3. YAPAY SULAKALANLARDA GİDERİM MEKANİZMALARI
3.11 Yapay Sulakalanlarda Nitrifikasyon – Denitrifikasyon Verimini Artırmaya
Su kirlenmesinin önlenmesinde besi maddelerinin giderimi büyük önem taşımaktadır. İçme suyu kaynaklarının korunması amacıyla toplam azot giderimi için ilave arıtma uygulamaları gerekmektedir. Yapay sulakalanların organik madde giderimi yanında besi maddesi gideriminde de etkin olarak kullanılabilmesi için çeşitli alternatifler geliştirilmiştir.
Yatay akışlı sistemler yüksek oranda KOİ ve BOİ5 gideriminde uygun teknolojiler
olup, besi maddesi gideriminde ortalama verim %30-%50(60)’lerde kalmaktadır Yüksek giderim oranlarına ulaşabilmek için düşey akışlı sistemler (D-YAAS) geliştirilmiştir. Bu sistemler orijinal olarak Seidel tarafından geliştirilmiş olup Avrupa’da birçok denemesi yapılmıştır. Fakat bu yapay sulak alan sistemleri ile de besi maddesi gideriminde yeterli giderim verimi elde edilememiştir. Bu yüzden tek kademeli veya iki kademeli kesikli beslenen D-YAAS sitemleri geliştirilmiştir (Vymazal, 2001).
3.11.1 Düşey akışlı yapay sulakalanlar ve nitrifikasyon verimi
Yapay sulakalan sistemlerinde Seidel Modeli' ne dayanan düşey akışlı sistemlerde yüksek nitrifikasyon verimi elde edilmiştir. Seidel (1966) modelinde düşey akışlı sistemler 1-2 gün sürekli çalıştırılıp drene edildikten sonra 2-8 gün dinlenme fazında bekletilmeye bırakılmaktadır. Dinlendirme safhasının amacı üst tabakanın organik
maddelerce tıkanmasını önlemeye yöneliktir. Yatağın alt tabakalarının havalandırılması için havalandırma boruları kullanılmaktadır (Green ve diğ., 1998). White (1995) tarafından gerçekleştirilen çalışmada öncelikle deniz ürünleri endüstrisine ait yüksek konsantrasyondaki atıksuların yapay sulak alanlarla arıtılabilirliği daha sonra pasif havalandırma konfigürasyonlarının ve çıkış suyu geri devrinin azot arıtma verimine etkisi değerlendirilmektedir. İki kademeli sulakalan arıtma sisteminin birinci kademesi oldukça kısa hidrolik bekletme süresi ile yalnızca BOİ giderimi için tasarlanmakta ikinci kademe doymamış giriş bölgesi ve çıkış geri devri ile nitrifikasyonu artırmak üzere çalıştırılmaktadır.
White’ın çalışmasının sonuçları birinci kademedeki organik yükleme ve BOİ gideriminin, ikinci kademede yeterli nitrifikasyonun sağlanması için anahtar faktörler olduğunu göstermektedir. Doymamış giriş bölgesinde pasif havalandırma ve geri devir 3,5 günlük hidrolik bekletme süresinde %65-70 amonyak giderimi sağlamaktadır. Giriş bölgesi konfigürasyonu ve çıkış geri devri ile azot giderim verimi artırılmaya çalışılmıştır. Çalışmada, azot giderimi üzerine 2 kademeli konfigürasyon, doymamış giriş bölgesi, çıkış geri devrinin etkisini değerlendirmek amaçlanmaktadır.
Felde ve Kunst (1996) tarafından yapılan çalışmada tek kademeli ve iki kademeli iki farklı sistemde azot gideriminin değişik parametrelere bağlı değişimleri incelenmiştir. Giderim veriminin oksijen miktarına bağlı olduğu bununla beraber toprak cinsi, derinliği ve hidrolik yükleme oranıyla değiştiği saptanmıştır. Ortalama giderim verimleri inorganik azot için %82, toplam azot için %78 olarak saptanmıştır.
Green (1998) tarafından ikincil arıtma çıkışının düşey akışlı yatakta nitrifikasyonu üzerine bir çalışma gerçekleştirilmiştir. Doymamış çakıl tabakasının üstü kaba kum ile örtülerek yatağın üstünde göllenme yaratılmakta böylelikle suyun uniform dağılımı sağlanmaktadır. Düşey havalandırma boruları ile atmosfer ile alt tabakaların bağlantısı sağlanmaktadır. Bu borular vasıtasıyla havalandırmayı artırmak üzere yavaş doldur-ani boşalt şeklinde bir döngü uygulanmıştır. Bu çalışma şu hipotezler üzerine kurulmuştur :
• Karbonlu maddelerin daha önceki safhalarda giderilmiş olması nitrifikasyon bakterilerinin baskınlığını ve fonksiyonunu artıracaktır.
• Drene edilen atıksu hacmine eşit hacimde hava, yatağı doldurarak nitrifikasyon prosesi için gerekli oksijeni ortama taşıyacaktır.
• Yatakta oluşturulan doymamış bölge sayesinde daha fazla oksijen transferi sağlanarak havalanma artırılacaktır. (oksijen için gaz fazındaki difüzyon katsayısı sıvı fazdakinin yaklaşık 4 misli fazladır bu durumda doymamış bölgede difüzyonla oksijen transferi fazla olacaktır.) (Green ve diğ., 1998) Platzer çalışmasında (1999), yatay ve düşey akışlı sistemlerin kombinasyonu ile nitrifikasyon ve denitrifikasyon sağlamak üzere boyutlandırma yöntemleri sunmuştur. Toplam azot giderimi için geri devirli, düşey akışlı – yatay akışlı ardışık sistem üzerinde çalışılmıştır. Düşey akışlı sistemler yüksek nitrifikasyon kabiliyetinden dolayı, yatay akışlı sistemler ise düşük C/N oranlarında dahi etkin denitrifikasyon kabiliyetlerinden dolayı kullanılmaktadır.
İzleme sonuçları tam nitrifikasyonun ancak düşey akışlı sistemlerde başarılabildiğini göstermektedir. Yatay akışlı sistemlerde de nitrifikasyonu sağlamak mümkündür
ancak bu sistemlerde TKN yükünün 0,2g TKN/m2.gün değerini aşmaması
gerektiğinden arazi ihtiyacı çok artmaktadır. Buna göre nitrifikasyon için düşey akışlı sistemleri tercih etmek ekonomik olarak daha uygulanabilirdir (Platzer, 1999).
Düşey akışlı sistemlerde ön-denitrifikasyon sisteminin kullanımında uzun temas süresi ve denitrifikasyon bakterilerinin varlığı garanti edilebilmelidir. %200 değerine kadar olan geri devir oranlarında ön-denitrifikasyon ile başarılı sonuçlar elde edilmiştir. Yüksek konsantrasyonlu atıksularda geri devir oranı %200 değerini aşmış, C/N oranı için uygun değerler sağlanamamıştır. Bu durumda ön-denitrifikasyonun sonda denitrifikasyon ile birleştirilmesi gerekmektedir. Yatay akışlı sistemlerin sonda denitrifikasyon için kullanımı basittir. Bu sistemlerde nitrifiye olmuş azotun %80 oranında giderimi sözkonusudur. Çok düşük C/N (<0,7) oranlarında dahi bu sonuçlar elde edilebilmiştir. (Platzer, 1999)
Sun ve diğ. (1999) tarafından gerçekleştirilen çalışmada BOİ5 değeri 1100 mg/l ve
NH4-N değeri 329,5 mg/l olan tarımsal atıksuyun arıtımı için tam ölçekli birleşik
doldur-boşalt ve düşey akışlı sistemlerin etkisi test edilmektedir. 2 m3/gün ortalama
debide BOİ5 %97,6, KOİ %71,3 NH4-N %93,1 oranında indirgenmektedir. Birleşik
sistemin doldur-boşalt kademesinde en yüksek BOİ5, KOİ ve NH4-N giderimi elde
edilmektedir. Doldur-boşalt yataktaki ritmik hava/su hareketi, daha yüksek oksijen akısı sağlanması ve yatak hacminin daha elverişli kullanımı ile arıtmaya fayda
sağlamaktadır. Düşey akışlı yatakta BOİ5, KOİ ve NH+4-N giderimi için, geri devirli
sistemler ile geri devirsiz sistemlere nazaran daha iyi sonuçlar elde edilmektedir. Bu nedenle düşey akışlı yatakta performansı artırmak için çıkışın geri devri uygun bir teknik olarak ifade edilmektedir.
Green ve diğ. (2000) tarafından gerçekleştirilen diğer bir çalışmada düşey akışlı yapay sulakalan doldur – boşalt esasına göre çalışan pasif hava pompası ile boşaltılmaktadır. Hızlı drenaj sırasında (boşalt aşamasında) boşaltılan çıkış suyunun yerini havalandırma borusu vasıtasıyla eşit hacimde hava almaktadır. Boşalt aşamasının sonunda havalandırma borusunun üzerindeki elektrikli vana kapatılarak oksijence zengin havanın yatak içerisinde hapsolması sağlanmaktadır. Doldur aşamasında arıtılmış su, sıkışmış havayı yataktan atmosfere doğru yukarı doğrultuda iterek yatağın alt bölgesinde birikmektedir. Bu durum yukarı doğru çıkan oksijen ile aşağı doğru akan su arasında iyi bir etkileşim sağlamakta; oksijen transferi ve faydalanma oranı maksimize olurken oksijen kaybı minimize olmaktadır. Sistem öncelikle musluk suyu + amonyumdan oluşan sentetik bir numune ile beslenerek çalıştırılmış olup daha sonra aktif çamur sisteminden gelen kentsel atıksu ile çalıştırılmıştır. İkincil arıtma çıkışına ait atıksuda KOİ ve AKM
konsantrasyonları düşük (42mgKOİ/l ve 10mgAKM/l), NH+
4-N konsantrasyonu
(35,3mg/l) yüksektir. Yatak, 90 gün süreyle artan hidrolik yük ve azot yükleri altında çalıştırılmaktadır.
Green ve diğerleri (2000) tarafından yürütülen söz konusu çalışmada, 3.6 -
81.3m3/m2/gün gibi çok geniş bir hidrolik yük aralığında azot giderimi izlenmiştir.
Amonyum giderim verimi hidrolik yükün bir fonksiyonu olarak 36m3/m2/gün değerine
kadar artırılarak 1100g N/m2/gün değerine ulaşılmıştır. Bu değerler düşey akışlı
sistemlerde elde edilen değerlerden oldukça yüksek ve biyolojik veya damlatmalı filtrelerde elde edilen sonuçlarla kıyaslanabilecek düzeydedir.
Kayser ve Kunst (2005) tarafından gerçekleştirilen bir diğer çalışmada düşey akışlı sistemlerde oksijen transfer limitini, nitrifikasyon performansını sistematik olarak araştırmak için toprak kolon testleri yürütülmüştür. (20 cm çaplı, filtre yüksekliği ve tam ölçekli tesis ile benzer filtre malzemesi kullanılan kolonlar). Dönüşüm ve taşınım proseslerini açıklamak ve tanımlamak için tam ölçekli bir arıtma tesisi tıkanmış ve tıkanmamış halde incelenmiştir. Buna ilave olarak toprak kolon testleri yürütülmüştür. Sonuçlar bazı prosesleri ve bunların filtredeki etkileşimini açıklamaya imkan tanımaktadır. Düşey akışlı yapay sulakalanlarda etkin nitrifikasyon ve tıkanmanın önlenmesi için aerobik koşulların korunması önem taşımaktadır. Filtredeki mevcut oksijen içeriğini tespit etmek ise oldukça zordur. Çünkü oksijen içeriği yükleme oranı, tıkanma derecesi, sıcaklık, yatağın hidrolik davranışı gibi farklı etken parametrelerin kompleks etkileşimine bağlıdır.
Kayser ve Kunst’un (2005) çalışmasında ilk deney serisinde kolonlara, tam ölçekli
şekilde) beslenmektedir.. Hidrolik yük her 3-4 günde bir artırılmakta ikinci test
serisinde aynı amonyak yükleme oranı, sabit hidrolik yükleme ile ve artan NH+
4-N
konsantrasyonları ile uygulama yapılmaktadır. Yaz ve kış sıcaklıklarının yatağın hidrolik davranışı üzerindeki etkisini analiz etmek için bir kolon farklı sıcaklıklarda (20oC ve 3oC) çalıştırılmaktadır.
Sözkonusu çalışmada tıkanmış ve tıkanmamış filtreler üzerinde filtre derinliğine
bağlı olarak NH+4-N yükündeki değişim ve zamana bağlı farklı derinliklerdeki oksijen
içeriği incelenmektedir. Tıkanmamış kolonların neredeyse tamamında filtrenin ilk 5 cm’de nitrifikasyon prosesi tamamlanmıştır. Tıkanmamış kolonlarda, filtre yatağındaki oksijen içeriği havadaki normal oksijen içeriği ile kıyaslanabilir niteliktedir; %21 oranındadır. Atıksu beslemesinden sonra oksijen içeriği azalmaktadır (Kayser ve Kunst, 2005).
Düşey akışlı ve ardışık sistemlerde <10mg/l BOİ5/l, <10mg AKM /l ve <2mg NH+4-N/l
çıkış değerleri elde edilmiştir. Düşey akışlı sistemlerin yatay akışlı sistemlere göre daha efektif olmasının nedeni daha yüksek oksijen transfer oranının sağlanabilmesidir. Çizelge 3.2’de görüldüğü gibi farklı çalışmalarda oksijen transfer
oranı olarak 28gO2/m2.gün ve daha yüksek değerler sağlanabilmiştir. Doğru dolgu
malzemesi seçildiği ve hidrolik yük dikkatle kontrol edildiği taktirde düşey akışlı yatak dinlenmeye bırakılmaksızın çalıştırılabilmektedir. Yukarıda belirtilen yüksek kaliteli
çıkış için 2m2/kişi alanın yeterli olacağı öngörülmektedir (Cooper, 2005). Literatürde
yer alan farklı sistem konfigürasyonları ve bu konfigürasyonlar ile elde edilen oksijen transfer verimleri Çizelge 3.2’de verilmiştir.
Çizelge 3.2 : YSAS’de oksijen transfer hızı (OTH) ve arazi ihtiyacı (Cooper, P. 1999, 2005).
Çalışmalar Sistem Konfigürasyonu Hesaplanan Oksijen Transfer Oranı* g O2/m2.gün
Toplam Alan m2/kişi Burka ve Lawrence
(1990) 2 D-YAAS + 2 Y-YAAS 40 ila 94 YAAS)(yalnızca D- 1,3
Cuipa (1995, 1996) 1 Y-YAAS + 1 D-YAAS 5,4 (birleşik yataklar) 10,3 Johansen ve Brix
(1996) 1 Y-YAAS + 1 D-YAAS
15(Y-YAAS)
30(D-YAAS) 9,6
Cooper, ve diğ.
(1996,1997) 2 D-YAAS 4-71 (yalnızca D-YAAS) 0,6
Haberl, ve diğ. (1995) D-YAAS + Geri devir (A) 2 D-YAAS (B) 9,7(B) 13,6(A) (yalnızca D-YAAS) 5 Platzer (1999) D-YAAS + Y-YAAS 23 64 YAAS)(yalnızca D- - D-YAAS : Düşey akışlı sistem
Yapılan çalışmalarda; düşük organik yük altında (BOİ5<20 mg/l) hidrolik ve organik
yükün nitrifikasyon verimini kontrol ettiği, BOİ5/TKN oranı ile nitrifikasyon verimi
arasında bir ilişki olduğu, seçilen dolgu malzemesi özelliklerinin de nitrifikasyonda etkili olduğu sonuçlarına ulaşılmıştır (Cooper, 1999; Cooper, 2005).
Yapay sulakalanlarda azot giderimini artırmaya yönelik çözüm, aerobik ve anaerobik ortamların mevcudiyetini ve etkinliğini sağlamaktır. Bu amaçla su derinliği ve farklı bitki türleri kombinasyonu kullanılmaktadır. (Hammer and Knight, 1994)
3.11.2 Yatay akışlı yapay sulakalanlar ve denitrifikasyon verimi
Yatay akışlı sulakalan sistemleri denitrifikasyon ağırlıklı olarak çalışmaktadırlar. Yüzeyaltından giren atıksu, genelde taban bölgesinde, çıkış bölgesine ulaşana kadar gözenekli yatak malzemesi içerisinde yavaşca akmaktadır. Bu yavaş akım sayesinde atıksu aerobik, anoksik ve anaerobik bölgelerle temas etmektedir. Aerobik bölge anaerobik bölgeye kıyasla oldukça düşük olup aerobik bölge genelde substrat ortamına oksijen transferi yapan kökler ile rizomların yakın çevresidir. Çeşitli çalışmalar; su sazlarının (Phragmites Australis) oksijen taşınım kapasitesinin rizosferdeki aerobik ayrıştırmaya yetmediği ve yatay akışlı sistemlerde anaerobik ayrışımın hakim olduğunu göstermektedir. Sistem içerisindeki mevcut ortamın büyük bir kısmı anoksik olduğundan amonyağın nitrifikasyonu oldukça düşüktür (Brix, 1987).