Biyolojik Arıtma Nedir?

Biyolojik arıtma, atık su içerisinde çözünmüş halde bulunan organik maddelerin ve bazı inorganik kirleticilerin mikroorganizmalar yardımıyla ayrıştırılarak giderilmesi işlemidir. Bu süreçte atık sudaki kirleticiler, doğal olarak bulunan veya özel olarak kültüre edilmiş bakteri, mantar ve protozoa gibi mikroorganizmalar tarafından biyokimyasal olarak parçalanır. Mikroorganizmalar, organik maddeleri besin olarak kullanarak büyür ve çoğalırlar; bu esnada organik kirlilik bileşenleri daha basit ve zararsız ürünlere dönüştürülür (örneğin karbondioksit, su, azot gazı) ve böylece sudan uzaklaştırılmış olur. Biyolojik arıtma genellikle atık su arıtma süreçlerinin ikincil arıtma basamağında yer alır ve birincil arıtmadan (fiziksel/kimyasal işlemlerden) sonra, suda kalan çözünmüş organik kirlilik yükünü azaltmayı hedefler. Bu yöntem, evsel ve endüstriyel atıksularda bulunan biyolojik olarak parçalanabilir nitelikteki kirleticilerin giderilmesinde en etkili ve ekonomik yollardan biridir.

Şekil 1: Biyolojik arıtmanın gerçekleştirildiği bir atık su arıtma tesisinden genel görünüm. Havalandırma havuzları ve dairesel çökeltme tankları ile tipik bir aktif çamur sistemi görülmektedir.

Biyolojik arıtma süreçlerinde doğada zaten var olan mikrobiyolojik ayrıştırma mekanizmaları kontrollü bir mühendislik sistemi içinde optimize edilir. Organik kirliliğin biyolojik oksidasyonu olarak da anılan bu süreçte kirleticiler mikroorganizmaların metabolizmasıyla oksitlenir veya hücre bileşenlerine dönüştürülür. Örneğin aerobik (oksijenli) koşullarda organik karbonlu bileşikler mikroorganizmalar tarafından karbondioksit ve suya dönüştürülürken yeni biyokütle (mikroorganizma hücreleri) oluşur. Anaerobik (oksijensiz) koşullarda ise organik maddeler metan gazı, karbondioksit ve daha az miktarda yeni biyokütleye dönüşür. Bu sayede atık sudaki kirletici konsantrasyonu büyük ölçüde azalır. Arıtma veriminin en önemli göstergelerinden biri biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) veya kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) parametreleridir; biyolojik arıtma sonucunda atık suyun BOİ/KOİ değerlerinde %80-95’lere varan giderim sağlanabilir. Sonuç olarak, biyolojik arıtma teknolojileri doğal döngüleri taklit ederek atık suları çevreye zararsız hale getirmeyi amaçlar.

Biyolojik Arıtmanın Temel Prensipleri

Biyolojik arıtma işlemleri, mikroorganizmaların metabolizma faaliyetlerine dayanır. Mikroorganizmalar uygun ortam koşullarında (besin, oksijen, sıcaklık, pH gibi) atık sudaki organik kirleticileri parçalayarak kendi hücre yapıları için kullanır veya enerji elde ederler. Bu süreç birkaç evrede gerçekleşir: öncelikle mikroorganizmalar organik substratı ortamdan alır (absorpsiyon), ardından hücre içinde enzimatik reaksiyonlarla bunu parçalar (asimilasyon). Bir kısım enerji ve karbon, mikroorganizma yeni hücre sentezi için kullanılırken fazlası son ürünlere dönüştürülerek ortama verilir (mineralizasyon). Son ürüne örnek olarak aerobik koşullarda CO₂ ve H₂O, anaerobik koşullarda CH₄ ve CO₂ verilebilir. Mikroorganizmaların büyümesi üstel (logaritmik) fazda çok hızlıdır; ancak besin azaldıkça büyüme yavaşlar ve sistem durağan faza girer. Uzun süre besinsiz kalan biyokütle ise ölüm fazına geçerek ayrışır. Biyolojik arıtmada, sistemin yüksek verimli çalışması için mikroorganizmaların büyüme kinetiği ve ekosistemi iyi yönetilir.

Mikroorganizmaların etkinliği; sıcaklık, pH, çözünmüş oksijen seviyesi, toksik maddelerin varlığı gibi birçok faktöre bağlıdır. Çoğu biyolojik arıtma sisteminde en yoğun görev yapan organizmalar bakterilerdir. Bunlar arasında heterotrofik bakteriler organik maddeyi karbon ve enerji kaynağı olarak kullanırken, ototrofik bakteriler (örneğin nitrit ve nitrat üreten nitrifikasyon bakterileri) inorganik maddeleri oksitleyerek enerji elde eder. Bakterilerin yanı sıra protistler (örneğin ciliatlar gibi tekhücreli organizmalar) ve mikroskobik metazoa (örneğin rotiferler) da özellikle aktif çamur sistemlerinde ekosistemin bir parçasıdır. Bu daha büyük mikroorganizmalar, bakterileri tüketerek arıtılmış suyun berraklaşmasına katkı sağlar ve biyolojik ekosistemde denge oluşturur.

Biyolojik arıtma süspansiyon halindeki biyokütlenin sudan ayrılmasıyla tamamlanır. Mikroorganizma toplulukları kirleticileri tükettikten sonra, suyu arıtılmış olarak ayırabilmek için bu biyokütlenin sudan çöktürülmesi gerekir. Bu amaçla genellikle arıtma prosesinin çıkışında çökeltme tankları bulunur. Burada oluşan biyolojik çamur dibe çöker ve aktif çamur adı verilen bu çamurun bir kısmı sistemi devam ettirmek için tekrar biyolojik reaktöre geri devredilir (geri devir çamuru), fazlası ise atık fazla çamur olarak sistemden uzaklaştırılır. Bu sayede sistemde yeterli mikroorganizma yoğunluğu sürekli korunur. Özetle, biyolojik arıtmanın temel prensibi; uygun çevresel koşulları sağlayarak mikroorganizmaların atık sudaki kirleticilerle temas etmesini ve onları metabolize etmesini organize etmektir.

Biyolojik Arıtma Türleri

Biyolojik arıtma sistemleri, uygulanan ortama ve mikroorganizmaların çalışma koşullarına göre çeşitli tiplere ayrılır. Aerobik ve anaerobik arıtma olarak temel bir sınıflandırma yapmak mümkündür. Aerobik arıtma, mikroorganizmaların organik maddeleri parçalamak için moleküler oksijene ihtiyaç duyduğu sistemleri tanımlar. Anaerobik arıtma ise oksijen yokluğunda gerçekleşen biyolojik süreçleri kapsar. Bunlara ek olarak, azot giderimi için oksijensiz ancak nitratlı ortama ihtiyaç duyan anoksik süreçler de biyolojik arıtma sisteminin bir parçası olabilir (örneğin denitrifikasyon). Mikroorganizmaların atık suyla temas şekline göre de sistemler ayrılabilir: askıda büyüme sistemlerinde mikroplar suyun içinde serbest yüzer veya floklar oluştururken, yapışık büyüme sistemlerinde mikroplar bir taşıyıcı yüzeye tutunarak biofilm halinde gelişir. Aşağıda başlıca biyolojik arıtma proses türleri ve bunların alt yöntemleri açıklanmaktadır.

Aerobik ve Anaerobik Arıtmanın Karşılaştırılması

Biyolojik arıtma süreçlerinde aerobik ve anaerobik yöntemlerin kendine özgü avantaj ve dezavantajları bulunur. Genelde aerobik sistemler düşük kirletici konsantrasyonlarında ve belediye atıksularında yaygın kullanılırken, anaerobik sistemler yüksek yüklü endüstriyel atıksularda veya arıtma çamurlarının stabilizasyonunda tercih edilir. Aşağıdaki tabloda aerobik ve anaerobik biyolojik arıtmanın temel farkları özetlenmiştir:

Yukarıdaki tablo genel bir karşılaştırmadır. Görüldüğü üzere, aerobik arıtma daha yüksek enerji gerektirse de işletimi nispeten kolay ve çıkış suyu kalitesi yüksektir; anaerobik arıtma ise enerji üretme potansiyeliyle cazip olup daha az çamur üretir ancak düşük sıcaklık ve seyrek besleme gibi koşullarda verimi düşebilir. Mühendislik uygulamalarında çoğu zaman her iki yöntem bir arada kullanılarak (örneğin yüksek yüklü kısımlar önce anaerobik, ardından aerobik arıtma) optimum sonuç alınır.

Aerobik Biyolojik Arıtma Yöntemleri

Aerobik arıtma sistemlerinde atık su, bol oksijenli ortamda mikroorganizmalar tarafından arıtılır. Bu sistemler, atmosferik oksijenin suya çözündürülmesi için genellikle havalandırma ekipmanları kullanır. Aerobik prosesler organik madde gideriminin yanı sıra amonyum azotunun nitrite ve nitrata oksidasyonu (nitrifikasyon) gibi işlemleri de mümkün kılar. Başlıca aerobik biyolojik arıtma yöntemleri aşağıda açıklanmıştır:

Aktif Çamur Prosesi (Konvansiyonel Aktif Çamur)

Aktif çamur prosesi, dünyada en yaygın kullanılan biyolojik atıksu arıtma yöntemlerinin başında gelir. Bu yöntemde atık su, oksijen sağlayan havalandırma havuzlarında mikroorganizmalarla karıştırılır. Havalandırma genellikle difüzörler aracılığıyla tabandan verilen basınçlı hava ile veya yüzeysel karıştırıcılarla sağlanır. Yeterli oksijen altında heterotrofik bakteriler atık sudaki çözünmüş organik maddeleri biyokimyasal olarak oksitleyerek hücre büyümesi için kullanır. Bu esnada atık sudaki karbonlu organikler CO₂ ve H₂O’ya dönüşürken, amonyak azotu varsa oksitlenerek nitrat şeklini alabilir. Belli bir havalandırma süresinin ardından karışım, ikinci kademe çöktürme tankına alınır. Burada oluşan aktif çamur flokları çökelerek sudan ayrılır. Arıtılmış su üstten çıkış yaparken dibe çöken yoğun çamurun büyük bir kısmı sürekli olarak havalandırma tankına geri devir yapılır ve sistemde yeterli mikroorganizma yoğunluğu korunur. Geri devir sayesinde mikroorganizmalar tekrar tekrar beslenerek arıtma devam ettirilir. Geri devirle sistemde tutulan biyokütlenin bir bölümü ise atık çamur olarak sistemden alınır.

Aktif çamur prosesinin verimli çalışması için bazı önemli işletme parametreleri kontrol edilir. Besleme/yükleme oranı (F/M), atık suyla gelen günlük biyokimyasal oksijen ihtiyacı yükünün sistemdeki mikroorganizma kütlesine oranıdır. Bu oran, mikroorganizmaların aç kalmadan ancak aşırı da beslenmeden çalışacağı şekilde ayarlanır. Çamur yaşı (katı madde bekletme süresi, SRT) bir mikroorganizmanın sistemde ortalama kalma süresini gösterir; bu süre uzadıkça daha fazla organik madde tüketilir ancak aşırı uzarsa hücreler yaşlanarak verim düşebilir. Tipik aktif çamur sistemlerinde çamur yaşı birkaç günden (yüksek yüklü sistemlerde) birkaç haftaya (düşük yüklü, nitrifikasyonlu sistemlerde) kadar değişebilir. Ayrıca, havalandırma tankındaki çözünmüş oksijen seviyesi genelde 2 mg/L civarında tutulur; pH genellikle nötr civarında ve sıcaklık 10-35°C aralığında olmalıdır. Aktif çamur prosesinde iyi işletme, atık su çıkışında %85-95 BOİ giderimi ve düşük askıda katı madde konsantrasyonu sağlayabilir.

Aktif çamur prosesinin avantajı, yüksek arıtma verimi ve esnekliği olmasıdır; farklı atıksu karakterlerine uyarlanabilir ve gerektiğinde kimyasal destek (ör. fosfor giderimi için kimyasal çöktürme) eklenebilir. Dezavantajı ise enerji tüketiminin yüksekliği ve oluşan fazla biyolojik çamurun bertaraf gerekliliğidir. Ayrıca bazen çamur şişmesi (bulking) gibi problemler oluşabilir; filamentöz bakterilerin aşırı çoğalmasıyla çamurun çökelme performansı bozulur. Bu durum uygun besleme, havalandırma ve gerektiğinde kimyasal dozajlarıyla kontrol altına alınır. Aktif çamur sistemleri, şehir atıksu arıtma tesislerinden gıda, kağıt, tekstil gibi organik yüklü endüstriyel atıksu tesislerine kadar geniş bir yelpazede başarıyla uygulanmaktadır.

Damlatmalı Filtre (Biyolojik Perkolasyon)

Damlatmalı filtreler, yapışık biyofilm esasına dayanan klasik bir biyolojik arıtma teknolojisidir. İlk olarak 20. yüzyıl başlarında geliştirilmiş olan bu sistemlerde atık su, kırılmış taş, çakıl, plastik malzeme gibi dolgularla doldurulmuş bir paket yatak üzerinden dağıtılarak geçirilir. Dolgu ortamının yüzeylerinde biyofilm tabakası oluşur ve atık sudaki organikler bu biyofilme difüzyonla geçerek mikroorganizmalarca tüketilir. Sistem adını, atık suyun dolgu üzerinde damlatılarak dağıtılmasından alır. Genellikle atık su, döner kollu bir dağıtıcı mekanizma ile filtre yatağının üzerine sürekli serpilir. Yerçekimi etkisiyle ortamdan süzülürken organik madde biyolojik olarak parçalanır. Havalandırma doğal konveksiyonla veya alt havalandırma boşluklarından sağlanır, böylece aerobik koşullar korunur.

Damlatmalı filtrelerde zamanla biofilm kalınlaşır. Belli bir kalınlığa ulaşan biyofilm tabakasının alt kısımları oksijen alamamaya başlar ve cansız hale gelir. Su akışı ve kendi ağırlığı etkisiyle bu ölü kısım koparak ortamdan uzaklaşır. Kopan biyofilm parçaları ve biyolojik katı maddeler filtrat suyu ile birlikte sistemden çıkar ve genelde ikincil bir çöktürme havuzunda tutulur. Damlatmalı filtrelerin verimli çalışması için sıcaklık, dağıtım sistemi, dolgu malzemesi boyutu gibi faktörlere dikkat edilir. Hidrolik yük (birim alana gelen debi) ve organik yük (birim hacme beslenen BOİ yükü) tasarımda önemli parametrelerdir. Tipik damlatmalı filtre çıkışları %70-90 BOİ giderimi sağlayabilir. Genelde aktif çamura kıyasla biraz daha düşük verimlidir, bu yüzden bazı tesislerde damlatmalı filtre çıkışına ek bir aktif çamur sistemi entegre edilir veya tam tersi kombinasyonlar kullanılabilir.

Damlatmalı filtrelerin avantajları arasında işletme ve bakımının nispeten basit olması, enerji tüketiminin düşük olması sayılabilir (hava temini için genellikle fan gerektirmez, doğal hava akımı yeterli olabilir). Ayrıca yük dalgalanmalarına karşı biyofilm yapısı sayesinde dayanıklıdır. Dezavantajları ise koku ve sinek oluşumu riskidir (özellikle sıcak havalarda biofilm yüzeyinde sinek larvaları gelişebilir). Koku kontrolü için filtre yatakları üzeri kapatılabilir veya periyodik yıkama yapılabilir. Ayrıca damlatmalı filtreler soğuk iklimlerde performans düşüşü yaşayabilir, çünkü biofilm içerisindeki biyolojik aktiviteler sıcaklıkla yakından ilişkilidir. Yine de, özellikle küçük ve orta ölçekli yerleşimlerin atıksu arıtımında, arazi ve enerji kısıtının olmadığı durumlarda damlatmalı filtreler uzun ömürlü ve güvenilir bir seçenek sunmaktadır.

Döner Biyolojik Kontaktör (Biyodisk Sistemi)

Döner biyolojik kontaktörler (DBK), biyofilm esaslı bir diğer aerobik arıtma teknolojisidir. Halk arasında biyodisk sistemi olarak da bilinir. Bu yöntemde eşit aralıklarla dizilmiş dairesel diskler, kısmen atık suya daldırılmış halde bir yatay mile monte edilmiştir. Diskler genellikle plastik malzemeden yapılmıştır ve mil boyunca yüzlerce disk olabilir. Sistem çalışırken mil motor yardımıyla yavaşça döndürülür. Disklerin alt kısmı atık suyun içinde olduğu için üzerlerinde biyofilm gelişir; disk döndükçe her bir disk yüzeyi periyodik olarak önce atık suya dalarak organik maddelere maruz kalır, sonra sudan çıkarak havayla temas eder. Bu döngü sayesinde biyofilm hem besin hem oksijen alır.

Döner biyolojik kontaktörlerin çalışma prensibi, damlatmalı filtrenin dinamik bir versiyonu gibidir. Biyofilm yüzeyi sabit değil hareketli olduğu için kütle aktarımı daha verimli gerçekleşir ve havalandırma diskin atmosferle temasında sağlandığından enerji maliyeti düşüktür. Atık suyun diskler boyunca akışı genelde yatay bir kanal içerisinde gerçekleşir ve birden fazla aşamada seri disk grupları kullanılabilir. Örneğin, ilk disk sıralarında karbon giderimi yoğun gerçekleşirken, sonraki sıralar daha fazla nitrifikasyon odaklı çalıştırılabilir. Sistemin çıkışında oluşan biyolojik döküntüleri yakalamak için çökelme tankı bulunur.

Biyodisk sistemlerinin avantajları; kompakt oluşları, düşük enerji tüketimleri ve işletme kolaylıklarıdır. Mekanik olarak hareketli parça sayısı azdır ve genelde düşük devirde döndüklerinden bakım ihtiyacı düşüktür. Ayrıca biofilm, yük değişimlerine karşı tampon görevi görür. Dezavantaj olarak ise, kışın soğukta verimleri düşebilir (disklerin büyük kısmı açık havada olduğu için soğuktan etkilenir). Bu nedenle soğuk iklimlerde diskler için koruyucu kapalı yapı gerekebilir. Ayrıca disklerin dönme aksanı arızalanırsa biyofilm çabuk kalınlaşıp oksijensiz kalabilir. Uygulamada DBK sistemleri genellikle küçük yerleşimler, oteller, kampüsler gibi debinin nispeten düşük olduğu ve paket arıtma istenen yerlerde kullanılır. Doğru tasarım ve işletmeyle %80-95 BOİ giderimi elde edilebilir.

Hareketli Yataklı Biyofilm Reaktörü (MBBR)

Hareketli yataklı biyofilm reaktörü (HYBR veya İngilizce kısaltmasıyla MBBR), biyofilm teknolojisinin modern bir uygulamasıdır. MBBR sistemlerinde mikroorganizmalar, havalandırmalı bir tankın içinde serbestçe dolaşabilen taşıyıcı malzeme (medya) yüzeylerinde tutunur. Taşıyıcılar genellikle yüksek yüzey alanına sahip küçük plastik parçalar (ör. halka veya yıldız şekilli) olup, reaktörde yoğun bir biofilm gelişimini mümkün kılar. Atık su, havalandırma tankında bu taşıyıcılarla birlikte karıştırılırken havadan oksijen sağlanır. Mikroorganizmalar taşıyıcı yüzeyde sabit durup biofilm oluşturduklarından, aktif çamur prosesindeki gibi çökeltme sorunlarına karşı daha dirençli bir sistem elde edilir.

MBBR sisteminin önemli bir özelliği, taşıyıcı doluluk oranıdır. Reaktör hacminin genellikle %20-50’si oranında taşıyıcı malzeme ile doldurulur. Taşıyıcılar reaktör içinde hareket halinde olduğu için, çamur yaşını ve biyokütle konsantrasyonunu askıda büyüme sistemlerine kıyasla daha bağımsız olarak kontrol etmek mümkündür; biofilm taşıyıcı üzerinde uzun süre kalabilirken, fazla biyofilm doğal aşınma ile dökülür ve sistem dışına alınır. MBBR çıkışında genellikle bir elek veya ızgara bulunur, bu sayede plastik taşıyıcıların reaktör dışına kaçması önlenir.

Hareketli yataklı biyofilm reaktörlerinin avantajları arasında, yüksek organik yüklemelere dayanabilmeleri ve prosesin kompakt oluşu sayılabilir. Aynı hacimde aktif çamur sistemine göre daha fazla mikroorganizma barındırdığından, MBBR ile daha küçük tank hacminde aynı arıtma verimi yakalanabilir. Ayrıca taşıyıcı yüzeyindeki biofilm farklı derinliklerinde aerobik, anoksik ve anaerobik mikroçevreler oluşabileceğinden, aynı anda nitrifikasyon ve denitrifikasyon gibi süreçler birlikte gerçekleşebilir. Bu teknoloji, yeni kurulacak tesislerde kullanılabildiği gibi mevcut aktif çamur tesislerinin kapasite artırımında da entegre sabit film aktif çamur (IFAS) prosesi şeklinde uygulanabilir (mevcut havuza taşıyıcı ekleyerek).

MBBR’nin dezavantajları arasında, taşıyıcı malzeme maliyeti ve zamanla yüzeylerin kirlenip tıkanma potansiyeli sayılabilir. Ancak uygun ön arıtma (ızgara, kum tutucu vb.) ile katı madde kaynaklı tıkanmalar önlenir. MBBR süreçleri, özellikle yüksek yükü olan endüstriyel atıksuların arıtımında ve paket arıtma ünitelerinde yaygınlaşmaktadır. Örneğin, gıda endüstrisi, balık çiftlikleri atıksuları veya hastane atıksuları gibi dalgalı debili ve konsantrasyonlu atıksularda başarılı uygulamaları vardır.

Ardışık Kesikli Reaktör (SBR)

Ardışık kesikli reaktör, klasik aktif çamur prosesinin bir varyasyonu olup kesikli (batch) çalışma prensibine dayanır. SBR sistemlerinde tek bir tank, zaman paylaşımı esasına göre hem havalandırma reaktörü hem de çökeltme tankı görevi görür. Süreç adımları ardışık döngüler halinde gerçekleşir: Besleme, reaksiyon (havalandırma), çökeltme, dekantasyon (çıkarılan suyun alınması) ve bekleme aşamalarından oluşan bir çevrim tamamlandığında, yeni bir çevrim başlar. Örneğin tipik bir SBR çevrimi birkaç saat sürer; bu sürenin ilk kısmında atıksu reaktöre alınır ve güçlü şekilde havalandırılır (organik madde giderimi ve nitrifikasyon gerçekleşir), sonra havalandırma durdurulur ve karışım aynı tankta durulur, mikroorganizmalar çöker. Ardından üstteki arıtılmış su dekantör sistemiyle alınır. Eğer azot giderimi isteniyorsa, havalandırma ve karıştırma kontrollü şekilde yapılarak anoksik evreler yaratılır (alternatif aerasyonlu SBR ile nitrifikasyon/denitrifikasyon mümkündür).

SBR sistemlerinin en büyük avantajı, ayrı bir ikincil çöktürme tankına ihtiyaç duymamasıdır; alan tasarrufu sağlar. Ayrıca esnek bir çalışma stratejisi sunar: Zamanlamalar ayarlanarak farklı atıksu karakterlerine uyum sağlanabilir. Örneğin yüksek azotlu sular için havalandırma kesintileriyle denitrifikasyon süreleri uzatılabilir. SBR’lar özellikle debinin değişken olduğu küçük yerleşimler veya bazı endüstriler için uygundur. Paket arıtma tesisleri şeklinde sıkça kullanılır.

Dezavantaj olarak, SBR’nin otomasyon ve kontrol ihtiyacı vurgulanabilir. Zamanlama çok kritiktir; yanlış ayarlanırsa arıtma verimi düşer veya sistem kararsızlaşabilir. Ayrıca çıkış suyu alımı sırasında çökeltme bozulmamalı, bu nedenle hava karıştırma sistemlerinin güvenilir olması gerekir. SBR ile %85-95 BOİ giderimi rahatça sağlanabilir, ancak işletme personelinin süreç döngülerini iyi yönetmesi şarttır. Son yıllarda geliştirilen ileri SBR prosesleri (ör. damlatmalı SBR, sürekli beslemeli SBR) ile performans ve kapasite daha da artırılmaktadır.

Oksidasyon Hendekleri ve Lagün Sistemleri

Oksidasyon hendekleri (oxidation ditch), aktif çamur prosesinin bir türevi olup uzun havalandırma süreleriyle çalışan bir sistemdir. Genellikle oval veya halkasal kanallar şeklinde inşa edilen oksidasyon hendeklerinde, su sürekli devri daim yapacak şekilde karıştırılır ve havalandırılır. Düşük yüklemeli bir sistemdir; uzun çamur yaşı (15-30 gün gibi) sayesinde karbonun yanısıra yüksek oranda nitrifikasyon ve kısmen denitrifikasyon sağlanabilir. Oksidasyon hendekleri genelde kırsal veya küçük kentsel arıtma tesislerinde tercih edilir çünkü büyük arazi gerektirirler ancak işletimleri basittir. Sürekli karıştırma yapan rotor veya pervaneler hem akım hem oksijen sağlar. Son çökeltim için genelde ayrı bir dairesel havuz bulunur. Düşük yük nedeni ile fazla çamur üretimi de azdır, bu yüzden bakım maliyetleri düşüktür. Öte yandan, enerji tüketimi sürekli karıştırma nedeniyle olabilir ve hendek uzun yol yaptığı için biraz fazladır; ayrıca sıcaklıklara duyarlıdır.

Havalandırmalı lagünler ve stabilizasyon havuzları da aerobik biyolojik arıtmanın en basit formlarındandır. Bir dizi sığ toprak veya beton havuz, atık suyu uzun süreli bekleterek doğal biyolojik arıtma yapar. Havalandırmalı lagün sistemlerinde yapay aeratörler ile oksijen sağlanır ve büyük hacimde su birkaç günlük bekleme ile arıtılır. Fakültatif lagün denen daha büyük havuzlarda ise yüzeyde alg ve oksijenli bakteriler, dip kısımda oksijensiz bakteriler birlikte çalışarak hem aerobik hem anaerobik süreçler doğal dengede gerçekleşir. Lagün sistemleri kurulum maliyeti düşük, işletmesi kolay sistemlerdir; fakat çok büyük arazi ihtiyacı, koku oluşumu ve kışın düşük verim sorunları vardır. Genellikle küçük nüfuslu yerleşimler veya endüstriyel tesislerin ön arıtımı için kullanılırlar. Özetle, oksidasyon hendekleri ve lagünler, yüksek teknoloji gerektirmeyen fakat arazi ve süre gerektiren aerobik arıtma çözümleridir.

Membran Biyoreaktör (MBR)

Membran biyoreaktörler, biyolojik arıtma ile membran filtrasyonunu birleştiren ileri bir teknolojidir. MBR sistemlerinde aktif çamur prosesi ile arıtılan atık su, ikinci bir çöktürme havuzuna alınmak yerine doğrudan sistemde bulunan mikro veya ultrafiltrasyon membranları aracılığıyla süzülür. Bu sayede katı-sıvı ayrımı çok daha verimli yapılır; çıkış suyu bulanıklığı ve askıda katı madde miktarı neredeyse sıfıra yakındır. MBR sistemleri, klasik aktif çamura göre daha yüksek biyokütle derişimiyle çalışabilir (örneğin MLSS 8-15 g/L gibi), çünkü membranlar sayesinde çamur kaçışı olmaz. Bu da reaktör hacmini küçültür veya kapasiteyi artırır.

MBR’lar genellikle iki şekilde tasarlanır: Daldırılmış (immersed) MBR sistemlerinde membran modülleri doğrudan havalandırma tankı içinde bulunur ve vakumla filtrat alınır. Basınçlı MBR sistemlerinde ise biyolojik reaktörden ayrı bir membran ünitesine atık su basınçla pompalanır. Her iki durumda da belirli aralıklarla membranlar geri yıkama ve kimyasal temizlemeye tabi tutularak tıkanmalar önlenir. MBR çıkış suyunun kalitesi yüksek olduğu için yeniden kullanım (örneğin sulama, kazan besi suyu) imkânları artar.

Membran biyoreaktörlerin avantajları arasında kompaktlık (konvansiyonel sistemlerin yarısı kadar alan), üstün arıtım performansı ve patojen giderimi (membran gözenekleri sayesinde bakteriyel arıtım) sayılabilir. Dezavantaj olarak ise yüksek enerji tüketimi (özellikle membranlarda tıkanma olmaması için sürekli havalandırma ve pompa enerjisi), membran ekipmanı maliyeti ve periyodik membran değiştirme ihtiyacı sayılabilir. MBR teknolojisi son yıllarda maliyetlerin düşmesi ve teknolojinin olgunlaşmasıyla dünyada yaygınlaşmıştır. Özellikle yer sıkıntısı olan kentsel arıtma tesisleri, ileri derecede arıtma istenen hassas bölgeler ve geri kazanım projelerinde MBR tercih edilmektedir. Türkiye’de de çeşitli belediye ve endüstri tesislerinde MBR uygulamaları başarıyla işletilmektedir.

Anaerobik Biyolojik Arıtma Yöntemleri

Anaerobik arıtma, organik maddelerin oksijensiz ortamda mikroorganizmalar tarafından parçalanmasını esas alır. Bu süreçte organik kirleticiler kademeli biyokimyasal reaksiyonlarla metan, karbondioksit, hidrojen sülfür gibi gazlara ve durağan organik son ürünlere dönüşür. Anaerobik arıtma özellikle yüksek organik yüklü atık suların arıtımında ve arıtma tesislerinden çıkan arıtma çamurlarının stabilizasyonunda yaygın olarak kullanılır. Anaerobik süreçler genel olarak aerobiklere göre daha yavaş kinetiklidir, bu yüzden reaktörlerde daha uzun hidrolik bekletme süreleri veya özel reaktör tasarımları gerekir. Aşağıda bazı önemli anaerobik arıtma sistemleri açıklanmaktadır:

Anaerobik Çürütücüler (Sindirim Tankları)

Anaerobik çürütme, uzun yıllardır atık su arıtma tesislerinin çamur işlemlerinde kullanılan bir yöntemdir. Anaerobik çürütücü (digester) adı verilen büyük kapalı tanklarda arıtma çamuru veya çok konsantre organik atıklar 20-40 gün arası bekletilerek biyolojik olarak stabil hale getirilir. Bu süreçte dört ana basamak gerçekleşir: Hidroliz (kompleks organiklerin monomerlerine parçalanması), Asidojeniz (monomerlerin uçucu yağ asitlerine fermentasyonu), Asetojeniz (uçucu asitlerin asetat, hidrojen ve CO₂’ye dönüştürülmesi) ve Metanojeniz (asetat ve hidrojenden metan ve CO₂ üretimi). Bu işlemler farklı mikroorganizma grupları tarafından ardışık olarak gerçekleştirilir. Anaerobik çürütme sonunda organik katı madde fraksiyonu %40-60 oranında azalır, elde edilen metan gazı enerji amaçlı kullanılabilir, çamurun patojen içeriği ve koku durumu önemli ölçüde iyileşir.

Anaerobik çürütücüler genelde 30-37°C civarı mezofilik sıcaklıkta çalıştırılır; bazı sistemler 50-55°C termofilik sıcaklıkta işletilerek daha hızlı ve tam hijyenik çürütme sağlanır (ancak termofilik süreçler enerji girdisi ve kontrol bakımından daha zahmetlidir). Çürütme tankları genelde silindirik betonarme yapılar olup, üst kısımlarında gaz toplanması için kubbe şeklinde çatı veya gaz haznesi bulunur. Üretilen biyogaz içindeki metan oranı %60-70 civarındadır ve yakıt olarak kullanılabilir. Büyük arıtma tesislerinde biyogazdan kojenerasyon ile elektrik ve ısı üretilerek tesis işletmesinde değerlendirilir. Anaerobik çürütme tipik olarak atıksu arıtma tesislerinin çamur hacmini azaltmak ve çamuru stabilize etmek için kullanılsa da, gıda endüstrisi gibi çok yüksek KOİ’li sıvı atıkların arıtımında da ayrı çürütücüler devreye alınabilir.

Anaerobik çürütmenin avantajları arasında düşük enerji gereksinimi (hatta enerji üreten bir süreç olması), az çamur üretimi ve değerli bir enerji kaynağı sağlaması bulunur. Dezavantajı ise yavaş proses olması ve genellikle arıtma sonrası çıkan suyun tam arıtılmamış olmasıdır (çürütme suyunun genelde aerobik bir proseste post-arıtımı gerekebilir). Ayrıca anaerobik süreçler pH dalgalanmasına ve toksik maddelere karşı hassastır; optimum pH ~7 civarı ve toksik inhibitörlerin (ağır metal, amonyak, sülfür vb.) kontrollü olması istenir. Uygun şartlarda işletilen anaerobik digestorler, atık yönetiminde sürdürülebilir bir bileşen olarak önemli rol oynar.

Yukarı Akışlı Anaerobik Çamur Yatağı (UASB)

Yüksek organik yüklü atıksuların arıtımında sıklıkla tercih edilen reaktörlerden biri Yukarı akışlı anaerobik çamur yatağı (UASB) reaktörleridir. UASB, 1980’lerde geliştirilen ve özellikle şeker, içecek, gıda endüstrisi gibi sektörlerin atıksularında başarıyla uygulanan bir sistemdir. Bu reaktörde atık su, tabanda bulunan yoğun bir anaerobik çamur yatağından alt kısımdan yukarı doğru geçirilir. Çamur yatağında bulunan mikroorganizmalar zamanla yapışkan granüler yapılar oluşturur (granül anaerobik çamur). Yükselen atık su akımı içinde bu granüller askıda kalarak adeta bir biyolojik filtre işlevi görür. Organikler mikroorganizma granülleri tarafından tüketilirken metan gazı oluşur ve yukarı yükselir. Reaktörün üst bölümünde bir gaz-ayırıcı-deflektör yapı vardır; bu üçgen veya eğimli plakalardan oluşan düzenek, gazı toplayıp dışarı çıkarırken, çamur parçacıklarının geri düşerek reaktörde kalmasını sağlar. Böylece granül biyokütle reaktör içinde tutulur.

UASB reaktörlerinin en önemli avantajı, yüksek yükleme kapasitesidir. Geleneksel bir anaerobik çürütücüden çok daha küçük hacimde aynı KOİ yükünü arıtabilir. Atık suyun ısıtılması tropik iklimlerde genellikle gerekmez, ancak soğuk iklimlerde ısıtma verimi artırır. UASB, uygun şekilde tasarlandığında KOİ’nin %70-95’ini tek kademede giderir. Arıtılmış su genellikle sonrasında bir aerobik tamamlama aşamasına verilir (örneğin UASB + aktif çamur kombinasyonu, endüstriyel atıksu arıtımında yaygındır). Bu sayede hem anaerobik hem aerobik yöntemlerin faydaları birleştirilir: Yüksek organik yükün büyük kısmı enerjiye dönüştürülür, geri kalan kısım aerobik aşamada parlatılır.

UASB ve benzeri yükselen akışlı yatak reaktörlerinin dezavantajları, granül oluşumunun zaman alması ve proses başlangıcında hassas olmasıdır. Granül çamur oluşana dek birkaç ay gerekebilir; bu süreyi kısaltmak için başka tesislerden granül çamur aşılanır. Ayrıca, yüksek sülfatlı atıksularda sülfat indirgeyen bakteriler metan bakterileriyle rekabete girip istenmeyen sülfür gazı üretebilirler; bu da hem enerji verimini düşürür hem de korozyon/koku sorunlarına yol açar. Yine de, UASB reaktörleri yüksek güçlü organik atıkların arıtımında çok başarılı bulunmuştur ve ülkemizde de pek çok fabrikada uygulanmaktadır.

Diğer Yüksek Yüklü Anaerobik Reaktörler

Yıllar içerisinde UASB teknolojisinin türevleri ve diğer inovatif anaerobik reaktör tasarımları geliştirilmiştir. Akışkan yataklı anaerobik reaktörler ve genleşmiş yataklı sistemler, UASB’nin geliştirilmiş halleri olup, granül yerine taşıyıcı destekli biofilm veya ince taneli çamur kullanarak daha yüksek yüklemelere izin verir. Anaerobik filtre reaktörleri, atık suyu sabit bir dolgu malzemesi üzerinden geçirerek biyofilm yardımıyla arıtır (genellikle daha düşük debiler için uygundur). Kapalı anaerobik lagünler, özellikle tropik bölgelerde büyük hacimli endüstriyel atıksular için kullanılan, üzeri örtülü havuz sistemleridir; düşük maliyetli olmakla beraber kontrol edilebilirlikleri düşüktür.

Geleceğin teknolojileri arasında dikkat çeken bir süreç de Anammox (Anaerobic Ammonium Oxidation) prosesidir. Bu biyolojik yöntem, anaerobik koşullarda amonyum ve nitritin direkt olarak inert azot gazına dönüştürülmesini mümkün kılar. Anammox bakterileri oksijen kullanmadan azotu giderebildikleri için atıksu arıtımında enerji tasarrufu ve düşük çamur üretimi avantajı sunar. Günümüzde anammox prosesi, özellikle arıtma tesislerinin deşarj çamuru süzüntü sularında (yüksek amonyum içerir) ve bazı endüstriyel akımlarda uygulanmaya başlanmıştır. Bu ve benzeri yenilikçi süreçler, klasik anaerobik ve aerobik yöntemlerin ötesinde hibrit yaklaşımlarla daha verimli ve esnek arıtma imkânları sağlamaktadır.

Aerobik ve anaerobik arıtma sistemleri hakkında detaylı bilgi için Filtox web sitesinde Biyolojik Arıtma sayfasını inceleyebilir, teklif talebinde bulunabilirsiniz.

Biyolojik Azot ve Fosfor Giderimi

Atıksulardaki azot (N) ve fosfor (P) bileşenlerinin giderimi, alıcı ortamlarda ötrofikasyonu önlemek ve su kalitesini korumak için kritik önem taşır. Biyolojik arıtma süreçleri, uygun tasarım ve işletme ile azot ve fosfor gidermede kimyasal yöntemlere alternatif veya destekleyici çözümler sunabilir.

Azot Giderimi (Nitrifikasyon/Denitrifikasyon): Biyolojik olarak azot giderimi, iki kademeli bir mikrobiyolojik süreçle gerçekleştirilir. İlk kademe nitrifikasyon olup, aerobik ortamda ototrofik nitrifikasyon bakterileri tarafından gerçekleştirilir. Örneğin Nitrosomonas türü bakteriler amonyum (NH₄⁺) iyonlarını nitrite (NO₂⁻) oksitler; ardından Nitrobacter gibi bakteriler nitriti nitrata (NO₃⁻) oksitler. Bu reaksiyonlar için bol çözünmüş oksijen ve uygun çamur yaşının sağlanması gerekir (nitrifikasyon yapan bakteriler yavaş ürer, genelde ≥10 gün çamur yaşı istenir). İkinci kademe denitrifikasyon olup, anoksik ortamda heterotrofik denitrifikant bakteriler tarafından gerçekleştirilir. Denitrifikasyonda nitrat, karbon kaynağı varlığında (organik madde veya eklenen metanol vb.) biyolojik olarak azot gazına indirgenir ve gaz halde N₂ atmosfere çıkar. Denitrifikasyonun başarılı olması için ortamda serbest oksijenin olmaması fakat mikroorganizmaların kullanabileceği organik karbon bulunması gerekir. Bu yüzden mühendislikte genelde atıksudaki mevcut organik maddeyi kullanmak için ön denitrifikasyon (anoksik havuzun, aerobik havuzun önüne alınması) veya ayrı bir son denitrifikasyon evresi tasarlanır. Ön denitrifikasyonlu sistemlerde, giriş atıksu anoksik havuza verilir ve burada geri devirle gelen nitrata karşı organik madde kullanılarak denitrifikasyon olur; sonra aerobik havuzda nitrifikasyon gerçekleşir. Bu döngü sayesinde toplam azot önemli ölçüde giderilebilir. Tam nitrifikasyon-denitrifikasyon sağlayan ileri biyolojik sistemlerde, çıkış toplam azot konsantrasyonu 10 mg/L altına indirilebilir ki bu çevresel koruma açısından çok değerlidir.

Fosfor Giderimi (Biyolojik Fosfor Removal – Bio-P): Atıksudaki fosforun biyolojik giderimi, polifosfat akümüle eden organizmalar (PAO) adlı özel bakterilerin aktivitelerine dayanır. Bu süreçte, sistemde aerobik ve anaerobik ortamın ardışık varlığı kullanılır. İlk olarak atıksu, anaerobik bir hazneye alınır; burada PAO bakterileri oksijen ve nitrat bulunmayan bu ortamda hücre içi depoladıkları polifosfat zincirlerini parçalayarak ortama fosfat iyonları salarlar. Bu parçalama ile açığa çıkan enerjiyi kullanarak ortamdaki çözünmüş basit karbonları (uçucu yağ asitleri, örn. asetat) hücre içinde depolarlar (PHA adı verilen polimerler şeklinde). Ardından atıksu aerobik ortama geçtiğinde, bu PAO’lar depoladıkları karbonu tüketerek büyürken ortamdaki fosfatı yüksek miktarda tekrar hücre içine çekerler ve polifosfat olarak depo ederler. Böylece ortamdaki fosfor konsantrasyonu düşer. Sonrasında bu zengin polifosfat içeren biyokütle sistemden atık çamur olarak uzaklaştırıldığında, fosfor gidermiş oluruz. Biyolojik P gideriminin gerçekleşebilmesi için sistemde uygun bir anaerobik-aerobik bölge dizaynı ve yeterli uçucu yağ asidi kaynağı bulunmalıdır. Genellikle evsel atıksularda biyolojik P giderimi iyi çalışır zira giriş atıksuda yeterli organik asit üretebilecek biyoçözünür madde vardır. Endüstriyel atıksularda gerekirse harici karbon kaynağı dozu ile (ör. asetat) Bio-P desteklenir.

Biyolojik azot ve fosfor giderimi genellikle entegre süreçlerle yürütülür. Örneğin A²/O prosesi (anaerobik-anoksik-oksik) yaygın bir gelişmiş arıtma sistemi olup sırasıyla fosfor ve azot giderimini kombineler. Diğer bir kompleks sistem olan Bardenpho prosesi dört veya beş kademeli bir tank dizisi ile çok düşük seviyelere kadar N ve P giderimi sağlayabilir. Bu tip gelişmiş sistemler, alıcı ortamın çok hassas olduğu durumlarda (içme suyu rezervuarları, kapalı körfezler gibi) uygulanır. Sonuç olarak, doğru tasarım ve işletmeyle biyolojik yöntemlerle toplam azot ve toplam fosfor değerlerini çevre mevzuatının gerektirdiği sınırların altına indirmek mümkündür.

Tasarım ve İşletme Parametreleri

Biyolojik arıtma sistemlerinin başarılı olabilmesi için kritik tasarım ve işletme parametrelerinin dikkatlice belirlenmesi ve kontrolü gerekir. Hidrolik Bekletme Süresi (HRT) ve Çamur Yaşı (SRT) bunların başında gelir. HRT, atık suyun biyolojik reaktörde ortalama kalma süresidir ve yeterli arıtma reaksiyonlarının gerçekleşmesi için belirli bir değerin altına düşmemelidir (örneğin bir aktif çamur sisteminde tipik HRT 4-8 saat mertebesindedir, oysa bir UASB reaktöründe 1-2 gün olabilir). Çamur yaşı ise sistemdeki biyokütlenin yenilenme hızını ifade eder; nitrifikasyon gibi yavaş süreçler için uzun çamur yaşları (10-20 gün) gerekirken, sadece karbon giderimi için daha kısa çamur yaşları yeterli olabilir.

Bir diğer önemli parametre F/M oranı (gıda/mikroorganizma oranı) olarak bilinen günlük beslenen BOİ yükünün mevcut uçucu askıda katı madde (mikroorganizma) kütlesine oranıdır. Düşük F/M (yüksek biyokütle, düşük besi) genellikle uzun havası veya uzatılmış aerasyon sistemlerini ifade eder, ki bu durumda fazla çamur üretimi de az olur (otoyemleme baskın gelir). Yüksek F/M ise yüksek yüklü sistemleri gösterir; bu durumda mikroorganizmalar genç ve aktiftir fakat çok çamur üretirler. Tasarımcılar, istenen arıtma verimi ve çamur üretimi dengesine göre F/M oranını belirlerler (genelde 0.2-0.5 kg BOİ/kg SS-gün tipiktir).

Oksijen transfer verimliliği ve enerji kullanımı, özellikle aerobik sistemlerin tasarımında büyük rol oynar. Havalandırma cihazlarının (difüzörler, yüzey aeratörler) seçimi yapılırken suya oksijen aktarım kapasiteleri hesaplanır ve istenen çözünmüş oksijen seviyesini (genelde 1-3 mg/L arası) sürekli sağlayacak şekilde boyutlandırılırlar. Yüksek basınçlı ince kabarcıklı difüzör sistemleri daha enerji verimli iken, yüzey aeratörleri bakım kolaylığı sunabilir; tasarım bunu gözetir.

Sıcaklık, biyokimyasal reaksiyon hızını etkileyen kritik bir çevresel faktördür. Çoğu biyolojik arıtma prosesi mezofilik aralıkta (20-37°C) en verimli çalışır. Evsel atıksularda sıcaklık iklime bağlı olarak kışın düşebilir, bu durumda özellikle nitrifikasyon hızı yavaşlar. Soğuk iklimde tasarım yapılırken daha büyük hacim (daha uzun bekletme süresi) öngörülür veya reaktörlerin üzeri kapatılarak ısı kaybı azaltılır. Sıcaklığın çok yüksek olması da (örneğin >40°C) istenmez çünkü birçok mikroorganizma için üst sınır aşılır. Endüstriyel atıksularda soğutma kuleleri veya ısı eşanjörleriyle atıksu sıcaklığı biyolojik sisteme uygun aralığa çekilir.

pH ve alkalinite de özellikle nitrifikasyon ve anaerobik süreçler için takip edilir. Nitrifikasyon asit üreten bir reaksiyon olduğu için sistemin alkalinite tamponu yeterli değilse pH düşebilir; bu durumda soda veya kireç ile pH düzeltmesi tasarıma dahil edilebilir. Anaerobik reaktörlerde ise metan oluşumu için pH 6.8-7.2 aralığı idealdir; asit oluşum fazı fazla ilerleyip pH düşerse metan bakterileri inhibe olur. Bu nedenle giriş karakteri ve dozajlar kontrol edilerek veya kimyasal eklenerek pH stabil tutulur.

Son olarak, besin elementleri (N, P, iz elementler) dengesine değinmek gerekir. Biyolojik arıtmanın sürdürülebilir olması için mikroorganizmaların hücre sentezi yapabilmesi adına yeterli azot ve fosfor bulunmalıdır. Genel bir kural olarak arıtılacak organik yükün C:N:P oranı ~100:5:1 civarında olmalıdır. Evsel atıksular bu dengeye sahiptir ancak bazı karbon ağırlıklı endüstriyel atıksularda (örneğin şeker fabrikası, kağıt fabrikası atığı) azot veya fosfor eksik olabilir. Bu durumda eksik besi elementi dışarıdan ilave edilir (örneğin üre ile azot, fosforik asitle fosfor ekleme gibi). Aynı şekilde, bazı iz metal ve vitaminler anaerobik reaktörlerde kritik olabilir (ör. nikel, kobalt, selenyum gibi metan bakterileri için gerekli eser elementler); bunlar ihtiyaç halinde iz dozlarda ilave edilerek biyolojik aktivite desteklenir.

Biyolojik Arıtmanın Avantaj ve Dezavantajları

Biyolojik arıtma yöntemleri, atıksu arıtımında kimyasal ve fiziksel yöntemlere göre pek çok avantaja sahiptir. En büyük avantajı, doğal süreçlere dayanması ve sürekli kimyasal madde eklemeye genellikle ihtiyaç duymamasıdır. Mikroorganizmalar uygun şartlarda kendiliğinden üreyerek kirleticileri giderir, bu da işletme maliyetlerini düşük tutar. Özellikle evsel atıksularda biyolojik prosesler, kimyasal arıtmaya kıyasla çok daha ekonomiktir ve büyük hacimlerde suyu arıtmak için uygulanabilirliği yüksektir. Ayrıca biyolojik arıtma, organik kirleticileri tamamen mineralize edebildiği için kalıcı bir bertaraf sağlar; kimyasal oksidasyon gibi yarı parçalanmış yan ürün bırakmaz. Biyolojik yöntemler doğru tasarımla azot ve fosfor gibi besin maddelerini de giderebildiğinden alıcı ortam kalitesini korumada etkilidir.

Bununla birlikte, biyolojik arıtmanın bazı dezavantajları ve kısıtları da mevcuttur. En önemli dezavantajlarından biri, mikroorganizmaların canlı varlıklar olması nedeniyle prosesin hassas oluşudur. Ortam koşullarındaki değişimlere (sıcaklık, pH, toksik madde gelisi, yük dalgalanmaları) karşı biyolojik sistemler tepki verebilir veya performans kaybı yaşayabilir. Örneğin konsantre bir toksik atık deşarjı biyolojik reaktördeki mikrop populasyonunu öldürebilir ve arıtma durabilir. Bu nedenle endüstriyel atıksu arıtımında biyolojik sisteme girmeden önce dengeleme ve gerekiyorsa nötralizasyon, toksik giderimi gibi önlemler alınır.

Bir diğer dezavantaj, atıksuda biyolojik olarak parçalanamayan kirleticilere karşı etkisiz olmasıdır. Ağır metaller, klorlu organikler, bazı sentetik kimyasallar biyolojik arıtmada giderilemez veya çok yavaş giderilir. Bu tür maddeler için kimyasal arıtma, adsorpsiyon veya ileri oksidasyon prosesleri gerekebilir. Biyolojik arıtma genellikle BOİ/KOİ oranı yüksek (biyolojik parçalanabilirliği iyi) atıksular için uygundur. KOİ’nin büyük kısmı inert olan atıksularda biyolojik proses yeterli sonuç vermez.

Biyolojik arıtmanın yan ürünü olarak oluşan arıtma çamuru da bir dezavantaj sayılabilir. Mikroorganizma biyokütlesi zamanla fazla çamur olarak sistemden alınır ve bu çamurun işlenmesi/bertarafı ayrı bir süreç gerektirir. Çamur genelde susuzlaştırılarak kurutulur ve düzenli depolama, yakma veya tarımsal toprak iyileştirici olarak kullanım gibi yöntemlerle bertaraf edilir. Fazla çamur miktarı aerobik sistemlerde daha yüksektir. Anaerobik sistemler bu açıdan avantajlı olup daha az çamur üretir ve üstelik çamur genelde stabilize çıkmış olur.

Özetle, biyolojik arıtma; işletme maliyetlerinin düşüklüğü, çevre dostu oluşu ve birden fazla kirletici parametrede etki gösterebilmesi yönüyle çok tercih edilen bir teknolojidir. Enerji üretimi gibi ekstra faydalar da (özellikle anaerobik proseslerde biyogaz) mümkündür. Ancak biyolojik sistemlerin kararlılığı için uzman işletme, sürekli izleme ve gerektiğinde destekleyici önlemler (ısıtma, kimyasal dozlama, toksik kontrolü vb.) gerekebileceği unutulmamalıdır. Doğru şekilde uygulandığında biyolojik arıtma, sürdürülebilir atıksu yönetiminin bel kemiğini oluşturan, etkin ve ekonomik bir yöntemdir.

Sonuç ve Gelecek Gelişmeler

Biyolojik arıtma, su ve atıksu arıtım teknolojilerinin merkezinde yer alan bir yöntem olarak geçmişte olduğu gibi günümüzde de önemini korumaktadır. Mühendislik birikimi arttıkça, klasik sistemlerin verimliliğini artıracak ve yeni uygulama alanları yaratacak gelişmeler ortaya çıkmaktadır. İleri oksidasyon ve membran teknolojileri ile entegre edilen biyolojik prosesler, çok düşük kirletici konsantrasyonlarına ulaşmayı mümkün kılmaktadır. Örneğin MBR sonrası ters ozmoz ile neredeyse saf su kalitesine erişilerek endüstrilerde suyun geri kazanımı sağlanabilmektedir.

Yeni nesil biyolojik arıtma proseslerinde granüler aktif çamur ve aerobik granül teknolojisi dikkat çekmektedir. Bu yaklaşımda mikroorganizmalar serbest yüzen floklar yerine yoğun granüller oluşturur; bu granüller çökelmesi hızlı, yük taşıma kapasitesi yüksek biyokütlelerdir. Hollanda kökenli Nereda prosesi gibi aerobik granül teknolojileri, geleneksel aktif çamura kıyasla daha kompakt tesis tasarımına imkân vermektedir. Benzer şekilde, taşıyıcılı fluidize yatak reaktörleri ve IFAS sistemleri gibi hibrit yaklaşımlar mevcut tesislerin kapasitelerini artırmak veya arıtma kalitesini yükseltmek için kullanılmaktadır.

Bir diğer önemli eğilim, yanaşık akım çamur arıtma ve enerji pozitif arıtma tesisleri konseptidir. Atıksu arıtma tesisleri, entegre biyolojik proseslerle kendi enerjilerini üretebilen tesislere dönüşmektedir. Özellikle büyük ölçekli belediye tesislerinde, giriş organik yükünden maksimum metan kazanımı, çamurun yakıt olarak değerlendirilmesi ve güneş/rüzgar gibi yenilenebilirlerle desteklenerek enerji fazlası veren tesisler kurulmaktadır. Biyolojik arıtma bu dönüşümde kilit rol oynamaktadır.

Sonuç olarak, biyolojik arıtma teknolojileri hem mühendislik hem de bilimsel açıdan sürekli gelişim halindedir. Türkiye’de de gerek belediyeler gerek sanayi, atıksu arıtımında biyolojik prosesleri yoğun biçimde kullanmaya devam etmektedir. Gelecekte daha sıkı deşarj standartları ve su yeniden kullanım hedefleri, biyolojik arıtmanın diğer yöntemlerle kombine edilerek daha inovatif çözümlere evrilmesini teşvik edecektir. Ancak özünde, doğal biyokimyasal döngüleri esas alan biyolojik arıtma, sürdürülebilir su yönetiminin vazgeçilmez bir unsuru olmayı sürdürecektir. Bu kapsamlı raporda ele alınan prensipler ve yöntemler, mühendis ve akademisyenlerin yanı sıra konuyla ilgilenen herkes için biyolojik arıtmanın ne olduğuna dair derinlemesine bir bakış sunmayı amaçlamaktadır.