NFC-doplu TiO2 fotokatalistine maruz bırakılmış aktif çamurun gerçek evsel atıksu biyodegradasyonundaki performansının ve yenilenebilirliğinin değerlendirilmesi
Evaluation of the performance of microbial community induced by NFC-doped TiO2 nanoparticles on aerobic biodegradation of sewage wastewater and its' recoverability
Yazar: GÖKÇE FAİKA MERDAN
Danışman: DOÇ. DR. GÜNAY YILDIZ TÖRE
Tekirdağ Namık Kemal Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Son yıllarda evsel ve endüstriyel atıksularda biyolojik ayrışmaya dirençli kirleticilerin tespiti sonrasında yeni ileri arıtım teknikleri gelişmiştir. Bu anlamda heterojen fotokatalitik ileri oksidasyon prosesleri son yıllarda özellikle üzerinde yoğun çalışmaların yürütüldüğü önemli teknikler arasında yer almaktadır. Bu proseslerde, heterojen yarı iletken özelliğe sahip olan Titanyum Dioksit (TiO2), ucuz olması ve toksik olmamasına ilave olarak yüksek aktif optik özellikleri ve kimyasal stabilitesi nedeniyle çok çeşitli organik kirleticilerin dekompozisyonunda oldukça yaygın kullanılmaktadır. Ancak; güneş ışığının sadece %3'ü ile %5'ini emebilme özelliğinden dolayı son zamanlarda literatürde TiO2'ye güneş ışığında da fotokatalitik reaksiyona girebilme kabiliyetinin kazandırılabilmesi için, uygun geçiş metalleri (N, C, F, B, P, Ag, Au, Zn, Cu…vb.) ile ya da başka elementler yardımıyla doplanarak oksidasyon gücünün arttırılmasına yönelik çalışmalara çok sık rastlanılmaktadır. Fakat bu çalışmalarda, özgül yüzey alan ve yüksek katalitik özelliklere sahip nanopartiküler yapıdaki bu doplanmış fotokatalistlerin, özellikle bir sonraki arıtma kademesi olarak tercih edilen aktif çamur sistemleri üzerinde şok etkisi yaratabildiği ve bunların biyodegradasyonunda işletme aşamasında problemlerle karşılaşılabileceği belirtilmektedir. Bu nedenle söz konusu fotokatalistlerin aerobik biyolojik arıtma prosesi üzerindeki davranışını anlamak oldukça önemli olup; bu çalışmada yeni nesil bir nanopartikül olan NFC-doplu TiO2 toz fotokatalistinin, karbon kaynağı olarak evsel ve çoğu endüstriyel atıksu ile benzer KOI fraksiyonlarını içeren pepton karışımlı sentetik bir atıksu ve gerçek evsel atıksuyun aerobik biyodegradasyonu üzerine etkisi, respirometrik olarak tespit edilmiştir. Bu amaçla fotokataliste maruz bırakılmış ve bırakılmamış aktif çamurun oksijen tüketim hızındaki değişim respirometrik teknikler kullanılarak akut ve kronik seviyede hem sentetik hem de gerçek atıksular (evsel) için deneysel olarak tespit edilirken, bu süreçte aynı zamanda aktif çamurun performansındaki değişimi ortaya koymak için yeni nesil dizileme çalışması ile tür analizi yapılarak akut ve kronik maruziyet sonrası nasıl bir değişim gerçekleştiği ortaya konulmuştur. Buradaki amaç; nanopartiküler yapıdaki fotokataliste maruz bırakılmış ve bırakılmamış aktif çamur popülasyonunun (peptona ve gerçek evsel atıksuya aklime edilmiş), aerobik ortamda sentetik ve gerçek atıksular için davranışını respirometrik tekniklerle tanımlamak, karşılaştırmak ve gerçek evsel atıksu arıtma tesisi verimi üzerindeki etkisini değerlendirmektir. Böylece, özellikle evsel atıksularda antibiyotik kalıntılar gibi biyodegredasyonu zor olan organik maddelerin gideriminde yaygın olarak kullanılan nanopartiküllerin, geleneksel aktif çamur sistemlerindeki davranışı sentetik atıksularla karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. Analiz sonuçlarına göre, gerçek evsel atıksu ile beslenen aktif çamur, içerdiği mikrokirleticiler nedeniyle pepton ile beslenen aktif çamura göre TiO2 nanopartikülünden daha fazla etkilenmiştir. Tür analizi açısından değerlendirildiğinde, gerçek atıksudaki mikrokirleticilerin varlığı, aktif çamurda bulunması tercih edilmeyen flamentli bakterilerin, kontrol örneğinde dahi ortamda bulunmasına sebep olmuşlardır. Her iki reaktörde de akut maruziyet sonrası KOİ giderim verimi, oksijen tüketim hızı ve faydalı türler inhibe olmuştur. 30 günlük kronik maruziyet sonrası, her iki reaktörde de flamentli bakteriler baskın hale gelmiştir. Evsel atıksu reaktörü, pepton reaktörüne göre KOİ giderim verimi ve oksijen tüketim hızı açısından daha fazla inhibe olmuştur. Evsel atıksu reaktöründe KOİ giderimi neredeyse ortadan kalkmış, pepton reaktöründe ise %60 civarında kalmıştır. Yenilenebilirlik deneylerine göre, pepton reaktörü aktif çamurunda flamentli bakteri varlığı azalmıştır ve aktif çamurda olması istenilen bakteri cinslerinde artış gözlemlenmiştir. Pepton reaktöründe oksijen tüketim hızındaki inhibisyon devam etmiş, ancak KOİ giderim verimi %19 civarında iyileşmiştir. Evsel atıksu reaktöründe ise ne KOİ giderim veriminde ne de oksijen tüketim hızındaki inhibisyonda düzelme gözlemlenmiştir. Tür analizine göre evsel atıksu reaktörü aktif çamurunun kendisini az da olsa toparlayabildiği ama flamentli bakterilerin ortamda hala baskın olması sebebiyle mikroorganizmaların organik maddeye ulaşamayarak tüketemedikleri yorumu yapılmıştır.

Abstract:
During the recent years, the advanced treatment processes are developed after the determination of pollutants which are resistant to biodegradation in the domestic and industrial wastewater. In this context, heterogeneous photocatalytic advanced oxidation processes are among the most important techniques in which intensive studies have been carried out in recent years. Titanium dioxide (TiO2), which has heterogeneous semiconductor property, is widely used for decomposition of various organic pollutants because of its high active optical properties, chemical stability and non- toxicity. However, due to its ability to absorb 3%-5% of sunlight, it is very common in the literature that TiO2 is doped with the appropriate transition metals or other elements to increase its oxidation power. But, in these studies, it is stated that these doped photocatalysts with nanoparticular structure having specific surface area and high catalytic properties can cause a shock effect on activated sludge systems which are preferred especially as the next treatment stage and problems may be encountered on their biodegradation during operation phase. Therefore, it is very important to understand the behavior of the photocatalysts on the aerobic biological treatment process, and the effect of NFC-doped TiO2, a new generation nanoparticle, on aerobic biodegradation of real domestic wastewater and a peptone mixture synthetic wastewater having similar COD fractions with domestic and most industrial wastewater was determined in this study.  For this purpose, the change in oxygen consumption rate of activated and photocatalyst fed activated sludge is determined experimentally for both synthetic and real wastewater (domestic) at acute and chronic levels by using respirometric techniques also species analysis was performed to determine the change after acute and chronic exposure. The aim of this study is determination of the behavior of activated sludge population which is exposed and unexposed to photocatalyst (acclimated to peptone and real domestic wastewater) for synthetic and real wastewater at aerobic condition by respirometric techniques and evaluation of the effect on real domestic wastewater treatment plant efficiency. Thus, the behavior of nanoparticles in conventional activated sludge systems, especially which are widely used in the removal of organic materials that are difficult to biodegradate, such as antibiotic residues in domestic wastewaters, have been evaluated comparatively with the synthetic wastewater. According to the results of the analysis, activated sludge which was fed with real domestic wastewater, was affected more by TiO2 nanoparticle than the activated sludge which was fed with peptone due to the micro-pollutants in the real domestic wastewater. When evaluated in terms of species analysis, the presence of micro-pollutants in the real domestic wastewater caused the presence of filamentous bacteria, which are not preferred, even in the control sample. In both reactors, COD removal efficiency, oxygen consumption rate and beneficial species were inhibited after acute exposure. After 30 days of chronic exposure, filamentous bacteria became dominant in both reactors. The domestic wastewater reactor was more inhibited in terms of COD removal efficiency and oxygen consumption rate than the peptone reactor. The COD removal in the domestic wastewater reactor was virtually eliminated, while it remained around 60% in the peptone reactor. According to the recoverability experiments, the presence of filamentous bacteria in the activated sludge of peptone reactor decreased and an increase was observed in the types of bacteria which are beneficial for the biodegradation. Inhibition of oxygen consumption rate continued in the pepton reactor, but COD removal efficiency recovered by around 19%. In the domestic wastewater reactor, neither COD removal efficiency nor oxygen consumption rate were recovered. According to the species analysis, it was commented that the activated sludge of domestic wastewater reactor could recover itself to a small extent but microorganisms could not reach and consume organic matter due to the fact that filamentous bacteria were still dominant in the environment.