Biological nutrient removal in the combined upflow sludge blanket and rotating biological contactor systems

Bu çalışmada, atıksu arıtımında konvansiyonel olarak kullanılan ünitelerden Yukarı Akışlı Çamur Yatağı reaktörü, Döner Biyolojik Disk reaktörü ve çöktürme tankı birleştirilerek birleşik sistem oluşturulmuş ve bu sistem biyolojik besi maddesi giderimine adapte edilmiştir. Söz konusu birleşik sistemin biyolojik besi maddesi gideriminde kullanılması ilk olarak bu çalışmada gerçekleştirilmiştir. Çalışmada kullanılan YAÇY reaktörü pleksiglas bir kolondan imal edilmiş olup 8.4 1 etkili sıvı hacmine sahiptir. Reaktörün tepe kısmında gaz-sıvı-katı ayırıcısı bulunmaktadır. Çalışmada kullanılan DBD reaktörü pleksiglas malzemeden yapılmış ve yatay bir şaft üzerine 2 cm aralıkla monte edilmiş atıksuyun yönüne dik olarak hareket eden birbirine paralel 20 adet diskten oluşmaktadır. Diskler 30 cm çapında ve 0.5 cm kalınlığında olup mikroorganizmaların gelişmesine elverişli toplam yüzey alanları 2.6 m2, dir. Diskler 29.5 1 hacimli bir tankta çaplarının %33'üne kadar batık halde bulunmaktadır. Çalışmada kullanılan çöktürme tankı pleksiglas bir kolondan imal edilmiş olup etkili sıvı hacmi 3.9 litredir. Söz konusu sistem sıcaklığı 20 C 1 olarak kontrol edilen bir laboratuvarda kurulmuştur. Besleme çözeltisi evsel atıksu kompozisyonunda sentetik olarak hazırlanmıştır. Besleme çözeltisinin TOK konsantrasyonu 70 mg/1, Top. N konsantrasyonu 1 9 mg/1 ve Top. P konsantrasyonu 14 mg/Fdir. Deneysel çalışmaların bazı bölümlerinde besleme çözeltisine ekstra karbon kaynağı olarak asetik asit ilave edilmiştir. Asetik asit ilave edildikten sonra besleme çözeltisinin TOK konsantrasyonu 220 mg/l'ye yükselmiştir. Birleşik sistemde besleme çözeltisi bir pompa vasıtasıyla YAÇY reaktörüne beslenmiştir. YAÇY reaktörünün çıkışı DBD reaktörü çıkışına transfer edilmiştir. DBD reaktörünün çıkışı çöktürme tankına verilmiştir. Çöktürme tankında çöken çamur bir pompa vasıtasıyla YAÇY reaktörünün girişine geri devrettirilmiştir. Çöktürme tankının süzüntüsü ise deşarj edilmiştir. Birleşik sistemde üç adet örnekleme noktası belirlenmiştir. Örneklerden birincisi besleme çözeltisi tankından, ikincisi YAÇY reaktörü çıkışından, üçüncüsü ise birleşik sistemin çıkışından olmak üzere haftada iki kere örnekleme yapılmıştır. Her üç noktadan alınan örneklerde pH, TOK, TKN, (NH4-N, NO3-N, (NO2-N, PO4-P ve Top. P parametrelerinin ölçüm ve analizi yapılmıştır. YAÇY girişinden numune alınamadığından TOK, TKN, NH4-N, NO3-N, NO2-N, PO4-P ve Top. P parametrelerinin konsantrasyonları kütle dengesi yoluyla hesaplanmıştır. DBD reaktörünün tankında çözünmüş oksijen konsantrasyonu haftada iki kere örnekleme yapılan günlerde ölçülmüştür. Birleşik sistem kararlı denge durumuna eriştiğinde DBD reaktörünün tankından ve YAÇY reaktörünün numune alma musluklarından numune alınarak AKM ve UAKM analizleri yapılmıştır. Deneysel çalışmalar üç grupta gerçekleştirilmiştir. Birinci grupta yapılan deneysel çalışmalarda çöktürme tankından YAÇY reaktörüne geri devir oranının birleşik sistemin biyolojik besi maddesi giderimine etkisi incelenmiştir. Besleme çözeltisi sentetik olarak evsel atıksu kompozisyonunda hazırlanmış ve ekstra karbon kaynağı olarak kullanılan asetik asit besleme çözeltisine ilave edilmiştir. Birinci grup deneysel çalışmalar süresince birleşik sistemin giriş atıksu debisi 37 l/gün' e ayarlanmıştır. Hidrolik kalış süresi YAÇY reaktöründe 5.4 saat, DBD reaktöründe 19.1 saat ve çöktürme tankında 2.5 saat olmuştur. Çöktürme tankından YAÇY reaktörüne geri devir debisi başlangıçta 47 l/gün' e ayarlanmış, birleşik sistem kararlı denge durumuna eriştiğinde adım adım 459 l/gün' e kadar artırılmıştır. Böylelikle geri devir oram başlangıçta 1.3 iken 12.4' e kadar artırılmıştır. Geri devir oram 1 .3'ten 12 .4'e artırıldığında, TOK giderim veriminde bir değişiklik gözlenmemiştir. Sisteme verilen sabit 8.1 g/gün TOK yükünde ve denenen tüm geri devir oranlarında TOK giderim verimi yaklaşık %95 olmuştur. TKN giderim verimi tüm geri devir oranlarında yüksek olmuştur. Birleşik sisteme verilen 0.7 g/gün sabit TKN yükünde sistemde TKN giderim verimi %96- 99 aralığında değişmiştir. YAÇY reaktöründe TKN giderimi ihmal edilecek seviyede olmuş ve TKN giderimi yalnızca DBD reaktöründe gerçekleşmiştir. Birleşik sistemde Top. N giderimi denenen tüm geri devir oranlarında yalnızca YAÇY reaktöründe gerçekleşmiştir. Geri devir oram 1 .3'ten 12 .4'e artırıldığında ve birleşik sisteme uygulanan sabit 0.7 g/gün Top. N yükünde, Top. N giderim verimi %61'den %8 1'e artmıştır. Birleşik sistemde Top. P giderimi yalnızca DBD reaktöründe gerçekleşmiştir. Geri devir oram 1 .3'ten 12 .4'e artırıldığında ve birleşik sisteme verilen 0.52 g/gün sabit Top. P yükünde, Top. P giderim verimi %18'den %39'a yükselmiştir. Birinci grupta yapılan deneysel çalışmalarda, YAÇY reaktöründe toplam AKM değerleri 89000- 100000 mg aralığında, toplam UAKM değerleri de 68000- 79000 mg aralığında değişmiştir. DBD reaktörünün tankında toplam AKM değerleri 45200- 68600 mg aralığında, toplam UAKM değerleri de 33700- 49400 mg aralığında değişmiştir. Çözünmüş oksijen konsantrasyonu DBD reaktörü tankında 4.5-5. 9 mg/1 aralığında değişmiştir. pH değerleri; besleme çözeltisinde 5.4-6. 6 aralığında, YAÇY reaktörünün çıkışında 6.4- 7 aralığında, birleşik sistemin çıkışında 6.3-7. 2 aralığında değişmiştir. İkinci grupta yapılan deneysel çalışmalarda, birinci grupta birleşik sisteme uygulanan hidrolik yükleme değerlerinden daha yüksek değerlerde birleşik sistemin biyolojik besi maddesi giderim hızı araştırılmıştır. İkinci grupta yapılan deneysel çalışmalarda kullanılan besleme çözeltisi, birinci grupta yapılan deneysel çalışmalarda kullanılan besleme çözeltisi ile aynı özellikte hazırlanmıştır. Deneysel çalışmalar sırasında birleşik sisteme verilen giriş atıksu debisi başlangıçta 37 l/gün' e ayarlanmış, birleşik sistem kararlı denge durumuna eriştiğinde adım adım 93.5 1 /gün'e artırılmıştır. Hidrolik kalış süresi YAÇY reaktöründe 5.4 saatten 2.2 saate, DBD reaktöründe 19.1 saatten 7.6 saate, çöktürme tankında 2.5 saatten 1 saate düşmüştür. Çöktürme tankının dip kısmından YAÇY reaktörüne geri devir debisi başlangıçta 307 1 /gün'e ayarlanmıştır. Söz konusu geri devir debisinde başlangıç geri devir oranı 8.3 olup bu değer birinci grupta yapılan deneysel çalışmalarda biyolojik besi maddesi giderimi açısından optimum olarak bulunan değerler arasındadır. Sisteme verilen giriş atıksu debisi kademeli olarak 93.5 1 /gün'e artırıldığında, geri devir oram 8.3 'ten 3. 9'a düşmüştür. Birleşik sisteme uygulanan TOK yükü 8.1 g/gün'den 20.6 g'gün'e artırıldığında TOK giderim verimi %96 ile %97 aralığında değişmiştir. Birleşik sistemde TOK giderimi YAÇY ve DBD reaktörlerinin her ikisinde de gözlenmiştir. Birleşik sisteme uygulanan TKN yükü 0.7 g/gün'den 1.78 g/gün'e artırıldığında, birleşik sistemde TKN giderim verimi %95 ile %98 aralığında değişmiştir. Birleşik sisteme uygulanan maksimum 1.78 g/gün TKN yükünde birleşik sistemde TKN giderim hızı 1.74 g/gün olmuş, bunun 1.24 g/gün'ü DBD reaktöründe, 0.5 g/gün'ü ise YAÇY reaktöründe gerçekleşmiştir. Birleşik sisteme uygulanan Top. N yükü 0.7 g/gün'den 1.78 g/gün'e artırıldığında birleşik sistemde Top. N giderim verimi %82'den %97'ye lineer olarak artmıştır. Top. N giderimi birleşik sisteme uygulanan 1.08 g/gün Top. N yükü değerine kadar yalnızca YAÇY reaktöründe gerçekleşmiş, daha yüksek Top. N yükü değerlerinde DBD reaktöründe de Top. N giderimi gözlenmiştir. Birleşik sistemde Top. P giderimi yalnızca DBD reaktöründe gözlenmiştir. Birleşik sisteme uygulanan Top. P yükü 0.52 g/gün'den 1.31 g/gün'e artırıldığında, sistemde Top. P giderim verimi %18'den %91'e artmıştır. İkinci grupta yapılan deneysel çalışmalarda, YAÇY reaktöründe toplam AKM değerleri 86300- 100000 mg aralığında, toplam UAKM değerleri de 66400- 75200 mg aralığında değişmiştir. DBD reaktörünün tankında toplam AKM değerleri 35600- 68200 mg aralığında, toplam UAKM değerleri de 26100- 50300 mg aralığında değişmiştir. Birleşik sisteme beslenen atıksu debisi 37 1 /gün'den 93.5 1 /gün'e artırıldığında, DBD reaktörü tankında çözünmüş oksijen konsantrasyonu 4.5-5. 5 mg/1 seviyesinden 2.9-3. 3 mg/1 seviyesine düşmüştür. pH değerleri; besleme çözeltisinde 5.4-6. 1 aralığında, YAÇY reaktörünün çıkışında 5.7-6. 8 aralığında, birleşik sistemin çıkışında 6.5-6. 9 aralığında değişmiştir. Üçüncü grupta yapılan deneysel çalışmalarda evsel atıksu özelliklerinde sentetik olarak hazırlanan besleme çözeltisine ekstra karbon kaynağı olarak asetik asit ilave edilmemiştir. Birinci ve ikinci grupta yapılan deneysel çalışmalarda birleşik sisteme uygulanan hidrolik yüklerden daha yüksek hidrolik yükleme değerlerinde birleşik sistemde biyolojik besi maddesi giderimi araştırılmıştır. XXIVBirleşik sistemin giriş atıksu debisi başlangıçta 70 l/gün olarak seçilmiş ve sistem kararlı denge durumuna eriştiğinde adım adım 260 l/gün' e artırılmıştır. Hidrolik kalış süresi; YAÇY reaktöründe 2.9 saatten 0.8 saate, DBD reaktöründe 10.1 saatten 2.7 saate, çöktürme tankında 1.3 satten 0.4 saate düşmüştür. Çöktürme tankının dip kısmından YAÇY reaktörüne geri devir oram olarak, ikinci grupta yapılan deneysel çalışmalarda optimum biyolojik besi maddesi giderimi sonuçlarının elde edildiği 3.9 değerine çok yakın bir değer olan 3.2 değeri seçilmiştir. Birleşik sisteme verilen giriş atıksu debisi kademeli olarak 70 l/gün' den 260 l/gün' e artırıldığında, geri devir oram 3 .2'den 1 .4'e düşmüştür. Birleşik sisteme uygulanan TOK yükü 4.9 g/gün'den 18.2 g/gün'e artırıldığında birleşik sistemde TOK giderim verimi oldukça yüksek olmuş ve %87 ile %93 aralığında değişmiştir. Birleşik sisteme uygulanan 18.2 g/gün maksimum TOK yükünde, birleşik sistemde TOK giderim hızı 16.4 g/gün olmuş, bunun 12.9 g/gün'ü YAÇY reaktöründe, 3.5 g/gün'ü ise DBD reaktöründe gerçekleşmiştir. Birleşik sistemde TKN giderim verimi birleşik sisteme uygulanan 3.4 g/gün TKN yüküne kadar oldukça yüksek olmuş ve %95- 98 aralığında değişmiştir. 3.4 g/gün'den daha yüksek TKN yükü değerlerinde TKN giderim veriminde bir azalma gözlenmiş, 4.94 g/gün maksimum TKN yükünde birleşik sistemde TKN giderim verimi %88'e düşmüştür. Birleşik sisteme uygulanan maksimum 4.94 g/gün TKN yükünde, birleşik sistemde 4.37 g/gün olan TKN giderim hızının 0.45 g/gün'ü YAÇY reaktöründe, 3.92 g/gün'ü ise DBD reaktöründe gerçekleşmiştir. Birleşik sisteme uygulanan Top. N yükü 1.33 g/gün'den 4.94 g/gün'e artırıldığında Top. N giderim verimi %68'den %53'e azalmıştır. Birleşik sisteme verilen maksimum 4.9 g/gün Top. N yükünde birleşik sistemde Top. N giderim hızı 2.6 g/gün olmuş, bunun 2.1 g/gün'ü YAÇY reaktöründe, 0.5 g/gün'ü ise DBD reaktöründe gerçekleşmiştir. Birleşik sisteme uygulanan 3 g/gün Top. P değerine kadar birleşik sistemde Top. P giderim hızı 0.39 g/gün ile 0.69 g/gün aralığında değişmiştir. 3 g/gün'den daha yüksek Top. P yükü değerlerinde Top. P giderim hızı hızla azalmıştır. Öte yandan birleşik sisteme verilen Top. P yükü 1 g/gün'den 3.6 g/gün'e artırıldığında Top. P giderim verimi %51'den %1'e sürekli olarak azalmıştır. Üçüncü grupta yapılan deneysel çalışmalarda, YAÇY reaktöründe toplam AKM değerleri 62900- 83900 mg aralığında, toplam UAKM değerleri de 49600- 66000 mg aralığında değişmiştir. DBD reaktörünün tankında toplam AKM değerleri 40900- 77000 mg aralığında, toplam UAKM değerleri de 30000- 56500 mg aralığında değişmiştir. Birleşik sisteme beslenen atıksu debisi 70 1 /gün'den 260 1 /gün'e artırıldığında, DBD reaktörü tankında çözünmüş oksijen konsantrasyonu 6.2-7. 1 mg/1 seviyesinden 3.5-4. 1 mg/1 seviyesine düşmüştür. pH değerleri; besleme çözeltisinde 6-7. 4 aralığında, YAÇY reaktörünün çıkışında 6.6-7. 4 aralığında, birleşik sistemin çıkışında 7-7. 6 aralığında değişmiştir. Bu çalışmadan elde edilen temel sonuçlar aşağıda verilmektedir;. Her üç grupta yapılan deneysel çalışmalarda, birleşik sisteme uygulanan tüm işletme şartlarında birleşik sistemde TOK ve TKN giderim verimleri oldukça XXVyüksek olmuştur. Top. N ve Top. P giderim verimleri ise işletme şartlarından etkilenmiştir.. Birleşik sistemde bulunan YAÇY, DBD ve çöktürme ünitelerindeki hidrolik kalma zamanının toplamı olan toplam hidrolik kalma zamanının biyolojik besi maddesi gideriminde önemli bir parametre olduğu bulunmuştur. Birleşik sistemde etkin bir besi maddesi giderimi için geri devir oranının seçiminin de THKZ ile yakın ilişkili olduğu görülmüştür. Birinci grupta yapılan deneysel çalışmalarda, 27 saat sabit THKZ'nda maksimum Top. N ve Top. P giderim verimleri 6 ile 12.4 geri devir oranlan arasında sırasıyla %84 ve %39 olarak elde edilmiştir. İkinci grupta yapılan deneysel çalışmalarda, THKZ 27 saatten 11 saate düştüğünde, geri devir oram da 8 .3'ten 3 .9'a düşmüş, Top. N giderim verimi %84'ten %97'ye, Top. P giderim verimi de %39'dan %91'e artmıştır.. THKZ'nın yam sıra, besleme çözeltisindeki TOC/N/P oranlarının da birleşik sistemde biyolojik besi maddesi giderimi için önemli bir parametre olduğu görülmüştür. Besleme çözeltisindeki TOC/N/P oranlan ikinci grup deneysel çalışmalarda 15 .7/1.3/1, üçüncü grup deneysel çalışmalarda ise 5/1.3/ 1 olmuştur. Optimum geri devir oranlan ve THKZ'lan ikinci grupta 3.9 ve 11 saat, üçüncü grupta ise 3.2 ve 14 saat olarak bulunmuştur. Ancak Top. N ve Top. P giderim verimleri ikinci grupta yapılan deneysel çalışmalarda sırasıyla %97 ve %68, ve üçüncü grupta yapılan deneysel çalışmalarda sırasıyla %91 ve %51 olarak bulunmuştur. Birleşik sistemde yüksek besi maddesi giderim verimlerinin elde edilmesi sebebiyle, birleşik sistemin geliştirilmek üzere pilot ölçekte ve arazi şartlarında tekrar denenmesinin uygun olacağı sonucuna vanlmıştır. XXVI