Treatment of municipal wastewater and organic waste by a pilot scale high rate activated sludge system

Sürekli artış gösteren nüfus yoğunluğu ve her geçen gün daha da büyüyen endüstriyel faaliyetler ile birlikte doğal kaynakların kullanımı ve buna bağlı olarak çevresel kirlilikler artış göstermektedir. Aktif çamur süreci yüzyılı aşkın bir süredir varlığını sürdürüyor ve yaşına rağmen bu proses için yeni teorilerin, yöntemlerin ve teknolojilerin gelişimi devam ediyor. Bu teknolojik atılımlara rağmen, aktif çamur prosesi hala çok enerji gerektiren bir süreçtir. Arıtma teknolojileri alanında dünyanın birçok yerinde çalışmalar yapılmakta, daha iyi ve daha yeni daha sürdülebilir prosesler denenmektedir. İstanbul'da artan nüfus ile birlikte su kullanımı ve atıksu miktarının ciddi seviyelere gelmesi, merkezi atıksu arıtma tesisleri için yeterli olan temininde karşılaşılan sorunlar, ön arıtma kademesinde yeterli düzeyde arıtım yapılamaması, derin deniz deşarjı ile İstanbul Boğazına verilen bu kirliliği önemli boyutlara ulaşmıştır. Bu sebeple daha küçük alanlarda istenilen deşarj standartların uygun düzeyde atıksu arıtımı ve arıtılmış suların tekrar kullanımının geliştirilmesi, ekonomik ve çevresel sürdürülebilirlik açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çalışmamın da ait iç paketi olduğu, BTS Bakanlığı'nca SANTEZ programı, desteklenen Ar-Ge projesinde öngörülen sistemin İSKİ'nin hali hazırda sadece fiziksel arıtma yapılan Baltalimanı AAT, Kadıköy AAT, Yenikapı AAT, Paşabahçe AAT, Küçüksu AAT, Üsküdar AAT'de uygulanmasıyla deşarj suyundaki kirletici yüklerinin azaltılması amaçlanmaktadır. Çalışmada Baltalimanı Atıksu Ön Arıtma Tesisi'nden alınan evsel atıksuyun mutfak öğütücülerinden geçirilmiş organik katı atıklar ile birlikte arıtılması ve enerji eldesi üzerine çalışılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında yalnızca evsel atıksu arıtımı planlanmıştır. İkinci aşamasında ise sisteme evsel atıksu ile birlikte mutfak öğütücüsünde parçalanmış organik katı atık beslemesi yapılması planlanmıştır. Pilot ölçekli tesiste yapılan denemeler ile İstanbul'da bulunan 5 büyük ön arıtma ve derin deniz deşarjı tesisinde mevcut ön arıtma proseslerinin iyileştirilmesi hedeflenmektedir. Sürdürülebilirlik söz konusu olduğunda, kirlilik azaltımından çok daha geniş bir konunun ele alındığı yeni bir döneme girdiğimizde, konvansiyonel aktif çamur proseslerinin sürdürülebilirliği sorgulanmaktadır. Bu sistemlerin enerji verimliliği oldukça düşük olmakla beraber, işletim maliyetleri oldukça yüksektir. Atıksu arıtma tesislerinin tasarımı ve işletiminde enerjisi kullanımının azaltılması, tesis verimliliğinin arttırılması ve arıtma maliyetlerinin azaltılması gibi faktörler göz önüne alınarak 'Yüksek Hızlı Aktif Çamur Prosesi' önerilmektedir. Bu sistemlerde enerjinin çoğunun, düşük çamur yaşı ile birlikte atıksuda giderilen KOİ'nin biyogaz üretimi için geri kazanılan çamurdan elde edildiği vurgulanmaktadır. Çamur havasız arıtma proseslerine substrat olarak verildiğinde organik maddedeki enerji içeriği metan gazı olarak açığa çıkar ve oluşan biyogaz enerji geri kazanımı amacıyla kullanılabilir. Bu yaklaşımdan yola çıkılarak evsel atıksulardaki organik maddenin mümkün olduğunca fazla miktarının havasız arıtma prosesleri ile giderilmesi atıksu arıtma işletme maliyetlerini düşürecek, oluşan çamur miktarını azaltacak ve enerji geri kazanımı sayesinde tesisin kendi enerji ihtiyacı karşılanabilecektir. Bu çalışmada incelenen 'Yüksek Hızlı Aktif Çamur Prosesi' ile ağırlıklı olarak adsorpsiyon mekanizmasına dayalı olarak arıtım yapılmıştır. Pilot tesisin işletilmesinde farklı hidrolik bekletme süreleri ile optimal koşullarda en iyi verime elde etmek üzere planlanmıştır. Bu şekilde belirlenecek en uygun hidrolik bekletme süresinde daha uzun süreli çalıştırılarak, pilot tesisin kararlılığı ortaya konması hedeflenmiştir. Sisteme İTÜ yemekhanesinden alınarak deneysel karakterizasyonu yapılan organik katı atıkların öğütülerek verilmek suretiyle, organik yüklemesinin arttırılması sağlanmıştır. Mutfak öğütücülerinin kanalizasyon sistemlerine bağlanması ile atıksu arıtma tesislerine ilave organik madde yükü, anaerobik çürütücülerden elde edilecek biyogaz miktarında artış sağlayacaktır. Bu suret ile A-Prosesinden çekilen çamurdan anaerobik çürütme aşamasında maksimum oranda biyometan enerjisi geri kazanımı sağlanması planlanmıştır. Elde edilen biyogaz da kojenerasyon tesislerinde elektrik enerjisine çevrilerek ülke ekonomisine katkı sağlaması düşünülmektedir. Anaerobik çürütme sonucu oluşan biyogaz iyi bir yenilenebilir enerji kaynağı olup, orta ve büyük ölçekli tesislerin çoğunda kullanılmaktadır. Dünya üzerinde birçok arıtma tesisi enerji geri kazanımlı olan bu prosesi ile birlikte işletilmektedir. Tesislerin kendi enerjilerini sağlayan çalışma prensibleri de göz önüne alınarak daha küçük alanlarda, daha iyi arıtım yapabilmek için bu sistemin Türkiye'de uygulanabilirliğiyi araştırılmıştır. Hem sistemin kirlilik yükünü azaltmak hem de çamurdan biyogaz üretimi ile enerji sağlayarak sistemin katı atık bertarafı için harcanan yüksek maliyetleri düşürmesi düşürmesi planlanmaktadır. Atıksu ilk olarak Baltalimanı Ön arıtma Tesisine ait kum tutucu çıkışından besleme tankına gönderilerek, buradan pompa yardımı ile bekletme sürelerine göre hesaplanan debi A-Reaktörüne basılmıştır. A-Reaktöründe, 130, 95 ve 60 dakikalık hidrolik bekletme sürelerinin proses üzerindeki etkisi gözlenmiştir. Daha sonra çökelme tankına alınan atıksu, çökeltme işlemi sonucunda içerisindeki partiküler maddeler çökeldiği gözlenmiştir. Çökeltme tankının dibine çöken sistemin fazla çamuru olarak adlandırdığımız partiküler maddeler ise anaerobik reaktörlerde substrat kaynağı olarak kullanılmıştır. Her bir HBS için 60 gün, toplamda 180 gün HBS seçimi için sistem işletilmiştir. Sistemin KOİ giderim 60 dakikalik bekletme süresinde %60'a ulaştığı gözlenmiştir.130, 95 ve 60 dakikalık bekletme süreleri için sırasıyla ortalama %49, %53 ve %60 oranlarında KOİ giderimi yapılmıştır. Büyük oranda fark olmasa da, A-Prosesinde daha kısa sürede daha iyi verim elde edildiği görülmüştür. Çalışmanın ikinci aşamasında eklenen organik atık kaynağında ayrıştırılarak toplanmıştır. Pilot tesiste öğütülüp atıksu ile karıştırılmıştır. Öğütücü sonrasında bulunan tank ile doğrudan A-Prosesine verilmiştir. Hem mutfak atıklarının karakterizasyonu, hem de karışımın karakterizasyonu için ölçümler yapılmıştır. Organik katı atıkların öğütülerek pilot tesise verilen atıksu karıştırılması ile birlikte sisteme verilen kirletici yükü % 1.5 3 olarak artış olduğu gözlenmiştir. Sistemi seçilen bekletme süresinde daha uzun dönem çalıştırılarak kararlılığını gözlemledikten sonra, sistem organik atık ve atıksu karışımı ile beslenmeye başlanmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda sistemin KOİ giderim veriminde çok büyük farklar olmadığı gözlenmiştir. Kirletici yükünün arttırılmasından dolayı A-Prosesinin çalışma mekanizmasında herhangi bir problem oluşturmamıştır. Bununla birlikte sistemde organik atıklarında giderilebildiği gözlenmiştir. Tez kapsamında yürütülen pilot tesis denemeleri ile İstanbuldaki halihazırda sadece ızgara ve havalandırmalı kum tutucu birimlerini içeren 5 adet fiziksel ön arıtma tesisinin yüksek yüklü biyolojik arıtma sistemine dönüştürülmesini sağlayacak temel bilimsel ve teknolojik verileri ortaya konmuştur. Çalışma sonuçları 30-60 dakikalık hidrolik bekletme sürelerinde, çözünmüş oksijen seviyesi 0,5 mg/L olacak şekilde işletilecek yüksek yüklü aktif çamur sistemi ile %50 60 KOİ, %20 25 TN ve %10 15 TP giderim verimlerinin olduğunu göstermektedir. Yüksek KOİ içerikli A-Prosesi fazla çamurunun çürütülmesinden elde edilecek biyometan enerjisi ile ön arıtma kademesinden enerji pozitif/nötr olarak işletimesi sağlanabilecektir. A-Prosesi, kum tutucu girişine eklenecek 25 30 mg/L FeCl 3 ile desteklendiğinde, KOİ, TN ve TP giderim verimleri sırasıyla %70 75, %25 30 ve %70 düzeylerine yükselmektedir. A prosesine öğütülmüş mutfak atıklarının beslenmesi ile sistemden çekilen fazla çamurun biyometan potansiyeli önemli oranda arttırılarak ayrıca organik katı atık geri dönüşümüne de önemli ölçüde katkı sağlamaktadır. Çalışmanın organik atık ile arıtımına yönelik kısımları daha kapsamlı bir şekilde araştırılmalıdır. Türkiye'deki tüketim alışkanlıkları ve hane içinde oluşan organik katı atık miktarı göz önüne alınarak sistemin kirletici yükünü ne oranda arttırabileceği hesaplanmalıdır. Kentsel atıksuların öğütülen mutfak atıkları ile birlikte, kanalizasyon sistemi üzerinde oluşturacağı hacimsel yük hesaplanmalıdır. Organik katı atıkların kanalizasyon sistemine verilmesinin A-Prosesinin arıtılabilirliği açısından herhangi problem teşkil etmediği görülmüştür. Evsel organik katı atıkların evlerde kullanabilecek mutfak tipi küçük öğütücüler yardımı ile kentsel kanalizasyon sistemine verilmesi halinde atıksu ve organik atıklar birlikte arıtılabileceği öngörülmektedir. Bu çalışma kapsamında, 1 saat gibi kısa bekletme süresinde % 60 verim elde edilebildiği, bununla birlikte anaerobik çürütücülere gönderilecek çamur karakterizasyonuna bakıldığında organik karbon yükü bakımından konvansiyonel sistemlere göre daha iyi geri kazanım sağlayacağı öngörülmüştür. Sistem 1 saat hidrolik bekletme süresi, reaktörün hacminin de çok daha küçük olacağını görülmektedir. Oksijen seviyesi 0.5 mg/l gibi sıfıra yakın tutulmaya çalışıldığından havalandırma enerjisi sadece küçük bir işletme maliyeti getirir. İşletme maliyetini düşürüp enerji kazanımı sağlayan bu proses, daha küçük alana sahip deniz deşarjı yapılan tesisler için uygun olduğu görülmektedir. Evsel atıksular yanında diğer bir büyük atık akımı da evsel organik katı atıktır. Katı atıkların toplanması ve bertarafı, atık yönetiminde karşılaşılan en büyük sorunlardan biridir. Evsel organik katı atıkları, evsel atıksular ile birlikte arıtılabilirliği ile düzenli depolama sahalarına gönderilen atık miktarının azaltılması ve arıtma maliyetlerinin düşürülmesi mümkün gözükmektedir.