Aktif çamur sistemlerinde çamur yaşının sistem kinetiğine ve biyolojik arıtılabilirliğine olan etkisinin belirlenmesi

Aktif çamur sistemleri 100 yılı aşkın bir süredir biyolojik arıtmanın temelini oluşturmakta ve hala dünya genelinde atıksu arıtımında en yaygın kullanılan prosesolma özelliğini korumaktadır. Atıksu arıtma tesislerinin tasarımında ya da mevcut atıksu arıtma tesislerinin optimizasyonu esnasında, aktif çamurun içerdiğimikroorganizma topluluklarının çoğalma, hidroliz ve ölüm gibi biyokimyasalfaaliyetlerinin iyi tanımlanması, sistem kinetiğinin ve tasarım parametrelerinin gerçek durumu en iyi yansıtacak şekilde belirlenmesi, arıtma performansı ve işletme ve bakım maliyetlerinin minimum düzeyde tutulması açısından büyük önem taşımaktadır. Günümüzde laboratuvar ölçekli deneysel çalışmalar, model bazlı simülasyon çalışmaları ile desteklenerek aktif çamur sistemlerinin kinetiği belirlenmekte ve arıtma tesisleri bu model sonuçları baz alınarak elde edilen kinetik ve stokiyometrik katsayılar kullanılarak tasarlanmaktadır. Mevcut tesisler üzerinde ise yine bu çalışmalardan elde edilen sonuçlar kullanılarak revizyonlar gerçekleştirilmektedir. Bu bağlamda; yeni yapılacak arıtma tesisleri için doğru tasarımın yapılabilmesi ya da mevcut tesislerdeyapılacak olan revizyonların doğru belirlenebilmesi için yalnızca sistem kinetiği değil, değişken atıksu karakteri ve tasarım parametrelerine göre değişiklik gösterecek olan kütle dengeleri de göz önünde bulundurularak tüm tesisin bütünsel bazda incelenmesiçalışmalarda en doğru sonuçları vermektedir. Oksijen tüketim hızı profillerikullanılarak çoğalma ve hidroliz parametrelerinin belirlenmesi literatürde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak aktif çamur reaktöründe biriken yavaş ayrışan organik madde, başlangıç oksijen tüketim hızı seviyelerini yükseltmekte, aktif biyokütlenindolayısı ile kinetik katsayıların belirlenmesini zorlaştırmaktadır. Bu nedenle, respirometrik bazlı modelleme çalışmaları yapılırken tesiste biriken organik madde konsantrasyonu da dikkate alınmalı, elde edilen kinetik katsayılarla ana sisteminsimülasyonu da paralel olarak yürütülmelidir. Bu yaklaşımla parametre tahminindeçok büyük etkisi olan aktif biyokütle konsantrasyonu da elde edilebilmektedir. Gerçekçi bir biyokütle kompozisyonu ancak bu şekilde gerçekleştirilen bütünselinceleme ile elde edilebilmektedir. Söz konusu bütünsel modelleme yaklaşımı ile giriş ve çıkış akımlarının karakteristiği dinamik olarak belirlenebildiğinden, tesisin işletme ve kontrol parametrelerinin takibi yapılabilmekte ve bu sayede sistem optimizasyonugerçekleştirilerek işletme maliyetleri minimum düzeyde tutulabilmektedir. Bu çalışma kapsamında; aynı giriş akımı ile iki farklı çamur yaşında işletilen gerçek ölçekli atıksu arıtma tesisinden alınan numuneler ile laboratuvar çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Farklı çamur yaşlarına sahip biyokütleler kullanılarak KOİ bileşenleri ve respirometrik çalışmalar ile sistemlerin kinetikleri belirlenmiştir. Elde edilen kinetik katsayılar ve tesisten temin edilen performans verileri kullanılarak, model kalibrasyonu aşamasında mevcut sistemlerin modelleme çalışmasınaentegrasyonu sağlanmış, kararlı durumda gerçek tesisin hem çamur hem de çıkış atıksubileşenleri belirlenmiştir. Bu sayede, yapılan konvansiyonel ve respirometrik ölçümler kullanılarak gerçekleştirilen modelleme çalışmaları ile iki farklı çamur yaşında işletilen bir kentsel atıksu arıtma tesisi bütünsel bazda incelenmiştir. Yapılan çalışmada çamur yaşı 3 gün olan sistem için maksimum heterotrofik çoğalma hızı, ? , 6 gün- 1 olarak belirlenmişken, çamur yaşı 9 gün olan sistem için bu değer 3,7gün- 1 olarak belirlenmiştir. Literatür verileri ile uyumlu olan bu sonuçtan da anlaşılabileceği üzere aktif çamur sistemlerinde çoğalma hızı çamur yaşının artışı iledüşmektedir. Atıksu arıtma tesisinin bütünsel incelemesi sonucunda, yavaş ayrışan organik madde için hidroliz hızı, yalnızca karbon giderimine çalışan ( X= 3 gün) sistem için 1,5gün- 1 olarak belirlenmişken, çamur yaşı 9 gün olan sistemde hidroliz hızı 2,5 gün- 1 olarak belirlenmiştir. SUMO Wastewater Process Simulator yazılımı ile yapılan modelleme çalışmaları sonucunda karbon giderimi yapan tesisin biyolojik çamurunda yavaş ayrışan KOİ'nin birikimi %16, 6 olarak belirlenmiştir. Aynı birikim karbon giderimi ile birliktebesi maddesi giderimi de yapmakta olan tesisin biyolojik çamurunda %4,1 olarak belirlenmiştir. Kütle dengeleri kullanılarak yapılan hesaplamalara göre, çamur yaşı 3 gün olansistemde, giriş atıksuyunda bulunan yavaş ayrışan KOİ'nin %84'ü giderilirken, %16'sıçamurda birikmektedir. Aynı şekilde çamur yaşı 9 gün olan sistem için bu hesaplaryapıldığında ise giderilen yavaş ayrışan KOİ oranı %96, çamurda biriken ise %4 olarak belirlenmiştir. Bu bağlamda; çamur yaşının artışı ile hidroliz kinetiğinin hızlandığı ve yavaş ayrışan organik maddenin giderim veriminin yüksek çamur yaşında işletilen sistemlerde daha yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Dolayısı ile düşük çamur yaşında işletilen aktif çamur sistemlerinde, yavaş ayrışan organik madde, biyolojik çamur içerisinde birikerek sistemden fazla çamur ile atılmaktadır. Bu sebeple, özellikle düşük çamur yaşında işletilen sistemlerde gerçekleşen yavaş ayrışan organik madde birikimi, aktif çamur sistemlerinde toplam çamur içerisinde mevcut aktif heterotrofik biyokütleninbelirlenmesinde sıkıntı yaratmaktadır. Bu tez kapsamında; birinci ve ikinci bölümde çalışmanın önemi ve amacı hakkında bilgi verilerek yapılan çalışmanın kapsamı anlatılmıştır. Üçüncü bölümde çalışmanın esasını oluşturan kinetik modeller ve bu modellere ait matematiksel ifadelere yer verilmiştir. Ayrıca literatürde yer alan konu ile ilgili çalışmalar özetlenmiştir. Dördüncü bölümde ise deneysel çalışmalarda ve modelleme çalışmalarında kullanılan materyal ve yöntem detayları verilmiştir. Son olarak, beşinci bölümde yapılan çalışmaların sonuçları açıklanmış ve altıncı bölümde bu sonuçlar değerlendirilmiştir.