,
model kalibrasyonu aşamasında mevcut sistemlerin modelleme çalışmasına
entegrasyonu sağlanmış, kararlı durumda gerçek tesisin hem çamur hem de çıkış atıksu
bileşenleri belirlenmiştir. Bu sayede, yapılan konvansiyonel ve respirometrik ölçümler
kullanılarak gerçekleştirilen modelleme çalışmaları ile iki farklı çamur yaşında
işletilen bir kentsel atıksu arıtma tesisi bütünsel bazda incelenmiştir.
Yapılan çalışmada çamur yaşı 3 gün olan sistem için maksimum heterotrofik çoğalma
hızı, 𝜇̂􀯁, 6 gün-1 olarak belirlenmişken, çamur yaşı 9 gün olan sistem için bu değer 3,7
gün-1 olarak belirlenmiştir. Literatür verileri ile uyumlu olan bu sonuçtan da
anlaşılabileceği üzere aktif çamur sistemlerinde çoğalma hızı çamur yaşının artışı ile
düşmektedir.
Atıksu arıtma tesisinin bütünsel incelemesi sonucunda, yavaş ayrışan organik madde
(XS) için hidroliz hızı, yalnızca karbon giderimine çalışan (θX=3 gün) sistem için 1,5
gün-1 olarak belirlenmişken, çamur yaşı 9 gün olan sistemde hidroliz hızı 2,5 gün-1
olarak belirlenmiştir.
SUMO Wastewater Process Simulator yazılımı ile yapılan modelleme çalışmaları
sonucunda karbon giderimi yapan tesisin biyolojik çamurunda yavaş ayrışan KOİ
(XS)'nin birikimi %16,6 olarak belirlenmiştir. Aynı birikim karbon giderimi ile birlikte
besi maddesi giderimi de yapmakta olan tesisin biyolojik çamurunda %4,1 olarak
belirlenmiştir.
Kütle dengeleri kullanılarak yapılan hesaplamalara göre, çamur yaşı 3 gün olan
sistemde, giriş atıksuyunda bulunan yavaş ayrışan KOİ'nin %84'ü giderilirken, %16'sı
çamurda birikmektedir. Aynı şekilde çamur yaşı 9 gün olan sistem için bu hesaplar
yapıldığında ise giderilen yavaş ayrışan KOİ oranı %96, çamurda biriken ise %4 olarak
belirlenmiştir.
Bu bağlamda; çamur yaşının artışı ile hidroliz kinetiğinin hızlandığı ve yavaş ayrışan
organik maddenin giderim veriminin yüksek çamur yaşında işletilen sistemlerde daha
yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Dolayısı ile düşük çamur yaşında işletilen aktif
çamur sistemlerinde, yavaş ayrışan organik madde, biyolojik çamur içerisinde
birikerek sistemden fazla çamur ile atılmaktadır. Bu sebeple, özellikle düşük çamur
yaşında işletilen sistemlerde gerçekleşen yavaş ayrışan organik madde birikimi, aktif
çamur sistemlerinde toplam çamur içerisinde mevcut aktif heterotrofik biyokütlenin
belirlenmesinde sıkıntı yaratmaktadır.
Bu tez kapsamında; birinci ve ikinci bölümde çalışmanın önemi ve amacı hakkında
bilgi verilerek yapılan çalışmanın kapsamı anlatılmıştır. Üçüncü bölümde çalışmanın
esasını oluşturan kinetik modeller ve bu modellere ait matematiksel ifadelere yer
verilmiştir. Ayrıca literatürde yer alan konu ile ilgili çalışmalar özetlenmiştir.
Dördüncü bölümde ise deneysel çalışmalarda ve modelleme çalışmalarında kullanılan
materyal ve yöntem detayları verilmiştir. Son olarak, beşinci bölümde yapılan
çalışmaların sonuçları açıklanmış ve altıncı bölümde bu sonuçlar değerlendirilmiştir.

Abstract:
Activated sludge systems have been the foundation of the biological wastewater
treatment since more than 100 years all over the world, and these systems are still
among most commonly used processes for wastewater treatment.
In the design step of wastewater treatment plants or the optimization of existing
wastewater treatment plants; biochemical processes of microbial population such as
hydrolysis, growth and endogenous decay must be well-defined, and system kinetics
and design parameters must be verisimilar to the real conditions, in order to maximize
the treatment performance and minimize the operation and maintenance cost.
Currently, kinetics of activated sludge systems are determined by laboratory scale
experimental studies supported by model-based simulations, yielding kinetic and
stoichiometric coefficients, which are then used as a basis for wastewater treatment
plant design. Moreover, existing wastewater treatment plants are also revised by using
the results of these studies. Not only the system kinetics, but also variable wastewater
characteristics and the mass balances changing with design parameters must be
integrated to the modeling studies as a holistic approach to obtain the most accurate
results for the design or revisions of wastewater treatment plants. In recent studies,
oxygen uptake rate (OUR) profiles are widely used to determine the kinetics of growth
and hydrolysis mechanisms. However, slowly biodegradable organic matter
accumulating in activated sludge reactors leads to increase in OUR levels and it
becomes difficult to estimate the biomass activity and kinetic coefficients. Therefore,
while conducting respirometry based modeling studies slowly biodegradable organic
matter accumulation should be taken into consideration and real system simulations
should also be conducted parallel with obtained kinetic coefficients. This approach
also enables determination of active biomass concentration, which has a significant
effect on parameter estimation. Hence, more realistic biomass composition can only
be determined with this holistic evaluation. With this approach, operational and control
parameters could be monitored due to the dynamic determination of influent and
effluent characteristics of the plant and operational cost could be minimized by system
optimization.
COD fractionation of wastewater being treated are significant components of the
activated sludge models. This fractionation provides the identification of organic
matter with different biodegradation properties and necessary experimental support to
the model for the accurate estimation.
In terms of biodegradation characteristics, total influent COD has two major
components: the total nonbiodegradable COD or inert COD, CI, and the total
biodegradable COD, CS. The inert COD fraction may be further subdivided into two
components, soluble inert COD, SI, and particulate inert COD, XI. Since the soluble inert fraction of influent wastewater bypasses the system, effluent quality is
significantly affected by this fraction. In this respect, assessment of the inert fraction
of the organic matter is very important because it indicates indirectly the other main
fraction – biodegradable organic matter, in other words substrate available for growth
mechanism of the microorganisms.
The biodegradable fraction of COD, CS, may also be subdivided into two major
fractions which have been identified as readily biodegradable COD, SS, and slowly
biodegradable COD, XS. Experimental observations show that there is a significant
difference between the biodegradation rates of these two components.
In the context of this study; laboratory experiments were conducted with the samples
taken from a large-scale municipal wastewater treatment plant, which is operated with
the same influent wastewater and two different sludge ages.
Firstly, inert COD fractions of the influent wastewater COD were determined by
experimental setup which involves running two aerated batch reactors, one fed with
the total COD (CT) and the other with the soluble COD (ST). By measuring the final
threshold soluble and total COD values of the reactors, inert COD fractions of influent
wastewater were calculated. As a result of this experimental study, the soluble inert
COD fraction (SI) of influent wastewater was calculated as 8-9%, while the particulate
inert COD fraction (XI) was calculated as 5-6%. After these experiments,
biodegradable COD fraction (CS) of influent wastewater was determined as 86%.
In the second experimental part of the thesis, the biodegradable fractions of the influent
wastewater and the system kinetics were defined by respirometric analysis for both
systems.
In this study, maximum heterotrophic growth rate, 𝜇̂􀯁, was determined as 6 day-1 and
3.7 day-1 for the systems with the sludge age of 3 days and 9 days, respectively. This
result was compatible with literature and shows the decreasing trend of the
heterotrophic growth rate with increasing sludge age in activated sludge systems.
In the modeling step, integration of both systems were provided using the kinetics and
the performance data obtained from the existing plant, and the fractions of effluent and
sludge streams were determined at steady-state conditions. Therefore, a municipal
wastewater treatment plant operated with two different sludge ages was studied
holistically by the modeling studies using both conventional measurements and
respirometric analyzes.
As a result of the holistic evaluation of wastewater treatment plant, hydrolysis rates of
the slowly biodegradable organic matter in the system working for carbon removal
with the sludge age of 3 days and 9 days are found as 1.5 day-1 and 2.5 day-1,
respectively.
According to the results of the modeling studies conducted using SUMO Wastewater
Process Simulator software, the accumulation of slowly biodegredable organic matter
in the sludge of biological treatment step of the plant (θX = 3 days) was determined as
16.6%. The similar accumulation rate in the advanced biological treatment step of the
plant (θX= 9 days) was found as 4.1%.
These results were also verified by using the mass balance equations For carbon
removal system with the sludge age of 3 days, equations gave that 84% of the influent
slowly biodegradable organic matter was removed, while 16% of it had accumulated
in the activated sludge. The same calculations showed that 96% of the influent slowly biodegradable organic matter was removed in the system with the sludge age of 9 days,
while 4% of it had accumulated in the sludge.
It was concluded that an increase in the sludge age led to an increase in hyrolysis rate
and the removal rate of slowly biodegredable organic matter was higher in the system
with higher sludge age. Therefore, in the activated sludge systems operated at low
sludge ages, accumulated slowly biodegredable organic matter is being removed from
the system with excess biological sludge. The accumulation of slowly biodegredable
organic matter in the sludge causes problems in determination of active hetetrophic
biomass of total sludge.
In the scope of this thesis, the content of the study is presented by giving the
significance and aim of the study in the first and second chapters. The third chapter
includes the kinetic models and relevant mathematical equations which are the basis
of this study, including the state of the art. The material and methods that are used for
the experimental and modeling studies are given in detail in the fourth chapter. Finally,
the results and the discussions of the study are given in the fifth and the sixth chapters,
respectively.