Su Kirliliği Kontrolunde Teknolojik Yaklaşımlar ve Arıtma Yöntemlerinin Sınıflandırılması
Pis suların arıtılmasında kullanılan yöntemler, fiziksel etkilerin önem taşıdığı temel işlemler ile kimyasal ve biyolojik kimyasal ve biyolojik reaksiyonların ağırlık taşıdığı temel süreçler olmak üzere iki ana gruba ayrılabilir. Temel işlemlerde pis suyun niteliği değişmez halbuki temel süreçlerde nitelik değişimi vardır.
• Bir arıtma tesisinde temel işlemlerin yer aldığı ünitelere örnek olarak ızgaralar, karıştırma, çökeltme, yumaklaştırma, yüzdürme, filtrasyon, kurutma, destilasyon, santrifüj, dondurma ve ters ozmoz üniteleri verilebilir.
• Temel süreçler ise kendi içinde kimyasal temel süreçler ve biyolojik temel süreçler olarak ikiye ayrılırlar. Kimyasal çökeltme, nötralizasyon, adsorpsiyon, dezenfeksiyon, kimyasal oksidasyon, kimyasal redüksiyon, yakma, iyon değişimi ve elektrodiyaliz birer kimyasal temel süreçtir. Biyolojik temel süreçler ise aerobik, anaerobik, aerobik-anaerobik (fakültatif) olarak üç grupta incelenirler.
Temel işlemler
Pis surların arıtılmasında kullanılan temel işlemler; askıdaki maddelerin sudan ayrılmasını, ayrışabilen maddelerin ayrıştırılmasını ve ayrışmayan maddelerin sudan bazı özel yöntemlerle uzaklaştırılmasını sağlar. Bu amaçla uygulanan yöntemleri üç ana grupta toplamak mümkündür.
• Çökeltme havuzları (basit ve yumaklaşmalı çökeltme)
• Izgaralar ve filtreler
• Santrifüjler (genellikle çamur arıtmasında)
Bu temel işlemler pis sulardan ayrılması istenen askıdaki katı maddeye göre iki grupta incelenebilir:
• Askıdaki katı madde ayrışamaz ise, bu maddelerin suyun içinden alındıktan sonra özelliklerini değiştirmesi diye bir durum yoktur. Bu maddelerde arıtma verimi genelde yüksek bir derecededir. Buna karşın söz konusu maddelerin alındıktan sonra uzaklaştırılması problem yaratabilmektedir.
• Askıdaki katı madde biyolojik olarak ayrışabilen cinsten ise, bu maddelerin sudan alınması sonucunda elde edilen çamur, özelliklerini değiştirmeye başlar. Buradaki problem, çamurun genellikle çok yüksek olan su içeriğidir. Ayrıca, biyolojik olarak ayrışabilen maddeler bir aşamadan daha geçmelidir. Günümüzde bu aşama genellikle anaerobik ısıtmalı çürütme tanklarında gerçekleşir.
Doğru boyutlandırılmış ve uygun çalıştırılan çökeltme havuzlarında evsel pis su için BOİ giderme verimi % 30-35 arası değişir. Bu verim oldukça düşük olmasına rağmen ucuza elde edilir.
Çok yüksek verimli temel işlemlere örnek olarak destilasyon, dondurma ve ters ozmoz sayılabilir. Bunların verimleri % 90-95 arasındadır. Ancak çok yüksek işletme giderleri nedeniyle kullanımları sınırlıdır.
Biyolojik temel süreçler
Genellikle biyolojik temel süreçler doğadaki oksidasyon süreçlerinin bir simülasyonu (benzeşimi) niteliğindedir. Ancak bu süreçler içindeki reaksiyonlar kontrollu olarak gerçekleştirilmekte ve reaksiyon hızlarının doğadakine oranla daha yüksek olmasına çaba gösterilmektedir. Doğa ile benzeşimi yapılan olaylar akarsudaki aerobik reaksiyonlar ve akarsu tabanındaki çökellerde (sedimentlerde) görülen aerobik, anaerobik, aerobik-anaerobik reaksiyonlardır.
Aerobik süreçler
En yaygın şekilde uygulanan aerobik arıtma yöntemleri, aktif çamur sistemleri, damlatmalı filtreler ve aerobik stabilizasyon havuzlarıdır. Aktif çamur süreçleri genellikle büyük kentlerin pis sularının arıtımında kullanılmakta, damlatmalı filtreler ise daha küçük yerleşimlerin pis sularının ve biyolojik olarak ayrışabilen endüstri sularının arıtılmasında uygulama alanı bulmaktadır. Aerobik stabilizasyon havuzları ise büyük alan gereksinimi göstermekte ve bu yüzden arazi fiyatlarının ucuz olduğu yöreler de ve küçük yerleşimlerin pis sularının arıtılmasında ekonomik olmaktadır. Sayılan bu üç sürecin bekleme süreleri, oksijen gereksinimleri ve süreç sırasında oluşan biyolojik katı madde (mikroorganizma kütlesi) açısından farklılıkları olmakla beraber, her üçünde de temelde aynı biyokimyasal reaksiyonlar gerçekleşmektedir. Bu biyokimyasal reaksiyonlar iki aşamada gerçekleşirler. Sentez aşamasında, organik kirleticiler mikroorganizma kütlesine dönüşmektedir. Mikroorganizma kütlesi basıt olarak C5H7NO2 , organik madde ise CH2O formülleri ile tanımlanacak olursa, bunun üretimi, gerekli enzimlerin katkısı ile aşağıdaki reaksiyon sonucunda gerçekleşir.
Biyokimyasal Sentez
enzimler
8CH2O+ NH3 + 3O2
C5H7NO2 + 3CO2 + 6H2O + E
Burada E reaksiyon sırasında tüketilen enerjiyi göstermektedir. Solunum aşamasında ise oluşan mikroorganizma kütlesi endojen respirasyon (iç solunum) ile azalma gösterir. Organik maddenin sadece sentez aşamasının kullanılması ile bile oldukça yüksek derecede bir pis su arıtması mümkün olmaktadır. Bunun nedeni, pis suda çözünür halde bulunan organik kirleticilerin çökebilir biyolojik kütleye dönüşmesi ve çökeltme ile pis sudan ayrılabilmesidir. Bu aşamada arıtmaya etkili olan olay yalnızca biyokimyasal sentez olmamakta, giderme veriminde hücre zarına adsorpsiyon ve flokülasyon (yumaklaşma) da önemli bir rol oynamaktadır. Mikroorganizma kütlesinin endojen respirasyonu aşağıdaki reaksiyon ile gösterilebilir.
Biyokimyasal Solunum
C5H7NO2 + 5O2
5CO2 + NH3 + 2H2O + E
Bu reaksiyondaki tek amaç enerji üretimidir.
Endojen respirasyon sonucunda çıkan NH3 'ün oksidasyonu gerekiyorsa, süreç nitrifikasyon aşamasına uzatılır. Toksik maddeler ve pH'tan çok etkilenen nitrifikasyon organizmaları, sentez aşamasındaki karbonlu maddelerin oksitlenmesi için gerekli oksijenden daha fazla oksijen isterler. Söz konusu reaksiyon şu şekildedir.
NH3+ 2O2
HNO3 + H2O + ΔE
Aktif çamur süreci
Bu süreçte sentez aşaması dominant olan olgudur. Aktif çamur, sümüksü bir yapı içinde yerleşmiş çeşitli bakteri türlerinden ve aynı yapı içindeki protozoalardan oluşmaktadır. Aktif çamur sürecinde son çökeltme havuzunda toplanan çamurun sadece bir kısmı anaerobik çürütme tanklarına gönderilir. Diğer kısmı ise geri dönüş çamuru olarak sisteme döndürülmektedir (Şekil 5.8). Anaerobik çürütme tankına birim zamanda gönderilen çamur miktarı, aynı süre içinde sistemde birim zamanda üretilen mikroorganizma kütlesine eşittir. Geri dönüş çamuru, giriş suyuna karıştırılıp havalandırma havuzunda 2-6 saat havalandırılır.
Havalandırmadan çıkan su, son çökeltme havuzunda biyolojik kütleden arındırılır. Aktif çamur sürecinde arıtma verimini etkileyen faktörler şunlardır:
• Geri dönüş çamuru oranı,
• Havalandırma süresi,
• Havalandırma debisi.
Geri dönüş oranının yüksek olması sistem boyutlarını küçültmekte, tesisin işletilmesi güçleşmekte ve iyi yetiştirilmiş işletme personeline gereksinim duyulmaktadır. Aynı zamanda sistem performansının da sürekli olarak ölçüm ve kontrolu gerektirmektedir.
Tasarımı iyi yapılmış bir aktif çamur tesisinin BOİ arıtma verimi % 80-90 arasında değişmektedir. Daha yüksek arıtma verimlerinin elde edilmesi mümkünse de bu durumlarda gerek ilk yatırım ve gerekse de havalandırmada harcanacak enerjinin marjinal giderleri hızlı bir şekilde artmaktadır.
Damlatmalı filtreler
Bu süreçler gerçekte, filtre olarak çalışmazlar. Bunlara biyolojik reaksiyon yatakları denmesi daha doğru bir yaklaşımdır. Damlatmalı filtre Damlatmalı filtreler
Bu süreçler gerçekte, filtre olarak çalışmazlar. Bunlara biyolojik reaksiyon yatakları denmesi daha doğru bir yaklaşımdır. Damlatmalı filtre genellikle kırık taşlardan meydan gelen yüksek geçirimli bir yataktan oluşmaktadır.
Günümüzde yatak malzemesi olarak plastik de kullanılmaktadır. Uygulamada zaman zaman taş kümürü hatta tahta bile görülmüştür. Plastik dolgu malzemesi hafif olduğundan ve daha büyük yüzey sağlıyabileceğinden avantajlı olabilir. Damlatmalı filitrelerde pis su döner veya sabit fiskiyelerle filtre yüzeyine serpilmekte ve daha sonra filtre içinden taşların yüzeyinden sızarak aşağıya doğru akmaktadır. Filtrenin altında bir alt drenaj sistemi bulunur. Alt drenaj sisteminin görevi, filtre çıkış suyunu toplayıp uzaklaştırmak, havalandırmayı sağlamak ve filtre içinde sürekli olarak aerobik koşulların geçerliliğini korumaktır. Pis su içindeki organik kirleticiler, dolgu malzemesi yüzeyine yapışık olarak büyüyen ve biyofilm adı verilen yapı içinde bulunan mikroorganizmalar tarafından ayrıştırılır. Biyofilm çeşitli katmanlardan oluşur. Dış katmanlarda organik madde mikroorganizmalar tarafından aerobik olarak ayrıştırılır ve yeni biyolojik kütle sentezi yapılır. Sentez sonucunda biyofilm kalınlaşacağı için, yüzeyden kazanılan oksijenin biyofilmin tüm derinliğine difüzyonla organik madde taşınımını sınırlandırmaktadır. Böylece dolgu malzemesi yüzeyine yakın bölgede yaşayan mikroorganizmalar endojen (iç solunum) faza girer ve yüzeye yapışma yeteneklerini kaybederler. Bunun sonucunda biyofilm dolgu malzemesi yüzeyinden, yukarıdan gelen pis suların neden olduğu hidrolik kayma gerilmesi sonucunda, koparak uzaklaşır. Yerine yeni biyofilm büyümeye başladığı için aynı süreç periyodik olarak tekrarlanmaktadır. Kopan biyofilm parçacıklarını tutabilmek için damlatmalı filtre çıkış suyu bir çökeltme havuzundan geçirilmelidir. Damlatmalı filtre yönteminde de yer yer geri dönüş uygulanmakla beraber bu işlem, aktif çamur tesislerindeki kadar önemli değildir. Bunun nedeni, süreçte yer alan aktif mikroorganizmaların büyük bir çoğunluğunun dolgu maddesi yüzeyinde yapışık halde bulunması ve aktif çamur havuzunda olduğu gibi biyolojik kademenin çıkış suyu içinde yüzer vaziyette olmamasıdır. Geri dönüş uygulandığı zaman bunun ana amacı, giriş suyunun seyreltilmesi ve çıkış suyunun bir defa daha reaktörden geçirilerek biyolojik arıtma veriminin arttırılmasıdır.
Damlatmalı filtre sistemlerinde özellikle geri dönüş göz önüne alındığında çeşitli seçenekler ortaya çıkar. Bunlardan birine ait örnek Şekil 5.9 ‘da görülmektedir. Hatta bazı arıtma tesislerinde değişik işletme koşulları altında (kirlilik yükü, sıcaklık, kirletici tipi) değişik geri dönüş şekillerinin uygulanması söz konusu olmaktadır.
Damlatmalı filtreleri karakterize eden iki parametre:
• Hidrolik yükleme hızı ,
• Organik yükleme hızıdır.
Hidrolik yükleme hızı birim zamanda (gün) filtrenin birim yüzeyine (m2) verilen pis su olarak tanımlanır ve biyofilmi kopartacak olan hidrolik kesme hızları açısından önemlidir. Organik yükleme hızı ise, filtrenin birim hacmine (m3) birim zamanda (gün) verilen BOİ miktarı olarak tanımlanmakta ve biyofilmdeki metabolizma hızını etkilemektedir.
Hidrolik ve organik yükleme hızlarına göre damlatmalı filtreler, düşük hızlı veya yüksek hızlı sistemler şeklinde ikiye ayrılabilir. Düşük hızlı bir damlatmalı filtrenin işletilmesi oldukça basittir. Biyofilmin içindeki mikroorganizma toplumu yüksek oranda nitrifikasyon bakterileri içerir. Bu yüzden düşük hızlı damlatmalı filtrelerin suyunda yüksek nitrit (NO2-) ve nitrat (NO3-) konsantrasyonlarına rastlanır. Düşük hızlı damlatmalı filtrelerde genellikle geri dönüş uygulanmaz. BOİ giderme verimi % 80 -85 arasında değişir. Bu filtrelerin olumsuz yanı özellikle sıcak mevsimlerde koku oluşumu ve sinek üremesidir.
Yüksek hızlı damlatmalı filtrelerin özelliği daha düşük arıtma verimi (%65 - 85) ve geri dönüş uygulamasıdır. Yüksek hızlı damlatmalı filtre sistemlerinde geri dönüş suyunun kontrolu, koku ve sineklerin önlenmesi ile süreç veriminin artırılması açısından büyük önem taşımaktadır. Böylece yüksek hızlı filtrelerin işletilmesi daha karmaşık olmakta ve iyi sonuç elde edebilmek için iyi yetiştirilmiş işletme personeline gereksinim duyulmaktadır. Özetlemek gerekirse, damlatmalı filtrelerin olumlu yönleri, yüksek nitrifikasyon etkisi, oldukça düşük işletme ve bakım masrafılar ve olağanüstü iklim koşulları altında işletebilme özellikleridir. Bu sistemlerin olumsuz yönleri ise koku ve sinek oluşumu, yüksek alan gereksinimi ve yüksek ilk yatırım masrafları olmaktadır.
Aerobik stabilizasyon havuzları
Aerobik stabilizasyon havuzları sığ havuzlardır. buradaki arıtma süreci, ilke olarak geri dönüşsüz bir aktif çamur süreciyle eşdeğerdir. Aktif çamur süreciyle aerobik stabilizasyon arasındaki fark, ikincisinde mikroorganizma derişiminin düşük oluşudur. Bu süreçte oluşan biyolojik kütle daha yüksek bir mineralizasyon düzeyindedir. Oksijen temini, doğal olarak su yüzeyinde, alglerin fotosentezinden ve zaman zaman da yapay havalandırmadan sağlanır.
Aerobik havuzlarda veriminin yükseltilmesi için havuz içeriğinin sürekli olarak karıştırılıp, tabakalaşma ve bakteri çökelmesinin önlenmesi gerekir. Burada BOİ giderme verimi çok yüksektir (%95). Ancak bu havuzların çıkış suyunda yüksek alg derişimleri görülmektedir. Bu alglerin giderilmemesi halinde sürecin çıkış suyu, alıcı ortam olarak kullanılan yüzeysel suya, arıtılmamış pis suya yakın derecede bir BOİ yükü getirebilir. Bu durumda alınabilecek önlem, havuzda oluşan alglerin toplanmasıdır. Aerobik stabilizasyon havuzlarının çıkış suları oldukça yüksek derişimlerde azot ve fosfor bileşikleri içerebilirler. Bu nütrientler alıcı ortamda ötrofikasyona ve dolayısıyla aşırı bir oksijen gereksinimine neden olabilirler.
Aerobik stabilizasyon havuzları için özet olarak, küçük kırsal yerleşim bölgeleri için popüler bir arıtma seçenegi olduğu söylenebilir. Bu tür bölgelerde arazi fiyatı düşüktür. Ayrıca stabilizasyon havuzlarının ilk yatırım ve işletme giderleri, diğer arıtım süreçlerine oranla düşük olmaktadır.
Aerobik-anaerobik (Fakültatif) süreçler
Fakültatif havalandırmalı havuzlarda suyun karışımı sağlanmaz. Bunun sonucunda mikroorganizmaların bir kısmı çökelerek havuz dibinde anaerobik bir tabaka oluşturur. Böylece fakültatif havuzlar, aerobik üst tabaka ve anaerobik alt tabaka olmak üzere iki bölgeden meydana gelir. Aerobik üst tabakada algler ve aerobik bakteriler, anaerobik alt tabakada ise fakültatif ve mutlak anaerobik bakteriler bulunur. Fakültatif havuzlarda arıtmanın büyük yükünün fakültatif alt tabakada giderilmesi istenir. Ancak üstteki aerobik tabaka, arıtmaya belirli bir ölçüde katkıda bulunduğu gibi koku problemlerinin önlenmesinde de etkin olur.
BOİ giderme verimi aerobik stabilizasyon havuzlarda olduğu gibi % 95 derecesindedir. Bu tür havuzların avantajı, suyun karıştırılması gerekmediği için enerji, ekipman ve iş gücünden tasarruf sağlamasıdır.
Anaerobik süreçler
Anaerobik süreçlerde organik madde serbest oksijen olmaksızın ayrıştırılır. Bu süreçlerin pis su arıtmasında en önemli uygulama alanları, aerobik ve biyolojik ünitelerden çıkan çamurların (biyolojik kütle) stabilizasyonu ve pis suların anaerobik olarak doğrudan arıtılmasıdır.
Anaerobik ayrışma iki aşamada gerçekleşir ve iki tür bakteri etkindir. Birinci aşamada organik maddeler organik asitlere dönüştürülür. İkinci aşamada ise organik asitler CH4 ve CO2' te dönüşür. İkinci aşamayı oluşturan bakteriler mutlak anaerobtur. Dolayısıyla bunların büyüme hızları çok yavaştır. Bunun sonucunda anaerobik süreçlerin bekleme süreleri çok yüksek olmaktadır. Tam karışımlı bir anaerobik reaktörde bekleme süreci 10-30 gün arasında değişmektedir. Süreç sırasında oluşan CH4 gazı gerek ortamın ısıtılması ve gerekse reaktör tankının karıştırılması için ihtiyaç duyulan enerjiyi sağlayabilmektedir. Anaerobik süreçler sonucnda oluşan ürünlerin (stabilize olmuş çamur), son uzaklaştırmadan önce suyunun alınması gereklidir. Suyun uzaklaştırılması için de kullanılacak temel işlemler, santrüfüj, filtre presleri ve arazide kurutmadır. Son yıllarda pis suların doğrudan anaerobik olarak ayrıştırılması giderek önem kazanmaktadır. Bunun nedeni anaerobik süreçlerin aerobik süreçlere kıyasla çok daha düşük olan enerji gereksinimidir.
Kimyasal temel süreçler
Kimyasal temel süreçler, pis suların arıtımında ilk olarak uygulanan yöntemlerdir. Daha sonraları, biyolojik temel süreçlerin gelişmesiyle bu yöntemler terk edilmiştir. Ancak son yıllarda kimyasal süreçlerin pis su arıtımında tekrar daha yaygın bir şekilde kullanılmaya başlandığı görülmektedir. Özellikle biyolojik arıtma süreçleri içinde etkilenmeyen bileşenlerin kimyasal süreçlerle arıtılmasına çalışılmaktadır.
Kimyasal birim süreçlerin ortak özelliği, genellikle düşük yatırım giderleriyle, yüksek işletme giderlerine sahip olmalarıdır. Bu yüzden kimyasal süreçler, özel arıtma gerektiren pis sularda veya bu tip bir arıtmanın genel arıtma süreci içinde, çok kısa süre uygulanması gerektiğinde kullanılır.
Kimyasal çöktürme
Kimyasal çöktürme, pis sularda mevcut olan ve uzaklaştırılması istenen iyonların arıtılmasında kullanılır. Bu yöntemin en önemli uygulaması fosfor bileşiklerinin uzaklaştırılması olmaktadır. Bilindiği gibi fosfor alıcı ortamlarda ötrofikasyona neden olmaktadır. Kimyasal çöktürme ile fosfor gideriminde alüminyum ve demir tuzları (Al2(SO4)3, FeCl3, Fe2 (SO4)3) ile sönmüş kireç (Ca(OH)2) kullanılmaktadır.
Koagülasyon
Koagülasyon, kolloidal partiküllerin biraraya getirilerek çökebilir veya filtrelenebilir bir hale gelmesini sağlayan bir süreçtir. Kimyasal koagülantlar, partiküller arasındaki itici kuvvetlerin azaltılmasına yönelik etkileriyle bunların biraraya gelmesini ve yumaklar oluşturmalarını kolaylaştırırlar.
Pis suların ileri düzeyde arıtılmasında genellikle aluminyum ve demir (III) tuzları kullanılmaktadır. Koagülasyon süreçleri büyük molekül yapısına sahip polimerler aracılığıyla hızlandırılabilir.
Dezenfeksiyon
Gaz fazındaki klor, pis sulardaki patojen mikroorganizmaların zararsız hale getirilmesinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Genellikle klorlama işlemi arıtma tesislerinin çıkış suyuna uygulanmaktadır. Bunun nedeni klorun çok kuvetli bir oksitleyici oluşu ve pis suda bulunan indirgenmiş nitelikteki tüm organik ve anorganik bileşikleri oksitleyebilme özelliğidir. Dolayısıyla arıtılmamış pis suların klorlanması, dezenfeksiyon için çok yüksek klor dozları gerektireceğinden, ekonomik olmamaktadır. Ancak, arıtma tesislerinin bulunmadığı ve pis suların alıcı ortamda halk sağlığı açısından sakıncalar yarattığı durumlarda yüksek dozajlı klorlama uygulanabilmektedir.
Ekoloji
-
Ekosistem hizmetleri
-
Biyoremediasyon Nedir ? Biyoremediasyon Teknikleri Nelerdir ?
-
Enerji Bağımsızlığı Nedir ?
-
İklim Araştırmaları
-
Sera Etkisi - Atmosferdeki karbondioksitin sera gazı etkisindeki yeri nedir?
-
CO2 Salımları
-
İklim Bilimi - İklimi Nasıl Değiştiriyoruz
-
Ağır Metallerin Sağlık Üzerine Etkileri
-
Küresel Isınmanın Sonuçları
-
Asit Yağmurlarının Çevre Üzerine Etkileri
-
Tür Çeşitliliğinin Korunması
-
Biyolojik Mücadele Kavramı
-
Atık Suların Kullanım Alanları
-
Sera gazı ile küresel ısınma arasında nasıl bir ilişki vardır? Kaynak: Sera gazı ile küresel ısınma arasında nasıl bir ilişki vardır?
-
Canlı Türlerinin Yok Olmasının Doğal Dengeye Etkisi