Aktif çamur sistemlerinde reaktif ön çökeltmenin koi bileşenleri ve ayrışma kinetiğine etkinin değerlendirilmesi
Evaluation of the effects of reactive pre-sedimentation to cod components and decomposition kinetics in activated sludge systems
Yazar: AYŞİN ERTÜRK
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, 2018
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Su ve atık su arıtımı ile ilgili 	bir çok çalışma yapılmış ve farklı arıtma sistemleri geliştirilmiştir. Evsel atıksuların arıtımında genellikle biyolojik arıtım sistemleri tercih edilmektedir. 
Günümüzde hızlı nüfus artışı beraberinde atıksu debisinin artması, arazi ve enerji açısından mevcut tesislerin yeterli olmayacağını göstermektedir. Bu sebeple daha az alan ihtiyacı olan, enerji tüketimi olmayan hatta enerji üreten proseslere yönelinmesi gerekmektedir. 
Atıksuyun KOİ bileşenlerinin belirlenmesi ve respirometrik deneysel çalışmalar sonrası yapılan modellemeler, biyokütlenin yapısını ve atıksuda bulunan organik maddelerin karakteristiğini belirlemeyi mümkün kılabilmektedir. Bu sayede, biyokütle özellikleri ile substrat karakteristiği arasında bağlantı kurulabilmekte; işletme koşullarının belirlenmesi ve iyileştirilmesi sağlanabilinmektedir. 
Atıksu arıtma tesislerinde biyoreaktör tasarımı ve genişletilmesi projelerinde tank hacminin ve boyutlarının belirlenmesinde, oksijen transfer oranı (OTR) verilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Sulu çözeltideki çözünmüş oksijen konsantrasyonu, solunum yapan mikroorganizmaların süspansiyonu, gaz halden sıvı faza geçen oksijen transfer oranına (OTR) ve bunun mikroorganizma tarafından tüketilmesine dayalı oksijen tüketim hızına (OTH) bağlıdır. Oksijen tüketim hızı (OTH), birim zamanda birim hacimde tüketilen oksijen (O2) miktarını ifade etmektedir. 
Çözünmüş inert KOİ (SI), aktif çamur sistemi içinde biyokimyasal reaksiyona girmeden deşarj ile sistemden atıldığından, arıtma tesisi çıkış atıksuyunda bulunan organik maddenin en önemli bileşenini oluşturmaktadır. Partiküler inert KOİ (XI) ise biyokimyasal reaksiyona girmeden, çamur yaşına bağlı olarak sistemden sadece atık çamurun bir bileşeni olarak uzaklaştırmaktadır. Bu sebeple sistemdeki diğer bir önemli bileşendir. Aktif çamur proseslerinde metabolik ürün olarak çözünmüş inert mikrobiyal ürünler (SP) ve partiküler inert mikrobiyal ürünler (XP) oluşmaktadır.SP bileşeni arıtılmış çıkış atıksuyu içinde yer almakta ve çıkış limitlerini sağlamada önemli bir bileşen olmaktadır. Sistemin çamur yaşı arttıkça biyolojik olarak ayrışamayan partiküler metabolik ürünlerin (XP), toplam biyokütle içerisindeki oranı da artış gösterdiğinden bu bileşen önem kazanmaktadır.
Yavaş hidroliz olabilen organik madde (XS), yine çamur yaşına bağlı olarak biyolojik çamur içerisinde birikime uğramaktadır. Özellikle düşük çamur yaşında işletilen sistemlerde meydana gelen bu birikim, çamurun organik madde içeriğini ve sistemin kinetiğini değiştirmektedir.

Bu çalışma kapsamında gerçek ölçekli atıksu arıtma tesisinde alınan numuneler ile laboratuvar çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Tesis geri devir çamuru ve giriş atıksuyu kullanılarak KOİ bileşenleri ve respirometrik çalışmalar ile sistemlerin kinetikleri belirlenmiştir. Elde edilen kinetik katsayılar kullanılarak sistemin modelleme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. 
Bu çalışmanın temel amacı;  aktif çamurun flokülasyon kapasitesini kullanarak kullanarak arıtma çamurunda tutulan organik madde miktarının arttırılmasıdır. Laboratuvarda gerçekleştirilen jar test deneyleri sonucunda %70 atıksu %30 çamur karışımının yeterli flokülasyonu için gerekli optimum karıştırma süresi 60 dakika olarak belirlenmiştir.
Tesisten alınan geri devir çamuru ve giriş atıksuyu ile gerçekleştirilen respirometrik çalışmalar AQUASIM yazılımı ile modellenmiştir. Modelleme çalışmaları sonucunda maksimum heterotrofik çoğalma hızı, µH, 2,4 gün-1, içsel solunum hızı, bH, 0,3 olarak hesaplanmıştır. Yavaş ayrışan organik madde (XS) için hidroliz hızı ise 1,7 gün-1 olarak belirlenmiştir. Yapılan çalışmalar neticesinde CS'in %84'lük kısmının biyoflokülasyon ile ön çöktürme çamurunda adsorblandığı gözlenmiştir.

Abstract:
There have been many studies on water and wastewater treatment and different treatment systems have been developed. Biological treatment systems are generally preferred for the treatment of domestic wastewater.
The rapid increase of the world population increases the importance of the water to be consumed and the amount of waste water to be generated. Therefore, protection of existing water resources, treatment of wastewater and reuse of treated waters will become more important, especially the task of environmental engineers will increase in this respect.
The increasement in wastewater flow along with the rapid population growth proves that the current treatment plants in terms of land and energy will not be enough. For this reason, it needs to be focused on to the processes that require less space, no energy consumption and even generates energy.
The determination of the COD fractions of the wastewater and the modeling after respirometric studies can make it possible to determine the structure of the biomass and the characteristics of the organic substances present in the wastewater. At this point, biomass properties can be correlated with substrate characteristics; operating conditions can be determined and improved. 
In bioreactor design and expansion projects in wastewater treatment plants, the oxygen transfer rate (OTR) data is needed to determine the tank volume and dimensions. 
The dissolved oxygen concentration in the aqueous solution and the suspension of respiratory microorganisms depends on the oxygen transfer rate (OTR) transforming to liquid from gas phase and the oxygen consumption rate (OCR) based on consumption by the microorganism. Oxygen consumption rate (OCR) refers to the amount of oxygen (O2) consumed per unit volume per unit time.
Oxygen consumption rate (OCR) is one of the basic physiological properties of culture growing and being used to optimize the fermentation process. OCR exhibits a specific profile depending on the biocompatibility of the biomass and the biodegradability characteristic of organic substance in wastewater. The profile of the oxygen consumption rate determined by respirometric analyzes is a function of standard model parameters. For this reason, the oxygen consumption rate profile only corresponds with the most appropriate parameters combined.
Dissolved inert COD (SI) is the most important component of the organic substance in the effluent of the treatment plant as it is discharged from the system without entering the biochemical reaction in the activated sludge system. 
Particulate inert COD (XI) is removed from the system only as a component of the waste sludge due to its age without entering the biochemical reaction. Therefore, it is another important component in the system. In activated sludge processes, dissolved inert microbial products (SP) and particulate inert microbial products (XP) are dcomposed as metabolic products. The SP compound is located in the treated effluent wastewater and is an important component in maintaining effluent limits. This component is gaining importance because the proportion of non-biodegradable particulate metabolic products (XP) in the total biomass increases as the mud age increases.
Slow hydrolysable organic substance (XS) is again accumulating in the biological sludge due to the age of the sludge. This accumulation, especially in systems operated at low mud age, changes the organic substance content and the kinetics of the system.
Conventional activated sludge process is widely used for waste water treatment. However, the energy balances of the wastewater treatment scheme need to be radically improved in order to have self-sufficiency of energy. Conventional activated sludge (CAS) systems are used to remove organic substance and nutrients in the treatment of domestic wastewater in general.
Recently, wastewater treatment plants (WWTPs) have been shifting from more energy-consuming wastewater treatment processes to more sustainable processes with lower energy loss and higher energy recovery. Therefore, wastewater treatment without energy consumption or even with energy production should be made possible. The conversion of thermal energy into beneficial forms of energy from wastewater organisms is often accompanied by methane production during anaerobic digestion. However, due to low rates and dissolved methane losses in the effluent, complete decay is not feasible even in temperate climates. Conversely, a primary treatment stage for preconcentration of the waste water allows the production of a more concentrated organic stream as sludge and efficient side-stream anaerobic decay. To achieve maximum energy recovery, such a primary treatment stage should be designed at the highest energy efficiency to recover the nutrients from downstream, tertiary, and downstream treatment technologies, avoiding as much oxidation of the organics as possible to CO2, and to meet wastewater or reuse standards and must be run.
Within the scope of this study, laboratory works were carried out with the samples taken in the real scale wastewater treatment plant. The kinetics of the systems were determined by using the recycle slurry and input wastewater and COD components and respirometric studies. Modeling studies of the system were performed by using the obtained kinetic coefficients.
The main purpose of this study is; to increase the adsorption of the organic matter in sludge by using the flocculation capacity of the activated sludge.
As a result of the jar test experiments carried out in the laboratory, the optimum mixing time required for adequate flocculation of the 70% wastewater 30% slurry mixture was determined to be 60 minutes.
The respirometric studies carried out with the backwashed sludge and inlet wastewater taken from the plant are modeled by AQUASIM software. As a result of modeling studies, the maximum heterotrophic growth rate was calculated as μH, 2,4 days-1, internal respiration rate, bH, 0,3. The rate of hydrolysis for slow dissociating organic matter (XS) was determined to be 1.7 days-1. As a result of the studies carried out, it was observed that 84% of the CS was adsorbed by the bioflocculation in the primary sedimentation sludge.