Kentsel Atık Su Arıtma Tesisinin İyileştirilmesi ve Yeniden İnşasına Yönelik MBBR+ACCA Süreci Örnek Olay İncelemesi
Çin'in gelişen ekonomisinin arka planında, sanayileşme ve kentleşmenin hızı önemli ölçüde hızlandı. Bu sürece kaçınılmaz olarak, endüstriyel atık su ve evsel atık suların deşarjında-her yıl-bir artış eşlik ediyor, bu da su kirliliği sorunlarını daha da kötüleştiriyor ve Çin'in sürdürülebilir ekolojik uygarlık inşasını etkiliyor. Su Kirliliğini Önleme ve Kontrol Eylem Planı'nın kapsamlı bir şekilde uygulanmasıyla birlikte, ülke genelinde kentsel atık su arıtma tesislerine daha katı deşarj gereklilikleri getirildi. Bazı şehirlerdeki yerel standartlar yarı-Sınıf IV su kalitesine ulaşmış durumda ve hassas su kütlelerine boşaltılan atık sular için belirli bireysel göstergeler yavaş yavaş yüzey suyuna yönelik Sınıf III standardına yaklaşıyor. Bununla birlikte, biyolojik arıtmadan sonra kentsel atık sudaki kalıntı kirleticiler öncelikle biyolojik olarak parçalanamayan ve biyolojik olarak parçalanamayan organik bileşiklerdir. Yalnızca geleneksel biyolojik iyileştirme teknolojilerine güvenmek, giderek katılaşan emisyon standartlarını karşılamak için yetersiz hale geldi.
Aktif kok, sudaki makromoleküler kirleticileri adsorbe edebilen oldukça gelişmiş bir mezogözenekli sisteme sahiptir. Yüksek mekanik mukavemeti, stabilitesi, iyi adsorpsiyon performansı ve nispeten ekonomik maliyeti ile biyolojik olarak parçalanması zor olan endüstriyel atık suların arıtımında yaygın olarak uygulanmaktadır. Son yıllarda, ortam olarak aktif kok kullanan filtreleme teknolojisi, belediye atık su tesislerinin ileri arıtımında da belirli uygulamalar bulmuş ve kirleticilerin nihai olarak uzaklaştırılmasında iyi sonuçlar elde etmiştir. Henan Eyaletindeki bir atık su arıtma tesisindeki iyileştirme projesinden bir mühendislik örneğini birleştiren yazar, kentsel atık suyun arıtımını iyileştirmek için MBBR+ACCA (Aktif Kok Sirkülasyonlu Adsorpsiyon) sürecini benimsemiştir. Çıkış suyu KOİ, NH₃-N ve TP göstergeleri GB 3838-2002 Sınıf III su standardını karşılayarak diğer atık su arıtma tesislerindeki iyileştirme projeleri için bir referans sağladı.
1. Atıksu Arıtma Tesisinin Temel Durumu
Bu atıksu arıtma tesisinin toplam tasarım kapasitesi 50.000 m³/gün olup, I. Aşama tasarım kapasitesi 18.000 m³/gün ve Aşama II tasarım kapasitesi 32.000 m³/d'dir. Öncelikle kentsel evsel kanalizasyonu ve az miktarda endüstriyel atık suyu arıtır. Atık suyun, Belediye Atıksu Arıtma Tesisleri için Kirleticilerin Deşarj Standardı GB 18918-2002'nin Sınıf 1A standardını karşılaması için 2012 yılında bir iyileştirme tamamlandı. Ana süreç çok-aşamalı AO + denitrifikasyon filtresi + yüksek yoğunluklu sedimantasyon tankıdır. Süreç akışı şu şekilde gösterilmiştir:Şekil 1.
Şu anda atıksu arıtma tesisi tam kapasiteye yakın çalışmaktadır. Mevcut operasyonel verilere göre, iyi tesis bakımı altında atık su kalitesi, GB 18918-2002 Grade 1A standardında istikrarlı bir şekilde korunabilir. COD, BOD₅, NH₃-N, TN ve TP için atık su konsantrasyonları sırasıyla 21,77-42,34 mg/L, 1,82-4,15 mg/L, 0,13-1,67 mg/L, 8,86-15,74 mg/L ve 0,19-0,42 mg/L aralığındadır.
Yükseltme işleminden önce tesis aşağıdaki sorunlarla karşı karşıya kaldı: 1) Ön arıtma bölümündeki eskimiş ve hasarlı elekler, biyolojik tanklara bir miktar yüzen kalıntının girmesine neden oldu, pompaları kolayca tıkadı ve sonraki arıtmayı etkiledi; 2) Düşük kış sıcaklıkları ve su kalitesi ve miktarındaki önemli dalgalanmalar sırasında dengesiz TN giderimi; 3) Faz I biyolojik tanklardaki yetersiz tank hacmi ve makul olmayan anoksik bölge bölümlemesi, zayıf TN giderim verimliliğine ve sonraki karbon kaynağı ilavesi için yüksek kimyasal dozajına yol açar; 4) Orijinal havalandırma sistemi, yüksek enerji tüketimine sahip eski, geleneksel santrifüj üfleyicileri kullanmıştır; 5) Denitrifikasyon filtrelerindeki filtre ortamının ciddi şekilde tıkanması, eksik geri yıkama ve stabil çalışma zorluğu; 6) Yüksek-yoğunluklu sedimantasyon tanklarındaki karıştırma ve karıştırma ekipmanlarının sık sık arızalanması; 7) Çamur susuzlaştırma için mevcut iki bant filtre presinin sık sık arızalanması, susuzlaştırılmış çamurun yüksek nem içeriği, büyük çamur hacmi ve yüksek çamur bertaraf maliyetleri; 8) Ön arıtma ve çamur arıtma sistemleri için koku kontrol tesislerinin olmayışı; 9) Sınırlı veri depolama kapasitesine ve çoğu uzaktan çalıştırma fonksiyonunun kaybına neden olan eski merkezi kontrol sistemi.
2. Tasarım Suyu Kalitesi
Tesisin yıllar süren operasyonel su kalitesi verileri dikkate alınarak, %90 güven seviyesiyle ve belirli bir marj da dahil olmak üzere, tasarıma etki eden kalite belirlendi. Alıcı su kütlesinin çevresel kalite gerekliliklerine bağlı olarak, yükseltilmiş çıkış suyu COD, BOD₅, NH₃-N ve TP'nin GB 3838-2002 Sınıf III su standardını karşılaması gerekirken, TN ve SS orijinal standarda uygun olacaktır. Tasarıma giren ve çıkan su nitelikleri şekilde gösterilmiştir.Tablo 1.
3. Konsept ve Süreç Akışının Yükseltilmesi
3.1 Yükseltme Konsepti
Tasarım çıkış suyu kalitesine göre, bu yükseltme COD, BOD₅, NH₃-N ve TP için daha yüksek gereksinimler getirmektedir. Tesisin mevcut süreci, su kalitesi özellikleri ve mevcut sorunlar göz önüne alındığında, KOİ, NH₃-N ve TP'nin daha iyi uzaklaştırılması ve aynı zamanda stabil TN giderimi sağlanmasına odaklanılmaktadır. Ayrıca, mevcut tesis içindeki sınırlı kullanılabilir alan, KOİ, NH₃-N, TN ve TP'nin etkili bir şekilde ortadan kaldırılmasını amaçlayan ekipman yenileme, proses yoğunlaştırma ve yenileme yoluyla mevcut yapıların potansiyelinden tam anlamıyla faydalanılmasını gerektirmektedir. Bu nedenle, orijinal çok-aşamalı AO tanklarının kullanılması ve hibrit biyofilm-aktif çamur MBBR prosesi oluşturmak için askıdaki taşıyıcıların eklenmesi, arıtma stabilitesini ve şok yük direncini etkili bir şekilde iyileştirebilir. Taşıyıcılar üzerindeki biyofilmin uzun çamur yaşı, nitrifikasyon büyümesi ve yüksek nitrifikasyon konsantrasyonlarının korunması için uygundur ve sistem nitrifikasyon kapasitesini önemli ölçüde artırır. Taşıyıcıların içindeki yoğun biyofilm, uzun bir çamur yaşına sahiptir ve önemli miktarda nitrifikasyon ve nitrifikasyondan arındırıcı bakteri popülasyonuna ev sahipliği yapar, eş zamanlı nitrifikasyon{10}}denitrifikasyona (SND) olanak tanır ve böylece TN giderimini güçlendirir. Dolayısıyla MBBR süreci bu tesisin yükseltilmesi için-çok uygundur.
Benzer yükseltme projesi deneyimine dayanarak, COD ve TP için istikrarlı uyumluluk sağlamak amacıyla, MBBR ile birlikte mevcut prosese ek olarak ilave koruma arıtma tesislerine ihtiyaç duyulmaktadır. Aktif kok, gözenekli bir malzeme olarak, aktif karbonla karşılaştırıldığında daha önemli bir adsorpsiyon performansı sergileyerek KOİ, SS, TP, renk vb.'yi etkili bir şekilde giderir. Ayrıca, biyolojik olarak aktifleştirilmiş kok, organik maddeyi parçalamak için bağlı mikroorganizmaları kullanabilir ve kirleticileri adsorbe ederken adsorpsiyon bölgelerinin yenilenmesini sağlar. Bu dinamik denge mekanizması, sistemin sürekli ve kararlı çalışmasına olanak tanır. Aktif Kok Sirkülasyonlu Adsorpsiyon (ACCA) işlemi, filtre ve adsorpsiyonu entegre eden ortam olarak aktif kok kullanır. Filtre ortamını kaldırmak ve temizlemek için basınçlı hava kullanır. Ters-akış bölgelemesi ve tekdüze akış tasarımı sayesinde, aktif kok ve atık su arasında tam temas sağlayarak su kalitesinde en üst düzeyde iyileşme sağlar ve atık su uyumluluğunun istikrarlı olmasını garanti eder.
Tesisin eskiyen ve arızalı ekipmanları, işletme maliyetlerini azaltmak amacıyla teknolojik açıdan gelişmiş, enerji-verimli ekipmanlarla değiştirilecek. Spesifik olarak, ön işlem elekleri, saçları ve lifleri kesmek için dahili olarak beslenen ince eleklerle değiştirilecek ve MBBR taşıyıcı tutma eleklerinin tıkanması önlenecek.
3.2 Süreç Akışı
Yükseltilmiş süreç akışı şu şekilde gösterilmiştir:Şekil 2. Yükseklik gereksinimlerini karşılamak için yeni bir kaldırma pompa istasyonu eklendi. Yeni oluşturulmuş V- tipi filtre, daha sonraki aktifleştirilmiş kok adsorpsiyonu için ön arıtma ünitesi görevi görerek ACCA sisteminin stabilitesini sağlar. Ham su, gelişmiş nitrojen giderimi için hibrit MBBR biyolojik tanklarına girmeden önce yüzen maddeleri, kılları ve partikülleri gidermek üzere eleklerden ve kum odalarından geçer. Karışık likör daha sonra katıların ayrılması için ikincil arıtıcılara girer. Süpernatan, yeni pompa istasyonu aracılığıyla denitrifikasyon filtrelerine ve yüksek-yoğunluklu çökeltme tanklarına kaldırılır. Atık su daha sonra yeni pompa istasyonu tarafından V-tipi filtreye ve ileri arıtma için iki-aşamalı aktif kok adsorpsiyon tanklarına kaldırılarak KOİ, TP, SS, renk vb.'nin daha da giderilmesi sağlanır. Nihai atık su deşarj edilmeden önce dezenfekte edilir.
4. Ana Arıtma Ünitelerinin Tasarım Parametreleri
4.1 Biyolojik Tanklar
Mevcut Faz I biyolojik tanklar tank hacmi nispeten küçük fakat sağlam yapıya sahip olarak iki gruba ayrılmaktadır. Bu nedenle bu yükseltme için tank duvarları düşü gereksinimleri karşılanırken 0,5 m yükseltildi. Yenileme sonrasında toplam etkili hacim 10.800 m³ olup, toplam 14,4 saatlik HRT ve 6,4 saatlik anoksik bölge HRT'si, TN giderimini iyileştirmek için anoksik tutma süresini artırır. Mevcut Faz II biyolojik tanklar 19.600 m³ etkin hacme, toplam 14,7 saatlik HRT'ye ve 6,8 saatlik anoksik bölge HRT'sine sahiptir. Bu proje, hem Faz I hem de II biyolojik tanklardaki havalandırma sistemlerinin ve bazı eskimiş dalgıç karıştırıcıların değiştirilmesini ve asılı taşıyıcılar ile tutma eleklerinin eklenmesini içeriyordu. Taşıyıcılar, 24 mm kübik spesifikasyona, 4.000 m²/m³ spesifik yüzey alanına ve %20 doluluk oranına sahip poliüretan veya diğer yüksek{14}}performanslı kompozit malzemelerden yapılmıştır. Biyolojik arıtma sisteminin AOR'si 853,92 kg O₂/saattir ve hava besleme hızı 310,36 Nm³/dak'dır.
4.2 Kaldırma Pompa İstasyonu ve Atık Su Tankı
Yüksek-yoğunluklu sedimantasyon tanklarından gelen atık suyun daha ileri düzeyde arıtılmak üzere V-tipi filtreye pompalanması için yeni bir kaldırma pompa istasyonu inşa edildi. Bir atık su tankı, filtrelerden gelen geri yıkama atık suyunu depolar. Şok yüklemeyi önlemek amacıyla geri yıkama atık suyunu Faz II biyolojik tanklara eşit şekilde pompalamak için küçük pompalar kullanılır. Değişken frekanslı sürücü (VFD) kontrollü üç ikincil kaldırma pompası kuruldu (2 görev + 1 yedek, Q=1,300 m³/h, H=12 m, N=75 kW). Geri yıkama atık su tankı, çökelmeyi önlemek için 2 transfer pompası (1 görev + 1 yedek, Q{=140 m³/h, H=7 m, N=5.5 kW) ve bir dalgıç karıştırıcı (N=2.2 kW) ile donatılmıştır.
4,3 V-Tür Filtresi
36,9 m (U) × 29,7 m (G) × 8,0 m (Y) yapısal boyutlara sahip yeni bir V- tipi filtre inşa edildi. Homojen kuvars kumu filtre ortamı kullanır. Filtre iki sıra halinde düzenlenmiş 6 hücreye bölünmüştür. Her hücrenin çıkış borusunda, sabit su seviyesi çalışmasını kontrol eden bir elektrikli düzenleme valfi bulunur. Geri yıkama işlemi PLC aracılığıyla ayarlanabilmektedir. Tasarım filtreleme hızı 7,0 m/saat, zorlamalı filtreleme hızı 8,4 m/saat ve tek hücreli filtreleme alanı 49,4 m²'dir. Geri yıkama suyu yoğunluğu 11 m³/(m²·saat), geri yıkama hava yoğunluğu 55 m³/(m²·saat) ve yüzey süpürme yoğunluğu 7 m³/(m²·saat)'tir. Geri yıkama süresi 10 dakikadır. Geri yıkama döngüsü 24 saattir (ayarlanabilir), her seferinde bir hücre yıkanır. Kuvars kumu ortam boyutu 1-1,6 mm ve k₈₀ < 1,3'tür. Yerinde döküm monolitik filtre plakaları kullanılır.
4.4 Aktif Kok Adsorpsiyon Tankları
Yapısal boyutları 49,5 m (U) x 30,15 m (G) x 11,0 m (Y) olan yeni bir aktif kok adsorpsiyon tankı inşa edildi. Aşama başına 18 hücre olmak üzere toplam 36 hücreden oluşan iki-aşamalı bir filtreleme yapılandırması kullanır. Maksimum filtreleme hızı 6,02 m³/(m²·saat), ortalama 4,63 m³/(m²·saat)'tir. Birinci-aşamalı tek-hücre boyutları U×G×Y=5.0 m × 5,0 m × 11,0 m'dir ve boş yatak temas süresi (EBCT) 1,4 saattir. İkinci-aşamalı tek-hücre boyutları U×G×Y=5.0 m × 5,0 m × 9,5 m olup EBCT'si 1,08 saattir. Sistem, mobil kok yıkayıcıları, su dağıtıcıları, giriş/çıkış savakları vb. ile donatılmış, 2-8 mm parçacık boyutuna sahip 2.000 ton aktif kok kullanıyor.
4.5 Aktif Kok Binası
Aktif kokunun depolanması ve adsorpsiyon tanklarına beslenmesi için yeni bir aktif kok binası inşa edildi. Yapısal boyutlar 33,5 m (U) × 13,0 m (G) × 6,5 m (Y)'dir. Ana yardımcı ekipman şunları içerir: 1 adet aktif kok susuzlaştırma titreşimli eleği, 3 adet kok besleme pompası (2 adet görev + 1 yedek, Q=40 m³/h, H=25 m, N{=7.5 kW), 2 adet filtrat boşaltma pompası (1 adet görev + 1 yedek, Q=120 m³/h, H=20 m, N=18.5 kW), 2 hava kompresörü (1 görev + 1 yedek, Q=7.1 m³/dak, N=37 kW) ve bir hava alıcı tankı (V=2 m³, P=0.8 MPa).
4.6 Plakalı-ve-Çerçeveli Susuzlaştırma Odası
Mevcut çamur susuzlaştırma odasının yanına yeni bir plakalı-ve-çerçeveli susuzlaştırma odası inşa edildi. Alan sınırlamaları nedeniyle, bantlı filtre presine yedek olarak hizmet verecek bir dizi plaka-ve-çerçeve filtre presi (filtre alanı 300 m²) yapılandırıldı. Yardımcı tesisler arasında bir şartlandırma tankı (etkili hacim 80 m³) bulunmaktadır. Çamur miktarı 6.150 kg DS/gün olup, yoğunlaştırılmış besleme çamuru nem içeriği %97 ve susuzlaştırılmış kek nem içeriği %60'tır. Ana yardımcı ekipman şunları içerir: 2 besleme pompası (1 görev + 1 yedek, Q=60 m³/h, H=120 m, N=7.5 kW), 2 pres su pompası (1 görev + 1 yedek, Q=12 m³/h, H=187 m, N{=11 kW), 1 yıkama pompası (Q=20 m³/h, H=70 m, N{{=7.5 kW), 2 dozaj pompası (1 görev + 1 yedek, Q=4 m³/h, H=60 m, N{=3 kW), 1 hava kompresörü (Q=3.45 m³/dak, N{=22 kW), 1 takım hava alma tankı (V=5 m³, P=1.0 MPa) ve 1 set PAM hazırlama ünitesi (Q=2 m³/h, N=1.5 kW).
4.7 Koku Kontrol Sistemi
12.000 m³/saat tasarım hava debisine sahip yeni bir biyofiltrasyon koku kontrol sistemi eklendi. Cam takviyeli plastik (CTP) borular, ön arıtma ve çamur arıtma sistemlerinde kokuların toplanması ve arıtılması amacıyla kullanılmaktadır. Ön arıtma ekipmanlarını yalıtmak için paslanmaz çelik çerçeveler ve PC dayanıklılık levhaları kullanılır.
4.8 Diğer Tesis Güncellemeleri
- 5 mm açıklıklı, içten beslenen 2 ince elek, vidalı konveyörler ve yıkama suyu deposu, V=10 m³ ve 2 yıkama suyu pompası (1 görev + 1 yedek, Q=25 m³/sa, H=70 m, N=11 kW) ile değiştirildi.
- 4 adet daha verimli havalı süspansiyon üfleyiciyle değiştirildi, VFD kontrollü (3 görev + 1 yedek, Q=130 m³/dak, P=63 kPa, N=150 kW).
- Mevcut denitrifikasyon filtrelerindeki filtre ortamı, 1.800 m³ seramik ortam (partikül boyutu 3-5 mm) ile değiştirildi.
- Yüksek-yoğunluklu çökeltme tanklarındaki 2 adet karıştırma karıştırıcısı (hız 60-80 rpm, N=5.5 kW), 4 adet flokülasyon karıştırıcısı (hız 10-20 rpm, N=2.2 kW) ve tüp çökelticiler (260 m²) değiştirildi.
- Bant filtre presini 2 m genişliğinde bir bant ve buna uygun hava kompresörüyle (1 set) değiştirdik.
- Orijinal merkezi kontrol odasını, güncellenmiş ekipmanı, cihazları ve yerleşik merkezi kontrolü kullanarak, merkezi kontrol odası ile trafo merkezleri arasında veri iletişiminin yanı sıra üretim süreci kontrolünün otomasyonunu sağlamak için tesis çapında bir veri iletişim sistemi- kurdu.
5. Operasyonel Performans ve Teknik-Ekonomik Göstergeler
5.1 Operasyonel Performans
Bu yükseltme projesinin tamamlanmasının ardından tüm arıtma üniteleri istikrarlı bir şekilde çalışmaya başladı. 2023 yılına ait giriş ve çıkış suyu kalitesi izleme verileri aşağıdaki şekilde gösterilmektedir:Tablo 2.
Gösterildiği gibi KOİ, NH₃-N, TN, TP ve SS için ortalama atık konsantrasyonları 11,2, 0,18, 8,47, 0,15 ve 2,63 mg/L olup, ortalama giderme oranları sırasıyla %95,16, %99,45, %77,31, %94,75 ve %97,38'dir. Çıkış suyu COD, NH₃-N ve TP, sürekli olarak GB 3838-2002 Sınıf III su standardını karşıladı.
Yenilenen proje yaklaşık iki yıldır faaliyette. Sonuçlar, MBBR+ACCA işleminin kararlı, verimli olduğunu ve yüksek-kalitede atık su ürettiğini, şok yüklere ve düşük-sıcaklık koşullarına karşı güçlü direnç gösterdiğini göstermektedir. Minimum 9,4 derecelik kış suyu sıcaklığına ve önemli su kalitesi dalgalanmalarına rağmen atık su kalitesi sabit kaldı ve deşarj standartlarını karşıladı. Yükseltme öncesinde ve sonrasında karbon kaynağı dozajı artmadı ancak TN giderimi önemli ölçüde arttı. Bunun nedeni, bir yandan MBBR taşıyıcılarına bağlanan nitrifikasyon mikroorganizmalarının stabil bir aerobik ortamda büyüyüp birikerek daha eksiksiz nitrifikasyona yol açmasıdır. Öte yandan, yükseltilmiş MBBR tanklarında ve anoksik tanklarda nitrat daha da uzaklaştırıldı. Nihai ACCA sistemi bir koruma görevi görerek dirençli COD, TP, SS vb.'yi daha fazla adsorbe edip gidererek atık su kalitesini daha istikrarlı hale getirir. Ayrıca, proje uygulandıktan sonra tesis yüksek-kalitede arıtılmış su üretebilir ve böylece suyun gelecekte yeniden kullanılmasının temeli atılabilir.
5.2 Teknik-Ekonomik Göstergeler
Bu projenin toplam yatırımı 86.937.600 RMB olup, bunun 74.438.500 RMB'si inşaat ve kurulum maliyetleri, 7.593.500 RMB'si diğer giderler, 4.101.600 RMB'si beklenmedik durum maliyetleri ve 804.000 RMB'si başlangıç işletme sermayesinden oluşmaktadır. Stabil sistem işletimi sonrasında, tüm tesis için ek elektrik maliyeti 0,11 RMB/m³, aktif kok maliyeti ise 0,39 RMB/m³ olup, işletme maliyetlerinde toplam yaklaşık 0,50 RMB/m³ artışa neden olur.
6. Sonuç
- Bu proje, mevcut atık su arıtma tesisinde ekipman yenileme, süreç yoğunlaştırma ve yenileme uyguladı ve ileri arıtma ekleyerek COD, NH₃-N, TN ve TP'nin giderim verimliliğini artırdı.
- Yükseltme sonrasında, ana "MBBR+ACCA" prosesi kullanılarak çıkış suyu KOİ, NH₃-N ve TP, Derece 1A'dan yüzey suyu Sınıf III standardına kadar istikrarlı bir şekilde iyileştirildi ve TN giderimi önemli ölçüde iyileştirildi.
- Uygulama, bu sürecin istikrarlı ve verimli bir şekilde çalıştığını, yük şoklarına karşı dirençli olduğunu, yüksek-kalitede atık su ürettiğini ve yaklaşık 0,50 RMB/m³ işletme maliyeti eklediğini göstermektedir. Diğer atık su arıtma tesislerindeki iyileştirme projeleri ve suyun yeniden kullanımı girişimleri için bir referans görevi görebilir.