İki-aşamalı AO ve Üç-aşamalı AO Süreçlerinin Karşılaştırılması: Bir Mühendislik Perspektif
Şu anda Çin'deki atık su arıtma tesislerinin (AAT'ler) çoğunluğu, atık su arıtımı için aktif çamur-bazlı süreçleri benimsiyor. Bunların neredeyse yarısı Anoksik-Oxik (AO) sürecini kullanıyor. AO prosesi istikrarlı çalışma ve düşük maliyet gibi avantajlar sunar. Bununla birlikte, tipik olarak %60 ila %80 arasında değişen toplam nitrojen (TN) giderme verimliliği, dahili geri dönüşüm oranlarıyla sınırlıdır. Nitrojen gidermeye yönelik giderek katılaşan ulusal gereklilikler nedeniyle, geleneksel tek-aşamalı AO işlemleri genellikle TN arıtma taleplerini karşılamakta zorlanır. Böylece çok-aşamalı AO süreçleri ortaya çıktı. İki veya daha fazla AO aşamasını seri olarak bağlayarak, önceki aerobik aşamada üretilen nitrat, sonraki anoksik aşamada denitrifikasyon için substrat sağlar. Bu, genel TN giderimini artırırken dahili geri dönüşüm oranını azaltma hedefine ulaşır. Ancak aşırı aşamalar operasyonel karmaşıklığı da artırabilir. Sonuç olarak, Çin'de en yaygın olarak uygulanan yapılandırmalar şu anda iki-aşamalı ve üç-aşamalı AO süreçleridir. Bu makale, benzer projelerde teknik rotaların seçimi için bir referans sağlamayı amaçlayan bir örnek olay incelemesi olarak, Güney Çin'deki bir AAT'yi kullanan iki-aşamalı ve üç-aşamalı AO süreçlerinin karşılaştırmalı bir analizini sunmaktadır.
1 Projeye Genel Bakış
Güney Çin'deki bir AAT toplam 8 hektarlık bir alanı kaplamaktadır. Orijinal tasarım kapasitesi 90.000 m³/gün idi ve atık su kalitesinin hem "Belediye Atıksu Arıtma Tesisleri için Kirletici Maddelerin Deşarj Standardı"nın (GB 18918-2002) A Sınıfı standardını hem de Guangdong Eyaletinin "Su Kirletici Deşarj Limitleri"ni (DB 44/26-2001) (bundan böyle anılacaktır) karşılaması gerekiyordu. "Yarı-Sınıf V" olarak anılacaktır). Tesis tam kapasiteyle çalışıyordu. İlgili planlamaya göre genişletme yapılması gerekiyordu. Mevcut duruma dayalı olarak gelecekteki atık su standartlarının uzun vadeli TN gereksinimini 10 mg/L'den az veya buna eşit olarak dikkate alması gerekiyordu. Sahanın fiili koşulları kapsamlı bir şekilde dikkate alındığında, bu genişleme için inşaat inşaatı ölçeği 70.000 m³/gün olarak belirlendi. Tesisin yakın vadede 50.000 m³/gün kapasiteyle çalışması, uzun vadede ise 70.000 m³/gün mertebesine ulaşarak tesisin toplam arıtma kapasitesinin 160.000 m³/gün'e ulaşması planlanmaktadır. Tasarlanan giriş ve çıkış suyu kalitesi şekilde gösterilmiştir.Tablo 1.
Saha kısıtlamaları nedeniyle, genişlemeye yönelik ön plan, "Çok-Aşamalı AO + Çevresel-Çevresel-Dışa Dikdörtgen Çökeltme Tankı + Yüksek-Verimli Çöktürme Tankı + Fiber Plaka-ve-Çerçeve Filtresi" süreç rotasını benimsedi. Tüm ana ünitelerin inşaat yapıları 70.000 m³/d ölçeğinde inşa edilmiş olup, 50.000 m³/d kapasitesi için ekipman kurulumları yapılmıştır. Biyolojik tankta yakın gelecekte çok-aşamalı bir AO süreci kullanılacaktır. Uzun vadede, askıya alınmış taşıyıcıların eklenmesi, %40'lık kapasite artırımı talebini karşılamak için hibrit bir biyofilm-aktif çamur süreci oluşturacaktır. Bu tasarımda hidrolik koşullar 70.000 m³/d ölçeğinde, biyolojik arıtma ise 50.000 m³/d ölçeğinde dikkate alınmıştır. Bu proje, çok{25}}aşamalı bir AO sürecini benimsemeyi amaçladığından, iki-aşamalı ve üç-aşamalı AO arasında bir karşılaştırma yapıldı.
2 İki-Aşamalı ve Üç-Aşamalı AO Sürecinin Karşılaştırması
2.1 Süreç Akışı
Çok-aşamalı AO işleminin temel ilkesi, önceki aerobik aşamada üretilen nitratı sonraki anoksik aşamada denitrifikasyon için kullanmak, böylece dahili geri dönüşüm oranını azaltmaktır. Teorik olarak daha fazla aşama TN'nin daha iyi uzaklaştırılmasına yol açar, ancak kontrol daha karmaşık hale gelir. Mühendislik uygulamalarında iki-aşamalı ve üç-aşamalı AO baskındır. Süreç akışları şu şekilde gösterilmiştir:Şekil 1. İki-aşamalı bir AO için dahili geri dönüşüm genellikle ilk AO aşamasında tasarlanır. Üç-aşamalı bir AO için genellikle dahili geri dönüşüm kullanılmaz. Pekin'de iki-aşamalı AO sürecini kullanan Atık Su Arıtma Tesisleri arasında Qinghe (400.000 m³/gün), Xiaohongmen (500.000 m³/gün), Gao'antun (400.000 m³/gün), Dingfuzhuang (200.000 m³/gün) ve Huaifang (600.000 m³/gün) bulunmaktadır. Bu süreç, basit ekipman, düşük işletme ve bakım maliyetleri, şok yüklere karşı güçlü direnç ve diğer süreçlerle yüksek uyumluluk gibi avantajlar sunarak daha yüksek atık su standartlarını karşılamak için gelecekteki yükseltmeleri kolaylaştırır. Teorik olarak, seri halinde üç aşamalı bir AO, dahili geri dönüşüm ekipmanı ihtiyacını ortadan kaldırabilir, karbon kaynaklarının daha rasyonel tahsisine izin verebilir ve yatırım ve işletme maliyetlerini azaltabilir. Bu proses öncelikli olarak yeterli karbon kaynaklarının olduğu ve nitrojen gideriminin yüksek olduğu senaryolarda uygulanır. Tipik örnekler arasında Yunnan'daki Qujing Atık Su Arıtma Tesisi (80.000 m³/gün), Tianjin'deki Ninghe Bölgesi Kentsel Atık Su Arıtma Tesisi (90.000 m³/gün), Tianjin'deki Zhangguizhuang Atık Su Arıtma Tesisi (200.000 m³/gün) ve Pekin'deki Daoxianghu Islah Tesisi (80.000 m³/gün) bulunmaktadır.
2.2 Süreç Karşılaştırması
Bu tesiste gelecekte yapılacak iyileştirmeler için ilave arazi bulunmadığı ve bazı yeni yerel projelerin hâlihazırda 10 mg/L'den az veya buna eşit bir atık su TN standardı uyguladığı göz önüne alındığında, proses karşılaştırmasında gelecekte daha sıkı atık su gereksinimleri olasılığını karşılamak için 10 mg/L'den az veya buna eşit bir biyolojik tank atık su TN'si dikkate alınmıştır. Diğer göstergeler tasarım atıksu kalitesine bağlıydı. Plana göre, 50.000 m³/d'lik kısa vadeli-ölçek için biyolojik tank için maksimum Hidrolik Tutma Süresi (HRT) 18 saatti. Projenin gerçek koşulları, BioWin simülasyon sonuçları ve asılı taşıyıcılarla bağlantının kolaylığı birleştirilerek, iki-aşamalı ve üç-aşamalı AO süreçleri arasında bir karşılaştırma yapıldı.
2.2.1 BioWin Simülasyonu
Başlangıçta 18 saatlik bir HRT ayarlandı ve yavaş yavaş azaltıldı. Atık su TN gereksinimini karşılayan minimum HRT 14 saatti. İki-aşamalı AO için etkili dağıtım noktaları anaerobik bölge, birinci-aşama anoksik bölge ve ikinci-aşama anoksik bölgeydi. Üç-aşamalı AO için etkili noktalar anaerobik bölge, ikinci-aşama anoksik bölge ve üçüncü-aşama anoksik bölgeydi.
① Sabit Etki Dağıtım Oranıyla Çalışma
Her ikisi için de giriş dağıtım oranını 4:3:3 olarak ayarlayan simülasyonlar, üç şemayı karşılaştırdı: iki-aşamalı AO (geri dönüşüm oranı %200), toplam geri dönüşüm oranı %200 olan üç-aşamalı AO (ilk AO aşaması içinde %100 geri dönüşüm, üçüncü Oksik bölgeden ilk Anoksik bölgeye %+ 100 geri dönüşüm) ve üç-aşamalı AO, geri dönüşüm oranı: %100 (yalnızca ilk AO aşamasında geri dönüşüm). Simülasyon akışları şurada gösterilmiştir:Şekil 2.
Tablo 2HRT=14 h'de sabit bir giriş oranı için simülasyon sonuçlarını gösterir.
Tablo 2'den, hem iki-aşamalı hem de üç-aşamalı AO için, ham girişteki karbon kaynağını kullanarak birinci anoksik bölgedeki denitrifikasyonu en üst düzeye çıkarmak için ilk AO aşamasında dahili geri dönüşümün ayarlanması tavsiye edilir. Üç-aşamalı AO için, üçüncü aşamanın sonundan ilk anoksik bölgeye kadar dahili geri dönüşümün ayarlanması, TN ve TP giderimini biraz iyileştirdi, ancak organik madde uzaklaştırma verimliliği azaldı. Bu, çözünmüş oksijeni anoksik bölgeye taşıyan ve anoksik ortamı etkileyen geri dönüşüm nedeniyle biyolojik tanktaki genel akışın artmasına atfedilen bir spekülasyondur. Ek olarak, her bölgedeki fiili HRT kısaldı ve çalışma koşulları arasındaki geçiş hızlanarak verimliliğin düşmesine yol açtı. TN konsantrasyonunun çok yüksek olmadığı Güney Çin'deki bu projedeki gibi etkileyici özellikler için, iki-aşamalı AO atık su gereksinimlerini tam olarak karşılayabilir ve üç-aşamalı AO için belirgin bir avantaj göstermez. Yüksek COD ve yüksek TN etkisine sahip senaryolar için üç aşamalı AO daha uygun olabilir.
② Etki Dağıtım Oranlarının Ayarlanması Çalışması
Hem iki-aşamalı hem de üç-aşamalı AO, ilk AO aşamasında %100 dahili geri dönüşüm oranıyla ayarlandı. Çok-noktalı etki dağıtım oranları (1:0:0, 3:7:0, 2:4:4) üzerinde çalışmalar yapıldı. Burada 1:0:0, tüm nüfuzun en önden girdiği anlamına gelir; Üç-aşamalı AO için 3:7:0, etkinin yalnızca anaerobik bölgeye ve ikinci AO aşamasına dağıtıldığı anlamına gelir. Düzeltilmiş dağıtım oranlarına ilişkin simülasyon sonuçları şu şekilde gösterilmiştir:Tablo 3.
Tablo 3'te dağıtım oranının atık su kalitesi üzerinde hafif bir etkiye sahip olduğu görülebilir. Genel eğilim, sonraki aşamalara dağıtılan giriş suyu oranı arttıkça çıkış suyu TN, NH₃-N ve TP konsantrasyonlarının artması ve havalandırma talebinin de kademeli olarak artması yönündedir. Etki oranı 3:7:0 olduğunda, üç-aşamalı AO, iki-aşamalı AO'ya göre biraz daha iyi TN giderimi ve biraz daha düşük hava-/su- oranı gösterdi. Ancak gerçek operasyonda bu fark genellikle ihmal edilebilir düzeydedir. Ayrıca, sonraki aşamalara giren suyun oranının arttırılması, denitrifikasyonda karbon kaynağı kullanımı açısından yararlı olsa da, NH₃-N, organik madde ve TP girdisine bağlı olarak biyokimyasal reaksiyonlar üzerindeki yükü kaçınılmaz olarak artırır. Bu nedenle, çok-noktalı giriş konfigürasyonunun korunması ve çalışma sırasında gerçek su kalitesine göre aşamalı ayarlamalar yapılması önerilir. Her ne kadar üç-aşamalı AO, 2:4:4 giriş oranında iki-aşamalı AO'dan daha iyi TN giderimi gösterse de, sonraki aşamalara giren madde arttıkça, atık NH₃-N'nin yükselen bir eğilim gösterdiğini ve bu noktada NH₃-N'nin artık atık su standardını karşılayamayacağını belirtmekte fayda var.
③ İki-Aşamalı ve Üç-Aşamalı AO'nun Tedavi Performansı
Üç-aşamalı bir AO konfigürasyonu, HRT=14 h, her aşama için eşit hacim oranları (1:1:1), ilk AO aşamasında %100 dahili geri dönüşüm seti ve 4:3:3 etki oranı ile iki koşul altında simüle edildi: %100 geri dönüşüm ve geri dönüşüm kapalı. İki-aşamalı bir AO yapılandırması HRT=14 saat, %100 dahili geri dönüşüm seti ve 4:3:3 etki oranıyla simüle edildi. Sonuçlar, iki aşamalı AO'nun 6,29 mg/L'de optimum atık TN'ye ulaştığını gösterdi; %100 dahili geri dönüşüme sahip üç-aşamalı AO, 7,51 mg/L ile bir sonraki en iyi seviyeye ulaştı; dahili geri dönüşümü olmayan üç-aşamalı AO, 8,52 mg/L ile daha kötü performans gösterdi. Her üç senaryo da atık su doğrulama gerekliliğini karşılayabilir (TN 10 mg/L'den az veya buna eşit).
Tablo 4iki-aşamalı ve üç-aşamalı AO arasındaki tasarım parametresi karşılaştırmasını gösterir. Her iki proses için de çıkış suyu TN gereksinimini karşılamak için gereken HRT'nin 18 saatten az olduğu görülebilir. İki süreç arasındaki temel farklar aşağıdaki gibidir:
A. Teorik olaraküç-aşamalı AO'nun üst sınırı daha yüksektir; yani doğru işletilirse hem yatırım hem de işletme maliyetleri daha düşük olabilir. İki-aşamalı AO'da daha az ekipman öğesi ve aşama bulunur, bu da daha düşük ekipman maliyetleri ve daha düşük operasyonel yönetim zorluğu sağlar.
B. Bu özel proje için, uzun vadeli düşünüldüğünden ve tank hacmi 18-saatlik HRT için tasarlandığından, sivil yatırım iki-aşamalı veya üç-aşamalı AO'nun benimsenmesiyle aynı olacaktır. Üç-aşamalı AO'nun ekipman maliyeti daha yüksektir. Bu nedenle yatırım açısından bakıldığında iki aşamalı AO'yu benimsemek daha ekonomiktir.
C. İşletme maliyetlerine ilişkinile, üç-aşamalı AO, %100 karışık likör geri dönüşüm enerji maliyetini ortadan kaldırarak yaklaşık 0,002 CNY/m³ tasarruf sağlayabilir. Üç-aşamalı AO'daki alternatif anoksik/oksik koşullar nedeniyle gerçek operasyonda karbon kaynağı kullanım verimliliğindeki potansiyel düşüş göz önüne alındığında, işletme maliyetlerindeki gerçek fark muhtemelen daha da küçük olacaktır.
2.2.2 Uzun-Dönem Askıya Alınan Taşıyıcı Senaryosunun Analizi
Bu projenin benzersiz gereklilikleri nedeniyle, biyolojik tankın uzun vadeli kapasite genişletme planının fizibilitesini ve uygunluğunu, yani askıdaki taşıyıcıların eklenmesinin etkisini dikkate alması gerekiyordu.
MBBR işleminin özü, askıda taşıyıcılar ekleyerek reaktördeki biyokütleyi arttırmaktır. Bunlar aerobik, anoksik veya anaerobik tanklara eklenebilir. Bununla birlikte, taşıyıcının akışkanlaştırılması göz önüne alındığında, bunların anaerobik veya anoksik tanklara eklenmesi, karıştırma gücü gereksinimlerini önemli ölçüde artıracaktır. Bu nedenle aerobik tanklara ilave yapılması tercihen tavsiye edilir. Anaerobik/anoksik bölgelerin hacmi aerobik bölgeden ayrılarak desteklenebilirken, aerobik hacimdeki eksiklik eklenen taşıyıcılarla telafi edilir. Başka bir deyişle, yetersiz aerobik hacim, ilave hacmi elde etmek için belirli bir dolum oranı kontrol edilerek gerekli taşıyıcı miktarını belirlemek için kirletici yük dönüşümüne dayalı olarak hesaplanan asılı taşıyıcıların artan yüzey alanı tarafından karşılanır.
Hesaplamalara göre, iki-aşamalı AO sürecinin benimsenmesi ve uzun vadede tüm askıdaki taşıyıcıların birinci-aşamalı aerobik bölgeye eklenmesi halinde, gerekli MBBR taşıyıcı yüzey alanı 2.597.708 m² olacak ve maliyeti 12,99 milyon CNY olacaktır. Diğer ilgili sabit ekipman maliyetleri (MBBR akışkanlaştırma sistemleri, özel karıştırıcılar, eleme sistemleri ve akıllı kontrol sistemleri dahil) 6,15 milyon CNY olacaktır. Üç-aşamalı AO süreci benimseniyorsa, daha dağınık bölgeler nedeniyle MBBR bölgesinin 2 bölüme (birinci-aşama ve ikinci-aşama aerobik bölgeleri) bölünmesi gerekecektir. Sonuç olarak, ilgili MBBR sabit ekipmanının kurulum maliyeti (taşıyıcıların kendisi hariç) hafif bir artışla 7,77 milyon CNY'ye yükselirken, taşıyıcı maliyeti aynı kalacak. Bu, üç aşamalı AO'yu benimsemenin gelecekteki yenileme yatırımını 1,62 milyon CNY artıracağı ve aynı zamanda yenileme karmaşıklığını da artıracağı anlamına geliyor. Ayrıca tarama sistemi, taşıyıcı eklenmesinden sonra sorunlara en yatkın alandır. Üç aşamalı AO, fazladan bir ekran bölümü ekleyerek operasyonel zorluğu artırır.
Yukarıdaki karşılaştırmaya göre, her bölümün benzer bir hacme sahip olduğu üç-aşamalı AO'daki aşırı bölümleme nedeniyle, yenileme zorluğu iki-aşamalı AO'nunkinden daha yüksektir. İnşaat, operasyonel karmaşıklık ve tarama ekipmanının eklenmesi de iki-aşamalı AO'ya göre daha yüksek yatırımla sonuçlanır. Bu nedenle, iki-aşamalı AO'yu benimsemek, gelecekte askıya alınan taşıyıcılarla bağlantı kurmaya daha elverişlidir.
2.3 Karşılaştırma Sonucu
Yukarıdaki analize dayanarak, hem iki-aşamalı hem de üç-aşamalı AO işlemleri, atık su TN'sinin 10 mg/L'den az veya buna eşit hedefine ulaşabilir. Bu projenin-sınırlı alanı, kısa vadeli tank hacmini en üst düzeye çıkarma ihtiyacı ve askıdaki taşıyıcıları{-eklemeye yönelik uzun-vadeli planın-sınır koşulları altında, iki-aşamalı AO, kısa-yatırım ve ekipman yönetimi/bakım kolaylığı açısından avantajlara sahiptir. Ayrıca, askıdaki taşıyıcılarla gelecekte yapılacak iyileştirmeler için daha yüksek uyumluluk sunarak genel yatırımın azalmasına ve yenileme ve operasyonel zorlukların azalmasına neden olur. Bu nedenle, kapsamlı bir değerlendirmenin ardından bu tasarım için iki{12}aşamalı AO süreci önerildi.
3 Operasyonel Performans
Bu projenin toplam tahmini yatırımı 304.5721 milyon CNY, inşaat maliyetleri ise 243.6019 milyon CNY olup, birim inşaat maliyeti 3.480.03 CNY/m³'tür. Arıtma maliyeti 1,95 CNY/m³, işletme maliyeti ise 1,20 CNY/m³'tür.
Bu proje için biyolojik tankın toplam 18 saatlik HRT'si vardır (bunlardan oluşur: anaerobik bölge 2 saat, birinci-aşama anoksik bölge 3,5 saat, birinci-aerobik bölge 7,5 saat, gazdan arındırma bölgesi 0,5 saat, ikinci-aşama anoksik bölge 2,5 saat, ikinci-aşama aerobik bölge 2 saat), 8,6 etkili su derinliği ile m. Ayarlanabilir kesitli su girişi uygulanarak, giriş dağıtım oranının gerektiği gibi %20'lik artışlarla ayarlanmasına olanak sağlanır. Fiili çalışmada, biyolojik tanktaki Karışık Sıvı Askıda Katı Madde (MLSS) konsantrasyonu 3.500 ila 4.000 mg/L arasında değişir, çamur geri dönüş oranı %40 ila %100 arasında değişir ve karışık sıvı dahili geri dönüşüm oranı %100 ila %200 arasında değişir. Gerçek giriş ve çıkış suyu kalitesi şu şekilde gösterilmektedir:Tablo 5temel olarak simülasyon sonuçlarıyla tutarlıdır.
4 Sonuç
Örnek olay olarak Güney Çin'deki bir AAT kullanılarak, BioWin simülasyonunun yardımıyla iki-aşamalı ve üç-aşamalı AO süreçleri arasında teknik ve ekonomik bir karşılaştırma yapıldı. Daha az ekipman öğesi ve aşama, daha düşük ekipman maliyetleri ve daha düşük operasyonel yönetim zorluğu içeren iki-aşamalı AO, giriş TN'sinin çok yüksek olmadığı Güney Çin'deki koşullar için daha uygundur. Üç-aşamalı AO için, üçüncü aşamanın sonundan ilk anoksik bölgeye kadar dahili geri dönüşümün ayarlanması, TN giderme verimliliğini olumsuz yönde etkiledi, operasyonel yönetim zorluğunu artırdı ve yatırım maliyetlerini artırdı. Tasarım aynı anda kısa vadeli arıtma gereksinimlerini karşılar: 50.000 m³/d ve TN 10 mg/L'den az veya ona eşit; uzun vadeli 70.000 m³/d ölçeği ise askıdaki taşıyıcılarla birleştirilerek elde edilebilir. Gerçek operasyonel sonuçlar, tasarım gerekliliklerini karşılayan 6,86 mg/L ortalama atık su TN'si ile BioWin simülasyon sonuçlarıyla büyük ölçüde tutarlıdır.