Kentsel atıksu arıtma tesislerinde karbon giderimi kinetiği ve denitrifikasyon hızlarının belirlenmesi
Determination of carbon removal kinetics and denitrification rate in urban wastewater treatment plants
Yazar: TUGBA DAVULCU
Danışman: PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Atık su arıtma = Waste water treatment ; Atık su arıtma tesisleri = Waste water treatment plants ; Azot = Nitrogen ; Biyolojik arıtma = Biological treatment ; Denitrifikasyon = Denitrification ; KOİ = COD ; Karbon = Carbon

Özet:
Azot canlı dokuların bünyesinde yer almasının yanı sıra atmosferde de azot gazı olarak yaklaşık %78 oranında bulunmaktadır. Organik azot, amonyak ve azot gazı oksitlenmemiş azot formlarını; nitrit ve nitrat ise oksitlenmiş azot formlarını oluşturmaktadır. Organik azot, amonyak azotu, nitrit ve nitrat atıksular için önemlidir. Amonyak azotu atıksuda serbest amonyak (NH3) ve amonyum iyonu (NH_4^+) şeklinde bulunur. Aynı sıcaklıkta pH arttıkça NH3 yüzdesi artmaktadır. Amonyak (NH_4^+), nitrit (NO_2^-) ve nitrat (NO_3^-) azot formlarının çözünürlükleri yüksektir fakat NH_4^+ çözünürlüğü olmayan NH3'e dönüşebilir. Atıksuda başlıca karbonhidratlar, yağlar, proteinler, petrol artıkları ve üre gibi bileşikler bulunmaktadır. Evsel atıksular azot yönünden incelendiğinde, toplam azot içeriğinin 20-50 mg/L arasında olduğu görülmektedir. Bu azot içeriği yüksek orandan amonyak azotu ve organik azottur. Geleneksel ön arıtma sisteminde partiküler azot giderilir. Geleneksel ikincil arıtma sisteminde ise azot, bakterilyal faaliyetler sonucu giderilir. Azotun biyolojik yolla dönüştürülmesi ve giderilmesi için tek yol nitrifikasyon/denitrifikasyon prosesleridir. Nitrifikasyon prosesi, amonyum iyonunun ilk olarak nitrite sonra da nitrata dönüşmesi veya yükseltgenmesi olarak tanımlanmaktadır. Nitrifikasyon bakterileri tarafından aerobik ortamda oksijenin tüketilmesiyle oksidasyon işlemi gerçekleştirilir. Nitrifikasyon prosesinde, nitrifikasyon bakterileri tarafından enerji kaynağı olarak inorganik azot, karbon kaynağı olarak ise inorganik karbon (CO2 , 〖CO〗_3^(2-), 〖HCO〗_3^-), kullanılır. Proseste elektron verici olarak 〖NH〗_4^+ kullanılırken elektron alıcısı olarak O2 ve inorganik karbon (CO2) kullanılmaktadır. Amonyak nitrifikasyon prosesinde elektron kaynağı olarak görev yapar. Verdiği elektronların bir kısmı enerji reaksiyonlarında bir kısmı da biyosentez reaksiyonlarında kullanılır. Elektron vericisinden (inorganik azot) transfer olan elektronların elektron alıcısına (oksijen) ve sentezlenen biyokütleye olan dağılımı Y spesifik dönüşüm oranı ile belirlenmektedir. Oksijen ihtiyacı, alkalinite tüketimi ve biyokütle üretimi nitrifikasyon prosesinde üç önemli stokiyometrik parametreyi temsil etmektedir. Nitrifikasyon kinetiğine etki eden dört önemli proses vardır: ototrofların çoğalması, ototrofların bozunması, partiküler organik azotun hidrolizi ve çözünmüş organik azotun amonifikasyonu. Amonyak konsantrasyonuna bağı olarak Nitrosomonas bakterileri çoğalırken; nitrit azotuna bağlı olarak Nitrobacterler çoğalmaktadır. Nitrosomonasların amonyak azotunu nitrit azotuna yükseltgediği adım hız kısıtlayıcı adımdır. Denitrifikasyon, organik karbonun hem karbon hem enerji kaynağı olarak kullanıldığı, nitratın elektron alıcısı olarak görev yaptığı, anoksik yani moleküler oksijenin olmadığı koşullarda gerçekleşen bir prosestir. Bu proseste heterotrof mikroorganizmalar görev almaktadır. Denitrifikasyon bakterileri ortamda amonyak bulunmaması durumda sentez reaksiyonlarında kullanılması amacıyla nitrat azotunu amonyak azotuna indirgeyebilecek enzimatik sisteme sahiptir. Evsel atıksularda azot genellikle yükseltgenmiş formdadır. Bu yüzden organik azot ve amonyak azotu öncelikle nitrit veya nitrata oksitlenmelidir. Bu durum denitrifikasyon prosesi öncesinde nitrifikasyon prosesinin gerçekleştiğini göstermektedir. Denitrifikasyon kinetiğine etki eden üç ana proses vardır. Bunlar çoğalma prosesi, partiküler organiklerin hidrolizi ve içsel solunum olarak belirtilebilir. Denitrifikasyon hızı, çoğalma prosesi boyunca gözlemlenen spesifik nitrat tüketim hızı olarak ifade edilmektedir.
Bu tez çalışması kapsamında İBAAT1 ve İBAAT2 İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesislerinin atıksu KOİ fraksiyonlarının ve denitrifikasyon hızlarının belirlenmesi amacıyla her iki tesisten de kış ve yaz dönemlerine ait kompozit numuneler alınmıştır. Alınan giriş atıksuyu ve çamur örnekleri üzerinde aerobik ve anoksik koşullarda respirometrik deneyler gerçekleştirilmiştir ve deneysel sonuçlar kullanılarak modelleme çalışmaları yürütülmüştür. 
Atıksu arıtma tesislerinin tasarımı ve hesaplamaları biyolojik olarak ayrışabilen organik madde üzerinden gerçekleşmektedir. Bu yüzden KOİ fraksiyonlarının belirlenmesi gerekmektedir. KOİ fraksiyonları, laboratuvar ortamında heterotrofik bakterilerin solunumunu ölçen respirometrik deneyler ve modelleme çalışmaları ile belirlenebilir. Yaz döneminde tesislerde ölçülen çözünmüş inert KOİ'nin toplam atıksu KOİ değerine oranının %4-9,8 olduğu görülmektedir ki bu değerler literatür ile uyumlu bulunmuştur. spesifik çoğalma hızı ve yarı doygunluk sabitinin literatürde 2,0-6,6 gün-1 ve 3-20 mg/L olarak verilen aralıklarıyla uyumlu olduğu saptanmıştır (İnsel ve diğ., 2021). Bunun yanı sıra literatür aralığı 1,5-4,7 gün-1 olarak verilen maksimum yavaş ayrışan KOİ'nin hidroliz hızları kh2 'nin de bu aralıkta kaldığı görülmektedir (İnsel ve diğ, 2021). Kış döneminde spesifik çoğalma hızı ve yarı doygunluk sabitinin literatürde 2,0-6,6 gün-1 ve 3-20 mg/L olarak verilen aralıklarıyla uyumlu olduğu saptanmıştır. Bunun yanı sıra literatür aralığı 1,5-4,7 gün-1 olarak verilen maksimum yavaş ayrışan KOİ'nin hidroliz hızları kh2 'nin de bu aralıkta kaldığı görülmektedir (İnsel ve diğ, 2021).
Anoksik koşullarda giriş atıksuyunun KOİ bileşenlerine ve aktif çamur sisteminin kinetiğine bağlı olarak oksitlenmiş azotun kullanımı farklı hızlarda gerçekleşmektedir. Literatürde  hesaplanan denitrifikasyon hızları geniş bir aralıkta verilmektedir. Bu çalışmada incelen iki tesisin denitrifikasyon hızlarının birbirine yakın değerde olduğu saptanmıştır. Elde edilen veriler literatür ile karşılaştırıldığında İBAAT1 ve İBAAT2 için K1 değerinin literatür aralığında kaldığı görülmektedir.

Abstract:
In addition to taking place in living tissues, nitrogen is also present in the atmosphere as nitrogen gas at a rate of 78%. Organic nitrogen, ammonia and nitrogen gas forms of non-oxidized nitrogen; nitrite and nitrate form oxidized nitrogen forms. Organic nitrogen, ammonia nitrogen, nitrite and nitrate are important for wastewater. Ammonia nitrogen is found in wastewater as free ammonia (NH3) and ammonium ion (NH_4^+). At the same temperature, the percentage of NH3 increases as the pH increases. Ammonia (NH_4^+), nitrite (NO_2^-) and nitrate (NO_3^-) nitrogen forms have high solubility, but (NH_4^+ can turn into insoluble NH3. Wastewater contains mainly carbohydrates, fats, proteins, petroleum residues and compounds such as urea. When domestic wastewater is analyzed in terms of nitrogen, it is seen that the total nitrogen content is between 20-50 mg/L. This nitrogen content is high in ammonia nitrogen and organic nitrogen. In the conventional pre-treatment system, particulate nitrogen is removed. In the traditional secondary treatment system, nitrogen is removed as a result of bacterial activities. The only way to biologically convert and remove nitrogen is through nitrification/denitrification processes. The nitrification process is defined as the conversion or oxidation of the ammonium ion first to nitrite and then to nitrate. The oxidation process is carried out by consuming oxygen in an aerobic environment by nitrifying bacteria. In the nitrification process, inorganic nitrogen is used as an energy source by nitrifying bacteria, and inorganic carbon (CO2 , 〖CO〗_3^(2-), 〖HCO〗_3^-) is used as a carbon source. In the process, 〖NH〗_4^+ is used as electron donor, while O2 and inorganic carbon (CO2) are used as electron acceptor. Ammonia acts as an electron source in the nitrification process. Some of the electrons it donates are used in energy reactions and some in biosynthesis reactions. The distribution of electrons transferred from the electron donor (inorganic nitrogen) to the electron acceptor (oxygen) and the synthesized biomass is determined by the Y specific yield rate. Oxygen demand, alkalinity consumption and biomass production represent three important stoichiometric parameters in the nitrification process. There are four important processes that affect nitrification kinetics: growth of autotrophs, degradation of autotrophs, hydrolysis of particulate organic nitrogen, and ammonification of dissolved organic nitrogen. While Nitrosomonas bacteria multiply depending on the ammonia concentration; Nitrobacters multiply depending on nitrite nitrogen. The step in which nitrosomonas oxidizes ammonia nitrogen to nitrite nitrogen is the rate-limiting step. Denitrification is a process that takes place in anoxic conditions, where organic carbon is used as both a carbon and energy source, nitrate acts as an electron acceptor, and in the absence of molecular oxygen. Heterotrophic microorganisms are involved in this process. Denitrifying bacteria have an enzymatic system that can reduce nitrate nitrogen to ammonia nitrogen in order to be used in synthesis reactions in the absence of ammonia in the environment. In domestic wastewater, nitrogen is usually in oxidized form. Therefore, organic nitrogen and ammonia nitrogen must first be oxidized to nitrite or nitrate. This shows that the nitrification process takes place before the denitrification process. There are three main processes that affect denitrification kinetics. These can be specified as the propagation process, hydrolysis of particulate organics, and internal respiration. The denitrification rate is expressed as the specific nitrate consumption rate observed during the growth process.
Within the scope of this thesis, in order to determine the waste COD fractions and denitrification rates of ABWTP1 and ABWTP2 Advanced Biological Wastewater Treatment Plants, composite samples from both plants for winter and summer periods were taken and respirometric experiments and modeling studies were carried out with the samples.
The design and calculations of wastewater treatment plants are based on biodegradable organic matter. Therefore, it is necessary to determine the COD fractions. COD fractions can be determined in vitro by respirometric experiments and modeling studies measuring the respiration of heterotrophic bacteria. It is observed that the ratio of dissolved inert COD measured at the facilities to the total wastewater COD value in the summer period is 4-9.8%, which is consistent with the literature. It was determined that the specific proliferation rate and semi-saturation constant were compatible with the ranges given in the literature as 2.0-6.6 day-1 and 3-20 mg/L (Insel et al, 2021). In addition, it is seen that the hydrolysis rates kh2 of the slowly decomposing COD, which is given as 1.5-4.7 days-1 in the literature, also remain in this range (Insel et al., 2021). It has been determined that the specific growth rate and semi-saturation constant in the winter period are compatible with the ranges given in the literature as 2.0-6.6 day-1 and 3-20 mg/L. In addition, it is seen that the hydrolysis rates kh2 of the slowly decomposing COD, which is given as 1.5-4.7 days-1 in the literature, also remain in this range (Insel et al, 2021).
Anoxic biodegradation occurs at different rates. The basis of this is that wastewater also has different characters. However, there are also differences in the calculated denitrification rates. Although differences are mentioned, it has been determined that the denitrification rates among the plants are close to each other. When the data obtained are compared with the literature, it is seen that the K1 value for ABWTP1 and ABWTP2 is within the range of the literature.