Atıksulardan anoksik denitrifikasyon prosesi ile nitrat gideriminin modellenmesi
Modeling of nitrate removal from waste water by anoxic denitrification process
Yazar: ERTUĞRUL GÜL
Danışman: DOÇ. DR. NECATİ KAYAALP
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Son yıllarda nüfus artışı ve sanayinin gelişmesi atık sularda azotlu bileşiklerin konsantrasyonlarının artmasına sebep olmuştur. Azot biyosferdeki en önemli besinlerden biri olsa da aşırı organik ve inorganik azot salınımı, ötrofikasyon, toksik alg patlamaları ve su kalitesinin bozulması gibi zararlı sonuçlara yol açmaktadır. Bu nedenle azot bakımından zengin atıksuların deşarj edilmeden önce arıtılması gerekmektedir. Bu çalışmanın amacı, venturi-entegre edilmiş batık membran biyoreaktör (MBR) prosesinde hidrojenotrofik denitrifikasyon prosesi ile farklı konsantrasyonlardaki NO3-N'in önce NO2-N'ye ardından N2'ye indirgenme adımlarının modellenmesidir. Çalışmada 32 L hacimli venturi enjektörü entegre edilmiş batık bir membran biyoreaktör (MBR) kullanılmıştır. Biyolojik reaksiyonlarda karbon kaynağı olarak musluk suyundaki HCO3, elektron alıcı ve elektron verici olarak da NO3 (100 ve 150 mg/L) ve H2 kullanılmıştır. Nitrat giderim çalışmaları sırasında MBR, laboratuvar ortamında 144 gün boyunca sürekli olarak çalıştırılmış, model çalışmalarının yapıldığı deney setlerinde ise kesikli olarak çalıştırılmıştır. Modelleme çalışmalarında her bir konsantrasyon için üçlü deney verilerinin ortalamaları alınarak elde edilen veriler AQUASIM modelleme programında giriş verileri olarak kullanılmıştır. Bir kompozit biyokütle parametresi ile karışık kültürü temsil eden denitrifikasyon proses modellerinin çoğunun aksine, bu modelleme çalışmasında biyokütle iki ana kategoriye ayrılmıştır: esas olarak nitrat azaltan biyokütle ve esas olarak nitrit azaltan biyokütle. 0.97-0.99 aralığındaki belirleme katsayıları (r2), modelin biyoreaktördeki NO3-N ve NO2-N konsantrasyonlarını başarılı bir şekilde tahmin ettiğini gösterir. Nitriti azaltan biyokütlenin maksimum spesifik büyüme hızı (0.06 h-1), nitrat azaltan biyokütleninkinden (0.0002 h-1) daha yüksek bulunmuştur. Benzer şekilde, nitriti azaltan biyokütlenin dönüşüm oranı, nitratı azaltan biyokütleninkinden daha yüksekti (0.44'e karşı 0.31 g biyokütle/g substrat). Bu modelleme çalışmasından elde edilen kinetik ve stokiyometrik katsayılar, hidrojenotrofik denitrifikasyon işleminin genel dönüşüm oranını belirleyen sınırlayıcı adımın nitritin azot gazına dönüştürülmesi olduğunu göstermektedir.

Abstract:
Population expansion and industrialization have led to an increase in the proportion of nitrogenous compounds in wastewater in recent years. Nitrogen is one of the most essential elements in the biosphere. However, excessive organic and inorganic nitrogen release results in eutrophication, toxic algal blooms, and a decline in water quality. This study aims to predict the reduction steps of NO3-N at different concentrations to NO2-N and then to N2 via hydrogenotrophic denitrification in a venturi-integrated submerged membrane bioreactor (MBR) system. A submerged membrane bioreactor (MBR) with an integrated 32 L venturi injector was used in the study. HCO3 in tap water was used as a carbon source in biological reactions, whereas NO3 (100 and 150 mg/L) and H2 served as electron acceptor and electron donor, respectively. During the nitrate removal studies, the MBR was operated continuously for 144 days in the laboratory environment, and it was operated intermittently in the experimental sets where the model studies were carried out. The data obtained by averaging the triple test data for each concentration in the modeling studies were used as input data in the AQUASIM modeling program. In contrast to the majority of denitrification process models, which reflect the mixed culture with one composite biomass parameter, this modeling study separated the biomass into two primary categories: nitrate-reducing biomass and nitrite-reducing biomass. The determination coefficients (r2) in the range of 0.97 to 0.99 suggest that the model simulates the NO3-N and NO2-N concentrations in the bioreactor accurately. The maximum specific growth rate (0.06 h-1) of nitrite-reducing biomass was determined to be greater than that of nitrate-reducing biomass (0.0002 h-1). Similarly, the growth yield coefficient of nitrite-reducing biomass was greater than that of nitrate-reducing biomass (0.44 vs. 0.31 g biomass/g substrate). The kinetic and stoichiometric coefficients obtained from this modelling study suggest that the limiting step determining the overall conversion rate of hydrogenotrophic denitrification process is the conversion of nitrite to nitrogen gas.