Start-up ant operation of a nitrifying biofilm reactor

Abstract

KISA ÖZET NİTRİFİKASYON AMAÇLI KULLANILAN BİR BIYOFİLM REAKTÖRÜNÜN İŞLETMEYE ALINMASI VE ÇALIŞTIRILMASI Gübre endüstrisi gibi birçok endüstrinin proses atıksularında, yüksek konsantrasyonlarda azotlu bileşikler bulunmaktadır. Suda bulunan yüksek miktarlardaki azotun herkesçe bilinen zararlı etkileri nedeni ile, bu azot bileşik konsantrasyonlarının, minimum değerlerin altına düşmesine zorlayan deşarj kalite değerlerine ihtiyaç duyulmuştur. Biyofllın proses teknolojisi ve özellikle batık filtre proses teknolojileri son 20 yıldır hızla gelişmektedir. Bu gelişmenin bazı sebepleri olarak, polimer malzemesinin gelişmesi, ileri teknoloji kullanan biyolojik arıtma sistemlerine giderek artan ihtiyaç ve kısıtlı alan kullanımı zorunluluğu sayılabilir. Son zamanlarda, nitrifikasyon prosesinin biyofılm reaktörlerinde gerçekleştirilmesinin, azot gideriminde en verimli ve güvenilir yol olduğu düşünülmektedir. Bu tezin ana amacı, yüksek konsantrasyonlarda azot içeren gübre endüstrisi atıksularının antılacağı, nitrifikasyon amaçlı kullanılan bir biyofilm reaktörünün işletmeye alınması ve çeşitli şartlarda çalıştırılmasıdır. Çalışmanın deneysel kısmının başında, çamur yüksek azot konsantrasyonlarına alıştırılmış ve daha sonra, bakterilerin polietilen dolgu malzemesi üzerine tutunması sağlanmıştır. Çalışmanın bu kısmında reaktör kesikli olarak çalıştırılmış ve atıksu olarak, içinde gerekli tüm besi maddesi, mineral ve alkalinite veren bileşikler bulunan sentetik bir atıksu kullanılmıştır. Biyofllm oluşumu sırasında, organik karbon kaynağı olarak kullanılan az miktarlardaki glükoz ilavesinin, nitrifikasyonu gerçekleştiren ototrof bakterilerin dolgu malzemesi üzerine tutunmasını hızlandırdığı ve sistem üzerinde herhangibir inhibisyon etkisi yapmadığı gözlenmiştir. Çalışmanın başında kesikli olarak çalıştırılan bu yukarı akışlı reaktör daha sonra değişik sübstrat ve hidrolik yüklemelerinde ve değişik çözünmüş oksijen konsantrasyonlarında sürekli olarak çalıştırılmıştır. Çalışmanın son iki deneyinde atıksu olarak, bir gübre fabrikasının ürünü olan amonyum nitrat solüsyon halinde kullanılmıştır. Bu atıksu solüsyonuna gerekli diğer mineral, alkalinite ve besi maddesi ilaveleri de yapılmıştır. Hazırlanan bu solüsyon, gübre fabrikasından kaynaklanan atıksuların tüm özelliklerini yansıtmaktadır. Sonuç olarak, değişik sübstrat yüklemelerinde ve çözünmüşVI oksijen konsantrasyonlarında elde eldilen bulgular, iyi bir biyofilm oluşumu ve gerekli tüm çevresel koşulların sağlanması ile, nitrifikasyon amaçlı kullanılan bir biyofilm reaktörünün yüksek miktarda azot giderebildiği gözlenmiştir. 3.2 mg/1 ve 3.5 mg/1 arasındaki çözünmüş oksijen konsantrasyonlarında, sistemin maksimum nitrifikasyon hızı 0.17 kg NH^N/m^- gün'e ulaşmıştır. 4.9 mg/1 çözünmüş oksijen konsantrasyonunda ise elde edilen nitrifikasyon hızı 0.41 kg NH^N/rrP-gün'dür.

IV ABSTRACT Many industries like the fertilizer industry generate high concentrations of nitrogen compounds in their process effluents. Because of the widely known threatening effects of high concentrations of nitrogen in the fresh water, increasingly stringent discharge quality criteria have required that these nitrogen compounds be reduced to minimum levels. Biofilm process technology, particularly the submerged filter process technology, has developed rapidly in the last two decades. Some of the reasons for such development are considered to be the development of polymer media, the increasing demand for biological advanced treatment, and the limited space availability. Nitrification in biofilm reactors is considered now as the most efficient and reliable way İn the treatment of nitrogenous wastes. The main purpose of this thesis was to start-up and operate a nitrifying biofilm reactor in which high-strength nitrogenous wastes from fertilizer industries will be treated. At the beginning of the experimental part of the study, sludge was acclimated to high ammonia concentrations and then attachment of bacteria was achieved on the polyethylene carrier elements. These acclimation and attachment studies were realized in batch systems and a synthetic feed with the required nutrient, mineral and alkalinity constituents was used. During the biofilm attachment stage, it was observed that organic carbon supplement in the form of glucose at low levels enhanced the attachment of autotrophic bacteria that are responsible for the nitrification and had no inhibitory effect on the system. The upward-flow biofilm reactor was operated first as a batch reactor during the acclimation and attachment studies. Then it was operated continuously at different substrate and hydraulic loading rates, and at different dissolved oxygen concentrations. In the last two runs of the study, the product of a fertilizer plant (ammonia nitrate) was dissolved in water with the required addition of mineral, alkalinity and nutrient constituents and this solution was used as the feed in these runs. This prepared solution reflected all the characteristics of the real wastewater generated from the fertilizer plant. The results obtained at different substrate loading rates and dissolved oxygen concentrations indicated that a biofilm nitrification process can surmount very high amounts of nitrogen if the proper bacteria attachment was achieved and the required environmental conditions were realized. In the dissolved oxygen ranges of 3.2 mg/1 and 3.5 mg/1, the system reached the maximum removal rate of 0.17 kg NH4-N/m3-d. The achieved removal rate at dissolved oxygen of 4.9 mg/1 was 0.41 kg NH4-N/m3-d.