Sabit kolon reaktörlerinde atıksuların denitrifikasyonu

Abstract

ÖZET Doktora Tezi SABİT KOLON REAKTÖRLERİNDE ATIKSULARIN DENİTRİFİKASYONU Bünyamin KARAGÖZOĞLU Cumhuriyet Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Çevre Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman : Prof. Dr. İbrahim PEKER Atıksu arıtımında kullanılan geleneksel sistemlerde, karbonlu ve azotlu atıkların uzaklaştırılmasında hareketsiz konuma getirilmiş (immobilizasyon) ve askıda üreyen mikroorganizmaların etkinliğinden yararlanılmaktadır. Endüstriyel tesislerde ve kısmi arıtma ile sonuçlanmış kanalizasyon atıksularındaki organik ve inorganik kirliliklerin uzaklaştırılmasında, hareketsiz konuma getirilmiş hücreler önemli rol oynamaktadır. Sabit yataklı biyofılm reaktörleri, biyofılmi taşımaya yarayan sabit dolgu malzemesi ile doldurulmuş reaktörler olup, evsel ve endüstriyel atıksuların arıtılmasında yaygın olarak kullanılmakta, yüksek sıvı akışı, kısmen işletim kolaylığı sağladığı için yüksek özgül yüzey alanları ile karakterize edilmektedir. Bu çalışmada nitrat içerikli sulardan, hetetrofık mikroorganizma olan Paracoccus denitrificans saf kültürüyle sabit yataklı kolon reaktöründe atıksuların denitrifikasyonu irdelenmiş ve mikroorganizmalar, dolgu malzemesi olarak kullanılan pomza ve Ca-alginat gibi iki farklı taşıyıcı maddenin kullanımıyla tutuklanarak hareketsiz konuma getirilmiştir. Denitrifıkasyon süreci, bu çalışmada dolgulu yatak ve yukarı akışlı reaktörlerde yatak yüksekliği ve kolon malzemesi dikkate alınarak gerçekleştirilmiş, reaktör ve kolon verimliliği üzerine etki eden parametreler incelenmiştir. Pomza ve Ca-alginat' in kullanıldığı çalışmanın birinci aşamasında öncelikle yapay atıksu kullanılmış, sonradan nitrat giderimi üzerine kolon yüksekliği boyunca sıra ile besleme çözeltisi debisi, besleme çözeltisi nitrat içeriği, C/N oranı, farklı karbon kaynaklarının etkisi araştırılmış ve nitratın giderimiyle ilgili kinetik parametreler incelenmiştir. Sadece pomza partiküllerinin kullanıldığı çalışmanın ikinci aşamasında ise gerçek atıksu örnekleriyle çalışılmış, karbon kaynağı olarak metanol kullanılmıştır. Deneylerde, nitrat ve nitrit derişimi, reaktör verimliliği, nitrat giderme hızı ve nitrat yükleme hızı gibi parametrelerle kinetik hesaplamalar sonucu elde edilen veriler, kolon yüksekliğine göre irdelenmiştir. Bütün uygulamalarda çalışma sıcaklığı 30 °C ve pH 7.0 olarak sabit tutulmuştur.Pomza'nın ve Ca-alginat'ın yatak malzemesi olarak denendiği uygulamalarda pomza için 74 mL/h' lik debiye kadar çıkış suyundaki nitrat derişimi Dünya Sağlık Örgütü (WHO) ve Türk Standartları Enstitüsü (TSE) tarafından öngörülen değerlerin altında bulunmuştur. En yüksek reaktör verimliliği çıkışta (7. Musluk 70 cm), 13,29 mg/L.h olarak en yüksek debi uygulamasında (112,5 mL/h), girişte (1. musluk 10 cm) ise 45 mL/h debi uygulamasında 41,43 mg/L.h ile elde edilmiştir. En iyi giderme veriminin sağlandığı bu debide çıkışta reaktör verimliliği ise 7,57 mg/L.h olarak hesaplanmıştır. Besleme çözeltisi nitrat içeriğinin denendiği tüm uygulamalarda, çıkış suyu nitrat derişimi standartların altında bulunmuş ve yaklaşık % 95' lik bir giderim verimi sağlanmıştır. En yüksek reaktör verimliliği ve nitrat giderme hızı çıkışta, 267,22 mg/L uygulamasında 105,57 mg/L.h yükleme hızında sırasıyla 18,12 mg/L.h ve 99,37 mg/L.h, girişte ise 1002,07 mg/L.h' lik yükleme hızında 94,45 mg/L.h ve 430,66 mg/L.h olarak bulunmuştur. Ca-alginat jeli için besleme çözeltisi debisi etkisinin incelendiği denemelerde ise en yüksek giderme verimi 34,4 mL/h' lik debide yaklaşık % 93 olarak gerçekleşmiş ve 45mL/h' lik debiye kadar çıkış suyundaki nitrat içeriği standartların altında bulunmuştur. En yüksek reaktör verimliliği girişte 29,18 mg/L.h olarak 45 mL/h' lik debide, çıkışta ise 10,19 mg/L.h ile 73,8 mL/h'lik debide elde edilmiştir. Besleme çözeltisi nitrat içeriği etkisinin incelendiği bütün denemelerde nitrat derişimi çıkışta standartların altında bulunmuş, en yüksek reaktör verimliliği ve nitrat giderme hızı, 67,69 mg/L.h'lik yükleme hızında sırasıyla 7,99 ve 55,28 mg/L.h olarak elde edilmiştir. Her iki yatak malzemesi içinde en iyi giderme verimi C/N=3 uygulamasında bulunmuştur. Pomza partiküllerinin kullanıldığı gerçek atıksu örnekleriyle yapılan çalışmalarda ise Sivas kollektör deşarj noktasından alman evsel atıksu örnekleri kullanılarak denitrifıkasyonla ilgili deneyler yapılmıştır. Besleme çözeltisi nitrat içeriği olarak 124.28, 159.48, 565.89, ve 191.07 mg/L nitrat derişimlerinin denendiği uygulamalarda, en yüksek nitrat giderme verimi % 96.21 ile % 159.48 mg/L uygulamasında elde edilirken, en düşük verim karbon kaynağı ilave edilmeyerek ve atıksuyun kendi içsel solunumdan kaynaklanan karbon kaynağının yeterli olup olmayacağının irdelendiği 191.07 mg/L uygulamasından (% 28.52) elde edilmiştir. En uygun besleme çözeltisi debisi 45 mL/h, karbon kaynağı (metanol), C/N oranı 3.0, çalışma sıcaklığı 30 °C, pH' ı 7.0 olarak sabit tutulduğu uygulamalarda elde edilmiştir. En yüksek reaktör verimliliği ve nitrat giderme hızı, 223.53 mg/L.h' lik yükleme hızında sırasıyla 38.79 ve 212.77 mg/L.h olarak elde edilmiştir. Anahtar Sözcükler : Nitrit, Nitrat, Denitrifikasyon, Pomza, Ca-Alginat, Paracoccus denitrificans, Atıksu, Sabit Yataklı Biyofılm Reaktörü

Ill ABSTRACT PhD. Thesis DENITRIFICATION OF WASTEWATERS ON FIXED-FILM COLUMN REACTOR Bünyamin KARAGÖZO?LU Cumhuriyet University Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Environmental Engineering Supervisor : Prof.Dr. Ibrahim PEKER Conventional systems used wastewater treatments are based on the use of the activites of the both immobilized and suspended systems, in order to remove of carbonacous and nitrogenous compounds. The immobilized cells act important factor for removing of the organic and inorganic compounds from sevage and industrial plants. The biofilm or fixed film reactors are widespread form of immobilized cells for wastewater treatment. They are known with high spesific surface area since they have high level of liquid flow and partly easy of operating skills. In this study, fixed film column reactor was used with the Paracoccus denitrificans (hetetrophic mikroorganism) pure culture for the nitrate included wastewater denitrification and microorganism was immobilized at two different type of support material as pumice and Ca-alginate filling materials. The denitrification process has been achieved in order to find out the parameters affected on reactor and column efficiently by using up-flow reactor filled filter material considering of bed height and column material. In the first stage of study which pumice and Ca-alginate were primarly used as filter material and artificial components were used for the preparation of feeding, feeding solutions flow rate through column height nitrate concentation of the feeding solution C/N ratio and the effect of different carbon sources on process and nitrate removal rate were examined. At the second part of the study, only pumice particules were investigated by using real wastewater samples and methanol as carbon source. Kinetic calculations is results based on NO>N and NOVN concentration reactor efficiency, nitrate removal rate and nitrate feed rate have been interpretated related to column height. During the all experiments working temperature and pH were 30 `C and 7.0 respectively as constant.IV In the first section of study, NOVN content of effluent was found up to 74 mL/h for pumice. This level of NOVN concentration was lower than allowed by World Health Organization Standarts and Turkish Standarts. Optimum reactor efficiency in effluent (seventh sample point; 70 cm) and infflued (first sample point; 10cm) was 13.29 mg /L.h for optimum fiowrate (112.5 mL/h) and 41.43 mg/L.h for 45 mL/h flowrate respectively. For this fiowrate, optimum removal efficiency have been found 7.57 mg/L.h. For the inffluent nitrate feed; effluent nitrate concentration was lower than standart levels and approximately; removal efficiency was 95 %. Optimum reactor productivity and nitrate removal rate at effluent is 105.57 mg/L.h for the 267.22 mg/L Nitrate-N for the inffluent the nitrate removal rate is (1 st tap-10cm) 94.45 mg/L.h for the 1002.07 mg/L.h feed.. Optimum removal rate was observed 93 % for 34.4 mL/h flowrate by using Ca-alginate gel and the effluent nitrate levels were lower than standarts up to 45 mL/h flowrate. Optimum reactor efficiency have been found for iffluent and effluent 29.18 mg/L.h (Q= 45 mL/h) and 10.19 mg/L.h (Q= 73.8mL/h) respectively. Nitrate concentration lewel for the effluent has been found lower than required nitrate concentration during the all exprimental study. Optimum reactor productivite and nitrate removal rate are 7.99 and 55.28 respectively for 67.69 mg/L.h loading rate and optimum removal efficiency has been observed at C/N=3. The second part of study has been examed by using pumize particulles and domestic water from Sivas' s collector effluent in order to search denitrification experiments. Feed solution including of nitrate concentration is 124.28,159.48, 565.89, and 191.07 mg/L and the removal efficiency was 96.21 % for 159.48 mg/L. On the other hand, without any carbon source addition with only endegeneous respiration the removal efficiency has been observed 28.52 % for 191.07 mg/L. Optimum reactor productivity and nitrate removal rate are 38.79 and 212.77 mg/L.h respectively for feed solution flowrate, carbon source, C/N, working temperature and pH are 45 mL/h, methanol, 3.0, 30 °C and 7.0. Key Words: Nitrite, Nitrate, Denitrification, Pumice, Ca-alginate, Paracoccus denitrifwans, Wastewater, Fixed-film biofilm reactor.