Biyolojik Yöntemler ile Arıtma

Biyolojik Arıtma: Biyolojik arıtmanın temelini biyolojik canlılar olan mikroorganizmalar oluşturmaktadır. Mikroorganizmalar gerekli şartların oluşması durumunda yani besin ve oksijen ihtiyaçları karşılandığında çok hızlı bir şekilde çoğalırlar. Atıksuyun içeriğinde bulunan ve çevre için zararlı olan maddeler (Azot, fosfor vb.) bakteriler için besin niteliği taşımaktadır. Atık suda fazlaca bulunan bu besin içeriğinin yanı sıra oksijene de ihtiyaç duyulmaktadır. Fakat atıksu içerisindeki çözünmüş oksijen miktarı neredeyse sıfırdır. Bu nedenle ortamın mekanik ekipmanlar aracılığı ile oksijence zenginleştirilmesi gerekmektedir.

İleri Biyolojik Arıtma: İleri Biyolojik Arıtma temel olarak Organik Karbon gideriminin yanı sıra Azot ve Fosfor giderimi esasına dayanmaktadır. İleri arıtma hesaplarında Uzun Havalandırmalı Aktif Çamur Sistemi , Bardenpho-4 Basamaklı, Bardenpho-5 Basamaklı ,

A/O ( iki Aşamalı Phoredux ) , A²/ O ( Üç Aşamalı Phoredux ), SBR ( Ardışık Kesikli Reaktör ) gibi prosesler dikkate alınır ve sistem, hidrolik ve dizayn edilmektedir. 

• A²O Prosesi

A²/O prosesi temel olarak A/O prosesinin farklı bir versiyonudur. Azot giderimin de  nitrifikasyon için oksik ve denitrifiksyon için ise anoksik ortam gereklidir. A²O prosesi tasarımı, bu iki ortamı bize tek bir havuz içerisinde sağlayarak hem Azot hem de Fosfor giderimini aynı ortamda gerçekleştirme olanağını sağlar. Atıksuyun havuzun oksijensiz kısmında kalma süresi ortalama bir – iki saattir. Anoksik kısımda suda çözünmüş oksijen oranı çok düşüktür. Prosesteki geri devir sitemiyle nitrat ve nitrit formundaki kimyasal bağlı oksijen havalı bölümden geri devir edilir. Çıkış sisteminde filtre edilmeksizin 2 mg/l’den daha az fosfor konsantrasyonu sağlamaktadır. Çıkış suyunda filtrasyon ile birlikte 1,5 mg/l’den daha az değerlerde fosfor konsantrasyonu elde edilir.

Resim 1: A²O prosesinin genel akış diyagramı verilmiştir.

• Bardenpho Prosesi (Dört -Beş Basamaklı)

Dört veya Beş basamakta gerçekleşen Bardenpho prosesi azot giderimi gerçekleşmektedir. Prosese eklenen beşinci basamak ile azot ve fosfor giderimi beş basamaklı Bardenpho prosesi içerisinde gerçekleştirilmektedir. Fosfor gideriminin gerçekleştirile bilmesi adına bioreaktörün giriş kısmına havasız bir bölüm tasarlanmıştır. Proses yapısındaki anaerobik, anoksik ve aerobik bölümler ile karbon, azot ve fosfor giderimini gerçekleştirir.  Atıksu birinci aerobik bölümden anoksik bölüme geri devir edilir. İkinci anoksik kısım, aerobik kısımda oluşan nitratı elektron alıcı, içsel organik karbonu ise elektron verici olarak kullanarak ekstra denitrifikasyon sağlanır. Arıtım işlemi sonunda 3-5 mg/l toplam azot konsantrasyonu sağlanır. Sistemin son aerobik bölümünde kalıntı azot gazını atıksudan uzaklaştırmak ve son çökeltim havuzlarında fosfor açığa çıkışı en aza indirilir.

Resim 2:Bardenpho Prosesi Genel Akış Diyagramı

• UCT (University of Cape Town) Prosesi

UCT prosesi Cape Town Üniversitesi tarafından geliştirilmiştir. Sitem olarak A²O prosesine benzemektedir. Bu sistemde atıksu geri devri aerobik kısım yerine anoksik kısma ve iç geri devri anoksik kısımdan anaerobik kısma doğrudur.  Aktif çamurun geri devrinde anaerobik bölüme girmemesi ile aerobik bölümde fosfor daha iyi bir şekilde açığa çıkar. İç geri devir sayesinde de aerobik bölümde organik madde kullanımı arttırılmış olur. Anoksik bölümdeki atıksuyun geri devri aerobik kısımda fermantsyonun hıznda en idaal şartları sağlar. 

Nitrifikasyon ve denitrifikasyon prosesi ardı ardına birbirini takip eden bir sistemdir. Bu sistem anaerobik ve anoksik + aerobik + anoksik + aerobik havuz ile bir çökeltim havuzundan ve çökeltilen aktif çamurun aerobik kısma geri devir ettirilmesinden oluşur. Anoksik ve aerobik havuzlar için Carrausel tipteki havuzlar seçilir ve sistemin geri devri içsel geri devir olarak gerçekleştirilir. Ancak UCT sistemde ki proses de iç geri devir için içsel geri devir pompaları sisteme ilave edilmiştir.

Fosfor bileşiklerinin giderilmesi amacıyla biyolojik prosesin başlangıcında anaerobik bir ortam oluşturulmuştur. Bu kısımda ortamda bulunan erimiş haldeki BOİ’nin geri devir çamuru ile karıştırlarak bünyelerinde polifosfat bulunduran mikroorganizmaların polifosfatı hidrolize edip      BOİ kütlesini kendi bünyelerine alması amaçlanmıştır. Bu proses ile fosfat hidrolize edilmiş olur ve inorganik fosfata dönüştürülerek suda ki erimiş fosfat miktarı artar. Aerobik bölgeye gelindiğinde ise bu bakteriler daha önce bünyelerinde absorbe ettikleri BOİ’yi okside ederek sudaki fosfatı giderirler. Aerobik kısım da aynı zamanda organik azot bileşikleri oksitlenerek sırasıyla nitrit ve nitrata yükseltgenir yani “Nitrifikasyon” gerçekleşmiş olur. Anoksik kısımda ise denitrifikasyon safhası gerçekleşir. Denitrifikasyon reaksiyonunda ihtiyaç duyulan karbonu sağlamak için bu ünite nitrifikasyon öncesine konmuş ve nitrifikasyon çıkışı geri devri içsel olarak sağlanmıştır.

Resim 3: UCT Prosesi Genel Akış Diyagramı

FOSFOR GİDERİMİ

Fosfor giderim prosesi, çeşitli türdeki bazı bakterilerin çözünebilen orto fosfatı çözünemeyen polifosfat formunda hücre içerisinde depolaya bilmeleri esasına dayanır. Bio-P prosesinin kapasitesinin artışı, aktif çamur prosesi içerisindeki Bio-P bakterilerinin miktarına ve bakterilerin aktif çamur içerisinde artış gösterme eğilimine bağlıdır. Depolanmış haldeki polifosfat enerji kaynağı olarak ele alınır. Bazı proses şartlarında aktif çamur içerisinde bulunan poli fosfat fosfat depolayan bakterilerin yetişmesi için enerfi kaynağıdır.

Bio-P prosesinin sağlıklı bir şekilde gerçekleştirile bilmesi için  gerekli ilk husus oksijen ve nitratın olmadığı anaerobik bölgede giriş suyu ve aktif çamurun karıştırılmasıdır.  Bünyelerinde fosfatı depolayan bakteriler anaerobik ortamda substratı asetat ve diğer uçucu yağ sitleri şeklinde alıp PHB (poli-hidroksi-bütürat) gibi karbon içeren depo ürünlerine çevirirler. Susbtratların bakteri bünyesine alınması ve PHB eldesi için gerekli olan enerji polifosfatların parçalanması ile elde edilir. Bu parçalanma sonucunda fosfatlar ortafosfat olarak atıksu ortamına sentezlenirler.

Şekil–1:Anaerobik ve aerobik temasa bağlı olarak BOİ ve P giderimi

Aerobik ve anoksik şartlarda PHB formunda ki karbon rezervleri oksijen yada nitrat ile oksitlenir. Oluşan enerji fosfat depolayan mikroorganizmaların orta fosfatı sudan alması ve hücre içinde poli fosfat olarak depolaması ve çoğalmaları için kullanılır. Böylelikle atık suda ki fosfat mikroorganizmaların yaşamsal faaliyetlerini gerçekleştirmesi ile sitemden uzaklaştırılmış yani arıtılmış olur.

Bunun yanında anaerobik bölgeye oksijen ve nitrat girişi engellenmelidir.. Bu bölgede oksijen 0.5 mg/L üstüne kesinlikle çıkmamalıdır. Nitrat içeren yan akımlar da arıtma verimini büyük ölçüde etkileyecektir. Nitrat içeren bu yan akımlar elektron alıcısı olarak kullanılıp, fosfor gideren organizmalar için gerekli substrat miktarını azaltmaktadır.

İleri Biyolojik Arıtma Sistemlerin verimli bir şekilde çalışmasının takip edilmesi amacı ile havuzlarda çeşitli ölçümler ve izlemeler yapılmalıdır.

Özellikle nitrifikasyon yani ; atıksuda mevcut amonyum (NH4) iyonlarının bakteriler tarafından önce nitrite sonra da nitrat iyonlarına dönüştürülmesidir. Amonyağı nitrite oksitleyen bakteri türleri Nitrosomonos ve Nitrosococcus olarak bilinmektedir. İlk basamakta nitrite (NO₂) oksitlenen amonyum iyonları, ikinci basamakta Nitrobakter ile nitrata (NO₃) dönüştürülürmektedir.

İlk Adıma ait enerji reaksiyonu ;

NH₄+ + 3/2 O₂→ NO₂– + 2H+ + H₂O (Nitrosomonos)

iken ikinci adıma ait enerji reaksiyonu ;

NO₂– + ½ O₂→ NO₃– (Nitrobakter)

Açığa çıkan enerji hücre büyümesi ve bakımı için kullanılmaktadır.

Nitrifikasyon prosesinde, nitrit oluşumunda amonyak, nitrat oluşumunda ise nitrit konsantrasyonları hız belirleyicidir. Nitrobacter’lerin büyüme hızı Nitrosomonas’lara kıyasla daha büyük olduğu için nitrifikasyon proses hızını kontrol eden adım amonyağın nitrite dönüşüm reaksiyonudur. Nitrosomonos ve nitrobakter yaşaması için sıcaklık önemli bir paremetredri ve en az 12’C olmalıdır.

Denitrifikasyon prosesinde ; Anoksik koşullar altında, NO₃-N, ara ürünler NO₂-N ve NO/N₂O aracılığıyla temel azota dönüştürülmektedir. Biyolojik olarak kolayca parçalanabilen karbonun yeterli miktarda varlığı bu proses için önemlidir. Hiç çözünmüş oksijen olmamalıdır.

Süreçlerin iyi bir şekilde takip edilebilmesi amacı ile laboratuarda ;

Nitrat Azotu NO₃-N, Nitrit Azotu NO₂-N , Organik Azot N org, TKN ( Kjeldal Azotu ) , pH , ORP ( iletkenlik ) , Sıcaklık , Çözünmüş Oksijen, Toplam N, Toplam P , KOI, BOI değerleri ölçülmelidir. F/M oranı ,  BOI₅/ TKN oranları da takip edilerek sürecin verimli bir şekilde çalışması sağlanmalıdır.

Ünitelerde hidrolik bekleme süresi gibi birçok parametreler atıksu arıtma sistemlerinin işletimini etkilerken, bazı şartlar özellikle biyolojik azot giderim sistemleri için önemlidir. Çamur yaşı, F/M oranı , atık suyun C/N/P oranı , reaktördeki sıcaklık , alkanite  ve pH, amonyak konsantrasyonu, çözünmüş oksijen ve inhibitör kirletici bileşikleri kapsamaktadır .

İleri biyolojik arıtma tesislerinde Azot biyolojik arıtma ile giderimi mümkün iken Fosfor biyolojik arıtma ile ancak %40-%60 gibi aralığında giderilebilmektedir. Giriş suyunda fosfor değerinin yüksek olması ve biyolojik arıtma ile fosfor giderimi sağlamaması halinde suya  FeCl₃ve Alüm gibi koagülantlar kullanılarak fosfor giderimi yapılabilmektedir. Bu gibi durumlar göz önüne alınarak tesis dizaynların da fosfordan kaynaklan çamur miktarı da ayrıca hesaplanmalıdır. 

Damla Arıtma ve Çevre Teknolojileri tarafından atıksu arıtma tesisi konusunda istenilen ebat ve boyutlarda İleri Biyolojik Arıtma Tesisleri dizayn, projelendirme , tesis yapımı ve işletmesi yapmaktadır.