ENDSTRYEL ATIK YNETM evre Ynetiminde Temel lkeler1 HAFTA

ENDÜSTRİYEL ATIK YÖNETİMİ Çevre Yönetiminde Temel İlkeler-1. HAFTA PROF. DR. YÜKSEL ARDALI

GENEL STRATEJİLER Dünyanın daha güvenli bir gezegen olma yolunda önemli ilerleme kaydetmesi için, bir ürünün üretiminin, pazarlamasının, kullanımının ve kullanım ömrünün tüm aşamalarında endüstriyel yönetim uygulamalarının tüm yönlerinde çevresel hususları devreye sokmak gerekir. Bu yansımalara dayanarak, farklı genel hedefler, Şekil 1. 1'de gösterildiği gibi iyi bir çevre yönetimi fikrini kapsamayı amaçlayan programlar olarak formüle edilmiştir.

SÜRDÜRÜLEBİLİR KALKINMA Sürdürülebilir kalkınma, gelecek nesillerin ihtiyaçlarından ödün vermeden mevcut neslin ihtiyaçlarını karşılamak olarak anlaşılmaktadır. Sürdürülebilirlik üç yönü hesaba katar: 1. Ekonomik: Maddi refahımızı sağlamak için ekonomik büyümeye ihtiyacımız var. 2. Çevre: Çevreye verilen zararı, kirliliği ve kaynakların tükenmesini en aza indirmeliyiz. 3. Sosyal: Dünyanın kaynakları, zenginler ve fakirler arasında daha eşit bir şekilde paylaşılmalıdır. EKO-VERİMLİLİK Eko-verimlilik felsefesi ilk olarak 1992 yılında, Dünya Sürdürülebilir Kalkınma İş Konseyi (WBCSD) tarafından bir rapor olarak tanıtıldı. 1993 yılında, eko-verimlilik, Antwerp'teki ilk çalıştayda, konseyin eko-verimlilik olduğu sonucuna vardığı "eko-verimlilik" adı altında daha ayrıntılı olarak tanımlandı.

FİLTRASYONUN SU ARITIMINDAKİ YERİ a- Suda asılı bulunan küçük tanecikleri sudan uzaklaştırmak, bulanıklılığı gidermek. b- Organik maddelerin okside olmasını sağlamak (yavaş kum filtrelerinde) c- Mikroorganizmaları sudan uzaklaştırmak. d- Demir ve manganı okside etmek e- Amonyumu okside etmek

FİLTRE ÇEŞİTLERİ İçme suyu filtrasyonunda farklı tipte filtreler kullanılabilir. Filtre malzemesine göre 4 çeşit filtre vardır: - Kum filtreler - Antrasit kömürlü filtreler - Karışık yataklı filtreler - Diatomit filtreler

FİLTRE ÇEŞİTLERİ Hidrolik şartlara veya inşa şekillerine göre çalışan 3 çeşit filtre vardır 1. Yerçekimi ile çalışan filtreler: Bu filtrelerin üstü açık olup, su filtre ortamından yerçekimi etkisiyle geçer.

FİLTRE ÇEŞİTLERİ 2. Basınçlı filtreler: Bu filtrelerde filtre ortamı basınçlı bir kap içinde bulunur. Su filtre ortamından basınç altında geçer ve basıncı biraz azalmış olarak çıkar. Basınçlı filtre şeması Şekil 1’de görülmektedir. Şekil 1. Basınçlı Filtre Örneği

FİLTRE ÇEŞİTLERİ 3. Kaplamalı (precoat) filtreler: Bu filtrelerde, daire şeklinde düz bölümler destek olarak kullanılır. Bu desteklere ince taneli diatome toprağı, ince bir tabaka halinde kaplanır. Bu tabaka, belli bir süre sonra atılarak yenilenir. Şekil 2’ de kaplamalı bir filtre şekli verilmiştir. Şekil 2. Kaplamalı Filtre Örneği

FİLTRE ÇEŞİTLERİ Filtrasyon hızına göre 2 çeşit filtre vardır; Yavaş filtreler: Bu filtrelerde filtrasyon hızı 0, 1 -0, 5 m 3/m 2. saat civarındadır Hızlı filtreler: Bu çeşit filtrelerde filtrasyon hızı yüksek olup, 5 -15 m 3/m 2. saat civarındadır. Son olarak filtrasyon işlemini ise iki gruba ayırmak mümkündür. 1. Derin filtrasyon, 2. Kek filtrasyonu

FİLTRE ÇEŞİTLERİ Derin filtrasyonda sudaki tanecikler, filtre yatağının içinde tutulurken, kek filtrasyonunda filtre yüzeyinde tutulurlar. Hızlı kum filtrelerinde derin filtrasyon olurken, yavaş kum filtrelerinde kek filtrasyonu meydana gelir. Kek filtrasyonu, taneciklerin yüzeye bağlanmasıyla meydana gelen fiziksel bir işlemdir. Yavaş kum filtrelerinde filtre yüzeyinde toplanan taneciklerin oluşturduğu yüzey keki etkili olmaktadır. Bu kek tabakası, canlı veya ölü mikro ve makro organizmaları da ihtiva eder.

YAVAŞ KUM FİLTRESİ Şekil 3. Yavaş Kum Filtresi

FİLTRE ÇEŞİTLERİ Hızlı kum filtrelerinde, yani derin filtrasyonda, sudaki taneciklerin uzaklaştırılması daha kompleks bir takım mekanizmalarla gerçekleşir. Filtre yatağını oluşturan tanelerin arasındaki gözenek çaplarından daha küçük çaptaki askıdaki maddeler de sudan uzaklaştırılabilir. Bir takım taşınma mekanizmaları ile sudaki tanecikler, filtre yatağını oluşturan tanelerin üzerine taşınır. Taşınma olayının arkasından, bir takım tutma mekanizmaları etkili olur ve böylece askıdaki tanecikler filtre ortamını teşkil eden tanelerin yüzeyinde tutulur.

HIZLI KUM FİLTRESİ Şekil 4. Hızlı Kum Filtresi

FİLTRE ORTAMI Granüler yatak filtrelerde kullanılan en yaygın filtre ortamı, silis kumu, antrasit kömürü, garnet veya ilmenittir. Bunlar yalnız başlarına, ikili ve hatta üçlü ortamlar teşkil edecek şekilde kullanılabilirler. Garnet ve ilmenit tabiatta mevcut olan yüksek yoğunluklu minerallerdir. Bunların dışında başka filtre ortamları da kullanılabilir. Örneğin granül aktif karbon (GAK), filtre ortamı olarak kullanılabilir. GAK hem filtrasyon hem de adsorpsiyon işlemlerini bir arada gerçekleştirir. Kaplamalı (precoat) filtrelerde, filtre ortamı olarak diatome toprağı veya perlit kullanılır. Silis Kumu Garnet İlmenit Granül Aktif Karbon

FİLTRE ORTAMININ ÖZELLİKLERİ Filtre ortamının özellikleri filtrasyonun verimini etkiler. Bu özellikler tane büyüklüğü, biçimi, yoğunluğu ve porozitesidir. Tane boyutu, filtrasyon verimi ve geri yıkama işlemlerini etkileyen en önemli özelliktir. Bu özellik elek analizleriyle tayin edilir. Filtre ortamının, çöktürme havuzundan gelen flokların tutulmasını sağlayacak tane büyüklüğünde olması istenir. Diğer taraftan filtre çalışma süresinin uzun olmasını sağlamalı ve filtre yıkandığı zaman çamurlar, taneler üzerinden kolayca atılabilmelidir. Taneler kolayca yıkanıp temizlenmezse, geri yıkama suyunun hızını daha da arttırmak gerekir ki, o zaman taneler de su ile birlikte dışarı kaçar ve zayi olur. İnce kum, yumakların geçmesine mani olur ve gayet berrak bir su verir. Fakat filtre uzun zaman çalışamaz, hemen tıkanır ve yıkamak da daha zor olabilir.

FİLTRE ORTAMININ ÖZELLİKLERİ İri taneli kumda durum bunun tersidir. Kum çok ince olursa, aynı geri yıkama hızında, kalın kuma nazaran daha fazla kabarır. Bu durumda kum tanelerinin birbirine sürtünerek üzerindeki çökelti maddeleri atma imkanı azalır ve yıkama zorlaşmış olur. Bunun aksine, kum taneleri iri olursa, yıkama sırasında bunlar birbirine daha hızlı çarpar ve böylece daha iyi temizlenirler. Kum büyük taneli olursa filtre daha uzun çalışır, daha temiz yıkanabilir ve daha az çamur meydana gelir. Ancak kum çapı arttıkça filtre edilen suyun bulanıklığını gidermek zorlaşır. Bu yüzden filtrede optimum kum çapını bulmak gerekir.

ELEK ANALİZİ Filtre yatağı olarak kullanılacak olan kumu tanımlamak için, elek analizi yapılır. Bunun için kurutulmuş olan kumdan birkaç yüz gram tartılır ve bir seri standart elek grubundan geçirilir. Eleme sonunda her eleğin üstünde kalan miktarlar tartılır. Sonra en üstteki elekten itibaren, her eleğin üstünde kalan miktarlar birbirine ilave edilmek suretiyle toplanarak Tablo 1’ de görüldüğü gibi yazılır. Şekil 6’ de bir elek analiz sisteminin resmi görülmektedir.

KUM ELEK ANALİZİ SONUÇLARI Tablo 1. Elek Analizi Örneği

KUM ANALİZİ EĞRİSİ Şekil 5. Kum Analizi Eğrisi

ELEK ANALİZ SİSTEMİ Şekil 6. Elek Analiz Sistemi

ELEK ANALİZİ Elek analizi sonucunda filtre malzemesinin özelliği; 1. Efektif çap (E) 2 Uniformluk katsayısı (U) şeklinde iki ayrı büyüklük ile tanımlanır. Efektif çap, kumun sadece %10 unu geçiren eleğin göz açıklığıdır. Bu değer d 10 şeklinde de gösterilir. Uniformluk katsayısı, ortamın tane boyutu aralığının bir ölçüsüdür. Kumun %60’ını geçiren (%40’ını üzerinde tutan) elek göz açıklığının %10 unu geçiren ( %90’ını üzerinde tutan) elek göz açıklığına oranı uniformluk katsayısını verir. Yani, Uniformluk katsayısı = d 60 / d 10

EFEKTİF ÇAP-ÜNİFORMLUK KATSAYISI Genellikle hızlı kum filtrelerinde kullanılan kumun efektif çapı 0. 4 -0. 55 mm arasında olup, uniformluk katsayısı 1. 75 den büyük, 1. 35 den küçük olmamalıdır. Efektif çapa göre filtre yatağının seçiminde aşağıdaki hususlar göz önünde tutulur; Efektif çap 0. 3 -0. 5 mm: Filtrasyon hızı 25 m/saat’e kadar olan bütün hızlı filtrasyonlarda kullanılabilir. Bulanıklığı 200 NTU ya kadar olan sularda, çökeltme yapmadan, sadece filtre girişine koagülant verilmek suretiyle kullanılabilirler. Efektif çap 0. 6 -0. 8 mm: Filtrasyon hızı 15 m/saat e kadar çıkabilir. Bulanıklığı 50 NTU dan daha az olan suların filtrasyonunda, direkt koagülasyonlu veya hiç koagülant vermeden bu kumları kullanmak mümkündür

EFEKTİF ÇAP-ÜNİFORMLUK KATSAYISI Ø Efektif çap 0. 9 -1. 0 mm: Mükemmel çökeltme tesislerinden sonra kullanılacak olan Ø filtreler için standart çaptır. Daha ziyade havalı yıkamalar için uygundur Ø Efektif çap 1. 3 -1. 5 mm: Ham suyun kaba filtrasyonuna yarar. Ø Efektif çap 2. 0 -2. 5 mm: Endüstrideki su arıtmada koagülantsız kullanılır. Ø Efektif çap 3. 5 -25 mm: Sadece taşıyıcı alt tabaka olarak kullanılır.

FİLTRE ORTAMI Gözenekli filtre malzemesinin içinden geçen sıvıya karşı gösterdiği direnç, ince boruların içinden geçen sıvıya karşı gösterdikleri dirence benzer. Bu etki bir sıvı içinde çöken taneler karşı, sıvının gösterdiği dirence de benzemektedir. Gözenekli bir ortamda, bir sıvının akışı sırasındaki filtrasyon hızı (V), yük kaybına bağlı olarak değişir. Darcy’ye göre laminer akıştaki filtrasyon hızı; şeklinde verilmiştir. Burada, V= Filtre hızı (Q/A) k = Geçirimlilik katsayısı H = Yük kaybı L = Yatak kalınlığı (1. 1)

FİLTRE ORTAMI Bir filtre yatağındaki yük kaybı şekilde gösterilmiştir. a) Gözenekli bir ortamda akış b) Filtrasyondaki yük kaybı Darcy ifadesinden yük kaybı çekilirse;

FİLTRE ORTAMI (1. 2) bağıntısı elde edilir. Ancak, filtrasyonda yük kaybı hesaplarında Darcy formülü yeterli olmaz. Bu yüzden Carman-Kozeny denklemi kullanılmaktadır. Carman-Kozeny denklemine göre, temiz bir filtrenin başlangıçtaki yük kaybı, (1. 3) Burada, Ho= Temiz filtre yatağının yük kaybı g = Yerçekimi ivmesi

FİLTRE ORTAMI ε = Porozite V= Filtrasyon hızı (m/s) ν = Kinematik viskozite (m²/s) L = Yatak kalınlığı (m) Carman-Kozeny denklemi laminer akımlar için geçerlidir. Yatağı teşkil eden kumun çapı 0. 5 -1. 0 mm ve filtrasyon hızı 4 -12 m/s civarında ise, hızlı kum filtrelerinde akımın laminer bölgede olduğu kabul edilir. Yük kaybı porpziteye çok bağlıdır. Filtre kirlendikçe porozitenin azalması nedeniyle yük kaybı artar.

Örnek 1: Şekil 7’de verilmiş olan filtre kumuyla oluşturulan 0. 91 m yükseklikteki bir filtre yatağının yük kaybını hesaplayınız. Filtrasyon hızı 14. 6 m/saat, su sıcaklığı 20 o. C, porozite 0. 42 dir. ν = 1. 01. 10 -6 m 2/s Çözüm 1: Şekil 6’da görüldüğü gibi kum tanelerinin çapları muhteliftir ve bunlar geri yıkama esnasında ayrı tabakalar oluştururlar. Yatağın 5 eşit tabakaya ayrıldığını ve formülde çap terimi için ortalama elek açıklığını kullanıldığını düşünelim.

Örnek 1: Şekil 7. Örnek için elek analizi

Örnek 1: Şekil 7’den ortalama çap bulunur.

FİLTRASYON MEKANİZMALARI Hızlı filtrasyonda suda nispeten büyük çaplı tanecikler, filtre yatağının gözenekleri içinde basit mekanik süzülme ile tutulurlar. Daha küçük taneciklerin tutulmasında ise adsorpsiyon ön plana çıkar. Diğer bir tutma mekanizması da çökelmedir. Küçük taneciklerin filtre yatağının tutulmasında, önce tanecikleri filtre ortamına yaklaştıran taşınma mekanizmaları rol oynar. Taşınma mekanizmaları çökelme, difüzyon, kesişme, atalet ve hidrodinamik etkileri kapsar.

MEKANİK TUTULMA Suda bulunan askıdaki tanecikler, filtre ortamının gözeneklerinden daha büyükse, mekanik olarak tutulurlar. Taneciklerin birikmesi sonucunda zamanla gözeneklerin kapanması durumunda da mekanik tutulma daha önemli olmaya başlar. Suda bulunan askıdaki taneciklerin çapları, genellikle filtre ortamını oluşturan taneciklerin oluşturduğu gözeneklerin çaplarından daha küçüktür.

MEKANİK TUTULMA Mekanik tutulmayla meydana gelen filtrasyonda, yük kaybı hızla artar. Bu yüzden de bu mekanizmanın etkili olması fazla arzu edilmez. Yük kaybının çabuk gelişmemesi için, filtre ortamı teşkil edilirken, mekanik tutulma mekanizması mümkün olduğu kadar minimize edilmeye çalışılır. Bunun için filtrelerde kum yatağın çapı genellikle büyük seçilir.

ÇÖKELME Filtre yatağı içinden suyun süzülmesi sırasında, yatak üzerinde ve içinde bir müddet bekler. Bu şekilde suyun durgun bir su sütunu olarak beklemesi sırasında sudaki küçük tanecikler kum tanelerin üzerine çöker. Kum yatakta bulunan taneckilerin toplam yüzey alanı normal bir çöktürme havuzuna nazaran çok daha büyüktür. Küresel kum taneciklerinden oluşan bir 1 m 3 filtre yatağının toplam yüzey alanı denkleme hesaplanabilir. (1. 4) Burada, S = Filtre yatağının toplam yüzey alanı (m 2) d = Küresel kum tanesinin çapı (m) p= Filtre yatağının porozitesi

ÇÖKELME Porozitesi %40 olan bir filtre yatağında kum tanelerinin çapı 0. 8 mm ise filtre yatağının yüzey alanı (1. 4) formülünden hesaplanırsa 4500 m 2 bulunur. Bu sonuca göre bir filtre yatağında çok geniş bir yüzey lanı vardır ve çökelme önemli bir tutma mekanizması olarak ortaya çıkar. Filtre yatağında taneciklerin çökelme ile tutulma verimleri (1. 5) denklemiyle hesaplanabilir. (1. 5)

ÇÖKELME Burada, g = Yerçekimi ivmesi ∆ρ = Tanecik ve su arasındaki yoğunluk farkı Vo = Akışkanın hızı Bir filtre sisteminde dp= 10μm, ∆ρ= 0. 05 kg/m 3 , t = 20 o. C , Vo= 0. 2 m/s alınırsa ηç= 10 -3 bulunur. Yani 1000 adet taneden 1 tanesi çökebilecek demektir. Sudaki taneciklerin yoğunluğu arttıkça, çökelmeyle tutulma verimi artar.

ADSORPSİYON Bir filtre yatağındaki gözeneklerden birçok tane kolayca geçebilir. Ancak bu küçük tanecikler, eğer filtre malzemesinin çok yakınından geçerse, yüzey üzerinde adsorbe olarak tutulabilirler. Bu yüzden çok küçük tanelerin tutulmasında adsorpsiyon çok önemli bir mekanizmadır. Adsorpsiyonun gerçekleşmesi için taneciklerin yüzeye taşınmaları gerekir. Küçük çaptaki taneciklerin tutulabilmesi için bu taneciklerin, akışkan ortamdan, filtre ortamındaki tane üzerine yönlenerek ayrılmaları gerekmektedir.

TAŞINMA MEKANİZMALARI Başlıca taşınma mekanizmaları; • Atalet • Hidrodinamik etki • Kesişme • Çökelme • Difüzyon olarak belirlenmiştir. Şekil 8’de bazı taşınma mekanizmaları görülmektedir. Atalet mekanizması su filtrasyonundan çok hava filtrasyonunda etkili bir mekanizmadır.

TAŞINMA MEKANİZMALARI Şekil 8. Taşınma mekanizmaları Filtre ortamındaki gözenekler içinde uniform olmayan kesme kuvvetleri, lokal konsantrasyon ve genişleme etkilerinden dolayı bazı tanecikler hidrodinamik etkilere maruz kalırlar.

TAŞINMA MEKANİZMALARI Tanecikler bu güçlerin etkisiyle, akışkan ortamdan filtre ortamındaki malzeme yüzeyine doğru itilirler. Re sayısının düşük olduğu (laminer akış) şartlarında bu mekanizma önemli değildir. Hız ve türbülans artarken bu mekanizma önem kazanır. Akışkan ortamdaki bir tanecik filtre ortamına, kendi çapının yarısı kadar bir mesafeye yaklaşırsa, filtre ortamıyla kesişir. Bu olay hem (1. 6) denklemi ile verilmiştir. (1. 6)

TAŞINMA MEKANİZMALARI Burada, η = Kesişme ile taşınma oranı dp = Kesişen taneciğin çapı dm= Filtre malzemesinin çapı Bu denklem, laminer akış ve küresel taneler için geçerlidir. Buna göre, tanecik çapının filtre malzemesinin çapına oranı artarken, kesişme ile taneciklerin tutulma verimi de artar. Suda bulunan taneciklerin çapı dp = 10 μm ve kum tanesinin çapı dm= 0. 6 mm alınırsa, η = 10 -3 bulunur. Yani 1000 adet çarpışmadan sadece 1 tanesi kesişme ile tutulur.

TAŞINMA MEKANİZMALARI Diğer taşınma mekanizmalarının yanı sıra, Brown hareketlerinden de etkilenen tanecikler, akışkan ortamdan ayrılarak, difüzyon etkisiyle, filtre ortamına taşınabilirler. Difüzyon sadece koloidal tanecikler üzerinde etkilidir. ( 1μm den daha küçük tanecikler). Difüzyon mekanizmasıyla, küresel bir filtre malzemesinin tanecikleri tutma verimi Levich (1962) tarafından aşağıdaki denklemle verilmiştir. (1. 7)

TAŞINMA MEKANİZMALARI Burada, k = Boltzman sabiti (1. 38. 10 -23 J. K) T = Sıcaklık (K) Suda bulunan taneciklerin çapı dp = 0. 1 μm ve kum tanesinin çapı dm= 0. 06 cm alınırsa, Vo = 0. 2 cm/s alınırsa 20 o. C için ηD = 10 -3 bulunur

TUTULAN TANECİKLERİN FİLTRE ORTAMINDAN AYRILMASI Filtre ortamının gözenekleri içinde toplanan tanecikler, gözenek çapı gittikçe küçüldüğü için, hidrodinamik kesme güçlerine maruz kalırlar. Şayet artan kesme gücü, tanecikleri yüzeyde tutan bağların gücünü aşarsa, filtre malzemesi yüzeyinde tutulmuş olan tanecikler yüzeyden koparlar ve tekrar suya geçerler. Filtrasyon sırasında, tanecikler tutuldukça, gözenek hacmi azladıkça kesit daraldığından su hızı artar. Bunun sonucunda filtre yatağında tutulmuş olan tanecikler koparak filtre yatağının alt kısmına doğru taşınırlar. Filtre yatağının kalınlığı sınırlı olduğundan en sonunda çıkış suyu kalitesi bozulur.

TANECİK BÜYÜKLÜĞÜNÜN TUTULMA VERİMİ ÜZERİNE ETKİSİ Şekil 9 tek bir filtre malzemesi tanesinin tutma verimi üzerine, tanecik boyutuna etkisini göstermektedir. Burada taneciklerin destabilize edildiği farz edilmiştir. Yaklaşık 40 μm den daha büyük çaplı tanecikler, kesişme mekanizması ile tutulurlar. Filtre ortamı tane büyüklüğü 1 mm olduğunda 1 μm den daha küçük tanecikler, difüzyon mekanizması ile tutulurlar. Bu iki sınır altında ise kesişme ve çökelme etkili olmaktadır. Şekil 9’da görüldüğü gibi, 1 -10 μm arasındaki taneciklerin tutulma verimleri , bu boyutların dışındaki taneciklere göre daha düşüktür.

TANECİK BÜYÜKLÜĞÜNÜN TUTULMA VERİMİ ÜZERİNE ETKİSİ Şekil 9. Tutulma verimi üzerine tanecik çapının etkisi

HIZLI KUM FİLTRASYONU Hızlı kum filtrasyon işlemi, ön arıtımı yapılmış sulara uygulanır ve filtrasyon hızı genellikle 5 -25 m/saat civarındadır. Akış genellikle yukarıdan aşağıya doğru olmakla birlikte, yukarı akışlı filtreler de kullanılmaktadır. İşlem sırasında katı tanecikler sudan uzaklaşırlar ve gözenekler içinde, filtre yatağının üst kısmından itibaren tutulurlar. Filtrede yavaş bir tıkanma olur. Filtre hızı azaltılmazsa, yük kaybı artar. Yük kaybı maksimuma ulaştıktan sonra, filtre geri yıkama yaparak temizlenir. Filtrelerin geri yıkamaları 12 -96 saat periyotla yapılır. Ancak bazı tesislerde daha uzun periyotlarla çalışılmaktadır. Ancak uzun sürelerde, filtrede biriken katıların sıkışması nedeniyle, geri yıkama zorlaşmaktadır.

HIZLI KUM FİLTRASYONU Hızlı filtrasyonda, taneciklerin etkili bir şekilde uzaklaştırılması, kimayasal koagülasyonla ön arıtım yapılmasına bağlıdır. Ayrıca, filtrasyon sırasında suya filtre yardımcısı polimerlerin ilavesi, taneciklerin filtre ortamına bağlanmasını ve daha başarılı bir filtrasyon yapılmasını sağlar. Hızlı kum filtreleri beton bir havuz olup, tabanında 15 -45 cm çakıl tabakası vardır. Çakıl tabakasının içinde, delikli borulardan ibaret bir drenaj sistemi bulunur. Bazı filtrelerde çakıl tabakası yerine bir takım özel tertipler kullanılmaktadır. Drenaj boruları bir ana kolektörde birleşir. ve bu kolektörün devamı olan çıkış borusu üzerinde, çıkış debisini ayarlayan, özel bir vana tertibi bulunur.

HIZLI KUM FİLTRASYONU Şekil 10. Bir hızlı kum filtresi inşaatı

HIZLI KUM FİLTRASYONU Şekil 11. Bir hızlı kum filtresi

HIZLI KUM FİLTRASYONU Şekil 12. Bir hızlı kum filtresi şematik görünümü

FİLTRE MALZEMELERİ Hızlı kum filtrelerinde kullanılan en yaygın malzemeler, kum, kırılmış antrasit kömürü, granül aktif karbon, garnet veya ilmenittir. Tipik filtre ortamları Şekil 13’ de görülmektedir. Kum yataklar daha çok kullanılmakla beraber, ikili ve üçlü filtre ortamları da kullanılmaktadır. Hızlı kum filtrelerinde kullanılan malzemeler. 1, 2 ve 3 no lu yataklar su ile akışkan hale getirilerek geri yıkanır. 4 ve 5 no ‘lu ortamlar ise hava + su ile akışkan hale getirilmektedir. Şekil 13. Bir hızlı kum filtresi malzemeleri

FİLTRE MALZEMELERİ Aşağıdan yukarı doğru hızla yükselen su, kabaran kum yatak içindeki kir, çamur ve pislikleri beraberinde sürükleyerek açık olukları doldurur. Buradan açık kanallardaki hidrolik şartlarda, çamurlu su akarak, filtre cephesindeki duvar önünde bulunan çamurlu su vanası üzerinden kanalizasyona girer. Çeşitli içme suyu uygulamaları için hızlı filtrelerde kullanılan ortamların tane boyutları Tablo 4’ de verilmiştir. Filtre ortamının uniformluk katsayısı (U) genellikle 1. 65 -1. 7 değerlerinde standartlaştırılmıştır. Akışkanlaştırılarak geri yıkanan, iri taneli filtre ortamları için, daha küçük U değerleri kullanılır Böylece geri yıkama akış hızı azaltılmış olur.

Tablo 4. Farklı uygulamalar ait tipik filtre malzemeleri

HIZLI KUM FİLTRELERİNDE YÜK KAYBI Bir kum filtresinin çalışması esansında, filtre içinde meydana gelen basınç değişmeleri Şekil 13’ de görülmektedir. Şekil 13. Bir hızlı kum filtrelerinde yük kaybı

HIZLI KUM FİLTRELERİNDE YÜK KAYBI Filtre yatağı üzerindeki su atmosfer basıncında hava ile doymuş bulunmaktadır. Su filtre yatağına girdiğinde, filtre tıkalı ise suyun basıncı düşer. Bu durumda suda çözünmüş olan hava gaz halinde sudan ayrılır. Bu durum negatif basıncın oluşmasına yol açar. Açığa çıkan gaz kabarcıkları kum taneleri arasında birikir. Oluşan hava boşlukları filtrenin etkili yüzey alanını azaltır ve filtrasyon hızını arttırır. Bunun sonucunda filtrenin kalanında yük kaybı da artar. Hava tıkanması sonucunda gazın toplandığı hacimden su geçemez. Ayrıca biriken gazlar, kum tabakasını yararak gürültü ile dışarı çıkar ki bu durumda, gazın açtığı kanaldan süzülmeden kirli bir şekilde akıp gider.

HIZLI KUM FİLTRELERİNDE YÜK KAYBI Su derinliği ne kadar fazla ve kum tabakasında yük kaybı dağılımı ne kadar üniform olursa negatif basınç o kadar aşağıda bir yerde doğar. Su derinliğinin etkisi, kum tabakası üzerinde fazla basınç doğurması ve dolayısı ile filtrede tutulan maddeleri yatağın daha alt kısımlarına itebilmesiyle izah edilebilir. Eğer filtre yatağı üzerindeki su derinliği az ise, filtre çalışmaya başladıktan kısa bir süre sonra negatif bir yük meydana gelebilir. Negatif basınç nedeniyle yatakta birikmiş olan hava, geri yıkama sırasında, daha kum yatak kabarmaya fırsat bulamadan çıkar. Bu şekilde açılan yarıktan yıkama suyu aniden hücum ederek çakıl yatağın bozulmasına sebep olabilir.

Örnek 2: Bir hızlı kum filtresinin yatak kalınlığı 0. 9 m dir. Filtre malzemesi olarak, spesifik çapı 0. 8 mm ve özgül ağırlığı 2640 kg/m 3 olan bir kum kullanılmıştır. Bu kumun şekil faktörü 0. 95 olup, temiz filtre yatağının porozitesi po = 0. 42 dir. Filtrede 0. 3 m lik bir negatif basınca müsaade edilmektedir. Yapılan deneyde, bu negatif basıncın, filtre tabakasının üst yüzeyinden 0. 4 m aşağıda teşekkül ettiği görülmüştür. Yatak üzerinde su tabakası kalınlığı 1. 2 m dir. Filtrasyon hızı 7. 2 m/saat, su sıcaklığı 20 o. C , kinematik viskozite 1. 01 x 10 -6 m 2/s olduğuna göre, filtrasyonun basınç diyagramını çiziniz. Filtre yatağında müsaade edilen en büyük kaybını bulunuz.

Çözüm 2: Carman-Kozeny denkleminden (Denklem 15), başlangıçtaki yük kaybı bulunur. DH=0. 95 x 0. 80= 0. 76 mm = 0. 760. 10 -3 m

HIZLI FİLTRASYONDA ÇIKIŞ SUYUNUN KALİTESİ Filtre edilmiş suyun kalitesi, filtrasyon kademesinin başlangıcında fazla iyi değildir. Filtre çok uzun süre çalıştırılırsa, başlangıçta filtrenin üst kısmının etkili olmasına karşılık, filtrasyon işlemi ilerledikçe, filtrenin etkili kısmı daha alt tabakalara iner. İlk 30 dakikadan sonra filtrenin çalışmaya devam etmesi halinde filtre verimi artar. Ancak daha sonraki zamanlarda verim gittikçe azalır. Şekil 14. Filtre çalışırken değişik zamanlarda hızlı bir filtrede derinliğe bağlı basınç değişimi.

FİLTRE TABANI TEŞKİLİ Filtre tabanı, filtre malzemesinin süzülmüş suya karışmasını önleyecek şekilde yapılır. Bunun için en alttaki delikli boru veya süzgeçlerden yapılmış olan drenaj sisteminin üzerine çakıl ve onun üzerine de kum yerleştirilir. Tabandaki delikli borular manifold adı verilen toplama borularına bağlıdır. Drenaj sisteminin üzerindeki kum-çakıl tabakası çok iyi tanzim edilmelidir. Filtre yatağında yukarıdan aşağıya doğru tane çapları artar. Şekil 15 – 16 -17 ‘de filtre tabanı teşkili, Şekil 18 ‘de bir filtre havuzu görülmektedir.

FİLTRE TABANI TEŞKİLİ Filtre yatağındaki her bir tabakadaki en büyük ve en küçük tane çapları arasındaki oran ‘yi geçmemelidir. Şekil 15. Filtre tabanındaki delikli drenaj boruları.

FİLTRE TABANI TEŞKİLİ Şekil 16. Hızlı kum filtresi drenaj sistemi.

FİLTRE TABANI TEŞKİLİ Şekil 17. Hızlı kum filtresi drenaj sistemi

FİLTRE TABANI TEŞKİLİ Şekil 18. Filtre havuzu

FİLTRE TABANI TEŞKİLİ Filtre tabanında delikli borular kullanılabileceği gibi Şekil 19’da görüldüğü gibi süzgeç sistemleri de kullanılabilir. Şekil 19. Filtre drenaj sisteminde kullanılan süzgeçler

FİLTRE TABANI TEŞKİLİ Süzgeçlerin yerleştirilme şekilleri görülmektedir Şekil 20. Süzgeçlerin filtre tabanına yerleştirilmesi

FİLTRE TABANI TEŞKİLİ Diğer bir drenaj sistemi de wheeler tipi drenaj sistemidir. Bu sistemlerde beton içerisine yapılmış olan konik oyuklara sırsız porselen toplar yerleştirilir. Bu toplar akış dağılımını düzenler. Porselen topların üzerine iri çakıl ve onun üzerine ince çakıl yerleştirilir. Şekil 21’de Wheeler tip bir drenaj sistemi, Şekil 4. 22’de bu sistemin filtre tabanındaki tertip şekli görülmektedir. Şekil 21. Wheeler tipi drenaj sistemi Şekil 22. Wheeler tipi drenaj sisteminin tertip şekli.

HIZLI KUM FİLTRELERİNİN GERİ YIKANMASI • Hızlı filtrelerin etkili geri yıkanması, filtrelerin uzun süreli kullanımları için temel işlemlerden biridir. • Hızlı kum filtrelerinin geri yıkanması için yük kaybı maksimum seviyeye gelmeli veya filtre edilmiş suyun bulanıklığı belli bir limite gelmelidir. • Geri yıkama sistemi çok sık filtre hatalarına yol açabilir. Bu yüzden geri yıkama sisteminin seçimi, uygun dizayn edilmesi, konstrüksiyonu ve bu sistemin işletilmesi, tüm sistemin başarılı bir şekilde çalışmasında çok etkilidir. • Klasik geri yıkama sisteminde filtre yatağı drenaj sisteminden verilen basınçlı su ile tam olarak akışkan hale getirilir. • Basınçlı suyun çakıl yatağı alt üst etmemesi için, geri yıkama suyu, 30 s lik aralıklarla yavaş arttırılarak verilir.

HIZLI KUM FİLTRELERİNİN GERİ YIKANMASI Filtre yatağını akışkan hale getirmek için gerekli yük kaybı (1. 20) şeklinde ifade edilir. Burada, ρ = Suyun yoğunluğu (kg/m 3) ρs = Malzemenin yoğunluğu (kg/m 3) L = Yatak kalınlığı (m) p = Yatağın porozitesi

HIZLI KUM FİLTRELERİNİN GERİ YIKANMASI g = Yerçekimi ivmesi (m/s 2) Z = Geri yıkamadaki filtre yatağındaki yük kaybı (m) A = Filtre yatağı yüzey alanı (m 2) (1. 20) denkleminden Z çekilirse; (1. 21)

HIZLI KUM FİLTRELERİNİN GERİ YIKANMASI Örnek 3: Yoğunluğu 2600 kg/m 3, porozitesi %40 olan bir kum yatağın geri yıkanması sırasındaki yük kaybını bulunuz. Çözüm 3: Bu sonuç, geri yıkama sırasındaki yük kaybının yaklaşık yatak yüksekliği kadar olduğunu göstermektedir.

Örnek 3: Geri yıkama sırasında sadece filtre yatağında yük kaybı olmaz. Borularda ve filtre tabanında da önemli ölçüde yük kaybı olur. Toplam yük kaybı; (1. 22) şeklinde ifade edilebilir. Filtre tabanındaki yük kaybı; (1. 23) şeklinde bulunabilir. Burada, vo gerçek su hızıdır. Gerçek su hızı, filtre tabanındaki süzgeç deliğinden geçtikten sonraki hızdır. Geri yıkamada deliklere giren suyun hızı V ise, gerçek su hızı,

Örnek 3: Burada, vo gerçek su hızıdır. Gerçek su hızı, filtre tabanındaki süzgeç deliğinden geçtikten sonraki hızdır. Geri yıkamada deliklere giren suyun hızı V ise, gerçek su hızı, (1. 24) şeklinde yazılır. Burada Af, faydalı alandır. Su delikten geçerken büzülür ve deliğin kesit alanı azalır. Faydalı alan, (1. 25)

Örnek 3: şeklinde bulunur. Burada, A, delik alanı ve μ, büzülme katsayısıdır. Hesaplamalarda büzülme katsayısı 0. 7 civarında alınır. Filtre tabanında 1 m 2 deki delik sayısı n, bir deliğin çapı d ise, 1 m 2 deki delik alanı, (1. 26) olur. (1. 23) formülü aşağıdaki gibi yazılabilir; (1. 27)

μ= 0. 7 alınabilir; 1 m 2 deki delik sayısı n Suyun büzülmesi

HIZLI KUM FİLTRELERİNİN PROJELENDİRİLMESİ Hızlı kum filtrelerinin projelendirilmesinde önce filtre hızı seçilir. Filtre hızının seçiminden sonra filtrenin toplam yüzey alanı bulunur. (1. 29) Burada, Q = Yıllık ortalama debi V= Filtre hızı Hızlı kum filtrelerinde filtre hızı, 5 -15 m/saat arasında seçilir. Debi sabit olmadığı için yüzey alanını hesaplarken emniyet katsayısı kullanmak uygun olur. (1. 30)

HIZLI KUM FİLTRELERİNİN PROJELENDİRİLMESİ Hızlı kum filtreleri en az 4 adet olarak inşa edilir. Bu yüzden toplam yüzey alanı bulunduktan sonra filtre sayısı bulunur. Bir filtrenin yüzey alanı, veya (1. 31) (1. 32) Burada n-1 veya n-2 alınmasının nedeni, 1 veya 2 filtrenin geri yıkama veya bakım sırasında servis dışı olmasındandır. Bir filtrenin yüzey alanı minimum 10 -20 m 2, maksimum 100 -200 m 2 olabilir. Filtreler yerleştirilirken Şekil 1. 16 daki gibi simetrik bir düzenleme yapılır

YAVAŞ KUM FİLTRELERİ Yavaş filtrelerde kum yatağının üstünde ince bir biyolojik tabaka oluşur ve süzme işleminin büyük bir kısmı bu tabakada gerçekleşir. Zamanla bu tabaka kirlendiği için tıkanma olur. Tıkanma, üstten kirli kum kazınarak giderilir ve yeniden devreye alırken birkaç gün filtre devre dışına alınır ve bu tabakanın oluşması sağlanır.

YAVAŞ KUM FİLTRELERİ • Yavaş kum filtrelerinde kum kalınlığı 1 -1. 5 m. ile altındaki çakıl tabakası ise 30 -40 cm. arasında değişmektedir. • Filtre yatağı çapı 0. 15 - 0. 35 mm arasında değişen ince kum taneciklerinden oluşur. • Filtre tabanında, beton tuğlalardan oluşan bir drenaj sistemi bulunur. • Soğuk iklimlerde donmadan korumak için üzeri kapatılmalıdır.

YAVAŞ KUM FİLTRELERİ Avantajları; • Dizayn ve inşaatının kolaylığı, • Ekipman ve işletiminin kolaylığı, • Daha az kontrol gerektirmesi, • Genellikle kimyasal ön arıtmaya ihtiyaç olmaması, • İşletme giderlerinin azlığı, • Hastalık yapıcı organizmaların mükemmel şekilde ortadan kaldırılması, • Enerji giderinin az olması gibi sıralayabiliriz.

YAVAŞ KUM FİLTRELERİ Yavaş kum filtrelerinin başlıca dezavantajları; • Büyük alan ihtiyacına bağlı olarak yapı ve kum hacminin daha büyük olması ve bununda ilk yatırım maliyetini yükseltmesi, renk ve alg sorunu olan sularda iyi verim alınamaması, • Bulanıklığı fazla olan sularda filtre tabakasında daha sık tıkanıklık oluşması nedeniyle temizlik aralıklarının sıklaşması ve işletme güçlüğü gibi nedenlerdir.

YAVAŞ KUM FİLTRELERİ Yavaş filtrelerde, filtre yüzeyinden her seferinde yaklaşık 5 cm olacak şekilde kirli kum kazınarak kum yıkama havuzlarına alınır. Kum kazıma işlemi kum yatağı kalınlığı 65 cm’ye düşene kadar devam edilebilir. Filtre ünitesi yanında bir kum yıkama havuzu ve yıkanan kumları depolayacak bir kum depolama ünitesi projelendirilir.

YAVAŞ KUM FİLTRELERİ Şekil. Yavaş Kum Filtresi Şematik Gösterimi

YAVAŞ KUM FİLTRELERİ İLE HIZLI KUM FİLTRELERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI

TEŞEKKÜRLER