Biyolojik arıtma süreçlerinde fosforun geri kazanımı

Abstract

Ill ÖZET Atıksu, arıtma çamurlan ve hayvansal gübrelerde bulunan fosfor elementinin ekonomik bir değeri olduğundan bu maddenin geri kazanılması konusunda yapılmakta olan bilimsel çalışmalar yoğunlaşmaktadır. Bu amaçla atıksu ve gübrelerde bulunan fosforlar, hidroliz neticesi ortofosfatlara dönüştüğü biyolojik aşama sonrasında askıda katı maddesinden ayrılan suyun içerisine kalsiyum ve magnezyum toprak alkali metal tuzlan veya başka metal tuzları ilave edilerek tortu halinde kimyasal olarak çökeltilmektedir. Çökelen bu fosfat bileşikleri maden ocaklarından çıkartılan fosfat kayaçlan ile benzer nitelikte olup bu katı halde taşınmaya ve endüstride tekrar kuUanılmaya uygunluk göstermektedirler. Bu katı formlar çoğunlukla apatit (kalsiyum fosfat) veya struvit (magnezyum amonyum fosfat) kimyasal bileşikleridir. Struvit, gerek endüstriyel kullanıma ve gerekse gübre olarak kullanıma daha fazla uygunluk göstermektedir. Ancak struvit presipitasyonunda magnezyumun ilave edilmesi gerekliliği, apatit elde edilmesinde kullanılacak kalsiyuma (kirece) kıyasla ekonomik açıdan daha dezavantajlı olmaktadır. Gerek aerobik gerekse anaerobik koşullarda organik bağlı fosforların ortofosfatlara dönüşmesi neticesinde ilgili biyolojik süreç çıkışında üst su içerisinde fosfatlar belli konsanteasyonlarda bulunurlar. Bu çıkış konsantrasyon değerleri arıtma süreci (aktif çamur gibi) sonrasında nispeten düşük değerlerde olurken, çürütme sonrasında çok yüksek değerlerde bulunabilmektedirler. Çürütme sonrası yüksek fosfat muhteviyatının kimyasal olarak çöktürülmesi teknik ve ekonomik yönden nispeten daha uygulanabilir olurken, biyolojik arıtma sonrası nispeten düşük konsantrasyonlardaki üst suda fosfatların çöktiirülmesinm daha az uygulanabilir olduğu görünmektedir. Bu amaçla biyolojik sürecin, ileri biyolojik fosfor giderimi prosesine dönüştürülerek fosfatları anaerobik kademede nispeten daha yüksek konsantrasyonlara dönüştürmek ve bu üst suya kimyasal çökeltim uygulamak daha uygun olabilir. Bu çalışmada evsel karakterli bir ham atıksu aerobik ve çökeltim aşamalı olarak doldur- boşah tipinde kesikli işletilen bir tank reaktör içerisinde biyolojik havalandırma işlemine tabi tutulmuştur. Belli süreler sonunda alman numuneler anaerobik koşullara tabi tutulduktan sonra fiziksel çökeltimle katı maddeden ayrılan üst suya kimyasal presipitasyon işlemi uygulanmışür. Bu kapsamda kendiliğinden apatit oluşumu durumu ve bentonit kilinin çekirdek materyali olarak kullanılması durumunda apatit oluşumu durumları test edilmiştir. Bu amaçla numuneler gerçeğe uygun işletim koşullarında kimyasal prespitasyonun en yüksek olacağı (çözünürlüğün en az olacağı) 20°C ve 25°C sıcaklıklarda orbital inkübatörde yeterli çalkalama süresine tabi tutulmuş ve sonuç numunelerinden muhtemel apatit tortularını ayırmak için mekanik süzme ve santrifüjleme işlemleri uygulanmışür. Bu sayede belli boyuttan daha büyük boyuttaki tortuların ayrılması sağlandıktan sonra santrifüjleme üst suyu ve filtre süzüntü suyunda ve ayrıca ayrılan tortular içerisinde muhteviyatın belirlenmesi için gerekli analizler yapılmış ve değerlendirilmiştir. Yine çalışma kapsamında biyolojik çamur çürütücü (yada hayvansal gübre çürütücü) çıkışındaki yüksek fosfat konsantrasyonlarım simule edecek biçimde yapay solüsyon ortamları hazırlanmış ve struvit presipitasyonu için yukandakine benzer biçimde çalkalama ve fiziksel ayrıma işlemlerinden geçirilerek elde edilen deneysel gözlem sonuçlan değerlendirilmiştir. ANAHTAR KELİMELER: Evsel atıksu, antma, biyolojik çürütme, fosfor, geri kazanım, apatit, struvit

IV ABSTRACT The scientific studies on phosphorus recovery from wastewater itself, biological treatment sludges and manures are getting intensified because phosphorus is a beneficial matter from the economical standpoint. In this context, following the hydrolysis of organically bound phosphorus to orthophosphates in biological processes, magnesium or calcium eartb-aftaline metal salts are added into supernatant after it gets free from the mixed-liquor suspended solids and phosphates are recovered in a settled solid form. These recovered solid phosphate compounds display similar characteristics to those of phosphate ores extracted from mining operations and hence are convenient for transportation and industrial use. These solid phosphate compounds are mostly apatite (calcium phosphate) and struvite (magnesium ammonium phosphate) chemical compounds. Struvite is more suitable to use both as raw material in industry and fertilizer in agriculture. However, because magnesium is needed to be added into the waste stream to form struvite compound, that economical aspect of steuvite is considered to be disadvantage as compared to apatite. Phosphates are available at certain concentrations in supernatants of both aerobic and anaerobic sludge and manure digestion units while rather low concentrations are encountered in the biological treatment (e.g. activated sludge) main streamlines. Chemical precipitation of phosphate compounds in digester supernatants seems quite feasible, while, it seems rather troublesome when applied to that of in the supernatants of the biological units due to the low phosphate concentrations. Therefore biological treatment process is needed to be upgraded to one of me EBPR (Enhanced Biological Phosphorus Removal) configurations in order to enrich phosphorus concentrations in a streamline (in anaerobic reactor supernatant), which then can be more readily subjected to chemical precipitation. In mis study, a domestic like raw wastewater was subjected to fill and draw batch reactor conditions in biological aeration/settling sequential order. Following the periodical orders, samples were taken and subjected to anaerobic conditions, which were followed by suspended solids separation. In the next stage lime-added and pH-controIled supernatant samples were shaken in the orbital incubator for some period of time to allow apatite nuclei formation and precipitation. Regarding these chemical sessions, both nuclei formation by itself as weH as bentonite-clay supported nuclei formation possibilities were observed. To realize the conditions as much real as possible, samples of 20°C and 25°C temperature were tested during the chemical processing in the orbital incubator since the solubility product of above-mentioned phosphate compounds are lowest at these practically-sound temperature range. To separate the formed chemical precipitates of a certain size, if available, from the suspension, a share of the samples were centrifuged while another share was filtered through a cellulose-acetate filter paper. After these physical separations, supernatants of these centrifuged samples and filtrate of the filtered samples, together with the separated chemical precipitates, were analysed to determine the concentration or percentage of the chemical components. In the context of this study, to simulate relatively much higher phosphate concentrations in the supernatants of the digesters decomposing the biological treatment sludges or manures, the solutions which were prepared by artificially-added matter concentrations into distilled water were subjected to struvite precipitation in the same way as above outlined for apatite processing and results were evaluated. KEY WORDS: Domestic wastewater, treatment, biological digestion, phosphorus, recovery, apatite, struvite