PROF. DR. MARK VAN LOOSDRECHT’E ÖDÜL GETİREN ATIKSU ARITIMINDA NEREDA SİSTEMİ

PROF. DR. AHMET SAMSUNLU

İTÜ İnşaat Fak. Çevre Müh. Böl. Öğretim Üyesi

44. Hükümet İmar ve İskân Bakanı

STOCKHOLM ÖDÜLÜ

Su ve Çevre Teknolojileri dergisinin Mayıs 2018 sayısında, “2018 Stolkhom Su Ödülü Prof. Rittmann ve Prof. Mark van Loosdrecht’e verildi” başlıklı yazımda Prof. Dr. Mark van Loosdrecht’in, çok sayıda süreç geliştirdiğini, bunlardan ikisinin Nereda ve Anammox süreçleri olduğunu açıklamıştım. Nereda teknolojisi daha basit ve daha az enerji tüketen bir kentsel atıksu arıtma prosesine izin veren bakteri granülasyonuna (tanecik boyutunu istenen boyuta getirmek için yapılan işlem) dayanmaktadır. Bu derginin Aralık 2018 sayısında anlattığım Anammox işlemi ise, atıksularda bulunan azotu uzaklaştırmak ve enerji üretimine olanak sağlamak için sanayide ve kentsel atıksu arıtımında kullanılmaktadır.

Bu yazımda sizleri “Nereda” hakkında bilgilendirmeyi istiyorum. Yazımı hazırlarken Prof. Dr. Mark van Loodsrecht ile birlikte çalışan İstanbul Teknik Üniversitesi öğretim üyelerinden Doç. Dr. Ebru Dülekgürgen’in önemli katkıları oldu.

NEREDA’YA GİDEN YOL

Şehirlerde atıksuların arıtılmasında yüzyıla yakın bir süreden beri en çok kullanılan metot, Konvansiyonel Aktif Çamur Metotu’dur. Bu metotta enerji tüketiminin fazla olması, kimyasal madde tüketimini gerektirmesi, elde edilen çamurun çökelme zorluğu ve geniş alanlara ihtiyaç duyması yanında, borulama işleminin geniş bir alanı kapsaması nedeniyle, Ardışık Kesikli Reaktör (AKR) temelli biyolojik atıksu arıtma teknolojileri geliştirildi. AKR reaktör uygulanmalarının bir devamı niteliğini taşıyan “Aerobik Granüler Aktif Çamur (Aerobic Granular Activated Sludge – AGS)” arıtma süreci ile ilgili araştırmalar 1990’lı yılların başında başladı, konu ile ilgili bilimsel makaleler artarak yayınlandı.

Buradaki en önemli gelişmelerden biri AKR’lerde belli koşullar altında mükemmel çökelme özelliklerine sahip kompakt Aerobik Granüler Biyokütle (AGS) elde edebilmek ve atıksu arıtımı yapabilmek oldu. AKR’lerde, AGS elde etmek için sistemi belirli işletme koşulları altında çalıştırmak gerekli olup, floküler biyokütle ile aşılanan/ başlatılan sistemler bu seçili işletme koşulları altında bir süre sonra granüler biyokütleye dönüşmektedir. Bu bağlamda, tutuklanacak inert yüzeye gereksinmeksizin öz-agregasyonla büyüyen bir biyofilm çeşidi olarak tanımlanabilen AGS ile ilgili çalışmaların artması ile bu yenilikçi arıtma yaklaşımı, süreçten teknolojiye doğru evrilme alanı bulmuştur.

Nereda, Aerobik Granül Çamur Sistemi (AGS) yenilikçi bir biyolojik atıksu arıtımı yöntemi olup aerobik granüler biyokütlenin benzersiz özelliklerini kullanarak ileri arıtma sağlayan bir teknolojidir. Bu aerobik granüler biyokütle diğer ikinci kademe sistemleri ile karşılaştırıldığında avantaj sağlayan kompakt granüllerden oluşur.

Hollanda’da Delft Teknik Üniversitesi’nde Prof. van Loosdrecht ve arkadaşları tarafından yürütülen çalışmalar sonucunda Nereda patenti alınmış ve bu sistemin uygulanmasına başlanmıştır. Nereda, mevcut bir tesisin geliştirilmesinde veya yeni bir tesis planlamasında kurulabilmektedir. İlk endüstriyel tesis 2005 yılında faaliyete geçmiştir; ilk kentsel tesis ise 2009 yılında faaliyete geçmiştir. Dünya çapındaki tesis sayısı hali hazırda oldukça etkileyicidir ve katlanarak artmaktadır. Mevcut çoğu evsel atıksu arıtımı ve bir kısmı da endüstriyel atıksu arıtımı yapan 50’ye yakın Nereda Atıksu Arıtma Tesislerinin nerelerde bulundukları aşağıda görülmektedir.

✓ Avrupa

12 → Hollanda (5’i endüstriyel)

9 → İngiltere

4 → İrlanda

2’şer → Portekiz, İsviçre

1’er → İskoçya, İsveç, Fransa, Belçika, Polonya

✓ Güney Amerika → 8 (Brezilya)

✓ Kuzey Amerika → 1 (ABD )

✓ Afrika → 3 (Güney Afrika)

✓ Asya → 1 (Hong Kong)

✓ Avustralya → 1 (Avustralya)

Ayrıca mevcut kurulu pilot-ölçekli Nereda AAT’leri 1 Hollanda ve 1 Hong Kong’da bulunmaktadır.

NEREDA SİSTEMİNİN ESASLARI

Mikrobiyal araştırmalar, mutlak olarak sadece granüler biyokütle yapan özel bir mikroorganizmaya işaret etmemektedir. Genel itibariyle, askıda çoğalan yani floküler mikrobiyal topluluk (konvansiyonel aktif çamur biyokütlesi) ile granüler biyokütle elde edilebilmektedir. Önemli olan uygun işletme koşullarını uygulamak ve uygun seçme baskısı ile biyokütleyi agregatif/granüler formda tutmaktır. Bu süreçte üç ana seçme baskısı (hidrodinamik seçme baskısı, kinetik seçme baskısı ve metabolik seçme baskısı) söz konusudur. Sistemde özel bir mikrobiyal tür belirlenememiştir. Genellikle hücre içi karbon depolayabilen ve bunları karbon kaynağı olarak kullanıp çoğalabilen aerobik prokaryotlar ve/veya PAO’lar (fosfor depolayan organizmalar) ve/veya GAO’lar (glikojen depolayan organizmalar) ile AGS üretmek mümkündür.

Tutuklanacak inert yüzeye gereksinmeksizin öz-agregasyonla büyüyen bir biyofilm çeşidi olarak tanımlanabilen AGS azaltılmış hidrodinamik kesme kuvvetleri altında pıhtılaşmayan ve konvansiyonel askıda çoğalan aktif çamur floklarından belirgin düzeyde daha hızlı çökebilen mikrobiyal orijinli granüllerdir.

Konvansiyonel askıda çoğalan aktif çamur flokları ve aerobik granül aktif çamur mikrobiyal mikroskop görüntüleri aşağıda görülmektedir.

Şekil 1. Mikrobiyal görüntüler

Bir AGS sisteminde, bakteri, askıda tutulan flokların aksine, büyük, yoğun granüller halinde bulunur. Granüler (Taneli) yoğunluk çökelme oranını konvansiyonel aktif çamur sistemlerine kıyasla, 15 kat daha fazla artırır. Aşağıdaki şekilde aerobik granüllerin ve geleneksel aktif çamur flokunun çökelme özellikleri (beş dakika sonra) görülmektedir.

Şekil 2. Nereda aerobik granül (taneli) çamur (sağ) ile konvansiyonel (geleneksel) aktif çamurun (sol) Çamur Hacim İndeksi 5 (SVI5) değerine göre karşılaştırılması

Bu sistem üç faz halinde çalışmakta olup, birinci faz doldur boşalt fazıdır. Bu fazda anaerobik ve/veya anoksik şartlar sağlanır. Biyolojik aşırı fosfor gideriminin (BAFG) hedeflendiği durumlarda, anaerobik koşullar altında dışsal karbon kaynağı hücre-içinde polimerize edilerek depolanırken fosfor salınımı gerçekleşir. İkinci fazda ise sistemin beslenmesi kesilirken havalandırma başlatılır. Granüler biyokütledeki yapısal tabakalanma (bknz. Şekil3) ve kütle-taşınım dirençleri nedeniyle her biri münferit bir BNR sistemi gibi çalışan granüller sayesinde, ayrı hacimlere veya ayrı reaksiyon sürelerine gerek kalmaksızın, eşzamanlı nitrifikasyon (en dış tabakada) ve denitrifikasyon (iç tabakada) olanaklı hale gelir. BAFG’ın gözetildiği durumlarda, bir önceki anaerobik besleme sırasında suya salınandan daha fazla fosfor havalandırma sırasında hücre içinde depolanarak atıksudan uzaklaştırılmış olur. Son faz olan çökme fazında reaktöre ilave yeni su girmez. Arıtılmış su çok kısa bir çökme aşamasından sonra granüler biyokütleden ayrılır. Gerekli olan biyokütle muhafaza edilir, fazla olan çamur sistemden uzaklaştırılır. Aşağıdaki şekilde Nereda döngüsü görülmektedir.

Şekil 3. Nereda döngüsü

NEREDA SİSTEM UYGULAMALARI

Aerobik granüler çamur sistemi için tipik uygulamalar şunları içerir: mevcut tankların tadilatı, arıtma kapasitesinin artırılması, mevcut arıtma sistemlerinin istenilen daha sıkı deşarj şartlarını karşılamak için geliştirilmesi ve gelişmiş biyolojik besi maddesi giderimi. Bunların yanı sıra, düşük arazi gereksinimi, düşük enerji gereksinimi vb. avantajları nedeniyle gerek ilk yatırım gerekse işletme maliyetleri açısından ekonomik bir arıtma teknolojisi seçeneği sunan Nereda teknolojisi ile baştan itibaren tasarlanıp inşa edilen ve işletilmekte olan kentsel atıksu arıtma tesislerinin sayısı da dünya genelinde her geçen gün artmaktadır. Nereda sistemlerinin uygulandığı ve uygulanabileceği bazı tipik düzenlemeler Şekil 4’te görülmektedir. Her uygulamada kullanılabilecek Nereda reaktörü sayısı farklılık gösterebilmektedir.

Uygulama 1 (Greenfield): Yeni 3 veya daha fazla Nereda reaktörü inşaatı. Bu durumda, Nereda reaktörlerinden en az biri döngü yapısı boyunca herhangi bir zamanda beslenir.

Uygulama 2 (Greenfield): Nereda reaktörlerinin ve ön dengeleme tankının yeni konstrüksiyonu: Bu düzenlemenin (configuration) en yaygın ve uygun maliyetli bir yöntem olduğu kanıtlanmıştır. Bu düzenleme iki reaktör ile sınırlı değildir ve bazı durumlarda, tesise gelen pik akımlarının büyüklüğüne bağlı olarak, bir ön dengeleme tankı ile 2’den fazla reaktöre sahip olabilir.

Uygulama 3 (Hybrid): Bir hibrit uzatma düzenlemesinde Nereda sistemindeki üretim fazlası granüller mevcut bir geleneksel aktif çamur tesisinin iyileştirilmesi için kullanılabilir. Bu, tesis kapasitesinin artmasına ve dayanıklılığına imkan sağlayabilir.

Uygulama 4 (Retrofit): Bu düzenlemede mevcut bir Konvansiyonel Aktif Çamur, AKR veya MBR sistemi Nereda teknolojisi ile güçlendirilebilir. Bu yapılandırma mevcut altyapıyı kullanırken sistem kapasitesini artırır ve enerji ile kimyasal kullanımı azaltır.

Processa bir işlem eş zamanlı nitrifikasyon – endojen denitrifikasyon ve fosfor giderimi

Şekil 4. Aerobik granüler çamur sistemi için tipik uygulamalar

B = Tampon/Dengeleme

N = Nereda Reaktörü

CAS = Konvansiyonel Aktif Çamur

SC = Son Çökeltim

NOT: Şekilde görülen uygulamlaar referans olarak verilmiştir. Sistem sadece bu uygulamlarla sınırlı değildir.

AVANTAJLARI

  • Kompakt yapı, iri danecikler; (ortalama danecik çapı; 0.2-2.0 mm
  • Yüksek biyokütle konsantrasyonu (6-12 g AKM/L)
  • Yüksek çamur yaşı (az atık çamur)
  • Eş zamanlı karbon-azot-fosfor giderimi (SNDPR)
  • Yüksek çökelme hızı ( > 10 m/ dak)
  • Düşük ÇHİ (ÇHİ5 < 50 mL/g
  • Yüksek organik yükleme
  • Azaltılmış reaktör ayak izi
  • Geri kazanım /kaynak geri kazanımı (ALE: aljinat-benzeripolisakkaritler, PHA vb.)
  • Etkin bir havalandırma aşamasından sonra optimal biyolojik arıtım.
  • Düşük (30-50 mL/g) Çamur Hacim İndeksi ÇHİ (SVI) değerleri için çökelme özellikleri 8 g/L ve üzeri AKM konsantrasyonlarına izin verir.
  • Konvansiyonel Aktif Çamur sistemlerine kıyas ile 4 kat daha az yer gerekir
  • Düşük enerji gereksinimi, aktif çamur sistemlerine kıyasla %60’a varan enerji tasarrufu sağlar.
  • Son çökelme tankı, seçici, ayırıcı bölmelere ve çamur geri dönüş pompaları gerekmez.
  • Gelişmiş besi maddesi giderimi sağlar.
  • Granülün sağlam yapısı çevre koşullarındaki dalgalanmalara karşı dayanıklıdır (pH, toksik etki, tuzluluk). Besi maddesi giderimi için kullanılan kimyasallar önemli ölçüde azaltıldığı için granülün katmanlı yapısı ve biyopolimer omurgası uzun ömürlüdür.
  • Tam otomatik kontroller ile çalışma olanağı vardır.
  • Atık üreten kimyasalların bulunmaması.
  • Koku olmaması.
  • Eş zamanlı dolumu ve çekimi.
  • Kolay işletimi.
  • En düşük maliyeti sağlaması.

ÖRNEK BİR TESİS

Hollanda’nın Gammerwolde yerleşiminde mevcut tesis geliştirilmiştir. Şekil 5’te görüldüğü gibi yukarıda anlatılan uygulama 1 esas alınarak proje hazırlanmıştır (2 Reaktör + Ön Dengeleme Tankı). Bu tesis 7.9 MGD’lik ortalama bir tasarım debisine ve 26.5 MGD’lik en yüksek saat (pik) debisine sahiptir. Tesis, akışın % 60’ını mevcut konvansiyonel askıda çoğalan aktif çamur (CAS) sistemine ve % 40’ını Nereda sistemine bölmek üzere tasarlanmıştır. Bu noktada, Nereda reaktörleri toplam tesis kapasitesinin % 60’ına kadar işlem yapacağı tesis izni verilirken kararlaştırılmıştır. Arıtma tesisi, toplam azotun 7 mg/L’nin ve toplam fosforun 1 mg/L’nin altındaki deşarj şartlarını sağlamaktadır.

Şekil 5. Gammerwolde – Hollanda, Atıksu Arıtma Tesisi (Kırmızı renk ile taranan alan mevcut çalışan, klasik aktif çamur üniteleri; ön plandaki mavi ile taranan alan (2 AKR): yeni kurulan AGS üniteleri (Nereda)

(m³ /sn x 22.8245 = MGD (million gallons per day)

(7.9 / 22.8245 = 0.346 m³ /sn)

(26.5 / 22.8245 = 1.16 m³ /sn)

KAYNAKLAR

  • “Aerobic Granular Sludge” (2005-2007). Editors: S. Bathe M. K. de Kreuk, B. S. McSwain, N. Schwarzenbeck, pp. 178, IWA Publishing, Water and Environmental Management Series (WEMS) Series, 01/06/2007, ISBN 1-84339- 509-6
  • https://www.royalhaskoningdhv. com/en-gb/nereda/performance
  • http://www.aquaaerobic.com/ default/assets/File/Aqua%20 Nereda%20AGS%20White%20 Paper.pdf

NOT: Doç. Dr. Ebru Dülekgürgen’den aldığım bilgiye göre kendisi, Doç. Dr. Özlem Karahan Özgün ve Prof. van Loosdrecht ile birlikte %100 İngilizce eğitim veren ITU FBE bünyesindeki Environmental Biotechnology Graduate Program içinde bir doktora dersi olarak vermeyi planlamışlar. Bu doktora dersinin konusu: ENB617E Specific Biopolymers Recovery from Biosolids and Biowastes (Biyokatılardan ve Biyoatıklardan Özel Biyopolimerlerin Eldesi) olup dersin kısa içeriği; Çevre biyoproses teknolojisi bakış açısı ile biyokatılardan ve biyoatıklardan özel biyopolimerlerin eldesi ve üretimi alanındaki gelişmeler: Polihidroksi Alkanoatlar (PHA), alginik asit ve alginat, kompakt aktif çamur (AÇ) sistemlerindeki Alginat-Benzeri-Ekzopolisakkaritler (ALE), vb. özel biyopolimerlerin özellikleri konularıdır.