Effect of high process temperature on carbon and nutrient removal mechanisms in activated sludge system

Evsel atıksu arıtma tesislerinde düşük ve yüksek sıcaklıklara (5-35 C) rastlamak mümkün olup sıcaklığın aktif çamur sistemleri üzerine olan etkisini araştıran, farklı iklim koşullarında matematiksel modellerin ve uygulamaların gereksinimlerini dikkate alan sistematik bir çalışma yürütülmesi gerekmektedir. Sıcaklık gibi çevresel koşullar mikroorganizmaların seçilimine, hayatta kalmasına ve büyümesine tesir ederek arıtma performansını oldukça fazla etkiler. Aktif çamur prosesleri öncelikli olarak ılıman iklim koşullarındaki ülkelerin evsel atıksularının arıtılması için geliştirilmiştir. Bu nedenle araştırmacılar ılıman sıcaklıklardaki (10-25 C) atıksuların arıtılmasına yönelmişlerdir. Bu çalışmalardan elde edilen veriler sıcak iklim koşullarından (30-40 C) kaynaklanan sıcak atıksuların arıtılmasında tam anlamıyla uygulanabilir değildir. Nüfus artışına paralel olarak atıksu arıtma tesislerine dünya genelinde artan talep, yüksek sıcaklık ve kuraklık ile karşı karşıya olan sıcak iklim koşullarındaki bilgi ihtiyacını ortaya koymuştur. Kuraklığın olduğu bölgelerde 'sıfır deşarj' koşullarını sağlayacak alternatif proseslerin araştırılması hayati önem taşımaktadır. Gerçekleştirilmiş olan çalışmada, sıcak iklim koşullarının evsel atıksuların arıtılmasında kullanılan aktif çamur sistemlerinin proses performansı üzerine etkisi, pilot ölçekli biyolojik besi maddesi giderimine çalışan atıksu arıtma tesisinin ve laboratuvar ölçekli karbon giderimi ve nitrifikasyona çalışan kesikli reaktörlerin işletme sonuçları kullanılarak araştırılmıştır. Elde edilen deneysel ve modelleme sonuçları ışığında sıcaklık, atıksu karakteri, proses tasarım parametreleri ve işletme koşulları arasındaki temel ilişkiler ortaya konulmuştur. Çalışmada; kesikli testler ile karbon giderimi ve nitrifikasyon prosesleri üzerinde durulurken, pilot tesis verilerinin değerlendirilmesi ile simultane nitrifikasyon ve denitrifikasyon ve biyolojik fosfor giderim prosesleri üzerine yoğunlaşılmıştır. Çalışmanın ilk bölümünde, evsel atıksulardan besi maddesi giderimine çalışan pilot ölçekli membran biyoreaktörün performans değerlendirmesi yapılmıştır. 500 günlük performans verisi yardımıyla sıcaklığın biyolojik fosfor giderimi üzerine olan etkisi araştırılmıştır. Nispeten yüksek sıcaklıklarda (24-41 C) işletilen MBR sisteminin verileri değerlendirildiğinde işletme süreci boyunca sıcaklığın 41 dereceden 24 dereceye düşmesiyle toplam fosfor gideriminin %50'den %95'e çıktığı gözlemlenmiştir. Yüksek sıcaklıklarda, anaerobik tanktaki uçucu yağ asitlerinin depolanmasını düşük fosfor salınımı izlemiştir, bu da glikojen depolayan organizmaların polifosfat depolayan organizmalarla rekabet halinde olduğunu göstermektedir. Düşük çözünmüş oksijen seviyeleri ile birlikte yüksek atıksu sıcaklıkları, nitrifikasyonu fark edilir biçimde etkilememiştir ancak azot giderimini arttırmıştır. Membran tankta çözünmüş oksijenin 1,0 mg O2/L seviyelerinde olması, simültane nitrifikasyon ve denitrifikasyon prosesini etkinleştirerek 6-7 mgN/L'lik ilave denitrifikasyon kapasitesi sağlamıştır. Sonuç olarak MBR sisteminde azotun neredeyse tamamı giderilerek, çıkışta oldukça düşük azot değeri elde edilmiştir. MBR tankında 39 C sıcaklıkta 413 L/m2-saat/bar spesifik geçirgenliğine karşılık gelen gros membran akısı 43 L/m2-saat olarak bulunmuştur. Spesifik geçirgenlik 39 C sıcaklıkta 25 C sıcaklığa göre %43 oranında artmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünde, pilot ölçekli membran biyoreaktör sisteminin performans değerlendirmesi dinamik modelleme yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Sıcaklığın 24 -38 C arasındaki değişimi, biyolojik fosfor giderimini de %40 ila %95 arasında değiştirmiştir. Maksimum substrat alım hızı GAO'lar için 1,5 gKOİ_S/gKOİ_X. gün-1, PAO'lar için ise 4,7 gKOİ_S/gKOİ_X. gün- 1 olarak hesaplanmıştır. Hesaplamada Arrhenius katsayıları PAO'lar ve GAO'lar için sırasıyla 1,06 ve 1,04 olarak belirlenmiştir. Bu parametrelerle 450 gün boyunca işletilen MBR sistemindeki çıkış PO4 seviyeleri doğru tanımlanabilmiştir. Ayrıca, mezofilik koşulların ve düşük giriş P/UYA seviyelerinin GAO'ların çoğalması üzerine olan etkisi dinamik modelleme koşullarında değerlendirilmiştir. Sıcaklık 38 C'lere ulaştığında nitrifikasyon prosesi geçici olarak zarar görmüştür. Simülasyon sonuçları, anoksik reaktörün toplam denitrifikasyon üzerine etkisinin %40 ile sınırlı olduğunu göstermiştir. SNdN prosesinin denitrifikasyona olan katkısı, aerobik ve MBR tanklarındaki çözünmüş oksijen seviyelerine bağlı olarak %40- 50 aralığında değişmiştir. MBR sistemindeki yüksek MLSS viskozitesi (20- 35 mPa. S), gaz/sıvı kütle transferinde kısıtlayıcı koşullara yol açarak SNdN prosesinin bu derecede etki etmesine yol açmıştır. 38 C sıcaklıkta 413 L/m2-saat/bar spesifik geçirgenliğine karşılık gelen membran akısı 43 L/m2-saat olarak belirlenmiştir. Üçüncü ve dördüncü bölümde ise, evsel atıksu eşdeğeri sentetik olarak hazırlanmış atıksuyun artılmasında kullanılan laboratuvar ölçekli kesikli reaktörlerin performans değerlendirilmesi hem deneysel veriler hem de modelleme çalışmaları yardımıyla yapılmıştır. Reaktörler iki ayrı çamur yaşında (4 ve 12 gün) ve 4 ayrı sıcaklıkta (20-30-34-37 C) çalıştırılarak performans değerlendirmeleri yapılmıştır. Seçilen işletme koşullarına aklime edilmiş biyokütle kullanılarak hem kesikli hem de respirometrik testler ile kinetik ve stokiometrik katsayılar belirlenmiştir. Nitrifikasyon prosesinin değerlendirilmesinde kullanılan kesikli testler ana reaktördeki işletme koşullarında ve ilaveten nitrifikasyon inhibitörü kullanılan koşullarda gerçekleştirilmiştir. Farklı sıcaklık ve çamur yaşı için, oksijen tüketim hızı profilini 14-15 saat boyunca belirleyen üçer respirometrik test yapılmıştır. Nitrifikasyon prosesi değerlendirildiğinde çamur yaşı 4 gün için, sadece 30 derece sıcaklıkta kısmı nitrifikasyon gözlemlendiği, 25 ve 37 C için ise nitrifikasyon prosesinin çalışmadığı anlaşılmıştır. Çamur yaşı 12 gün olan reaktörlerde 37 C sıcaklıkta işletilen reaktör hariç tüm reaktörlerde tam nitrifikasyon elde edilmiş ancak 37 derece reaktöründe ise kısmi nitrifikasyon gözlenmiştir. Deneysel veriler ve modelleme çalışması yardımıyla amonyak oksitleyen bakteriler ve nitrit oksitleyen bakteriler için ototrofik maksimum çoğalma hızları farklı sıcaklıklarda (20, 30, 34 ve 37 C) sırasıyla 0 ,48, 0 ,65, 0,75 ve 0 ,18/gün ve 0 ,24, 0 ,28, 0,11 ve 0 ,11/gün olarak elde edilmiştir. AOB ve NOB için yarı doygunluk katsayısı 1 mgN/L olarak bulunmuştur. Reaktörlerde AOB konsantrasyonu sıcaklıkla artış göstermiş, NOB konsantrasyonu ise sıcaklıkla yaklaşık sabit kalmış olup sadece 37 C'de nitrit oksitleyen bakteriler sistemden atılmıştır. 37 C'de NOB'lerin ölüm hızlarının daha yüksek olması NOB'lerin sistemden zamanla atılmasına neden olmuştur. Çamur yaşı 12 gün olan reaktörlerdeki nitrit ve nitrat konsantrasyonlarının toplamı göz önüne alındığında, en yüksek nitrifikasyon aktivitesinin 34 C sıcaklıkta olduğu sonucuna varılmıştır. Karbon giderimi açısından incelendiğinde maksimum heterotrofik çoğalma hızı, hızlı hidroliz olabilen KOİ'nin hidroliz hızı ve ölüm hızının sıcaklık artıkça arttığı görülmüştür. Dönüşüm oranının 25 ve 30 C için 0,58 g KOİ/g KOİ iken 34 ve 37 C için 0,49 g KOİ/g KOİ olarak azaldığı görülmüştür. Çamur yaşı 4 gün olan reaktörlerin KOİ giderim verimleri incelendiğinde, en düşük KOİ giderim veriminin kısmi nitrifikasyonun da gerçekleştiği 30 C reaktöründe olduğu görülmüştür. 12 gün çamur yaşında işletilen sistemlerde aerobik denitrifikasyonun gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Aerobik denitrifikasyon hızının sıcaklık artışıyla azaldığı sonucuna varılmıştır. Ototrofik büyüme hızlarının sıcaklık bağlantısının 34 C üzerinde sadeleştirilmiş Arrhenius fonksiyonu ile ifade edilemeyeceği sonucuna varılarak, genişletilmiş Arrhenius fonksiyonu büyüme hızı ve sıcaklık arasındaki ilişkiyi tanımlamak amacıyla uygulanmıştır.