Kısıtlı Oksijen Şartlarında Kısmi Nitrifikasyon/ Nitritifikasyon Proseslerinin İncelenmesi. Proje No: 107Y117

Transkript

1 Kısıtlı Oksijen Şartlarında Kısmi Nitrifikasyon/ Nitritifikasyon Proseslerinin İncelenmesi Proje No: 107Y117 Yrd.Doç.Dr. Bilge Alpaslan Kocamemi Çevre Müh. Esra Çiçek AĞUSTOS 2008 İSTANBUL

2 ÖNSÖZ Zenginleştirilmiş nitrifikasyon kültürü içeren ardışık kesikli reaktör () ve biyofilm sistemlerinde çözünmüş oksijen konsantrasyonu kontrolüne dayalı kısmi nitrifikasyon/nitritifikasyon proseslerinin evsel atıksular için uygulanabilirliğinin incelendiği bu çalışma bu çalışma TÜBİTAK tarafından 107Y117 no lu Kısıtlı Oksijen Şartlarında Kısmi Nitrifikasyon/ Nitritifikasyon Proseslerinin İncelenmesi isimli 1002 Hızlı Destek projesi kapsamında desteklenmiştir. Proje çalışanları olarak verdiği destekten dolayı TÜBİTAK a teşekkür ederiz. 2

3 İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET 6 ABSTRACT 7 1. GİRİŞ 8 2. GENEL BİLGİLER GEREÇ VE YÖNTEM SENTETİK ATIKSU ARDIŞIK KESİKLİ REAKTÖR () SİSTEMİ Ardışık Kesikli Reaktör Sisteminde Sürekli Akış Deneyleri Amonyum Tüketim Hızı Deneyleri Oksijen Tüketim Hızı Deneyleri DOLGU YATAKLI BATIK BİYOFİLM (BF) SİSTEMİ Biyofilm Sisteminde Sürekli Akış Deneyleri ÖLÇÜMLER BULGULAR VE TARTIŞMA Sisteminde Sürekli Akış Deneyleri Sisteminde Amonyum Tüketim Hızı Deneyleri Oksijen Tüketim Hızı Deneyleri Biyofilm Sisteminde Sürekli Akış Deneyleri SONUÇLAR VE ÖNERİLER REFERANSLAR 52 3

4 TABLO LİSTESİ Sayfa Tablo 3.1. Sentetik atıksu kompozisyonu 15 Tablo 3.2. sistemi sürekli akış deneyleri işletim parametreleri 21 Tablo 3.3 Biyofilm sistemi (BF) sürekli akış deneyleri işletim parametreleri 25 Tablo 4.1. Amonyum tüketim hızı deney sonuçları 33 Tablo 4.2. Biyofilm sisteminde gözlemlenen amonyak ve nitrit birikim yüzdeleri 44 4

5 ŞEKİL LİSTESİ Sayfa Şekil 2.1 Kısmi nitrifikasyon-denitrifikasyon prosesi 11 Şekil 2.2 SHARON prosesi 12 Şekil 2.3 ANAMMOX prosesi 12 Şekil 2.4. CANON prosesi 12 Şekil 2.5. OLAND prosesi 12 Şekil 3.1 Ardışık kesikli reaktör () sistemi 16 Şekil 3.2 Ardışık kesikli reaktör () sistemi akış diyagramı 19 Şekil 3.3 Ardışık kesikli reaktör () işletim fazları 20 Şekil 3.4 Dolgu yataklı batık biyofilm (BF) sistemi 24 Şekil 4.1. Sürekli akış altında işletilen sisteminde ölçülen temel işletim parametrelerinin kronolojik gösterimi 28 Şekil 4.2. Sürekli akış altında işletilen sisteminde ölçülen NH 4 -N, NO 2 -N ve NO 3 -N değerlerinin kronolojik gösterimi 29 Şekil 4.3 Sürekli akış altında işletilen sisteminde ilk spesifik amonyum tüketim hızlarının kronolojik değişimi 34 Şekil 4.4 Sürekli akış deneyleri sürecinde kesikli oksijen tüketim hızı deneyleri ile (a) K o, AOB and SOUR max,aob (b) K o, NOB and SOUR max,nob kinetik katsayılarının belirlenmesi 36 Şekil 4.5 Sürekli akış altında işletilen sistemindeki bakteri kültürlerinin (a) maksimum spesifik oksijen tüketim hızlarının (b) oksijen yarı doygunluk katsayılarının kronolojik değişimi 39 Şekil 4.6 Sürekli akış altında işletilen biyofilm sisteminde ölçülen temel işletim parametrelerinin kronolojik gösterimi 42 Şekil 4.7 Sürekli akış altında işletilen biyofilm sisteminde ölçülen NH 4 -N, NO 2 -N ve NO 3 -N değerlerinin kronolojik gösterimi 43 5

6 ÖZET Bu çalışma kapsamında çözünmüş oksijen (ÇO) konsantrasyonu kontrolüne dayalı kısmi nitrifikasyon/nitritifikasyon prosesleri zenginleştirilmiş nitrifikasyon kültürü içeren askıda çoğalan ardışık kesikli reaktör () ve dolgu yataklı batık biyofilm sistemlerinde aynı şartlar altında 365 gün süresince kademeli olarak azalan ÇO konsantrasyonlarında gerçekleştirilen sürekli akış deneyleri ile incelenmiştir. Ayrıca, sürekli akış altında işletilen sisteminde belirli zaman aralıklarında gerçekleştirilen kesikli spesifik amonyum tüketim hızı ve oksijen tüketim hızı deneyleri ile uzun süreli limitli ÇO konsantrasyonuna maruz kalan nitrifikasyon bakterilerinin detaylı kinetik analizi gerçekleştirilmiştir. Deneylerden elde edilen sonuçlar her iki sistemde de kısıtlı oksijen şartlarının amonyak ve nitrit birikimine yol açtığını göstermiştir. sisteminde 1 mg/l den 0.54 mg/l ÇO ya geçildiğinde görülmeye başlanan amonyak ve nitrit birikimi biyofilm sisteminde 3.64 mg/l den 1.21 mg/l ye geçildiği süreçte görülmeye başlanmıştır. Her iki sistemde de uzun süreli kısıtlı oksijene maruz kalan amonyum oksitleyen (AOB) ve nitrit oksitleyen (NOB) kültürlerinin düşük ÇO ya fizyolojik olarak bir miktar adapte olduklarına dair bulgular elde edilmiştir. Nitrit birikiminin her iki sistem de amonyak birikimine paralel olarak seyretmesi serbest amonyak miktarının kısmen de olsa nitrit birikimi üzerinde etkisi olduğunu göstermiştir. Kısıtlı oksijen şartlarının biyofilm sisteminde sistemine göre daha ciddi mertebede nitrit birikimine sebep olduğu ve nitrit birikim/amonyak birikim oranının daha yüksek seyrettiği bulunmuştur. Biyofilm sisteminde kısıtlı oksijen şartlarında stabil olarak seyreden amonyak ve nitrit birikimlerinde zamanla artış gösterecek bakteri miktarına bağlı olarak uzun vadede değişim olabileceği gözlemlenmiştir. 6

7 ABSTRACT In the scope of this study, partial nitrification/nitritification processes based on dissolved oxygen (DO) concentration control will be investigated through 365-days continuous flow experiments performed in an enriched nitrifying suspended-growth sequential batch reactor () and a submerged packed bed biofilm system under gradually decreasing DO concentrations. The batch specific ammonium utilization rate and oxygen uptake rate experiments performed in the continous-flow system at certain time intervals were provided detailed kinetic analyses of the nitrifier culture which were exposed to limited oxygen conditions for prolonged time. The experimental results showed that in both systems limited oxygen conditions caused ammonium and nitrite accumulation. In the system, ammonium and nitrite accumulations were initially observed upon decrease of DO from 1 to 0.54 mg/l, whereas in the biofilm system they were initially observed upon decrease of DO from 3.64 mg/l to 1.21 mg/l. The findings from both systems indicated that ammonium oxidizing (AOB) and nitrite oxidizing (NOB) cultures, which were exposed to the limited oxygen conditions for prolonged time were physiologically adapted to low DO in some extent. In both systems, nitrite accumulation and ammonium accumulation occurred in parallel with each other, indicating that free ammonia concentration partially effective on nitrite accumulation. In the biofilm system limited oxygen conditions caused higher nitrite accumulation than in the system and higher nitrite accumulation/ammonium accumulation ratio was observed with respect to the system. In the biofilm system, it was observed that ammonium and nitrite accumulations showing a stable trend under limited oxygen conditions might change in the long term due to increasing amount of bacteria in time. 7

8 1. GİRİŞ Mevcut su kaynaklarının korunumunun oldukça önem kazandığı günümüzde deşarj edildiği alıcı ortamlarda başta ötrofikasyon olmak üzere ciddi çevresel sorunlara sebep olan azot için sıkı deşarj limitleri mevcuttur. Bu nedenle evsel ve endüstriyel atıksularda amonyum azotu giderimi son yıllarda oldukça önem kazanmıştır. Atıksulardan amonyum gideriminde fiziko-kimyasal metotlara göre daha ucuz ve daha yüksek arıtma verimi elde edilebilen biyolojik nitrifikasyon-denitrifikasyon prosesi tercih edilmektedir [1]. Ancak, günümüzde yaygın olarak kullanılmakta olan nitrifikasyon-denitrifikasyon proseslerinin nitrifikasyon aşamasında amonyum azotunun oksitlenmesi için gerekli olan yüksek oksijen ihtiyacı (yaklaşık 4.57 g O 2 /g NH 4 -N; [2]) bu sistemlerin kullanıldığı arıtma tesislerinde işletim masraflarının önemli ölçüde yüksek olmasına sebep olmaktadır. Ayrıca, bu proseslerin düşük karbon/azot (C/N) oranlı endüstriyel atıksular için olan uygulamalarında ise denitrifikasyon prosesinin karbon ihtiyacı (yaklaşık 2.47 g metanol/g NO 3 -N, [1] ) dışarıdan karbon ilavesini gerekli kılmakta ve buna bağlı olarak kimyasal sarfiyatını ve oluşacak çamur miktarını arttırmaktadır. Son yıllarda evsel ve endüstriyel atıksulardan amonyum azotu giderilmesinde enerji ve kimyasal sarfiyatının kullanımının minimize edilmesini sağlayacak yeni biyolojik azot giderim teknolojilerinin (örn: kısmi nitrifikasyon-nitrit üzerinden denitrifikasyon, SHARON, ANAMMOX, CANON, OLAND prosesleri [3,4,5,6,7] geliştirilmesine yönelik pek çok çalışma yürütülmektedir. Araştırılmakta olan bu yeni teknolojilerin tümü öncesinde kısmi nitrifikasyon/nitritifikasyon prosesini gerekli kılmaktadır. Bu nedenle yukarıda bahsi geçen yeni biyolojik azot giderim proseslerinin uygulanabilirliği nitrifikasyon prosesinde nitritin nitrata oksitlenmesinin inhibe edilerek stabil kısmi nitrifikasyon veya kısmi nitritifikasyon sağlanması hususunun detaylı bir şekilde incelenmesini gerekli kılmaktadır. Bu çalışma kapsamında, çözünmüş oksijen (ÇO) konsantrasyonu kontrolüne dayalı kısmi nitrifikasyon/nitritifikasyon proseslerinin evsel atıksular için uygulanabilirliği incelenmiştir. Bu amaçla, zenginleştirilmiş nitrifikasyon kültürü içeren askıda çoğalan ardışık kesikli reaktör () ve dolgu yataklı batık biyofilm sistemlerinde çözünmüş oksijen (ÇO) konsantrasyonun kademeli olarak düşürüldüğü sürekli deneyler gerçekleştirilerek ÇO konsantrasyonun amonyum oksidasyonu ve nitrit birikimi üzerine etkileri uzun vadede 8

9 araştırılmıştır.. Sürekli akış altında çalıştırılan sisteminden belirli zaman aralıklarında alınan çamur numuneleri ile gerçekleştirilen kesikli amonyum tüketim hızı ve oksijen tüketim hızı deneyleri kapsamında uzun vadede kademeli olarak azalan ÇO konsantrasyonunun AOB (amonyum oksitleyen bakteri) ve NOB (nitrit oksitleyen bakteri) kültürlerinin kinetiği üzerinde yarattığı etki incelenmiştir. 9

10 2. GENEL BİLGİLER Günümüzde atıksulardan azot gideriminde yaygın olarak kullanılmakta olan konvansiyonel nitrifikasyon-denitrifikasyon prosesi ototrofik nitrifikasyon ve heterotrofik denitrifikasyon proseslerinden oluşmaktadır [3]. Nitrifikasyon prosesi aerobik şartlar altında karbon kaynağı olarak inorganik karbon kullanan ototrofik Nitroso-bakteriler tarafından amonyum azotunun önce nitrite çevrildiği ve bunu takiben Nitro-bakteriler tarafından nitrata dönüştürüldüğü iki aşamadan oluşmaktadır. Amonyum oksidasyonu (nitritifikasyon) ve nitrit oksidasyonu ( nitratifikasyon ) için toplam oksijen ihtiyacı nitrifiye edilen amonyum azotu basına 4,57 g oksijendir. Denitrifikasyon prosesinde nitratın azot gazına dönüştürülmesi anoksik şartlar altında karbon kaynağı olarak organik karbon kullanan heterotrofik mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilmektedir [2]. Konvansiyonel nitrifikasyon-denitrifikasyon prosesinin ilk aşaması olan nitrifikasyon prosesinde amonyum azotunun oksitlenmesi için gerekli olan yüksek oksijen ihtiyacı (yaklaşık 4.57 g O 2 /g NH 4 -N; [2]) bu sistemlerin işletim masraflarının önemli ölçüde yüksek olmasına sebep olmaktadır. Ayrıca, konvansiyonel nitrifikasyon-denitrifikasyon prosesinin düşük karbon/ azot (C/N) oranlı endüstriyel atıksular için olan uygulamalarında ise denitrifikasyon prosesinin karbon ihtiyacı (yaklaşık 2.47 g metanol/g NO 3 -N, [1] ) dışarıdan karbon ilavesini gerekli kılmakta ve buna bağlı olarak kimyasal sarfiyatını ve oluşacak çamur miktarını arttırmaktadır. Bu nedenlerden dolayı son yıllarda evsel ve endüstriyel atıksulardan amonyum azotu giderilmesinde enerji ve kimyasal sarfiyatının kullanımının minimize edilmesini sağlayacak yeni biyolojik azot giderim teknolojilerinin geliştirilmesine yönelik pek çok çalışma yürütülmektedir. Araştırılmakta olan yeni biyolojik azot arıtım teknolojilerinin başlıcaları şunlardır [3-7]: Kısmi nitrifikasyon-nitrit üzerinden Denitrifikasyon, SHARON (Single reaction system for High Ammonium Removal Over Nitrite), ANAMMOX (ANaeorobic AMMonium OXidation), CANON (Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite), OLAND (Oxygen Limited Autotrophic Nitrification Denitrification) prosesleri Kısmi nitrifikasyon-denitrifikasyon prosesinde (Şekil 2.1) amonyum nitrite oksitlenmekte ancak nitrit nitrata dönüşmemekte ve denitrifikasyon nitrit üzerinden [5,8]. Bu proses konvensiyonel nitrifikasyon-denitrifikasyon prosesine kıyasla %25 oranında oksijen tasarrufu sağlamasının yanı sıra düşük karbon/azot (C/N) oranlı atıksuların denitrifikasyonu için gerekli dışarıdan karbon ilavesini yaklaşık olarak % 40 oranında azaltmaktadır 10

11 [7,9,10,11]. Ayrıca, kısmi nitrifikasyon-nitrit üzerinden denitrifikasyon sistemlerinde oluşan çamur miktarı konvansiyonel nitrifikasyon-denitrifikasyon sistemlerine kıyasla yaklaşık % 30 oranında daha azdır [12]. NH 4 + (100) Kısmi Nitrifikasyon NO 2 - (100) Denitrifikasyon N 2 (100) Şekil 2.1 Kısmi nitrifikasyon-denitrifikasyon prosesi SHARON prosesi (Şekil 2.2), yüksek amonyum içeren çamur çürütme üniteleri süzüntü suları için geliştirilmiştir. Bu proses yüksek sıcaklıklarda kesikli havalandırılan kemostat sistemlerinde denitrifikasyon prosesi ile birlikte uygulanan kısmi nitrifikasyon teknolojisidir. Prosesin temeli yüksek sıcaklıklarda ( C) nitrit oksitleyen bakterilerin (NOB) amonyum oksitleyen bakterilere (AOB) göre oldukça düşük büyüme hızına sahip olması esasına dayanır [13]. Bu proses, yüksek sıcaklıkta ve yüksek amonyum azotu (> 500 mg/l) içeren atıksular (örn: çamur çürütme üniteleri süzüntü suyu) için denitrifikasyon yapılmaksızın uygulanması durumunda kısmi nitritifikasyon prosesi olarak çalışabilmekte ve Anammox prosesi için gerekli olan %50 nitrit oluşumunu sağlayabilmektedir [14]. NH 4 + (100) SHARON NH 4 + /NO 2 - (50/50) ANAMMOX Şekil 2.2 SHARON prosesi ANAMMOX prosesi (Şekil 2.3) Planctomycete gurubuna ait bakteriler tarafından gerçekleştirilen litototrofik biyolojik dönüşüm prosesi olup bu bakteriler elektron alıcısı olarak nitriti kullanmak suretiyle amonyum azotunu azot gazına indirgemektedir [3,4,7,14]. Anammox prosesinin giriş suyunda %50 amonyum - %50 nitrit gerekliliği bu prosesin uygulanacağı atıksularda öncelikli olarak kısmi nitritifikasyon prosesinin uygulanmasını gerekli kılmaktadır. 11

12 NH 4 + /NO 2 - (50/50) ANAMMOX N 2 /NO 3 - (90/10) Şekil 2.3 ANAMMOX prosesi CANON prosesinde (Şekil 2.4) kısmi nitritifikasyon ve Anammox birlikte yapılmaktadır. Ancak, bu proses ardışık nitritifikasyon ve Anammox proseslerini kısıtlı oksijen şartlarında tek bir reaktör içerisinde gerçekleştirmekte olup sistemde Nitrosomonastipi aerobik bakteriler ve Planctomycete-tipi anaerobik bakteriler işbirliği içerisindedirler [14]. NH 4 + (100) Kısmi Nitritifikasyon NH 4 + /NO 2 - (50/50) ANAMMOX N 2 /NO 3 - (90/10) Şekil 2.4. CANON prosesi OLAND prosesi (Şekil 2.5) konvansiyonel aerobik, ototrofik nitrifikasyon bakterilerinden bazılarının kısıtlı oksijen altında denitrifikasyon yapabilme özelliğini kullanmaktadır. Bu proseste nitrifikasyon bakterileri öncelikle amonyumu %50 oranında nitrite çevirmekte ve bunu takiben aynı bakteriler sistemde kalan amonyumu nitriti elektron alıcısı olarak kullanmak suretiyle azot gazına dönüştürmektedir [6,14]. NH 4 + (100) Kısmi Nitritifikasyon NH 4 + /NO 2 - (50/50) Nitrifikasyon bakterileri tarafından gerçekleştirilen Ototrofik Denitrifikasyon N 2 (100) Şekil 2.5. OLAND prosesi Yukarıda özetlenmekte olan kısmi nitrifikasyon/nitritifikasyon prosesine dayalı yeni biyolojik azot giderim sistemleri esas olarak yüksek amonyum azotu ihtiva eden düşük karbon/azot oranlı atıksular (örn: çamur çürütme üniteleri süzüntü suları, agro sanayi 12

13 atıksuları) için geliştirilmiştir. Bu proseslerin evsel atıksulardan azot giderimi için uygulanabilirliği nitrifikasyon prosesinde nitritin nitrata oksitlenmesinin inhibe edilerek stabil kısmi nitrifikasyon veya kısmi nitritifikasyon sağlanması hususunun detaylı bir şekilde incelenmesini gerekli kılmaktadır. Atıksu arıtma tesislerinde normal su sıcaklıklarında ( C) nitrit oksitleyen bakteriler (NOB) amonyum oksitleyen bakterilere (AOB) kıyasla daha hızlı olarak büyümektedirler. Bu nedenle, optimum işletim şartlarında çalıştırılan atıksu arıtma tesislerinde nitrit birikimi yaygın olarak rastlanan bir durum olmamakta ve amonyum tamamen nitrata dönüşebilmektedir [13,15]. Ancak, sıcaklık, ph, serbest amonyak (SA), çamur yaşı ve çözünmüş oksijen (ÇO) gibi işletim parametreleri kısmi nitrifikasyon /nitritifikasyon oluşumuna sebep verebilmekte ve nitritin nitrata oksitlenmesinin inhibe edilmesine neden olabilmektedir. Literatürde, ph ve sıcaklık gibi işletim parametrelerinden direk olarak etkilenen serbest amonyağın nitrit birikimi üzerine etkisi hususunda gerçekleştirilmiş olan pek çok çalışma mevcuttur. Bu çalışmalarda NOB nin AOB ye göre SA konsantrasyonuna karşı daha duyarlı olduğu bulunmuştur. Oldukça düşük serbest amonyak konsantrasyonlarının (0,1-10 mg/l) AOB lerin aktivitelerini etkilemeksizin NOB lerin inhibe etmek suretiyle nitrit birikmesine sebep olduğu belirtilmiştir. Ancak, inhibisyona sebep olan SA konsantrasyonlarında uzun süreli sürekli işletim şartları altında nitrit oksitleyen bakterilerin serbest amonyağa adapte olduğu gözlenmiştir [9,10,15,16,17,18]. Sıcaklığın nitrifikasyon üzerine etkisinin incelendiği çalışmalarda, 25 0 C den yüksek sıcaklıklarda AOB lerin maksimum spesifik büyüme hızının NOB ler ile aynı mertebede veya daha yüksek olduğu ve bu durumun nitrit birikimine sebep olabileceği gözlenmiştir [10,15]. Ancak atıksuların genellikle 25 o C den daha düşük sıcaklıklarda oluşu bu stratejinin sadece anaerobik çamur çürütücü çıkış suları gibi yüksek sıcaklıktaki atıksular için uygulanabilir kılmaktadır [10]. Pollice ve diğerleri [19] tarafından yürütülen çalışmada yeterli oksijen şartlarında kısmi nitrifikasyon için kritik parametrenin çamur yaşı olduğu belirtilmiştir. Aynı çalışmada, oksijenin kısıtlı olmadığı şartlar altında sistemin düşük çamur yaşlarında işletiminin kısmi nitrifikasyon ile nitrit birikimi sağlayabileceği gösterilmiştir. Ancak işletim seviyesinde çamur yaşını kontrol etmek kolay olmayabilir. Buna ek olarak çok düşük çamur yaşları biyokütle kaybı ile sonuçlanabilir. 13

14 Yukarıda listelenmekte olan nitrifikasyon işletim parametreleri arasında ÇO konsantrasyonu AOB ler ve NOB ler için en önemli parametredir. Ayrıca, atıksu arıtma tesislerinin işletiminde toplam enerji sarfiyatının büyük bir yüzdesini hava temininin oluşturduğu düşünüldüğünde diğer işletim parametreleri yerine ÇO konsantrasyonunu (bir başka deyişle havalandırma seyrini) değiştirmek suretiyle kısmi nitrifikasyon/nitritifikasyon prosesi yapılabilmesi olasılığı cazip bir çözüm olarak gözükmektedir AOB ler ve NOB lerin çözünmüş oksijen doygunluk sabitleri yaklaşık olarak sırasıyla 0.3 ve 1.1 mg/ L [8] olup bu değerlerin birbirlerinden oldukça farklı olmasından dolayı düşük ÇO konsantrasyonu AOB lere kıyasla NOB lere daha fazla tesir etmektedir [15]. Bu nedenle düşük ÇO konsantrasyonları ile işletim NOB lerin aktivetisini büyük oranda azaltmak suretiyle nitrit birikimine sebep olmaktadır [8]. Ancak, literatürde verilmekte olan ÇO yarı doygunluk katsayıları ve inhibe edici ÇO konsantrasyonları birçok faktöre bağlı olarak çok fazla değişkenlik göstermektedir [20]. ÇO nun nitrit birikimine olan etkisi tam olarak açıklığa kavuşturulmamıştır. ÇO konsantrasyonunun nitrifikasyon üzerine olan etkisinin belirlenmesi için daha fazla deneysel çalışmaya ihtiyaç vardır. Bu çalışmalarda özellikle ÇO konsantrasyonun ve diğer bağlı faktörlerin yeni biyolojik azot arıtım proseslerinin temelini oluşturan kısmi nitrifikasyon ve kısmi nitritifikasyon prosesleri üzerindeki etkisi üzerinde durulmalıdır. 14

15 3. GEREÇ VE YÖNTEM SENTETİK ATIKSU Çalışma kapsamında gerçekleştirilen tüm deneyler organik karbon içermeyen gerçek evsel atıksu karakteristiğinde hazırlanan sentetik atıksu ile gerçekleştirilmiştir. Deneylerde kullanılan sentetik atıksu kompozisyonu Tablo 3.1 de özetlenmektedir. Tablo 3.1 de belirtilen stok çözeltiler Merck KGaA, Almanya dan temin edilen kimyasalların deionize suda çözülmesi suretiyle hazırlanmıştır. Tablo 3.1. Sentetik atıksu kompozisyonu Çözelti Stok Çözelti Konsantrasyonu (g/l) Sürekli akışlı deneylerde 10 L hacime eklenen stok çözelti miktarı (ml) Oksijen tüketim hızı deneylerinde 300 ml hacime eklenen stok çözelti miktarı (ml) Besi Çözeltisi (NH 4 ) 2 SO ( a ) NaNO ( b ) Alkalinite ve Fosfat Tampon Çözeltisi NaHCO ( c ) K 2 HPO ( c ) KH 2 PO ( c ) Mineral Çözeltisi MgSO 4.7H 2 O 4 CaCO MnSO 4.H 2 O 0.4 K 2 HPO FeSO 4.7H 2 O ( c ) ( a ) 1 M stok (NH 4 ) 2 SO 4 çözeltisi deneylerde kullanılacak NH 4 -N konsantrasyonuna göre seyreltilmiştir. ( b ) 1 M stok NaNO 2 çözeltisi deneylerde kullanılacak NH 4 -N konsantrasyonuna göre seyreltilmiştir ( c ) Çalışılan NH 4 + -N and NO 2 - -N konsantrasyonları ile orantılı olarak ayarlanmıştır. Tablo3.1 de verilmekte olan değerler doğrultusunda Denklem 1 e göre çalışma süresince sürekli akış altında işletilen ve biyofilm sistemlerine g NH 4 -N başına 7.14 g alkalinite (CaCO 3 cinsinden) dozlaması yapılmıştır. Alkalinite (61 g HCO3 / L) x0.112 L 50 g CaCO3 / eq = x = 7.14 g NH N (28 g NH N / L) x0.028 L 61 g HCO / eq CaCO 3 / g NH 4 N 15

16 3.2. ARDIŞIK KESİKLİ REAKTÖR () SİSTEMİ Çalışma kapsamında ardışık kesikli sistem () olarak çalıştırılan 15.5 cm çapında 28 cm yüksekliğinde 5 L toplam hacimli silindirik pleksi reaktör ve bu reaktörün sürekli akış altında işletiminde kullanılan makine-teçhizat Şekil 3.1 de gösterilmekte olup sistemin işletim stratejisi Şekil 3.2 de verilmektedir. SCADA Danışmalı Kontrol ve Veri Toplama Sistemi PLC Otomasyon Panosu Asit-Baz Tampon Çözeltisi Dozlama Pompası ÇO ve ph sensörleri UPS Kesintisiz Güç Kaynağı Otomasyon Panosu Fazla Çamur Deşarj Pompası Arıtılmış Su Deşarj Pompası Manyetik Karıştırıcı Hamsu Besleme Pompası Hava Pompası Şekil 3.1 Ardışık kesikli reaktör () sistemi Sistemin işletmeye alım (start-up) aşamasında Paşaköy İleri Biyolojik Atıksu Arıtma tesisi geri devir hattından 2002 yılında alınmış (İÇTAG A027 projesi kapsamında) ve 6 senedir sadece inorganik amonyum ve gerekli mineraller ile beslenmek suretiyle nitrifikasyon bakterileri açısından zenginleştirilmiş çamur seyreltilerek reaktörün 3 L lik çalışma hacmine aşı çamuru olarak konulmuştur. Bunu takiben, reaktör bu proje kapsamında alımı yapılmış makine ve teçhizatlar kullanılarak ardışık kesikli reaktör olarak çalışır hale getirilmiştir. 16

17 Şekil 3.1 ve 3.2 de gösterilmekte olan ardışık kesikli sistem, zaman ayarlı otomasyon panosu (Siemens LOGO DM8230R) yardımıyla 24 saat içerisinde 1 döngü tamamlanacak şekilde sürekli akışlı olarak işletilmiştir. Her bir döngü (Şekil 3.3) ardışık olarak gerçekleşen doldurma (225 dak), reaksiyon (945 dak), fazla çamur atma (15 dak), çökme (30 dak) ve boşaltma (210 dak) fazlarını içermektedir. Doldurma, reaksiyon, fazla çamur atma, çökme ve boşaltma fazlarında devrede ve devre dışında olan ekipmanlar Şekil 3.3 de gösterilmektedir. Reaktör işletilmeye başlanılmadan önce reaksiyon periyodunda reaktör içerisinde istenilen çözünmüş oksijen konsantrasyonu (ÇO) ve ph değerleri Danışmalı Kontrol ve Veri Toplama Sistemi nde (Hach Lange SC1000) tanımlanmıştır. Doldurma fazında sentetik atıksu sisteme 600 ml/sa debi ile çalışan diyafram pompa (Grundfos DME 2-18) vasıtası ile beslenmiştir. Reaksiyon fazında reaktör içerisinde tam karışım manyetik karıştırıcı (Velp Are) vasıtasıyla sağlanmıştır. Yukarıda belirtildiği üzere deneyler öncesinde Danışmalı Kontrol ve Veri Toplama Sistemi nde tanımlanmış olan ÇO ve ph değerleri bu fazda reaktör içerisinde sürekli olarak ölçülmekte olan ÇO ve ph değerleri ile karşılaştırılmakta ve bu karşılaştırma sonucunda sistem tarafından gönderilen sinyallere bağlı olarak hava pompası (KNF N86 KN18) ve/veya asit-baz dozlama sistemi otomatik olarak devreye girmektedir. Bu suretle reaktör içerisindeki ÇO ve ph değerleri reaksiyon fazı süresince istenilen mertebede sabit tutulabilmiştir. Çalışmada kullanılan reaktör sistemi olarak çalıştırılmış olduğundan çalışma süresince reaktörden düzenli olarak atılan çamur içerisindeki UAKM konsantrasyonu reaktör içerisindeki VSS konsantrasyonu ile aynıdır. Bu nedenle Denklem 2 de de gösterildiği üzere reaktör içerisindeki çamur yaşı, reaktör su hacminin (V) reaktörden atılan fazla çamur debisi (Q w ) oranına bağlıdır. Çalışma süresince sistem içerisinde yaklaşık olarak 15 gün sabit çamur yaşı sağlanabilmesi amacıyla reaksiyon periyodu sonunda tam karışım halindeki 3 L çamur hacminin 150 ml lik kısmı 600 ml/sa debili diyafram pompa vasıtasıyla sistemden atılmıştır. Günlük atılan fazla öamur debisinin belirlenmesinde Kısım ve de açıklanmakta kesikli amonyum tüketim hızı ve oksijen tüketim hızı deneylerinde kulanılmak üzer reaktörden alınacak çamur miktarı da gözönüne alınmıştır. Ancak, bazı deney periyodlarında kesikli deneylerin çalışmanın başlangıcında belirlenen sayıdan daha az veya 17

18 daha fazla sayıda gerçekleştirilmiş olması sistemde UAKM konsantrasyonunda salınımlar gözlemlenemesine sebep olmuştur. Sistemdeki çamur (VX) V Çamur Yaşı= = (Denklem 2) Sistemden atılan çamur (Q w X) Q w Çökme fazında PLC otomasyon panosu tarafından tüm ekipmanlar devre dışı bırakılmış ve bu suretle çamurun reaktör içerisinde çökmesi ve arıtılmış olan atıksuyun reaktörün üst fazında ayrılması sağlanmıştır. Çamurdan ayrılan arıtılmış su, boşaltma fazında 600 ml/sa debili diyafram pompa vasıtasıyla sistemden uzaklaştırılmıştır. Yukarıda verilmekte olan sürelerden ve pompa debilerinden anlaşılacağı üzere doldurma periyodunun sonunda 3L olan reaktör sıvı hacmi boşaltma periyodu sonrası 0.9 L dir. Reaksiyon fazında reaktör içerisinde bulunan ÇO metre (Hach-Lange LDO) ve ph metre (Hach-Lange phd-s sc) tarafından 15 dk lık zaman aralıklarıyla sürekli olarak ölçülen ÇO, ph ve sıcaklık değerleri Danışmalı Kontrol ve Veri Toplama (SCADA) sistemine aktarılmış ve bu sistemde kaydedilmiştir. 18

19 PLC OTOMASYON PANOSU Priz SCADA (Danışmalı Kontrol ve Veri Toplama Sistemi) Priz BİLGİSAYAR FAZLA ÇAMUR DOLDURMA PERIYODU (FILL) REAKSİYON PERIYODU (REACT) ATMA PERIYODU (WASTE) ÇÖKME PERIYODU (SETTLE) BOŞALTMA PERIYODU (DECANT) UPS Kesintisiz Güç Kaynağı Çözünmüş Oksijen Kontrol ph Kontrol Çözünmüş Oksijen sensörü ph sensörü Priz Hamsu ve Arıtılmış Su Basma Hatları Fazla Çamur Deşarj Hattı Asit- Baz Tampon Çözeltisi Basma Hattı P1 P2 P3 Hava Hattı Zaman Ayarlı Otomasyon Bağlantıları Ham Su Besleme Haznesi Fazla Çamur Toplama Haznesi Arıtılmış Su Toplama Haznesi DİFÜZÖR P4 Elektrik Bağlantıları Danışmalı Çözünmüş Oksijen Kontrol ve Veri Toplama Bağlantıları MANYETİK KARIŞTIRICI HAVA POMPASI Asit-Baz Tampon Çözeltisi Danışmalı ph Kontrol ve Veri Toplama Bağlantıları SCADA - Bilgisayar Veri Aktarım Bağlantısı P1 Hamsu Besleme Pompası P2 Fazla Çamur Deşarj Pompası P3 Arıtılmış Su Deşarj Pompası P4 Asit-Baz Tampon Çözeltisi Dozlama Pompası Şekil 3.2 Ardışık kesikli reaktör () sistemi akış diyagramı 19

20 DOLDURMA REAKSİYON FAZLA ÇAMUR ATMA ÇÖKME BOŞALTMA 225 dak. 945 dak. 15 dak. 30 dak. 210 dak. P1: Açık P2: Kapalı P3: Kapalı P4: Kapalı H: Kapalı M: Kapalı S:Devre dışı P1: Kapalı P2: Kapalı P3: Kapalı P4: Kapalı H: Açık M: Açık S: Devrede P1: Kapalı P1: Kapalı P1: Kapalı P2: Açık P2: Kapalı P2: Kapalı P3: Kapalı P3: Kapalı P4: Kapalı P4: Kapalı P3: Açık P4: Kapalı H: Açık M: Açık H: Kapalı M: Kapalı H: Kapalı M: Kapalı S:Devrede S:Devre dışı S:Devre dışı P1: Hamsu besleme pompası P2: Fazla çamur deşarj pompası P3: Arıtılmış su deşarj pompası P4: Asit-Baz Pompası H: Hava pompası M: Manyetik karıştırıcı S: Danışmalı Kontrol ve Veri Toplama (SCADA) sistemi Şekil 3.3 Ardışık kesikli reaktör () işletim fazları Ardışık Kesikli Reaktör Sisteminde Sürekli Akış Deneyleri Askıda çoğalan sistemlerde değişik ÇO konsantrasyonlarının amonyum giderimi ve nitrit birikimi üzerine etkilerinin uzun vadeli olarak incelenmesi amacıyla Kısım 3.2 de detayları verilmekte olan sistemi 365 gün süresince 7.06 mg/l den 0.22 mg/l ye kademeli olarak azalan ÇO konsantrasyonlarında sürekli akış altında çalıştırılmıştır. Çalışma kapsamında ardışık olarak 7 farklı ÇO konsantrasyonunda gerçekleştirilen deneylerin işletim şartları ve süreleri Tablo 3.2 de özetlenmektedir. Deneylerin başlangıcında sisteminin ilk işletmeye alınımı (start-up) aşamasında Paşaköy İleri Biyolojik Atıksu Arıtma tesisi geri devir hattından 2002 yılında alınmış (İÇTAG A027 projesi kapsamında) ve 6 senedir sadece inorganik amonyum ve gerekli mineraller ile beslenmek suretiyle nitrifikasyon bakterileri açısından zenginleştirilmiş aşı çamuru kullanılmıştır. Deneyler süresince sistem Tablo 3.1 de verilmekte olan ortalama 72 mg/l NH 4 -N içeren besi çözeltisi ile beslenmiştir. Kısım 3.2 de belirtildiği üzere sistemin olarak işletimi sırasında her bir döngü sonunda reaktör içeriğinin %70 lik miktarı deşarj edildiğinden her bir yeni döngü başlangıcında reaktör içerisine alınan hamsu (Tablo 3.2) bir önceki döngüden rektör içerisinde kalmış olan %30 luk hacim ile seyrelmiştir. Deneyler klima ile sabit sıcaklıkta tutulan laboratuar şartlarında gerçekleştirilmiş olup su sıcaklığı 25 0 C civarında seyretmiştir. Reaktör içi ph değeri tüm deneylerde 7.4 civarında sabit tutulmuştur. 20

21 Her bir döngü sonunda sistemden deşarj edilen arıtılmış su bir haznede toplanılmıştır. Deneyler süresince hamsu besleme haznesinden alınan numunelerde ve günlük veya kompozit olarak arıtılmış su toplama haznesinden alınan numunelerde Kısım 3.4 de detayları verilmekte olan NH 4 -N, NO 2 -N ve NO 3 -N analizleri gerçekleştirilmiştir. Arıtılmış su numuneleri deşarj aşamasında reaktör içerisinden kaçmış olabilecek katı maddelerden ayrıştırılmaları amacıyla analizler öncesinde 0.45 µm Millipore Millex HV filtrelerden geçirilmiştir. Deneyler süresince reaktör içinde 15 dk lık zaman aralıklarıyla sürekli olarak ölçülen işletim parametreleri (sıcaklık, ÇO, ph) Danışmalı Kontrol ve Veri Toplama (SCADA) sistemine aktarılmış ve bu sistemde kaydedilmiştir. Tablo 3.2 sistemi sürekli akış deneyleri işletim parametreleri Deney No. Çalışma Periyodu (gün) Çalışma Hacmi (L) Hamsu Debisi (L/gün) Hamsu NH + 4 -N konsantrasyonu (mg/l) Reaktör içi ÇO Konsantrasyonu (mg/l) Deney No: ±0.04 Deney No: ±0.09 Deney No: ±0.14 Deney No: ±0.12 Deney No: ±0.17 Deney No: ±0.20 Deney No: ±0.04 Deney No: ± Amonyum Tüketim Hızı Deneyleri Bu deneyler sürekli akış altında 365 gün boyunca kademeli olarak azalan ÇO konsantrasyonlarında işletilen sistemindeki zenginleştirilmiş nitrifikasyon kültürünün spesifik amonyum tüketim hızında (qnh4-n) meydana gelen değişikliklerin gözlemlenmesi amacıyla gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla Tablo 3.2 de özetlenmekte olan her bir sürekli akış deney periyodunda belirli zaman aralıklarında sisteminde ilk hız deneyleri gerçekleştirilmiştir. Her bir deney sisteminin reaksiyon periyodunun başlangıç aşamasında gerçekleştirilmiş olup tüm deneylerde sistemdeki NH 4 -N konsantrasyonu reaksiyon hızını 21

22 kısıtlayıcı mertebede değildir. Deneyler süresince reaktör içerisinden dk lık zaman aralıklarıyla alınan numuneler 45 µm Millipore Millex HV filtrelerden geçirilerek NH 4 -N analizleri gerçekleştirilmiştir. Reaktör içi uçucu askıda katı madde (UAKM) konsantrasyonu her bir deneyin başlangıcında ölçülmüştür. Spesifik amonyum tüketim hızının (qnh4-n) belirlenmesi amacıyla ölçülen NH 4 -N konsantrasyonlarının zamana karşılık çizilmiş grafiklerinin lineer regresyonu sonucunda elde edilen denklemlerin eğimleri deneylerin başlangıcında ölçülmüş olan UAKM konsantrasyonuna bölünmüştür Oksijen Tüketim Hızı Deneyleri Bu deneyler 365 gün süresince kademeli olarak azalan ÇO konsantrasyonlarında işletilen sistemindeki zenginleştirilmiş nitrifikasyon kültürünün içerisinde yer alan AOB (amonyum oksitleyen bakteri) ve NOB (nitrit oksitleyen bakteri) kültürlerinin maksimum spesifik oksijen tüketim hızlarını (sırasıyla SOUR max, AOB ve SOUR max,nob ) ve O 2 yarı doygunluk katsayılarını (sırasıyla K o,aob ve K o,nob ) belirlemek ve bu suretle ÇO konsantrasyonu değişikliğinin AOB ve NOB kültürlerininin kinetiği üzerinde yarattığı etkiyi incelemek amacıyla gerçekleştirilmiştir. Bu amaçla Tablo 3.2 de özetlenmekte olan her bir sürekli akış deney periyodunun sonunda sisteminden alınan çamur örneklerinde 2 ayrı set halinde oksijen tüketim hızı deneyi gerçekleştirilmiştir. Herbir deneyin 1. seti AOB ların maksimum spesifik oksijen tüketim hızı (SOUR max, AOB ) ve oksijen yarı doygunluk katsayıların (K o,aob ) belirlenmesi amacıyla 2.seti ise NOB ların maksimum spesifik oksijen tüketim hızı (SOUR max, NOB ) ve oksijen yarı doygunluk katsayıların (K o,nob ) belirlenmesi amacıyla gerçekleştirilmiştir. Deneyler 300 ml hacminde ağzı tamamen kapalı bir şişe içerisinde şişenin üst fazında hava boşluğu kalmayacak şeklide gerçekleştirilmiştir. Kinetik katsayıların çamur örneğinin alındığı sistemindeki mevcut duruma bağlı olarak belirlenebilmesi amacıyla (bir başka deyişle ekstant kinetik katsayıların belirlenebilmesi amacıyla) tüm deneylerde sübstrat/biyokütle (So/Xo) oranı 0.2 nin altında tutulmuştur. Deneyler 25 0 C sabit su sıcaklığında gerçekleştirilmiş olup ph değeri 7.3 civarında tutulmuştur. Deneylerde tam karışım manyetik karıştırıcı vasıtasıyla sağlanmıştır. Her bir deney setinde sisteminden alınan çamur örneği yaklaşık 7-8 mg/l ÇO konsantrasyonu elde edilecek şekilde oksijene doydurulduktan sonra Kısım 3.1 de verilmekte olan besi çözeltisi ile 1. set deneylerde başlangıç NH 4 -N konsantrasyonu mg/l aralığında olacak şekilde, 2. set deneylerde ise başlangıç NO 2 -N 22

23 konsantrasyonu mg/l aralığında olacak şekilde beslenmiştir. Tüm deneylerde deney şişesi içerisindeki ÇO konsantrasyonundaki düşüş deneylerin başlangıcında şişe içerisine yerleştirilmiş olan portatif oksijen ölçüm cihazı (Hach-Lange HQ40d) vasıtasıyla sn zaman aralıklarıyla ölçülerek kaydedilmiştir. Deneyler, şişe içerisindeki ÇO konsantrasyonu 0 mg/l ye düşene kadar sürdürülmüştür. Deneyler sonucunda elde edilen ÇO konsantrasyonlarının zamana karşılık çizilen grafikleri ÇO konsantrasyonundaki değişikliğe bağlı olarak lineer kısımlara bölünmüştür. Her bir lineer kısmın eğiminin (OUR) deneylerin başlangıcında test şişesinde ölçülmüş olan UAKM konsantrasyonuna bölünmesi ile elde edilen spesifik oksijen tüketim hızı (SOUR) değerleri ÇO konsantrasyonlarına karşılık çizilmiş ve çizimlere Perella Scientific Inc. a ait Ez-Fit5 paket programı kullanılarak lineer olmayan regresyon analizi uygulanarak yukarıda bahsi geçen kinetik katsayılar belirlenmiştir DOLGU YATAKLI BATIK BİYOFİLM (BF) SİSTEMİ Çalışma kapsamında kullanılan dolgu yataklı batık biyofilm sistemi (Şekil 3.4) TÜBİTAK KTÇAG-94 projesi kapsamında 1994 yılında kurulmuş olup işletmeye alındığı tarihten itibaren sadece sentetik amonyum ve mineral çözeltileri ile beslenmiş olması sebebiyle zenginleştirilmiş nitrifikasyon kültürü içermektedir cm çapında, 55 cm yüksekliğinde 4.25 L çalışma hacmine sahip olan reaktör sistemi bakterilerin üzerine tutunduğu Bio-Pac15 polietilen (Envicon Eng. GmbH) taşıyıcı malzemeler içermekte olup reaktöre ait diğer teknik özellikler literatürde yer alan geçmiş yayınlarda [21,22] detaylı olarak verilmektedir Biyofilm Sisteminde Sürekli Akış Deneyleri Biyofilm sistemlerinde değişik ÇO konsantrasyonlarının amonyum giderimi ve nitrit birikimi üzerine etkilerinin uzun vadeli olarak incelenmesi amacıyla Kısım 3.3 de detayları verilmekte olan biyofilm sistemi 365 gün süresince 6.83 mg/l den 0.93 mg/l ye kademeli olarak azalan ÇO konsantrasyonlarında sürekli akış altında çalıştırılmıştır. Çalışma kapsamında ardışık olarak 5 farklı ÇO konsantrasyonunda gerçekleştirilen deneylerin işletim şartları ve süreleri Tablo 3.3 de özetlenmektedir. Çalışma süresince sisteme ortalama 72 mg/l NH 4 -N içeren besi çözeltisi (Tablo 3.1) 4.1 L/gün debide çalışan bir peristaltik pompa vasıtasıyla (Watson Marlow 505Di) verilmiştir L çalışma hacmine sahip olan sistemde hidrolik bekletme süresi 1 gün civarında 23

24 tutulmuştur. Arıtılmış su yerçekimi kuvvetiyle deşarj edilmiştir. Deneyler klima ile sabit sıcaklıkta tutulan laboratuar şartlarında gerçekleştirilmiş olup su sıcaklığı C civarında seyretmiştir. Reaktör içerisinde istenilen ÇO konsantrasyonu reaktör tabanında bulunan difüzöre bağlanan hava pompası (KNF N86 KN18) çıkış debisi ayarlanılarak sağlanmıştır. Reaktör içi ph değeri tüm deneylerde 7.37 civarında sabit tutulmuştur. Sistemden deşarj edilen arıtılmış su bir haznede toplanılmıştır. Deneyler süresince hamsu besleme haznesinden alınan numunelerde ve günlük veya kompozit olarak arıtılmış su toplama haznesinden alınan numunelerde Kısım 3.5 de detayları verilmekte olan NH 4 -N, NO 2 -N ve NO 3 -N analizleri gerçekleştirilmiştir. Arıtılmış su numuneleri deşarj aşamasında reaktör içerisinden kaçmış olabilecek katı maddelerden ayrıştırılmaları amacıyla analizler öncesinde 0.45 µm Millipore Millex HV filtrelerden geçirilmiştir. Deneyler süresince reaktör içinde 15 dk lık zaman aralıklarıyla sürekli olarak ölçülen işletim parametreleri (sıcaklık, ÇO, ph) Danışmalı Kontrol ve Veri Toplama (SCADA) sistemine aktarılmış ve bu sistemde kaydedilmiştir.. Biofilm Sistemi Hava Pompası Ham Su Besleme Pompası Şekil 3.4 Dolgu yataklı batık biyofilm (BF) sistemi 24

25 Tablo 3.3 Biyofilm sistemi (BF) sürekli akış deneyleri işletim parametreleri Deney No. Çalışma Çalışma Reaktör üst port Hamsu Hamsu NH + 4 -N Periyodu Hacmi ÇO Debisi konsantrasyonu (gün) (L) konsantrasyonu (L/gün) (mg/l) (mg/l) BF Deney No: ±0.55 BF Deney No: ±0.23 BF Deney No: ±0.23 BF Deney No: ±0.14 BF Deney No: ± ÖLÇÜMLER Amonyak, nitrit ve nitrat ölçümleri Hach DR-2000 spektrofotometre kullanılarak sırasıyla Method 8038 (Nessler methodu), Method 8153 (Demir sülfat methodu) ve Method 8039 (Kadmiyum indirgeme methodu) na göre yapılmıştır. Uçucu Askıda Katı Madde (UAKM) ölçümleri Standard Methods Method 2540E ye göre yapılmıştır. 25

26 4. BULGULAR VE TARTIŞMA 4.1. SİSTEMİNDE SÜREKLİ AKIŞ DENEYLERİ Çalışma kapsamında 7 mg/l ÇO konsantrasyonundan başlanılarak 0.22 mg/l ÇO konsantrasyonuna kadar kademeli olarak azaltılan ÇO konsantrasyonlarında 365 gün süresince sürekli akış altında işletilmiş olan sisteminde ölçülen temel işletim parametrelerinin (sıcaklık, ÇO, ph, UAKM) ve giriş-çıkış sularında ölçülen NH 4 -N, NO 2 -N ve NO 3 -N konsantrasyonlarının kronolojik olarak gösterimi sırasıyla Şekil 4.1 ve Şekil 4.2 de verilmektedir. Şekil 4.1 den görüleceği gibi 365 günlük süreçte sistem 72.6 ±0.8 mg/l NH 4 -N içeren sentetik atıksu ile beslenmiştir. Şekil 4.1 de verilmekte olan sıcaklık, ÇO ve ph değerlerinin her biri 16 saatlik reaksiyon periyodu süresince Danışmalı Kontrol ve Veri Toplama Sistemi tarafından 15 dk lık aralıklarla ölçülmüş olan değerlerin ortalamasıdır. Şekil 4.1 den görüleceği gibi çalışma süresince sistemin su sıcaklığı ve reaktör içerisindeki ph değerleri başarıyla sabit tutulmuş olup su sıcaklığı 24.7±0.6 0 C de ph ise 7.4±0.1 de seyretmiştir. Ayrıca, Şekil 4.1 deki ÇO grafiğinden görüleceği gibi her bir deneyde ölçülen ÇO değerlerinde gün bazında ciddi mertebede sapmalar kaydedilmemiş olması Danışmalı Kontrol ve Veri Toplama Sistemi nin deneyler öncesinde tanımlanan ÇO konsantrasyonunu sabit düzeyde tutmakta oldukça başarılı olduğunun bir göstergesidir. Şekil 4.2 deki giriş NH 4 -N ve çıkış NH 4 -N, NO 2 -N, NO 3 -N değerleri karşılaştırmalı olarak incelendiğinde reaktör içi ortalama ÇO konsantrasyonun sırasıyla 7.06, 4.19 ve 3.18 mg/l de seyrettiği toplam 168 gün süren ilk 3 deneyde NH 4 -N gideriminin %99 civarında seyrettiği ve giderilen amonyağın tamamına yakınının NO 3 -N e dönüştüğü ve NO 2 -N birikiminin sadece %1 ler civarında seyrettiği görülmektedir. Çalışmanın 169. gününde ÇO konsantrasyonunun ortalama 2.20 mg/l civarına indirilmesi sonucunda ilk 11 gün NH 4 -N giderim veriminde azalma ve NO 2 -N birikiminde artış gözlemlenmiştir. Bu süreçte NH 4 -N giderimi %80-90 aralığında seyrederken NO 2 -N birikimi % 43 lere kadar artış göstermiştir. Ancak, deneyin ilerleyen günlerinde NH 4 -N giderim verimi %98 ler civarına yükselmiştir. ÇO nun 2.20 mg/l de tutulduğu bu deney süresince ölçülen NO 2 -N değerlerinde salınımlar gözlemlenmiş olup NO 2 -N birikimi 180. günden itibaren yeni ÇO konsantrasyonuna geçilen 243. güne kadar %1-%15 aralığında seyretmiştir. Çalışmanın 244. gününde başlayan 5.deney kapsamında reaktör içi ortalama ÇO 1.27 mg/l ye indirilmiştir. Bu süreçte günler arasında gözlemlenen NH 4 -N giderim verimindeki azalma ve NO 2 -N birikimindeki artış 26

27 reaktör içi tam karışımı sağlayan manyetik karıştırıcıda aynı dönemde meydana gelmiş olan problemden kaynaklandığı düşünülmektedir. Bu süreçte çalışılan ÇO konsantrasyonunun önceki deneylere göre düşük olması reaksiyon periyodunda hava pompasının devreye girme aralıklarının uzamasına sebep olmuş ve bu nedenle manyetik karıştırıcı da problem olduğu dönemde sisteme verilen hava reaktör içi karışımın sağlanmasında yetersiz hale gelmiştir. Problemli olan bu süreç dikkate alınmadığı takdirde ortalama 1.27 mg/l ÇO da çalışılan günler arasında NH 4 -N giderim verimi %99 civarında seyretmiş olup giderilen amonyağın tamamına yakına NO 3 -N e dönüşmüş ve NO 2 -N birikimi sadece %1 ler civarında seyretmiştir mg/l ÇO da çalışılan 5. deneyde 2.20 mg/l ÇO da çalışılan bir önceki 4. deney sonuçlarına göre daha yüksek NH 4 -N gideriminin ve daha düşük NO 2 -N birikiminin gözlemlenmiş olmasında Şekil 4.1 den de görüleceği gibi bu süreçte reaktör içi UAKM değerindeki artışın büyük etkisi olduğu düşünülmektedir. ÇO nun 1 mg/l ye indirildiği 300. günde başlayıp 323. günde son bulan 6. deney kapsamında NH 4 -N giderim verimi %99 civarında seyretmiş olup NO 2 -N birikiminde bir önceki deneye göre çok az bir artış olmuş ve %1.5 lar seviyesine çıkmıştır günde başlayan 7. deney kapsamında reaktör içi ortalama ÇO 0.54 mg/l ye indirilmesi sonucunda NH 4 -N giderim verimi %10 mertebesinde azalarak %90 lar seviyesine gelmiş NO 2 -N birikimi ise %9 lar seviyesine çıkmıştır. Bu süreçte 340.günde sistemin yanlış hazırlanan oldukça yüksek NH 4 -N (yaklaşık 360 mg/l) ihtiva eden besi çözeltisi ile 2 gün süresince beslenmesi sonucunda sistem çıkışında 1 hafta süresince oldukça yüksek NH 4 -N ve NO 2 -N değerleri gözlemlenmiştir. Bu değerler inhibisyon kaynaklı olduğundan Şekil 4.2 de gösterilmemektedir günde sistem çıkış değerleri inhibisyon öncesi değerlere geri dönmüştür. Çalışmanın 356. gününde başlayan 8. deney kapsamında reaktör içi ortalama ÇO 0.22 mg/l ye indirilmiş ve sistem 365. güne kadar bu ÇO da çalıştırılmıştır. Bu süreçte sistemde ciddi mertebede NH 4 -N ve NO 2 -N birikim gözlemlenmiş olup NH 4 -N giderim verimi %56 lar civarına inmiş, NO 2 -N birikimi ise %28 ler mertebesine çıkmıştır. 27

28 45 36 Deney 1 ÇO: 7.06 Deney 2 ÇO: 4.19 Deney 3 ÇO: 3.18 Deney 4 ÇO: 2.20 Deney 5 ÇO: 1.27 Deney 6 ÇO: 1.00 Deney 7 ÇO: 0.54 Deney 8 ÇO: 0.22 Sıcaklık ( o C) ÇO (mg/l) ph UAKM (mg/l) Kumulatif Zaman (gün) Şekil 4.1. Sürekli akış altında işletilen sisteminde ölçülen temel işletim parametrelerinin kronolojik gösterimi 28

29 NH4 -N Giriş (mg/l) Deney 1 ÇO: 7.06 Deney 2 ÇO: 4.19 Deney 3 ÇO: 3.18 Deney 4 ÇO: 2.20 Deney 5 ÇO: 1.27 Deney 6 ÇO: 1.00 Deney 7 ÇO: 0.54 Deney 8 ÇO: NH4 -N Çıkış (mg/l) NO2 -N Çıkış (mg/l) NO3 -N Çıkış (mg/l) Kumulatif Zaman (gün) Şekil 4.2. Sürekli akış altında işletilen sisteminde ölçülen NH 4 -N, NO 2 -N ve NO 3 -N değerlerinin kronolojik gösterimi Yukarıda özetlenmekte olan sonuçlar bir bütün olarak değerlendirildiğinde 365 gün süresince kademeli olarak azaltılan ÇO konsantrasyonlarında, her bir döngüsünde 16 saatlik reaksiyon periyodunda, aynı şartlar altında çalıştırılan zenginleştirilmiş nitrifikasyon kültürü içeren sisteminde 0.54 mg/l ÇO ya kadar ciddi mertebede NH 4 -N ve NO 2 -N birikimi 29

30 gözlemlenmediği, 0.54 mg/l ÇO da giriş suyu NH 4 -N değerine göre %10 NH 4 -N-%9 NO 2 -N olarak gözlemlenen birikim miktarlarının 0.22 mg/l ÇO da %44 NH 4 -N-%28 NO 2 -N şeklinde seyrettiği bulunmuştur. Bu değerler 0.54 mg/l ÇO da giderilen NH 4 -N in %10 unun, 0.22 mg/l ÇO da ise giderilen NH 4 -N in %50 sinin sistemde NO 2 -N olarak biriktiği anlamına gelmektedir. Bu bulgulardan görüleceği gibi sistemde ÇO konsantrasyonun 0.54 mg/l altına düşürülmesi ile NH 4 -N ve NO 2 -N birikimi bir arada görülmeye başlanmış ve ÇO konsantrasyonun 0.22 mg/l ye indirilmesi ile NH 4 -N ve NO 2 -N birikimlerinde birbirlerine yakın oranlarda, ciddi mertebede artış gözlemlenmiştir. Bu bulgular literatürdeki geçmiş çalışmalar ile karşılaştırıldığında farklılık göstermektedir. Örneğin, Ruiz ve diğerleri [23] tarafından karışık kültür ile ÇO nun 49 günlük periyotta kademeli olarak 5.5 mg/l den 0.5 mg/l ye indirildiği çalışmada 1.4 mg/l ye kadar sistemde NH 4 -N ve NO 2 -N birikimi gözlemlenmediği, mg/l ÇO aralığında NO 2 -N birikimi oluşurken NH 4 -N gideriminin etkilenmediği, 0.5 mg/l ÇO altında ise NH 4 -N ve NO 2 -N birikiminin bir arada gözlemlenmeye başladığı belirtilmiştir. Benzer olarak Ciudad ve diğerleri tarafından [8] karışık kültür ile mg/l ÇO aralığında yedişer günlük periyotlarda gerçekleştirilen çalışmada 1.4 mg/l ÇO da ciddi mertebede NO 2 -N birikimi oluşurken NH 4 -N giderimininin etkilenmediği, 1 mg/l ÇO da NH 4 -N ve NO 2 -N in bir arada birikim göstermeye başladığı belirtilmiştir. Literatürde yer alan çalışmalarda bu raporda yer alan çalışmaya göre daha yüksek ÇO konsantrasyonlarında NO 2 -N birikimine rastlanmış olmasının en önemli nedenlerinden bir tanesi bu çalışmaların zenginleştirilmiş nitrifikasyon bakterileri ile değil nitrifikasyon bakterilerinin yanı sıra heterotrofik bakterileri de içeren karışık kültürler ile gerçekleştirilmiş olmasından kaynaklanmaktadır. Stenstrom ve Poduska [20] tarafından da belirtildiği gibi karışık heterotrofik ve nitrifikasyon kültürleri içeren sistemlerde nitrifikasyon kültürleri sadece nitrifikasyon kültürü içeren sistemlere göre daha büyük floklar içerisinde olacağından oksijenin nitrifikasyon bakterisi içine difüzyonunun daha yavaş seyretmesi ve bu nedenle bu tip kültürlerin düşük ÇO konsantrasyonlarından daha fazla etkilenmesi beklenilir bir durumdur. Yukarıda bahsi geçen literatürdeki çalışmalarda sistemde NO 2 -N birikimininin başladığı ÇO larda NH 4 -N birikimi gözlemlenmemiş olması ve NH 4 -N birikiminin NO 2 -N birikimine göre daha düşük ÇO larda başlaması literatürde pek çok yayında da belirtildiği üzere [15,24,25,26] NOB kültürlerinin oksijen yarı doygunluk katsayısının AOB kültürlerinden daha yüksek olması ile ilintili olabilir. Bu raporda belirtilen çalışmada ise NH 4 - N ve NO 2 -N birikiminin birarada başlaması ve yakın oranlarda artış gösteriyor olması bakterilerin 365 gün süresince kademeli olarak azalan ÇO konsantrasyonuna maruz kalmaları 30

31 neticesinde NOB bakterilerinin oksijen yarı doygunluk katsayılarını azaltarak düşük ÇO ya fizyolojik olarak adapte olduğunun bir göstergesi olabilir. Benzer olarak Kowalchuk ve diğerleri [27] tarafından yürütülen çalışmada limitli ÇO ya uzun süreli maruz kalan AOB kültürlerinin düşük ÇO konsantrasyonlarında oksijen yarı doygunluk katsayılarında azalma görüldüğü belirtilmiştir. Ayrıca, Park ve diğerleri [28] tarafından yürütülen çalışmada 300 gün süresince sürekli akış altında mg./l ÇO aralığında çalıştırılan karışık kültür sisteminde NH 4 -N ve NO 2 -N birikimi olmaksızın nitrifikasyon prosesinin stabil bir şekilde gerçekleştiği gözlemlenmiş ve bu şartlar altında çalıştırılan sistemdeki AOB kültürlerinin 300 gün süresince 8.5 mg/l ÇO konsantrasyonunda çalıştırılan sistemdeki AOB kültürlerine göre daha düşük oksijen yarı doygunluk katsayısına sahip olduğu belirlenmiştir. Bu çalışma kapsamında 365 günlük sürekli deneylerden elde edilen bulgular esasen herbir deney kapsamında değişen ÇO konsantrasyonuna sistemdeki AOB ve NOB fraksiyonlarının tepkisi anlamında değerlendirilmelidir. Bir başka deyişle, bu deney sonuçları çalışılan ÇO ların herbirinde sistem çıkışında gözlemlenmiş olan NH 4 -N ve NO 2 -N birikimlerinin birbiri ile mukayesesi anlamında oldukça önemlidir. Değişik ÇO larda gözlemlenen çıkış suyu değerlerinin birbirleri ile karşılaştırılabilirliği sistem içi UAKM konsantrasyonun aynı mertebelerde seyrettiği deneyler için (örneğin: Deney 1-4-8; Deney 2-3-5; Deney 1-8) mümkündür. Sürekli deneylerin bir bütün olarak değerlendirilmesinde kesikli amonyum tüketim hızı deneylerinde gözlemlenmiş olan birim zamanda g UAKM başına tüketilen amonyum değerleri (bkz. Kısım 4.2, Tablo 4.1) gözönüne alınmalıdır. Bu yönde yapılacak bir değerlendirme, ÇO konsantrasyonunda yapılan kademeli düşüşe rağmen sistem çıkışında NH 4 -N birikimi gözlemlenmemiş olmasının sistemdeki uzun reaksiyon süreci ve değişen UAKM konsantrasyonu ile ilinti olup olmadğı hususunda bilgi verecektir. Örneğin, ÇO konsantrasyonun 7.06 mg/l den 4.19 mg/l ye indirildiği süreçte qnh 4 -N değerinin mg NH 4 -N/g UAKM.sa den mg/g.sa e düşmüş olmasına rağmen sistem çıkışında NH 4 -N ve NO 2 -N birikimi gözlemlenmemiş olması sistemdeki UAKM konsantrasyonunun ortalam 207 mg/l den 357 mg/l ye ani artışı ile yakından ilişkilidir. Benzer olarak, ÇO nun kademeli olarak 2.20 mg/l den 1.27 mg/l ye düşürüldüğü süreçte sistem içi qnh4-n değerinde ciddi mertebede bir değişim olmamasına rağmen 1.27 mg/l ÇO da 2.20 mg/l ÇO da çalışılan sürece göre daha yüksek NH 4 -N gideriminin ve daha düşük NO 2 -N birikiminin gözlemlenmiş olmasının sebebi de bu süreçte reaktör içi UAKM değerinin artmış olmasıdır. 31