Atıksulardan iyon değişimi ile amonyak/ amonyak piklerinin giderim esasları ve Bigadiç klinoptilolitinin kullanımı

Abstract

ATIKSULARDAN İYON DEĞİŞİMİ İLE AMONYAK / AMONYAK PİKLERİNİN GİDERİM ESASLARI VE BİGADİÇ KLİNOPTİLOLİTİNİN KULLANINIMI ÖZET Amonyak, göl, akarsu, haliç gibi alıcı ortamlarda ötrofıkasyonda oynadığı rol sebebiyle, nitrifikasyon sonucu ortamdaki oksijen açığının artırması ve su ortamındaki diğer olumsuz etkilerinin yanında balıklara toksik etkisinin olması gibi nedenlerden dolayı birinci derecede öneme sahip parametrelerden biridir. Yıllar içinde sucul ortama verilen azot yüklerinden kaynaklanan olumsuzluklar nedeni ile bu kirletici için dünyanın birçok ülkesinde yeni ve/veya daha sıkı deşarj standartları getirilmiştir. Örneğin Avrupa Birliği ülkeleri hassas bölge olarak belirlenen ötrofik veya yakın gelecekte ötrofik olmaya aday alanlar için arıtma tesisi çıkış sularında 1 0 mg/L toplam azot standardını getirmişlerdir. Ancak bu gibi durumlarda mevcut arıtma tesisinin iyileştirilmesi (upgrade) ihtiyacı doğabilmekte ve yeni çözümler aranması yoluna gidilmesi gerekli olabilmektedir. Alıcı ortamlar için birinci derece kirleticilerden olan amonyak azotunun giderimi, klasik olarak, arıtma tesisine giriş konsantrasyonu sabit olması koşuluyla, nitrifıkasyonun olduğu biyolojik arıtma ile etkin şekilde yapılabilmektedir. Ancak arıtma tesisi girişinde değişken veya pik yükler olması durumunda tesis çıkışında da girişteki gibi salınımlar gözlemlenmektedir. Evsel atıksularda amonyak konsantrasyonunun gün boyunca salınımlar göstermesi durumundan hareketle sorunun çözümündeki klasik yaklaşım, ya biyolojik arıtma prosesinin başına dengeleme havuzu koymak ya da nitrifikasyon ünitesinin genişletilmesi olmaktadır. Ancak her iki durumda da arıtma tesisi içinde dikkate değer miktarda ilave alana ihtiyaç olmaktadır. Sözü edilen ilave alanın bulunması çoğu zaman mümkün olmadığı gibi, biyolojik arıtma sisteminin büyütülmesi, sistemde zaman zaman hiç kullanılmayacak ekstra kapasite ve buna bağlı olarak yüksek yatırım anlamına gelmektedir. Bu klasik çözümlere alternatif olarak, iyon değiştirici olarak klinoptilolit kolonu veya filtre malzemesinin klinoptilolit ile karıştırıldığı çok amaçlı filtreler, arıtma tesisinin iyileştirilmesinde (upgrading) ikinci kademe amonyak giderme prosesi olarak kullanılabilmekte ve nihai dengeleme işlemi ile daha küçük bir alanda sıkılaştırılmış standartların sağlanabilmesi mümkün olabilmektedir. Klinoptilolit doğal bir zeolittir ve iyon değişimi yoluyla atıksulardan amonyağı başarılı bir şekilde giderebilmektedir. Özellikle bu çalışmada, iyi kalitede ve yüksek miktardaki Bigadiç klinoptilolitinin amonyak / amonyak piklerinin giderimi amacıyla gerçek atıksuda kullanımıyla Türkiye'deki doğal bir kaynağın atıksu arıtımında değerlendirilebilirliği ortaya konmaya çalışılmıştır. Bu amaçla laboratuar ölçekli sistemlerde sabit, pik ve değişken amonyak yüklemelerde aşağıda verilen farklı reaktör tipleri ile çalışılmıştır.. Sabit yataklı iyon değiştirici kolon,. Biyolojik aktiviteli çok amaçlı filtre (İyon değiştirici (klinoptilolit) bulunan). Klinoptilolitin yüzey malzemesi olarak kullanıldığı biyofıltre Tüm durumlarda sistem, nitrifıkasyon ünitesini takip eden amonyak / amonyak piklerinin giderimi amaçlı çalıştırılmıştır. Bu gibi durumlarda iyon değiştirici ünite, çıkış suyu kalitesinin iyileştirilmesi özellikle pik ve değişken amonyak yüklemelerini sönümlemek amacıyla arıtmaya eklenmiştir. Bu çerçevede çalışmanın ilk kısmında en uygun tasarım ve işletme şartlarının saptanması ve boyut büyütmede kullanılacak parametrenin belirlenmesi ve daha sonraki aşamada değişik şartlarda pik amonyak yüklerinin sönümlenmesi farklı özellikteki kolonlar kullanılarak araştırılmıştır. Çalışma, 7 bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde çalışmanın anlam ve önemini anlatıldığı giriş bölümü mevcuttur. İkinci bölüm iyon değişinimdeki genel esaslar özet şekilde verilmiştir. Üçüncü bölümde, zeolitler ve özellikle klinoptilolit ve özellikleri ile Türkiye'nin en önemli zeolit oluşumu olan yaklaşık milyarlarca ton olarak tahmin edilen yüksek rezervdeki klinoptilolit içerikli Bigadiç zeoliti hakkında bazı bilgiler verilmiştir. Dördüncü bölümde ise klinoptilolit kullanarak amonyak giderimi, amonyuma doymuş klinoptilolitin rejenerasyon metotları, pik yükleme çalışmaları ve klinoptilolit tarafından adsorplanmış amonyağın gübre olarak geri kazanma metodu konularında literatür çalışması yapılmıştır. Beşinci ve Altıncı bölümde laboratuar çalışmaları ve elde edilen verilerin değerlendirilmesi yapılmıştır. Kesikli deneyler ile Bigadiç klinoptilolitinin kapasitesi saptanmıştır. Daha sonra pH, sıcaklık ve partikül boyutu gibi bazı parametrelerin klinoptilolitin amonyum tutma kapasitesine etkisi araştırılmıştır. Elde edilen tüm izoterm verileri Langmuir ve Freundlich izoterm modellerine uygulanmıştır. Laboratuar çalışmasının ikinci kısmında ise temel kolon çalışmaları yer almaktadır. Temas süresi, hidrolik yükleme hızı, debi, zeolit miktarı /yatak yüksekliği, kolon kesiti, dane boyutu ve pH gibi çeşitli parametreler kolon kırılma (breakthrough) elde edilerek ve kolon kapasiteleri ile gözlenmiştir. Bu parametrelerin kırılma noktası eğrilerine ve servis sürelerine etkileri belirlenmeye çalışılmıştır. Bu tür çalışmalarda beklenildiği gibi en önemli parametrenin temas süresi olduğu görülmüştür. Daha sonraki diğer çalışmalar ise fıltrasyon ünitesinin çok amaçlı filtre olarak iyileştirilmesi ile ilgilidir. Ayrıca bu çalışmanın çerçevesinde klinoptilolitin biyolojik aktivite için bir biyofiltre malzemesi olarak kullanılabilirliği konusunda fikir elde edebilmek için ön çalışma niteliğinde araştırma gerçekleştirilmiştir. Tüm filtre alternatifleri farklı kolon çalışmalarıyla araştırılmıştır. Deneyler, gerçek evsel nitelikli atıksu kullanılarak yapılmıştır. Yedinci ve son bölümde ise elde edilen sonuçlar ve bu konuda ileride yapılabileceklerin tartışıldığı öneriler kısımdan oluşmaktadır. Bigadiç klinoptilolitinin kullanıldığı iyon değiştirici, çok amaçlı filtre ve biyofıltre kolonları ile gerçek evsel nitelikli atıksulardan amonyak giderimi, özellikle pik ve değişken amonyak yüklerin dengelenmesinde doğru temas süresinin seçiminin önemli olduğu belirlenmiştir. Kullanılan klinoptilolit miktarı / yatak yüksekliği ve servis süresi / rejenerasyon süresi saptanan diğer önemli faktörlerdir.

PRINCIPLES OF AMMONIA / AMMONIA PEAKS REMOVAL BY ION EXCHANGE FROM WASTEWATER AND THE USAGE OF BİGADİÇ CLINOPTILOLITE SUMMARY Ammonia is one of the priority parameters due to its role in euthrophication, generation of oxygen deficiency through nitrification, its toxic effect on fish along with other negative effects in water treatment. With increasing pollutant loads being discharged into receiving water bodies over the years, new and/or more stringent effluent quality standards have been adopted in various countries of the world. European Community has new stringent nitrogen standard which is accepted 10 mg/1 total nitrogen to protect sensitive areas that are euthrophic or near future may become euthrophic. It could be necessary upgrading of present treatment plants and to find new approaches of this problem.. Ammonia is classically removed in biological treatment units through nitrification, which is very effective provided that the influent ammonia concentration is constant. In the case of variable or peak loads, the same pattern of fluctuations in the influent is frequently observed in the effluent stream, leading to non-compliant effluent quality especially during peak loads. Ammonia usually appears with a distinct daily variation in the domestic wastewater. For handling peak concentrations in an attempt to comply with standards, the classical approach is to install an equalization basin prior to the biological treatment unit or enlargement of the nitrification facility, both of which will require a considerable amount of additional space with in the treatment plant. Alternatively, an ion exchange column of clinoptilolite, biofilter unit or a multipurpose filter where filter material is mixed with clinoptilolite may be used as a second stage unit for upgrading or polishing effluent ammonia quality in the form of a post equalization unit, considerable reductions in terms of land requirements. Clinoptilolite, is a natural zeolite, and is successful in the removal of ammonia from wastewater as an ion exchanger. To use of an ion exchanger especially Bigadiç clinoptilolite which is in a high amount and good quality in Turkey so to show it could be use for real wastewater under ammonia / ammonia peaks. So the natural resource in Turkey could be utulize in the treatment area. Within the scope of this work, the behavior of the systems in the laboratory scale, exposed to constant, peak and variable loads has been studied on different reactor types as following:. A packed column ion exchanger,. A multi purpose filter with biological activity in combination with the ion exchanger. A biofılter in which clinoptilolite was used as a support material For all cases, the system is intended as a second stage ammonia / ammonia peak removal unit following nitrification step. As such, the ion exchange unit is added to the treatment scheme to polish or to upgrade the effluent quality, especially to dampen peak and variable loads for ammonia. Within this context, the primary objective of this work was to investigate and determine the optimum design and operating conditions and parameters for scale up from fundamental analyses. The other step was ammonia peaks removal by using several types of columns under different operating conditions. In this work, optimum operating conditions and parameters for scale up tried to determined from fundamental analysis. The success of this investigation is justify the use of a Turkish clinoptilolite for the purposes described and could be an alternative both for the upgrading of existing treatment plants or polishing stage for ammonia using multi purpose filter or biofılter. This study was made in seven chapters. First chapter is an introduction chapter which gives some information about study objectives. Second chapter represents general fundamentals about ion exchange, physicochemical process. In the third chapter, some information was given about clinoptilolite and feature of clinoptilolite and Bigadiç zeolite tuffs which are the most important occurrence, with a large reserve, estimates to approach billion tons and high clinoptilolite content in Turkey. In the fourth chapter it was given literature survey on usage of clinoptilolite for ammonia removal, regeneration methods of exhausted clinoptilolite, peak load studies and a method for to gain ammonia which was adsorbed on the clinoptilolite as a fertilizer. Fifth and sixth chapter are related to laboratory studies and evaluation of data. In batch test the capacity of Bigadiç clinoptilolite was determined and then some parameters such as pH, temperature, and particle size was investigated the effect of the clinoptilolite capacity and all isotherms data were applied to Langmuir and Freundlich isotherm models. Second part of the laboratory study was fundamental column analysis. Several parameters which were contact time, hydraulic loading rate, flowrate, zeolite mass / bed height, cross section area of column, particle size and pH was briefly observed by obtaining column breakthrough curve, and column capacity. It was tried to find the effects of these parameters to breakthrough curve and service time of the column. It was approached the most important parameter from this kind of studies was contact time as expected. The further studies are related with upgrading of filtration unit as a multi purpose filter. In addition, clinoptilolite was used as a biofılter material for biological activation for to gain some idea in this study framework. All filter alternatives were examined under the peak loads in a several column study differences. In the seventh chapter it was given conclusions of this study and suggestions for future works. It was determined that with the selection of the correct contact time for all types of columns, such as ion exchange column, multi purpose filter, and biofılter over the Bigadiç clinoptilolite is a powerful tool for ammonia removal especially for equalization of peak and variable loads from the real domestic wastewaters. The amount of clinoptilolite used / bed height and service time / time to regeneration were the other significant factors to be determined.