V. ULUSAL ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ

TMMOB Çevre Mühendisleri Odası V. ULUSAL ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ AZOT İÇERİĞİ DÜŞÜK ATIKSULARIN HAVADAN AZOT BAĞLAYAN BAKTERİLER YARDIMIYLA KESİKLİ SİSTEMDE BİYOLOJİK ARITIMI Serpil Özmıhçı (2), Fikret Kargı (1) Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, İzmir (1) Prof. Dr. Fikret Kargı; fikret.kargı@deu.edu.tr, (2) Ar. Gör. Serpil Özmıhçı; serpil.ozmihci@deu.edu.tr ÖZET Azot içeriği düşük atıksuların arıtımında istenilen arıtma verimini elde etmek için en fazla kullanılan yöntem dışarıdan azot bileşiklerinin ilavesidir. Ancak, ek azot kaynağı kullanımı işletme maliyetini artırmaktadır. Bu çalışma, azot içeriği düşük atıksuların biyolojik arıtmında dışardan azot kaynağı eklenmesi yerine, havadan azot bağlayan organizmaların kullanımını amaçlamaktadır. Bu amaçla azot bağlayan bakteriler aktif çamur kültürüyle karıştırılarak arıtma performansları değerlendirilmiştir. Azot bağlayıcı organizmalardan Azotobacter vinelandii ya aktif çamur kültürüne eklenerek ya da saf halde kullanılarak kesikli deneylerde azot içeriği düşük sentetik atıksuların arıtmında kullanılmıştır. Kesikli sistemlerde azot içeriği düşük sentetik atıksudan biyolojik arıtımla TOC ve KOİ giderme verimleri incelenmiş ve değişik giriş suyu TN/KOİ oranlarında kültürlerin performansları karşılaştırılmıştır. Azot içeriği düşük sentetik atıksulardan TOC giderimi dikkate alındığında, Azotobacter vinelandii içeren aktif çamur kültürlerinin daha avantajlı olduğu ortaya çıkmaktadır. Kesikli deneylerde saf Azotobacter ya da Azotobacter ilaveli aktif çamurun kullanılması durumunda azot içeriği düşük atıksularda (TN/ KOİ<%4) %95 nın üzerinde TOC giderme verimi elde edilmiştir. Anahtar Kelimeler: Azotobacter vinelandii, azot içeriği düşük atıksular, biyolojik arıtma BIOLOGICAL TREATMENT OF NITROGEN-DEFICIENT WASTEWATER BY UTILIZATION OF N 2-FIXING BACTERIA IN BATCH SYSTEM ABSTRACT External addition of nitrogenous compounds are usually used in biological treatment of nitrogen deficient wastewaters. However, external nitrogen addition is an extra cost for the treatment. The N 2-fixing bacterium, Azotobacter vinelandii, was used both in pure culture and in combination with activated sludge culture for the treatment of nitrogen-deficient wastewaters as an alternative to external nitrogen supplementation. Azotobacter-supplemented activated sludge culture removed more total organic carbon (TOC), especially at low initial TN/COD (total nitrogen/chemical oxygen demand) ratios, than the Azotobacter-free culture. Up to 95% TOC removal efficiencies were obtained with synthetic media of TN/COD<4 when Azotobacter was used singly or with the activated sludge. The results indicated clear advantage of using Azotobacter in the activated sludge to improve TOC removal from nitrogen-deficient wastewaters. Key words: Azotobacter, nitrogen deficient wastewaters, biological treatment

GİRİŞ Endüstriyel kaynaklı atıksuların pek çoğunun karbon içeriği fazla olmasına rağmen azot içerikleri çok düşüktür. Biyolojik olarak arıtılabilir atıksuyun nutrient içeriği, C/N/P oranına bakıldığında yaklaşık olarak 1/14/2 ya da KOI/N/P oranına bakıldığında 1/6/2 olmalıdır. (Tchobanoglous & Burton 1991) Azot içeriği düşük atıksuların (N/COD<.5) biyolojik arıtımında, düşük KOI giderme verimleri elde edilmektedir. Bu problemin üstesinden gelmek için genellikle dışardan azot kaynağı eklenmektedir ki (üre, amonyum tuzları), bu da hem arıtma tesisinin işletme maliyetini artırmakta, hem de arıtma tesisi çıkış suyunda kalıntı azotun varlığına neden olabilmektedir. Bu çalışmada azot içeriği düşük atıksuların biyolojik arıtımında dışardan azot kaynağı eklemek yerine havadan azot bağlayabilen organizmaların kullanılması önerilmektedir. Böylece hem arıtma maliyeti düşürülmekte, hem de arıtma tesisi çıkış suyu kalitesinin artması ve çıkan çamurun gübre olarak kullanılabilmesi sağlanmaktadır. Havadan azot bağlayabilen başlıca aerobik organizmalar arasında Azotobacter, Azotomonas, Azotococcus, Biejerinckia sayılabilir. Azotobacter kültürünün havadan azot bağlayabilme biokimyası ve karakteristiği ile ilgili çok sayıda çalışma olmasına rağmen (Graham & Vance 1999, Yatez ve diğerleri 1996), atıksu arıtımında kullanımı ile ilgili yayınlar sınırlı sayıdadır. Sınırlı çalışmaların içinde azot içeriği düşük karasu (Papadelli ve diğerleri,1996; Pasetti ve diğerleri, 1996; Fiorelli ve diğerleri, 1996; Balis ve diğerleri,1996; Ehaliotis ve diğerleri,1999) ve kağıt ve kağıt hamuru atıksuyu (Gapes ve diğerleri,1999) ile ilgili çalışmalar yer almaktadır. Ayrıca, Azotobacter türü organizmalar hidrokabonlarla kirlenmiş toprak arıtımında da kullanılmıştır (Onwurah, 1998). Bazı havadan azot bağlayan bakteriler (Agrobacterium ve Alcaligenes türleri) benzinde aromatik hidrokarbonların indirgenmesinde kullanılmıştır (Prantera ve diğerleri, 22). Bu çalışmanın amacı, azot içeriği düşük sentetik atıksuların farklı TN/KOI oranlarında Azotobacter yardımıyla TOC giderme verimlerini incelemektir. Azotobacter hem saf olarak hem de aktif çamur kültürüyle karıştırılarak değişik başlangıç TN/KOI oranlarında atıksu arıtımında kullanılmıştır. MATERYAL VE METODLAR ORGANIZMALAR Çalışmada azot bağlayan organizma olarak Azotobacter vinelandii, NRRL-14643 kullanılmıştır. Aktif çamur, PAKMAYA nın İzmir deki arıtma tesislerinden alınmıştır. Her iki kültür de laboratuarda uygun şartlarda büyütülmüştür. Kültürler 1/1 oranlarında karıştırılarak kullanılmıştır. DENEY DÜZENEĞİ Deneyler kontrollü bir çalkalayıcıda 25 o C sıcaklık ve 15 rpm çalkalama hızında yapılmıştır. Kültürler 2 ml sentetik atıksuyun bulunduğu erlenmeyer flasklara aşılanmış ve ortam ph ı 7 ye ayarlanmıştır. Deneyler değişik başlangıç TN/KOI oranlarında ve 6 günlük süreyle kesikli olarak yapılmıştır. ATIKSU KOMPOZİSYONU 2-25 mg/l KOİ verecek şekilde ortama karbon kaynağı olarak seyreltik melas ya da glukoz eklenmiştir. Sentetik atıksu, KH 2 PO 4 (.13 g/l), MgSO 4 (5 mg/l), FeSO 4 (1 mg/l), H 2 MoO 4 (5 mg/l), NaCl (2 mg/l), NaHCO 3 (1 mg/l) içermektedir. TN/KOI oranları /1-8/1 olacak şekilde değişik üre konsantrasyonları ilave edilmiştir. P/KOİ oranı ise tüm deneylerde 1.5/1 de sabit tutulmuştur. ANALİZ YÖNTEMLERİ 424

Numuneler günde bir defa alınmış ve 5 rpm de 3 dakika santrifüjlenerek analizler berrak sıvı üzerinde yapılmıştır. KOI analizleri için Standard Metodlar kullanılmıştır. TOC analizleri Dohrmann, DC-19 tip TOC analizörü kullanılarak yapılmıştır. SONUÇLAR Çalkalayıcıyla yapılan deneyler iki grupta toplanabilir. Birincisi, karbon kaynağı olarak melasın, ikincisi de glukozun kullanıldığı gruptur. Melasın azot içeriğinin ortama girişim yapması ve sonuçlara yansıması olasılığına karşı karbon kaynağı olarak glukoz tercih edilmiştir. Şekil 1, TOC nin zamanla değişimini değişik başlangıç TN/KOİ oranları için göstermektedir. Giriş KOİ si 25 mg/l ve ortama aşılanan kültür saf Azotobacter vinelandii dir. Karbon kaynağı olarak melasın kullanıldığı deneyde TN/KOİ oranları /1 ila 8/1 arasında değişmektedir. TOC konsantrasyonu, TN/KOİ oranlarının /1 ve 1/1 olduğu durumlarda, 6 günde, %8 lik TOC giderme verimi göstererek, 1 mg/l den 2 mg/l ye düşmüştür. Azotobacter kültürünün TOC giderme verimi TN/KOİ oranları artıkça (2/1 8/1) azalmıştır. 12 1 TOC (mg l -1 ) 8 6 4 2 1 2 3 4 5 6 7 Time (gün)! /1, " 1/1, Δ 2/1,! 4/1, # 6/1, $ 8/1 Şekil 1: Saf Azotobacter kültürüyle farklı TN/KOİ oranlarında TOC derişiminin zamanla değişimi. Melasın karbon kaynağı olarak kullanıldığı ortamda giriş KOI si 25 mg/l dir. İkinci seri deneylerde değişik TN/KOİ oranlarında; aktif çamur, saf Azotobacter ve ikisinin karışımı TOC giderimleri açısından karşılaştırılmıştır. Bu deneylerde karbon kaynağı olarak glukoz kullanılmıştır.şekil 2 TN/KOİ/P oranının /1/1.5 olduğu durumda farklı kültürlerin davranışını göstermektedir. (TOC=9 mg/l) En etkili TOC giderme verimi Azotobacter ilave edilmiş aktif çamurda görülmektedir. 5 günlük inkübasyon süresinin sonunda 9 mg/l giriş TOC si 15 mg/l ye düşmüştür. Saf Azotobacter kültürünün performansı Azotobacter ilaveli aktif çamurunkinden düşük olup 5 gün sonunda TOC 38mg/l ye düşmüştür. Aktif çamur kültürü tek başına kullanıldığında TOC giderme veriminin düşük olduğu gözlenmiştir. 425

Sonuçta, en etkili performansı %84 lük TOC giderme verimiyle Azotobacter ilaveli aktif çamur göstermiştir. 9 8 7 6 TOC (mg/l) 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 Zaman (gün)! Aktif çamur, $ Azotobacter vinelandii,! Aktif çamur & Azotobacter vinelandii Şekil 2. TN/KOİ oranının /1 olduğu ortamda değişik kültürlerde TOC derişiminin zamanla değişimi. Başlangıç KOİ derişimi 2 mg/l ve karbon kaynağı glukozdur. Şekil 3, TN/KOI oranı 1/1 iken TOC derişimlerinin zamanla değişimini göstermektedir ve başlangıç KOİ si 2 mg/l dir. En yüksek TOC giderme verimi 3 günde Azotobacter in aktif çamurla karıştırıldığı durumda elde edilmiştir. Azotobacter tek başına kullanıldığında karışık kültürden daha uzun bir sürede giderim sağladığı halde, 6 günde yüksek TOC giderme verimleri elde edilmiştir. Aktif çamur kültürü tek başına kullanıldığında, atıksuyun azot içeriği düşük olduğundan Azotobacter içeren kültürlerden çok daha düşük bir performans göstermiştir. Sonuçlar, Azotobacterin azot içeriği düşük atıksulardan TOC gideriminde etkin olduğunu açıkça ortaya koymaktadır. TOC(mg/L) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 2 4 6 Time (gün)! Activated Sludge, $ Azotobacter vinelandii,! Activated Sludge & Azotobacter vinelandii Şekil 3: TN/KOİ oranının 1/1 olduğu ortamda değişik kültürlerde TOC derişiminin zamanla değişimi. Başlangıç KOI derişimi 2 mg/l ve karbon kaynağı glukozdur. 426

Şekil 4, TN/KOİ oranının 2/1 olduğu durumda farklı kültürlerin TOC giderme verimlerini göstermektedir. Benzer bir şekilde en iyi performans Azotobacter eklenmiş aktif çamurda görülmektedir. Bu flaskta, 3 günde %95 TOC giderme verimi elde edilmiştir. Saf Azotobacter kültüründe 8 mg/l çıkış TOC yle toplam % 9 TOC giderme verimine ulaşılmıştır. Aktif çamur kültüründe TOC giderme verimi %55 lerde kalmıştır. Kontrol flaskında herhangi bir aktivite gözlemlenmemiştir. Sonuç itibariyle saf Azotobacter kültürü ve aktif çamurla karıştırılmış olan Azotobacter TOC gideriminde çok etkilidir. 9 8 7 6 TOC (mg/l) 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 Zaman (gün)! Aktif çamur, $ Azotobacter vinelandii,! Aktif çamur & Azotobacter vinelandii Şekil 4: TN/KOİ oranının 2/1 olduğu ortamda değişik kültürlerde TOC derişiminin zamanla değişimi. Başlangıç KOI derişimi 2 mg/l ve karbon kaynağı glukozdur. Benzer bir çalışma başlangıç TN/KOİ oranı 4/1 iken tekrarlanmıştır. Şekil 5 te görüldüğü gibi en yüksek TOC giderme verimi Azotobacter ilaveli aktif çamurda görülmektedir. Bir kaç günde %9 lık TOC giderme verimi elde edilmiştir. Onu takip eden Azotobacter kültürüyle 5 günde %8 lik verime ulaşılmıştır. Nispeten yüksek azot içeriği olan bu ortamda aktif çamur ile de %7 TOC giderme verimi görülmektedir. 1 9 8 7 TOC(mg l -1 ) 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 Time (gün)! Aktif Çamur, $ Azotobacter vinelandii,! Aktif Çamur & Azotobacter vinelandii Şekil 5: Değişik kültürlerde TN/KOİ oranının 4/1 olduğu durumda TOC derişiminin zamanla değişimi.giriş KOİ derişimi 2 mg/l ve karbon kaynağı glukozdur. 427

TN/KOİ oranı 8/1 olduğu durumda kültürler 5 günlük periotta birbirine yakın sonuçlar vermiştir. Sonuçlar Şekil 6 da gösterilmiştir. Azot kısıtlamasının olmadığı bu durumda dahi Azotobacter li aktif çamur ortamının aktif çamur kadar etkili olduğu gözlenmiştir. 3 gün sonunda aktif çamur ve Azotobacter eklenmiş aktif çamurda çıkış TOC si 5 mg/l olup, %95 lere varan bir TOC giderme verimi vardır. Saf Azotobacterli flaskta ise 12 mg/l çıkış TOC si ile birlikte % 87 TOC giderme verimi gözlenmiştir. Saf Azotobacter kültürünün azot kısıtlaması olmayan ortamlarda aktif çamur kadar etkili olmadığı görülmektedir. TOC(mg/L) 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 Zaman (gün)! Aktif Çamur, $ Azotobacter vinelandii,! Aktif Çamur & Azotobacter vinelandii Şekil 6: Değişik kültürlerde TN/KOİ oranının 8/1 olduğu durumda TOC derişiminin zamanla değişimi.giriş KOİ derişimi 2 mg/l ve karbon kaynağı glukozdur. Değişik TN/KOİ oranlarında yapılan deneyler; TN/TOC giriş oranlarının TOC çıkış konsantrasyonu ve TOC giderme verimlerine karşı grafiği Şekil 7 de her üç kültür ortamı için gösterilmiştir. Saf Azotobacter kültüründe ve aktif çamurda, TN/TOC oranları artıkça, TOC giderme verimleri artmış ve çıkış TOC konsantrasyonları düşmüştür. Ancak Azotobacter ilave edilmiş aktif çamur kültüründe TN/TOC oranlarının artmasıyla TOC giderme verimi hemen hemen % 95 oranında sabit kalmış ve çıkış TOC si de 1 mg/l altında kalmıştır. Yüksek TN/TOC oranlarında (TN/TOC>12) üç kültürün performansları birbirleriyle karşılaştırılabilir durumdadır. Ancak düşük TN/TOC oranlarında (TN/TOC<1) Aktif çamura Azotobacter ilave edilmesi TOC giderme performansında etkin bir rol üstlenmektedir. 428

TOCe (mg/ l) 8 7 6 5 4 3 2 1 12 1 8 6 4 2 TOC giderme verimi (%) 2 4 6 8 1 12 14 16 18 (TN/TOC) o, Δ Activated Sludge, Azotobacter vinelandii,activated sludge with Azotobacter vinelandii Şekil 7: Çıkış TOC derişimleri ve TOC giderme verimlerinin TN/TOC oranlarına karşı değişimleri. Giriş KOİ derişimi 2 mg/l ve karbon kaynağı glukozdur. Şekil 8 de de sonuçlar ve giriş TN/TOC oranlarına karşı TOC giderme hızları her üç kültür için de gösterilmektedir. Azotobacter li aktif çamur kültürü TN/TOC oranları değişiminden etkilenmemekte ve TOC giderme hızları TOC giderme verimlerinin benzer olduğu durumlarda nerdeyse sabit kalmaktadır. (18 mgtoc/l d).azot içeriğinin düşük olduğu durumlarda aktif çamur kültürü azot eksikliğinden etkilenmekte ve iyi performans gösterememektedir. Bunun yanı sıra TOC giderme hızı da artan TN/TOC oranlarıyla artmaktadır. Aktif çamurla elde edilen maximum TOC giderme hızı TN/TOC oranı 18 iken 17 mg TOC/l d. dür. Saf Azotobacter kültüründe ise TN/TOC oranları düşük olduğunda (TN/TOC<4.4) TOC giderme hızlarında bir artış görülmüştür ve TN/TOC oranı 1 un üzerine çıktığında da da nerdeyse 17 mg TOC/ l d de sabit kalmıştır. 2 18 16 RTOC (mg TOC l -1 d -1 ) 14 12 1 8 6 4 2 2 4 6 8 1 12 14 16 18 (TN/TOC) o Activated Sludge Azotobacter vinelandii Activated sludge with Azotobacter vinelandii Şekil 8:TOC giderme hızının giriş TN/TOC oranlarına karşı değişimleri 429

YORUMLAR Azotobacter vinelandii, Aktif çamur ve Azotobacter ilave edilmiş aktif çamur kültürlerinin TOC giderme performansları değişik TN/KOİ oranlarında kesikli sistemde çalkalamalı flask deneyleriyle incelenmiştir. Azotobacter ilavesi ile azot içeriği düşük sentetik atıksulardan TOC giderimi yüksek verimle gerçekleştirilmiştir. TN/KOİ<4 olduğu durumlarda saf Azotobacter ya da Azotobacter ilaveli aktif çamurda %95 in üzerinde TOC giderme verimleri elde edilmiştir. Azotobacter TN/KOİ> 6 olduğu ortamlarda etkin arıtma verimleri gösterememiştir. Sonuçlar, Azotobacter kültürünün hem saf olarak hem de aktif çamurla karıştırıldığı durumlarda, azot içeriği düşük atıksuların arıtımında etkin olduğunu açıkça ortaya koymaktadır. KAYNAKLAR Balis C., Chatzipavlidis J., Flouri F. 1996. Olive mill waste as a substrate for nitrogen fixation. Int. Biodet. Biodeg. 169-174. Ehaliotis C., Papadopoulou K., Kotsou M., Mari I., Balis C. 1999. Adaptation and population dynamics of Azotobacter vinelandii during aerobic biological treatment of olive mill wastewater FEMS Microbiol. Ecology. 3. 31-311. Fiorelli F., Pasetti L., Galli E. 1996. Fertility-promoting metabolites produced by Azotobacter vinelandii grown on olive-mill wastewater.int. Biodet.Biodeg.165-167 Gapes D.J., Frost N.M, Colark T.A., Dare P., Hunter R. G., Slade A.H.1999 Nitrogen fixation in treatment of pulp and paper wastewaters. Water Sci Tecnol. 4 (11-12). 85-92 Gapes, D.J., Frost, N.M., Colark, T.A., Dare, P., Hunter, R. G., Slade, A.H. 1999. Nitrogen fixation in treatment of pulp and paper wastewaters. Water Sci.Technol. 4 (11-12), 85-92. Graham P.H., Vance C.P. 1999 Nitrogen fixation in perspective: an overview of research and extension needs. Field Crops Research,; 65. 93-16 Onwurah I.N.E. 1998. Biochemical oxygen demand exertion and glucose uptake kinetics of Azotobacter in crude oil polluted medium. Environ. Contamin. Toxicology. 6. 646-471 Kargı F.,Özmıhçı S 22 Performance of Azotobacter supplemented activated sludge in biological treatment of nitrogen deficient wastewater Process Biochemistry 38. 57-64 Papadelli M., Roussis A., Papadopoulou A., Venenieraki A., Chatzipavlidis I., Katinakis P., Ballis C. 1996 Biochemical and molecular characterization of an Azotobacter vinelandii strain with respect to its ability to grow and fix nitrogen in olive mill wastewater. Int. Biodet. Biodeg.. 179-181 Pasetti. L, Fiorelli F,Tomati U.1996. Azotobacter biomass production from olive mill wastewater for heavy metal recovery. Int. Biodet. Biodeg. 163-164. Prantera MT, Drozdowicz A, Leite SG, Rosado AS 22 Degradation of gasoline aromatic hydrocarbons by two N2-fixing soil bacteria Biotechnol.Lett. 24:85-89 Tchobanoglous G, Burton FL 1991 Waste water engineering: treatment, disposal and reuse, 3. Baskı USA: Mc Graw Hill Yates MG, Souza EM, Kahindis JH 1996 Oxygen, hydrogen and nitrogen fixation in Azotobacter Soil Biol. Biochem.29:863-869 43