Kentsel atıksu arıtma tesisi anaerobik çamur çürütücülerinin dinamik proses modelleme yaklaşımı ile analizi

Atıksu arıtma tesislerinde arıtım prosesi sonucunda meydana gelen biyokütle yani atık olarak tabir edilen bu arıtma çamurları, çamurun karakterizasyonuna uygun olan stabilizasyon işlemleri vasıtasıyla çevre ve insan sağlığı açısından gerekli kriterleri sağladıktan sonra nihai olarak bertaraf edilmesi gerekmektedir. Atıksu arıtma tesislerinde ortaya çıkan bu arıtma çamurları için düzenli depolama veya yakma gibi opsiyonlar kullanılarak çamur bertarafı gerçekleştirilir. Ancak bertaraf işlemine geçmeden önce çamurun kalorifik değeri ve karbon içeriğinin zengin olduğu göz önünde bulundurulduğunda, bu arıtma çamurlarından enerji elde etmek en avantajlı seçeneklerden biridir. Anaerobik prosesin arıtma sistemlerinde uygulanması kirlilik yükü yüksek olan evsel ve endüstriyel atıksuların arıtımında ve atık çamurlarının stabilizasyon işlemlerinde kullanılan bir uygulamadır. Anaerobik çürütme ekonomik bir biyoproses olarak atıksuyun veya atığın içindeki organik maddeleri bir takım mikroorganizma faaliyetleri sonucunda biyogaz ürünü meydana getirmekle kalmayıp yenilenebilir enerji üretimi ve kirlilik kontrolünde nutrientlerin geri çevrimi, sera gazı emisyonlarının azaltımı hususunda da önemli bir rol oynamaktadır. Anaerobik çürütme ile üretilen biyogazın metan içeriğinin artırılarak kalitesi de orantılı olarak artar. Ancak biyogazın içinde karbondioksit, hidrojen sülfür, azot, partiküler maddeler ve su buharı da bulunmaktadır. Anaerobik çürütme işleminin ana amacı çamur stabilizasyonu ve patojenlerin azaltılması olsa da elde edilen biyogaz ile ısı ve güç jenaratörleri aracılığıyla atıksu arıtma tesislerinin elektrik ihtiyacının önemli bir kısmını karşılayarak maliyetleri de azaltmaktadır. Her ne kadar bu işlemler basit gibi görünse de anaerobik çürütme prosesinde görev alan bakteriler birbiriyle dolaylı veya doğrudan bağlantılı olarak çalışmakta ve prosesi etkileyen birçok parametre bulunmaktadır. Bu anaerobik süreçlerde metan üretimi aşamasına gelene kadar organik maddelerin ayrıştırıldığı dört farklı safha bulunmaktadır. Hidroliz denilen ilk aşamada organik maddelerin içindeki kompleks yapıdaki karbonhidrat, lipid ve proteinler hücre dışı enzimlerle parçalanarak basit yapılı şekerlere, uzun zincirli yağ asitlerine ve aminoasitlere dönüşür. Akabinde hidroliz aşamasının ürünleri asidojenik bakteriler ile organik asitlere ve hidrojene fermente olurlar. Üçüncü aşamada asetojenik bakteriler uçucu organik asitleri asetata ve hidrojene dönüştürürler. Son aşamada ise anaerobik çürütmenin nihai ana ürünü olan metan oluşmaktadır. Burada metan oluşumu iki yolla gerçekleşmektedir; oluşan asetat, asetiklastik metanojenler ile metana ve karbondioksite, hidrojen tüketen metanojenler ile de hidrojen ve karbondioksit, metana dönüşmüş olur. Biyogaz içindeki metan gazının yaklaşık %70'i asetat üzerinden, %30'u ise H2 ve CO2'in sentezlenmesi sonucu ortaya çıkmaktadır. Son zamanlarda, atıksu arıtma tesislerinde uygulanan metodların optimizasyonuna ve maliyetlerinin düşürülmesine tasarlanan işletme senaryolarını modelleme araçları ile test etmek mümkün hale gelmiştir. Model bazlı inceleme yaklaşımı farklı tesis yüklerinde çıkış suyu standartlarını tutturarak atıksu arıtma tesislerinde sürdürülebilir bir enerji döngüsünü yakalayabilmek için en uygun yaklaşımdır. Bu çalışmada, uzun havalandırmalı aktif çamur modeli kullanılarak kentsel atıksu arıtma tesisinin çıkış suyu kalitesi ve biyogaz üretim potansiyeli simulasyonu yapılmıştır. Model bazlı yaklaşımın kullanılması gerçek bir tesisin çalışma performansının içerisine girip mümkün olabilecek senaryoları değerlendirme imkanı sunmaktadır. Atıksu arıtma tesislerinde giriş atıksu karakterizasyonunu gösteren kirletici parametrelerinin nispeten düşük değerlere sahip olması biyogaz verimine doğrudan etkisi bulunmaktadır. Bu çalışmada ele alınan gerçek ölçekli tesisin tasarım hesabında ele alınan KOI yükünden yaklaşık %30 daha az bir kirlilik yükü ile performans göstermektedir. Atıksu arıtma sistemlerinde planlama ve tasarımda hesaplamaların gerçek koşullara yakın tahminde bulunulması oldukça kapsamlı ve karmaşık bir dengeyle kurulmaktadır. Söz konusu temel tasarım faktörleri nüfus, debi, atıksu karakteristikleri, tesis yeri ve mevzuatın getirdiği deşarj standartları gibi birçok kriterin bir anda ele alınmasını gerektirmetedir. Tesislerde tasarım yükünün doğru tayini ekipman seçimi, enerji ve kimyasal madde ihtiyacı, proses konfigüorasyon seçimi ve karşılaşılabilecek farklı durumlara karşı proaktif bir yaklaşım getirebilecek şekilde çözüme açık değerlerde olması gerekmektedir. Bu nedenle tasarımda ele alınan değerler debi, konsantrasyon, farklı kirletici yükü gibi değişkenlik gösterecek durumlara karşı tolerans sağlayabilmelidir. Sisteme gelen atıksudaki karbon içeriğinin deşarj limitlerini sağlayacak şekilde kullanılması her ne kadar ana amaç olsa da, biyogaz üretimini sağlayan anaerobların önemli kaynağı olan karbon kullanımına dayalı başka bir ünite sisteme entegre edildiğinde karbonun sistem içinde verimli şekilde kullanılması sağlanmalıdır. Tesisin performans analizinin simülasyon çalışması KOI, AKM ve TN gibi deşarj parametrelerinin rahatlıkla deşarj limit değerlerinin altında sağlanabilir olduğunu göstermiştir. Ön çökeltme ünitesinden gelen çamur, biyolojik arıtma prosesinden elde edilen çamura kıyasla anaerobik çürütme işlemine daha uygundur. Bu nedenle anaerobik çürütmede elde edilen biyogazda ön çökeltme çamurunun payı daha fazla olduğu bulunmuştur. Bu durumun nedeni biyolojik çamurda çoğunlukla kolay ayrıştırılabilir organik maddelerin daha az bulunmasıdır. Ön çökeltme çamuruyla giriş KOI'nin %30'u giderilerek çıkış kalite değerleri sağlanmıştır. Geri devir hattından bir kısmın giriş hattına verilmesi ön çökeltme ünitesindeki verimi artırabilir. Ancak havuzdaki çökeltme verimi ve sınırlı hidrolik bekletme süresi gibi kısıtlamalar mutlaka göz önünde bulundurulmalıdır. Biyogaz üretimi için verimli şekilde karbon kaynağının verimli kullanılması için atıksuyun KOİ fraksiyonlarının belirlenmesi gereklidir. Hesaplamalar ve simülasyon çalışma sonuçları anoksik reaktörlerin nitrat sınırlayıcı koşullarda çalıştığını göstermiştir. Temelde, çürütücü mekanizması için karbon kaynağının artırılması biyogazın daha fazla üretilmesini sağlayacaktır. Anoksik olarak çalışan reaktörlerin karbon kaynağını daha az kullanacak şekilde denitrifiye konfigürasyonunun kullanılması önerilmektedir. Tesiste biyolojik nutrient gideriminin yapıldığı havalandırma havuzlarının %25'i anoksik bölgedir. Bu oranın %50'ye kadar artırılmasıyla azot giderimi, istenen deşarj limitlerini sağlayacak şekilde kullanılabilir. Simülasyon çalışması tesiste üç adet paralel olarak aktif çamur prosesiyle işletilen sistemin toplam çamur yaşı ortalama 22 gün olarak vermiştir. Sistemin toplam çamur yaşının düşürülerek atıksu çıkış kalitesini bozmadan çürütücülere gönderilen biyolojik çamur miktarı artırılmalıdır. Nitrifikasyon bakterilerinin net spesifik büyüme hızlarının tespiti için respirometrik ölçümlerin yapılarak belirlenmesinden sonra sistem için gerekli olan minimum aerobik çamur yaşına göre biyolojik nütrient giderimi yapılabilir. Model simülasyon çalışması, ortalama 25 gün çamur yaşında paralel olarak çalışan çürütücülerde organik katı madde gideriminin yaklaşık %50 civarlarında olduğunu göstermiştir. Bu giderim verimiyle simülasyon çalışmasıyla tesiste 4.979 m3/gün biyogaz üretilebileceği bulunmuştur. Ayrıca çürütücüdeki tüm organik maddenin giderilebildiği varsayıldığında biyogaz üretiminde %33 artış sağlanarak, tesiste en fazla 6.622 m3/gün biyogaz elde edilebilecektir. Atıksu karakterizasyonu, modelleme işlemlerinde gerekli tüm bilgileri veren vazgeçilmez bir adım olarak kabul edilmektedir. Temel olarak KOI fraksiyonlarının da anlamlı kinetik ve stokiyometrik değerler üzerinden ele alınmalıdır. Matematiksel modellerde seçilen bu fraksiyonlar tutarlı ve güvenilir olmalıdır. Böylece organik ve inorganik kirleticilerin inert, kolay veya yavaş ayrışabilir miktarlarını belirlenerek kirlilik karakteri hakkında ayrıntlı bilgi sağlanarak arıtma performansının sonucuna daha net ifadeler getirilebilir (Orhon ve Çokgör, 1997). Aktif çamur model sistemlerinde karbon giderimi, nitrifikasyon ve denitrifikasyonun yanı sıra biyolojik fosforun giderilmesinin de dahil olduğu genel bir model kullanılması sistemlerin simülasyon çalışmalarında kolaylık sağlayacaktır. Genel model uygulamasının önemli bir özelliği, tüm sistemler için tek dizi kinetik ve sitokiyometrik model parametresinin uygulanmasıdır (Barker ve Dold, 1997). Bu tez çalışmasında, kurulması planlanan anaerobik çamur stabilizasyon ünitesi entegreli atıksu arıtma tesislerinin proseslerine ve çalışma koşullarına, verimlerinin tahmin edilmesine katkı sağlayarak işletme şartlarının daha iyi irdelenmesine ışık tutacak verilerin üretilmesi ve tahminlerin yürütülmesi amacıyla gerçek ölçekli atıksu arıtma tesisi üzerinden model çalışması yapılmıştır. Bu kapsamda, tesisin dört aylık dinamik verileri temin edilerek proses verimliliği değerlendirilmiş ve SUMO programı dahilindeki model üzerinden mevcut koşullar ile tahmin verileri karşılaştırılmıştır. Elde edilen simülasyon sonuçlarının gerçek koşulları yansıttığı bulunmuştur. Böylece bu tarz tesislerin kurulmasından önce model ve simülasyon araçlarının kullanımının son derece işlevsel olduğu görülmüştür. Birçok moleküler ağırlığı yüksek, kolloidal veya partiküler organik substratlar mikroorganizmalar tarafından direk olarak kullanılamamaktadır. Bu substratlar hücre dışı enzimlerle hidroliz prosesi altında parçalanabilmekte olup bu adım anaerobik çürütme prosesinde yavaş gerçekleşen bir evre olduğundan hız sınırlayıcı olarak söylenebilir. Ayrıca heterotrofik mikroorganizmaların ölümü veya parçalanmasıyla meydana gelen substratlar da diğer anaerobik mikroorganizmalar tarafından hidroliz işlemi sonrasında kullanılabilmektedir. Bu olayların gerçekleşme hızındaki değişiklikler, anaerobik çürütme hızını ve derecesini etkilemekte ve metan üretimini artırmaktadır. Anaerobik ölüm hızı arttıkça, hücre parçalanması arttığından biyogaz oluşumu da orantılı olarak artmaktadır. Ayrıca anaerobik hidroliz hızının da artması biyogaz üretimini olumlu yönde etkilediği görülmüştür. Simülasyonda referans alınan 0.10 değeri 0 .50'ye kadar artırıldıkça biyogaz üretiminde büyük artışlar görülmemiştir. Ancak anaerobik hidroliz hızı düzeltme faktöründe referans alınan 0.50 değeri 0 .10'a kadar düşürüldüğünde 0.10 ile 0.20 değerleri arasında biyogaz miktarında ani azalma görülmüştür. Bu da hidroliz adımının hız sınırlayıcı bir aşama olduğunu göstermektedir.