Modelling of modified activated sludge systems for excess sludge reduction

Günümüzde gerek evsel gerekse endüstriyel atıksuların arıtılmasında en yaygın kullanılan biyolojik arıtma sistemi, aktif çamur prosesidir. Aktif çamur prosesi, keşfinden bugüne kadar birçok değişikliğe uğramış ve belirli karakterdeki atıksular için modifiye edilerek kullanılmıştır. Aktif çamur prosesinde atıksu içerisindeki organik maddenin bir kısmı, su ve karbondioksite dönüştürülerek ortamdan uzaklaştırılırken bir kısmı da 'çamur' adı verilen bir yan ürüne dönüşmektedir. Oluşan bu çamurun içerisindeki yüksek organik madde ve su içeriği nedeniyle doğrudan uzaklaştırılması mümkün değildir, arıtılması ve bertaraf edilmesi zorunludur. Çamur arıtımı ve bertarafı, çevresel yükümlülüklere uygun olarak gerçekleştirilmesi gereken yüksek maliyetli bir işlemdir. Biyolojik arıtma sistemlerinde çamur arıtma ve bertaraf maliyeti toplam işletme giderlerinin yaklaşık %50-60'ını oluşturmaktadır. Çamur miktarı aktif çamur sisteminin konfigürasyonu ve çamur bekletme süresi ile ilişkilidir. Genel olarak uygulanan çamur arıtma prosedürü çamurun aktif çamur sistemi çıkışında toplanarak yoğunlaştırma işlemi ile su miktarının azaltılması, sonrasında organik madde içeriğini azaltmak üzere stabilizasyon işleminin uygulanması ve susuzlaştırma işleminden geçirilerek nihai uzaklaştırma alternatiflerinden birine uygun hale getirmektir. Stabilizasyon aerobik veya anaerobik koşullarda yapılabilmektedir. Bu uygulama ayrı ya da proses sonrası çamur arıtımı olarak nitelendirilmektedir. Çamur miktarının işletme giderlerini çok arttırmadan proses içerisinde azaltılmasına yönelik teknolojik yaklaşımların kullanımı operasyonel açıdan büyük önem taşımaktadır. Küçük aktif çamur sistemlerinde çamur stabilizasyonunun havalandırma havuzu içerisinde yapılması bu yaklaşımın basit bir uygulamasıdır. Geçmişte, kontakt stabilizasyon, günümüzde ise oksik-çöktürme-anaerobik sistemler proses içi çamur arıtımı ve bertarafına yönelik olarak kullanılan sistemlerin başlıcalarıdır. Bu sistemlerde, özellikle çamur arıtımının proses dışı yapıldığı aktif çamur sistemlerinden farklı olarak, aynı hacim içerisinde çamur stabilizasyonu sağlanarak hem sistemin daha verimli çalışması sağlanır hem de daha az çamur üretimi sağlanır. Bu tez çalışması ile proses içi çamur stabilizasyonunun çamur oluşumuna etkisinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda evsel nitelikli atıksu ile beslenen oksik-çöktürme-anaerobik ve kontakt stabilizasyon sistemleri, AQUASIM yazılımı kullanılmak suretiyle günümüz modern çevre biyoteknolojisi modelleme yaklaşımı çerçevesinde değerlendirilmiştir. Oksik-çöktürme-anaerobik sistemi konvansiyonel aktif çamur sisteminin bir modifikasyonudur. Atıksu öncelikle bir aerobik tankta havalandırılmakta ve sonrasında çöktürülmektedir. OÇA prosesinde çöktürme tankının üst fazı sistemden deşarj edilirken, çöken çamurun bir kısmı doğrudan aktif çamur sistemi geri devrini oluşturmak üzere havalandırma tankına geri devrettirilmekte, kalan kısmı da anaerobik stabilizasyona tabi tutulmaktadır. Anaerobik stabilizasyon havuzunda stabilize olan çamur ise yeniden havalandırma tankına beslenmektedir. OÇA sistemi çamur çıkışı olmayan bir sistem olarak işletilmektedir. Modelleme yaklaşımında aerobik olarak işletilen aktif çamur sisteminde oluşan çamurun stabilize edildiği anaerobik stabilizasyon sistemi kapsam dışında tutulmuş, bu sistemin çıkışından yapılan biyokütle geri devri aerobik reaktöre temsili aktif biyokütle girişi ile gösterilmiştir. Kontakt stabilizasyon hızlı işletilen aktif çamur sisteminin bir modifikasyonudur. Atıksu ilk olarak çok kısa süreli havalandırılan kontakt reaktörüne beslenmekte, daha sonra çöktürme tankına gönderilmektedir. Çöktürme tankının üst fazı sistemi terk ederken, çöken çamur yeniden havalandırılmak üzere stabilizasyon reaktörüne devrettirilmektedir. Burada stabilize edilen çamur yeniden kontakt reaktörüne geri beslenmektedir. Kontakt stabilizasyon prosesinin temel prensibi kontakt reaktöründe hızlı bir biyolojik arıtma ve adsorpsiyonun gerçekleşmesi, partiküler organik madde ve oluşan çamurun aerobik stabilizasyon reaktöründe giderilerek toplam çamur miktarının sistem bütününde azaltılmasının sağlanmasıdır. Bu çalışma kapsamında konvansiyonel aktif çamur sistemi, oksik-çöktürme-anaerobik prosesi ve kontakt stabilizasyon prosesleri modelleme yaklaşımı çerçevesinde değerlendirilmiştir. Modelleme çalışmaları, belirtilen bu üç sistem için 6, 8, 10, 12 ve 15 gün çamur bekletme süreleri kullanılarak yürütülmüş, ve bu sistemler çamur üretimi açısından değerlendirilmiştir. Konvansiyonel aktif çamur sistemi, çamur üretimi açısından karşılaştırma yapmak amacıyla incelenmiştir. Bu sistem 3350 m3 ve 2100 m3 olmak üzere iki farklı hacimde, hidrolik bekletme süreleri 8 saat ve 5 saat olacak şekilde çalıştırılmıştır. 8 saat, günümüzde bu sistem için yaygın olarak kullanılan hidrolik bekletme süresini yansıtırken, 5 saatlik hidrolik bekletme süresi sistemin limitasyonlarını görebilmek amacıyla kullanılmıştır. Gerekli geri devir ve atık çamur debisi her çamur yaşına uygun olarak hesaplanmıştır. Konvansiyonel sistemden beklendiği üzere, çamur yaşının 6 günden 15 güne çıkması ile toplam çamur üretimi büyük bir ölçüde azalmıştır. Çamur yaşı 15 gün ile çalışan sistemin çamur üretimi en düşük seviyede olup, uzun havalandırmalı aktif çamur sistemine benzer şekilde çalıştığı saptanmıştır. Çamur yaşının 15 güne kadar çıkması, içsel solunum oranının baskın olmasından kaynaklanan en az çamur üretimini göstermektedir. OÇA prosesinde çamur üretimi iki parametre ile değerlendirilmiştir: Bunlar çamur yaşı ve sistemin girişine beslenen aktif biyokütledir. OÇA prosesi, bu tez çalışması kapsamında konvansiyonel aktif çamur sisteminin prensipleri doğrultusunda modelleme için basitleştirilmiş, sistemin giriş akımına yapılan aktif biyokütle beslemesi ile değerlendirilmiştir. Bu basitleştirme, OÇA prosesinden çıkan fazla çamurun başka bir yerde stabilize olarak sistemin girişine geri döndüğü kabulüne dayanmaktadır. Bu sistem, hidrolik bekletme süresi 8 saat olan, 3350 m3 reaktör hacmi kullanılarak tasarlanmıştır. 6 ile 15 gün arasında değişen çamur yaşları için, sistemin girişine 50, 100, 150 ve 200 gr KOİ/m 3 aktif biyokütle girişi yapılmış, üretilen çamur miktarları incelenmiştir. Değişen çamur yaşlarına uygun olarak geri devir ve atık çamur debileri belirlenmiştir. OÇA sisteminin modelleme sonuçlarına göre, sisteme 200 gr hücre KOİ/m 3 aktif biyokütle girişi ile çamur yaşı 8 gün ve sonrasında net çamur oluşumu negatif değerler almıştır. Sistemde biriken biyokütle sonucunda, içsel solunum seviyesinin çoğalma seviyesi ile karşılaştırıldığında büyük oranda artış gösterdiği saptanmıştır. Aynı etki, 150 gr hücre KOİ/m 3 aktif biyokütle girişi ile çamur yaşı 10 gün ve sonrasında da sistem performansına yansıyarak, net çamur oluşumunun negatife düşmesine neden olmuştur. OÇA sistemi konvansiyonel sistem ile karşılaştırıldığında, toplam çamur üretimin önemli oranda azaldığı saptanmıştır. Çamur yaşının 6 günden 15 güne kadar çıkması ile sistemin girişine yapılan 50 ile 200 gr hücre KOİ/m 3 aktif biyokütle beslemesi, toplam çamur oluşumun önemli ölçüde azalmasına hatta net üretimin negatife düşmesine sebep olmuştur. KS sistemi; çok küçük bir hacimde çok kısa bir hidrolik bekletme süresine sahip, sadece çözünebilir substratın giderildiği bir kontakt tank ve çamur azaltımındaki olası etkilerini incelemek üzere geri devir hattında bulunan bir satbilizasyon tankından oluşmaktadır. Öncelikle, konsanviyonel sistemle işletme koşulları açısından karşılaştırma yapabilmek amacıyla higrolik bekletme süresi, 45 dakikası kontakt tanka ait olmak üzere toplam 8 saat olarak seçilmiştir. Reaktör hacimleri 300 m3 kontakt ve 3000 m3 stabilizasyon tankı olmak üzere toplam 3300 m3 olarak belirlenmiştir. İkinci modelleme, sistemin çamur üretim performansındaki değişkliği görmek üzere hidrolik bekletme süresi 5 saate indirilerek yapılmıştır. Toplam hidrolik bekletme süresi 30 dakika ve 4.5 saat olacak şekilde sırasıyla kontakt ve stabilizasyon tanklarına dağıtılmıştır. Öncelikle iki farklı hidrolik bekletme ile KS prosesi çamur üretimi açısından karşılaştırılmıştır. Daha sonra, her iki KS konfigürasyonu çamur azalma oranının değerlendirilmesi amacıyla konvansiyonel sistem ile karşılaştırılmıştır. Toplam hidrolik bekletme süreleri 5 saat ve 8 saat olan KS prosesi, çamur üretimi bakımından 8 saatlik hidrolik bekletmeye sahip konvansiyonel sistem ile karşılaştırılmıştır. Değerlendirmede, reaktörde üretilen kütlenin klasik çöktürme tankında çökelemeyeceği öngörülerek 5 saat hidrolik bekletmeli konvansiyonel sistem dikkate alınmamıştır. Toplam çamur üretimi, başka bir deyişle çamur arıtma tesisinde daha fazla arıtılması gereken fazla çamur, 8 saatlik konvansiyonel sistem ile 8 saatlik ve 5 saatlik kontakt stabilizasyon sistemine göre yaklaşık olarak aynı oranda bulunmuştur. Konvansiyonel ve kontakt stabilizasyon sistemlerinde çoğunlukla aynı çamur miktarının bulunmasının nedeni, kontakt stabilizasyonda azaltılmış hacimde konsantrasyonun artması nedeniyle üretilen çamur miktarının aynı olmasıdır. Yani, hidrolik bekletme süresinin azaltılması, daha düşük hacimde partiküler maddenin daha konsantre olmasıyla, aynı miktarda çamurun üretilmesine neden olmuştur. Gelecekte yapılacak çalışmalara öneri olarak, çamurun azaltımı yapan için aktif çamur sistemlerinin modifikasyonları, modelleme çalışmaları ile birlikte deneysel çalışmalarla desteklenebilir/geliştirilebilir.