Fiziko Kimyasal Ön-Arıtma Yöntemleri .1 Islak Hava Oksidasyonu

Islak hava oksidasyonu, moleküler oksijen ve organik maddenin birbiriyle temasını arttırma temeline dayanan fiziko-kimyasal bir prosestir. Yüksek sıcaklıklar altında (200-370 ⁰C) organik maddenin bir kısmı karbondioksit ve suya dönüşürken, yüksek basınçlı (50-150 bar) sıvı da çözünmüş oksijen konsantrasyonunu ve oksidasyon hızını arttırır. Islak hava oksidasyonu, atıksularda biyolojik oksidasyona dirençli olan fenol ve karboksilik asitler gibi organik kirleticilerin ve mikrokirleticilerin tam veya kısmi gideriminde etkili bir metoddur (Jogeklar ve diğ., 1991; Mantzavinos ve diğ., 1997). Islak oksidasyon proseslerinin biyolojik evsel atıksu arıtma tesislerinde oluşan çamurun ön arıtımında kullanılması birçok araştırmacı tarafından incelenmiştir. Yoğunlaştırılmış aktif çamurun ıslak oksidasyon prosesiyle ön artımında, sıcaklığın kalış süresi ve oksijen basıncından daha önemli bir parametre olduğu görülmektedir. 200-300 ⁰C arası sıcaklıklarda katı madde giderimi sıcaklıkla beraber artmaktadır (%20 KM giderimi, %40 UKM giderimi (200 ⁰C); %65 KM giderimi, %90 UKM giderimi (300 ⁰C)) (Khan ve diğ., 1999).

3.2.3.2 Ozonlama

Ozon, atıksu ve katı atıkların ön arıtımında kullanılabilecek güçlü bir oksitleyicidir. Ozonun atıksu içerisinde katı maddeler üzerinde etkisi 2 türlüdür (Briere ve diğ., 1994).

 Ozonun katı madde üzerindeki direkt etkisi: Ozonun direkt etkisi, substratın doymamış bağlarına ve yüksek iyonik yoğunluklu bölgelerine olur.

 Ozonun parçalanması sonucu oluşan radikallerin katı madde üzerindeki etkisi: Radikallerin etkisi ortamdaki hidroksil iyonu konsantrasyonuna bağlıdır. pH arttıkça radikallerin etkiside artar.

Ozonlama verimi atığın tipine, ozon dozuna ve pH‘a bağlıdır. Genelde, biyolojik olarak ayrışabilir ürünler elde edebilmek için yüksek ozon dozları gerekmektedir. Ancak ozon, düşük konsantrasyonlarda bile toksik maddeleri parçalayarak, metanojenik bakteriler üzerindeki toksik etkileri azaltabilir. pH‘nın elde edilebilecek çözünmüş KOİ verimleri üzerindeki etkisi büyüktür. Düşük pH‘larda ana oksitleyici ozondur, yüksek pH‘larda ise radikallerin etkisi daha baskındır. Dolayısıyla düşük pH‘larda daha yüksek çözünmüş KOİ verimleri elde etmek mümkündür. Buna karşılık yüksek pH‘larda, biyolojik olarak ayrışamayan veya toksik bileşiklerin oksidasyonuyla elde edilen son ürünler, daha kolay ayrışabilir ve daha az toksiktir. Ozonun askıda katı maddeler üzerindeki oksitleyici etkisi, çözünmüş katı madde üzerindeki etkisinden daha fazladır.

Literatürde ozonlamanın anaerobik arıtma öncesinde bir ön arıtma prosesi olarak kullanımı da incelenmiştir. Bu amaçla yapılan bir çalışmada, toplam katı madde içeriği %9 olan yoğunlaştırılmış aktif çamur kullanılmıştır. 0-3,4 g O3/l ozon dozlamalarında, ozonun partiküler KOİ‘nin çözünmüş hale geçmesinde çok etkili olmadığı görülmüştür. Fakat ozonlanan çamurun anaerobik arıtılabilirliği artmıştır. 3,4 g/l ozon dozunda biyogaz üretimi %44 ve anaerobik arıtılabilirlik %60 artmıştır (Angeliers, 1997).

Ozonla ön-arıtmada oluşabilecek toksik ürünler veya yüksek oksijen konsantrasyonları toksisite problemlerine neden olabilir. Organik peroksitler, düşük molekül ağırlıklı alkoller, bazı karbosilik asitler, aldehitler, H2O2 gibi bileşiklerin ozon ile reaksiyonları toksik bileşikler üretebilir (Gilbert, 1983; Moerman ve diğ., 1994).

3.2.3.3 Kimyasal Ön-arıtma

Lignoselülozik sübstratların kimyasal maddeler kullanılarak ön-arıtımı geniş uygulama alanı bulunmuştur (Millet ve diğ., 1975; Datta, 1981; Pavlostathis ve Gosset, 1985). Kimyasal ön-arıtmada alkali veya asidik çözeltiler kullanılabilmesine rağmen alkali çözeltiler anaerobik arıtma öncesinde kullanılmaya daha uygundur. Alkali çözeltiler arasında ise, lignoselülozik maddelerin ön arıtımında en yaygın

olarak sodyum hidroksit kullanılmaktadır. Yapılan bir araştırmada, buğday samanının doğal sıcaklıklarda sodyum hidroksit kullanılarak ön arıtımı sonucu anaerobik arıtılabilirliği artmıştır. %7,5 katı madde içerikli substrat (buğday samanı) 50 g NaOH/100 g KM dozajıyla 1 gün ön arıtmaya tabi tutularak, anaerobik şartlarda sübstrat giderme verimi %34,3‘den %80‘e çıkarılmıştır (Pavlostathis ve Gosset, 1985). Mısır koçanının substrat olarak kullanıldığı bir başka çalışmada ise 24 ⁰C‘de %1 NaOH çözeltisiyle (16 ml/g substrat) beslenen substratın uçucu asit üretme oranı iki kat artmıştır (Datta, 1981).

NaOH eklenerek yapılan alkali ön-arıtma, arıtma çamurları gibi kompleks organik maddelerde de uygulanabilmektedir. Atık aktif çamura alkali ön arıtma uygulanarak, partiküler KOİ‘nin %45‘den fazlasını çözünür hale getirmek mümkündür (Rajan ve diğ., 1989). Ayrıca, NaOH konsantrasyonu ve çamurun katı madde içeriğinin hidroliz üzerinde oldukça etkili olduğu saptanmıştır. %1 TKM içerikli çamur 20

0C‘de 12 saat hidroliz edilmiş ve 10-40 meq NaOH/l arası farklı alkali dozlarında hidroliz hızının %13‘ten %45‘e çıktığı görülmüştür. Yine aynı çalışmada %1 KM içerikli atık aktif çamurun , oda sıcaklığında 1 gün boyunca 20 meq NaOH/l dozda ön arıtımı sonucu, uçucu madde giderimi %25-35, KOİ giderimi %30-75 ve gaz üretim miktarı %29-115 arası artmaktadır. Düşük çamur yaşı ve hidrolik bekleme süresiyle işletilen çamur çürütücülerde ön-arıtmanın fayda ve etkileri daha iyi görülebilmektedir.

Kimyasal ön arıtmayı etkileyen en önemli parametreler; katı madde konsantrasyonu, arıtma süresi ve alkali dozajıdır. Ayrıca kullanılan alkalinin türü de ön arıtmanın verimini etkiler (Cochaux ve diğ., 1996; Penaud ve diğ., 1998). Yapılan çalışmalarda, mısır koçanının sodyum bikarbonat ve kireç karışımı ile ön arıtımının, sodyum hidroksitle yapılan ön arıtmadan daha yüksek TUA konsantrasyonlarına neden olduğu görülmüştür (Datta, 1981). Yine yapılan çalışmalarda, atık aktif çamurun sodyum hidroksitle ön arıtımının kireçle ön-arıtıma göre daha iyi sonuçlar verdiği görülmüştür.

Kimyasal ön arıtmada inhibisyon veya yüksek iyon konsantrasyonları nedeniyle ortaya çıkabilecek toksisite problemleri mutlaka dikkate alınmalıdır. Sodyum iyonu (NaOH eklendiğinde) metanojen bakteriler için inhibe edicidir (Rajan ve diğ., 1989). Sodyum iyonu toksistesi için sınır değer 0,3M‘dür.

3.2.3.4 Isıyla Ön-Arıtma

Isıyla ön-arıtma genellikle taze ya da çürütülmüş çamurların şartlandırılmasında kullanılır. Isıyla ön-arıtma sonucunda bakteri hücreleri parçalanmakta, organik maddeler kısmi hidrolize uğramakta ve atığın biyolojik olarak arıtılabilirliği artmaktadır (Dote ve diğ., 1993).

Isıyla ön-arıtmanın en önemli dezavantajları; koku oluşumu, ısı değişim tüplerinde oluşabilecek korozyon ve mikroorganizma büyümesi, yüksek enerji gereksinimidir. En önemli avantajları ise daha kolay susuzlaştırma imkanı, daha iyi biyolojik ayrışabilirlik, sübstrat sterilizasyonu ve daha fazla biyogaz üretimidir.

Farklı tip çamurların ısıyla ön arıtımı üzerine yapılan bir çalışmada, birincil çamurun 175 ⁰C‘deki ön arıtımı sonucunda biyogaz üretiminde artış gözlenmemiştir. Buna karşın, aktif çamurun ön arıtımı sonucunda metan üretimi %60, askıda uçucu madde giderimi %36 artmıştır. Ayrıca her iki çamurun da susuzlaşma özellikleri artmıştır (Haug ve diğ., 1978, 1983). Atık aktif çamurun ısıyla ön arıtımı üzerine yapılan bir başka çalışmada ise 170 0C‘de 60 dakika tutulan çamurun biyogaz üretimi 223 ml/g KOİ olmakta ve KOİ giderme verimi %60 çıkmaktadır. Bu değerler, ön arıtma işleminden geçirilmemiş çamurdan iki kat daha yüksektir (Li ve Noike, 1992). Isıyla ön-arıtmanın verimi süre ve sıcaklığa bağlıdır. Arıtma çamurlarının ön arıtımı 150-170 ⁰C‘den yüksek sıcaklıklarda gerçekleştirilebilir. Hidrolik bekleme süresi ve sıcaklık arttıkça çamurun viskozitesi düşmektedir. Fakat aşırı yüksek hidrolik bekleme süreleri ve sıcaklıklar, bir sonraki anaerobik çürütme aşamasını olumsuz etkileyebilmektedir. 180 ⁰C‘nin üzerinde yapılan ön arıtma çalışmalarında çamurun çözünmüş KOİ değeri artarken, biyogaz miktarı ciddi bir şekilde düşmüştür (Pinnekamp, 1989).

225 ⁰C‘nin üzerindeki sıcaklıklarda yapılan bir başka çalışmada ise, çözünmüş organik madde konsantrasyonu monomerlerin (monosakkarit ve aminoasit) polimerizasyonu sonucu oluşan büyük moleküller nedeniyle azalmıştır. Atık aktif çamurun ısıyla ön arıtımı için optimum sıcaklık değeri 175 0C olarak bulunmuştur (Stuckey ve McCarty, 1978). 175 ⁰C‘nin üstündeki sıcaklıklarda oluşan anaerobik arıtılabilirliği düşük bileşikler, biyogaz verimini de düşürmektedir.

3.2.3.5 Birleşik Ön-Arıtma

Organik atıklardan elde edilen biyogaz miktarını arttırmanın bir diğer yolu ise, ısıyla ön-arıtım ve kimyasal ön arıtım metodlarını birleştirmektir. Partiküler KOİ‘nin termo-kimyasal hidrolizinde genellikle alkali kimyasallar kullanılır. Atık aktif çamurun termo-kimyasal ön arıtımında, lipidler asidik veya alkali şartlarda gliserol ve yağ asitlerine, karbonhidrat ve polisakkaridler daha ufak şekerlere, proteinler asidik şartlarda amino asitlere hidroliz olurlar. Proteinler, asidik şartlarda alkali şartlara göre daha hızlı hidroliz olurlar. DNA ve RNA hidroliz olarak orto-fosfat, şekerler ve bazlara dönüşür. Ayrıca moleküller arası birçok farklı reaksiyon da gerçekleşir. Örneğin karboksil ve amino grupları birleşerek, kahve renginde azotlu polimerler ve melanoidler gibi polimerler oluşabilir. Polimerizasyon, sıcaklık yükseldikçe ve aşırı yüksek yada düşük pH‘larda artmaktadır. Oluşan bileşiklerin biyolojik olarak ayrışabilirliği düşüktür. Tablo 3.15‘de çeşitli atıkların termo-kimyasal ön-arıtımı konusunda literatürde bulunan çalışmalar özetlenmektedir. Tablo 3.15: Isıyla ön arıtma ve kimyasal ön-arıtma metodlarının farklı atık türleri üzerindeki etkileri

Substrat Belirlenen

optimum şartlar ^{Çözünür hale geçme} üzerine olan etki

Biyolojik olarak ayrışma üzerine etki

Referans Atık aktif çamur 175 ⁰C 30 meqNaOH/l 1 saat Partiküler KOİ %55 daha fazla çözünmektedir KOİ‘nin CH4‘e dönüşümü %78 artmaktadır Stuckey ve McCarty, 1978 Organik çamur 175 ⁰C, 30 dakika pH = 12 Partiküler KOİ %68 daha fazla çözünmektedir Metan üretiminde %57 artış sağlanmaktadır Haug ve diğ., 1978 Su yosunu 121 ⁰C pH = 11 1 saat Partiküler KOİ %48-58 daha fazla çözünmektedir Metan üretimi artmaktadır Patel ve diğ., 1993 Birleşik çamur 130 ⁰C 0,3gNaOH/gUKM 5 dakika

UKM %45 daha fazla

çözünmektedir ^{Metan üretiminde} %220 artış sağlanmaktadır Tanaka ve diğ., 1997 Endüstriyel çamur 140 ⁰C pH = 12 30 dakika Partiküler KOİ %78 daha fazla çözünmektedir Biyolojik olarak ayrışabilirlik %40 artmaktadır Penaud ve diğ., 1998