Atıksu arıtma tesislerinde enerji verimliliğinin incelenmesi

Dünya genelinde hızla artan nüfus, gelişen teknoloji ve ekonomik göstergeler paralelinde artan enerji ihtiyacını da göz önüne koymaktadır. Enerji ihtiyacının büyük bir kısmı fosil yakıtlardan karşılanırken alternatif enerji kaynaklarının kullanımı da günümüzde yaygın hale gelmiştir. Doğal kaynakların kullanıma bağlı olarak azalması ve çevre kirliliğinin artmasıyla yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı ile temiz ve sürdürülebilir enerji politikalarının geliştirilmesi önem kazanmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında önemli bir yere sahip olan biyokütleden enerji üretimi günümüzde artarak değer kazanan kaynaklardan birisidir. Biyokütleden enerji elde etme potansiyeli yüksek olan atıksu arıtma tesislerinde biyokütlenin anaerobik reaktörlerde çürütülmesi ile tesis kapasitesi ve atıksuyun kirlilik yüküne bağlı olarak önemli miktarda enerji üretimi söz konusudur. Bu durum, arıtma prosesi sonucu oluşan çamurun çürütülmesi ile tesiste tüketilen enerjinin bir kısmının geri kazanılacağı anlamı taşımaktadır. Dünya genelinde enerjinin ~ % 0 ,1-0,4'ünün atıksu arıtımında kullanılmaktadır ve nütrient giderimi gerçekleşen bir atıksu arıtma tesisinde yıllık enerji ihtiyacı 0,003-0, 015 kW/kişi olarak değişmektedir. Artan nüfus, deşarj standartlarındaki yeni düzenlemeler ve atıksu arıtımı için gerekli alt yapının kullanıma bağlı olarak ömrünün azalması sonucu enerji kullanımının artacağı beklenmektedir. Bu nedenle evsel atıksu arıtma tesislerinde atıksuların enerji geri kazanım potansiyelleri ve tesisin kendi enerji ihtiyacını katşılayabilmesi konusu önemini arttırmaktadır. Arıtılmamış evsel atıksuların enerji içeriklerinin, arıtma için gerekli enerjinin oldukça üzerinde olduğu bilinmektedir. Arıtma tesisine gelen atıksu bünyesindeki organik maddelerin enerji içeriği, ham atıksuyun KOİ cinsinden kirlilik yüküne göre değişir. Atıksuların aerobik arıtımında önemli miktarlarda enerji tüketimi söz konusudur ve yüksek oranda çamur üretimi gerçekleşmektedir. Anaerobik arıtma prosesinde ise çamur üretimi aerobik proseslere göre oldukça düşük olup, atıksuyun/çamurun enerji içeriğinin büyük kısmının metana dönüşümü sağlanır. Bu nedenle anaerobik arıtma prosesi iyi bir yenilenebilir enerji kaynağı olarak orta ve büyük ölçekli tesislerin çoğunda kullanılmaktadır. Son yıllarda, anaerobik çamur çürütmenin 10.000 EN ve üzerindeki biyolojik arıtma tesislerinde de etkin kullanımı söz konusudur. Bu çalışmada Kocaeli Büyükşehir Belediyesine bağlı evsel nitelikli atıksu arıtma tesisleri incelenmiş olup bunların enerji potansiyelleri hesaplanmıştır. İncelenen atıksu arıtma tesislerinde çürütücü olması durumunda enerji üretme ve kendi enerjisini ne oranda karşılama potansiyeline sahip olduğu üzerinde bir yaklaşım geliştirilmiştir. Bu amaçla Kocaeli Büyükşehir Belediyesine ait 5 evsel atıksu arıtma tesisinden 2013 yılına ait giriş ve çıkış verileri alınarak ortalama olarak debi, KOİ, BOİ, AKM, TKN ve TP aralıkları belirlenmiştir. Çalışmanın ilk bölümlerinde literatür araştırmasına yer verilmiş olup, 1. Bölümde Türkiye'de evsel atıksu arıtımının durumu ve bununla ilgili yasal çerçeve bulunmaktadır. Türkiye'de bulunan atıksu arıtma tesislerinin sayı ve proseslerine göre dağılımları verilmiştir. Tezde incelenen tesisler Türkiye'de bulunan AAT'lerin % 53'ini oluşturan biyolojik arıtma yapan tesislerdir. Bu bölümde Türkiye'de enerji verimliliği ile ilgili teşvikler ve yasal mevzuatlar da yer almaktadır. Çalışmanın ikinci kısmında atıksu arıtma tesisleri ve enerji kullanımlarına genel bakış, Dünya'da ve Türkiye'de bulunan atıksu arıtma tesislerinde enerji kullanımına ait mevcut durum, Türkiye'de bulunan atıksu arıtma tesisleri ile bunların kapasiteleri ve enerji dağılımlarından bahsedilmiştir. Yine bu bölümde atıksu arıtma tesislerinde enerji yoğun üniteler incelenerek proses bazlı enerji dağılımları verilmiştir. Çalışmanın üçüncü bölümü dünya genelinde bulunan atıksu arıtma tesislerinde enerji optimizasyonuna yönelik yapılan uygulamaları içermektedir. Tesislerin biyogaz verimlerinin dolayısıyla enerji üretiminin arttırılması için uygun çamur yönetiminin yapılması ile ilgili literatürde yer alan bazı bilgiler verilmiştir. Atıksu arıtma tesislerinde uygulamaya alınan enerji yönetim planlarının temel amacı arıtma performansından ödün vermeksizin enerji giderlerinin azaltılmasıdır. Çalışmanın dördüncü bölümünde atıksu arıtma tesislerinde enerji optimizasyonuna yönelik çeşitli uygulamalar anlatılmaktadır. AAT'lerde enerji optimizasyonuna yönelik kullanılan en yaygın yöntem arıtma çamurlarının anaerobik çürütülmesidir. Anaerobik çürütme işleminde çamur stabilizasyonu söz konusudur. Aynı zamanda organik madde içeriğinin azaltılması ile biyokatıya dönüşümü ve son ürün olan biyogazın bünyesindeki metanın enerji elde edilmesi bu prosesin en önemli avantajlarındandır. Anaerobik çürüme prosesinin oldukça yavaş bir süreç olması ve çürüme sonrasında organik maddelerin tümüyle parçalanamaması nedeniyle tam stabilizasyonun sağlanamaması ve elde edilen biyogaz miktarının az olması araştırmacıları anaerobik çürümeyi hızlandıracak ve stabilizasyon derecesini artırmayı sağlayacak yeni yöntemler geliştirmeye yöneltmiştir. Biyogaz verimini arttırmaya yönelik çeşitli yöntemler de yine bu bölümde verilmiştir. Enerji optimizasyonuna yönelik diğer bir uygulama olan evsel organik katı atıkların arıtma çamurları ile anaerobik arıtımı, yüksek miktarlarda üretilen katı atık ve arıtma çamurlarının entegre biçimde yönetimini sağlamaktadır. Tesislerde uygulanan bir diğer enerji optimizasyonu uygulaması da anaerobik çürütücü yan akımlarının arıtılmasıdır. Atıksu arıtma tesislerinde çamur işleme ünitelerinden çıkacak azot ve fosfor bakımından zengin suları tesise ilave yük getirmektedir. Bu akımlar ile tesis başına dönen toplam azot, tesisin günlük azot yükünün %10 30'unu oluşturmaktadır. Bu ilave azot yükünün tesis işletme maliyetini olumsuz yönde etkilemesi sonucu son yıllarda yan akımlardan gelen azot yükünün azaltmak amacıyla yeni biyolojik prosesler geliştirilmiştir. Bunlardan en yaygın uygulanan iki proses SHARON ve SHARON/Anammox sistemleri Bölüm 4'te kısaca anlatılmaktadır. Tez kapsamında incelenen tesisler ve tesis bilgileri tezin materyal ve metod kısmında yer almaktadır. Tesislerden alınan dizayn parametreleri ve tesis işletim verileri bu bölümde verilmiştir. Yine bu bölümde tez kapsamında izlenen yol ve yapılan çalışmalar anlatılmıştır. Bu çalışmada tesislerin dizayn standartı olan ATV 131 E modeli esas alınarak hesaplamalar yapılmıştır. Tezin Sonuç ve Bulgular bölümünde seçilen tesislere ait hesaplamalar verilmiş ve bunlarla ilgili değerlendirmeler yapılmıştır. Tesiste bulunan ünitelerin enerjileri hesaplanmış ve enerji dağılım oranları tesis bazında verilmiştir. Bu bölümde tesislerde anaerobik çamur çürütücü olması durumunda metan üretim potansiyeli ve tesisin enerji geri kazanma potansiyelleri incelenmiştir. Tüm bu bilgiler ışığında, tesislerin enerji geri kazanım yaklaşımı tesis bazında değerlendirilmiş olup tesis enerji tüketimleri arıtılan atıksu miktarı ve eşdeğer nüfus bazında karşılaştırılmıştır. Diğer birçok ülkede olduğu gibi ülkemizde de biyokütle enerjisinin değerlendirilmesi sürdürülebilir enerji politikalarının oluşturulmasında önemli getiriler sağlayacaktır.