Evaluation of nitrogen removal from domestic wastewaters using an integrated fixed activated sludge system

Kompakt biofilm sistemler, düşük enerji gereksinimleri ve düşük işgücü ihtiyacı sebepleriyle günümüzde oldukça tercih edilir hale gelmişlerdir. Özellikle organik madde gideriminde popüler bir hale gelen biofilm sistemler, köylerde, otellerde, sitelerde ve benzeri düşük nüfuslu bölgelerde kullanılmaktadırlar. Düşük nüfusa sahip bu bölgelerde, büyük ölçekli bir arıtma tesisi tasarım ve uygulamasından ziyade, kompakt biofilm sistemler mali olarak da daha makul bulunmaktadır. Biofilm sistemin performansı yükleme şartlarından çok etkilenir. Yüksek ve çok düşük yüklemeler çıkış suyunun kalitesini bozar. Havalı biyolojik arıtım sistemlerinde optimum yükleme değerleri, kullanılan reaktörün tipine göre farklılık gösterir. Biofilm arıtma sistemleri askıda büyüyen ve sabit dolgu maddesi üzerinde büyüyen sistemler olmak üzere iki grupta incelenir. Askıda büyüyen sistemler konvansiyonel ve modifiye aktif çamur sistemleri olmak üzere kendi içinde tekrar gruplara ayrılır. Modifiye aktif çamur sistemlerinden havalandırma sistemleri genellikle paket arıtma sistemlerine uygulanır. Uzatmalı havalandırma sistemleri substratın tamamının ve çamurun biyolojik olarak oksitlenebilen kısmının giderilebilmesi amacı ile hidrolik bekleme süresinin uzun tutulduğu aktif çamur sistemleridir. Her ne kadar çamur oluşumu az ise de çamurun oksitlenmeyen kısmı sistemde birikeceğinden zaman zaman atılması gerekir. Sabit dolgu malzemesi üzerinde büyüyen sistemlerde ise biyokütle inert bir dolgu maddesi üzerinde gelişir. Karıştırma olmadığından substratın reaktör girişinde, dağıtım mekanizması vasıtasıyla homojen olarak dağılımı sağlanır. Paket sistem dizaynında kişi başına su kullanımı ve kirlilik yükü için verilen istatistiki değerlerden yararlanılır. Küçük nüfuslu yerlerde kişi başına su kullanımı daha düşüktür. Kişi başına evsel amaçlı su kullanımı 100- 200 L/gün. kişi, BOİ5 yükü ise 0.04-0. 07 kg/gün. kişi değerleri arasında değişir. Bu değerler evsel atıksuyun kaynağına göre farklılıklar gösterir. Evlerden kaynaklanan atıksuların arıtımında genellikle 0.05 kg/gün. kişi değeri kullanılır. Genel olarak, paket tip biofilm arıtma sistemlerine girişten evvel, atıksu bir ön arıtma işleminden geçmektedir. Az nüfuslu yerlerin evsel atıksularının ön arıtımı genellikle septik tankta gerçekleştirilir. Septik tank üç gözlü olup üçüncü göz pompalama ve dengeleme tankı olarak görev yapar. Hidrolik aşırı yüklemeden kaynaklanacak problemleri elimine etmek için günümüzde üretilen paket arıtma sistemlerinin bazılarında dengeleme bölümü mevcuttur. Izgara ünitesi ya ön çöktürme ile birleştirilmiş veya uzatmalı havalandırma sistemlerinde tamamen çıkartılmıştır. Büyük ölçekli sistemlerde yüzeysel havalandırıcılar, türbin havalandırıcılar ve difüzörler gibi muhtelif havalandırma sistemleri kullanılır. Küçük tesislerde ise temel hedef az bakım ve minimum işletme giderleri olduğundan, genellikle basit, geniş delikli borular, cidarlara konulan tüplere açılmış delikler gibi havalandırma mekanızmaları kullanılır. Paket arıtma sistemlerinde çöktürme tankı paket sistemin içinde bulunur. Çamur tankının etkin çalışması çıkış suyunun karakteristiklerini çok etkiler. Paket arıtma sistemlerinde çamurun etkin olarak çökeltilmesini sağlayıcı mekanizmalar bulunmadığından çamurun çeperlerden aşağı kayması için çöktürme tankı taban eğimi 50 dereceden dik tutulur. Çöktürme tankında havasız ortam oluşmaması ve havalandırma tankında belli mikroorganizma konsantrasyonu sağlamak amacıyla askıda büyüyen sistemlerde çöken çamurun bir kısmı havalandırma tankına geri devir ettirilir. Konu paket tip biyolojik arıtma ünitesi, 1987 yılında patentli olarak üretilmiş olan bir üründür fakat günümüze kadar, evsel atıksularda bulunan temel kirletici parametler için herhangi bir araştırma ve geliştirme çalışması yapılmamıştır. Bu tez çalışmasının temeli, Biopak ünitesinde, düzenli besleme ve gerekli tüm otomasyon kontrolü ile, azot başta olmak üzere evsel atıksulara ait temel kirletici parametlerin gideriminin incelenmesi ve değerlendirilmesidir. Büyük şehirler ya da yerleşim alanlarının kendine ait kanalizasyon şebekesi olmasına karşın, günümüzde hala düşük nüfuslu bölgelerin kendine ait bir kanalizasyon şebekesi bulunmamaktadır. Bu durumdan dolayıdır ki, nehir, göl, vb. temiz su rezervlerinin koruyabilmek adına, düşük nüfuslu bölgelerde de deşarj öncesi bir arıtım gerçekleştirimelidir. Kompakt biofilm sistemlerin popülaritesinin artmasındaki en büyük sebepler kolayca kurulabilmeleri ve işletilmeleri, ve ayrıca evsel atıksuların arıtılması için düşük maliyetli bir sistem olmalarıdır. Kompakt biofilm sistemler, kontrol ve bakım gereksinimlerini minimuma indirebilecek şekilde tasarlanabilirler. Konfigürasyonlarına bağlı olarak, kompakt biofilm sistemler üç ana grupta incelenebilir; batık biyolojik filtreler, döner disk elekler ve damlatmalı filtreler. Batık biyolojik filtreler ise kendi içinde, sabit yataklı, yayılmış yataklı ve akışkan yataklı olarak üç ana grupta incelenebilir. Bu çalışmanın ana konseptini temsil eden ise, entegre sabit filmli aktif çamur sistemidir. Bu sistem, en basit anlamıyla, sabit yataklı sistem ile konvensiyonel aktif çamur sisteminin bir kombinasyonudur. Bu sistemin temel amacı ise aynı aktif çamur prosesinin gerçekleştiği reaktör içerisinde ilave biyokütle sağlayarak sistemin kapasitesini ve performansını arttırmaktır. Çalışmanın bir diğer ana konsepti ise eş zamanlı nitrifikasyon - denitrifikasyon prosesidir. Genellikle, evsel atıksularda, azot giderim verimi, KOİ/TKN oranına bağlıdır. Eğer bu oran 10'dan küçük ise, ön denitrifikasyon sistemi verimli bir şekilde kullanılabilir. Eğer bu oran 10'dan küçük ise son denitrifikasyon sistemi daha verimli olacaktır. Eş zamanlı nitrifikasyon denitrifikasyon prosesinde, hem nitrifikasyon hem de denitrifikasyon prosesleri, uygun bir çamur yaşıyla, aynı anda gerçekleşmektedir. Bu iki prosesi eş zamanlı gerçekleştirebilmek için çözünmüş oksijen seviyesi düzenli bir şekilde kontrol edilmelidir. Tanımı özetlemek gerekirse, çözünmüş oksijen konsantrasyonunu düşük seviyelerde kontrol ederek ve dolayısıyla aynı reaktör içerisinde hem aerobik hem de anoksik alanların yaratılması ile gerçekleşen bir prosestir. Bu çalışmadaki gerçek zamanlı analizleri gerçekleştirebilmek adına, 100 kişi kapasiteli bir kompakt biofilm sistem kullanılmıştır. Bu ünitenin kapasitesi yaklaşık olarak 20 m3/gün'dür. Bu tip biyolojik paket tip arıtma ünitesi 2000 kişilik nüfusu karşılayabilecek kapasitelerde (yaklaşık 400 m3/gün) olarak tasarlanabilirler. Başlangıç kapasitesi 20 m3/gün olan bu sistemin kapasitesi beşer beşer arttırılarak 35 m3/gün'e kadar çıkartılmış ve böylece diğer koşullar sabit tutularak sistemin arıtma kapasitesi tesedilmiştir. Maksimum kapasitenin saptanmasının yanı sıra, 20.04. 2017 tarihi itibariyle sistemdeki çözünmüş oksijen konstantrasyonu düşük seviyelerde kontrol edilerek, eş zamanlı nitrifikasyon denitrifikasyon prosesi incelenmiştir. Tüm bu incelemeler sırasında yapılan analizlerin sonuçları ve yorumları da 'Sonuçlar ve Tartışma' kısmında detaylı olarak belirtilmiştir.