Hidrolik Bekletme Süresi Verim İlişkisi

Literatürde HBS’nin belirli bir dereceye kadar uzatılmasıyla (YAAS için en 5 gün SYAS için 10 gün) amonyum ve nitrat ve dolayısıyla da toplam azot gideriminin de belirli bir noktaya (optimum) kadar arttırıldığı kaydedilmiştir (Reed ve diğ., 1995). Şekil 5.5’de HBS ile azot arıtma verimleri arasındaki ilişkiler gösterilmiştir. Şekil 5.5’den de görüldüğü gibi HBS ile arıtma verimleri arasında üstel ilişkiler mevcuttur.

Şekil 5.5: HBS ile arıtma verimleri (%) arasındaki ilişkiler

Her iki sistemde de hidrolik bekletme sürelerindeki artışla verimler başlangıçta artmış ve daha sonra sabit bir değere doğru hızlıca düşmüştür. Bu sabit değerler ise çalışma periyotlarının dışına taşmıştır.

YAAS sistemlerde bekletme süresi 1 iken NH₄⁺-N için arıtma verimi yaklaşık %63 olup bekletme süresi arttıkça NH4⁺-N giderimi de azalan bir hızla artmaya devam etmektedir. SYAS sistemlerinde ise bekletme süresi yaklaşık 1.5 gün iken verim yaklaşık 50 olup bekletme süresi arttıkça verim de azalan hızla artmaktadır.

YAAS sistemlerinde bekletme süresi yaklaşık 0.8 gün iken TN için verim yaklaşık 35 olup bekletme süresi arttıkça verim de artmaktadır. SYAS sistemlerinde ise çalışma periyodu içerisinde çok fazla bir artış göstermemiştir.YAAS sistemlerinde NH4⁺ için r=0.12, t=0.53<tc=2.09, NO3^- için r=0.24, t=1.07<tc, Organik-N için r=0.29, t=1.31<tc ve TN için r =0.57, t=3.04>tc olarak bulunmuştur. Buna göre YAAS sistemlerinde yalnızca toplam azot için giderimler ile hidrolik bekletme süreleri arasında 0.05 anlamlılık düzeyinde doğrusal bir ilişki mevcut gözükmektedir. Dolayısıyla da ikisi arasında doğrusal bir ilişkiden söz edilebilir.

SYAS sistemlerinde ise NH₄⁺ için r=0.25, t=1.13<tc, NO₃^- için r=-0.19, t=0.84<tc, Organik-N için r=0.14, t=0.60<tc ve TN için r=0.17, t=0.76<tc olarak bulunduğundan SYAS sistemlerinde de tüm azot türleri için hidrolik bekletme süreleri ile giderimler arasında doğrusal ilişkiler bulunmamaktadır. YAAS sistemlerinde hidrolik bekletme süreleri 0.75-2.93 gün, SYAS sistemlerinde ise 1.4-7.5 gün arasında değişmektedir. Bu değerler literatürde YAAS için verilen 2-7 gün ve SYAS için verilen 5-14 gün (Knight ve diğ., 1993) değer aralıklarının neredeyse alt sınırlarına yakındır. Yukarıdaki sonuçlar bize optimum verimler için daha yüksek hidrolik bekletme sürelerine ihtiyaç duyulduğunu ve dolayısıyla da optimum verimler için daha düşük hidrolik yükleme hızlarında çalışılması gerektiğini göstermektedir. Bu çalışmada hidrolik yüklerin (L/m2/gün) nitrifikasyon ve denitrifikasyon hızları üzerine etkilerini görebilmek için yükleme hızları ile bu yükleme hızlarına karşılık gelen ortalama giderim hızları (g/m2/gün) birbirleriyle ilişkilendirilmiştir. Bu ilişkililer Şekil 5.6’da gösterilmiştir.

Hidrolik yükleme hızları 30, 50, 70, 80 ve 120 L/m2/gün iken, bu yüklere karşılık gelen amonyum giderim (nitrifikasyon) hızları YAAS sistemlerinde sırayla 0.053, 0.098, 0.041, 0.042 ve 0.055, SYAS sistemlerinde ise sırayla 0.061, 0.058, 0.040, 0.041 ve 0.060’dır. Her ikisinde de hidrolik yüklerle nitrifikasyon hızları arasında ikinci dereceden bir polinom ilişkisi vardır.

Şekil 5.6: Hidrolik yüke bağlı nitrifikasyon ve denitrifikasyon hızlarının değişimi Hidrolik yükleme hızlarına karşılık gelen nitrat giderim (denitrifikasyon) hızları ise YAAS sistemlerinde sırayla 0.061, 0.167, 0.264, 0.255 ve 0.295, SYAS sistemlerinde ise 0.070, 0.270, 0.440, 0.396 ve 0.539’dur.

Hidrolik yüklerle denitrifikasyon hızları arasında 2. (YAAS) ve 3. dereceden (SYAS) bir polinom ilişkisi vardır. t-istatistiği sonuçlarına göre YAAS (r=0.55, t=2.87>tc) ve SYAS (r=0.68, t=4.03>tc) sistemlerinde hidrolik yükle denitrifikasyon hızları arasında doğrusal ilişkiler de bulunmuştur.

Sulakalanlarda denitrifikasyon için kritik tasarım parametrelerinden biri şüphesiz ki karbon mevcudiyetidir. Reaksiyon stokiyometrisine göre (5CH3OH+6NO3

-+6H⁺→5CO2+3N2+13H2O) 1mol NO3-N’un indirgenmesi için 1.25 mol C’a ihtiyaç duyulur. Yani, 30 mg NO3-N/L’un denitrifikasyonu için yaklaşık 26.3 mg C/L gereklidir.

Reaksiyon stokiyometrisine göre 39 mg/L NO3^--N’un denitrifiye olması için 111 mg/L KOİ gereklidir (Reddy ve Patrick, 1984). Giriş suyundaki NO₃

--N konsantrasyonu ortalama 8.3 mg/L, TOK konsantrasyonu ortalama 10.45 mg/L, KOİ konsantrasyonu ise ortalama 43.48 mg/L’dir.

Giriş suyuna ilave olarak sistemler içerisinde de girişteki TKN den dolayı oluşan ortalama nitrat konsantrasyonunu (1.17 mg/L) eklediğimizde toplam 9.47 mg/L NO_3--N’nun denitrifikasyonu için yaklaşık 8.3 mg/L C, ve 27 mg/L KOİ gerekecektir. Bitkilerin ölümüyle ortama ek bir karbon takviyesi de olacağı düşünülürse denitrifikasyon için organik-C ve KOİ yönünden bir kısıtlama bulunmamaktadır.

Bu çalışmada sıcaklık aralığı nitrifikasyon ve denitrifikasyon için optimum sıcaklık aralıklarının (25-35oC) altına düşmektedir. Dolayısıyla hem nitrifikasyon hem de denitrifikasyon için sıcaklık yönünden optimum şartlar mevcut değildir.

Hız katsayıları sıcaklığın yanı sıra bitki çeşitlerine dolayısıyla kök yapılarına, köklerin tabana yayılış şekillerine bağlı olarak da değişmektedir (Kadlec ve Knight, 1996).

Örneğin, Californiya (Santee)’de yapılan bir sulakalan çalışmasında aynı derinliklerdeki tüm reaktörlerde farklı bitkilerle çalışılmış ve farklı nitrifikasyon hızları elde edilmiştir. En yüksek verimi sağlayan bitkinin (Bulrush; sazlık) köklerinin yatak tabanını tamamen kapladıkları ve kök çevresine daha fazla oksijen transfer ettikleri sonucuna varılmıştır (Gersberg ve diğ., 1985).

YAAS sistemlerinde bitki köklerinin tüm yatağı kapladığı durumlarda nitrifikasyon (20 ^oC’ deki) hız katsayısının 0.4107 gün-1

(bitkisiz sistemde 0.01854 gün^-1) ve yatak derinliğinin yalnızca yarısını kapladığı durumlarda 0.4107 gün-1

olduğu kaydedilmiştir (Reed ve diğ., 1995).

SYAS sistemlerinde alg gelişimi nitrifikasyon hızlarını olumsuz etkilemektedir. Reed ve diğ. (1995) tarafından alg gelişimi olmayan SYAS sulakalanlarındaki nitrifikasyonun alg gelişimleri olanlardan çok daha yüksek olduğu bildirilmiştir. Bu çalışmada seri olarak bağlı SYAS sistemlerinde özellikle yaz dönemlerinde uygun hidrolik şartların sağlanamadığı zamanlarda belirli oranlarda alg gelişimi gözlenmiştir.

Alg gelişimi yüksek düzeylere ulaşıldığı zamanlarda reaktörler temizlendikten sonra besleme yapılmıştır. Bu alg gelişimi sırasında SYAS sistemlerinde zaman zaman suyun bulanıklaşması ve ölen bitkilerle birlikte suya yüksek oranlarda organik karbon girişinin olduğu ve denitrifikasyonun belirli oranlarda artığı düşünülmektedir.

Nitrifikasyon bakterileri optimum pH: 7.5-8.6 aralığında aktiftirler fakat iklime adepte edildiklerinde biraz daha düşük pH değerlerinde de aktif olabilmektedirler (Vymazal, 1995). Giriş suyunun pH’ı ortalama 7.34 olup nitrifikasyon bakterilerinin optimum pH: 7.5-8.6 aralığının (Vymazal, 1995) biraz altına düşmekte, fakat denitrifikasyon bakterileri için optimum pH aralıklarının (7-8) içerisinde kalmaktadır.

Bu açıdan bakıldığında giriş suyunun pH’ı sulakalan sistemlerindeki nitrifikasyon bakterilerinin optimum performansları için biraz asidiktir. Stokiyometrik olarak nitrifikasyon süresince teorik oksijen tüketimi, okside edilen NH3⁺-N başına yaklaşık 4.6 g O2’dir.

Giriş suyundaki ortalama NH3⁺-N miktarı 1.33 mg/L’dır. 1.33 mg NH3⁺-N/L’un nitrifikasyonu için ise en az 6.1 mg O2/L (≈2x1.33x10-3

/14=1.9x10^-4mol=1.9x10

-4

x10³x32=6.1mg/L) gerekli olacaktır. Giriş suyunun çözünmüş oksijen konsantrasyon değeri minimum 6.36 mg/L (aralık 6.36-13.8 mg/L, ortalama 9 mg/L) olduğundan tam nitrifikasyon için tüm reaktörlere yetecek kadar çözünmüş oksijen mevcut olduğu gözükmektedir.