Tianjin'deki Kanalizasyon Arıtma Tesisinin İyileştirilmesi Projesinin İşletme Etkisi
Tianjin'deki bir atık su arıtma tesisi, Modifiye Bardenpho-MBBR sürecini benimseyen bir iyileştirme ve yenileme projesine tabi tutuldu ve atık su kalitesi, "Belediye Atıksu Arıtma Tesisleri için Kirleticilerin Deşarj Standardı"nda (GB 18918-2002) belirtilen A Sınıfı standardından Tianjin yerel standardı DB 12/599-2015'in A Sınıfı standardına yükseltildi. Hareketli Yataklı Biyofilm Reaktörü (MBBR) işlemi, reaktöre MBBR süspansiyonlu taşıyıcıların eklenmesini, mikrobiyal bağlanma için alanlar sağlanmasını ve bağlı biyofilmlerin oluşturulmasını, böylece sistemdeki etkili biyokütlenin arttırılmasını ve kirletici maddelerin uzaklaştırılmasını içerir. MBBR süreci, yüksek arıtma yüklemesi, şok yüklere karşı güçlü direnç, istikrarlı arıtma performansı, basit operasyonel yönetim ve esnek proses operasyonu gibi avantajlar sunar. Çin'de artan sayıda AAT, yenileme için MBBR sürecini benimsiyor. Bu makale, benzer iyileştirme projeleri için bir referans sağlamayı amaçlayan bir Tianjin AAT'nin iyileştirme sonrasındaki operasyonel performansını analiz etmektedir.
1. Mevcut Biyolojik Azot ve Fosfor Giderme Süreci
Orijinal biyolojik tankta 12.500 ton/gün arıtma kapasitesine sahip bir A²/O prosesi kullanıldı. Tasarımın toplam çamur yaşı 14 gün, karışık sıvı askıda katı madde (MLSS) konsantrasyonu 3.500 mg/L, tasarım su sıcaklığı 10 derece, çamur verimi 0,936 kgSS/kgBOD ve çamur yüklemesi 0,082 kgBOD/kgMLSS idi. Biyolojik tankın etkin su derinliği 6 m, toplam tank hacmi 9.052,2 m³ ve toplam hidrolik tutma süresi (HRT) 17,4 saatti. HRT dağılımı şöyleydi: seçici bölge 0,58 saat, anaerobik bölge 1,38 saat, anoksik bölge 2,85 saat, salınım bölgesi 0,92 saat ve aerobik bölge 11,67 saat. Çamurun geri dönüşümü %100 ve karışık sıvının dahili geri dönüşümü %300'dü. Orijinal biyolojik tank öncelikle anaerobik-anoksik-aerobik bölümlerden oluşuyordu. Çalışma parametreleri, nitrojen ve fosfor giderimini sağlamak için giriş koşulları ve atık su gereksinimlerine göre ayarlanabilir; atık su kalitesi GB 18918-2002'nin A Sınıfı standardını karşılar.
2. İyileştirme ve Yenileme Projesine Genel Bakış
Bu yükseltme, atık su kalitesini Tianjin yerel standardı "Belediye Atık Su Arıtma Tesisleri için Kirleticilerin Deşarj Standardı" (DB 12/599-2015) A Sınıfı standardını karşılayacak şekilde iyileştirmeyi amaçlıyordu. Tasarlanan giriş ve çıkış suyu kalitesi şekilde gösterilmiştir.Tablo 1. Tasarım giriş ve çıkış TN değerlerine göre, 10 mg/L'nin altında bir çıkış TN'sine ulaşmak, biyolojik tank sisteminde %75,6'lık bir denitrifikasyon oranı gerektirir. Orijinal biyolojik tank A²/O konfigürasyonunu kullanıyordu. Orijinal tank konfigürasyonunu temel alan hesaplamalar, büyük miktarda harici karbon kaynağının eklenmesiyle birlikte dahili geri dönüşüm oranının orijinal %200'den %310'a çıkarılması gerektiğini gösterdi. Bu sadece işletme maliyetlerini artırmakla kalmayacak, aynı zamanda büyük hacimli dahili geri dönüşüm akışı da anoksik ortamı bozabilecektir. Bu, anoksik bölgedeki gerçek HRT'nin minimum gereksinimden daha az olmasına yol açarak denitrifikasyon verimliliğini etkileyebilir. MBBR süreci, sistemin denitrifikasyon kapasitesini artırır ve tank içindeki biyokütle konsantrasyonunu artırmak için asılı taşıyıcılar ekleyerek atık su kalitesini artırır, böylece yükseltme gereksinimlerini karşılar.
Mevcut biyolojik tank hacmi değiştirilmeden biyolojik tankın iç fonksiyonel bölgeleri yeniden yapılandırıldı. Orijinal A²/O konfigürasyonu (anaerobik-anoksik-aerobik), Bardenpho 6-aşamalı konfigürasyona değiştirildi: anaerobik bölge, anoksik bölge, salınım bölgesi, aerobik bölge, post-anoksik bölge ve post-aerobik bölge. Spesifik olarak, orijinal seçici bölge anaerobik bölgeye dönüştürüldü. Orijinal anaerobik bölge, salınım bölgesi (ön kısım) ve anoksik bölgenin tümü, anoksik öncesi bölge olarak kullanıldı. Orijinal aerobik bölgesindeki ilk koridorun ön yarısı bir salınım bölgesine ayarlandı. Orijinal birinci, ikinci ve üçüncü aerobik koridorları, giriş/çıkış perdeleme sistemleri ve alt yardımcı havalandırma sistemi ile birlikte asılı taşıyıcıların eklendiği MBBR bölgesine dönüştürüldü. Dördüncü aerobik koridoru anoksik sonrası bölgeye dönüştürüldü. Orijinal salınım bölgesi işlevsel olarak bölümlendi ve-anoksik sonrası ve aerobik sonrası bölgelere ayarlandı. Yenilenen biyolojik tankın parametreleri şekilde gösterilmiştir.Tablo 2.
Proses operasyonuyla ilgili olarak, aerobik bölgeden gelen karışık likör anoksik bölgeye geri dönüştürülür ve anoksik bölgeye bir karbon kaynağı eklenir. Denitrifikasyon bakterileri, aerobik bölgede üretilen nitrat nitrojeni uzaklaştırmak için denitrifikasyon için karbon kaynağını kullanır. Artık nitrat nitrojen, denitrifikasyonun devam etmesi için ilave karbon kaynağının eklendiği post-anoksik bölgeye girer. Yenileme sonrasında, karışık sıvı askıda katı madde (MLSS) konsantrasyonu 4.000 mg/L, çamur geri dönüşümü %50–%100, karışık sıvı dahili geri dönüşümü %200–%250 ve MBBR bölgesindeki çözünmüş oksijen 2–5 mg/L'dir. Yenileme sonrası proses akış şeması şekilde gösterilmiştir.Şekil 1.
3. Biyolojik Tank Yenilemesinden Sonra Sistemin Devreye Alınması
Biyolojik tank yenilemesi tamamlandıktan sonra devreye alma aşamasına geçildi. Başka bir AAT'den alınan susuzlaştırılmış çamur biyolojik tanka eklenerek çamur konsantrasyonu kısa sürede 3.000 mg/L'nin üzerine çıkarıldı. Bu, çamur işleme ve alışma süresini kısaltarak biyolojik tankın hızlı bir şekilde çalıştırılmasına ve nitrojen ve fosfor giderme kapasitesinin yeniden kazanılmasına olanak sağladı. Deneme işletmesi döneminde, nispeten düşük giriş akışı ve kirletici konsantrasyonları nedeniyle, gerçek işletme yükü, tasarım yükünden daha düşüktü. Yaklaşım, biyolojik sistem stabilize olana ve atık su kalitesi standartları karşılayana kadar ilk olarak aktif çamurun yetiştirilmesi ve iklimlendirilmesi, ardından biyofilm oluşumu için MBBR taşıyıcılarının eklenmesiydi.
Taşıyıcılar biyolojik tankın aerobik bölümüne eklendikten sonra ilk olarak daldırıldı. Mikroorganizmalar yavaş yavaş yüzeylerine bağlanır. Görsel olarak, daha fazla mikroorganizma bağlandıkça ve biyofilm yoğunlaştıkça taşıyıcı yüzeyin rengi beyazdan soluk toprak sarısına dönüştü. Taşıyıcı renk yavaş yavaş derinleşti. Taşıyıcı ilavesinden iki ay sonra, biyofilm oluşumu iyiydi; taşıyıcı yüzeyi sarımsı-kahverengi görünüyordu ve renk giderek derinleşiyordu. Taşıyıcı ilavesinden dört ay sonra taşıyıcı yüzeyindeki biyofilm koyu kahverengi göründü ve yoğundu. Biyofilm oluşumunun ilerlemesi, şekilde gösterildiği gibi taşıyıcı rengindeki değişikliklere dayalı olarak sezgisel olarak gözlemlenebilir.Şekil 2. Aralık 2021'de biyolojik tanktaki aktif çamurun ve taşıyıcılardan gelen çamurun mikroskobik incelemesi, iyi adsorpsiyon ve çökelme özelliklerine sahip kompakt flok yapılarını ortaya çıkardı. Taşıyıcılar görsel olarak bariz biyofilm oluşumu gösterdi. Mikroskobik incelemede Vorticella, Opercularia ve Epistylis gibi organizmalar tanımlandı ve ara sıra birkaç hareketli siliat görüldü, bu da biyofilm oluşum aşamasının tamamlandığını gösteriyor.
4. Biyolojik Tank Yenilemesi Sonrası Operasyonel Performans
4.1 Yenileme Sonrası KOİ ve BOİ Temizleme Performansı
2022 yılına ait atık su KOİ ve BOİ değerleri aşağıdaki şekilde gösterilmiştir:Şekil 3. Atık KOİ 10,2 ile 24,9 mg/L arasında değişmekte olup ortalama 18,0 mg/L'dir. Atık BOİ 2,1 ila 4,9 mg/L arasında değişmekte olup ortalama 3,4 mg/L'dir. Hem atık KOİ hem de BOD, Tianjin yerel Sınıf A standardını istikrarlı bir şekilde karşıladı. Yenilenen sistem KOİ ve BOİ için iyi bir temizleme performansı sergilemekle kalmadı, aynı zamanda tesisin fiili giriş yükü tasarım kapasitesinin %110'una ulaştığında bile taşkın mevsimi boyunca istikrarlı ve uyumlu atık su KOİ ve BOİ seviyelerini korudu. Bu, sistemin şok yüklere karşı iyi bir dirence sahip olduğunu gösterir.
4.2 Yenileme Sonrası TN ve NH₃-N için Kaldırma Performansı
2022 yılı çıkış suyu TN ve NH₃-N değerleri aşağıdaki şekilde gösterilmiştir:Şekil 4. TN 3,72 ile 8,74 mg/L arasında değişmekte olup ortalama 6,43 mg/L'dir. NH₃-N 0,02 ile 1,25 mg/L arasında değişmekte olup ortalama 0,12 mg/L'dir. Kış işletimi sırasında düşük sıcaklıklar nedeniyle nitrifikasyon ve denitrifikasyon oranları azaldı. Uygulamada çamur konsantrasyonu 6.000 mg/L'nin üzerine çıkarıldı. Yüksek çamur konsantrasyonunda çalışmak, biyolojik sistemin özellikle düşük sıcaklıklarda şok yüklere karşı direncini arttırmak açısından faydalıdır. Yüksek çamur konsantrasyonu ile MBBR taşıyıcılarına bağlanan biyofilm arasındaki sinerji, biyolojik sistemin arıtma etkisini artırır.
MBBR taşıyıcıları mikrobiyal topluluklar için uygun bir ortam sağlayarak onların büyümelerini ve üremelerini destekler. İklimlendirme ve olgunlaşma sonrasında biyofilmin nitrifikasyon ve denitrifikasyon kapasitesi güçlenir. Mikroorganizmalar taşıyıcı yüzeye yapışıp katmanlar halinde büyür, zoogloea yoğunluğunu arttırır ve büyük, yoğun ve hızla stabil çamur yapıları oluşturur. Taşıyıcı yüzeydeki mikroorganizmalar, harici su kalitesi değişiklikleriyle karşı karşıya kaldıklarında kendilerini korumak için hücre dışı polimerik maddeler (EPS) salgılarlar ve böylece ani su kalitesi değişikliklerinin iç-katmandaki mikroorganizmalar üzerindeki etkisini azaltırlar.
MBBR sürecini kullanan AAT'lerde, aerobik taşıyıcı bölgede eş zamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyon (SND) olgusu gözlemlenmiştir. Aerobik taşıyıcı bölgeden gelen ve çıkan suyun TN değerlerinin test edilmesi 2-6 mg/L'lik bir fark ortaya çıkardı. Bu fark, özellikle aerobik tanktaki çözünmüş oksijen 2 mg/L'nin altında kontrol edildiğinde daha belirgindi, bu da düşük çözünmüş oksijen koşulları altında daha belirgin SND'ye işaret ediyordu. İkincil çökeltme tankından gelen atık TN'nin standartları tamamen karşıladığı, yani TN gideriminin biyolojik arıtma aşamasında tamamlandığı anlamına gelir. Fiili operasyonda, nitrifikasyonu giderici derin-yatak filtresi bir koruma süreci olarak çalışır. Normal koşullar altında SS göstergelerinin standartlara uygun olmasını sağlamak için düzenli bir filtre görevi görür.
4.3 Yenileme Sonrası TP ve SS için Sökme Performansı
2022 yılına ait atık su TP ve SS değerleri aşağıdaki şekilde gösterilmiştir:Şekil 5. AAT'nin atık su TP'si 0,04 ile 0,22 mg/L arasında değişmekte olup ortalama 0,10 mg/L'dir. Atık su SS'si 1 ila 4 mg/L arasında değişmekte olup ortalama 2,2 mg/L'dir. İyileştirme sonrasında, ikincil sedimantasyon tankı çıkış suyu TP'si 1,0 mg/L civarında ve SS'si 26 mg/L civarındaydı. Pıhtılaşmayı geliştirmek için yüksek-verimli çökeltme tankına ferrik klorür ve PAM eklenerek ve nitrifikasyon giderici derin yatak filtresinde daha fazla saflaştırma yoluyla, atık su TP ve SS, Tianjin yerel Sınıf A standardını istikrarlı bir şekilde karşıladı ve renk değeri önemli ölçüde azaldı.
5. Sonuç
Tianjin yerel Sınıf A standardını karşılamak için Atık Su Arıtma Tesisi'ndeki orijinal A²/O işlemi, biyolojik nitrojen giderimini geliştirmek ve atık sudaki TN ve NH₃-N'yi azaltmak için MBBR işlemini aerobik bölüme dahil ederek Bardenpho beş-aşamalı konfigürasyonuna dönüştürüldü. Aşırı yük akışının olduğu sel mevsimi boyunca, tüm göstergeler standartları istikrarlı bir şekilde karşılayarak iyi bir darbe direnci gösterdi. Biyolojik tank yenilemesinden sonra iç geri dönüşüm oranı %200-%300, dış çamur geri dönüşümü %50-%100, çamur konsantrasyonu 4.000-6.000 mg/L, aerobik bölgedeki çözünmüş oksijen 3-5 mg/L, anaerobik bölgedeki çözünmüş oksijen ise 0,2-0,5 mg/L olarak kontrol edildi. 2022'de AAT'nin atık su kalitesi şu şekildeydi: COD 10,2–24,9 mg/L, ortalama 18,0 mg/L; BOİ 2,1–4,9 mg/L, ortalama 3,4 mg/L; NH₃-N 0,02–1,25 mg/L, ortalama 0,12 mg/L; TN 3,72–8,74 mg/L, ortalama 6,43 mg/L; TP 0,04–0,22 mg/L, ortalama 0,1 mg/L; SS 1–4 mg/L, ortalama 2,2 mg/L. Hepsi, Tianjin yerel standardı "Belediye Atıksu Arıtma Tesisleri için Kirleticilerin Deşarj Standardı"nın (DB 12/599-2015) A Sınıfı standardını istikrarlı bir şekilde karşıladı.