AktiF Çamur süreciNİn tasarimi

Tablo 8. İkincil arıtım ünitelerinin verimlerini etkileyen faktörler (Toprak, 2000)

Süreç	Verimi etkileyen faktörler
Aktif çamur	Reaktör tipi Hidrolik alıkonma süresi Hidrolik yükleme hızı Organik yükleme hızı Havalandırma kapasitesi Ortalama hücre alıkonma süresi F : M oranı Çamur geri çevrim oranı Nutrientler Çevresel faktörler (pH ve sıcaklık)
Damlatmalı filtre	Dolgu ortamı tipi ve derinliği Hidrolik yükleme hızı Organik yükleme hızı Doğal havalanma Kademelendirme Geri çevrim hızı Debi dağıtımı
Biyodisk	Ünite sayısı Hidrolik yükleme hızı Organik yükleme hızı Motor gibi mekanik aksamın özellikleri Ortamın (disk) yoğunluğu Şaftın özellikleri Geri çevrim hızı Disklerin batıklık oranı Disklerin dönme hızı

Atıksu arıtımında kullanılan reaktör tipleri, şematik açıklamaları, tanım ve kullanıldıkları yerler Tablo 9’da verilmiştir.
Tablo 9. Arıtımda kullanılan reaktörler ve özellikleri (Tchobanoglous ve Burton, 1994)

Reaktör	Şematik açıklama	Tanım ve/veya uygulama
Kesikli beslemeli		Reaktöre sürekli bir girdi veya çıktı yoktur. Tam karışım uygulanmaktadır. Atıksu beslemesi kesiklidir. İşletimi 5 fazdan ibarettir.
Piston akımlı		Reaktöre giren su tanecikleri reaktörü girdikleri sıra ile terk ederler. Reaktörde boyuna dispersiyon meydana gelmez. Dispersiyon sayısı sıfırdır.
Tam karışımlı		Reaktöre giren su taneciği tüm reaktör içeriğine hızla yayılır. Çıkış suyu konsantrasyonu reaktördekine eşittir.
Ara karışımlı		Piston akımlı reaktör ile tam karışımlı reaktör arasında yer alır. Bu tür reaktörlerin belirli bir dispersiyon sayıları mevcuttur.
Seri bağlı tam karışımlı		Bir dizi tam karışımlı reaktörün seri bağlanması ile oluşturulur. En az 4 tanesinin kullanılması ile piston akımlı koşullara yaklaşılır.
Dolgu yatak		Kaya, seramik veya plastik malzemelerin kullanıldığı dolgu yatağa sahiptir. Bu tip reaktörlere anaerobik filtre ve damlatmalı filtreler örnek olarak verilebilir.
Akışkan yatak		Reaktördeki dolgu malzemeleri sıvının veya havanın yüzdürme etkisi ile askıda haldedir. Dolgu yatağın porozitesi akışkanın debisi ile ayarlanır.

BİYOLOJİK ARITMANIN MEKANİZMASI
Mikrobiyoloji
Mikrobiyolojik açıdan, baskın mikroorganizma türü atıksuyun özelliklerine, çevresel koşullara, süreç tasarımına ve sürecin işletilme biçimine bağlıdır. Bir aktif çamur sürecinin başarısı, organik maddeyi tüketen, birlikte yumaklaşan, geri çevrim için konsantre çamur oluşturacak şekilde çökelen ve berrak bir çıkış suyu sağlayan biyolojik topluluğun arıtımı istenen atıksuya adaptasyonuna bağlıdır.
Karbon ve enerji gereksinimlerini karşılamak için organik maddeye gerek duyan aerobik bakterilerin (hetetrofik bakteriler) aktif çamurda baskın tür olmalarına karşın mantar ve protozoalara da rastlanır. Hücre büyümesi için inorganik maddelere gerek duyan nitrifikasyon bakterilerinin (ototrofik bakteriler) varlığı işletme biçimine ve azot ve karbon konsantrasyonlarına bağlıdır. İyi bir çıkış suyunun göstergesi olan rotiferlere, 8 ila 30 saatlik havalandırma süresine sahip aktif çamur süreçlerinde rastlanır.
Biyokimya
Aktif çamur sürecinde oluşan net reaksiyon, süreçte yer alan değişik mikroorganizmaların özgün reaksiyonlarının bir bileşenidir. Organik maddenin stabilizasyonu için biyokimyasal reaksiyon,

İnert madde + Organik madde + Oksijen + Nutrientler

Mikroorganizmalar

Yeni mikroorganizmalar + Karbon dioksit + Su + İnert madde

şeklinde tanımlanabilir. Metabolik süreç, sürekli olarak cereyan eden sentez ve solunum reaksiyonlarından ibarettir. Sentez, yeni hücrelerin (protoplazma) üretimi için organik maddenin (besin) kullanımıdır. Solunum ise, besin maddesinin daha düşük enerji içeren son ürünlere (karbondioksit, su ve bazı oksitlenmiş azot bileşikleri) dönüşümü sonucu enerji açığa çıkmasıdır. Oluşan son ürünlerin özellikleri, reaksiyon süresini, sıcaklığı ve organik yükleme hızını içeren süreç tasarım parametrelerine bağlıdır.

Kısıtlı besin maddesinin varlığında, protoplazma, başka bir ifade ile mikroorganizmanın kendisi, hücresel faaliyetlerin devamı için gerekli olan enerjinin eldesinde kullanılır. Bu solunuma "iç solunum" adı verilir. Hücre bakım ve onarımı için gereken enerji, hücre dışındaki besin maddesinden bağımsız olarak mevcuttur. İç solunum baskın olduğu zaman, mikroorganizmaların büyümesi durmaz, ancak artan hücresel ayrışma sonucu bakteri kütlesinde azalma meydana gelir.

Temel Süreç Mekanizması

Aktif çamur süreci, karbonlu ve azotlu maddelerin giderimi için oldukça cazip bir sistemdir. Bu nedenle, oksijen gereksinimi, karbonlu ve azotlu maddelerin oksidasyonu için gerekli oksijen miktarları olmak üzere iki ana gruba ayrılabilir.

Karbonlu maddelerin giderim mekanizması
Karbonlu maddelerin giderimi için gerekli olan oksijen gereksinimi, genelde 5 günlük "biyokimyasal oksijen ihtiyacı, (BOİ)" deneyi ile saptanır. 5 günden daha büyük bir deney süresi için (örneğin 20 gün) sadece karbonlu maddelerin ayrışımında gerekli olan oksijen gereksiniminin saptanmasında, nitrifikasyon sürecinin inhibe edilmesi gerekir. Bu amaçla "allythiourea" kullanılır.
Ön arıtımdan geçmiş veya geçmemiş atıksudaki BOİ₅ giderim hızı, BOİ'nin çözünmüş, kolloidal ve askıdaki fraksiyonlarına bağlıdır. Evsel atıksu, genelde, % 30 ila 40 oranında çökelebilir BOİ₅, aynı oranlarda kolloidal BOİ₅, % 20 ila 40 oranında ise çözünmüş BOİ₅ içerir. Bu oranlar, belde eğer sıcak iklime sahipse ve kanalizasyon şebekesi içerisinde akan atıksuyun alıkonma süresi büyükse değişecektir. Sıcaklık ile artan bakteriyel faaliyet, çökelebilir ve kolloidal BOİ₅'in ayrışımını hızlandırır ve BOİ₅'in çözünmüş fraksiyonu artar. Daha sonra detaylı olarak açıklanacağı üzere, organik madde yükleme hızı sıcaklık ve istenen arıtım kalitesine bağlıdır. Genelde, birçok klasik aktif çamur süreci, 0.15 ila 0.50 kg BOİ₅/kg MLSS.gün'lük karbonlu organik madde yükleme hızına ve 3 ila 6 gün'lük katı alıkonma süresine göre tasarımlanır.
Çıkış suyu kalitesini bozan en önemli unsur yüksek AKM konsantrasyonudur. Çıkış suyu içerisindeki mikrobiyal kütle BOİ₅ konsantrasyonunu arttırır. Bu değer, süreç tasarımına bağlı olarak, toplam BOİ₅'in % 10 ila 70'ine karşılık gelir. Bu nedenle, aktif çamur çıkış suyu mutlaka iyi bir çökeltimden geçirilmelidir. Çıkış suyu kalitesinin azalmasına neden olan diğer etmenler ise, yetersiz alıkonma süresi ve karışım, geri çevrim oranının düşük olması ve düşük oksijenlendirme kapasitesidir. Evsel atıksuların arıtımı amacı ile iyi tasarımlanmış ve operatörü tarafından verimli ve iyi bir şekilde işletilen tipik bir aktif çamur süreci, 5 mg/L veya daha düşük bir BOİ₅ çıkış konsantrasyonu sağlayabilir. Maksimum debiye hizmet verecek şekilde tasarımlanmış olan bir son çökeltme havuzu çıkışında maksimum AKM konsantrasyonu 15 mg/L mertebesindedir. Özet olarak, sürecin potansiyel kapasitesi 10 mg/L BOİ₅ ve 15 mg/L AKM'dir.
Azotlu maddelerin giderim mekanizması - Nitrifikasyon
Atıksuyun arıtımı için gerekli oksijenin belirli bir kısmı, amonyağın nitrata yükseltgenmesinde kullanılır. Ototrofik bakteriler olan "Nitrosomonas" ve "Nitrobacter" bu iki kademeli oksidasyondan sorumludur. Nitrifikasyon bakterileri, hücre büyümesi için, atıksudaki karbon dioksit ve onunla ilgili iyon türleri gibi oksitlenmiş karbon bileşiklerini kullanırlar. Bu nedenle, büyümeleri ve gelişmeleri için karbonlu maddelerin giderimi tamamlanmış olmalıdır.
Nitrifikasyon bakterileri gerekli olan enerjilerini amonyağın önce nitrite ve nitritin de nitrata yükseltgenmesi sonucunda elde ederler. Bu reaksiyonlar sırasında açığa çıkan enerji miktarı oldukça az olduğundan ve ayrıca bu enerjinin karbon dioksitin hücresel karbona dönüştürülmesinde kullanılmasından dolayı, aktif çamur süreçlerindeki nitrifikasyon bakterisi sayısı oldukça azdır. Nitrifikasyon bakterilerinin büyüme hızlarını, iz elementlerin varlığı da etkiler. Kalsiyum, bakır, demir, magnezyum, mangan, fosfor, sodyum ve çinko gibi elementler büyüme için gereklidir. Bakır, amonyağın nitrite yükseltgenmesi kademesinde enzimleri aktive eden bir "ko-faktör"dür. Molibden "Nitrobacter"in büyümesini hızlandırır.

Nitrifikasyon bakterileri evsel atıksularda bulunur. Bununla beraber, aktif çamur süreçlerinde birçok atıksu, sistem karbonlu maddelerin giderimini sağlayan organizmaların hızlı büyümesine göre tasarımlandığından dolayı nitrifiye edilemez. Katı alıkonma süresinin (KAS) arttırılması ile nitrifikasyon gerçekleşir. Yüksek KAS nitrifikasyon bakterilerinin yeterli sayıda bulunmasını sağlar.

Tam nitrifikasyon için gerekli olan oksijen miktarı oldukça fazladır. Evsel atıksuyun 20 ila 30 mg/L mertebesinde amonyak azotu içermesi ve 1 mg amonyak azotunun 4.3 ila 4.6 mg O₂/mg NO₃^-'lik oksijen gereksinimi, aktif çamur süreci için gerekli olan toplam oksijen gereksinimini ve dolayısı ile sistemin kurulu gücünü arttırır. Nitrifikasyonun gerçekleşmesi % 90'ın üzerinde bir amonyak azotu giderimi demektir. Daha önce de değinildiği gibi, nitrifikasyon KAS'ne bağlıdır ve en azından 10 gün'lük bir KAS gerektirir.
Nitrifikasyon için yüksek KAS gerektiğinden, azot oksidasyonu için iki kademeli aktif çamur sürecinin yapılması önerilmektedir. İlk kademede teşkil edilen yüksek hızlı aktif çamur sürecinde karbonlu madde giderimi gerçekleştirilir. İkinci kademede ise nitrifikasyon gerçekleştirilir. Her kademe ayrı bir çökeltme havuzuna ve geri çevrim oranına sahiptir. Bununla birlikte, uzun havalandırmalı aktif çamur sürecinde C ve N giderimi aynı havuzda gerçekleşir.
Oksijen konsantrasyonunun 1 mg/L'den daha az olması nitrifikasyon bakterilerini inhibe eder. Yüksek KAS'nde ve düşük oksijen alım hızlarında, nitrifikasyon bakterileri için sistemde daha fazla oksijen bulunacaktır. Nitrifikasyon bakterilerinin büyümesi için gerekli olan optimum pH aralığı 8-9'dur. Nitrifikasyon için çok geniş bir sıcaklık aralığının olmasına rağmen, sıcaklığın azalması ile nitrifikasyon hızı azalır. KAS'nin arttırılması ile düşük sıcaklığın bu etkisi karşılanabilir.
Amonyağın nitrata yükseltgenmesi sırasında mineral asidite üretilir. Yeterli alkalinite yoksa, sistemin pH'ı düşer. Sonuçta nitrifikasyon inhibe edilebilir. Atıksuyun tamponlama kapasitesine bağlı olarak, oksitlenen 1 mg amonyak azotu başına 7.1 mg CaCO₃ alkalinitesi elimine edilir. pH'ı sabit tutmak için, oksitlenen 1 kg amonyak azotu başına 5.4 kg sulu kireç ilave edilmelidir. Nitrifikasyon süresince 50 mg/L'lik bir kalıntı alkalinitenin korunması gerekir.