PIHTILASTIRMA - YUMAKLASTIRMA

1. PIHTILASTIRMA - YUMAKLASTIRMA Koagülasyon ve flokülasyon; flok olusturan kimyasal bir reaktifi, çökelemeyen katilarla birlestirmek ve yavas çökelen askida katilari hizli çökeltmek için su ve atiksuya bu kimyasal reaktifin ilavesini içeren bir prosestir. Sularda kati maddeler üç halde bulunurlar. Bunlar; Çözünmüs halde bulunan maddeler: çaplari 0,001 µm den küçük parçaciklardir. Örnegin Cu+2, Na+1, Cl-1 gibi maddeler. Kolloidal maddeler: bu tür maddelerin çaplari 0,001 µm -1 µm arasinda degisirler. Örnegin; kil, silis, virüs gibi. Askida kati maddeler: bu tür maddelerin çaplari 1 µm den büyüktür. Örnegin, bakteriler ve kaolin gibi.

3. Kolloidal daneciklerde denge Iyi bir çökelme için suya ilave edilen kimyasal maddenin en büyük yükte olmasi gerekmektedir. Bir maddenin sudaki iyonik kuvveti asagidaki formülle hesaplanabilir: = C: Iyonik konsantrasyon Z: Iyonunun degerligi Iyonik kuvvet yüksekse dagilma tabakasi daha fazla sikistirilmis demektir. Ve danecikler birbirine daha fazla yaklasmis demektir. Fakat düsük iyonik kuvvette ayni yüklü daneciklerin bir araya gelerek kimyasal aritmaya temel teskil eden yumak olusumu ise olukça zordur. Su içerisindeki daneciklerin (–) yüklü olmasi durumunda suya ilave edilen (+) yüklü iyonlar sayesinde ve iyonik kuvvet de büyükse dagilma tabakasi sikisir ve böylece elektrik yüklü kolloidal madde, etrafindaki elektrik yükle birlikte hareket etmeye baslar. Bu birlikte hareket eden tabakaya Stern Tabakasi denilmektedir. Bu sabit tabaka disinda yine ayni isaretli iyonlarin olusturdugu bir tabaka bulunur (daginik tabaka). Iyonlarin sayilari danecik yüzeyinden uzaklastikça azalir ve belli bir mesafede (+) yükler ile (-) yüklerin esit duruma gelir. Esit olduklari mesafeye izokinetik nokta elektrik birimi cinsinden ise izoelektrik nokta denilmektedir. Bu noktada potansiyel sifirdir.

5. Su ve atiksu kolloidleri için Zeta potansiyelinin büyüklügü -12 ile -40 mV araliginda olup ortalama olarak ise -16 ile -22 mV araliginda degisim göstermektedir. Zeta potansiyeli; Zit yüklü iyon ilavesi, Çözeltide iyon konsantrasyonunu artirarak çift tabakanin difüz kisminin daraltilmasi ile düsürülebilir. Endüstriyel atiksularda bulunan kolloidlerin büyük bir kismi negatif yüklü oldugundan, koagülasyon; atiksuya yüksek degerlikli katyonlarin ilavesi ile gerçeklesir. Optimum koagülasyon, zeta potansiyelinin sifir oldugu noktada olusmaya baslar; bu nokta izoelektrik noktasi olarak tanimlanir. Zeta potansiyeli hem kolloidal maddedeki yükün bir ölçüsü hem de bu yükün çözeltide etkili oldugu uzakligin bir ölçüsüdür. Iyonik kuvvet ne kadar yüksek ise zeta potansiyeli de o ölçüde azalir

6. Kolloidler su içinde Brownian hareketle hareket ederler. Ayni yüklü iki kolloid bir arada olduklarinda birbirlerini itmek isterler. Çekme kuvveti ise Van der Waals kuvvetleri ile Brownian hareketlerinden dogan kinetik enerjiden dolayi ortaya çikar (Eroglu, 1987). Bu kuvvetle asagidaki sekilde gösterilmistir.

7. Kimyasal pihtilastirma ve yumaklastirma Pihtilastirici olarak kullanilan kimyasal madde; Suda kolay çözünebilmeli Sudaki partikülleri en iyi sekilde çökeltebilecek kararlilikta olmali Çökelen kismin tekrar suda çözünmeyecek tarzda teskil etmesi Piyasada kolayca temin edilebilen türde olmasi Ucuz olmasi Meydana gelen kati formlarin çevreye zarar vermeyecek türde olmasi gibi özelliklere sahip olmasi gerekmektedir.

8. Pihtilastirma (Koagülasyon) Koagülasyon, kimyasal aritma prosesinin ilk adimidir ve hizli karistirma olarak da adlandirilir. Iyi dizayn edilen bir hizli karistirma prosesi, gerekli olan kimyasal miktarinin azalmasina ve flokülasyon ünitesinin veriminin artmasina sebep olacaktir. Etkili bir koagülasyon yapabilmek için, su kütlesi boyunca üniform olarak koagülantin hizli dagilimi gereklidir. Böylece koagülant sudaki bütün askida kati maddelerle iliski kurar. Koagülasyon-flokülasyon prosesinde, partiküllerin bir digerini yakalamak ve kontak kurmak için kabiliyeti, hiz gradyani ile tespit edilebilir. Uygulamada hiz gradyani (G) 300–1000 sn-1 arasinda seçilmektedir. Buradaki G degeri birim sivi hacmine verilen enerji miktaridir. Burada; G : ortalama hiz gradyani, 1/sn P : enerji gereksinimi, W µ : dinamik viskozite, N.sn/m2 V : reaktör hacmi, m3

9. Verimli bir flokülasyon için hizli karistirma adimindaki hiz gradyani yaninda, hizli karistirma süresi de diger önemli bir parametredir. Hizli karistirma süresinin; optimum dozu, olusacak olan flok çapini, flokun olusma süresini etkileyecegi bilinen bir gerçektir. Hizli karistirma tankinda, genellikle 30–60 sn’lik karistirma süreleri kullanilir. Dolayisi ile Bu bagintida her iki taraf teorik hidrolik kalma süresi td =V/Q ile çarpilirsa: Burada: td : kalma süresi, sn, Q : debi, m3/sn. Muhtelif karistirma islemleri için verilen G degerleri asagidaki tabloda verilmistir.

10. Hizli karistirma için; degisik metotlar kullanilmaktadir. Borularda hizli karistirma islemi koagülasyon için etkili bir yöntem olarak kullanilabilir. Borularda karistirma yönteminin küçük tesislerde etkili bir sekilde kullanilabilir. Engelli kanallar kullanilarak koagülasyon-flokülasyon islemi özellikle enerji sikintisi olan yerlesimlerde, az otomasyona sahip tesislerde ve yetismis elemani az olan yerlerde kullanilmaktadir. Hava ile karistirma islemi de hizli karistirmayi saglamak için kullanilmaktadir. Hidrolik siçrama ve ventüri kanallarinda karistirma islemi de sikça kullanilan yöntemlerdir. Bu iki yöntem ve borularda karistirma ile engelli kanallarda karistirma islemlerinde hizli karistirma islemi, akim rejiminin degismesiyle elde edilen türbülanstan faydalanilarak yapilmaktadir. Bütün bu yöntemlere ragmen, sularin mekanik olarak karistirilmasi en yaygin olarak kullanilan yöntemdir. Bu yöntem, diger sistemlerin ilk yatirim maliyetlerinin yüksek olmasi, esnek olmamalari, yüksek yük kaybina sahip olmalari bütün sartlara adaptasyonlarinin zor olmasi, üniform olmamalari gibi dezavantajlari içermez. Mekanik karistiricilar; pervane, pedal ve palet gibi muhtelif sekillerde kullanilabilirler. Karisimin mekanik olarak yapildigi hizli karistirma odalari, tek bölmeli veya iki bölmeli olarak dizayn edilebilirler. Ancak iki bölmeli yapilmasi daha uygundur. Mekanik karistiricilarin verimleri yüksektir, debi degisimlerinden etkilenmezler ve yük kayiplari oldukça düsüktür.

11. Yumaklastirma (Flokülasyon) Kimyasal ilave edildikten sonra, flokülasyon veya yavas karistirma islemi kimyasal aritma proseslerinin önemli bir adimidir. Flokülasyon yavas hareket eden pedallarla hafifçe karistirarak gelistirilir. Yavas karistirma sonucu, küçük ve gelismis floklarin birbirleriyle temasi sonucu kolay çökebilen yumaklar meydana gelir. Floklar büyürken, siddetli bir karistirma floklarin parçalanmasina sebep olur. Karistirma islemi dikkatli bir sekilde kontrol edilmelidir. Böylece uygun boyutta flok teskil edecek ve daha hizli çökecektir. Bu adimda da karistirma islemi için en çok mekanik sistem kullanilir. Bunlar düsey milli pedalli karistiricilar veya yatay milli pedalli veya kanatli karistiricilardir. Bunlarin disinda dalgiç perdeli ve basinçli hava ile de yumaklastirma yapmak mümkündür. Su aritiminda karistirma süresi genellikle 15–45 dakika arasinda alinmaktadir. Hiz gradyani 10–100 sn-1 degerleri arasinda seçilmektedir. Yumaklastirmanin verimliligini artirmak için, hiz gradyaninin kademeli olarak azaltilmasi uygundur.

12. Hiz gradyani ile bekleme süresinin çarpimininG*t= 104–105 arasinda kalmasi istenir. Bazi çalismalarda G*t degerinin 2?104–2?105 arasinda kalmasinin bir mahzuru olmadigi ifade edilmistir. Su ve atiksu aritiminda, koagülasyon-flokülasyon prosesinin kullanilabilirligini anlamak için jar test deneyi yaygin sekilde kullanilan bir metottur. Aritma tesisi sartlarini temsil eden prosedürler tatbik edilirse, jar test hizli ve ekonomik olarak önemli bilgiler üretir. Jar testlerden elde edilen sonuçlar sadece prosesi anlamada degil, ayni zamanda direkt olarak tesis dizaynina, isletmesine ve modifikasyonuna uygulanabilir

13. Pihtilastirma ve yumaklastirmada kullanilan kimyasallar ve reaksiyonlari Klasik kimyasal aritmada etkili olan reaksiyonlarin, kullanilan kimyasala bagli olarak ele alinmasi gerekir. Pihtilastirma yumaklastirma isleminde yaygin olarak Ca(OH)2 kullanilmakla birlikte alüm, FeCl3, FeSO4 ve polimerler kullanilir. Kimyasal aritmada en çok kullanilan koagülantlar ve özellikleri Çizelge 1’de verilmistir. Yumaklastirma islemini hizlandirmak ve daha büyük yumaklar elde etmek için yumaklastirma isleminde aktif silika, polielektrolitler, kil ve kalsit gibi yardimci koagülant maddeler de kullanilmaktadir.

15. Alüm : Evsel atiksu aritma sistemlerinin bir çogunda küçük boyutlardaki askida katilari floklastirmak için alüm kullanilmaktadir. Birçok arastirmaci, alüminyum tuzlariyla koagülasyonda iyi bir renk ve bulaniklik gideriminin saglandigini göstermislerdir. Alüm, kalsiyum ve magnezyum bikarbonat alkalinitesi içeren bir suya ilave edildigi zaman asagidaki reaksiyon meydana gelir. Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(HCO3)2 3CaSO4 + 2Al(OH)3 ? + 6CO2 +18H2O 666,7 3x100 (CaCO3 olarak) 3x136 2x78

16. Al+3 + Hn(PO4)3-n AlPO4 ? + nH+

17. ÖRNEK: 10 mg/l dozunda Al2(SO4)3?18H2O ile reaksiyon yapmak için suyun alkalinitesi ne olmalidir? ÇÖZÜM: Alkalinite CaCO3 cinsinden ifade edilir. Yukaridaki kimyasal formüle göre 1 mol alum (666,7 gr) ile reaksiyon yapmak üzere 3 mol Ca(HCO3)2 gerekmektedir. Bu deger ayni zamanda 3 mol CaCO3’e esdegerdir. Kalsiyum karbonatin molekül agirligi 100 gr/mol olduguna göre, oranlamayi su sekilde yapabiliriz. 666,7 gr Al2(SO4)3?18H2O için 3x100 gr CaCO3 gerekiyorsa 0,01 gr/l için X Buradan X degeri yani gerekli CaCO3 alkalinitesi = 0,0045 g/l = 4,5 mg/l olarak bulunur. Suyun içindeki alkalinite bu degerden az ise gerekli yumaklastirmanin olmasi için suya kireç ilavesi etmek gerekmektedir.

18. Kireç : Kireç, su veya atiksuya ilave edildiginde, yüksek pH’da pozitif yüklü Mg(OH)2 ve CaCO3 çökeleklerinin olusmasina sebep olur. Kireç tek basina çöktürücü olarak kullanildiginda asagidaki reaksiyonlar gerçeklesir.

19. Kireç koagülant olarak kullanildiginda çöktürme çikisinda askida kati madde ve oksijen ihtiyacinda düsüs gözlenebilir. Yüksek sertlik ve alkalinite içeren atiksularda pH 9.5-10’da, orta sertlik ve alkalinite içeren atiksularda pH 10-11’de, düsük sertlik ve alkalinite içeren atiksularda pH 11-11.5’de oldukça iyi bir çikis suyu elde edilebilir. Kireç ile atiksularin aritiminda, olusan Mg(OH)2’in miktari ile giderilen TOK miktari arasinda siki bir iliski vardir. Mg içerigi az olan atiksulara kireç ilave edildiginde, yeterli miktarda Mg(OH)2 olusmamasi sebebiyle atiksudaki kolloidler çöktürülemeyecek ve düsük çikis kalitesi elde edilecektir. Kireç ile fosfatin çöktürülmesi ise asagidaki reaksiyona göre gerçeklesebilir. Kireç gerçek bir koagülant degildir ancak bikarbonat alkalinitesiyle birleserek kalsiyum karbonat, ortofosfat ile birleserek kalsiyum hidroksiapatit olusturur. Magnezyum hidroksit yüksek pH seviyelerinde çöker. Iyi ayirma için ortamda bir miktar jelimsi Mg(OH)2 olmasi gerekir, ancak bu durumda olusan çamurun susuzlastirilmasi zorlasir. Kireç çamuru genellikle sikistirilabilir, susuzlastirilabilir ve tekrar kullanim için kalsiyum karbonati kirece dönüstürmek üzere kalsinlestirilir. 5Ca++ + 3H2PO4- + 7OH- Ca5(PO4)3OH ? + 6H2O

20. Demir (2) sülfat: Demir (2) sülfat kimyasal çöktürücü olarak genellikle tek basina kullanilmaz. Çünkü çöktürme isleminin gerçeklesmesi için kirecin ilave edilmesi gereklidir. Demir (2) sülfat yalniz kullanildiginda asagidaki reaksiyon gerçeklesir. FeSO4?7H2O + Ca(HCO3)2 Fe(HCO3)2 + CaSO4 + 7H2O 278 100 (CaCO3) 178 Ca(OH)2 seklinde kirecin ilave edilmesi ile asagidaki reaksiyon gerçeklesir. Fe(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 Fe(OH)2 + 2CaCO3 ? + 2H2O 178 2x56 CaO 89,9 Fe(OH)2 atiksudaki oksijenle birleserek demir (3) hidroksit’e oksitlenir. Çözünmeyen Fe(OH)3, alüm flokuna benzer sekilde iri ve jelatinimsi bir yapidadir. 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4Fe(OH)3 ? 4x89 32 2x18 4x106,9

21. ÖRNEK 10 mg/l FeSO4?7H2O içeren bir atiksuyun koagülasyonu için gerekli alkalinite, kireç ve oksijen miktarini hesaplayiniz. ÇÖZÜM Gerekli alkalinite için: 278 gr FeSO4?7H2O için 100 gr CaCO3 gerekiyorsa 0,01 gr/l için X Buradan gerekli alkalinite miktari (X) = 3,6 mg/L olarak bulunur. Gerekli kireç (CaO) için : 278 gr FeSO4?7H2O için 2x56 gr CaO gerekiyorsa 0,01 gr/l için X Buradan gerekli kireç miktari (X) = 4 mg/L olarak bulunur. Gerekli oksijen için : 4x278 gr FeSO4?7H2O için 32 gr O gerekiyorsa 0,01 gr/l için X Buradan gerekli oksijen miktari (X) = 0,29 mg/L olarak bulunur.

22. Iyi bir floklasmanin gerçeklesmesi için, 10 mg/l FeSO4?7H2O dozu için yaklasik olarak 4 mg/l alkaliniteye, 4 mg/l kirece ve 0.29 mg/l oksijene ihtiyaç duyulmaktadir. Bu sebeple demir (2) sülfatin evsel ve endüstriyel atiksularin aritilmasinda sikça kullanimina rastlanmaz. Bunun yerine daha çok demir (3) sülfat veya demir (3) klorür kullanilir.

23. Demir (3) Sülfat: Dogal bikarbonat alkalinitesi ile demir (3) sülfatin demir (3) hidroksite dönüsüm reaksiyonu asagidaki gibidir. Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 2Fe(OH)3 ? + 3CaSO4 + 6CO2 Reaksiyon neticesinde genellikle yogun ve hizli çökelen floklar olusur. Eger dogal alkalinite, reaksiyon için yeterli degilse kireç ilave edilebilir. Demir (3) sülfat için optimum pH araligi 4–12 arasindadir. Bu aralikta demir hidroksit oldukça stabil bir durumdadir.

24. Demir (3) klorür: Demir (3) klorür için reaksiyonlar sunlardir: FeCl3 + 3H2O Fe(OH)3 ? + 3H+ + 3Cl- 3H+ + HCO3 3H2CO3 Demir (3) klorür ile kirecin birlikte kullanilmasi halinde asagidaki reaksiyon gerçeklesir. 2FeCl3 + 3Ca(OH)2 3 CaCl2 + 2Fe(OH)3 ? 2x162 3x56 (CaO) 3x111 2x106,9 FeCl3 ile fosfat arasindaki reaksiyon ise asagidaki gibidir. FeCl3 + PO43- FePO4 ? + 3Cl- Reaksiyona göre 1 gr PO4-P’ u gidermek için 5.23 gr FeCl3 gerekmektedir.

25. Fe+3 ve Al+3 ile kimyasal aritmada kabul edilen optimum pH 4–6.8 arasindadir. FeCl3, ham atiksulari direkt fiziko-kimyasal olarak aritmak için kullanilacaksa, pH’nin 5.3 civarinda tutulmasi daha uygundur.

26. Polielektrolit kullanimi: Polielektrolit, koagülant olarak kullanilan metal tuzlarinin etkisini artirmak amaciyla atiksu aritiminda kullanilirlar. Bunlarin bir kisminin su aritiminda da kullanilmasina müsaade edilmektedir. Anyonik, katyonik ve noniyonik olmak üzere üç çesidi bulunmaktadir. Sayet partüküler madde (-) yüklü ise bu durumda katyonik Polielektrolit kullanmak gerekmektedir. Polielektrolit, koagülantlarla birlikte kullanildiginda gayet çabuk çökelen, büyük ve yogun pihtilar teskil ederler. Sikismadan dolayi olusacak çamur miktari da daha stabil ve hacimce daha azdir. Polielektrolit kullanilmasi ile birlikte koagülant miktari da düsmektedir. Bazi durumlarda tek baslarina kullanilmalari da yeterli gelmektedir.