4.2. Mekanik Prosesler

4.2.1. Sedimentasyon

Sedimantasyon, su veya atıksu arıtmada kullanılan eski birim operasyonlarından biridir (Reynolds, 1982) . Sedimantasyon süreci, arıtma tesisi süreçlerinde katı maddeleri azaltmak için bulanık su kaynaklarından ağır çöken maddelerin çıkarılmasıdır (Willis, 2005). Sedimantasyon prensipleri, su veya atıksu arıtmada kullanılan havzalar için aynıdır: ekipman ve operasyonel yöntemlere de benzer (Reynolds, 1982).

Sedimantasyon süreci kil ve silt bazlı bulanıklık, doğal organik madde ve diğer ilgili kirlilikler dahil olmak üzere birçok partikülleri temizler. Bu yabancı maddeler mikrobiyal kontaminantları, toksik metaller, sentetik organik kimya, demir, manganez ve hümik maddeler bulundurmaktadır. Topraktan gelen humik maddeler gibi bitki örtüsünün çürümesi olarak kimyasal ve biyolojik işlemlerle doğal su ve sedimanlar içinde üretilmektedir. İçme suyundan humik maddeler uzaklaştırılması, suya klorin eklendiğinde, bu ürünlerde dezenfeksiyon oluşması nedeniyle arzu edilir (URL 11).

Şekil 4.13. Sedimantasyon Havzası Şematik Görünümü (URL 12)

Flokülasyondan sonra, su, flok çökeltme veya yerleşme havzaları olarak bilinen büyük havzalar boyunca yavaş hareket eder (Şekil 4.13).  Bu topaklanma havzanın altına yerleşmesi için izin verir. Havzaların altına düşen flok bitki operatörleri tarafından günde birkaç kez çıkarılır ve büyük oranda bir döner kazıyıcı ile haznenin içine alınır. (Tedavi artıklar olarak anılacaktır) Floc katman üzerinde temiz su sedimantasyon havzası dışına ve filtrelere akar. Sedimantasyon havzasında parçacıkların giderilmesi, sedimantasyondan sonraki arıtma sürecini rahatlatır ve filtrelerin çalışmasını geliştirir.

İçme suyu arıtmasında, sedimantasyon genellikle daha büyük bir boyutta flocs ile bir araya gelerek parçacıkları gruplar ve kimyasal koagülasyon ve flokülasyon bunu izler. Bu askıdaki katı madde yerleşme hızını artırır ve jellere yerleşme olanağı sağlar (URL 13).

Şekil 4.13. Sedimantasyon Havzası Şematik Görünümü (URL 12)

Sedimentation in potable water treatment generally follows a step of chemical coagulation and flocculation, which allows grouping particles together into flocs of a bigger size. This increases the settling speed of suspended solids and allows settling colloids (URL 13).

4.2.1.1. İçmesuyu Arıtmalarında Niye Sedimentasyon Kullanıyoruz?

Çökeltme, süspansiyondaki katıların ayrılması için yerçekimine bağlı olarak çökelme kullanılarak katı-sıvı ayrılmasıdır. Su arıtımındaki ana uygulamaları şunlardır (1982 Reynolds):

1. hızlı kum filtrasyonu arıtma öncesi yüzey sularının düz yerleşimi.
2. hızlı kum filtrasyonu öncesinde pıhtılaşmış ve floküle suların yerleşmesi
3. Kireç-soda tipi yumuşatma tesisinde floküle sularda pıhtılaşmış yerleşme
4. Demir ya da manganez giderme tesisinde arıtılmış suların yerleşmesi.

4.2.1.2.  Konvansiyonel Sedimantasyon Tasarımı                  

Arıtmada kullanılan sedimantasyon havzaları, dikdörtgen, kare veya yuvarlak tasarımlı yatay akış tipleri vardır. Hem uzun, dikdörtgen havzaları ve dairesel havzaları yaygın olarak kullanılır; seçim yerel koşullara, ekonomi ve kişisel tercihlere dayanmaktadır. Havzaları aslında birkaç ay çamur depolamak için tasarlanmıştır ve periyodik yıkama manuel temizlik için hizmet dışına alınmıştır. Çoğu havzaları son zamanlarda sürekli veya sık sık zamanlama mekanik ekipman ile temizlenmek üzere tasarlanmıştır (Willis, 2005).

Mevcut sedimantasyon tankları için tasarımların çeşitleri vardır ve şunları içerir (URL12):

• Geniş dikdörtgen tanklarda, su bir taraftan girer ve diğer ucundan çıkar. Bu tipler normalde büyük konvansiyonel arıtma tankları olarak kullanılır.
• Düz veya koni şekilli dipleri ile dairesel tanklar da özellikle küçük işlerde kullanılır. Pıhtılaşmış su, merkezi bir dağıtım bölümünden girer vetemiz su diğer taraftan çıkar. Sedimantasyon tankında tasarım ve akış koşulu,minimum miktarda yaprak sui le birlikte çıkmalıdır.

Sedimantasyon tankında çökelme maddelerinin tank içinde birikmesini önlemek için düzenli bir şekilde uzaklaştırılmalıdır, yoksa çamurlar tankın alt kısmında toplanır. Çamur işletim programlarına göre düzenli olarak geri alınmazsa, suyun kalitesi yeniden bozulabilir.

Bu koagülasyon için kullanılan kimyasal maddeler ile birlikte kaldırıldığı için ve tüm süspansiyon malzeme içerdiği için, sedimantasyon tankında çamurdan dolayı büyük kirlenme potansiyeli vardır. Bu nedenle su kaynağının kirlenmesini önlemek için uygun bir şekilde imha edilmelidir. Çamur, bir seyreltilmiş formda (% 2-5 katı) sedimantasyon tankından çekilir ve bazen de atılmadan önce kalınlaştırılır. 

4.2.1.3. Sedimentasyon Prosesini Etkileyen Faktörler

Yoğunluğu ve asılı parçacıkların, su sıcaklığı, türbülans, akış, alt oyulma ve flokülasyon  istikrar boyutunu: sedimantasyon sürecini etkileyenler aşağıdaki faktörlerdir  (URL 14):

• yoğunluk - parçacıkların daha fazla yoğunluk, daha hızlı parçacıklar olarak yerleştirilmesi
• boyutu - parçacıklar büyükse, daha hızlı yerleştirilirler
• Sıcaklık - Suyun sıcaklığı düşük, yüksek viskoziteli, yani yavaş parçacıklar olarak yerleştirilirler,
• türbülans - akışı daha çalkantılı, yavaş parçacıklar olarak yerleştirilir,
• istikrar - istikrarsızlık parçacıkların çökmesini etkileyen, bir kısa devre akımı neden olabilir
• Alt oyulma - alt oyulma sırasında, parçacıklar yeniden askıya alınır, yerleştirilir ve atık ile yıkanır
• flokülasyon - çökelme hızı artan büyük parçacıklar halinde flokülasyon ile sonuçlanır.

4.2.2. Filtrasyon

Sıvılardan katıların ayrılması için bir birim işlem olup filtrasyon, klor, klor yan ürünleri ve VOC’ları çıkarma kapasitesine sahip üç su saflaştırma yöntemlerinden sadece bir tanesidir (Şekil 4.14). Klor ve VOC’ta evsel arıtma içme suyunun en tehlikeli ve tehdit edici kirleticileri vardır. Bu tehlikeli kimyasalların çıkarılmasının yanı sıra, su filtreleri de suya klor dayanıklı protozoon giardia ve Cryptosporidium’u içmesuyundan çıkartmak gerekir. Bu protozoon birkaç yıldır su arıtma sanayine giren ve şiddetli mide-bağırsak hastalığına neden olan bir dizi salgın hastalıklara neden olmuş bir maddedir (URL 15; Sincero ve Sincero, 2003e).

Filtrasyonun amacı, gözenekli bir malzeme tabakası üzerinden su geçirilerek su içinde süspanse olan partikülleri ortadan kaldırmaktır. Kolloidal madde adsorpsiyon ya da pıhtılaşma ve çökelme ile tutulurken daha büyük partiküllerin, süzme ve sedimentasyon ile korunduğu görülür. Biyolojik etkileşimler su gözenekli kütlenin üzerinden çok yavaş geçer  (Chen ve diğ., 2005).

Şekil 4.14. Pratikte Kullanılan Filtrasyon Mekanizması (URL 16)

Topaklanma su temininin altına yerleştikten sonra, üst berrak su bileşimleri değişik kombinasyonlardaki ve gözenek boyutlarındaki filtrelerden (kum, çakıl, ve kömür) geçerek ve toz, parazitler olarak çözünmüş parçacıklar, bakteri, virüs, ve kimyasalları kaldırırlar (URL 17).

Filtreleme sisteminde kullanılan devinim kuvvetinin uygulanması yöntemini açıklamak için kullanılan üç temel terim vardır: vakum filtrasyonu, basınçlı filtrasyon ve gravite filtrasyonu (Chen ve diğ., 2005). Filtreler yerçekimi, basınç veya vakum filtreler olarak sınıflandırılabilir. Yerçekimi filtreler filtre içinden suyu geçirmek için bir basınç farkı oluşturmak için yerçekimini kullanırlar. Öte yandan, basınç ve vakum filtreleri filtre içinden suyu geçirmek için gerekli basınç farkı yaratmak için bazı mekanik araçlar uygulaması gereken filtrelerdir. Filtrasyon ortamı, delikli tabakalardan, delikli dokunmuş malzemelerden veya kum gibi granül malzemelerden yapılabilinir. Bu durumda, kullanılan araçlara göre filtreler de delikli plaka, dokuma septum veya granüler filtreler olarak sınıflandırılabilir. Yukarıda belirtilen microstrainer filtrasyon ortamı delikli plaka taşımaktadır. Plaka ve çerçeve presleri ve vakum filtrelerinde kullanılan filtre ortamı dokuma malzemelerden yapılır (Sincero ve Sincero, 2003e).

4.2.2.1. Konvansiyonel Filtrasyon

Filtrasyon sistemi kirletici maddeyi, örneğin granüler ortamdaki kumdan suyu geçirerek sudaki zararlı maddeleri elimine eder. Bunların etkinliği büyük ölçüde değişiklik gösterir, ve  bu sistemler bulanıklık ve renk kaygılarını gidermede, hem de Giardia ve Cryptosporidium, bakteri, virüsleri arıtmada da kullanılırlar (URL 18).

Geleneksel filtrede,önce demir veya alüminyum tuzları ile bir ön arıtma için kimyasal koagülant hazırlanır, daha sonra bu kaynak suyuna ilave edilir. Karışım daha sonra yavaş yavaş karıştırılarak, çöken parçacıkları, yumakları ve flocları daha büyük ve daha kolay taşınabilir hale getirmeye çalışır (URL 18).

Bu sistemlerden sonra, sedimentasyon adımı kullanılır. Flocların oluşturduğu flokülasyon ile  su, bu süreçte doğal yerçekimi tarafından dışarıya verilir. Bu kirleticiler periyodik kaldırılır bir "çamur" olarak sistemin altında toplanır (URL 18).

4.2.2.2. Direk Filtrasyon

Filtrasyon sistemi kirletici maddeyi, örneğin granüler ortamdaki kumdan suyu geçirerek sudaki zararlı maddeleri elimine eder. Bunların etkinliği büyük ölçüde değişiklik gösterir, ve  bu sistemler bulanıklık ve renk kaygılarını gidermede, hem de Giardia ve Cryptosporidium, bakteri, virüsleri arıtmada da kullanılırlar (URL 18).

Geleneksel filtrede,önce demir veya alüminyum tuzları ile bir ön arıtma için kimyasal koagülant hazırlanır, daha sonra bu kaynak suyuna ilave edilir. Karışım daha sonra yavaş yavaş karıştırılarak, çöken parçacıkları, yumakları ve flocları daha büyük ve daha kolay taşınabilir hale getirmeye çalışır (URL 18).

Bu işlemler tamamlandıktan sonra, geri kalan partiküller fiziksel olarak filtrelere takılacaklar ve su filtrelerden geçecektir. Asılı parçacıklar pıhtılaştırıcı tarafından destabilize edilecek ve böylece filtre malzemesine takılmaları daha kolay olacaktır (URL 18).

Bu sistemlerden sonra, sedimentasyon adımı kullanılır. Flocların oluşturduğu flokülasyon ile  su, bu süreçte doğal yerçekimi tarafından dışarıya verilir. Bu kirleticiler periyodik kaldırılır bir "çamur" olarak sistemin altında toplanır (URL 18). 

Direk filtrasyon, nispeten daha kolay bir filter sistemidir ve ekonomik olarak çekicidir. Suyu arıtmada oldukça başarılıdır, yalnız suyun iyi ve temiz bir kaynaktan gelmesi, sabit debide olması ve düşük türbülansta olması gerekir. Yüksek algaelerde filtreleri tıkayabilir (URL 18).

4.2.2.3. İki Atomlu Toprak Filtre

Diatome toprak filtre, fiziksel olarak basitçe kaynak suyundan süzülen partikülleri kaldırmak için kullanılır. Proses, Giardia, Cryptosporidium, yosunların kaldırılmasında etkili olup, derecelerine göre bazı bakteri ve virüsleri de yok ederler (URL 18).

Bu sistemdeki filtre, silisli toprak, diatomlar adı verilen tek hücreli deniz canlılarının ezilmiş, fosilleşmiş kalıntılarından oluşmuş unlu, kireçli bir maddeden oluşur (URL 18).

Su iki kuvvet çıkış tarafında, pompalarla basınçla içeriden çıkarılır veya dışarıdan vakumla dışarıya çekilir (URL 18).

Bu filtrasyonda diğer formlardan farklı olarak, pıhtılaşma kimyasalları, genellikle kirletici parçacıkların topaklaşmasını geliştirmek için kullanılmaz. Bu sınırlama nedeniyle, diyatomeli toprak filtre inorganik kirletici maddelerden  yoksun daha yüksek kalitede bir kaynak su için daha uygundur (URL 18).

4.2.2.4.Yavaş Kum Filtresi 

Yavaş kum filtrasyonu etkin bir Giardia ve Cryptosporidium gibi protozoa dahil- su bazlı hastalığa neden olan mikroorganizmaların yanı sıra bakteri kaldırmak ve ilk arıtmaya  öncülük etmek için uygun olup, Avrupa kentlerinde bu hastalık oranlarından dolayı arıtmaya öncülük etmiştir (URL 18).

Bu sistemler ile arıtmada su, yavaş yavaş yaklaşık 2 ila 4 feet (0.6 ila 1.2 metre) derin bir kum yatağı boyunca geçmesine izin verilir. Yolda, fiziksel ve biyolojik süreçlerin bir kombinasyonu su filtreler ve kirletici maddeleri  ortadan kaldırır (URL 18).

Tekrarlanan kullanımdan sonra, kum yatağında çok sayıda bakteri, yosun, protozoon, rotifer, kopepodları ve su solucanları bulunur. Onlar 10 ° C'nin altında su sıcaklıkları ile yavaşlatılabilir olsa da, bu mikroorganizmalar, kirleticilerin kaldırılmasında filtrasyon işlemine yardımcı olurlar. Bu organizmaları barındıran kum "olgunlaşmış" olduğu söylenen ve temiz ya da yeni kum tercih edilebilir. Su içeriği ve sıcaklığına bağlı olarak, kum olgunlaştırmak için birkaç hafta veya ay sürebilir. Süreç sonunda kum yatağı tıkanır, akış hızı yavaşlar ve genellikle akış veya "geri yıkamayı" ters çevirerek, kum yatağını açmaya çalışılır (URL 18).

Klor, yavaş kum filtresinin üzerinde zararlı bir etki yapabilir, onun için burada klor kullanılamayabilir. Bu nedenle, su klor ile dezenfekte edilmek üzere, süzme işleminden geçtikten sonra, depolama tesislerinde muameleye tabi tutulabilir (URL 18).

Depolama ayrıca sistemin su çıkışına esneklik eklemek için yardımcı olur. Yoğun talep zamanlarında artan su hacimleri karşısında yavaş kum filtre sistemleri talebi karşılayamaz, düşük talep dönemlerinde de  daha az çalıştırılamaz (URL 18).

Yavaş kum sistemleri, sadece bulanıklık ve yosun seviyeleri düşük ve renk kirlenmesi olmayan kaynak sularında iyi çalışır. Bu sistemler kum yatak yapışmasına neden olabilir -ki yüksek yosun veya kil içeriği ile özellikle mücadele eder. Besin açısından zengin bir kaynak suyu, diğer taraftan, biyolojik bileşeni  artırarak yavaş kum filtreleri temizleme etkisine yardımcı olabilir (URL 18).

Yavaş kum sistemleri genellikle basit, az bakım gerektirir ve düşük işletme maliyetleri vardır (URL 18).

4.2.2.5. Torbalı/Kartujlu Filtrasyon

Filtrasyon sistemleri suyu gözenekli malzemelerden geçirerek kirliliğini arıtır (URL 18).

Çanta ve kartuş filtreler basit ve kolay-işletilen sistemlerdir, su filtre ortamından geçerken, örgülü torba veya dokunmuş telle filtre edilmiş kartuj, fiziksel olarak suyun içindeki mikropları ve çökelmiş maddeleri toplar (URL 18).

Bu sistemler Giardia kistlerine karşı etkilidir, ancak bakteri, virüs ya da kimyasal maddeleri ortadan kaldırmak için yeterli değildir. Böylece, daha kaliteli kaynak suları ve sınırlı bulanıklığa  sahip olanlar için en uygun olan sistemdir(URL 18).

Çanta ve kartuş teknolojisi hızla gelişmktedir ve küçük ölçekli arıtma tesislerinde kullanılmak üzere özel olarak tasarlanmıştır. Bu tür sistemler de operatör tarafında gerekli biraz beceri ile, işletme ve bakım kolaylığı sağlar. Maliyetler, filtrelerin ne kadar sıklıkta değiştirilmesi gerektiğine bağlı olarak değişkendir (URL 18).

Diğer birçok filtreler gibi, kartuşlar sudaki büyük partiküller nedeniyle çabucak tıkanabilir, onun için düşük bulanıkta su tercih edilir. Alternatif olarak, fiziksel olarak daha büyük partikülleri ortadan kaldırmak için kum, örgü yüzeyler, kartuşlar ve diğer maddeleri kullanan "kaba filtreler" su ön arıtması olarak kullanılabilinir (URL 18).

Filtreleme malzemeleri, kaynak su partikülleri yüksek olduğu zaman daha sık aralıklarla değiştirilmesi gerekir (URL 18).

Bu sorun bir dezenfektan kullanımı ile temperli olabilir ama çanta ve kartuş sistemleri tekrarlanan kullanımı ile mikroplar, filtreler gelişebilir. Su test kaynak suyu virüs temizleme gerekli olduğunu ortaya koymaktadır ve dezenfektanlar da gerekebilir (URL 18).

4.2.2.6. Seramik Filtrasyon

Seramik filtreler genellikle saksı ya da bir kase gibi şekillenir ve bir dezenfektan olarak küçük, kolloidal gümüş parçacıklar ile emprenye edilir ve filtre bakteri üremesini önlemek için kullanılırlar. Laboratuvar testleri göstermiştir ki, doğru dizayn edilmiş ve üretilmişlerse, hemen hemen tüm bakteri ve protozoon parazitleri devre dışı bırakabilirler. Virüslere karşı etkinliği bilinmektedir (URL 18).

Temizlik ve filtrenin bakımı önemlidir; böylece diğer düşük maliyetli kullanım sistemlerinde olduğu gibi, en iyi güvenli depolama, filtre temizleme ve diğer önerilen uygulamalar, bir eğitim programı ile öğretilir (URL 18).

Seramik filtre avantajları kendi kullanım kolaylığı, (kırık değilse), uzun ömürlü ve oldukça düşük maliyetlidir. Klor kalıntı olmadığından ve nispeten düşük bir akış hızı tipik olarak 1 ila 2 L / saat olduğundan, dezavantajı depolanan suyun kirlenme olasılığını içerir (URL 18).

4.2.2.7. Biosand filtrasyon

Yavaş kum sistemleri son zamanlarda özellikle gelişmekte olan ülkelerde, nokta-kullanım sistemleri için adapte edilmiştir. Bu bağlamda genellikle "biosand" filtreleri olarak bilinir (URL 18). En sık olarak, bir biosand filtre kum dolu küçük boylu en fazla bir metre ve genişliği ve derinliği, belki de 30 cm, bir kap, şeklini alır. Tamamen geliştirmek için bir hafta ya da iki hafta alır, biyolojik olarak aktif tabaka, kum üstünden su seviyesini tutarak muhafaza eder. Yavaş kum filtreleri ile olduğu gibi, bu biyoaktif tabaka, filtre absorbe, yok etme veya patojenleri etkisiz hale getirmesinde yardımcı olur. Bir gözenekli levha genellikle su ilave edildiğinde biyoaktif tabakayı etkileyebileceğinden kum üzerinde yer almaktadır. Kullanıcılar sadece aparatın üst kısmına su döker ve çıkışta arıtılan suyu toplarlar (URL 18).

Laboratuar ve saha testlerinde görüldüğü üzere, biosand filtreler neredeyse tüm protozoa ve bakterilerin çoğunu kaldırmıştır. Virüsler ile olan performansları iyi kurulmamıştır (URL 18).

Cihaz yaygın olarak bulunan ve nispeten ucuz olan betondan inşa edilebilir. Bakım, genellikle ayda bir, kum üst yüzeyini sallayarak ve elle asılı malzemelerin toplanmasından oluşan oldukça basit bir yöntemdir. Çok az veya hiçbir parça değişmeyeceği için de bakım maliyeti oldukça düşüktür (URL 18).