Evsel atık suların düşük sıcaklıklarda anaerobik ardışık kesikli reaktörle arıtımı
Treatment of domestic wastewater at low temperatures by anaerobic sequencing batch reactor
Yazar: BİROL KAYRANLI
Danışman: PROF. DR. AYŞENUR UĞURLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Düşük sıcaklık = Low temprature

Özet:
Bu tez çalışmasında, işletim özelliği bakımından doldur-boşalt prensibine dayalı olarak çalıştırılan Anaerobik Ardışık Kesikli Bir Reaktör (AnAKR) kullanılarak, düşük kirlilik yüküne sahip sentetik atıksuların (300, 500 ve 1000 mg KOİ/l) ve gerçek evsel atıksuların düşük sıcaklıklarda (T=25, 15 ve 10oC) arıtılabilirliği araştırılmıştır. AnAKR farklı biyokütle konsantrasyonu, organik yükleme hızı (OLR) ve hidrolik bekletme sürelerinde (HRT) işletilerek işletme koşullarının organik madde giderimi üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sentetik atıksuda karbon kaynağı olarak süt tozu, nişasta, sodyum asetat ve maya kullanılmıştır. AnAKR'de işletilen her bir sıcaklık ve hidrolik bekletme sürelerinde bir döngü boyunca organik madde giderimi izlenmiş ve kinetik modeller uygulanarak, kinetik sabitler elde edilmiştir. Bir döngüde reaktör hacminin % 20, 24, 40 ve 55'i değiştirilmesiyle 60, 25, 15 ve 11 saatlik HRT'de işletilmiştir. Reaktörün işletildiği süre boyunca sürekli olarak KOİ, metan gazı üretimi, UAKM, AKM, pH, indirgenme-yükseltgenme potansiyeli ve alkalinite parametreleri ölçülerek sistem izlenmiştir. AnAKR'e beslenen granül biyokütlenin ortam şartlarına ve atıksuya alıştırılması için 25oC sıcaklıkta 1000 mgKOİ/l ile gerçekleştirilen çalışmalarda %95'in üzerinde KOİ giderimi elde edilmiştir. 500 mg KOİ/l konsantrasyonuna sahip atıksuyun 10, 15 ve 25oC sıcaklıklarda 10 gUAKM/l biyokütle ile yapılan çalışmalarda %76-97 KOİ giderimi elde edilirken, standart T ve P'de 0,312-0,912 m3/gün metan gazı üretimi gerçekleşmiştir. 300 mgKOİ/l konsantrasyonuna sahip atıksu ile yapılan çalışmalarda ise KOİ giderimi %65-96 aralığında, metan gazı üretimi ise 0,181-0,554 m3/gün aralığında gerçekleşmiştir. Biyokütlenin 5 gUAKM/l'ye düşürülmesiyle, 25oC'de KOİ giderimi %84-92 arasında değişirken, 15oC'de %46-83 ve 10oC'de ise KOİ giderimi %33-65 arasında değişmiştir. Biyokütlenin düşürülmesi düşük sıcaklıklarda ve yüksek OLR'lerde sistem performansını düşürürken, metan üretiminin de %40 düşmesine neden olmuştur. Diğer taraftan, gerçek evsel atıksu ile yapılan çalışmalarda aynı koşullarda sentetik atıksu ile yapılan çalışmalardan daha düşük KOİ giderimi (%61-91) ve metan üretimi (0,129-0,394 m3/gün) elde edilmiştir. Reaktörden alınan biyokütle ile çalışılan her bir sıcaklıkta karbon kaynağı olarak Asetik Asit kullanılarak Spesifik Metanojenik Aktivite (SMA) testi gerçekleştirilmiştir. SMA testinde 10, 15 ve 25oC sıcaklıklarda sırasıyla 0,679, 0,705 ve 0,742 gKOİ/gUAKMgün Spesifik Metanojenik Aktivite gerçekleştiği görülmüştür. Hem sentetik atıksu hem de gerçek evsel atıksu ile yapılan çalışmalarda, sıcaklığın düşmesi ve OLR'nin artmasına bağlı olarak KOİ giderimi düştüğü gözlenmiştir. HRT süresinin düşmesinin KOİ giderimini olumsuz etkilediği ve özellikle düşük sıcaklıklarda bu etkinin daha önemli olduğu gözlenmiştir. Reaktörde bulunan biyokütle konsantrasyonu düştükçe KOİ giderimi de azalmıştır. Organik madde parçalanma kinetiği genellikle birinci dereceden reaksiyon kinetiğine uyduğu görülmüştür. Sonuç olarak, AnAKR evsel atıksu karakteristiğindeki atıksuların arıtımında düşük sıcaklıklarda verimli bir şekilde kullanılabileceği görülmüştür.

Abstract:
In this thesis study, treatment of low strength synthetic (300, 500 and 1000 mgCOD/l) and domestic wastewater at low temperatures (T= 25, 15 and 10oC) was investigated using an Anaerobic Sequencing Batch Reactor (ASBR) operated at fill and draw mode. Effects of operational conditions such as biomass concentrations, organic loading rates, temperatures, and hydraulic retention times (HRTs) on organic material removal were analyzed. Milk powder, starch, sodium acetate and yeast extract were used as carbon source in the synthetic wastewater. Organic material removal rates in the ASBR were monitored at each temperature studied and HRT within a cycle and kinetic constants were obtained using kinetic models available. The reactor was operated under varying HRTs of 11, 15, 25 and 60-hours and using volumetric exchange ratios of 20, 24, 40, and 55%. The system was monitored by measuring COD, methane gas production, SS, VSS, pH, oxidation-reduction potential and alkalinity during the study. In order to acclimate the granular anaerobic biomass in the ASBR to the varying environmental conditions and wastewater, the reactor was initially operated at 25oC with 1000 mg COD/l and more than 95% COD removal was obtained. The studies carried out with 500 mg COD/l concentration and 10 gMLVSS/l biomass at low temperatures (10, 15 and 25oC) resulted in 76-97% COD removal and 0,312-0,912 m3(STP)/day methane production, Whereas, the studies with 300 mgCOD/l concentration under similar conditions resulted in 65-96% COD removal and 0,181-0,554 m3(STP)/day methane production. When the biomass concentration was decreased to 5 gMLVSS/l, 84-92% at 25oC, 46-83% at 15oC and 33-65% at 10oC COD removal was obtained. The decrease in biomass concentration resulted in the loss of removal efficiency in the system as well as approximately 40% decrease in methane production under high organic loading rate (OLR). On the other hand, lower COD removal (%61-91) and methane production (0,129-0,394 m3/day) were obtained by the tests carried out with real domestic wastewater than the studies with synthetic wastewater. Specific Methanogenic Activity (SMA) tests were performed on the sludge at each operating temperature using acetic acid as carbon source. During the SMA tests, 0.679, 0.705 and 0.742 gCOD/g MLVSS/day were obtained respectively at 10, 15, and 25oC temperatures. The studies with either domestic or synthetic wastewater, it was observed that COD removal decreased with the decreasing temperatures and increased with increasing OLRs. Moreover, decrease in HRT negatively impacted the COD removal especially in lower temperatures. Also, COD removal decreased with decreasing reactor biomass concentrations. It was shown that organic substance degradation rates fit the first-order reaction kinetics. As a result, it was seen that ASBR can be used effectively at low temperatures for wastewater having domestic characteristics.