Çöp sızıntı sularının MBR + NF ile arıtılması, performans değerlendirmesi ve modellenmesi
Treatment of landfill wastewater with MBR + NF, performance evaluation and modelling
Yazar: MURAT YİĞİT
Danışman: PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Atık üretimi ve yönetimi insanlık var oldukça devam edecek süreçlerdendir. Sızıntı suyu kirliliği ve yönetim gereksinimi özellikle sanayileşme dönemi sonrasında oluşan katı atık üretimindeki artış ve nüfus artışı sebebiyle zorunlu hale gelmiştir. İnsanların ortaya çıkışından bu yana, ilkel çöpler metropollere atılarak kentsel kirliliğe ve ölümcül hastalıkların gelişimine katkıda bulunmuştur. Yaşam koşullarını iyileştirmek için, belediye yetkilileri çöpleri toplamaya ve düzenli depolama alanlarında veya deniz habitatlarında bertaraf etmeye başlamıştır. Çöp sahası sızıntı suyu deşarjı hem çevresel bir sorun hem de insan sağlığı için bir tehdittir. Çöplerin düzenli depolanmasıyla ilgili en önemli sorunlar, toprak, hava, yeraltı ve yüzey suyu kirliliğine neden olabilen, arıtılması zor, kompleks bir yapıya sahip olan sızıntı suyunun oluşmasıdır. Sızıntı suları deşarj edilmeden önce titiz bir arıtmadan geçirilmelidir.
Sızıntı suları çok fazla kirletici parametre içermesi nedeniyle arıtılması en zor olan atıksulardandır. Yüksek organik yük içerir, siyaha yakın renktedir, ağır metal içerir ve aynı zamanda çeşitli kompleks kirleticiler içermektedir. Sızıntı sularının arıtımında fiziksel, kimyasal ve biyolojik arıtma metotları uygulanabilmektedir. Bu metotlardan sızıntı suyu miktarı, kalitesi ve deşarj limitleri göz önünde bulundurularak en uygun olanları tercih edilmelidir. Diğer biyolojik arıtma yöntemleriyle karşılaştırıldığında, membran biyoreaktör (MBR) sistemlerinin, sızıntı suyu arıtımında alternatiflere göre özellikle ülkemizde kullanımı yaygınlaşmaktadır. Bunun nedeni ise, oldukça yüksek arıtma verimleri sağlaması ve arıtma tesisi çıkışında yönetmeliklerde geçen kirlilik parametrelerin sınır değerlerinin altında olacak şekilde su deşarjı sağlayabilmesidir. MBR sistemlerin, klasik sistemlerde kullanılan sedimantasyon yapılarına ihtiyaç duyulmamaktadır. Biyolojik arıtma ünitesi, ultrafiltrasyon ve/ya mikrofiltrasyon sistemleri kullanılmaktadır. MBR sistemlerinde kimyasal oksijen ihtiyacı, azot ve askıda katı madde parametrelerine ait kirlilik giderim verimleri oldukça yüksektir. Özetle membran biyoreaktörler, membran filtrasyon sistemleri ile biyolojik arıtma proseslerinin beraber kullanıldıkları arıtma yöntemi olarak tanımlanabilir.
Bu tez çalışması kapsamında, İstanbul ili, Silivri ilçesi, Seymen köyü sınırları içinde bulunan İSTAÇ Seymen Katı Atık Bertaraf ve Düzenli Depolama Tesisinde oluşan sızıntı sularının arıtıldığı, Seymen sızıntı suyu arıtma tesisinin tasarım kriterlerinin irdelenmesi, arıtma tesisi performanslarının değerlendirilmesi, model bazlı çalışma ile farklı işletme senaryolarının oluşturulması, model sonuçlarının değerlendirilmesi ve arıtma performansının iyileştirilmesi ile ilgili önerilerin oluşturulması hedeflenmiştir.
Seymen Katı Atık Bertaraf ve Düzenli Depolama Tesisinde belediye atıkları bertaraf edilmektedir. Atıkların düzenli depolanması sonucu oluşan çöp sızıntı suları depolama alanında bulunan lagünlerde depolanmaktadır. Çöp depolama alanından gelen ham
xvi
atıksu debi ölçümü için Parshall savağından geçirilmekte ve sonrasında boru hattı ile lagünlere iletilmekte ve lagünlerde toplanan çöp sızıntı suyu alanda kurulu arıtma tesisinde arıtılmaktadır. Tesis tasarımı gelecekteki kapasite artışı göz önünde bulundurularak 6.000 m3/gün'e göre tasarlanmış olup, tesis hâlihazırda 4.000 m3/gün sızıntı suyu arıtma kapasitesine sahiptir. Tesis, çöp sızıntı suyunu SKKY Tablo 20.6 (Katı Atık Değerlendirme ve Bertaraf Tesisieri)'da bildirilen deşarj kriterlerini sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Seymen Katı Atık Bertaraf ve Düzenli Depolama Tesisi Sızıntı Suyu Arıtma Tesisinde arıtılan sızıntı suyu, ilgili deşarj limitlerinin altına indirilerek kuru dere özelliği gösteren "Kuygun Geçidi Deresine" deşarj edilecektir. Yeni inşa edilen tesis 2023 yılı ağustos ayı ortalarında devreye alınmıştır. Çöp sızıntı suyunun yüksek azotlu bileşikler içermesi nedeni ile Nitrifikasyon ve Denitrifikasyon prosesi ile biyolojik arıtımı sağlanmaktadır. Biyolojik arıtma sonrası sıvı-katı (bakteri) faz ayrımı için Ultrafiltrasyon (UF) ve renk, koku, sertlik ve inert KOİ parametreleri giderimi için ise Ultrafiltrasyon ve Nanofiltrasyon membranları kullanılmaktadır. Bu çalışmada Seymen atıksu arıtma tesisinin tasarıma esas debi ve kirletici konsantrasyonları kullanılarak çıkış toplam azot konsantrasyonunu minimize edecek şekilde Sumo 2022 programı yardımıyla model bazlı senaryolar üzerinde çalışılmıştır.
Çalışma kapsamında literatürde bulunan, katı atık düzenli depolama tesislerinin işletilmesi, sızıntı suyu oluşumu, sızıntı suyunun karakterizasyonu, Türkiye'de ve dünyada uygulanan sızıntı suyu arıtım metotları, sızıntı suyu deşarj sınır değerleri incelenmiş olup, MBR sistemi kullanılarak arıtılan sızıntı suyu arıtma tesislerinin çalışma yapısı ve adımları irdelenmiş ve modelleme çalışmasının metodolojisi bu veriler dikkate alınarak belirlenmiştir. Tez çalışması ve tez çalışması sırasında oluşturulan modelleme çalışmaları tesisin devreye alınmasıyla beraber eş zamanlı yürütülmüştür. 2023 yılı ağustos ayı ortalarında devreye alımına başlanan ve 2023 yılı eylül ayı ortalarında dere deşarjına başlanan Seymen sızıntı suyu arıtma tesisinin, tesis işletme personelleri tarafından kayıt altına alınan tesis giriş ve tesis çıkışı verileri incelenmiştir. Sızıntı suyu muhtevasında bulunan en kritik kirlilik parametrelerinin (askıda katı madde, kimyasal oksijen ihtiyacı ve toplam khejdahl azotu) tesis deşarj sınır değerlerine uygun şekilde arıtıldığı görülmüştür. Seymen atıksu arıtma tesisinin tasarıma esas debi ve kirletici konsantrasyonları kullanılarak çıkış toplam azot konsantrasyonunu minimize edecek şekilde Sumo 2022 programı yardımıyla model bazlı senaryolar üzerinde çalışılmıştır. Sonuçlardan ayrışabilen organik maddenin tamamen giderildiği görülmektedir. Toplam azot parametresi incelendiğinde performansın yüksek olduğu görülmektedir. İçsel geri devir oranının kısıtlı olmadığı koşullarda yüksek azot giderimi elde edilmiştir. Ayrışabilen özellikteki azot giderimi %100'e yakın bir performans ile sağlanmış olduğu görülmüştür.

Abstract:
Waste generation and management are processes that will continue as long as humanity exists. Leachate pollution and management requirements have become mandatory due to the increase in solid waste generation and population growth, especially after the industrialisation period. Since the emergence of humans, primitive rubbish has been dumped in metropolises, contributing to urban pollution and the development of fatal diseases. In order to improve living conditions, municipal and town authorities started to collect and dispose of rubbish in landfills or marine habitats. Landfill leachate discharge is both an environmental problem and a threat to human health. The most important problems associated with landfilling of garbage are the formation of leachate, which has a complex, difficult to treat nature that can cause soil, air, groundwater and surface water pollution. Leachate must undergo rigorous treatment before discharge.
As a result of rapid population growth and industrialisation, the amount of wastewater generated has exceeded the amount that nature can assimilate and the receiving environments are faced with the danger of pollution. In order to prevent this situation, which may adversely affect the ecological balance in nature and prevent other beneficial uses, it is necessary to treat wastewater before disposal. The characteristics of wastewaters vary significantly depending on their sources and treatment methods vary according to these differences. Generally, more than 99% of wastewater consists of water and only the remaining part consists of pollutants. Pollutants may be dissolved in water or they may be suspended as solid matter. According to the properties of these substances, the treatment method that can be used for their removal also varies. For example, it can be said that the most effective method for the removal of organic pollutants is "biological treatment". Biological treatment is the decomposition of suspended or dissolved organic substances in the wastewater by bacteria and their transformation into fixed inorganic compounds that remain in the liquid or escape to the atmosphere as gas with biological flocs that can settle. The essence of biological treatment is the repetition of bioflocculation and mineralisation processes, which take place for the destruction of organic pollutants in nature, in the environment and under optimum conditions. Thus, the reactions in nature are accelerated and realised in a shorter time and in a safe environment. Membrane bioreactor (MBR) plants combine biological wastewater treatment with external type filtration membrane technology to provide advanced biological treatment of water. In this way, works such as treatment of difficult to treat wastewater, advanced wastewater treatment and recovery applications can be applied in areas as small as one third of conventional plants. MBR technology is one of the most suitable solutions that does not require new construction in order to increase the capacity of existing wastewater treatment plants.
xviii
Leachate is one of the most difficult wastewaters to treat because it contains many pollutant parameters. It contains high organic load, is black in colour, contains heavy metals and also contains various complex pollutants. Physical, chemical and biological treatment methods can be applied in the treatment of leachate. The most appropriate of these methods should be preferred considering the quantity, quality and discharge limits of leachate. Compared to other biological treatment methods, membrane bioreactor (MBR) systems are becoming widespread in leachate treatment, especially in our country. The reason for this is that it provides very high treatment efficiencies and can provide water discharge at the outlet of the treatment plant below the limit values of the pollution parameters mentioned in the regulations. MBR systems do not need sedimentation structures used in classical systems. Biological treatment unit, ultrafiltration and/or microfiltration systems are used. In MBR systems, pollution removal efficiencies of chemical oxygen demand, nitrogen and suspended solids parameters are quite high. In summary, membrane bioreactors can be defined as a treatment method in which membrane filtration systems and biological treatment processes are used together.
Within the scope of this thesis study, it is aimed to examine the design criteria of the Seymen leachate treatment plant where the leachate generated at ISTAC Seymen Solid Waste Disposal and Landfill Facility located within the borders of Seymen village, Silivri district, Istanbul province, to evaluate the treatment plant performances, to create different operating scenarios with a model-based study, to evaluate the model results and to make suggestions for improving the treatment performance.
Municipal wastes are disposed of at ISTAC Seymen Solid Waste Disposal and Landfill Facility located within the borders of Seymen village, Silivri district, Istanbul province. Leachate is formed in solid waste landfills by precipitation falling on the solid waste mass and the release of the water contained in the solid waste itself. The pollution load of leachate is quite high and variable and the seepage of this water into the ground poses a serious threat to groundwater. For this reason, the leachate generated at Seymen Solid Waste Disposal Facility is collected in accordance with the relevant regulations and treated in the treatment plant in accordance with the discharge standards. The leachate from the landfill is stored in lagoons located in the landfill. The raw wastewater coming from the landfill is passed through the Parshall weir for flow measurement and then conveyed to the lagoons via pipeline and the landfill leachate collected in the lagoons is treated at the on-site treatment plant. The plant design is based on a capacity of 6,000 m3/day, taking into account future capacity increases, and the plant currently has a leachate treatment capacity of 4,000 m3/day. The facility is designed to meet the discharge criteria given in Table 20.6 (Solid Waste Treatment and Disposal Facilities) of the WPCR for landfill leachate. The leachate treated at the Seymen Solid Waste Disposal and Landfill Facility Leachate Treatment Plant will be discharged to the "Kuygun Pass Stream", which is a dry stream, by reducing it below the relevant discharge limits. The newly constructed facility was started of operation in mid-October 2023. Since landfill leachate contains high nitrogenous compounds, biological treatment is provided by Nitrification and Denitrification process. After biological treatment, Ultrafiltration (UF) for liquid-solid (bacteria) phase separation and Ultrafiltration and Nanofiltration for color, odor, hardness and inert COD parameters removal. In this study, model-based scenarios were studied with the help of Sumo 2022 program to
xix
minimize the effluent total nitrogen concentration by using the design flow and pollutant concentrations of Seymen wastewater treatment plant.
Within the scope of the study, the operation of solid waste landfills, leachate formation, characterisation of leachate, leachate treatment methods applied in Turkey and in the world, leachate discharge limit values, the working structure and steps of leachate treatment plants treated using MBR system were examined and the methodology of the modelling study was determined by taking these data into consideration. The thesis study and the modelling studies created during the thesis study were carried out simultaneously with the commissioning of the plant. In mid-August 2023, the Seymen leachate treatment plant, which was commissioned in mid-August 2023 and started to discharge to the stream in mid-September 2023, the plant inlet and plant outlet data recorded by the plant operation personnel were examined. It was observed that the most critical pollution parameters (suspended solids, chemical oxygen demand and total khejdahl nitrogen) in the leachate content were treated in accordance with the plant discharge limit values. Model based scenarios were studied with the help of Sumo 2022 software to minimise the effluent total nitrogen concentration by using the design flow and pollutant concentrations of Seymen wastewater treatment plant. From the results, it is seen that the decomposable organic matter is completely removed. When the total nitrogen parameter is analysed, it is seen that the performance is high. High nitrogen removal was obtained under conditions where the internal recirculation rate was not limited. It has been observed that the removal of decomposable nitrogen has been achieved with a performance close to 100%.