Lamelli çöktürücü
Lamelli çöktürücü, su ve atıksu arıtımında askıda katı maddelerin, flokların ve çökelebilir parçacıkların yerçekimiyle ayrılmasını hızlandırmak için eğimli paralel plakalar kullanan yüksek hızlı bir durultma birimidir. İngilizcede lamella clarifier, inclined plate settler veya inclined plate clarifier olarak adlandırılan bu ekipman, klasik çöktürme havuzunun aynı ayırma işlevini daha küçük taban alanında gerçekleştirmeyi hedefler; bu nedenle içme suyu arıtma tesislerinde koagülasyon-flokülasyon sonrasında, endüstriyel atıksu arıtımında kimyasal çöktürme sonrasında ve bazı ileri atıksu uygulamalarında partikül yükünü azaltmak için kullanılır.[1][2]
Çalışma Prensibi
Lamelli çöktürücüde temel ayırma mekanizması yerçekimiyle çökelmedir. Ham veya kimyasal olarak şartlandırılmış su, eğimli plakaların arasındaki dar kanallardan kontrollü hızla geçer. Yoğunluğu sudan büyük olan parçacıklar kısa bir düşey mesafe kat ederek plaka yüzeyine ulaşır; burada biriken katı faz, plakanın eğimi boyunca aşağı doğru kayarak çamur bölgesine taşınır. Arıtılmış üst su ise üstteki savaklardan veya toplama kanallarından alınır. Eğimli plaka düzeni, parçacığın çökelmesi gereken mesafeyi azaltırken etkili çökelme alanını artırır; bu, lamelli sistemleri klasik yatay akışlı çöktürücülere göre daha kompakt hâle getirir.[3]
Eğimli çöktürücülerin bilimsel temeli, parçacık yörüngesi, yüzey yükleme hızı, plaka aralığı, plaka eğimi ve akım dağılımı arasındaki ilişkiye dayanır. Dik eğimli çöktürücüler üzerine yapılan derleme çalışmalarda bu sistemlerin yakın aralıklı eğimli yüzeylerle katı-sıvı ayrımını güçlendirdiği, tipik plaka eğimlerinin uygulamaya bağlı olarak çoğunlukla 45°–60° aralığında seçildiği ve teknolojinin Boycott etkisi ile ilişkilendirilen hızlandırılmış çökelme davranışından yararlandığı belirtilmektedir.[1]
Başlıca Bileşenler
Bir lamelli çöktürücü yalnızca eğimli plakalardan oluşmaz; hidrolik dağılım, giriş sakinleştirme, çamur toplama ve çıkış suyu toplama yapıları sistem performansını belirleyen temel parçalardır. Klasik bir durultucuda olduğu gibi giriş bölgesi, çökelme bölgesi, çıkış bölgesi ve çamur bölgesi birbirinden işlevsel olarak ayrılmalıdır. EPA’nın yüzey suyu arıtma tesisleri için hazırladığı denetim kılavuzu, durultucularda giriş bölgesinin akımı düzgün dağıtması, çökelme bölgesinin parçacık ayrımına elverişli olması, çıkış bölgesinin flokları bozmayacak biçimde tasarlanması ve çamur bölgesinin çöken katıları proses akımından uzak tutması gerektiğini vurgular.[2]
| Bileşen | Görevi | İşletme Açısından Önemi |
|---|---|---|
| Giriş dağıtım bölgesi | Suyun plaka paketine eşit ve düşük türbülansla girmesini sağlar. | Dengesiz giriş, bazı plaka aralıklarının aşırı yüklenmesine ve kısa devre akımlarına neden olabilir. |
| Lamella plaka paketi | Çökelme mesafesini kısaltır ve etkili çökelme alanını artırır. | Plaka aralığı, eğim ve yüzey temizliği partikül tutma davranışını etkiler. |
| Çamur haznesi | Plakalardan kayan çökelmiş katıları toplar. | Yetersiz çamur çekimi yeniden süspansiyona ve çıkış bulanıklığının artmasına yol açabilir. |
| Çıkış savakları | Durultulmuş suyu homojen biçimde toplar. | Eşit olmayan savak yükü, plaka paketinin bir kısmının verimsiz kullanılmasına neden olabilir. |
| Kimyasal dozaj ve flokülasyon ön kademesi | Kolloidal ve ince partikülleri çökelebilir floklara dönüştürür. | Koagülant dozu, pH, alkalinite ve karıştırma koşulları uygunsuzsa lamelli bölüm tek başına yeterli ayırma sağlayamaz. |
Lamelli Çöktürme ile Klasik Çöktürme Arasındaki Fark
Klasik çöktürme havuzlarında parçacıkların ayrılması büyük ölçüde havuzun yatay yüzey alanına, hidrolik bekleme süresine ve akım düzenine bağlıdır. Lamelli çöktürücüde ise plaka yüzeyleri, aynı hacim içinde daha fazla etkili çökelme alanı sağlar. Bu nedenle lamelli sistemler, debi artışı yaşayan tesislerde, alan kısıtı bulunan endüstriyel tesislerde veya mevcut çöktürme basenlerinin kapasite artırımı için tercih edilebilir. Bununla birlikte lamelli sistemin varlığı tek başına iyi durultma anlamına gelmez; akım dağılımı, flok özellikleri ve çamur yönetimi uygun değilse performans sınırlı kalabilir.[4]
| Özellik | Klasik Çöktürücü | Lamelli Çöktürücü |
|---|---|---|
| Ayırma yüzeyi | Genellikle havuzun yatay plan alanı ile sınırlıdır. | Eğimli plakaların yatay izdüşümü ve düzeni etkili alanı artırır. |
| Taban alanı ihtiyacı | Aynı debi için daha büyük yapı hacmi gerekebilir. | Kompakt tasarım mümkündür. |
| Hidrolik hassasiyet | Giriş-çıkış koşulları ve kısa devre akımları önemlidir. | Giriş dağılımı ve plaka aralıklarına eşit akım verilmesi daha kritik hâle gelir. |
| Bakım ihtiyacı | Çamur sıyırıcı, savak ve havuz temizliği öne çıkar. | Bunlara ek olarak plaka yüzeylerinde birikme, tıkanma ve biyolojik büyüme izlenmelidir. |
| Uygun kullanım | Büyük debili ve alan kısıtı az olan uygulamalarda yaygındır. | Alan kısıtlı, yüksek hidrolik yüklemeli veya kapasite artırımı istenen uygulamalarda avantaj sağlayabilir. |
Tasarım Parametreleri
Lamelli çöktürücü tasarımında yüzey yükleme hızı, debinin etkili çökelme alanına oranı olarak ele alınır. Basit gösterimle yüzey yükleme hızı Q/A biçiminde ifade edilebilir; burada Q debiyi, A ise tasarımda kabul edilen etkili yüzey alanını temsil eder. EPA’nın yüzey suyu ve yeraltı suyu etkisindeki sistemler için hazırladığı denetim kılavuzunda, durultucu tasarım faktörleri arasında yüzey taşma hızı, bekleme süresi, akım hızı ve savak yükleme hızı sayılır; aynı kaynakta plaka çöktürücüler için verilen genel havuz yükleme aralığının tüp çöktürücüler ve klasik alüm flok çöktürücülerden farklı olduğu belirtilir.[2]
Bu tür aralıklar evrensel bir garanti değeri olarak yorumlanmamalıdır. Ham suyun askıda katı madde konsantrasyonu, flok yoğunluğu, parçacık boyutu, sıcaklık, viskozite, koagülasyon koşulları, plaka aralığı, plaka yüzeyi, giriş dağıtımı ve çamur çekim düzeni gerçek performansı etkiler. Özellikle düşük yoğunluklu metal hidroksit flokları, biyolojik çamur, alg içeren sular veya yağlı endüstriyel atıksular için laboratuvar çökelme testleri ve pilot çalışma gerekebilir.
Plaka Eğimi ve Aralığı
Plaka eğimi, çöken katıların kendi ağırlığıyla çamur haznesine kayabilmesi ve aynı zamanda plaka yüzeyinde yeterli çökelme alanı oluşması için seçilir. Çok düşük eğimler çamurun plaka üzerinde kalmasına, çok yüksek eğimler ise yatay izdüşüm alanının azalmasına neden olabilir. Dik eğimli çöktürücüler için literatürde 45°–60° aralığı yaygın bir uygulama bandı olarak verilir; ancak bu aralık çamurun kayma davranışı, partikül yoğunluğu ve üretici tasarımına göre değişebilir.[1]
Akım Dağılımı
Lamelli sistemlerin verimli çalışması için suyun bütün plaka aralıklarına dengeli dağıtılması gerekir. Eğimli plakalı durultucular üzerinde yapılan deneysel bir çalışmada, plaka aralıklarına eşit akım verilmemesinin beklenen askıda katı madde giderimini sınırlayabildiği ve Boycott etkisinden yararlanmak için her aralığın hidrolik olarak dengeli beslenmesinin gerekli olduğu gösterilmiştir.[7]
Koagülasyon ve Flokülasyon ile İlişkisi
Lamelli çöktürücü çoğu içme suyu ve atıksu uygulamasında koagülasyon ve flokülasyonun devamı olarak çalışır. Koagülasyon, kolloidal parçacıkların elektriksel kararlılığını azaltır; flokülasyon ise bu parçacıkların daha büyük ve çökelebilir floklara dönüşmesini sağlar. İrlanda EPA’nın içme suyu arıtımı için yayımladığı koagülasyon, flokülasyon ve durultma el kitabında bu aşamaların filtrasyonla birlikte katı madde ayırma zincirinin birbirine bağlı kademeleri olduğu belirtilir.[5]
Uygunsuz koagülant dozu, yetersiz alkalinite, hatalı pH, düşük su sıcaklığı, fazla veya yetersiz karıştırma ve yanlış polimer kullanımı, flokların küçük, gevşek veya kırılgan kalmasına neden olabilir. Bu durumda lamelli çöktürücüde hidrolik koşullar uygun olsa bile çıkışta bulanıklık ve askıda katı madde artışı görülebilir. Bu nedenle lamelli çöktürücü, kimyasal şartlandırmanın yerine geçen bir ekipman değil, iyi oluşturulmuş flokları fiziksel olarak ayıran bir durultma ünitesidir.
İçme Suyu Arıtımındaki Önemi
İçme suyu arıtımında lamelli çöktürücünün temel işlevi, filtrasyon öncesinde parçacık yükünü azaltmak ve filtrelerin daha kararlı çalışmasına katkı sağlamaktır. Yüzeysel sularda kil, silt, doğal organik madde, alg hücreleri, demir-mangan oksitleri ve koagülasyon sonrası oluşan metal hidroksit flokları durultma kademesinde giderilmeye çalışılır. EPA’nın bulanıklık hükümlerine ilişkin teknik kılavuzu, çökeltme basenlerinde zayıf oluşmuş flokların çökelmeyip çıkışa taşınabileceğini, kısa devre akımlarının ve kötü giriş dağılımının performansı düşürebileceğini, tüp veya plaka çöktürücülerin ise özellikle tasarım debisinin üzerinde akış görülen basenlerde verimi ve kapasiteyi artırabileceğini belirtir.[4]
Bulanıklık, doğrudan tek başına belirli bir sağlık etkisini kanıtlayan bir parametre değildir; ancak partikül taşınımı, filtrasyon performansı, dezenfeksiyon etkinliği ve patojen giderimi açısından önemli bir işletme göstergesidir. Dünya Sağlık Örgütü, bulanıklığın kaynak sudan son kullanıcı noktasına kadar su güvenliği planlarında izlenebilen pratik bir gösterge olduğunu, yüksek bulanıklığın dezenfeksiyon etkinliğini azaltabileceğini ve filtre performansındaki sorunlara işaret edebileceğini belirtir.[8]
Atıksu ve Endüstriyel Uygulamalar
Atıksu arıtımında lamelli çöktürücüler, kimyasal çöktürme, fosfor giderimi, metal hidroksit çöktürmesi, yağlı olmayan askıda katı madde giderimi, proses suyu geri kazanımı ve bazı yüksek hızlı durultma uygulamalarında kullanılabilir. EPA’nın yüksek hızlı arıtma süreçlerini değerlendiren teknik dokümanında lamella plakaları, yüksek hızlı durultma sistemlerinde yerçekimli çökelmeyi destekleyen bir unsur olarak tanımlanır; bu sistemler koagülasyon, flokülasyon, lamelli çökelme, çamur temaslı durultma veya ballasted flokülasyon gibi geliştirmeleri bir arada içerebilir.[3]
Bazı yüksek hızlı kimyasal-fiziksel arıtma proseslerinde mikro kum veya geri devrettirilen çamur gibi çekirdek malzemelerle daha yoğun floklar oluşturulur; bu floklar plaka veya tüp çöktürücüler yardımıyla daha küçük yapı hacminde ayrılır. EPA’nın gelişen atıksu teknolojileri raporunda, bu tür proseslerde durultulmuş suyun plaka çöktürücülerin üstündeki savaklardan alındığı ve bazı sistemlerde yukarı akış öncesinde belirli büyüklükteki partiküllerin ekipmanı tıkamaması için eleme gereksinimi bulunduğu açıklanır.[6]
Performansın İzlenmesi
Lamelli çöktürücü performansı yalnızca görsel berraklıkla değerlendirilmemelidir. Çıkış bulanıklığı, askıda katı madde, çamur hacmi, koagülant tüketimi, polimer dozu, pH, sıcaklık, debi, plaka yüzeylerinin durumu ve çamur çekim sıklığı birlikte izlenmelidir. EPA Method 180.1 kapsamında bulanıklık, tanımlanmış koşullarda numuneden saçılan ışık şiddetinin standartla karşılaştırılmasına dayanan nefelometrik yöntemle ölçülür ve sonuç NTU olarak raporlanır.[9]
Askıda katı madde ölçümü ise lamelli çöktürücünün gerçek partikül giderim performansını anlamak için kullanılır. EPA Method 160.2, iyi karıştırılmış numunenin cam elyaf filtreden geçirilmesini, filtrede tutulan kalıntının 103–105 °C’de sabit ağırlığa kadar kurutulmasını ve sonucun mg/L olarak hesaplanmasını temel alır.[10]
| İzlenen Parametre | Birim | Lamelli Çöktürücü İçin Anlamı |
|---|---|---|
| Bulanıklık | NTU | Durultulmuş suyun optik partikül yükünü ve filtreye gelecek yükü gösterir. |
| Toplam askıda katı madde | mg/L | Çökelmeyen veya taşınan katı madde miktarını nicel olarak verir. |
| pH | pH birimi | Koagülantın çalışma aralığını ve metal hidroksit floklarının oluşumunu etkiler. |
| Sıcaklık | °C | Viskoziteyi, flok oluşumunu ve çökelme davranışını etkileyebilir. |
| Debi | m³/h veya L/s | Yüzey yükleme hızını ve plaka aralıklarındaki hidrolik yükü belirler. |
| Çamur yoğunluğu ve çekim sıklığı | mg/L, yüzde katı veya işletme kaydı | Çamur birikimi, yeniden süspansiyon ve plaka tıkanması riskini gösterir. |
İşletme Sorunları ve Bakım
Lamelli çöktürücülerde en yaygın işletme sorunları kısa devre akımları, giriş türbülansı, plaka yüzeylerinde çamur birikimi, düzensiz çıkış savak yükü, yetersiz flok oluşumu, aşırı çamur birikimi ve plaka aralıklarının tıkanmasıdır. EPA’nın bulanıklık kılavuzu, çökeltme baseni girişlerinin flokları parçalayabilecek türbülans oluşturabileceğini, kötü tasarlanmış çıkışların da flok kırılmasına yol açabileceğini ve kısa devre akımlarının suyun normal bekleme süresinden daha kısa sürede çıkışa ulaşmasına neden olabileceğini belirtir.[4]
Çamur yönetimi lamelli çöktürücülerde ayrı bir önem taşır. Çamur çok uzun süre haznede tutulursa yoğunlaşabilir, gaz oluşumu ile yüzebilir veya akım tarafından yeniden sürüklenebilir. Çok sık ve fazla çamur çekimi ise hidrolik dengeyi bozabilir ve gereksiz su kaybına yol açabilir. Bu nedenle çamur çekimi, çamur konsantrasyonu, debi ve çıkış kalitesiyle birlikte ayarlanmalıdır. İrlanda EPA el kitabı, koagülasyon-flokülasyon-durultma prosesinde görsel kontrol, bulanıklık, alkalinite, pH, renk, sıcaklık ve gerektiğinde jar testi sonuçlarının işletme ayarlarında kullanılmasını önerir.[5]
Avantajlar ve Sınırlamalar
Lamelli çöktürücülerin başlıca avantajı, etkili çökelme alanını artırarak daha kompakt bir durultma birimi oluşturmasıdır. Bu özellik, mevcut tesislerde kapasite artırımı, yeni tesislerde alan tasarrufu ve filtrasyon öncesi yük azaltımı açısından yararlı olabilir. Yüksek hızlı durultma sistemlerinde lamella plakaları, koagülasyon ve flokülasyonla birlikte kullanıldığında pik debilerin yönetiminde ve askıda katı madde yükünün düşürülmesinde rol oynayabilir.[3]
Sınırlamaları da aynı derecede önemlidir. Lamelli çöktürücü çözünmüş tuzları, gerçek çözünmüş organik maddeleri, düşük molekül ağırlıklı kirleticileri veya iyonları doğrudan gidermez. Çok ince kolloidler uygun koagülasyon olmadan çökelmeyebilir. Yağ, gres veya yüzücü maddeler yoğun ise çözünmüş hava flotasyonu gibi farklı ayırma yöntemleri daha uygun olabilir. Biyolojik büyüme, alg, lifli maddeler ve yüksek çamur yükü plaka aralıklarında birikime yol açabilir. Bu nedenle lamelli çöktürücü seçimi ham su veya atıksu analizi, laboratuvar çökelme deneyi ve tesis hidrolik koşulları değerlendirilmeden yapılmamalıdır.
Türkiye’de Mevzuat ve Tesis Tasarımı Açısından Değerlendirme
Türkiye’de içme ve kullanma suyu temin edilen suların arıtılması bakımından “İçme Suyu Temin Edilen Suların Kalitesi ve Arıtılması Hakkında Yönetmelik” kaynak suyu kalitesini A1, A2 ve A3 kategorileriyle ilişkilendirir; A1 için basit fiziksel arıtma ve dezenfeksiyon, A2 için fiziksel arıtma, kimyasal arıtma ve dezenfeksiyon, A3 için ise fiziksel arıtma, kimyasal arıtma, ileri arıtma ve dezenfeksiyon sınıfları tanımlanır. Aynı yönetmelikte fiziksel arıtma, partiküllerin fiziksel özelliklerine bağlı olarak ızgara, çökeltme ve filtrasyon gibi fiziksel ayırma prosesleriyle yapılan arıtma olarak açıklanır.[11]
Yönetmelik, içme suyu arıtma tesislerinin giriş ve çıkış suyunun izlenmesini ve arıtma veriminin parametre bazında giderim yüzdesi olarak hesaplanmasını öngörür. Bu çerçevede lamelli çöktürücü, içme suyu arıtma tesisinde tek başına mevzuat uyumunu temsil eden bir birim değildir; tesis çıkış suyunun ilgili içme suyu standartlarını sağlaması, giriş-çıkış izlemeleriyle doğrulanması ve prosesin gerektiğinde revize edilmesi gerekir.[11]
Benzer Terimlerden Farkı
Lamelli çöktürücü, tüp çöktürücü, klasik durultucu, kimyasal çöktürme ve filtrasyon kavramlarıyla sık karıştırılır. Bu terimler aynı arıtma zincirinde yer alabilir; ancak işlevleri aynı değildir. Lamelli çöktürücü eğimli plakalarla çökelme alanını artıran bir durultma ekipmanıdır. Tüp çöktürücü benzer prensibi eğimli tüp veya kanallarla kullanır. Kimyasal çöktürme ise çözünmüş veya kolloidal maddelerin kimyasal madde ilavesiyle çökelebilir forma dönüştürülmesidir. Filtrasyon, çöktürmeden sonra kalan daha ince parçacıkların gözenekli ortam veya membranla tutulmasıdır.
| Terim | Temel Mekanizma | Lamelli Çöktürücüden Farkı |
|---|---|---|
| Klasik durultucu | Geniş çökelme alanında yerçekimiyle ayrım | Eğimli plaka paketi bulunmayabilir; daha büyük yapı alanı gerekebilir. |
| Tüp çöktürücü | Eğimli tüpler içinde kısa çökelme mesafesi | Plaka yerine tüp veya petek biçimli kanallar kullanır. |
| Kimyasal çöktürme | Koagülant, pH ayarı veya çöktürücü kimyasal ile katı faz oluşturma | Kimyasal reaksiyon ve flok oluşum kademesidir; lamelli çöktürücü bu oluşan katıları ayırır. |
| Hızlı kum filtresi | Granüler ortamda süzme ve derinlik filtrasyonu | Yerçekimli çökelmeden sonra kalan partikülleri tutar; çamur plaka üzerinden kaymaz. |
| Çözünmüş hava flotasyonu | Mikro kabarcıklarla hafif parçacıkların yüzdürülmesi | Çökelmesi zor, düşük yoğunluklu veya alg içeren sular için farklı bir ayırma yaklaşımıdır. |
Sık Yapılan Yanlışlar
Lamelli çöktürücüyle ilgili yaygın hatalardan biri, ekipmanın çözünmüş tüm kirleticileri gidereceğini varsaymaktır. Bu doğru değildir; lamelli sistemin ana hedefi çökelebilir askıda katı maddelerdir. İkinci hata, plaka eklemenin her mevcut çöktürücüde otomatik kapasite artışı sağlayacağını düşünmektir. Deneysel çalışmalar, plaka aralıklarına eşit debi verilmemesi veya giriş akımının çökelmiş çamurla çarpışması gibi hidrolik sorunlarda beklenen iyileşmenin oluşmayabileceğini göstermiştir.[7]
Bir başka yanlış yaklaşım, yalnızca çıkış suyunun görsel berraklığına bakarak sistemi başarılı kabul etmektir. Bulanıklık ve askıda katı madde ölçümleri, çamur çekim kayıtları, pH, sıcaklık, debi ve kimyasal dozaj verileri birlikte değerlendirilmelidir. Özellikle içme suyu uygulamalarında lamelli çöktürücü, filtrasyon ve dezenfeksiyonun yerine geçmez; bu proseslerin daha kararlı çalışmasına katkı sağlayan bir ön arıtma veya durultma kademesi olarak değerlendirilir.
Kaynaklar
- Reyes, C., Apaz, F., Niño, Y., Barraza, B., Arratia, C. ve Ihle, C. F. A review on steeply inclined settlers for water clarification. Minerals Engineering, 2022.
- U.S. Environmental Protection Agency. Guidance Manual for Conducting Sanitary Surveys of Public Water Systems; Surface Water and Ground Water Under the Direct Influence. U.S. EPA, 1999.
- U.S. Environmental Protection Agency. Draft Summary of Blending Practices and the Discharge of Pollutants for Different Blending Scenarios. U.S. EPA, 2014.
- U.S. Environmental Protection Agency. Guidance Manual for Compliance with the Surface Water Treatment Rules: Turbidity Provisions. U.S. EPA, 2020.
- Environmental Protection Agency Ireland. Water Treatment Manuals: Coagulation, Flocculation & Clarification. EPA Ireland, 2002.
- U.S. Environmental Protection Agency. Emerging Technologies for Wastewater Treatment and In-Plant Wet Weather Management. U.S. EPA, 2013.
- Lee, B. Experimental study to evaluate design procedure and proposed improvement measures for clarifier with inclined plates. Environmental Engineering Research, 2015.
- World Health Organization. Water quality and health: Review of turbidity. WHO, 2017.
- National Environmental Methods Index. EPA-NERL: 180.1: Turbidity by Turbidimeter. NEMI, erişim kaydı.
- National Environmental Methods Index. EPA-NERL: 160.2: Non-filterable Residue by Drying Oven. NEMI, erişim kaydı.
- Tarım ve Orman Bakanlığı. İçme Suyu Temin Edilen Suların Kalitesi ve Arıtılması Hakkında Yönetmelik. Tarım ve Orman Bakanlığı, 2019; değişiklik 2021.