Atıksu arıtma tesislerinin model desteği ile iyileştirilmesi ve optimizasyonu

Günümüzde nüfus ve kentleşmenin hızla artışı, endüstriyel üretim faaliyetlerinin gelişmesi ve tarımsal aktiviteler temiz su kaynaklarının olan ihtiyacı artırmakta ve mevcut su kaynaklarının korunmasını zorunlu kılmaktadır. Atıksu arıtma tesisleri su kaynaklarında kirliliğin azaltılması ve önlenmesi için büyük önem taşımaktadır. Kentleşme ve sanayiye bağlı artan atıksu oluşumu daha etkin ve verimli çalışan arıtma tesislerine ihtiyacı artırmaktadır. Ancak birçok atıksu arıtma tesisinin tasarım ve işletme hatalarından dolayı tam verimle çalışamaması söz konusudur. Mevcut tesislerin mevzuatın zorunlu kıldığı deşarj standartlarını sağlayamaması veya işletme maliyetlerinin yüksek olması iyileştirme ve optimizasyon ihtiyacını beraberinde getirmektedir. Bu tez çalışması kapsamında, model programı desteği ile örnek bir endüstriyel atıksu arıtma tesisinin daha az enerji tüketimi sağlayacak şekilde optimize edilmesi ve arıtma performasının artırılarak deşarj kriterlerinin sağlanabilmesine yönelik bir modelleme çalışması gerçekleştirilmiştir. Çalışmada mevcut durumda işletilmekte olan bir tekstil endüstriyel tesisine ait atıksu arıtma tesisinin, GPS-X model programı vasıtasıyla bilgisayar ortamında simüle edilmiş ve farklı işletme senaryoları için tesisin davranışı incelenmiştir. Böylece, farklı işletme koşulları ve proses alternatiflerinin uygulanması ile arıtma performansının artırılması ve işletme giderlerinin azaltılması için en uygulanabilir çözüm önerilerinin belirlenmesi hedeflenmiştir. Çalışma kapsamında literatürde yer alan, atıksu arıtma tesislerinin modellenmesi ve simülasyonu çalışmalarında izlenmesi gereken çalışma adımları incelenmiş ve modelleme çalışmasının metodolojisi belirlenmiştir. Öncelikle atıksu arıtma tesisine ait tesis yetkilileri tarafından kayıt altına alınmış mevcut analiz sonuçları değerlendirilmiştir. Tesis deşarj kriterleri dikkate alındığında organik madde gideriminin sağlanabildiği, amonyum azotu açısından ise zaman zaman standardın sağlanamadığı görülmüştür. Modelleme çalışmasının gerçekleştirilebilmesi için yeterli veri bulunmadığından, 5 günlük bir izleme periyodu kapsamında tesis giriş ve çıkışı ile biyolojik reaktörden alınan numuneler üzerinde karakterizasyon analizleri yürütülmüştür. Tesis modellemesi GPS-X model programında ASM1 aktif çamur modeli kullanılarak yapılmış, tesis tasarım ve izleme dönemi analiz sonuçları dikkate alınarak başlangıç modeli hazırlanmıştır. Tesis arıtma üniteleri tasarım boyutlarına uygun şekilde model yerleşimine eklenerek atıksu ve çamur hatlarına ilişkin bağlantılar tanımlanmıştır. İzleme dönemi giriş ve çıkış analiz sonuçları kullanılarak model kalibrasyonu, atıksu arıtma tesisine ait 10 aylık giriş ve çıkış analiz sonuçları dikkate alınarak model doğrulaması yapılmıştır. Modellemesi tamamlanan atıksu arıtma tesisi için farklı senaryo alternatifleri türetilerek tesis enerji optimizasyonu ve performansının iyileştirmesine yönelik uygulamalar araştırılmıştır. Bu kapsamda ilk olarak tesis elektrik tüketimine bağlı olarak işletme maliyetlerinin azaltılmasına yönelik farklı alternatifler türetilerek optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Senaryo alternatifleri kapsamında atıksu arıtma tesisinde mevcut durumda uygulanmakta olan havalandırma prensibinin değiştirilerek, farklı kesikli havalandırma koşulları altında tesis davranışının ve enerji tüketiminin incelenmesi hedeflenmiştir. Senaryo model sonuçlarına göre tesiste uygulanan havalandırma prensibi ile sağlanan çözünmüş oksijen konsantrasyonunun biyolojik proseslerin gerçekleşmesi açısından ihtiyaç duyulan miktarın üzerin olduğu anlaşılmış; tesiste yer alan yüzeysel aeratörlerin kapasiteleri azaltılarak mevcut durumdan farklı işletme saatleri ve periyotları ile çalıştırılması durumunda daha az çözünmüş oksijen konsantrasyonu sağlanarak, azot gideriminin iyileştirilmesinin yanı sıra tesis elektrik sarfiyatının da azaldığı belirlenmiştir. Çıkış atıksuyundaki TN konsantrasyonunun azalmasına bağlı performans kazanımı ve işletme giderlerinden sağlanan tasarruf göz önüne alındığında, tesise ek yatırım yapılmadan mevcut tesis kapasitesi ve yürürlükteki deşarj standartları uyarınca en uygulanabilir alternatif aeratör kapasitelerinin yarıya düşürüldüğü ve sisteme 1,0 mg/L çözünmüş oksijen konsantrasyonunun sağlandığı Senaryo 1. b'dir. Model sonuçlarına göre Senaryo 1. b kesikli havalandırma prensibinin tesiste uygulanması çıkış atıksuyunda mevcut duruma göre toplam azot konsantrasyonlarını %10 oranında azaltmakta, elektrik sarfiyatını ise %28 oranında artırmaktadır. Bu uygulama ile tesis işletme giderlerinin yıllık 70.000 TL civarında azalması öngörülmektedir. Senaryo sonuçlarına göre, tesiste giriş atıksu karakterizasyonundaki artış durumları ve deşarj kriterleri de göz önüne alınarak havalandırmanın daha düşük oksijen konsantrasyonları sağlanacak biçimde kontrollü olarak uygulanmasının elektrik tüketim miktarını azaltırken arıtma performansı da iyi yönde etkileyeceği belirlenmiştir. Çalışma kapsamında ikinci olarak tesis çıkış atıksu kalitesinin artırılmasına yönelik iyileştirme yapılması hedeflenmiştir. Atıksu arıtma tesisinin mevcut durumda uymakla yükümlü olduğu deşarj kriterlerinin gelecekte değişmesi ve daha yüksek arıtma performansının gerekliliği halinde mevcut tesisin yeterliliği tahkik edilmiş ve uygulanabilecek proses modifikasyonları araştırılmıştır. Bu kapsamda öncelikle ulusal ve uluslararası mevzuat değerlendirilmiş, tesisin toplam azot parametresi açısından Kentsel Atıksu Arıtımı Yönetmeliği kapsamında belirlenen TN standartlarına uyumunun sağlanması hedeflenmiştir. Giriş kirlilik yükleri dikkate alınarak tesis eş değer nüfusu belirlenmiş ve toplam azot standardı 15 mg/L olarak belirlenmiştir. Mevcut tesis yalnızca biyolojik karbon giderimi ve nitrifikasyon proseslerini gerçekleştirebildiğinden azot giderimi tamamen sağlanamamaktadır. Tesisin önde denitrifikasyon yapan aktif çamur sistemi ile işletilmesi durumunda toplam azot giderim veriminin arttığı belirlenmiştir. Senaryo alternatiflerinin model sonuçlarına göre tesisin mevcut biyolojik reaktöründe sağlanacak aerobik ve anoksik hacimlerle azot gideriminin istenilen oranda sağlanamayacağı, bu nedenle denitrifikasyon prosesinin gerçekleşmesi için ilave reaktör hacmi gerektiği belirlenmiştir. Farklı tasarım parametreleri ve reaktör boyutlarının esas alındığı senaryo sonuçlarına göre; tesis biyolojik reaktör boyutunun %33 oranında artırılarak, içsel geri devir oranının 4 olması halinde çıkış atıksuyunda toplam azotun 15 mg/L'nin altında olması sağlanabilmektedir. Giriş atıksuyunda azot konsantrasyonunun yüksek olduğu zamanlar için nitrifikasyon prosesinin kısıtlayıcı olduğu ve yetersiz kaldığı belirlenmiştir. Buna göre, tesis çıkış atıksuyundaki amonyum azotu salınımlarını dengeleyecek şekilde mevcut aerobik reaktördeki havalandırma miktarı ve sisteme sağlanan çözünmüş oksijen konsantrasyonunun aeratör çalıştırma saatleri değiştirilerek artırılmasının azot giderimi açısından iyileşme sağlayacağı belirlenmiştir. Çalışma kapsamında son olarak tesisin hizmet verdiği işletmede üretim kapasite artışına bağlı arıtma tesisi giriş azot yükünün artması durumu için mevcut tesisin arıtma kapasitesinin yeterliliği tahkik edilmiş ve çıkış atıksu kalitesinin iyileştirilmesine yönelik tesiste uygulanabilecek proses modifikasyonları değerlendirilmiştir. Senaryo kapsamında, atıksu debisi ve işletmedeki üre tüketimindeki artışın giriş atıksu konsantrasyonuna etkisi belirlenmiş ve bu giriş karakterizasyonu esas alınarak model koşulmuştur. Buna göre, giriş atıksuyundaki TKN konsantrasyonu mevcut durum atıksu karakterizasyonuna göre yaklaşık iki kat artmaktadır. Senaryo sonuçlarına göre kapasite artışına bağlı giriş kirlilik konsantrasyonlarının artması durumunda mevcut tesiste herhangi bir proses değişikliği yapılmaksızın KOİ ve NH4-N için deşarj kriterlerinin sağlanabildiği belirlenmiştir. Ancak, tesis çıkış atıksuyunda TN konsantrasyonunun azaltılabilmesi için tesiste önde denitrifikasyon prosesi uygulanmış ve çıkış atıksu karakterizasyonu belirlenmiştir. Senaryo kapsamında tesisteki mevcut biyolojik reaktör boyutu %66 oranında artırılıp, anoksik hacim ilave edilmiş, bu esnada aerobik hacim aynı bırakılarak, 4R oranında içsel geri devir oranı uygulanmıştır. Senaryo sonuçlarına göre atıksu arıtma tesisinin biyolojik olarak azot giderim veriminin maksimum %59 olabileceği belirlenmiştir.