ÜRÜN 3. Sayı (Temmuz Ağustos 2005)

1. Genel Bilgiler

Havalandırma sistemlerinin verimleri farklı metotlarla ölçülebilir. Standart temiz su havalandırma testi en iyi bilinen yöntemdir. Bu test tekrarlanabilir olması nedeniyle mühendisler tarafından da tercih edilir.

Bu anlamda temiz su havalandırma testine karşı olunmamakla birlikte, bir takım karşı görüşler de vardır.

Havalandırma sistemleri temiz suyu değil, aktif çamuru havalandırmak için kullanılır.

Temiz su havalandırma testlerinin sonuçları, işletme koşullarındaki testlerin sonuçları ile karşılaştırılırken sadece benzer ekipmanlar karşılaştırılabilir. Daha açık olmak gerekirse, yüzeysel yüksek hızlı havalandırıcıların temiz su sonuçları hiçbir zaman düşük hızlı havalandırıcılarla yada ince kabarcıklı difüzör sistemleri ile karşılaştırılmamalıdır.

Havalandırma sisteminin temiz suda ve aktif çamurdaki oksijenlendirme kapasitesi tayininde kullanılan düzeltme faktörleri (a, alfa ve §, beta) aktif çamurun sıvı fazını esas alırlar. Ancak bu tam olarak gerçek koşulları yansıtmamaktadır, çünkü sıvı faz ile floklar halinde bulunan mikroorganizmalar arasındaki transferi göz önüne almazlar.

Gerçek işletme koşullarındaki oksijen transfer verimi Anderson yöntemine göre kararlı durum testi ile yapılabilir. Bu test aktif çamurda yapılır ve en önemli avantajı mikroorganizmaların oksijen alma kapasitesini gösterir.

2. Yüksek Hızlı Aeratörlerin Temiz Su Testleri

Yüksek hızlı aeratörler direkt akuple makinalardır. Eğer temiz su test sonuçları karşılaştırılacaksa yüksek hızlı aeratörlerle düşük hızlı redüktörlü aeratörler değil, yine yüksek hızlı aeratörler karşılaştırılmalıdırlar.
v Marin tipi bir pervane ve bir difüzyon girişine haiz yüksek hızlı aeratörlerde eksenel akış radyal akışa, sabit çıkış konisi yardımıyla ‘Chamberlain Şemsiyesi’ (spreyi) olarak dönüştürülürler.

Daha önceleri bu tip bir sprey oluşumunun yüzeysel havalandırıcılar için gerekli olduğu düşünülürdü. Oksijen transferinin suyun havayla temas ettiği fazda gerçekleştiği esas alınırdı.

Marine tipi çarkı olan havalandırıcılarda kullanılan kinetik enerjinin % 50’den fazlası potansiyel enerjiye dönüştürülür. Atıksu belli bir seviyeye çıkarılır daha sonra aşağıya düşer.

Screwpeller çarklı aeratör tipinde eksenel pompalama ve akış yönünü değiştirme aynı anda yapılır. Bu tasarımda son derece düz bir sprey ortaya çıkar. Bu da maksimum kinetik enerjiyi muhafaza eder. Atıksu spreyi çok yüksek bir hızda çok küçük bir açıyla atıksu ile temas eder. Kinetik enerjinin hemen hemen tamamı su yüzeyine aktarılır ve ‘hidrolik sıçramaya’ neden olur. Bu sayede atıksu yüzeyi çok hızlı bir şekilde yenilenir ve harekete geçer . Düşük oksijen konsantrasyonuna sahip atıksular yüzeye çıkarak hava ile temas ederler.

Verim

Screwpeller çarklı aeratörün temiz su testleri, diğer marine tipi çarklı havalandırıcılara göre verimlerinin % 10 ile % 30 arasında daha yüksek olduğunu göstermiştir. Bu çok çeşitli testlerle kanıtlanmıştır. Atıksuyun havada bulunma süresinin sanıldığından çok daha az önemli olduğu ortaya çıkmıştır.

3. Screwpeller Çarklı Aeratörün Atık Çamurdaki Verimi Mikroorganizmalara oksijen transferi temelde iki farklı yöntemle olur.

Faz 1.

Havadan, aktif çamur karışımının sıvı kısmına olan oksijen transferi

Faz 2.

Aktif Çamur floğunda bir arada bulunan sıvı ve mikroorganizmalar arasındaki oksijen transferi Temiz su testleri sadece 1. fazdaki verimliliği esas alır ve moleküler difüzyon esasına göre ölçümler yapılır. İlk faz kesinlikle gözardı edilemez olsada, oksijen aktif çamur floklarını çevreleyen sıvıyı geçerek mikro organizmalara ulaşmak zorundadır. Havalandırma sistemlerinin temel amacı mikroorganizmalara gerekli oksijeni sağlamaktır. Bu nedenle oksijenin mikroorganizmalara taşındığı konveksiyonla oluşan 2. faz daha önemlidir.

Screwpeller çark her iki fazda da maksimum verimi sağlamak için özel olarak tasarlanmışlardır.

Sıvıdan aktif çamur floklarına olan oksijen transferi konvektif difüzyonla sağlanmaktadır.

Konvektif Difüzyon aşağıdaki koşullara bağlıdır.

a. Temas Yüzeyi
b. Parçacıklar Arasındaki Hız
c. Difüzyon için Etkileşim Gücü

Screwpeller çarklı aeratör ile havalandırılan bir havuzda konvektif difüzyon için gerekli her üç koşulda mevcuttur.

a. Temas Yüzeyi: İyi çalışan bir arıtma tesisindeki aeratör, homojen çamur flokları sağlayarak floklar ile oksijen arasındaki temas yüzeyini optimum seviyede tutar.

b. Parçacıklar Arasındaki Hız: Çok yüksek hızlarda su çıkışı çok türbülanslı bir yüzey oluştur ve havalandırma havuzunda çok fazla mikro türbülanslar meydana gelir. Bu iki alt faz aşağıdaki şekilde tanımlanabilir.

1. Havayla Temas Koridoru: Havalandırıcıda oluşan yüksek çıkış hızı çok küçük su damlacıkları oluşturur ve aktif çamur flokları çok ince bir sıvı tabaka ile kaplanır.

2. Havalandırma havuzundaki mikro türbülanslar küçük flokların çok hızlı bir şekilde her yöne hareket etmesini sağlar.

c. Etkileşim Gücü: Aktif çamur floklarındaki oksijen konsantrasyonu ile çevreleyen atıksuyun oksijen konsantrasyonu arasındaki fark etkileşim gücünü ortaya çıkarır. Bu durumu 3 alt fazda inceleyebiliriz.

1. Havayla Temas Koridoru: Havalandırma havuzunun tabanından pompalan aktif çamur flokları hemen hemen tamamıyla anoksiktir. Yukarı pompalanan aktif çamur flokları ortamdaki doymuş hava ile temas ettirilir. Etkileşim gücü 10 ûC’de 9,17 mg’a karşı 0-0,5 mg/lt.dir. Çok ince sıvı tabakası havayla, aktif çamur flokları arasında çok hızlı oksijen transferi sağlar.

2. Havalandırma havuzundaki mikro turbülanslar, mikroorganizmaların çok hızlı hareketini sağlar. Büyük temas yüzeyi, bu çok hızlı hareketlerle birleştiğinde, mikroorganizmalara olan oksijen transferini çok daha etkili hale getirir.

3. 1. ve 2. alt fazlar arasında su yüzeyinde bir geçiş fazı meydana gelir. Su yüzeyine spreyin çarpmasıyla oluşan etki hidrolik sıçramaya ve su yüzeyinin yer değiştirmesine neden olur. Su yüzeyinin altında bulunan mikroorganizmalar yüzeye çıkarak hava ile temas ederler. Bu fazda da 1. ve 2. fazda olduğu gibi bir transfer kombinasyonu vardır.

Havalandırma havuzunda oluşan yüksek türbülans sayesinde, oksijen kolaylıkla flokların merkezine penetre olur. Bunun iki önemli ek avantajı vardır.

1. Floğun tamamı aerobiktir, böylece maksimum biyolojik aktiviteden faydalanılır.

2. Flok membranına nüfuz etmek için Screwpeller çarklı aeratör havalandırma havuzunda yüksek bir kısmi basınca ihtiyaç duymaz. Diğer hiçbir parametreyi değiştirmeden 0.5 mg/lt ve 2.0 mg/lt oksijen seviyelerini esas alarak hesaplama yaptığımızda bu sayede kazanılan enerji net bir şekilde karşımıza çıkar.

(9.2-0.5 )/(9.2-2.0) = 1.2 = % 20

Düşük hızlı havalandırıcıların ve membran difüzör sistemlerinin temiz su testlerinde niçin daha verimli çıktıklarını bu karşılık aktif çamurdaki uygulamalarda Screwpeller çarklı yüksek hızlı aeratörlerin niçin daha verimli olduğunun sebebini bu durum açıklar. Screwpeller çarklı yüksek hızlı aeratörler aktif çamurda gerçek koşullar için tasarlanmıştır.

Tüm bunlara ek olarak bu avantaj havuz içerisindeki mikroorganizmaların oksijen alma hızını ve konsantrasyonunu artırır.

Aşağıdaki testler yapılarak kanıtlanmıştır.

- Gerçek koşullarda membran difüzör sistemleri ve düşük hızlı havalandırıcılarla karşılaştırmalı yapılan testlerde

- Aşağıda açıklanan metotla aktif çamurda yapılan durağan durum testlerinde.

- Diğer sistemlerle karşılaştırmalı yapılan spesifik enerji tüketimi (kWh/kg BOİ) testlerinde.

Gerçek koşullar için durağan durum oksijen transfer test prosedürü Kararlı haldeki oksijen transfer verimi (kgO2/kWh) aşağıdaki eşitlik kullanılarak hesaplanır.

Verim = R0 * 9,2 * V / a * (b *CST-C0) * 1,024(T-20) * N

T : Aktif çamur karışımının ûC olarak sıcaklığı
a : Relatif transfer sabiti
b : Relatif Doyma Sabiti
CST : Test Sıcaklığı ve Basıncında temiz suyun çözünmüş oksijen doyma konsantrasyonu (mg/l)
Co : Havuzda 1 metre derinlikte ve yan duvarlardan 1 metre uzaklıktaki rastgele bir noktadaki ortalama çözünmüş oksijen konsantrasyonu
V : Havalandırma havuzu Hacmi
N : Motor klemenslerinde tüketilen enerji
Ro: Oksijen alma oranı ( mgO2/l.h)

Havuz girişi kesilir ve çözünmüş oksijen konsantrasyonu sabitlenene, endogeneus solunum oluşuna kadar havalandırıcılar sürekli olarak çalıştırılır.

Rastgele noktalardan alınan numunelerle oksijen alma oranı tespit edilir. Bu ölçüm kalibre edilmiş çözünmüş oksijen probunun manyetik bir karıştırıcıya konmuş küçük bir BOİ şişesine yerleştirilmesi ile yapılır. Geçerli bir test olabilmesi için oksijen alma oranının 30 ile 50 mgO2 /l.h arasında olması gerekir.

Relatif doyma için, musluk suyu numunesi alınır ve aynı sıcaklıktaki atıksu numunesi alınarak her ikisinede 30 dakika boyunca hava verilerek doyma noktasına ulaştırılır. Bu sürenin sonunda çözünmüş oksijen probu vasıtasıyla her iki numune analiz edilir. Relatif doyma sabiti Beta, musluk suyu ve atıksu numelerinin arasındaki çözünmüş oksijen doyma konsantrasyonu oranı olarak tayin edilir. Relatif transfer sabiti alfa ise her iki numune arasındaki oksijen transferi oranından tespit edilir. Havalandırma havuzundaki ortalama çözünmüş oksijen konsantrasyonu çözünmüş oksijen probu ile tespit edilir. Çözünmüş oksijen probu Co’nun tespiti için kullanılır. Testin geçerli olması için Co değerinin 0,5 ile 1.5 arasında olması gerekir.

Tablo 5-31’in Yorumları

Değişik havalandırma sistemlerinin saha koşullarındaki verimini karşılaştırmak için genelde kullanılan temiz su verimlerini kullanmak doğru değildir çünkü alfa değerleri sistemden sisteme büyük ölçüde değişmektedir.

Fırça tipi havalandırıcıların ve dalgıç türbin tip havalandırıcıların temiz su verimleri yüksek olmasına rağmen atıksudaki verimleri daha düşüktür.

İnce membranlı difüzörler yüksek kalitede ve yeni oldukları zaman yüksek verimli ve avantajlıdır. Ancak uzun dönemde verim düşer ve ortalama 3-5 sene içerisinde difüzörleri değiştirmek gerekebilir.

İnce membranlı difüzörlerin verimi kabarcık boyutuna bağlıdır. Atıksuyun içerisindeki katı maddeler ve aktif çamur kabarcıkların büyümesine neden olur. Alfa değeri mekanik sistemlerden büyük ölçüde farklıdır. Su yüzeyinde mikrotürbülansla oluşturulan (yüksek ve düşük hızlı yüzeysel havalandırıcılar) kabarcıklar bu büyümeye karşı, difüzör ve dalgıç havalandırma sistemlerinde oluşan aktif çamur ve katı maddelerden çok kolay etkilenen kabarcıklardan, çok daha dirençlidir.

Düşük hızlı ve yüksek hızlı yüzeysel havalandırıcılar zaman içerisinde aynı verime sahip olduğundan, uzun dönemde atıksuda en iyi oksijenlendirme kapasitesine sahiptirler.

Oksijen transfer verimine bakıldığına Screwpeller çarklı yüksek hızlı aeratör yüzeysel havalandırıcıların verimlerinin temiz su testleri baz alınarak düşük görüldüğü ancak yüksek alfa değeri (=1) gözönüne alındığında, uzun dönem ortalama verimlerinin membran difüzörlerden ve düşük hızlı havalandırıcılardan daha yüksek olduğu görülmektedir.

Soğutma kapasitesi tabloda dikkate alınmamaktadır. Tablo su sıcaklığını 15 ûC olarak esas almaktadır. Halbuki yüzeysel havalandırıcılar konveksiyon ve buharlaşma yoluyla atıksuyu soğuturlar. Difüzör sistemlerinde ise tam tersi olarak atıksuya ısı verirler. (Su yüksekliğindeki her 1 metre artış, difüzörlere verilen hava sıcaklığının 8-10 ûC artmasına neden olur.)

Çamur ve askıda katı madde konsantrasyonu difüzörlerin alfa değerini büyük ölçüde etkiler. Tabloda bu dikkate alınmamıştır. Doğru tablo değişik çamur ve askıda katı madde konsantrasyonlarında verimleri belirtmelidir.

Havuz geometrisi dikdörtgen veya daire olduğunda düşük hızlı havalandırıcılarda şaşırtıcıların kullanılması gerekmektedir. Şaşırtıcılar havalandırıcının akışını etkiler. Tabloda bu dikkate alınmamıştır.

Alfa değeri hem havalandırma sistemine hemde atıksuyun karakteristiklerine bağlıdır. Esas alınan alfa=0.85 sadece atıksuyu esas almaktadır. Değişik ekipmanların değişik SOR değerleri (Standart Oksijen İhtiyacı) vardır.

Düşük hızlı havalandırıcılarda verim çark çapına, dişli kutusunun kalitesine, köprü ile su seviyesi arasındaki mesafeye bağlıdır. Tabloda bu dikkate alınmamıştır.

Difüzörlerle yapılan testlerde havuz tabanı komple difüzörle kaplanarak testler yapılmaktadır. Uygulamada ise pek çok havuzda tüm taban difüzörlerle kaplı değildir, kabarcıkları havuzda homojen hale getirmek için akım dağıtıcılar kullanılır bu da verimin düşmesine neden olur.

Yüzeysel havalandırma’da difüzör sistemlerinde olduğu gibi atıksuda 2 mg/lt çözünmüş oksijen bulundurma zorunluluğu yoktur çünkü mikro türbülanslar sayesinde aktif çamur çok daha hızlı ve kolay bir şekilde oksijeni nufüz edebilir. Tabloda bu durum dikkate alınmamıştır.

Screwpeller çarklı yüksek hızlı aeratörlerin oksijen yayılma çapı çok yüksektir. Bu durum tabloda dikkate alınmamıştır.