HARRAN ÜNİVERSİTESİ, ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

0503701-ATIKSULARIN ARITIMI DERS NOTLARI

Doç. Dr. Erkan ŞAHİNKAYA

2010

1

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 gibi nütrientlerin arıtımı üzerinde durulmaya başlanmıştır.

1980’lerden sonra ise; önceki amaçlar daha yüksek arıtım seviyeleri amaçlanarak korunmuştur. Ayrıca, uzun zamanda hastalığa sebep olabilecek düşük konsantrasyonlardaki kirleticilerin (pestisit, antibiyotik gibi) üzerinde durulmaya başlanmıştır.

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

Tablo 1. ABD’de uygulanan minimum deşarj standartları

Parametre Birim 30-günlük ortalama konsantrasyon

7-günlük ortalama konsantrasyon

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 ‘Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği’ dir. Bu yönetmelikte, hem evsel hem de endüstriyel atıksuların alıcı ortama deşarjıyla ilgili sınır değerler verilmektedir.

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

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

Parametre Birim 2-saatlik kompozit numune

24-saatlik kompozit numune

BOİ5 mg/L 50 45KOİ mg/L 180 120

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

Endüstriyel nitelikli atıksular ise sınıflandırılmış olup, aşağıda örnekler verilmiştir.

2

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

 BİRİM

KOMPOZİT NUMUNE

2 SAATLİK

KOMPOZİT NUMUNE

24 SAATLİKKİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI (KOİ) (mg/L) 250 200ASKIDA KATI MADDE (AKM) (mg/L) 120 100pH   6-9 6-9

Tablo 5.2: Sektör: Gıda Sanayi (Maya Üretimi) PARAMETRE

 BİRİM

KOMPOZİT NUMUNE

2 SAATLİK

KOMPOZİT NUMUNE   24 SAATLİK

KİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI (KOİ) (mg/L) 1200 1000ASKIDA 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

 BİRİM

KOMPOZİT NUMUNE

2 SAATLİK

KOMPOZİT NUMUNE   24 SAATLİK

KİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI (KOİ) (mg/L) 170 160YAĞ VE GRES (mg/L) 60 30pH   6-9 6-9

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

 BİRİM

KOMPOZİT NUMUNE

2 SAATLİK

KOMPOZİT NUMUNE

24 SAATLİKKİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI (KOİ) (mg/L) 350 240AMONYUM AZOTU (NH4-N) (mg/L) 5  SERBEST KLOR (mg/L) 0.3  TOPLAM KROM (mg/L) 2 1SÜLFÜR (S‾2) (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

KOMPOZİT NUMUNE 

 2 SAATLİK

KOMPOZİT NUMUNE   24 SAATLİK

KİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI (KOİ) (mg/L) 400 300ASKIDA 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‾2) (mg/L) 0.1 -SÜLFİT (mg/L) 1 -FENOL (mg/L) 1 0.5BALIK BİYODENEYİ (ZSF)  - 4 3pH  - 6-9 6-9

3

BÖLÜM 2. ATIKSU ARITIMINA GİRİŞ 

Atıksuların arıtım derecesi amaca göre değişiklik göstermektedir. Atıksular arıtıldıktan sonra;

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

gibi amaçlar için kullanılır. Dolayısıyla arıtım derecesi de amaca göre değişiklik göstermektedir.

Arıtma metotları

Temel işlemler; fiziksel arıtım metotları olup; temel prosesler ise kimyasal veya biyolojik arıtım metotlarını içermektedir. Tablo 2.1’de atıksu arıtımı amacıyla kullanılan arıtım metotlarının 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 giderimi

Birincil 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. Dezenfeksiyon veya nütrient arıtımı da burada sınıflandırabilir.

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

Yaklaşık 20 yıl önce biyolojik nütrient giderimi (BNR) yeni teknoloji olarak bilinirdi. Fakat bugün 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 alıcı ortamların kalitesinin bozulmasıyla birçok yerde nütrient arıtımı uygulanmaya başlanmıştır. Ayrıca, çıkış sularından AKM giderimi amacıyla birçok yerde kum filtrelerinin kullanımı yaygın hale gelmiştir. Özellikle UV ile dezenfeksiyon verimini arttırmak için filtrasyon çok sık kullanılan bir yöntemdir.

4

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 atıksuların değerlendirilmesi için oldukça önemli bir geri kazanım yöntemidir.

5

BÖLÜM 3. ATIKSU DEBİSİ VE KİRLETİCİ YÜKLERİNİN ANALİZİ VE SEÇİLMESİ

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 gibi sıralanabilir;

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/inflow gelir.

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 verilerden veya saha ölçümlerinden faydalanılarak belirlenmesi tavsiye edilir. Yeni kurulacak yerleşimler için nüfus ve nüfus başına düşen atıksu kullanım istatistikleri kullanılarak tahminler 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 bir kısmı kanala gelirken, şehirleşmiş bölgelerde kullanım suyunun önemli bir kısmı atıksu olarak kanala gelir.

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

6

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 2505 150-260 1937 140-244 1828 135-233 174

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

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

Exfiltrasyon: Kanalın birleşim ve servis noktalarından dışarıya atıksu sızmasıdır. Exfiltrasyonun yoğun olması durumunda sığ yer altısuları kirlenerek içme sularına zarar verebilir. 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, bazı durumlarda atıksu debisi ihmal edilecek düzeyde olur. Çoğu zaman arıtma tesisi şiddetli yağmurlar nedeniyle oluşacak yüksek debileri kabul edecek şekilde tasarlanmazlar. Çünkü senede 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= ( mn+1 ) .100

7

m: Sıra numarası

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 dağılım kabul edilerek en iyi doğru geçirilir. Eğer verilere doğru uymuyorsa, logaritmik kağıda çizilerek doğru geçirilir. Böylece log. değerlerinin normal dağılım gösterdiği kabul edilir.

Örnek 3.4. Aşağıda 24 ay boyunca bir artıma tesisi çıkışından toplanan verileri kullanarak istatistiksel 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 16,1021,00 9,90 16,7522,00 8,75 15,8023,00 15,50 19,5024,00 7,60 9,40

8

9

Çözüm

Sıra no TSS(mg/L) KOİ (mg/L) Plotting position (%)1,00 7,60 9,40 4,002,00 8,35 11,25 8,003,00 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 48,0013,00 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 88,0023,00 30,10 37,50 92,0024,00 37,00 46,60 96,00

0.00 20.00 40.00 60.00 80.00 100.00 120.000.005.00

10.0015.0020.0025.0030.0035.0040.0045.0050.00

f(x) = 0.315728260869565 x + 5.68858695652174R² = 0.859490666174168f(x) = 0.270597826086957 x + 4.10760869565218R² = 0.941220514627746

TSS

% Plotting position

mg/

L

10

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 29002 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 14,293,00 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 85,7113,00 4080,00 92,86

0.0010.00

20.0030.00

40.0050.00

60.0070.00

80.0090.00

100.000.00

1000.002000.003000.004000.005000.00

f(x) = 13.4038461538462 x + 2808.26923076923R² = 0.992227112779616

%plotting position

m3/

hafta

11

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). Minimum akım, su kullanımının az olduğu ve inflow akımının ana akım olduğu sabah erken saatlerde olur. İlk pik akım sabah saatlerinin sonlarında, ikinci pik akım ise akşam 7-9 saatleri arasında gözlenir. 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 aşağıdaki Tablo 3.3’de sunulmuştur.

Tablo 3.3. Arıtma tesisi tasarımında kullanılacak debilerin tanımları

Debi TanımOrtalama kurak hava debisi Kurak hava koşullarında, infiltrasyonun sınırlı olduğu

koşullarda günlük ortalama debi Ortalama yağışlı hava akımı İnfiltrasyonun önemli olduğu yağışlı hava koşullarında

günlük 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

12

Atıksu pik veya maksimum debisinin hesaplaması özellikle hidrolik hesapların yapılması için oldukça önemlidir. Bu amaçla pik faktörü kullanılır. Pik faktörü aşağıdaki şekilde hesaplanabilir:

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. Tesisin dizaynı 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 yıllarda karşılaşılır. Dizayn debisine belli bir zaman sonra ulaşılacak olup, dizayn debisine ulaşılana kadar düşük debiler beklenmelidir. Ayrıca gece saatlerinde de tesise düşük debiler gelmektedir. Eğer sistemin sağlıklı işletilmesi için belli bir debinin üstüne çıkılması gerekirse,

13

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

Pik debi faktörleri: Dizayn amacıyla kullanılan en önemli pik faktörleri; saatlik pik ve maksimum günlük debilerin hesabı içindir. Saatlik pik debiler hidrolik hesaplar için önemlidir. Aşağıdaki Şekil 3.2 ve Şekil 3.3 farklı debilerin hesaplanmasında kullanılabilecek pik faktörleri göstermektedir.

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

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

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

14

Şekil 3.3. Saatlik pik debi faktörünün nüfusa bağlı olarak değişimi

Örnek 3-9: Mevcut nüfusu 15.000 olan bir yerleşim yerinin atıksu arıtma tesisinin büyütülmesi düşünülmektedir. 20 yılda nüfusun 25.000 olacağı ve ayrıca 2000 yeni öğrencinin olacağı tahmin edilmektedir. Ayrıca yeni bir endüstrinin taşınacağı ve bu endüstrinin ortalama debisinin 840 m3/gün ve maksimum debisinin 1260 m3/gün olacağı tahmin edilmektedir. İşletme günde 8 saat çalışacak ve haftada bir gün kapalı olacaktır. Tesise gelen 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 150 L/kişi-gün olduğu bilinmektedir. Yeni kurulacak olan evlerde su-tasarım aparatlarının kurulması nedeniyle kişisel su kullanımının eskilere kıyasla %10 daha düşük olacağı tahmin edilmektedir. Bu durumda gelecek için ortalama, pik ve minimum dizayn debilerini hesaplayın. Pik debi için faktör 2,75 ve minimum debinin ortalamaya oranının 0,35 olduğu bilinmektedir.

Çözüm:

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

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

15

Gelecekte su kullanımının %10 düşeceği tahmin edilmekte olup, kişi başı su kullanım değeri 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 bölümde geleceğe dair debi ve nüfus hesaplarının özellikle çeşitli yönetmeliklere göre hesaplanması üzerinde durulacaktır.

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

16

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

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

17

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/günα = 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/saatQ24 = En çok su sarf edilen yaz gününe ait ortalama evsel atıksu debisi, m3/günQmin= Minimum debi, m3/saat

n1; amaca göre farklı değerler alabilir. Eğer maksimum saatlik debinin hesaplanması istenirse saatlik 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 alınırsa Q12 = Q24/12 olarak alınır ve n1 = 12 alınmış olur.

18

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 m3/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. Basit olarak 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 24 alınır. Eğer tek vardiya çalışılıyorsa, minimum debi gece debisi olduğundan sanayi debisi hesaptan tamamen çıkarılır.

Sanayi debilerinin tahmini oldukça zor ve karmaşıktır. Küçük yerler için bu tahmin kolay iken büyük 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 kullanılarak hesaplanabilir. Ayrıca, kişi başı su tüketimi de kullanılarak arıtma tesislerine evsel kullanımlardan dolayı gelecek kirlilik konsantrasyonları hesaplanmış olur. Bu hesaplamalar için kullanılabilecek bazı değerler Tablo 3.5’de sunulmuştur.

19

Tablo 3.5. Evsel kullanımdan doğan kirlilik yükleri

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

20

Tablo 3.6. Ham atıksuyun tipik özellikleri

21

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

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

22

BÖLÜM 5. BİYOLOJİK ARITIMIN ESASLARI

Uygun koşulların sağlanması ve biyolojik sistemin iyi bir şekilde işletilmesi koşuluyla, atıksu içerisindeki 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 kabul edilebilir 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 maddeler bulunmakta 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 tanımlar Tablo 5.1’de verilmiştir.

Tablo 5.1. Biyolojik arıtımda kullanılan bazı özel terimlerin açıklamaları

Terim TanımMetabolik fonksiyonAerobik Proses Oksijen varlığında gerçekleşen biyolojik arıtım prosesiAnaerobik proses Oksijen yokluğunda gerçekleşen biyolojik arıtım prosesiAnoksik proses Elektron alıcı olarak nitratın kullanıldığı biyolojik arıtım prosesiFakültatif proses Moleküler oksijen varlığında ve yokluğunda gerçekleşen biyolojik

arıtım prosesiBirleşik aerobik/anoksik/anaerobik proses

Aerobik, anoksik ve anaerobik arıtım proseslerinin farklı kombinasyonlarda kullanılarak spesifik bir arıtım amacını gerçekleştirmek

Arıtım ProsesiAskıda-büyümeli proses

Arıtımdan sorumlu bakterilerin askıda büyüdüğü arıtım prosesi

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

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

Biyolojik arıtma tesislerinde azot ve fosforun giderildiği proseslerdir.

Biyolojik fosfor giderimi

Biyolojik olarak fosforun mikroorganizmalarda biriktirilerek atıksudan giderildiği arıtım prosesidir.

Karbon kaynaklı BOİ giderimi

Biyolojik olarak organik maddenin atık biyokütleye ve CO2’e dönüştürüldüğü arıtım prosesidir. Burada azotun amonyağa dönüştürüldüğü kabul edilir.

Nitrifikasyon Amonyumun, iki aşamada nitrata dönüştürüldüğü proseslerdir.

23

Denitrifikasyon Nitratın elektron alıcı olarak kullanılarak azota indirgendiği biyolojik proseslerdir.

Stabilizasyon Biyolojik arıtım sonucu oluşan çamurun aerobik veya anaerobik olarak arıtılarak stabilize edildiği ve Zarasız hale getirildiği proseslerdir.

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

Atıksu Arıtımında Mikroorganizmanın Rolü

Atıksu arıtımında çözünmüş ve partikül haldeki organik maddelerin arıtımında bir çok mikroorganizma rol almakta olup, en önemlisi bakteridir. Mikroorganizmalar, çözünmüş yada partikül halindeki organik maddeleri oksitleyerek, basit yan ürünlere ve biyokütleye 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 anoksik bakteriler de nitratı elektron alıcı olarak kullanıp azot gazına indirgeyebilmektedir. Fosfor arıtımında ise çeşitli konfigürasyonlar kullanarak fosfor depolayan bakteriler zenginleştirilerek, inorganik fosfor hücre içerisinde depolanır. Biyolojik oksidasyon sonucu üretilen biyokütlenin özgül yoğunluğu, suyun yoğunluğundan biraz fazla olup kendi ağırlığıyla çökelebilir. 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 iki kategoriye ayrılabilir(Tablo 5.2). Tablo 5.2’de verilen prosesleri dizayn ederek etkili bir şekilde işletebilmek için proseslere ait reaksiyonları, her bir proseste yer alan mikroorganizmaları, çevresel ve besin ihtiyaçlarını bilmek gerekmektedir.

Askıda Büyümeli prosesler

Askıda büyümeli sistemlerde mikroorganizmalar, uygun karıştırma metotlarıyla sistemde askıda tutulur. Askıda büyümeli aerobik sistemler hem evsel hem de endüstriyel atıksuların arıtımında yaygın bir şekilde kullanılmakla beraber, askıda büyümeli anaerobik proses uygulamaları da mevcuttur. En yaygın olarak kullanılan askıda büyümeli aerobik proses aktif çamur sistemi olup, Şekil 5.2’de gösterilmiştir. Aktif çamur prosesi 1913 yılında Lawrens Deney İstasyonunda Clark ve Gage tarafından ve İngiltere’de Ardern ve Lockett (1914) tarafından bulunmuştur. Sisteme aktifleştirilmiş (veya aktif) çamur denmesinin nedeni aerobik koşullarda atığı stabilize edecek aktif biyokütleinin üretilmesidir. Havalandırma tankında biyokütle karışımıyla atıksu temas halinde tutularak biyokimysal reaksiyonların oluşması sağlanır. Havalandırma tankındaki kütleye karışık askıda katı madde denir. Bu karışımın

24

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

25

Aktif çamur olarak adlandırılan çöktürülen çamur, havalandırma tankına geri devrettirilerek arıtıma devam etmesi sağlanır. Üretilen çamurun bir kısmı günlük veya peryodik olarak sistemden uzaklaştırılır çünkü çamurla beraber atıksu girişinden gelen bir kısım dirençli katılarda sistemde birikmekte olup fazla çamurun çekilmesi gerekmektedir. Eğer sistemde biriken çamur uzaklaştırılmaz ise bir şekilde sistem çıkışından kaçacak ve arıtılmış suyun kalitesini bozacaktır.

Aktif çamurun önemli bir özelliği, 50 ile 200 µm arasında değişen flok partiküllerinin üretilmesidir. Bu partiküller çökelme ile atıksudan uzaklaştırılabilir ve temiz bir çıkış suyu elde edilebilir. Tipik olarak üretilen flokların %99’u çökelme ile sudan ayrılabilir.

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 stabilizasyonluUzun havalandırmalı A.ÇOksidasyon hendeğiDerin şaft A.Ç. sistemi

Karbonlu BOI giderimi venitrifikasyon

Yüzeyde büyüyen(Biyofilmli)

Askıda-büyüyen NitrifikasyonHavalandırmalı lagünHavalı çürütmeKonvansiyonel havalıSaf oksijenliDamlatmalı FiltreDüşük hızlıYüksek hızlıKaba Filtre (roughing)Döner biyolojik diskDolgulu kuleler

NitrifikasyonKarbonlu BOI giderimi(nitrifikasyon)Stabilzasyon, karbonlu BOI5giderimi nitrifikasyonKarbonlu BOI gideriminitrifikasyonKarbonlu BOI giderimikarbonlu BOI giderimi venitrifikasyon

Birleşik askıda ve tutunarakbüyüyen sistemler

Aktif çamur biyofiltre prosesleribiyofiltre prosesleri aktif çamur

Anoksik Prosesler:Askıda büyüyenTutunarak büyüyen

Askıda büyüyen denitrifikasyonSabit-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 veanoksik prosesler

Tek veya çok basamaklı, çeşitliözel prosesler

Karbonlu BOI giderimi,nitrifikasyon, denitrifikasyon

26

Askıda büyüyen P giderimiBirleşik askıda vetutunarak büyüyen

Tek veya çok kademeli prosesler Karbonlu BOI giderimi,nitrifikasyon,denitrifikasyon,Pgiderimi

Lagünler

Havalı havuzlar,Olgunlaştırma havuzlarıFakültatif havuzlarHavasız havuzlar

Karbonlu BOI giderimiKarbonlu BOI gid.(nitr.)Karbonlu BOI giderimiKarbonlu BOI giderimi (atıkstabilizasyonu)

Şekil 5.1. Askıda büyümeli biyolojik prosesler

Bağlı Büyümeli Sistemler

Bağlı büyümeli sistemlerde organik maddelerin ve nütrientlerin dönüşümünden sorumlu olan mikroorganizmalar inert bir taşıyıcı malzemeye yapışık olarak büyürler. Bağlı olarak büyüyen mikroorganizmalar biyofilm olarak adlandırılır. Mikroorganizmaların tutunması için kullanılan taşıyıcı malzemeler; taş, çakıl, kum, plastik, tahta veya bazı sentetik malzemeler olabilir. Bağlı büyümeli sistemler aerobik veya anaerobik olarak işletilebilirler. Ayrıca bu sistemler, batmış yani tamamen su ile dolu veya batmamış yani kısmen su ile dolu olacak şekilde de işletilebilirler.

27

Atıksu arıtımında en çok kullanılan aerobik biyofilm prosesi damlatmalı filtrelerdir. Bu filtrelerde, atıksu üst taraftan yarı doygun yatak malzemesi üzerine damlalar şeklinde verilir ve atıksu biyofilm üzerinden akarken arıtım gerçekleşir. Damlatmalı filtrelerde, taşıyıcı malzeme 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 amacıyla plastik malzeme kullanılmaktadır. Plastik malzeme ile doldurulmuş kulelerde, boşluk hacmi genellikle 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. Fazla mikroorganizma, taşıyıcı malzeme üzerinden kopar ve bu nedenle düşük konsantrasyonlarda askıda katı madde içeren çıkış suyu elde edebilmek için çökeltme tankı gerekmektedir. Öken katılar, çökeltme tankının dip tarafında toplanır ve zaman zaman uzaklaştırılır.

Mikroorganizmaların Kompozisyonu ve sınıflandırılması

28

Biyolojik atıksu arıtımında kullanılan karışık kültür, bakteri, protozoa, rotifer ve alg gibi birçok 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 etkileyen çevresel koşullar (4) mikroorganzimaların tanımlanması ve sınıflandırılması için metotlardan bahsedilecektir.

Hücre İçeriği

Prokaryotik hücrelerin önemli içerikleri ve fonksiyonları Şekil 5.3a ve Tablo 5.3’de gösterilmiştir. 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 deoxironükleik asit (DNA) ve ribozomlar sorumludur. Ribozomlar proteinlerin (dolayısıyla enzimlerin) sentez yeri olup,m 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). DNA ve RNA zincirini oluşturmak için, fosfat grubu şeker molekülünün 3. karbonuna (oksijen bağından saat yönüne doğru) bağlanır. DNA’nın azot bazı dört adet pirimidin veya purin bileşiklerinden biri olabilir: stozin (cytosine, C), timin (thymine, T), adenin (adenine, A) ve guanin (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

29

bağlarıyla bağlanmaktadır. Bağlanma oldukça spesifik olup, G ile C, A ve T birbirine bağlanabilmektedir. 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 klobaz (1000 nükleotit) olarak verilir. Escherichia coli her bir DNA sarmalında 4.7 milyon nükleotit veya 4700 kilobaz çiftine sahiptir.

Tablo 5.3. Bakterinin hücre içeriklerinin tanıtılması

Hücre bileşeni Fonksiyonu

Hücre duvarıHücre şeklinin oluşmasını sağlar ve yapıyı kuvetlendirir. Hücre membranını korur. Bazı bakteriler hücre duvarının etrafını saran yapışkan polisakarit tabaka oluşturabilir. Buna kapsül veya kaygan tabaka denir.

Hücre membranı

Hücre içerisine çözünmüş organik ve nütrientlerin alınmasıyla, hücre dışına metabolik ürünlerin atılmasını konrol eder.

Stoplazma Su, nütrinet, enzim, ribozom ve küçük organik molekülleri içeren ve hücre hücrenin işlev görmesini sağlayan sıvıdır.

Stoplazmik depolar

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

DNA Çift sarmallı bir yapı olup, hücrede üretilecek protein veya enzimler için genetik bilgileri sağlar.

Plazmid DNA Küçük yuvarlak DNA molekülleri olup, bakterilere özel genetik özellikler kazandırır.

Flagellea Protein olup saç yapısındadır. Bakteriye hareket özelliği kazandırır.

Fimbriae ve pili Kısa saç yapısında proteinler olup, bakterilerin birbirie ve yüzeylere yapışmasını sağlar.

Gen ekspresyonu, Şekil 5.5’de verilmiştir.

30

Şekil 5.4. DNA ve RNA’yı oluşturan nükleotitlerin yapısı

Şekil. 5.5. Gen ekspresyonu proteinlerin oluşmasını sağlar. İlk olarak DNA’nın bir kısmındaki daki 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 önemli biyolojik reaksiyonlarını katalizler. Örnek olarak hücre dışı enzimler, partikül halindeki yada büyük moleküllerin hidrolizini gerçekleştirmekte olup, oluşan düşük molekül ağırlığına sahip moleküller hücre membranından kolaylıkla geçebilmektedir. Enzimler ayrıca constitutive (yapısal) veya inducible olarak adlandırılabilirler. Constitutive enzimler hücre tarafından sürekli olarak üretilirken, inducible enzimler ancak spesfik mir bileşiğin mevcudiyetinde yani özel koşullarda üretilen enzimlerdir. Enzim aktivitesi, sıcaklık ve pH ile değişebilmektedir.

Hücre içeriği

Biyolojik sistemlerde mikrobiyal büyümeyi desteklemek için, uygun nütrientlerin mevcut olması gerekmektedir. Bir hücrenin tipik kompozisyonu, büyüme için nelerin gerektiğine dair bilgiler 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.

31

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’ü karbondur. Fosforunda dikkate alındığı bakteri formülü ise C60H87O23N12P şeklinde verilebilir. Her iki formülde yaklaşık olup, bakteri türüne, zamana ve yaşam koşullarına bağlı olarak kompozisyon değişebilir. Azot ve fosfor yüksek konsantrasyonlarda hücre içerisinde bulunduğu için makro nütrienter olarak isimlendirilirler. Prokaryotlar ayrıca iz miktarda çinko, mangan, bakır, molibdenyum, demir ve kobalt gibi metalik iyonlara yada mikronütrientlere ihtiyaç duyabilir. Bütün bu elementler ve bileşikler mikroorganizmaların yaşam çevrelerinden alındığından, her hangi birinin eksikliği büyüme hızını değiştirebilir.

32

Çevresel Faktörler

Büyüme ortamının pH ve sıcaklığı, mikroorganizmaların seleksiyon, hayatta kalma ve büyüme özelliklerini önemli derecede etkiler. Birçok bakteri geniş bir pH ve sıcaklık aralığında canlı kalabilirken, optimum değerler oldukça dar bir aralıktadır. Optimum sıcaklığın altındaki değerlerde, genellikle 10oC’lik bir sıcaklık artışı, bakterilerin büyüme hızını iki kat arttırır. Optimum sıcaklık değerlerine göre bakteriler psikrofilik, mezofilik ve 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 yüksek tuzluluklarda 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’da verilmiştir. Farklı mikroorganizmalar; oksijen, nitrat, nitrit, Fe(III), sülfat, organik maddeler ve CO2 gibi elektron alıcıları kullanabilirler. Bazı önemli karbon mekanizmaları ayrıca Şekil 5.6’da verilmiştir.

33

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

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

Mikrobiyal Büyüme İçin Karbon ve Enerji Kaynakları

Mikroorganizmanın büyümek ve etkili bir şekilde foksiyonlarını yürütmek için; enerji kaynağına, 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 veya CO2’den temin ederler. Bakteriler organik yada inorganik maddeleri oksitleyerek enerji üretirler. Işığı enerji kaynağı olarak kullanan organizmalar fototrof olarak bilinirler. Fototrofik organizmalar, heterotrof (kükürt-indirgeyen bakteriler gibi) yada ototrof (algler ve

34

fotosentetik bakteriler). Enerjilerini kimyasal reaksiyonlardan üreten organizmalar ise kemotrof 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 organik veya inorganik olabilir. Enzimleri sayesinde elektronları, dışarıdan alınan bir elektron vericisine aktaran organizmalar solunum metabolizmasına (respiratory metabolism) sahiptir.

Elektron alıcı olarak oksijenin kullanıldığı reaksiyonlara aerobik reaksiyonlar, nitratın kullanıldığı reaksiyonlara anoksik reaksiyonlar denir. Diğerleri ise anaerobik reaksiyonlar olarak adlandırılır. Anoksik ortamda nitrat elektoron 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 zorunlu anaerobikler olarak bilinirler. Fakültatif anaerobikler ise hem moleküler oksijen varlığında hem de yokluğunda yaşayabilirler. Bu organizmalar iki gruba ayrılabilir. Gerçek fakültatif anaerobikler oksijen mevcudiyetine bağlı olarak fermentatif metabolizmadan aerobik solunum metabolizmasına 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 büyümeyi sınırlamaktadır. 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 ve precursor yada o0rganik hücrenin bir bileşeni olup, bunları bakteriler diğer karbon kaynaklarından sentezleyemezler. Büyüme faktörleri bir organizmadan diğer organizmaya değişiklik gösterse de önemli büyüme faktörleri (1) amino asitler (2) azotlu bazlar (purine ve primidinler) ve (3) vitaminler olarak sınıflandırılır.

Evsel atıksular genellikle yeteri kadar nütrient içermekle beraber özellikle yüksek organik madde içeren endüstriyel atıksularda nütrient eksikliği olabilir. Bakteri formülü C12H87O23N12P 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 hücrenin bölünmesi için gerekli zamana generasyon zamanı denir ve bakteri çeşidine bağlı olarak

35

günler mertebesinden 20 dakika aralığına kadar değişebilir. Örnek olarak eğer generasyon zamanı (ikilenme zamanı) 30 dakika alınırsa ve bakterinin çapı ve yoğunluğu sırasıyla 1 µm ve 1 g/cm3 olarak alınırsa, bir bakterinin ağırlığı 5. 10-13 g olur.12 saat içerisinde bakteri sayısı 16.777.216 (224), toplam ağırlığı ise 8.4 µg olur. Dolayısıyla, bakteri ağırlığına kıyasla sayısı çok daha önemli derecede artmaktadır. Tabi bu büyüme durumu hiç bir şeyin büyümeyi sınırlamadığı durumlar için geçerli olup, genellikle atıksu arıtımında bir veya birkaç faktör büyümeyi 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.

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 COD biyokütle/g COD substrat

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

Atıksu arıtımında, bir çok organik madde suda bulunabileceği için organikleri tek tek belirlemek imkansızdır. Bu nedenle tüm organiklerin toplamı için bir ölçüt olan KOİ veya BOİ kullanılır.

Biyokütle büyümesinin ölçülmesi

Biyokütle çoğunlukla organik maddelerden meydana geldiği için toplam bakteri miktarı uçucu katı madde veya partikül KOİ ölçülerek belirlenebilir. Fakat bu ölçümlerde canlı ve

36

canlı 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 protein olduğu kabul edilebilir. Düşük biyokütle içeren sularda bakteri konsantrasyonu bulanıklık ölçülerek 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 üzerinde büyütülemeyebilir.

Stoiktikiyometrik denklemlerden yararlanarak dönüşüm katsayısı ve oksijen ihtiyacının belirlenmesi

Bahsedildiği üzere, atıksu içersindeki bir çok organik madde olduğundan substratın kesin formülünü belirlemek oldukça zordur. Bu nedenle organik madde miktarının bir ölçütü olarak KOİ kullanılır. Burada anlatımı basitleştirmek için organik madde olarak glikoz (C6H12O6)’un formülü, bakteri olarak da C5H7NO2 kullanılacaktır. Bu durmda aerobik şartlarda glikoz oksidasyonu aşağıdaki denklemle verilebilir;

Buna göre dönüşüm katsayısı,

Pratikte substrat için KOİ, bakteri için ise VSS kullanılır. Bu durumda glikozun KOİ sinin belirlenmesi gerekir. Bu amaçla aşağıdaki denklem yazılabilir,

glikozun KOİ si;

Olarak bulunur.

Bu durumda Y değeri g bakteri/g KOİ olarak aşağıdaki şekilde bulunur;

37

38