1 Ağustos 2011 | TEKNİK MAKALE 39. Sayı (Temmuz - Ağustos 2011)

Grontmij Mühendislik, Müşavirlik ve Tasarım Ltd. Şti.
1. Giriş

Türkiye-Hollanda ikili işbirliği, G2G projesi çerçevesinde yürütülen “Atıksu Arıtımında Enerji Verimliliği Projesi” kapsamında Türkiye’deki atıksu arıtma sektöründe enerji verimliliğini sağlamak amacıyla hazırlanmış olan bu rehber, atıksu arıtma tesislerinde enerji verimliliğinin nasıl artırılabileceği konusunda bilgi kaynağı olmayı hedeflemektedir. Rehber kapsamında teknolojik en iyi uygulama örnekleri, kentsel atıksu arıtma alanındaki enerji tüketimine yönelik tasarım ve işletim kriterleri ve belediyelerin enerji verimliliğini arttırarak CO2 salımlarını azaltmalarına yönelik tavsiyeler yer almaktadır.
Yıllarca yapılan uygulamalar ve işletme tecrübeleri çerçevesinde artık biliyoruz ki; atıksu arıtma tesislerinde enerji verimliliği konusu gelecek yıllar için de ciddi önem arz etmektedir. Bu doküman bu amaçla bir nevi yol gösterici bir misyon üstlenirken, diğer taraftan da tüm atıksu sektöründen gelecek olan geri dönüşler ile yaşayan ve güncellenebilen bir kılavuz halini alacaktır.
Önümüzdeki süreçte Türkiye’de küçük, orta ve büyük ölçekli atıksu arıtma tesisleri tasarlanmaya devam edilecektir; bu doğrultuda asgari masrafla enerji verimliliğinin sağlanabilirliği göz önünde bulundurulmalıdır. Sorun ve zorluklarla karşılaşılması beklenen alanlar:

• Karar mercilerinde atıksu arıtma alanında enerji verimliliğinden elde edilecek fırsat ve kazanımlar konusunda bilinç oluşturulması
• Atıksu arıtma tesislerinin enerji verimliliği esaslarına uygun ve etkili bir şekilde işletiminin sağlanması (işletmecilerin eğitimi)
• Atıksu arıtma tesisleri alanında faaliyet gösteren tasarım ve mühendislik firmalarının, konuyla ilgili olarak bilgilendirilerek etkin ve verimli enerji kullanımının gelecek projelere dahil edilmesinin sağlanması
• şeklinde özetlenebilir.

2. Atıksu Arıtma Tesisi
Genel
2.1. Atıksu Arıtma Tesisinin Genel Tanımı
Tipik bir atıksu arıtma tesisi (bundan sonra ‘tesis’ olarak ifade edilecektir), Biyolokimyasal Oksijen İhtiyacı/Kimyasal Oksijen İhtiyacı’nın (BOİ/KOİ) giderimi, biyolojik, kimyasal ya da karma yöntemlerle fosfor (P) giderimi ve nitrifikasyon ve denitrifikasyon yoluyla da biyolojik azot (N) giderimi yapılan işletmeyi ifade eder. Tipik bir tesiste bulunan üniteler aşağıdaki gibidir:
- Kaba ızgaralar
- Kum tutucu
- Ön çöktürme havuzu
- Anaerobik tank
- Selektör tankı
- Anoksik havuz
- Aerobik havuz
- Son çöktürme
- Geri devir pompa istasyonu
- Fazla çamur pompa istasyonu
- Çamur yoğunlaştırma (birincil ve ikincil çamur)
- Çamur çürütme (digestion)
- Çamur susuzlaştırma

Kaba Izgaralar: Yaprak, saç, kağıt vs. kaba malzeme, sistemin devamında herhangi bir tıkanıklığa neden olmaması için kaba eleklerde tutulur.
Kum Tutucu: Sudaki kum muhtevası, kum tutucuda toplanarak, sistem, pompa ve borulara zarar vermemesi sağlanır.

Ön Çöktürme Havuzu: Ön çöktürme havuzunda atıksu içindeki toplam kuru katı madde içeriği yaklaşık olarak yüzde 50 ve organik yük de (BOİ/KOİ) yüzde 30 oranında tutulup çökeltilerek birincil çamur elde edilir. Önçöktürme havuzu kullanıldığında:

-     Havalandırma tankı hacmi azalır
-     Çamur çürütme safhasında yüksek oranda gaz oluşumuna neden olan birincil çamur elde edilir
-     Denitrifikasyon için gereken BOİ miktarı azalacağından denitrifikasyon daha zorlaşabilir.

Dolayısıyla, ön çökeltme havuzu kurulması kullanışlı olması veya olmaması, yerel şartlara bağlıdır.

Anaerobik Tank: Havasız ortamın sağlandığı bu havuzlar fosfor gideren bakterilerin sistemde gelişebilmesi için kullanılır. Bu bakterilerin önemli bir özelliği, büyümeleri için gerekli olan fosfor miktarından daha fazlasını bünyelerine alabilmeleridir. Uygun şartlar oluştuğunda kuru ağırlıklarının yüzde 2’si kadar fosfor yerine yüzde 3,5 oranında fosforu bünyelerine alabilmektedirler. Uygun şartların oluşması için değişen aerobik ve anaerobik ortam gerekmektedir. Anaerobik şartlar altında bakteriler suya fosfor bırakır, aerobik şartlardaysa sudan fosfor alırlar. Anaerobik havuza, atıksuya ilaveten anoksik havuzdan dönen içsel geri devir de katılır.

Selektör Tankı: Selektör, anaerobik tank çıkış suyunu ve kısmen de geri devir çamurunu alan nispeten küçük boyutlu ve anaerobik bir havuzdur. Bu havuzun bir atıksu arıtma tesisi açısından önemli olmasının nedeni, flamentli bakteri türlerine kıyasla flok oluşturan bakteri türlerinin gelişmesi açısından daha uygun şartlara sahip olmasıdır. Filamanentli bakteriler anoksik şartlarda ya hiç BOİ gideremez ya da BOİ giderme kapasiteleri yok denecek kadar azdır. Bu durum flok oluşturan bakteriler için tam tersidir. Dolayısıyla, selektördeki anoksik ortamdaki BOİ büyük ölçüde flok oluşturan bakteriler tarafından giderilir. Böylece aerobik şartlara sahip aerobik havuzdaki flamentli bakteriler gelişmeleri için gereken BOİ’yi bulamaz.

Anoksik (havalandırmasız) Havuz: Selektör çıkış suyu ve aerobik havuzun sonundan gelen nitratlı içsel geri devir suyu anoksik havuza alınır. Atıksu arıtma tesisinin bu aşamasında heterotropik bakteriler çözülmüş oksijen yerine nitrat kullanmak suretiyle KOİ/BOİ oksidasyonunu sağlar. Bu, denitrifikasyon sürecinde nitrat azota (gaz) indirgenir.

Aerobik Havuz: Sonraki aşamada, anoksik havuz çıkışı aerobik tanka verilerek geri kalan KOİ/BOİ de burada heterotropik bakterilerce oksidasyona uğrar. Sisteme gereken çözünmüş oksijen, kabarcıklı ya da yüzey havalandırma yöntemiyle verilir. Ototrofik bakteriler amonyağı okside ederek sırasıyla nitrit ve nitrata dönüştürür. Bakterilerin büyümesi sonucu oluşan fazla çamur, ikincil çamur olarak fazla çamur pompa istasyonunda bertaraf edilir.

Son Çöktürme Havuzu: Son çöktürme havuzunda çamurun sıvı ve katı fazı birbirinden ayrılır. Çöken çamur geri devir çamur pompa istasyonu vasıtasıyla selektöre aktarılırken savaklanan su da alıcı ortama deşarj edilir.

Çamur Yoğunlaştırma: Birincil ve ikincil çamur, kuru katı madde oranı yüzde 0,8-1,0’den yüzde 3,5-6,0 seviyesine kadar yoğunlaştırılır. Bunun için graviteli yoğunlaştırıcı ya da mekanik yoğunlaştırıcılar kullanılır.

Çamur Çürütme: Yoğunlaştırılmış olan çamur, çürütücüye (digester) pompalanır. Yaklaşık olarak 33°C’de ve anaerobik koşullar altında çamurun organik kuru katı içeriği yaklaşık olarak yüzde 35-50 oranında azalır. Anaerobik bakteri, organik malzemeyi metan, CO2 ve suya dönüştürür. Burada elde edilen metan, bir kojeneratörde elektrik ve ısı elde etmede kullanılabilir. Aynı şekilde, elde edilen ısı enerjisi çürütücünün ve tesis içerisindeki binaların ısıtılmasında, elektrik enerjisi de tesisin işletmesinde kullanılabilir.

Çamur Susuzlaştırma: Çürütülen çamur bir santrifüjden ya da beltpresden geçirilerek susuzlaştırılır. Bu işlem sonrasında toplam katı konsantrasyonu yüzde 20-25 seviyelerine ulaşır. Susuzlaştırılmış olan çamur, yakma fırınına gönderilir.

2.2. İşletmede Enerji Yönetimi
Enerji verimlilik önlemlerinin başarıyla uygulanabilmesi açısından işletim kademesinde bazı önemli hususlar bulunmaktadır. İlk olarak, alınacak önlemlerin önceliklendirilmesinde, arıtma işleminin farklı bileşenlerindeki enerji tüketiminin izlenmesini sağlamak esastır. İkinci olarak, işletmecilerin enerji verimliliği konusunda bilgili olması ve ilgili önlemlerin operasyonlara uygulanması konusunda da eğitimli olmaları önemlidir. Bu rehber, proses mühendisleri için önlemler sunmaktadır. Bu önlemlerin sahada uygulanması sırasında, işletmecilere düşen görevlerin de kesinleştirilmiş olması, operasyonlarda enerji yönetiminin sağlanabilmesi açısından önemlidir.

3. Enerji Verimliliği Önlemleri

3.1. Giriş
Atıksu arıtma tesisleri büyüklük, tip ve proses konfigürasyonu açısından farklılıklar gösterir. Bu açıdan, ele alınan enerji verimlilik önlemleri genel bir rehber olarak tasarlanmıştır. Bu rehber, öncelikli olarak uygun önlemlerin seçilebilmesine olanak tanıyan bir yol haritası görevi görmektedir. Rehber kullanıcısı olarak ilk düşünülen hedef kitle, atıksu arıtma tesislerinin tasarım ve optimizasyonundan sorumlu olan proses mühendisleridir. Rehberin her bir durum ve tesisin kendi özel gerekleri ışığında yeniden değerlendirilmesi gerekir. Bu nedenle, enerji verimliliği çalışmalarının etkisi ve geri ödeme süreleriyle ilgili belirli süreler belirtilmiştir. Yerel şartların olanak tanımadığı bazı durumlardaysa bu süreleri belirlemek mümkün olmamıştır. Rehber, herhangi bir uygulama/sistem içerisinde yer alan enerji verimliliği önlemleriyle ilgili görüş oluşturmakta kullanılabileceği gibi, enerji verimliliği önlemlerinin herhangi bir tasarım içerisinde yeterince yer alıp almadığının kontrolünde de bir kontrol listesi olarak kullanılabilir. Bu rehberde özel şart ve teknik ayrıntılar yer almamaktadır. Bunun nedeni bu ayrıntıların her bir atıksu arıtma tesisinin büyüklük, tip ve diğer parametrelerine bağlı olmasıdır. Bu noktadan hareketle, rehberde özel şart ve teknik ayrıntılara girilmemiştir. Rehberin nasıl kullanılabileceği adım adım şu şekilde ifade edilebilir:

1. Rehberden muhtemel önlemlerin seçilmesi
2. Önlem içeriğinin sahadaki özel şartlara/ihtiyaçlara göre ayrıntılandırılması
-      Enerji verimliliğine etkiler
-      Ek maliyetler, maliyet-fayda analizi
3. Önlemin uygulanması yönünde karar alınması

Yukarıda yer alan ilk aşamayla ilgili olarak rehberde ilgili önlemleri içeren kapsamlı bir liste yer almaktadır. 2. ve 3. aşamalardaysa ilgili tesisin kendine has mühendislik imkan ve kabiliyetleri göz önüne alınmalıdır.

3.1.1. Önlemlerin Etkisi
Önlemlerin enerji verimliliği açısından etkisi beş enerji tasarruf aralığıyla ifade edilir:
Bu önlemler iki şekilde kullanılabilir:
1. Halihazırda işletimi sorunsuzca devam eden bir tesiste enerji verimliliği sağlamak. Bu durumda değişikliklerden kaynaklanacak masraflar göz ardı edilmemelidir.
2. Mevcut ya da yeni kurulmuş olan bir tesiste ekipman ve proses  gibi konularda tercih yapmak. Söz konusu olan, mevcut bir atıksu arıtma tesisiyse süreç yenileştirme (renovasyon) odaklı, yeni kurulacak bir tesis ise süreç tasarım odaklı olacaktır. Her iki durumda da arzu edilen enerji verimliliğini elde etmek için bir miktar yatırım yapılması gerekecektir. Bu durumda, bu gibi ek masraflar olacağı göz önünde bulundurulmalıdır.

Sorunsuz işletilmekte olan bir atıksu arıtma tesisinde, bahsedilen türde değişiklikler yapıldığında (ekipman yenilemek ihtiyacı olmayacağından) uygulanan önlemlerin geri ödemesi için uzun bir süre geçmesi gerekeceği göz önüne alındığında, rehber açısından uygulanabilir olan, ikinci şıktır. Yüksek oranda enerji verimliliği elde edebilmek açısından ilave yatırımlar yapmak daha gerçekçi bir düşünce tarzıdır.
Aşağıdaki rakamlar hazırlanırken 100.000 eşdeğer nüfusa hizmet verecek bir referans atıksu arıtma tesisi esas alınmıştır. Çürütmeyi de kapsayan önlemler için 250.000 eşdeğer nüfus baz alınabilir.
Kabarcıklı havalandırıcıların (disk, tüp ya da plaka) oksijen transfer kapasitesi daha fazladır.
Santrifüjlü kompresörlerin nispi enerji sarfiyatı daha düşüktür.

3.1.2. Yatırımlar
İlave yatırım masraflarının tespitinde aşağıdaki kategoriler kullanılmaktadır (rakamlar euro  cinsinden ifade edilmiştir)

Bu tercih nedeni şu şekilde açıklanabilir: Hollanda’da eşdeğer nüfus başına atıksu arıtma masrafı ortalama 35 euro’dur. Bu, 100.000 eşdeğer nüfusa hizmet veren bir arıtma tesisinde yıllık masrafın 3.5 milyon euro olacağı anlamına gelir. Yapılacak 1 milyon euro’luk bir yatırım yılda yaklaşık olarak 100.000 euro’luk sermaye maliyeti anlamına gelir, ki eşdeğer nüfus başına 35 euro tutarındaki toplam masrafla kıyaslandığında 1 euro’luk ilave masraf önemli görülmektedir.
Burada belirtilen ilave yatırım tutarlarında Hollanda fiyatları temel alınmıştır. Hollanda’daki yatırım rakamları Türkiye’deki duruma göre yeniden düzenlenmemiş olmakla birlikte, ilave yatırımlar ile geri ödeme süresi olarak ifade edilen ilave yatırım ve tasarruf oranlarının Hollanda ve Türkiye örnekleri üzerinden karşılaştırılabilir olduğu düşünülmektedir.

3.1.3. Geri Ödeme Süresi
Geri ödeme süresiyle ilgili olarak 3 zaman aralığı tanımlanmıştır.
Geri ödeme süresi, yatırımın yıllık tasarrufa bölünmesiyle elde edilir. Geri ödeme süresi kısa önlemler mali olarak daha ilgi çekicidir ve süratle uygulanabilirler. Bu durumda, geri ödeme süresi kullanım ömründen daha kısadır. Ortalama geri ödeme süresi öngören önlemler, geri ödeme süresi kullanım ömrü ile aynı aralıkta olduğunda, mali olarak ilgi çekicidir. Öte taraftan, uzun vadeli geri ödemeler öngören önlemler mali olarak ilgi çekici olmadıkları gibi, maliyetten başka bir fayda bekleniyorsa ya da gelecekte yüksek enerji fiyatları uygulanacak olması halinde uygulanabilirler.

3.2. Önlemlerin Sınıflandırılması
Atıksu arıtma alanında enerji verimliliği önlemleri başlıca üç sınıfa ayrılabilir:

1. Suyla ilgili önlemler; atıksu arıtma tesisinde su arıtılmasına dair önlemler.
2. Çamurla ilgili önlemler; su arıtımından gelen çamurun arıtılmasına dair önlemler.
3. Hava arıtımıyla ilgili önlemler; atıksu arıtma tesisinin farklı kısımlarından gelen havanın kötü kokuları önlemek maksadıyla arıtılmasına dair önlemler.

3.2.1 Suyla İlgili Önlemler
Atıksu arıtma sistemini ilgilendiren enerji verimlilik önlemleri daha çok biyokütlenin havalandırılmasıyla ilgilidir. Ekipman ve proses kontrol önlemleri de kendi aralarında alt kategorilere ayrılabilir. Ayrıca, havalandırma dışında başka önlemler de tanımlamak mümkündür. Atıksu arıtmayla ilgili tüm önlemler Tablo 3-1’de gösterilmiştir.

3.2.2 Çamurla İlgili Önlemler
Çamur hattını ilgilendiren enerji verimlilik önlemlerini yoğunlaştırma, susuzlaştırma, çürütme, biyogaz kullanımı ve diğer önlemler olarak ayrıntılandırmak mümkündür. Bu önlemler Tablo 3-2’de gösterilmiştir.

3.2.3. Havanın Temizlenmesine Yönelik Önlemler
Havanın temizlenmesiyle ilgili enerji verimlilik önlemleri çıkış/egzoz havası arıtma ve hava çekme olarak iki başlığa ayırmak mümkündür. Önlemler Tablo 3-3’te gösterilmektedir.

3.3. Karar Vermede Kullanılacak Yöntem
Evsel atıksu arıtmada enerji verimliliğiyle ilgili uygulanması düşünülen önlemlerin seçimini kolaylaştırmak adına bir “Karar Ağacı” oluşturulmuştur. Buna göre Tablo 3.1, 3.2 ve 3.3’te gösterilen önlemler başlıca bazı kategorilere ayrılmıştır. Bu kategoriler şu şekildedir.
-     Tüm atıksu arıtma tesisleri için uygulanabilirliği olan genel önlemler
-     Çürütmeyle ilgili önlemler
-     Çamur susuzlaştırmayla ilgili önlemler
-     Nütrient giderimiyle ilgili önlemler
-     Havanın temizlenmesiyle ilgili önlemler

“Karar Ağacı” kategorileriyle ilgili açıklamalar aşağıdaki tablolarda yer almaktadır.
Tablolarda yer alan önlemler kısa tanımlarıyla birlikte ve her bir önlemin enerji tasarrufu, gerekli ilave yatırım masrafları ve geri ödeme süresi açısından etkileri açıklanmak suretiyle daha ayrıntılı bir şekilde ele alınmıştır. Önlemler sıralanmış olmakla birlikte sıra numaralarına bakılarak önlemler arasında bir hiyerarşi aranmamalıdır.