Yukarı akışlı reaktörlerde nitrifikasyon ve denitrifikasyon ile azot giderimi
Removal of nitrogen by nitrification and denitrification process in upflow reactors
Yazar: AYBEN POLAT BULUT
Danışman: PROF. DR. ŞÜKRÜ ASLAN
Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
ÖZET 
 
YUKARI AKIŞLI REAKTÖRLERDE NİTRİFİKASYON VE DENİTRİFİKASYON İLE AZOT GİDERİMİ 
 
Ayben POLAT BULUT 
 
Doktora Tezi Çevre Mühendisliği Anabilim Dalı Danışman: Prof. Dr. Şükrü ASLAN 2017, 123 sayfa 
 
Yüzey ve yeraltı sularındaki azot bileşiklerinin (NH4N, NO3N ve NO2N) derişimleri  dünyada birçok bölgede artmaktadır. Tarımsal gübreler, septik tank çıkış suları vb. içeren azot bileşiklerinin suni ve doğal kaynakları su kütlelerine karışmaktadır. Azot bileşiklerinin biyolojik giderimi, atıksu arıtma tesislerinde önemli bir problemdir. Yüksek amonyak derişimi, nitrifikasyon organizmalarına amonyak toksisitesi ve aerobik nitrifikasyon süreci için yüksek oksijen ihtiyacından dolayı biyolojik olarak nitrifiye edilmesi zordur.  
Bu tez çalışmasında, biyolojik nitrifikasyon ve denitrifikasyon süreçleriyle atıksulardan azot giderimi incelenmiştir. Denitrifikasyon süreci için çeşitli doğal atık malzemeler ile optimum C/N oranını belirlemek için kesikli deneyler yapılmıştır. Biyolojik nitrifikasyon ve denitrifikasyon deneyleri yukarı akışlı biyofilm reaktörlerde gerçekleştirilmiştir.  
İnorganik karbon kaynağı olarak yumurta kabuğunun kullanılabilirliği ve nitrifikasyon sürecine yumurta kabuğu dozajının etkisi araştırılmıştır. Sentetik atıksuda yumurta kabuğunun artışı, nitrifikasyon verimini ve atıksudan, NH4-N' nin  giderimini önemli miktarda artırmıştır. Nitrifikasyon sürecine hidrolik alıkonma süresi (HAS) ve amonyum yükleme oranının (AYO) etkisi araştırılmıştır. Nitrifikasyon süreci için optimum HAS 80 saat ve AYO 0,044 kg/m3.gün olarak belirlenmiştir.  
Denitrifikasyon sürecine çeşitli doğal atık maddelerin (buğday samanı, melas ve kayın ağacı fırın suyu) ve ticari organik karbon kaynaklarının etkisi KOI/N oranları 
ix 
 
dikkate alınarak araştırılmıştır. Glikoz ve buğday samanı, denitrifikasyon süreci için en uygun karbon kaynakları olarak belirlenmiştir. Kesikli çalışmalarla belirlenerek seçilen KOI/N oranı sürekli biyodenitrifikasyon reaktörüne uygulanmıştır. Optimum HAS ve nitrat azotu yükleme oranı (NYO) glikoz için sırasıyla 2 saat ve 1.68 kg/m3.gün ve buğday samanı için sırasıyla 2,8 saat ve 1.29 kg/m3.gün olarak belirlenmiştir. NO2-N/NO3-N oranının denitrifikasyon sürecine etkisi araştırılmıştır. Sonuçlar 1,5' in üzerindeki NO2-N/NO3-N oranlarında denitrifikasyon veriminin azaldığını göstermektedir.  
Nitrifikasyon ve denitrifikasyon reaktörleri ardışık olarak başarılı bir şekilde işletilmiştir ve önemli bir azot giderme verimi gözlenmiştir. Substrat giderme kinetikleri; Monod, birinci derece kinetik modeli, modifiye edilmiş StoverKincannon ve Grau ikinci derece kinetik modelleri hem biyonitrifikasyon hem de biyodenitrifikasyon süreçleri için belirlenmiştir. Modifiye edilmiş Stover-Kincannon ve Grau ikinci derece kinetik modelleri diğer modellere kıyasla daha uygun bulunmuştur. 
Anahtar kelimeler: Buğday samanı, denitrifikasyon, doğal organik madde, nitrifikasyon, yumurta kabuğu

Abstract:
ABSTRACT 
 
REMOVAL OF NITROGEN BY NITRIFICATION AND DENITRIFICATION PROCESS IN UPFLOW REACTORS 
Ayben POLAT BULUT 
PhD Thesis, Department of Environmental Engineering 
Supervisor: Prof. Dr. Şükrü ASLAN 
2017, 123 pages 
 
Nitrogen compounds (NH4+N, NO3N, and NO2N) concentrations in the surface and groundwater have increased in many locations in the world. Artificial or natural sources of nitrogen compounds include agricultural fertilizers, septic tank effluent etc. enter to the water body. Biological removal of nitrogen compounds is an important problem in the wastewater treatment plant. The high concentration of ammonium makes it difficult to be biologically nitrified due to the ammonia toxicity to nitrification organisms and the extensive oxygen requirement for the aerobic nitrification process. 
In this thesis, removal of nitrogen from wastewater by biological nitrification and denitrification process was investigated. Batch experiments were carried out in order to determine the optimal C/N ratio for various natural waste materials for denitrification process. Bionitrification and denitrification experiments were carried out in the up flow biofilm reactors. 
Usability of egg shell as an inorganic carbon source and effects of the egg shell dosage on the nitrification process was investigated.  Increase of egg shell amount in the synthetic wastewater; increased the nitrification efficiency and significant amount of NH4+-N was removed. The effect of hydraulic retention time (HRT) and ammonium loading rate (NLR) on the nitrification process were also investigated. 
xi 
 
Optimum HRT of 80 hours and NLR of 0.044 kg/m3.day were determined for the nitrification process.    
Effects of various natural waste materials (wheat straw, molasses, and beech tree oven water) and commercial organic carbon sources (glucose, ethanol, and acetic acid) on the denitrification process were investigated considering COD/N rations in the batch experiments. Glucose and wheat straw were determined the most convenient carbon sources for the denitrification process. Selected COD/N ratio, which was determined in the batch studies, was applied to continuous biodenitrification reactor. The optimum HRT and NLR of 2 hours and 1.68 kg/m3.day for glucose and 2,8 hours and 1,29 kg/m3.day were determined for glucose and wheat straw, respectively. Effects of NO2-N/NO3-N rations on the denitrification process were investigated. Results indicated that that the denitrification efficiency decreased when the NO2-N/NO3-N ratios was over 1.5. 
The nitrification and denitrification reactors were successfully operated sequentially and significant nitrogen removal efficiency was observed. Substrate removal kinetics; Monod, first order kinetic model, modified Stover-Kincannon and Grau second order were determined for both bionitrification and biodenitrification processes. The modified Stover-Kincannon and Grau second order model were found to be more favorable compared with other models. 
Key Words: Egg shell, denitrification, natural organic matter, nitrification, wheat straw