Atiksularin Artimi Ders Notlari-24.11.2010

8/18/2019 Atiksularin Artimi Ders Notlari-24.11.2010

1/103

HARRAN ÜNİVERSİTESİ, ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

0503701-ATIKSULARIN ARITIMI DERS NOTLARI

Doç. Dr. Erkan ŞAHİNKAYA

Kaynak Kitap: Wastewater Engineering: Treatment and Reuse Metcalf & Eddy, Inc., GeorgeTchobanoglous, Franklin Burton, H. David Stensel (2003).

2010


2/103

BÖLÜM 1. ATIKSU ARTIMIYLA İLGİLİ YÖNETMELİKLER

1900-1970 arası atıksu arıtım amaçları;

• Kolloidal, askıda ve yüzen maddelerin giderimi

•

Biyolojik olarak parçalanabilen organiklerin giderimi• Patojenlerin giderimi

1970-1980 arasında ise atıksu arıtımında özellikle estetik ve çevresel kaygılar gözetilmiştir.BOD, TSS ve patojen gideriminde daha ileri seviyeler amaçlanmıştır. Ayrıca, azot, fosfor gibinütrientlerin arıtımı üzerinde durulmaya başlanmıştır.

1980’lerden sonra ise; önceki amaçlar daha yüksek arıtım seviyeleri amaçlanarak

korunmuştur. Ayrıca, uzun zamanda hastalığa sebep olabilecek düşük konsantrasyonlardakikirleticilerin (pestisit, antibiyotik gibi) üzerinde durulmaya başlanmıştır.

Sürekli olarak değişen deşarj standartları planlanan ve dizayn edilen arıtma tesislerinindeğişimine yol açmıştır. Tablo 1.1’de ABD’de deşarj için gerekli minimum deşarj standartlarıverilmiştir.

Tablo 1. ABD’de uygulanan minimum deşarj standartları

Parametre Birim 30-günlük ortalamakonsantrasyon

7-günlük ortalamakonsantrasyon

BOİ5 mg/L 30 45TAK (TSS) mg/L 30 45

CBOİ5 mg/L 25 40pH - 6-9 6-9

Ülkemizde uygulanan yönetmelik ise; 31.12.2004 tarihli resmi gazetede yayımlanan ‘SuKirliliği Kontrolü Yönetmeliği’ dir. Bu yönetmelikte, hem evsel hem de endüstriyelatıksuların alıcı ortama deşarjıyla ilgili sınır değerler verilmektedir.

Örnek olarak; evsel atıksuların alıcı ortama deşarjı için Tablo 1.2’de verilen sınır değerleruygulanmaktadır.

Tablo 1.2 (Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği,Tablo 21). Evsel nitelikli atıksuların alıcıortama deşarj standartları

Endüstriyel nitelikli atıksular ise sınıflandırılmış olup, aşağıda örnekler verilmiştir.

Parametre Birim 2-saatlik kompozitnumune

24-saatlik kompozitnumune

BOİ5 mg/L 50 45KOİ mg/L 180 120

TAK (TSS) mg/L 70 45pH - 6-9 6-9


3/103

TABLO 5: GIDA SANAYİİ ATIK SULARININ ALICI ORTAMA DEŞARJ STANDARTLARITablo 5.1: Sektör: Gıda Sanayi (Un ve Makarna Üretimi)

PARAMETRE BİRİMKOMPOZİT

NUMUNE2 SAATLİK

KOMPOZİTNUMUNE

24 SAATLİK

KİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI(KOİ)

(mg/L) 250 200

ASKIDA KATI MADDE (AKM) (mg/L) 120 100pH 6-9 6-9

Tablo 5.2: Sektör: Gıda Sanayi (Maya Üretimi)

PARAMETRE BİRİMKOMPOZİT

NUMUNE2 SAATLİK

KOMPOZİTNUMUNE

24 SAATLİKKİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI(KOİ)

(mg/L) 1200 1000

ASKIDA KATI MADDE (AKM) (mg/L) 200 100YAĞ VE GRES (mg/L) 60 30pH 6-9 6-9

Tablo 5.3: Sektör: Gıda Sanayi (Süt ve Süt Ürünleri)

PARAMETRE BİRİMKOMPOZİTNUMUNE

2 SAATLİK

KOMPOZİTNUMUNE


(mg/L) 170 160

YAĞ VE GRES (mg/L) 60 30pH 6-9 6-9

TABLO 10: TEKSTİL SANAYİİ ATIK SULARININ ALICI ORTAMA DEŞARJSTANDARTLARITablo 10.1: Sektör: Tekstil Sanayi (Açık Elyaf, İplik Üretimi ve Terbiye)

PARAMETRE BİRİMKOMPOZİTNUMUNE

2 SAATLİK

KOMPOZİTNUMUNE


(mg/L) 350 240

AMONYUM AZOTU (NH4-N) (mg/L) 5SERBEST KLOR (mg/L) 0.3TOPLAM KROM (mg/L) 2 1SÜLFÜR (S ) (mg/L) 0.1 -SÜLFİT (mg/L) 1 -YAĞ VE GRES (mg/L) 10 -BALIK BİYODENEYİ (ZSF) - 4 3pH - 6-9 6-9

Tablo 10.2: Sektör: Tekstil Sanayi (Dokunmuş Kumaş Terbiyesi ve Benzerleri)

PARAMETRE BİRİM KOMPOZİTNUMUNE KOMPOZİTNUMUNE


4/103

2 SAATLİK 24 SAATLİK

KİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI(KOİ)

(mg/L) 400 300

ASKIDA KATI MADDE(AKM) (mg/L) 140 100AMONYUM AZOTU (NH4-N) (mg/L) 5 -SERBEST KLOR (mg/L) 0.3 -TOPLAM KROM (mg/L) 2 1SÜLFÜR (S ) (mg/L) 0.1 -SÜLFİT (mg/L) 1 -FENOL (mg/L) 1 0.5BALIK BİYODENEYİ (ZSF) - 4 3pH - 6-9 6-9BÖLÜM 2. ATIKSU ARITIMINA GİRİŞ

Atıksuların arıtım derecesi amaca göre değişiklik göstermektedir. Atıksular arıtıldıktansonra;

• Alıcı ortama deşarj• Toprağa verme veya sulama• Geri kazanım/yeniden kullanım

gibi amaçlar için kullanılır. Dolayısıyla arıtım derecesi de amaca göre değişiklikgöstermektedir.

Arıtma metotları

Temel işlemler; fiziksel arıtım metotları olup; temel prosesler ise kimyasal veya biyolojikarıtım metotlarını içermektedir. Tablo 2.1’de atıksu arıtımı amacıyla kullanılan arıtımmetotlarının sınıflandırılması verilmiştir.

Tablo 2.1. Temel işlemler ve temel proseslerin arıtım derecesine göre sınıflandırılması

Arıtım derecesi TanımÖn arıtım (fiziksel arıtım) Tahta parçası, bez parçası gibi iri maddeleri ve yağ,

kum gibi mekanik ekipmanlara zarar verecek

maddelerin giderimiBirincil arıtım AKM ve çökelebilen organiklerin giderimiİleri birincil arıtım Askıda ve çözünmüş organiklerin giderimi ve

dezenfeksiyonİkincil arıtım Kimyasal ilavesi veya filtrasyon ile ileri düzeyde AKM

ve organik giderimiNütrient gideren ikincil arıtım Biyolojik ayrışabilir organiklerin, AKM’nin ve azot,

fosforun giderimiÜçüncül arıtım İkincil arıtım sonrası kalan AKM’nin filtrasyonla (kum

filtresi) veya mikroeleklerle giderimi. Dezenfeksiyonveya nütrient arıtımı da burada sınıflandırabilir.

İleri arıtım Arıtılmış suyun tekrar kullanımı amacıyla ikincil arıtımsonrası organik ve AKM giderimi


5/103

Yaklaşık 20 yıl önce biyolojik nütrient giderimi (BNR) yeni teknoloji olarak bilinirdi. Fakatbugün birçok nedenden dolayı BNR konvensiyonel biyolojik arıtımın bir parçası olmuştur.Kimyasal metotlarla nütrinet giderimi, BNR’ye kıyasla çok daha pahalı olup ilave kimyasal

ve aşırı çamur üretimi en önemli dezavantajlarıdır.

Geçmişte nütrient arıtımı sadece hassas bölgelerde uygulanırken, ötröfikasyon nedeniyle alıcıortamların kalitesinin bozulmasıyla birçok yerde nütrient arıtımı uygulanmaya başlanmıştır.Ayrıca, çıkış sularından AKM giderimi amacıyla birçok yerde kum filtrelerinin kullanımıyaygın hale gelmiştir. Özellikle UV ile dezenfeksiyon verimini arttırmak için filtrasyon çoksık kullanılan bir yöntemdir.

Yeni ve gelişmiş arıtma tesislerinde kullanılan bazı ileri arıtım metotları ise;

•

Santrifüj ayırıcılar• Yüksek hızlı çöktürücüler

• Membran biyoreaktörler

• Ultafiltrasyon, nanofiltrasyon ve ters ozmoz

• UV dezenfeksiyonu

Arıtılmış suların kurak veya yarı kurak yerlerde sulama amacıyla kullanımı da atıksularındeğerlendirilmesi için oldukça önemli bir geri kazanım yöntemidir.


6/103

BÖLÜM 3. ATIKSU DEBİSİ VE KİRLETİCİ YÜKLERİNİN ANALİZİ VESEÇİLMESİ

Atıksu debisinin ve kirlilik yükünün belirlenmesi atıksu arıtma tesisinin tasarımında önemli

bir adımdır. Seçilecek debi, arıtma tesisinin boyutunu, hidrolik özelliklerini ve işletimini

önemli derecede etkilemektedir.

Atıksu debisi ve yüklerin analiz ve belirlenmesinde önemli faktörler aşağıdaki gibisıralanabilir;

• Atıksu bileşenleri

• Atıksu kaynakları ve debileri

• Debi verisinin analizi

• Atık yüklerine ait verilerin analizi

• Debi, konsantrasyon ve yüklerin istatistiksel analizi

•

Tarım debi ve atık yüklerinin seçimi

Atıksu Bileşenleri

Atıksu bileşenleri toplama siteminin çeşidine bağlı olup aşağıdakileri içerir;

• Evsel atıksular

• Endüstriyel atıksular

• İnfiltrasyon/inflow

• Yağmur suyu

Atıksu toplamak amacıyla üç farklı toplama sistemi kullanılır;

1. Atıksu toplama sistemi: Evsel atıksular, endüstriyel atıksular ve inflow/infiltrasyon

toplanır.

2. Yağmursuyu toplama sistemi: Bu tür kanala yağmur suları ve infiltrasyon/inflowgelir.

3. Birleşik sistem: Bu tür toplama sistemine bütün atıksu ve yağmur suları gelir.

Atıksu Kaynakları ve Debileri

Evsel Atıksular: Evlerden ve ticarethanelerden gelen atıksuları kapsar. Mevcut verilerdenveya saha ölçümlerinden faydalanılarak belirlenmesi tavsiye edilir. Yeni kurulacak

yerleşimler için nüfus ve nüfus başına düşen atıksu kullanım istatistikleri kullanılaraktahminler yapılır.

Su kullanım verilerinden de yararlanılabilir. Genel olarak kullanılan suyun %60-90’ı atıksu

olarak kanala gelir. Bahçe sulamasının fazla olduğu bölgelerde kullanım suyunun daha az birkısmı kanala gelirken, şehirleşmiş bölgelerde kullanım suyunun önemli bir kısmı atıksu olarakkanala gelir.

Evsel kullanımlar nüfus ve kişisel kullanımlara göre tahmin edilebilir. Evler kalabalıklaştıkçakişi başına düşen su kullanımı düşer.


7/103

Tablo 3.1. Evsel atıksu oluşum miktarları

Evde oturan kişi sayısı Aralık (L/kişi-gün) Tipik değer (L/kişi-gün)1 285-490 3653 194-335 250

5 150-260 1937 140-244 1828 135-233 174

Ticarethanelerden gelen sular: Tablo 3.2’de çeşitli ticaret hanelerden gelen atıksu miktarlarıverilmiştir. Bu bölgelerden oluşan atıksular m3 /ha.gün olarak da belirlenebilir. Genellikle 7,5-14 m3 /ha.gün arasındadır. İşyerleri, hastaneler ve okullar gibi işletmelerin kayıtlarındanfaydalanılarak atıksu debilerinin tahmin edilmesi daha doğru bir yaklaşım olabilir.

İnfiltrasyon/inflow: Kanallara çeşitli yollarla giren sulardır. Özellikle kanal birleşimnoktalarından, kanallardaki kırık ve çatlaklardan sular girebilir. Yağmur nedeniyle yer altı suseviyesinin yükselmesi nedeniyle kanala bağlı olarak 0,01-1,0 m3 /gün.mm-km arasındadeğişir. İnfiltrasyon ayrıca alan bazlı olarak da hesaplanabilir. Buna göre 0,2-28 m3 /ha.günarasında alınabilir.

Exfiltrasyon: Kanalın birleşim ve servis noktalarından dışarıya atıksu sızmasıdır.Exfiltrasyonun yoğun olması durumunda sığ yer altısuları kirlenerek içme sularına zararverebilir. Bazı durumlarda exfiltrasyon yüzeysel suların kirlenmesine ve bu sularda fekal

koliform sayısının artmasına neden olabilir. Kanallara bakım yapılması sonucu hem

exfiltrasyon hem de infiltrasyon debileri düşecektir.Birleşik sistem kanalları: Bu kanallarda atıksular ve yağmur suları beraber toplanır.Yağmurlu durumda kanaldaki debi kurak hava debisine kıyasla çok fazla olup, bazıdurumlarda atıksu debisi ihmal edilecek düzeyde olur. Çoğu zaman arıtma tesisi şiddetliyağmurlar nedeniyle oluşacak yüksek debileri kabul edecek şekilde tasarlanmazlar. Çünküsenede birkaç defa olabilecek bir debi için sistemin çok büyük tasarlanması hem yatırım

maliyetini arttıracak hem de düşük debili dönemlerde işletme problemlerine neden olacaktır.Bu nedenle fazla suyun sisteme gelmeden ayrılması için by-pass yapılır. Bu fazla su bazen

arıtılmadan bazen de özel olarak tasarlanan çöktürücülerden geçirildikten sonra deşarj edilir.

Arıtma tesislerine gelecek pik debiler göz önünde bulundurularak hidrolik hesaplar yapılır.

Grafik Metodunu Kullanarak Eldeki Verilerin İstatistiksel Analizi

Üç aşamada gerçekleştirilir;

1. Eldeki veriler küçükten büyüğe sıralanır ve sıra numarası verilir.2. Plotting position (grafik konumu) hesaplanır.

%plotting position=

.100

m: Sıra numarası


8/103

n: Gözlem sayısı

n+1: küçük numune sayılarından gelen hatayı telafi için 1 ile toplanır.

Grafik konumu; gözlem frekansının eşit veya daha küçük olduğu olasılık değerini verir.

3.

Veriler aritmetik ve logaritmik kağıda çizilir. Veriler çizildikten sonra normal dağılımkabul edilerek en iyi doğru geçirilir. Eğer verilere doğru uymuyorsa, logaritmik kağıdaçizilerek doğru geçirilir. Böylece log. değerlerinin normal dağılım gösterdiği kabuledilir.

Örnek 3.4. Aşağıda 24 ay boyunca bir artıma tesisi çıkışından toplanan verileri kullanarakistatistiksel parametreleri belirleyin.

Ay TSS(mg/L) KOİ (mg/L)1,00 13,50 15,002,00 25,90 11,253,00 28,75 35,354,00 10,75 13,605,00 12,50 15,306,00 9,85 15,757,00 13,90 16,808,00 15,10 15,209,00 23,40 18,75

10,00 21,90 37,5011,00 23,70 27,0012,00 18,00 23,3013,00 37,00 46,6014,00 30,10 36,2515,00 21,25 30,0016,00 23,50 25,7517,00 16,75 17,9018,00 8,35 11,3519,00 18,10 25,2020,00 9,25 16,10

21,00 9,90 16,7522,00 8,75 15,8023,00 15,50 19,5024,00 7,60 9,40


9/103


10/103

Çözüm

Sıra no TSS(mg/L) KOİ (mg/L) Plotting position (%)1,00 7,60 9,40 4,002,00 8,35 11,25 8,00

3,00 8,75 11,35 12,004,00 9,25 13,60 16,005,00 9,85 15,00 20,006,00 9,90 15,20 24,007,00 10,75 15,30 28,008,00 12,50 15,75 32,009,00 13,50 15,80 36,00

10,00 13,90 16,10 40,0011,00 15,10 16,75 44,0012,00 15,50 16,80 48,00

13,00 16,75 17,90 52,0014,00 18,00 18,75 56,0015,00 18,10 19,50 60,0016,00 21,25 23,30 64,0017,00 21,90 25,20 68,0018,00 23,40 25,75 72,0019,00 23,50 27,00 76,0020,00 23,70 30,00 80,0021,00 25,90 35,35 84,0022,00 28,75 36,25 88,00

23,00 30,10 37,50 92,0024,00 37,00 46,60 96,00

. + . .

. + .

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

.

. . . . . . .

İ


11/103

Örnek 3.5. Aşağıda verilen haftalık debileri kullanarak oluşma sıklıklarını belirleyin. Ayrıca,tam yıl bir işletmede oluşacak maksimum haftalık debiyi tahmin edin.

Hafta no m3 /hafta1 2900

2 30403 35404 33605 37706 40807 40158 36759 3810

10 345011 326512 318013 3135

Çözüm:

Hafta no m3/hafta% Plotting

Pos.1,00 2900,00 7,142,00 3040,00 14,29

3,00 3135,00 21,434,00 3180,00 28,575,00 3265,00 35,716,00 3360,00 42,867,00 3450,00 50,008,00 3540,00 57,149,00 3675,00 64,29

10,00 3770,00 71,4311,00 3810,00 78,5712,00 4015,00 85,71

13,00 4080,00 92,86

. + . .

.

.

.

.

.

.

. . . . . .


12/103

Bir yıl içinde gözlenebilecek maksimum haftalık debi:

İlk olarak olasılık faktörü hesaplanır. Pik hafta = m/(n+1) = 52/(52+1) = 0.981

Grafik kullanarak %98.1’e karşılık gelen debi = 4500 m3 /hafta olarak hesaplanır.

Atıksu Debi Değişimlerinin Analizi

Arıtma tesisine gelen atıksu debileri günlük eğişimler göstermektedir (Şekil 3.1). Minimumakım, su kullanımının az olduğu ve inflow akımının ana akım olduğu sabah erken saatlerdeolur. İlk pik akım sabah saatlerinin sonlarında, ikinci pik akım ise akşam 7-9 saatleri arasındagözlenir. Pik akım ile ortalama akım arasındaki fark nüfusa ve kanalizasyon sisteminin

uzunluğuna bağlıdır.

Şekil 3.1. Evsel atıksu debisinin saatlik değişimi

Atıksu arıtma tesislerinin tasarımında kullanılacak debilere ait bazı tanımlamalar aşağıdakiTablo 3.3’de sunulmuştur.

Tablo 3.3. Arıtma tesisi tasarımında kullanılacak debilerin tanımları

Debi TanımOrtalama kurak hava debisi Kurak hava koşullarında, infiltrasyonun sınırlı olduğukoşullarda günlük ortalama debi

Ortalama yağışlı hava akımı İnfiltrasyonun önemli olduğu yağışlı hava koşullarındagünlük ortalama debi.

Yıllık ortalama günlük akım Yıllık ortalama debiSaatlik pik Gözlenen en yüksek saatlik debiMaksimum günlük Gözlenen en yüksek maksimum günlük ortalama debiMinimum saatlik debi Bir günde gözlenen en düşük ve 1 saat boyunca korunan debiMinimum günlük debi Bir gün boyunca korunan kayıtlı en düşük günlük ortalama

debi


13/103

Atıksu pik veya maksimum debisinin hesaplaması özellikle hidrolik hesapların yapılması için

oldukça önemlidir. Bu amaçla pik faktörü kullanılır. Pik faktörü aşağıdaki şekildehesaplanabilir:

Pik faktörü = günlük veya saatlik pik debi/ortalama debi

Tasarım debisinin seçimi

Atıksu arıtma tesisi boyutları hesaplanırken yıllık ortalama debi ve gelecekteki büyüme

dikkate alınsa da, bir arıtma tesisinin bir çok debi koşulunu sağlaması gerekmektedir. Tesisindizaynı için önemli debiler minimum ve pik debilerdir. Ayrıca, minimum, maksimum ve

ortalama kirlilik yükleri de önemlidir.

Minimum debiler: Düşük debiler özellikle arıtma tesisinin ilk işletmeye alındığı yıllardakarşılaşılır. Dizayn debisine belli bir zaman sonra ulaşılacak olup, dizayn debisine ulaşılana

kadar düşük debiler beklenmelidir. Ayrıca gece saatlerinde de tesise düşük debilergelmektedir. Eğer sistemin sağlıklı işletilmesi için belli bir debinin üstüne çıkılması gerekirse,


14/103

arıtılmış suyun bir kısmı sistem girişine geri devredilebilir. Elde herhangi bir verininolmaması durumunda, minimum debi ortalama debinin %30 ile 70’i arasında değişir.

Pik debi faktörleri: Dizayn amacıyla kullanılan en önemli pik faktörleri; saatlik pik vemaksimum günlük debilerin hesabı içindir. Saatlik pik debiler hidrolik hesaplar için

önemlidir. Aşağıdaki Şekil 3.2 ve Şekil 3.3 farklı debilerin hesaplanmasında kullanılabilecekpik faktörleri göstermektedir.

Şekil 3.2’de görüldüğü üzere, ABD’de bir gün devam eden pik debinin ortalamaya oranı 2,9olarak kabul edilir. Bir gün devam eden minimum debi ise ortalama debinin 0,4 katıdır. Diğersüreler için veriler şekilden okunabilir.

Şekil 3.2. 30 günlük zaman periyotuna kadar pik debi ve minimum debinin yıllık ortalamadebiye oranları

Nüfus arttıkça, pik debilerle yıllık ortalama debi arasındaki farkın azaldığı Şekil 3.3’degörülmektedir.


15/103

Şekil 3.3. Saatlik pik debi faktörünün nüfusa bağlı olarak değişimi

Örnek 3-9: Mevcut nüfusu 15.000 olan bir yerleşim yerinin atıksu arıtma tesisininbüyütülmesi düşünülmektedir. 20 yılda nüfusun 25.000 olacağı ve ayrıca 2000 yeniöğrencinin olacağı tahmin edilmektedir. Ayrıca yeni bir endüstrinin taşınacağı ve buendüstrinin ortalama debisinin 840 m3 /gün ve maksimum debisinin 1260 m3 /gün olacağıtahmin edilmektedir. İşletme günde 8 saat çalışacak ve haftada bir gün kapalı olacaktır. Tesisegelen mevcut atıksu debisi günlük ortalama 6.500 m3 /gün olup, infiltrasyon ve inflow un

düşük olduğu bilinmektedir. Inflitrasyonun ortalama akımda 100 L/kişi-gün ve pik debide 150L/kişi-gün olduğu bilinmektedir. Yeni kurulacak olan evlerde su-tasarım aparatlarının

kurulması nedeniyle kişisel su kullanımının eskilere kıyasla %10 daha düşük olacağı tahminedilmektedir. Bu durumda gelecek için ortalama, pik ve minimum dizayn debilerini

hesaplayın. Pik debi için faktör 2,75 ve minimum debinin ortalamaya oranının 0,35 olduğubilinmektedir.

Çözüm:

1. İlk olarak şimdiki ve gelecekteki günlük kişi başı su kullanım miktarlarıbelirlenecektir.

a.

Mevcut durumda evsel su kullanım hesaplanacaktır.

İnfiltrasyon= 100 L/kişi-gün x 15.000kişi = 15.000.000 L/gün = 1.500 m3 /gün.

Evsel (kişisel) su kullanım miktarı = 6500 – 1500 = 5000 m3 /gün.

b. Kişi başına evsel su kullanımının hesabı

Kişi başı su kullanımı = 5000/15000 = 0.33 m3 /kişi-gün= 330 L/kişi-gün.

c.

Gelecek için kişi başı su kullanım miktarlarının hesabı


16/103

Gelecekte su kullanımının %10 düşeceği tahmin edilmekte olup, kişi başı su kullanımdeğeri 330x0.9 = 0,297 m3 /kişi-gün olarak hesaplanır.

2. Gelecek için ortalama debinin hesaplanması

Mevcut kişisel kullanımdan oluşan atıksu = 5000 m3

/gün

Artan nüfustan dolayı artacak kişisel kullanım (25000-15000)*0.297 = 2970 m3 /gün

Öğrencilerden gelen (95L/kişi-gün kullanım) = 2000*0.095 = 190 m3 /gün

Endüstriyel kullanım = 840 m3 /gün

İnfiltrasyon (25.000*0.10 m3 /(kişi.gün)) = 2500 m3 /gün

Gelecekteki toplam ortalama günlük debi = 11.500 m3 /gün

3. Gelecekteki pik debinin hesabı

Evlerde kişisel kullanımlar ( 2.95*(5000+2970+190)) = 22.440 m3 /gün

Endüstriyel pik debi = 1260 m3 /gün

İnfiltrasyon (25000*0.150) = 3750 m3 /gün

Gelecekteki toplam pik debi = 27.450 m3 /gün

4. Gelecekteki minimum debinin hesabı

Evlerde kişisel kullanımlar (0,35*(5000+2970) okulun kapalı olduğu gün) = 2780 m3 /gün

Endüstriyel debi (akşamları işletmenin kapalı olduğu düşünülerek) = 0 m3 /gün

İnfiltrasyon (25000*0.100) = 2500 m3 /gün

Gelecekteki toplam pik debi = 5.280 m3 /gün

Nüfus Verisinin Kullanılmasıyla Gelecekteki Atıksu Debilerinin Hesaplanması

Debideki değişimler ve nedenleri yukarıda ayrıntılı olarak tartışılmış olup, bu bölümdegeleceğe dair debi ve nüfus hesaplarının özellikle çeşitli yönetmeliklere göre hesaplanmasıüzerinde durulacaktır.

1-İller Bankası Kanalizasyon Projeleri Yönetmeliği’ne göre, günün en fazla su sarf edilen birsaatinde debi, o günün ortalama debisinin 2 katıdır. Senenin en çok su sarf edilen gününün

ortalama debisi Q24 ile gösterilirse, max Qst (Q12)= 2.Q24 ve gündüz saatlerine mahsus

ortalama debi 1,5.Q24 olarak hesaplanabilir.

2-Alman literatüründe sabah 8den akşam 20’ye kadarki gündüz saatleri ortalaması Q18 ile 24 saatin maksimum debisi Q14 ile gösterildiğine göre,


17/103

ABD ve İSKİ yönetmeliğine göre, maksimum saatlik debi ile maksimum günlük debininortalamaya oranı nüfusa bağlı olup, aşağıdaki formül ile hesaplanabilir.

P, bin olarak nüfusu gösterir. Örneğin 100.000 kişilik nüfus için P =100 alınır.


18/103

Atıksu debilerinin hesabı:

Q= Qev+Qsanayi+Qsızma olarak hesaplanır.

Evsel debi, kişi başına günlük su sarfiyatı nüfusla çarpılarak bulunabilir. Yıllık ortalama kişibaşına günlük su ihtiyacı qort ile gösterilirse yaz aylarındaki su ihtiyacını temsil eden değer(qmax), ortalama değerin 1,5 katı olarak kabul edilmektedir. Su ihtiyacının %70–90 arasındaki

belirli bir oranı kanallara intikal etmektedir. Bu yüzden evsel debi;

Qevmax = Q24= α.qmax.N

İfadesiyle hesaplanır. Burada;

Qevmax = Q24 = yazlık evsel su sarfiyatı, m3 /gün

α = Kullanılan suyun kanala gelen oranı

Buna göre debiler aşağıdaki formülleri kullanarak hesaplanır;

Qh = Q24 /n1 + Qsanayi /n2 + Qsızma /24

Qort = (Q24 + Qsanayi + Qsızma)/24

Qmin = Q24 /n3 + Qsanayi /n4 + Qsızma /24

Burada;

Qh = Hesap debisi, m3 /saat

Q24 = En çok su sarf edilen yaz gününe ait ortalama evsel atıksu debisi, m3 /gün

Qmin= Minimum debi, m3 /saat

n1; amaca göre farklı değerler alabilir. Eğer maksimum saatlik debinin hesaplanması istenirsesaatlik pik debi ortalamanın 2 katı olarak kabul edilebilir (veya Şekil 3.1 kullanılır) ve Q12 =

2.Q24 olarak hesaplanır. Eğer Q12 debisi m3 /saat olarak, Q24 debisi de m3 /gün olarak alınırsaQ12 = Q24 /12 olarak alınır ve n1 = 12 alınmış olur.


19/103

Bazı durumlarda hesap debisi olarak Q18 yani gün içerisinde ortalama gündüz saatleri baz

alınabilir. Bu durumda yukarıdakine benzer şekilde Q18 = (24/18.Q24)/24 olarak hesaplanır.Burada; Q18 debisi m

3 /saat olarak, Q24 debisi de m3 /gün cinsindendir. Yukarıdan n1, 18 olarak

hesaplanır. Yani, Q18 = Q24 /18.

Genel olarak, debi değişimleri nüfus artışıyla azalmakta olup n1 değeri nüfusa bağlıdır. Basitolarak hesap debisinin tahmininde n1 değeri aşağıdaki tablodan alınabilir.

Tablo 3.4. Nüfusa bağlı olarak n1 değerleri

n2 = Sanayi debisiyle alakalı olup, tek vardiya çalışma durumunda 5-10 arası alınabilir.

n3 = minimum debi hesaplamasında kullanılmakta olup, 37-40 arasında bir değer alınır.Mesela 40 alınabilir.

n4= minimum debi hesabında sanayi debisi için kullanılır. Eğer 2-3 vardiya çalışıyorsa 24alınır. Eğer tek vardiya çalışılıyorsa, minimum debi gece debisi olduğundan sanayi debisihesaptan tamamen çıkarılır.

Sanayi debilerinin tahmini oldukça zor ve karmaşıktır. Küçük yerler için bu tahmin kolay ikenbüyük yerleşim yerleri için oldukça zordur. Üç şekilde düşünülebilir;

1-

Eşdeğer nüfus hesaplanıp, sanayi debisi evlerden gelen atıksu içinde düşünülebilir.2- Debi değişimlerinden tahmin edilmeye çalışılır.3- Sanayi bölgelerinden hektar başına debi alınarak hesaplanabilir. Buna göre 0,5-1,0

L/sn.ha arasında alınabilir.

Arıtma Tesislerine gelen yüklerin tahmin edilmesi

Atıksu arıtma tesislerine gelecek yükler ise, kişi başı üretilecek kirlilik yükleri kullanılarakhesaplanabilir. Ayrıca, kişi başı su tüketimi de kullanılarak arıtma tesislerine evselkullanımlardan dolayı gelecek kirlilik konsantrasyonları hesaplanmış olur. Bu hesaplamalar

için kullanılabilecek bazı değerler Tablo 3.5’de sunulmuştur.


20/103

Tablo 3.5. Evsel kullanımdan doğan kirlilik yükleri

Ayrıca Tablo 3.6’de evsel atıksular için tipik kirletici konsantrasyonları verilmiştir.


21/103

Tablo 3.6. Ham atıksuyun tipik özellikleri


22/103

BÖLÜM 4. FİZİKSEL ARITMA (IZGARALAR, KUM TUTUCULAR VEÇÖKTÜRME HAVUZLARI)

Bu bölüm Öztürk vd. ‘Atıksu arıtımının esasları’ ve Muslu ‘atıksuların arıtımı’ kitaplarındanişlenecektir.


23/103

BÖLÜM 5. BİYOLOJİK ARITIMIN ESASLARI

Uygun koşulların sağlanması ve biyolojik sistemin iyi bir şekilde işletilmesi koşuluyla, atıksuiçerisindeki biyolojik olarak parçalanabilen bütün organik maddeler giderilebilir. Dolayısıyla,

çevre mühendisinin her bir biyolojik prosesi iyi bilmesi ve tüm koşulları optimum arıtımın

gerçekleşebilmesi için iyi ayarlayabilmesi gerekmektedir.

Biyolojik arıtımın amacı

• Çözünmüş ve partikül haldeki biyolojik parçalanabilir maddeleri çevresel açıdan kabuledilebilir yan ürünlere (CO2 ve H2O gibi) dönüştürmek.

• Askıda ve çökemeyen partikülleri biyolojik yumaklar içerisine hapsetmek

• Azot ve fosfor gibi nütrientleri gidermek

• Bazı durumlarda spesifik iz maddeleri gidermek.

Bazı endüstriyel atıksularda, mikroorganizmalar için toksik organik veya inorganik maddelerbulunmakta olup biyolojik arıtım öncesinde giderilmeleri gerekmektedir. Buna ön arıtım veya

pretreatment denir. Evsel atıksu arıtımı amacıyla en çok kullanılan bazı arıtma tesisi prosesleri

Şekil 5.1’de gösterilmiştir. Biyolojik arıtımda kullanılacak bazı özel terimlere ait tanımlarTablo 5.1’de verilmiştir.

Tablo 5.1. Biyolojik arıtımda kullanılan bazı özel terimlerin açıklamaları

Terim TanımMetabolik fonksiyon

Aerobik Proses Oksijen varlığında gerçekleşen biyolojik arıtım prosesiAnaerobik proses Oksijen yokluğunda gerçekleşen biyolojik arıtım prosesiAnoksik proses Elektron alıcı olarak nitratın kullanıldığı biyolojik arıtım prosesi

Fakültatif proses Moleküler oksijen varlığında ve yokluğunda gerçekleşen biyolojikarıtım prosesi

Birleşikaerobik/anoksik/anaerobik proses

Aerobik, anoksik ve anaerobik arıtım proseslerinin farklıkombinasyonlarda kullanılarak spesifik bir arıtım amacınıgerçekleştirmek

Arıtım ProsesiAskıda-büyümeli

proses

Arıtımdan sorumlu bakterilerin askıda büyüdüğü arıtım prosesi

Bağlı büyümeli proses Arıtımdan sorumlu bakterilerin taş, aktif karbon, plastik gibi inertbir yüzeye yapışık olarak büyüdüğü arıtım prosesi

Birleşik proses Askıda ve bağlı büyümenin bir arada kullanıldığı birleşik sistemlerArıtım FonksiyonuBiyolojik nütrientgiderimi

Biyolojik arıtma tesislerinde azot ve fosforun giderildiğiproseslerdir.

Biyolojik fosforgiderimi

Biyolojik olarak fosforun mikroorganizmalarda biriktirilerekatıksudan giderildiği arıtım prosesidir.

Karbon kaynaklı BOİ giderimi

Biyolojik olarak organik maddenin atık biyokütleye ve CO2’edönüştürüldüğü arıtım prosesidir. Burada azotun amonyağa

dönüştürüldüğü kabul edilir.Nitrifikasyon Amonyumun, iki aşamada nitrata dönüştürüldüğü proseslerdir.


24/103

Denitrifikasyon Nitratın elektron alıcı olarak kullanılarak azota indirgendiğibiyolojik proseslerdir.

Stabilizasyon Biyolojik arıtım sonucu oluşan çamurun aerobik veya anaerobikolarak arıtılarak stabilize edildiği ve Zarasız hale getirildiğiproseslerdir.

Substrat Biyolojik arıtımda organik madde veya nütriente verilen isimdir.Genellikle biyolojik arıtımda sınırlayıcı maddeye verilen isimdir.Örneğin organik maddenin giderildiği biyolojik arıtımda organikmadde substrat iken, nitrifikasyonda amonyum substrattır.

Atıksu Arıtımında Mikroorganizmanın Rolü

Atıksu arıtımında çözünmüş ve partikül haldeki organik maddelerin arıtımında bir çokmikroorganizma rol almakta olup, en önemlisi bakteridir. Mikroorganizmalar, çözünmüş yadapartikül halindeki organik maddeleri oksitleyerek, basit yan ürünlere ve biyo-kütleye

dönüştürmekte olup, bu olay aşağıdaki reaksiyon ile özetlenebilir.

Organik madde + O2 + NH3 + PO4-3 → yeni hücreler + CO2 + H2O

Ayrıca, bazı bakteriler amonyak veya amonyumu nitrata dönüştürebilmektedir. Bazı anoksikbakteriler de nitratı elektron alıcı olarak kullanıp azot gazına indirgeyebilmektedir. Fosfor

arıtımında ise çeşitli konfigürasyonlar kullanarak fosfor depolayan bakteriler zenginleştirilirve inorganik fosfor hücre içerisinde depolanır. Biyolojik oksidasyon sonucu üretilen

biyokütlenin özgül yoğunluğu, suyun yoğunluğundan biraz fazla olup kendi ağırlığıylaçökelebilir. Arıtım sonrası bakterinin ayrılmaması durumunda tam bir arıtım yapılmış

sayılmaz çünkü bakterinin kendisi çıkış suyunda KOİ ve BOİ olarak ölçülecektir.

Atıksu Arıtımı Amacıyla Kullanılan Biyolojik Prosesler

Atıksu arıtımı amacıyla kullanılan biyolojik prosesler askıda ve bağlı büyümeli olarak ikikategoriye ayrılabilir(Tablo 5.2). Tablo 5.2’de verilen prosesleri dizayn ederek etkili bir

şekilde işletebilmek için proseslere ait reaksiyonları, her bir proseste yer alanmikroorganizmaları, çevresel ve besin ihtiyaçlarını bilmek gerekmektedir.

Askıda Büyümeli prosesler

Askıda büyümeli sistemlerde mikroorganizmalar, uygun karıştırma metotlarıyla sistemdeaskıda tutulur. Askıda büyümeli aerobik sistemler hem evsel hem de endüstriyel atıksuların

arıtımında yaygın bir şekilde kullanılmakla beraber, askıda büyümeli anaerobik prosesuygulamaları da mevcuttur. En yaygın olarak kullanılan askıda büyümeli aerobik proses aktif

çamur sistemi olup, Şekil 5.2’de gösterilmiştir. Aktif çamur prosesi 1913 yılında LawrensDeney İstasyonunda Clark ve Gage tarafından ve İngiltere’de Ardern ve Lockett (1914)tarafından bulunmuştur. Sisteme aktifleştirilmiş (veya aktif) çamur denmesinin nedeni aerobikkoşullarda atığı stabilize edecek aktif biyokütlenin üretilmesidir. Havalandırma tankındabiyokütle karışımıyla atıksu temas halinde tutularak biyokimysal reaksiyonların oluşması

sağlanır. Havalandırma tankındaki kütleye karışık askıda katı madde denir. Bu karışımın


25/103

sağlaması ve sisteme oksijenin verilmesi için mekanik ekipmanlar kullanılır. Daha sonra,karışık sıvı bir çöktürme tankına alınır ve burada biyokütle çöktürülerek yoğunlaştırılır.

Şekil 5.1. Evsel atıksu arıtımı amacıyla kullanılan arıtma çeşitli arıtma tesisi akım şemaları

Aktif çamur olarak adlandırılan çöktürülen çamur, havalandırma tankına geri devrettirilerek

arıtıma devam etmesi sağlanır. Üretilen çamurun bir kısmı günlük veya periyodik olaraksistemden uzaklaştırılır çünkü çamurla beraber atıksu girişinden gelen bir kısım dirençlikatılarda sistemde birikmekte olup fazla çamurun çekilmesi gerekmektedir. Eğer sistemdebiriken çamur uzaklaştırılmaz ise bir şekilde sistem çıkışından kaçacak ve arıtılmış suyunkalitesini bozacaktır.

Aktif çamurun önemli bir özelliği, 50 ile 200 µm arasında değişen flok partiküllerininüretilmesidir. Bu partiküller çökelme ile atıksudan uzaklaştırılabilir ve temiz bir çıkış suyu

elde edilebilir. Tipik olarak üretilen flokların %99’u çökelme ile sudan ayrılabilir.


26/103

Tablo 5.2. Atıksu arıtımında kullanılabilecek önemli biyolojik arıtma prosesleri

Tipi Genel Adı Kullanımı

Havalı Prosesler: Askıda-Büyüyen

Aktif çamur prosesleriKonvansiyonel(piston akımlı)

Tam karışımlıKademeli havalandırmalıSaf oksijenliArdışık kesikli reaktörKontakt stabilizasyonUzun havalandırmalı A.ÇOksidasyon hendeğiDerin şaft A.Ç. sistemi

Karbonlu BOI giderimi venitrifikasyon

Yüzeyde büyüyen

(Biyofilmli)

Askıda-büyüyen NitrifikasyonHavalandırmalı lagünHavalı çürütme

Konvansiyonel havalıSaf oksijenliDamlatmalı FiltreDüşük hızlıYüksek hızlıKaba Filtre (roughing)Döner biyolojik diskDolgulu kuleler

NitrifikasyonKarbonlu BOI giderimi(nitrifikasyon)

Stabilzasyon, karbonluBOI5giderimi nitrifikasyonKarbonlu BOI gideriminitrifikasyonKarbonlu BOI giderimikarbonlu BOI giderimi venitrifikasyon

Birle şik askıda ve

tutunarak

büyüyen sistemler

Aktif çamur biyofiltreprosesleribiyofiltre prosesleri aktifçamur

Anoksik Prosesler:

Askıda büyüyen

Tutunarak büyüyen

Askıda büyüyendenitrifikasyonSabit-film denitrifikasyon

Denitrifikasyon

Havasız Prosesler: Askıda büyüyen

Havasız çürütmeStandart hızlı, tek kademeliYüksek hızlı, tek kademeliiki kademeliHavasız kontakt proseslerHavasız çamur yataklı reaktör

karbonlu BOI giderimi

Tutunarak büyüyen Havasız filtreGenleşmiş yataklı reaktör

karbonlu BOI giderimi,atıkstabilizasyonu,denitrifiaksyon.karbonlu BOI giderimi,atıkstabilizasyonu

Birleşik havalı, havasız ve

anoksik prosesler Askıda büyüyen

Tek veya çok basamaklı,çeşitliözel prosesler

Karbonlu BOI giderimi,nitrifikasyon,denitrifikasyonP giderimi


27/103

Birle şik askıda ve

tutunarak büyüyen

Tek veya çok kademeliprosesler

Karbonlu BOI giderimi,nitrifikasyon,denitrifikasyon,Pgiderimi

Lagünler

Havalı havuzlar,Olgunlaştırma havuzları

Fakültatif havuzlarHavasız havuzlar

Karbonlu BOI giderimiKarbonlu BOI gid.(nitr.)

Karbonlu BOI giderimiKarbonlu BOI giderimi(atıkstabilizasyonu)

Şekil 5.1. Askıda büyümeli biyolojik proseslerBağlı Büyümeli Sistemler

Bağlı büyümeli sistemlerde organik maddelerin ve nütrientlerin dönüşümünden sorumlu olanmikroorganizmalar inert bir taşıyıcı malzemeye yapışık olarak büyürler. Bağlı olarak büyüyenmikroorganizmalar biyofilm olarak adlandırılır. Mikroorganizmaların tutunması için

kullanılan taşıyıcı malzemeler; taş, çakıl, kum, plastik, tahta veya bazı sentetik malzemelerolabilir. Bağlı büyümeli sistemler aerobik veya anaerobik olarak işletilebilirler. Ayrıca busistemler, batmış yani tamamen su ile dolu veya batmamış yani kısmen su ile dolu olacakşekilde de işletilebilirler.


28/103

Atıksu arıtımında en çok kullanılan aerobik biyofilm prosesi damlatmalı filtrelerdir. Bu

filtrelerde, atıksu üst taraftan yarı doygun yatak malzemesi üzerine damlalar şeklinde verilirve atıksu biyofilm üzerinden akarken arıtım gerçekleşir. Damlatmalı filtrelerde, taşıyıcımalzeme olarak genellikle taş malzeme kullanılmakta olup derinlikleri 1.25-2 m arasındadır.Damlatmalı filtre aşağıdaki şekilde verilmiştir.

Şekil 5.2. Bağlı büyümeli biyolojik arıtım prosesi

Modern damlatmalı filtreler ise; 5-10 m yüksekliğinde olup, biyofilm yapışması amacıylaplastik malzeme kullanılmaktadır. Plastik malzeme ile doldurulmuş kulelerde, boşluk hacmigenellikle yüksek olup %90-95 civarındadır. Boşluklardaki hava sirkülasyonu doğal yollarla,tüplerle veya hava pompalarıyla sağlanmakta olup, bağlı olarak büyüyen mikroorganizmalar

için oksijen sağlanır. Atıksu biyofilm üzerinden ince bir film şeklinde akar. Fazlamikroorganizma, taşıyıcı malzeme üzerinden kopar ve bu nedenle düşük konsantrasyonlardaaskıda katı madde içeren çıkış suyu elde edebilmek için çökeltme tankı gerekmektedir. Çökenkatılar, çökeltme tankının dip tarafında toplanır ve zaman zaman uzaklaştırılır.

Mikroorganizmaların Kompozisyonu ve sınıflandırılması

Biyolojik atıksu arıtımında kullanılan karışık kültür, bakteri, protozoa, rotifer ve alg gibibirçok farklı mikroorganizma grubu içermektedir. Bazı durumlarda, biyolojik atıksu arıtımı

sadece spesifik türlerin varlığıyla gerçekleşebilir. Bu bölümde mikroorganizmaların daha iyi

anlaşılabilmesi için (1) hücre içeriği (2) hücre bileşimi (3) mikroorganizmaların aktivitesini


29/103

etkileyen çevresel koşullar (4) mikroorganizmaların tanımlanması ve sınıflandırılması içinmetotlardan bahsedilecektir.

Hücre İçeriği

Prokaryotik hücrelerin önemli içerikleri ve fonksiyonları Şekil 5.3a ve Tablo 5.3’degösterilmiştir. Benzer olarak ökaryotik hücrelerin içerikleri ise Şekil 5.3b’de gösterilmiştir.

Şekil 5.3. Prokaryotik (a) ve ökaryotik (b) hücrenin yapısı

Mikroorganizmanın arıtma kapasitesini belirleyen enzimlerin üretilmesinden

deoxiribonükleik asit (DNA) ve ribozomlar sorumludur. Ribozomlar proteinlerin (dolayısıyla

enzimlerin) sentez yeri olup, proteinlerin yapısını belirleyen genetik bilgiyi DNA

sağlamaktadır.

Nükleik asitler, DNA ve RNA, nükleotitlerden meydana gelmektedir. Her bir nükleotit beş karbonlu şeker bileşiği, bir azotlu baz, ve fosfat molekülünden oluşmaktadır (Şekil 5.4). DNAve RNA zincirini oluşturmak için, fosfat grubu şeker molekülünün 3. karbonuna (oksijenbağından saat yönüne doğru) bağlanır. DNA’nın azot bazı dört adet pirimidin veya purinbileşiklerinden biri olabilir: stozin (cytosine, C), timin (thymine, T), adenin (adenine, A) veguanin (guanine, G). Benzer olarak RNA’da da dört azotlu baz yer almakta olup, sadece timin

yerine urasil (uracil, U) mevcuttur. DNA, çift sarmallı olup her bir sarmal birbirine azot

bağlarıyla bağlanmaktadır. Bağlanma oldukça spesifik olup, G ile C, A ve T birbirinebağlanabilmektedir. RNA ise tek sarmallı bir yapı olup, A, C, G ve U bazlarını içermektedir.DNA daki nükleotitlerin sırası, bakteriler için gerekli spesifik protein ve enzimlerin üretilmesi

için gerekli genetik kodu oluşturur. DNA’daki nükleotit sayısı oldukça fazla olup genellikle

kilobaz (1000 nükleotit) olarak verilir. Escherichia coli her bir DNA sarmalında 4.7 milyonnükleotit veya 4700 kilobaz çiftine sahiptir.


30/103

Tablo 5.3. Bakterinin hücre içeriklerinin tanıtılması

Hücre bileşeni Fonksiyonu

Hücre duvarı

Hücre şeklinin oluşmasını sağlar ve yapıyı kuvvetlendirir. Hücre

membranını korur. Bazı bakteriler hücre duvarının etrafını saran yapışkanpolisakarit tabaka oluşturabilir. Buna kapsül veya kaygan tabaka denir.

Hücremembranı

Hücre içerisine çözünmüş organik ve nütrientlerin alınmasıyla, hücredışına metabolik ürünlerin atılmasını kontrol eder.

StoplazmaSu, nütrinet, enzim, ribozom ve küçük organik molekülleri içeren ve hücrehücrenin işlev görmesini sağlayan sıvıdır.

Stoplazmikdepolar

Karbon, nütrient ve enerji sağlayan stoplazmik depolardır.Polihidroksibütrat (PHB) veya glikojen, yağ, ve sülfür granülleri gibi

depolardır.

DNAÇift sarmallı bir yapı olup, hücrede üretilecek protein veya enzimler içingenetik bilgileri sağlar.

Plazmid DNAKüçük yuvarlak DNA molekülleri olup, bakterilere özel genetik özelliklerkazandırır.

Flagellea Protein olup saç yapısındadır. Bakteriye hareket özelliği kazandırır.

Fimbriae ve pili

Kısa saç yapısında proteinler olup, bakterilerin birbirine ve yüzeylere

yapışmasını sağlar.

Şekil 5.4. DNA ve RNA’yı oluşturan nükleotitlerin yapısı

Gen ekspresyonu, Şekil 5.5’de verilmiştir.


31/103

Şekil. 5.5. Gen ekspresyonu proteinlerin oluşmasını sağlar. İlk olarak DNA’nın birkısmındaki genetik kod mRNA ya yazılır, bu genetik kod ribozomlarda okunur ve tRNA ların

taşıdığı amino asitlerle önce polipeptitler ve son olarak proteinler oluşturulur.

Hücre enzimi; protein ve metalik iyonlar (Zn, Fe, Cu, Mn yada Ni) gibi kofaktörler içerir.

Enzimler, atıksu arıtımında mikroorganizmaların metabolik kapasitesini belirler. Enzimler

büyük moleküller olup, molekül ağırlıkları 10.000-1.000.000 arasında değişmektedir.

Enzimler; hidroliz, indirgenme-yükseltgenme ve sentez reaksiyonları gibi hücrenin önemlibiyolojik reaksiyonlarını katalizler. Örnek olarak hücre dışı enzimler, partikül halindeki yadabüyük moleküllerin hidrolizini gerçekleştirmekte olup, oluşan düşük molekül ağırlığına sahipmoleküller hücre membranından kolaylıkla geçebilmektedir. Enzimler ayrıca constitutive

(yapısal) veya inducible olarak adlandırılabilirler. Constitutive enzimler hücre tarafından

sürekli olarak üretilirken, inducible enzimler ancak spesfik bir bileşiğin mevcudiyetinde yaniözel koşullarda üretilen enzimlerdir. Enzim aktivitesi, sıcaklık ve pH ile değişebilmektedir.

Hücre içeriği

Biyolojik sistemlerde mikrobiyal büyümeyi desteklemek için, uygun nütrientlerin mevcutolması gerekmektedir. Bir hücrenin tipik kompozisyonu, büyüme için nelerin gerektiğine dairbilgiler sunmaktadır. Prokaryotlar %80 su ve %20 kuru madde içermektedir. Bu kuru

maddenin %90’ı organik ve %10’u inorganiktir. Prokaryotik bir hücreye ait tipik

kompozisyon Tablo 5.4’de verilmiştir.


32/103

Tablo 5.4. Bakteri hicresinin tipik kompozisyonu

Bir hücrenin organik kısmını göstermek için en çok kullanılan formül C5H7NO2 olup ilk defa

Hoover ve Porges tarafından 1952 yılında önerilmiştir. Organik franksiyonun yaklaşık %53’ükarbondur. Fosforunda dikkate alındığı bakteri formülü ise C60H87O23N12P şeklindeverilebilir. Her iki formülde yaklaşık olup, bakteri türüne, zamana ve yaşam koşullarına bağlıolarak kompozisyon değişebilir. Azot ve fosfor yüksek konsantrasyonlarda hücre içerisinde

bulunduğu için makro nütrienter olarak isimlendirilirler. Prokaryotlar ayrıca iz miktardaçinko, mangan, bakır, molibdenyum, demir ve kobalt gibi metalik iyonlara yada

mikronütrientlere ihtiyaç duyabilir. Bütün bu elementler ve bileşikler mikroorganizmalarınyaşam çevrelerinden alındığından, her hangi birinin eksikliği büyüme hızını değiştirebilir.

Çevresel Faktörler

Büyüme ortamının pH ve sıcaklığı, mikroorganizmaların seleksiyon, hayatta kalma vebüyüme özelliklerini önemli derecede etkiler. Birçok bakteri geniş bir pH ve sıcaklıkaralığında canlı kalabilirken, optimum değerler oldukça dar bir aralıktadır. Optimum

sıcaklığın altındaki değerlerde, genellikle 10o

C’lik bir sıcaklık artışı, bakterilerin büyümehızını iki kat arttırır. Optimum sıcaklık değerlerine göre bakteriler psikrofilik, mezofilik ve


33/103

termofilik olarak sınıflandırılırlar. Her bir kategoriye ait optimum aralıklar Tablo 5.5’de

verilmiştir.

Tablo 5.5. Biyolojik proseslerin sıcaklığa göre sınıflandırılması

pH bakteri büyümesi için önemli çevresel faktörlerden biridir. Birçok bakteri pH 9,5’in

üzerinde veya 4.0’ün altında yaşayamamakta olup optimum değer genellikle 6,5-7,5

arasındadır. Bazı arkeler 60-80oC sıcaklıklarda, çok düşük pH değerlerinde veya yüksektuzluluklarda yaşayabilirler.

Mikrobiyal Metabolizmaya Giriş

Biyolojik artıma tesislerinin dizaynın veya seçiminin yapılabilmesi için mikroorganizmaların

biyokimyasal aktivitelerinin bilinmesi gerekmektedir. Mikroorganizmaların, hücrelerin

karbon kaynağına göre, elektron alıcı veya vericilerine göre kıyaslanması Tablo 5.6’daverilmiştir. Farklı mikroorganizmalar; oksijen, nitrat, nitrit, Fe(III), sülfat, organik maddelerve CO2 gibi elektron alıcıları kullanabilirler. Bazı önemli karbon mekanizmaları ayrıca Şekil

5.6’da verilmiştir.

Şekil 5.6. Bakteri metabolizmalarına örnekler. (a) aerobik, heterotrof; (b) aerobik, ototrof; (c)anaerobik, heterotrof


34/103

Tablo 5.6. Mikroorganizmaların karbon kaynağı, elektron alıcı, elektron verici ve ürettiği sonürünlere göre sınıflandırılması

Mikrobiyal Büyüme İçin Karbon ve Enerji Kaynakları

Mikroorganizmanın büyümek ve etkili bir şekilde foksiyonlarını yürütmek için; enerjikaynağına, hücre materyallerini üretmek için karbon kaynağına ve azot, fosfor, potasyum,kalsiyum, magnezyum gibi inorganik nütrient kaynaklarına ihtiyacı vardır. Büyüme faktörleri

olarak kullanılan organik nütrientlere de ihtiyaç duymaktadır.

Karbon kaynakları: mikroorganizmalar karbon ihtiyaçları organik maddelerden veyaCO2’den temin ederler. Bakteriler organik yada inorganik maddeleri oksitleyerek enerji

üretirler. Işığı enerji kaynağı olarak kullanan organizmalar fototrof olarak bilinirler. Fototrofikorganizmalar, heterotrof (kükürt-indirgeyen bakteriler gibi) yada ototrof (algler ve

fotosentetik bakteriler). Enerjilerini kimyasal reaksiyonlardan üreten organizmalar isekemotrof olarak bilinir. Fototroflar gibi, kemotrofik organizmalarda heterotrof (protozoa,

fungus ve bakteriler) yada ototrof (nitrifikasyon yapan bakteriler) olabilirler. Kemoototroflar

manyak, nitrit, ferros demir ve sülfür gibi inorganiklerin oksidasyonundan enerjilerini

üretirler. Kemoheterotroflar ise organik maddelerin oksidasyonu sonucunda enerji üretirler.

Kemotrofların enerji üretmede kullandıkları reaksiyonlar, indirgenme-yükseltgenme

reaksiyonları olup, bir elektron vericiden alınan elektronların bir elektron alıcısına

aktarılmasını içerir. Elektron alıcı ve vericiler, mikroorganizma çeşidine bağlı olarak organikveya inorganik olabilir. Enzimleri sayesinde elektronları, dışarıdan alınan bir elektron

vericisine aktaran organizmalar solunum metabolizmasına (respiratory metabolism) sahiptir.


35/103

Elektron alıcı olarak oksijenin kullanıldığı reaksiyonlara aerobik reaksiyonlar, nitratınkullanıldığı reaksiyonlara anoksik reaksiyonlar denir. Diğerleri ise anaerobik reaksiyonlarolarak adlandırılır. Anoksik ortamda nitrat elektron alıcı olarak kullanılarak azot gazına

indirgenir. Bu reaksiyon biyolojik denitrifikasyon olarak bilinir ve sulardan azot arıtımında

sıklıkla kullanılır. Sadece oksijeni kullanan organizmalar zorunlu aerobikler olarak bilinir.

Hem oksijen hem de nitratı kullananlar ise fakültatif olarak bilinirler.

Fermantasyon ile enerjilerini sağlayan ve aerobik ortamda yaşayamayan organizmalar zorunluanaerobikler olarak bilinirler. Fakültatif anaerobikler ise hem moleküler oksijen varlığındahem de yokluğunda yaşayabilirler. Bu organizmalar iki gruba ayrılabilir. Gerçek fakültatifanaerobikler oksijen mevcudiyetine bağlı olarak fermentatif metabolizmadan aerobik solunummetabolizmasına geçebilirler. Aerotolerant anaerobikler ise kesinlikle fermentatif

metabolizma sonucu enerji üretmelerine rağmen, moleküle oksijene karşı hassas değildir.

Nütrient ve büyüme faktörleri ihtiyacı

Genellikle karbon veya enerji kaynakları değil de nütrientler mikrobiyal sentez ve büyümeyisınırlamaktadır. Mikroorganizmalar tarafından kullanılan inorganik elementler N, S, P, K,

Mg, Ca, Na ve Cl’dir. İz miktarda ihtiyaç duyulan önemli nütrientler ise; Zn, Mn, Mo, se, Co,Cu ve Ni’dir. İhtiyaç duyulan organik nütrientler ise; büyüme faktörü olarak bilinir veprecursor yada o0rganik hücrenin bir bileşeni olup, bunları bakteriler diğer karbonkaynaklarından sentezleyemezler. Büyüme faktörleri bir organizmadan diğer organizmayadeğişiklik gösterse de önemli büyüme faktörleri (1) amino asitler (2) azotlu bazlar (purine veprimidinler) ve (3) vitaminler olarak sınıflandırılır.

Evsel atıksular genellikle yeteri kadar nütrient içermekle beraber özellikle yüksek organikmadde içeren endüstriyel atıksularda nütrient eksikliği olabilir. Bakteri formülüC12H87O23N12P olarak alınırsa, 100 g bakteri hücresi üretmek için 12,2 g azot, 2.3 g fosfata

ihtiyaç duyulacağı hesaplanır.

Bakteri Büyümesi

Substrat tüketilmesine paralel olarak, atıksu arıtımı sırasında sürekli olarak bakteri üretilir.

Bakteriler genellikle bölünme ile çoğalmakta olup buna binary fizyon denir. Bir hücreninbölünmesi için gerekli zamana generasyon zamanı denir ve bakteri çeşidine bağlı olarak

günler mertebesinden 20 dakika aralığına kadar değişebilir. Örnek olarak eğer generasyonzamanı (ikilenme zamanı) 30 dakika alınırsa ve bakterinin çapı ve yoğunluğu sırasıyla 1 µmve 1 g/cm3 olarak alınırsa, bir bakterinin ağırlığı 5. 10-13 g olur. 12 saat içerisinde bakterisayısı 16.777.216 (224), toplam ağırlığı ise 8.4 µg olur. Dolayısıyla, bakteri ağırlığına kıyaslasayısı çok daha önemli derecede artmaktadır. Tabi bu büyüme durumu hiç bir şeyin büyümeyisınırlamadığı durumlar için geçerli olup, genellikle atıksu arıtımında bir veya birkaç faktörbüyümeyi sınırlamakta olup, büyüme sonsuza kadar devam etmemektedir.

Kesikli bir reaktörde bakteri büyüme eğrisi aşağıda veriliş olup, büyüme evreleri lag fazı,logaritmik büyüme fazı, durağan faz ve ölüm fazı olarak ayrılır.


36/103

Şekil 5.7. Kesikli reaktörde bakteri büyüme evreleri

Bakteri büyümesi ve dönüşüm katsayısı (biomass yield)

Dönüşüm katsayısı = (g üretilen biyokütle) / (g substrat tüketilen)

Aerobik bakteriler için: g SS veya VSS/g substrate; g SS veya VSS/g COD veya; g CODbiyokütle/g COD substrat

Ototrofik nitrifikasyon bakterileri için: g SS veya VSS/NH4-N oksitlenen.

Atıksu arıtımında, birçok organik madde suda bulunabileceği için organikleri tek tekbelirlemek imkânsızdır. Bu nedenle tüm organiklerin toplamı için bir ölçüt olan KOİ veyaBOİ kullanılır.

Biyokütle büyümesinin ölçülmesi

Biyokütle çoğunlukla organik maddelerden meydana geldiği için toplam bakteri miktarıuçucu katı madde veya partikül KOİ ölçülerek belirlenebilir. Fakat bu ölçümlerde canlı vecanlı olmayan bakteriler ayırt edilemez. Ayrıca, partikül halinde organik madde miktarı çok

fazla olan sularda bu ölçümler gerçek bakteri konsantrasyonunu vermeyecek olup, hücre

proteini, DNA ve enerji transferi amacıyla kullanılan ATP bakteri konsantrasyonunu

belirlemek amacıyla kullanılabilir. Genellikle kuru bakteri ağırlığının %50’sinin proteinolduğu kabul edilebilir. Düşük biyokütle içeren sularda bakteri konsantrasyonu bulanıklıkölçülerek de belirlenebilir. Bazen sadece canlı bakterilerin ölçülmesi istenir. Bu durumda,

seyreltilen bakteri karışımı agar üzerine sürülerek ekim yapılır ve inkübasyon sonucunda

oluşan koloniler sayılır. Fakat unutmamak gerekir ki bütün bakteriler agar üzerindebüyütülemeyebilir.


37/103


38/103

Dolayısıyla yukarıda verilen glikoz oksidasyonu için gereken oksijen aşağıdaki şekildebulunabilir.

oksitlenen substrat, gerekli oksijene eşit olup;

Oksijen ihtiyacı = Kullanılan KOİ – Hücre KOİ değeri

= (1.07 g O2 /g glikoz).(3 mole x 180 g glikoz/mole) – (1,42 g O2 /g hücre)(2x113 g

hücre/mole) = 577,8-320,9 = 256,9 g O2.

Dolayısıyla, kullanılan KOİ başına gerekli oksijen miktarı;

Kullanılan oksijen/glikoz = 256,9 g oksijen / [(3 mole x 1,07 g KO İ /g glikoz x 180 gglikoz/mol)] = 0,44 g O2 /g KOİ kullanılan.

Veya denklem kullanılarak gerekli oksijen miktarı aşağıdaki şekilde de hesaplanabilir.

Örnek 7.1. Gözlenen Biyokütle Dönüşüm Katsayısı ve Oksijen Kullanımı. Aşağıdaverilen geri devirsiz bir aktif çamur ünitesi 500 g/m3 konsantrasyonuna sahip çözünmüş biyolojik ayrışabilir KOİ (bsKOİ) içermektedir. Debi 1000 m3 /gün ve reaktör çıkışındakibsKOİ ve VSS konsantrasyonları sırasıyla 10 ve 200 g/m3 dür. Buna göre;

a) Gözlenen dönüşüm katsayısını g VSS/g KOİ b) Gerekli olan oksijeni gO2 /g KOİ ve g/gün olarak hesaplayın.


39/103

Çözüm:

1. Dönüşüm katsayısının hesaplanması

Aşağıda verilen genel denklemin geçerli olduğunu düşünerek

2. Giderilen her gram bsKOİ için gerekli oksijen ise;a. İlk olarak KOİ kütle dengesi yazılır. Buna göre;

Birikim = giren – çıkan - kullanılan

0 = KOİgiren – KOİçıkış – kullanılan oksijen

Kullanılan oksijen = KOİgiren – KOİçıkan

KOİgiren = 500 g/m3. (1000 m3 /gün) = 500.000 g KOİ /gün

KOİçıkan = çözünmüş KOİ + biyokütle KOİ

bsKOİçıkan = 10 g/m3 (1000 m3 /gün) = 10.000 g KOİ /gün

Çıkışta biyokütle KOİ = 200.000 g VSS/gün (1,42 g KOİ /gVSS) = 284.000 gKOİ /gün.

Çıkıştaki toplam KOİ = 10.000 g/gün + 284.000 g/gün = 294.000 g KOİ /gün

b. Gerekli olan oksijen ise;

500.000 g KOİ /gün – 294.000 g KOİ /gün = 206.000 g KOİ /gün = 206.000 g O2 /gün.

c. Kullanılan her gram KOİ başına gerekli oksijen ise;


40/103

oksijen/KOİ = (206.000 g/gün)/(490.000 g/gün) = 0,42 g O2 /g KOİ.

MİKROBİYAL BÜYÜME KİNETİĞİ

Evsel ve endüstriyel atıksular birçok farklı maddeler içerdikleri için organik bileşenlerin

konsantrasyonu genellikle biyolojik olarak parçalanabilir (biodegradable) KOİ (bKOİ veyabCOD) yada UBOİ (UBOD) şeklinde verilir. bCOD ve UBOD, çözünmüş, koloidal vepartikül halindeki biyolojik parçalanabilir bileşenleri kapsar. Bu bölümde kolaylık açısındançözünmüş haldeki biyolojik parçalanabilir KOİ (bsCOD) kullanılacaktır. bsCOD ikibileşenden oluşmaktadır; hızlı (veya kolay) ve yavaş parçalanabilir COD.

Aktif çamur reaktörü içerisindeki biyokütle genellikle MLSS (karışık sıvıda askıda katımadde) veya MLVSS (karışık sıvıda askıda uçucu katı madde) olarak ifade edilir.Biyoreaktördeki MLSS’in üç bileşeni vardır; biyokütle, biyolojik olarak parçalanmayan uçucukatı madde (nbVSS) ve inert inorganik toplam askıda katılar (iTSS). nbVSS giriş atıksuyunda

olabileceği gibi, biyokütlenin içsel solunumu sırasında da üretilebilmektedir. iTSS ise giriş atıksuyundan dolayı oluşmaktadır.

Atıksu arıtımının amacı substrat tüketmektir. Ototrofik bakteriler için substrat veya elektron

verici genellikle organik maddeler iken, ototrofik bakterilerin kullanıldığı arıtmasistemlerinde genellikle amonyak ve nitrittir.

Biyolojik sistemlerde substrat giderim hızı aşağıdaki denklemle ifade edilir (MonodDenklemi (Monod, 1942, 1949)).

= − + Burada,

rsu = substrat tüketim hızı, g/(m3.gün)

k= maksimum spesifik substrat kullanım hızı, gsubstrat/gmikrrorganizma.gün (veya sadece

1/gün)

X= biyokütle konsantrasyonu, g/m3.

S= büyümeyi sınırlayan substrat konsantrasyonu, g/m3.

Ks= yarı doygunluk katsayısı. Büyüme hızı maksimum spesifik büyüme hızının yarısındayken

substrat konsantrasyonu Ks ye eşittir.

Monod Denklemine göre substrat kullanım hızı, substrat konsantrasyonuna bağlı olupaşağıdaki Şekil 5.8’de bu değişim gösterilmiştir.


41/103

Şekil 5.8. Monod denklemine göre substrat kullanım hızı ile substrat konsantrasyonundeğişimi

Substratın maksimum hızda kullanıldığı durumda, bakteri de maksimum hızda büyüyecektir.Bu durumda maksimum büyüme hızı;

= ve

=

Burada, µ m = maksimum spesifik bakteri büyüme hızı, g hücre/g hücre.gün veya sadece

(1/gün)

Y = gerçek (true) dönüşüm katsayısı (g hücre/g substrat, veya birimsiz).

Bu tanımlara göre, substrat tüketim hızı ayrıca aşağıdaki denklemle de ifade edilebilir.

= − ( + ) Çözünmüş Substrat Kullanımı İçin Diğer Hız İfadelerirsu = -k

rsu = -kS

rsu = -kXS

= − Biyolojik prosesin düşük substrat konsantrasyonlarında işletildiği sistemlerde genelliklebirinci dereden hız ifadeleri iyi sonuç verebilir.


42/103


43/103

Eğer denklemin her iki tarafı X’e bölünürse, spesifik büyüme hızı aşağıdaki şekilde ifadeedilebilir.

Burada µ = spesifik biyokütle büyüme hızı, gVSS/gVSS.gün

Dolayısıyla spesifik büyüme hızı, toplam biyokütle konsantrasyonuna oranla biyokütle

miktarındaki günlük değişim olarak tanımlanır.

İçsel solunum katsayısı ise; hücre içi materyallerin oksidasyonu, hücre ölümü ve predasyonolaylarını kapsar. Bu katsayı hücre yaşı ile değişim göstermektedir. Biyokütlekonsantrasyonundaki azalma içsel solunum olarak adlandırılır. Alternatif bir yaklaşım iselysis-regrowth (çürüme ve tekrar büyüme) modelidir.

Biyolojik büyüme sistemlerinde teorik olarak bir çok nütrient yada büyüme faktörü büyümeyi

limitleyebilmektedir. Fakat genellikle elektron verici limitleyen faktör olup diğerlerifazlasıyla ortamda mevcuttur. Dolayısıyla, büyüme kinetiğinde kullanılan substrat terimigenellikle elektron vericiye refer etmektedir.

Substrat Kullanımı ve Biyokütle Kullanımı için Kinetik Katsayılar

Substrat kullanımı ve biyokütle büyümesi için kullanılan k, Ks, Y ve kd gibi katsayılar

atıksuya, biyokütle popülasyonuna ve sıcaklığa bağlı olarak değişmektedir. Bu katsayılarlaboratuar veya gerçek ölçekli reaktör çalışmalarıyla elde edilir. Evsel atıksu da BOİ giderimiiçin tipik katsayılar Tablo 5.7’de verilmiştir.

Tablo 5.7. Evsel atıksuların aktif çamur prosesi ile arıtılmasında kullanılabilecek kinetikkatsayılar

Oksijen kullanım hızı

Oksijen tüketim hızı substrat tüketim ve bakteri büyüme hızıyla orantılıdır. Dolayısıyla

oksijen kullanım hızı aşağıdaki şekilde verilebilir;


44/103

= − −1,42 Burada r0 = oksijen kullanım hızı gO2 /m

3.d

1,42 = hücrenin KOİ sidir. bsCOD/gVSS

Sıcaklığın Etkisi

Biyolojik proseslerin verimlerinin belirlenmesinde sıcaklığın proses kinetiğini üzerineetkisinin belirlenmesi oldukça önemlidir. Sıcaklık sadece biyolojik reaksiyon hızını etkilemez

aynı zamanda, gaz transfer hızını ve çökme hızını da etkilemektedir. Sıcaklığın biyokinetikkatsayılar üzerine etkisi aşağıdaki denklem ile ifade edilebilir.

= () Burada kT ve k20 sırasıyla T ve 20

oC’de ki kinetik katsayı değerlerini vermektedir.

θ = sıcaklık-aktivite katsayısı (1,02-1,25).

Toplam askıda uçucu katı madde ve aktif biyokütle

Biyolojik kinetiklerde kullanılan X aktif biyokütle konsantrasyonudur. Gerçekte bir

reaktördeki VSS aktif biyokütle dışında maddeleri de içermekte olup, aktif biyokütle oranıatıksu karakteristikleri ve reaktör işletme koşullarına bağlı olarak değişmektedir. Aktif kütledışında VSS konsantrasyonuna katkıda bulunan diğer bileşenler ise; hücrenin decay indenkaynaklanan hücre atıkları ve giriş atıksuyunda bulunan ve biyolojik olarak parçalanmayan

uçucu askıda katılardır.Bakteri ölümü sırasında hücrenin parçalanması meydana gelir ve hücre materyalleri sıvı

içerinse salgılanır. Bu hücre materyaller üzerinden diğer bakteriler gelişebilmektedir.Hücrenin bir kısmı (hücre duvarı) çözünmez ve biyolojik olarak parçalanamayan organik

madde olarak kalır. Oluşan bu artık maddeye hücre atık malzemesi denilir ve tüm hücreağırlığının %10 ile 15 ini oluşturmaktadır. Hücre atık malzemesi de VSS olarak ölçülür vekarışık sıvıda ölçülen VSS konsantrasyonuna katkıda bulunur. Hücre atık malzeme oluşumhızı direk olarak hücre içsel solunum hızı ile orantılıdır.

= () Burada rxd = hücre atık oluşturma hızı, g VSS/m3.df d = hücrenin atık olarak kalan kısmı, 0.1-0.15 g VSS/gVSS

Havalandırma havuzundaki VSS’in bir kısmı giriş atıksuyundan gelen nbVSS olup evselatıksularda bu değer 60-100 mg/L olup, ön çöktürmeden sonra bu değer 10-40 mg/L’yedüşmektedir.


45/103

Toplam askıda katı madde

Havalandırma havuzunda VSS oluşum hızı bulunurken, biyokütle oluşum hızı, hücre atığınınoluşum hızı ve girişteki nbVSS birikme hızı dikkate alınmalıdır.

Burada rXT,VSS = toplam VSS üretim hızı, g/m3.d

Q = Giriş debisi, m3 /gün

X0,i = girişte nbVSS konsantrasyonu, g/m3

V = reaktör hacmi, m3.

Aktif biyokütle: üretilen net biyokütlenin toplam VSS’e oranı olarak ifade edilebilir.

FX,act = (-Yrsu – kdX)/rX,VSS

Burada FX,VSS = aktif biyokütle oranı olarak ifade edilir.

Net ve gözlenen dönüşüm katsayısı

Gerçek (true) dönüşüm katsayısı önceki bölümlerde hücre sentezi sırasında tüketilen substratakıyasla üretilen biyokütle olarak tanımlanmıştı. Biyolojik arıtım sistemlerinin dizayn veanalizinde iki önemli dönüşüm katsayısı daha kullanılmaktadır. Bunlar; (1) net biyokütleüretim katsayısı (2) gözlenen katı üretim katsayısı. Bu tanımlardan birincisi sistemdeki aktif

biyokütlenin üretimini tahmin etmek için kullanılır. İkincisi ise çamur üretimindekullanılmaktadır.

Net Biyokütle üretim katsayısı. Net biyokütle üretim katsayısı net biyokütle üretim hızı ilesubstrat tüketim hızının oranı olup aşağıda verilmiştir.

= −/ Gözlenen dönüşüm (üretim) katsayısı. Sistemde ölçülen gerçek katı madde üretiminibulmada kullanılır.

= −,/ Örnek 7.5. Biyokütle ve çamur üretiminin hesaplanması. Endüstriyel atıksularınarıtımında kullanılan bir aktif çamur tesisinde giriş atıksuyundaki bsCOD konsantrasyonu 300g/m3 ve nbVSS konsantrasyonu ise 50 g/m3 dür. Giriş atıksu debisi 1000 m3 /gün dür. Aktifçamur havuzundaki biyokütle konsantrasyonu 2000 g/m3 ve bsCOD konsantrasyonu 15 g/m3

dür. Havalandırma havuzu hacmi 105 m3 dür. Hücre kalıntı üretim katsayısı f d; 0,1 ise net


46/103

biyokütle üretimi katsayısını, gözlenen çamur üretim katsayı değerini ve toplam MLVSSiçerisindeki biyokütle oranını hesaplayın. Tablo 5.7’de verilen kinetik katsayılar

kullanılacaktır.

Çözüm.

1. Net biyokütle üretim katsayısını bulalım.

Ybio = -rg /rsu bu durumda ilk olarak rsu hesaplanabilir.

Daha sonra rg aşağıdaki şekilde hesaplanabilir.

Son olarak;

2. Yobs hesaplanacaktır. = −,/. Formülde ilk olarak VSS üretim hızıhesaplancaktır.

Son olarak,


47/103

3. Aktif biyokütle oranının hesaplanması

Görüldüğü üzere, hücre kalıntı üretimi ve giriş suyundaki parçalanamayan organikten dolayıaktif biyokütle oranı %64’e düşmüştür.


48/103

BÖLÜM 6. ASKIDA BÜYÜME PROSESLERİNİN MODELLENMESİ VE AKTİFÇAMUR PROSESİNİN DİZAYNI

Askıda büyümeli proseslerin (örnek: aktif çamur prosesi) tanıtılmasıGeri devirli ve tam karışımlı askıda büyümeli aktif çamur prosesi model olarak alınarak kütledengesi kurulacaktır. Şekil 6.1’de bu tip bir reaktör verilmiş olup her bir sembolün ne ifadeettiği belirtilmiştir.

Şekil 6.1. Kütle dengesi analizlerinde kullanılacak olan aktif çamur prosesi (a) fazla çamurungeri devir hattından atılması durumu (b) fazla çamurun reaktörün içinden atılması durumu

Biyokütle İçin Kütle Dengesi

Kütle dengeleri hesaplamalarında artan bir madde için “+”, eksilen veya azalan bir madde için

ise “-“ kullanılır. Biyolojik arıtım sonucunda hücre veya biyokütle arıtışında net bir artış meydana gelmektedir.

1. Genel kütle dengesi kurulumu

3. Sembolik gösterim

= − ( − ) − +


49/103

Burada,

dX/dt = Reaktördeki biyokütle konsantrasyonun değişimi, gVSS/m3.d

Q = Giriş debisi, m3 /gün

X0 = girişteki biyokütle konsantrasyonu, g VSS/m3

Xe = çıkıştaki biyokütle konsantrasyonu, g VSS/m3

Qw = atık çamur debisi, m3 /gün

XR = Geri devir hattındaki çamur konsantrasyonu, g VSS/m3

rg = Net biyokütle üretim hızı, gVSS/m3.d.

Eğer girişteki biyokütle konsantrasyonu ihmal edilir ve steady-state koşulların varlığı kabul

edilirse, denklem aşağıdaki hali alır; = ( − ) − Net büyüme yerine uygun formül yapılarak sadeleştirme yapılırsa aşağıdaki denklem eldeedilir;( − ) + = − − Burada X biyokütle (aktif bioyokütle) konsantrasyonudur.

Denklemin sol tarafındaki eşitlik çamur yaşı (SRT)’nın tersi dir. Çamur yaşı; bir gündesistemden atılan çamurun reaktördeki toplam çamur miktarına oranı olarak tanımlanır. Bu

durumda çamur yaşı;

= ( − ) + Bu durumda yukarıdaki denklem aşağıdaki şekilde yazılabilir.

1 = − − Olarak yazılır. 1/SRT terimi aynı zamanda spesifik büyüme hızı, µ, olarak da tanımlanabilir.Çünkü sistemden her gün atılan çamur o gün büyüyen fazla çamur olup, sistemden günlük

atılan çamurun toplam çamur miktarına bölümü spesifik büyüme hızını vermektedir.

= SRT sistemden atılan çamur miktarıyla kontrol edilmektedir. Sistemden atılan çamur miktarı

azaltıldıkça SRT artmakta bu durumda spesifik büyüme hızı azalmaktadır.


50/103

Spesifik büyüme hızına benzer olarak spesifik substrat kullanım hızı tanımlanmıştır. Spesifiksubstrat kullanım hızı ise; -rsu /X olarak tanımlanır. Bu terim U veya q ile gösterilir.

= = = ( − ) = − Olarak tanımlanır. Burada;

U veya q = spesifik substrat kullanım hızı g BOİ yada COD/gVSS.gün

S0 = girişteki çözünmüş substrat konsantrasyonu, g BOİ veya bsCOD/m3

S = Çıkıştaki çözünmüş substrat konsantrasyonu, g BOİ veya bsCOD/m3

V = havalandırma tankı hacmi, m3

τ = hidrolik bekleme zamanı (V/Q), gün

Bu denklemlerin kullanılmasıyla aşağıdaki denklem elde edilir;1 = + − Çamur yaşı aktif çamur tesislerinin dizayn ve operasyonunda önemli bir parametredir. SRT

aktifleştirilmiş çamurun sistemde ortalama kalış süresidir. Yumaklaşma ve çökelmenin iyiolduğu aktif çamur tesislerinde çıkışta VSS konsantrasyonu genellikle 15 mg/L (veya 15g/m3)’den küçüktür. Fazla çamur çökeltme tankından havalandırma tankına gönderilen geri-

devir çamur hattından veya havalandırma tankından atılır.

Yukarıdaki denklemleri uygun şekilde çözülmesiyle aşağıdaki denklem elde edilir. Budenklem kullanılarak bir aktif çamur prosesi çıkışındaki çözünmüş substrat konsantrasyonutahmin edilebilir.

= 1 + ()( − ) − 1 Görüldüğü üzere aktif çamur prosesi çıkış substrat konsantrasyonu kinetik katsayılar ile SRTnin bir foksiyonudur. Denkleme göre çıkış substrat konsantrasyonu, giriş substratkonsantrasyonundan bağımsızdır. Fakat ileride gösterileceği üzere, giriş substratkonsantrasyonu bakteri konsantrasyonunu etkilemekte ve bu durum da çıkış substratkonsantrasyonunu etkileyebilmektedir.

Substrat kütle dengesi.

Substrat tüketimi için havalandırma tankı etrafında kütle dengesi yazılırsa;


51/103

Birikim = giren-çıkan±üretilen/tüketilen

Burada rsu yerine yazılır ve styeady-state kabulü yapılırsa;

s/(Ks + S) yerine uygun terim yazılırsa;

= ( − )1 + Denklemden görüldüğü üzere, biyokütle konsantrasyonu SRT, hidrolik bekleme zamanı, Y vegiderilen substrast konsantrasyonun bir fonksiyonudur.

Aynı denklemler, geri devirsiz aktif çamur prosesi içinde kullanılabilir. Geri devirsiz

sistemlerde katı ile sıvı bekleme zamanları birbirine eşit olup, SRT = τ olacaktır. Bu durumda;

= = Elde edilen denklemler incelendiğinde, SRT’nin hem çıkıştaki çözünmüş substratkonsantrasyonunu hem de havalandırma tankındaki biyokütle konsantrasyonunu önemli

derecede etkilediği ortaya çıkacaktır. Belli bir SRT seçildiğinde Qw belirlenir ve bir gündesistemden atılan çamur kontrol edilerek sistem işletilir.

Havalandırma havuzunda katı konsantrasyonu ve katı (veya çamur) üretimi

Biyolojik bir reaktörde üretilen çamur prosesi devam ettirmek için her gün atılması gereken

madde miktarını göstermektedir. Üretilen çamur TSS, VSS ve biyokütle olarak belirlenir.

SRT kullanılarak aktif çamur prosesinde üretilen fazla çamur miktarı hesaplanabilir.

Buarada, PXT,VSS = günlük atılan toplam katı miktarı, gVSS/gün.

XT = tanktaki toplam MLVSS konsantrasyonu, g/m3.

Eğer günlük olarak atılan biyokütle konsantrasyonu bulunmak istenirse aynı denklemde XT yerine X kullanılır. Yani;


52/103

Havalandırma havuzunda toplam katı konsantrasyonu

Havalandırma havuzundaki toplam katı konsantrasyonu biyokütle konsnatrasyonu ile nbVSS

konsantrasyonlarının toplamına eşittir. Bu durumda;

Burada bahsedilen nbVSS konsantrasyonu; girişte nbVSS konsantrasyonuna, üretilen hücreatığına ve sistemden her gün atılan çamur miktarına bağlıdır. Eğer nbVSS için kütle dengesiyazılırsa;

= , − + , Burada;

X0,i = Girişteki nbVSS konsantrasyonu, g/m3.

Xi = havalandırma tankındaki nbVSS, g/m3.

rX,i = hücre içsel solunumu nedeniyle üretilen hücre kalıntısı, g/( g/m3).

Eğer steady-state koşullar kabul edilirse ve rX,i yerine yazılırsa;

Denklemler birleştirilirse, aşağıdaki önemli denklem elde edilir.

Katı (çamur) üretimi.

Bahsedildiği üzere; .

Bu denklemden PXT,VSS hesaplanırsa;

Eğer yukarıdaki denklemde X yeride yukarıda bulunan denklem yazılırsa;


53/103

SRT’nin sistem performansı üzerine etkisi Şekil 6.2’de sunulmuştur.

Şekil 6.2. Tam katışımlı aktif çamur prosesinde SRT’nin çıkış çözünmüş substrat, biyokütleve MLVSS üzerine etkisi

SRT arttıkça daha çok hücre parçalanacak ve daha fazla hücre kalıntısı oluşacaktır.Dolayısıyla SRT arttıkça MLVSS ve biyokütleye ait VSS konsantrasyonu arasındaki fark

artacaktır. Şekilden görüldüğü üzere, SRT değeri 2 günün üzerinde olduğu zaman çıkıştakiçözünmüş bsCOD değeri çok düşük değerlere kadar düşürülmekte olup, aktif çamurprosesinin evsel Atıksuların arıtımında ne kadar etkili olduğunu göstermektedir. Fakat ilerikibölümlerde gösterileceği üzere, SRT seçiminde sadece substrat tüketimi göz önüne alınmaz.Aynı zamanda biyokütlenin yumak oluşturması için SRT’nin en az 4-5 gün olmasıgerekmektedir.

Günlük atılan toplam kuru katı miktarı TSS olarak ifade edilir. TSS; VSS ve inorganik katılarıiçermektedir. İnorganik katılar giriş arıksuyunda bulunabileceği gibi, biyokütlenin ağırlıkolarak %10-15’i de inorganik maddelerdir. Girişteki inorganik katılar çözünmemiş halde olup,havalandırma havuzundaki katılar tarafından adsorbe edildiği ve çamur ile beraber atıldığıkabul edilir. Daha önce bulunan XT,VSS formülüne girişteki inorganik katılar ve biyokütledengelen inorganiklerde eklenerek TSS değeri bulunur. Tipik olarak biyokütle VSS/TSS değeri0,85 olup; 0,8-0,9 arasında değişmektedir.


54/103

PX,TSS= toplam katı madde olarak günlük atılması gereken çamur miktarı

TSS0 = Giriş atıksuyundaki toplam TSS konsantrasyonu, g/m3

VSS0 = Giriş atıksuyundaki VSS konsantrasyonu, g/m3

Toplam MLVSS ve MLSS miktarı (kg olarak) aşağıdaki formüller kullanılarak hesaplanabilir.

ı = = , ı = = , Önce toplam MLVSS miktarı bulunur ve daha sonra MLVSS (veya MLSS) konsantrasyonu

seçilirse havalandırma tankı hacmi hesaplanabilir. Aktif çamur prosesinde MLSS

konsantrasyonu 2000-4000 mg/L arasında seçilebilir.

Gözlenen dönüşüm katsayısı

Yobs giderilen organik madde başına oluşan toplam çamur miktarının VSS veya TSScinsinden ifadesidir. Arıtma tesisinde yapılan deneyler neticesinde hesaplanabilir ve gTSS/g

bsCOD, gTSS/gBOD veya gVSS/g bsCOD, gVSS/gBOD şeklinde ifade edilebilir.

VSS cinsinden gözlenen dönüşüm katsayısı aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir. Buformül PX,VSS formülünün Q(S0-S) değerine bölünmesiyle elde edilir.

Atıksu girişinde nbVSS yok ise Yobs değerinin hesaplanmasında aşağıdaki formül kullanılır.

nbVSS varlığında denklemdeki Xo,i /(S0-S) giriş atıksuyundan gelmektedir. Genellikleçıkıştaki substrat konsantrasyonu girişe nazaran çok düşük olup bu terim X0,i /S0 şeklindesadeleştirilebilir. Bu değer; ön çöktürme uygulanmış evsel atıksular için 0.1-0.3 g/g arasındaolup, ön arıtım uygulanmamış evsel atıksular için ise 0.3-0.5 arasındadır.


55/103

Oksijen İhtiyacı

Organik maddelerin arıtılması sırasında gerekli oksijen miktarı bulunurken arıtılan bCOD ve

üretilen ve günlük atılan fazla çamur arasında kütle dengesi kurarak hesaplanır. Eğer tümbCOD, CO2 ve H2O’ya oksitlenirse; oksijen ihtiyacı giderilen bCOD’ye eşit olacaktır. Fakat

bilindiği üzere, bakteri bCOD’nin sadece bir bölümünü enerji eldesi için kullanmakta olup,diğer kısmını ise bakteri üretiminde kullanmaktadır. Oksijen ayrıca, içsel solunum amacıylada kullanılmakta olup, bu proses için gerekli oksijen sistem SRT’sine bağlıdır. Her hangi birSRT’de giderilen bCOD harcanan oksijen ve sistemden atılan VSS’e eşit olarak kütle dengesiaşağıdaki şekilde kurulabilir.

Kullanılan oksijen = bCOD giderilen – Atılan çamurun COD si

= ( − ) −1,42, Burada

R0 = oksijen ihtiyacı, kg/gün

PX,bio = günlük atılan biyokütle kgVSS/gün

Buradaki PX,bio aktif biyokütle ile hücre atığının toplamını ifade etmekte olup, toplam atıkVSS formülündeki A ve B’yi içermekte olup aşağıdaki formül ile hesaplanabilir.

Örnek 7.6. Tam karışımlı askıda büyümeli bir sistemin (aktif çamur prosesi) Dizaynı.Tam karışımlı, geri devirli bir aktif çamur prosesi ön çöktürmeden geçirilmiş bir evsel atıksuarıtımında kullanılacaktır. Ön çöktürme sonrasında atıksu özellikleri ise; Debi: 1000 m3 /gün,

bsCOD = 192 g/m3, nbVSS = 30 g/m3 ve inert inorganik miktarı 10 g/m3. Havalandırma

tankında MLVSS = 2500 g/m3 olup, SRT = 6 günde tutulacaktır. Verilen datalar ile aşağıdaverilen kinetik katsayıları kullanarak aşağıdakileri hesaplayın.

1. Çıkış bsCOD konsantrasyonu nedir?2. MLVSS konsantrasyonunu istenen değerde tutmak için Hidrolik bekleme zamanı ne

olmalıdır?

3. MLVSS içindeki biyokütle fraksiyonu nedir?4. Oksijen ihtiyacını kg/gün cinsinden hesaplayın.

Kinetik katsayılar;


56/103

Çözüm

1. İlk olarak çıkıştaki bsCOD hesaplanacaktır.

2. HRT değerinin hesaplanması

Şeklini alır. Bu denklemi çözmek için aktif biyokütle konsantrasyonunun bilinmesigerekmektedir.

Bu denklem yukarıdaki denklemde yerine konursa;

Olarak bulunur. Havalandırma tankı hacmi ise;


57/103

= . = 0.197 ü.1000 = 197 . 3. Toplam çamur üretimi kg VSS/gün olarak hesaplanırsa;

4. Toplam çamur üretimi kg TSS/gün olarak hesaplanırsa;

5. Toplam çamur içerisindeki biyokütle fraksiyonun X T değerlerinden hesaplanması

X = (287,2 g

m gü

n)/τ

= (287,2 gm . g

ü

n)/ 0.197 gü

n = 1458gVSS/m

Biyokütle fraksiyonu = X/XT = 1458/2500 = 0,58

6. Gözlenen katı üretim katsayısının (Yobs) g VSS/g bsCOD ve gTSS/g bsCOD cinsindenhesabı.

Günlük atılan çamur = PX,T = 82.2 kg VSS/gün ve 101.4 kg TSS/gün

bsCOD giderilen = Q(S0-S) = (1000 m3 /gün)[(192-0.56)g/m3 /1000 g/kg] = 191440 gCOD/gün

= 191.4 kg COD/gün

VSS cinsinden Yobs = 82.2/191.4 = 0.43 g VSS/ g bsCOD

TSS cinsinden Yobs = 101.4/191.4 = 0.53 g TSS/g bsCOD.

7. Oksijen ihtiyacının hesaplanması

= ( − ) − 1.42, , = , − , = 82.2 ü − 1000 ü30 1 1000 = 52.2 /ü


58/103

= 1000 ü (192 −0.56) (1 1000 ) −1.4252.2 ü = 117.7 /ü Yorum Benzer bir yaklaşım partikül biyolojik ayrışabilir organik maddelerin arıtımında dakullanılabilir. Partikül biyolojik parçalanabilir KOİ’nin bsCOD’ye eşit olduğu kabuledilebilir. Normalde de SRT değeri 3 günden yüksek ise bütün biyolojik parçalanabilirpartikül KOİ, bsCOD’ye dönüştürülür.

Dizayn ve işletim parametreleri

Şimdiye kadar bahsedildiği üzere, aktif çamur tesislerinin arıtım performansını ve çamuroluşumunu etkileyen en önemli parametre çamur yaşı (SRT) dır. Aktif çamur tesislerinindizayn ve operasyonunda kullanılan diğer iki önemli parametre ise F/M(besin/mikroorganizma oranı) ve volumetrik yükleme hızı olup aşağıda tartışılmıştır.

Besin/mikroorganizma (F/M) oranı. Reaktöre beslenen BOİ veya KOİ’ninmikroorganizmaya oranını ifade eder ve aşağıdaki formülle hesaplanır. = ü ü = Veya

=

Burada, F/M = gBOİ veya bsCOD/gVSS.gün

Q=Atıksu debisi m3 /gün

S0 = giriş BOİ veya bsCOD, g/m3

V= havalandırma havuzu hacmi, m3

X= havalandırma havuzunda biyokütle konsantrasyonu, g/m3

τ = hidrolik bekleme zamanı, V/Q = gün,

Spesifik substrat kullanım hızı.


59/103

Burada,

E= BOİ yada bsCOD giderim verimi

Görüldüğü üzere, SRT ve F/M birbiriyle alakalı parametreler olup, SRT’nin 20-30 gün olduğu

aktif çamur sistemlerinde F/M oranı 0,1-0,05 gBOD/gVSS.gün arasında değişirken; SRT’nin5 ile 7 gün olduğu sistemlerde F/M oranı 0,3-0,5 gBOİ /gVSS.gün arasında değişmektedir.

Organik Hacimsel Yükleme hızı. Benzer olarak organik yükleme hızı COD veya BODolarak ifade edilebilir.

Burada Lorg = hacimsel organik yükleme hızı, kg BOD/m3.gün.

Proses Performansı ve Stabilite

Yukarıda bahsedilen kinetiğin performans üzerindeki etkileri Şekil 6.2’e gösterilmiştir.Şekilden görüldüğü üzere 1/SRT veya spesifik büyüme hızı (µ) direk olarak birbiriyleilişkilidir. Arıtma tesisi çıkışındaki substrat konsantrasyonu direk olarak SRT’nin birfonksiyonudur.

Şekilden görüldüğü üzere, belli bir SRT’nin altında atıksu arıtımı gerçekleşemez. Bu kritikSRT değeri minimum SRT olarak tanımlanmakta olup, SRTmin olarak gösterilmektedir.Dolayısıyla, fiziksel olarak SRTmin değerinin altında reaktördeki biyokütle atım hızı,

reaktördeki biyokütlenin büyüme hızından daha daha yüksektir. Bu durumda biyokütlebüyümesi olmaz ve bu durum washout olarak isimlendirilir.

Minimum SRT aşağıdaki formül kullanılarak hesaplanabilir.1 = + − Çoğu durumda S0 değeri KS değerinden çok daha büyük olup, yukarıdaki denklem aşağıdakişekilde sadeleştirilebilir.

1 ≈ − veya1 ≈ −


60/103

Şekil 6.3. Tam karışımlı ve piston akımlı aktif çamur prosesinde performans ve çıkış substratkonsantrasyonunun SRT ile değişimi

Yukarıdaki denklemler kullanılarak SRTmin değeri hesaplanır. Bu değerin hesaplanmasındakullanılabilecek tipik kinetik katsayı değerleri ise Tablo 5.7’de sunulmuştur. Bahsedildiğiüzere, reaktörler SRTmindeğeri esas alınarak boyutlandırılamazlar çünkü minimum SRT’deçıkış substrat konsantrasyonu giriş substrat konsantrasyonuna eşittir. Bu nedenle, etkili birarıtımdan emin olmak amacıyla, genellikle seçilen SRT, minimum SRT değerinin 2-20

katıdır. Esas olarak, SRT/SRTmin güvenlik katsayısı olarak bilinir ve sistemin etkili bir şekildeişletildiğinin teminatı olarak düşünülür.

= Piston akımlı reaktörlerin modellenmesi

Geri devirli ve piston akımlı bir aktif çamur prosesi Şekil 6.4’de verilmiştir. İdeal bir pistonakımlı reaktörde, reaktöre giren her partikülün reaktörde eşit süre kaldığı kabul edilir. Normalolarak piston akımlı aktif çamur proseslerinin modellenmesi zordur. Fakat Lawrence ve

McCarty (1970) iki önemli kabul yaparak, piston akımlı reaktörlerin modellenmesini

kolaylaştırmışlardır.

1-Reaktöre girişinde ve reaktör çıkışında biyokütle konsantrasyonu eşittir. Bu kabul SRT/ τ>5olması durumunda geçerlidir. Bu durumda reaktördeki biyokütle konsantrasyonu için

ortalama değer olarak gösterilir.

2- Atık reaktörden geçerken substrat tüketim hızı aşağıdaki formül ile ifade edilir.


61/103

SRT ise aşağıdaki formüle g

Atiksularin Artimi Ders Notlari-24.11.2010

Documents

Transcript of Atiksularin Artimi Ders Notlari-24.11.2010