Kükürt bazlı ototrofik denitrifikasyon prosesi ile arsenik içeren içme sularında nitrat giderimi ve mikrobiyal popülasyon dinamiğin belirlenmesi
Kükürt bazli ototrofik denitrifikasyon prosesi ile arsenik i̇çeren i̇çme sularinda nitrat giderimi ve mikrobiyal popülasyon dinamiğin belirlenmesi
Yazar: ARZU KILIÇ
Danışman: PROF. DR. ÖZER ÇINAR ; DOÇ. DR. ERKAN ŞAHİNKAYA
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Biyoteknoloji = Biotechnology

Özet:
Dünyada yer altı suları, içme amaçlı kullanım için belirlenen sınırların üzerinde nitrat içermektedir. Nitratın en önemli kaynakları; azotlu gübreler ve arıtılmadan deşarj edilen evsel ve endüstriyel nitelikli atıksulardır. Dolayısıyla, yer altı sularının in-situ (yerinde) veya bu suların içme suyu olarak kullanıldığı tesislerde ex-situ (dışarıda) arıtımı amacıyla ekonomik ve etkili nitrat giderim teknolojilerinin araştırılması gerekmektedir. Ters osmoz, iyon değiştirme, distilasyon ve elektrodiyaliz içme sularından nitrat giderimi için kullanılan fiziko-kimyasal yöntemler arasında yer almaktadır. Bu yöntemlerin en önemli dezavantajları yüksek işletme ve bakım maliyetleri, düşük seçicilik özellikleri ve tuzlu atıksu üretimidir. Ayrıca, bu teknolojiler, hem pahalı hem de yerinde (in-situ) arıtım için uygun yöntemler değildir. Bu nedenle, biyolojik denitrifikasyon önemli bir arıtma yöntemi olarak düşünülmelidir. Ototrofik denitrifikasyonun, heterotrofik denitrifikasyona kıyasla en önemli avantajı organik madde ilavesi gerektirmemesi ve dolayısıyla, arıtılmış suyun klorla dezenfeksiyonu sırasında klorlu organik maddeler oluşturmamasıdır. Ayrıca düşük bakteri üretimi nedeniyle çıkış suyunun bakteriyolojik olarak kirlenme riski de azaltılmakta ve arıtım maliyeti düşmektedir. Kükürt, ucuz olması ve kolay bulunabilmesi nedeniyle; denitrifikasyon prosesi için uygun bir elektron kaynağıdır. Bu proseste, elementel kükürt elektron verici olarak davranır ve nitrat azota indirgenirken, kükürt sülfata oksitlenir. Birçok avantajlarına rağmen kükürt bazlı ototrofik denitrifikasyonun en önemli dezavantajları sülfat ve asit üretmesidir. Alkalinite kaynağı olarak kireç taşı veya bikarbonat kullanılabilmektedir. Daha yüksek nitrat konsantrasyonuna sahip yer altı sularının arıtımında ise heterotrofik ve ototrofik denitrifikasyon prosesinin eş zamanlı olarak kullanıldığı miksotrofik proses kullanılarak üretilen sülfat kontrol altına alınabilir.
Tez çalışmasında; elementel-kükürt bazlı ototrofik ve miksotrofik denitrifikasyon prosesiyle içme sularından nitrat gideriminin ayrıntılı olarak çalışılması ve arseniğin prosesperformansına etkisi irdelenmiştir. Bu amaçla; toplam 3 adet kolon reaktör çalışma boyunca uzun süreli olarak işletilmek koşuluyla ototrofik denitrifikasyon performansı; farklı kükürt/kireç taşı oranlarında, farklı dane çaplarında, farklı nitrat yüklemelerinde, alkalinite kaynağı olarak bikarbonat kullanılması durumunda araştırılmıştır. Ayrıca, miksotrofik denitrifikasyon performansı da farklı metanol ve nitrat konsantrasyonlarında, farklı yüklemelerde ve farklı alkalinite kaynakları varlığında araştırılmıştır. Her iki proses performansına arseniğin etkisi ve reaktörlerdeki bakteriyel topluluğun zamanla değişimi de incelenmiştir. Yapılan çalışmalarda; düşük nitrat konsantrasyonlarında (<30 mg/L NO3-N), ototrofik denitrifikasyon ile sülfat için içme suyu limitleri aşılmadan tam denitrifikasyon gerçekleşebileceği gözlenmiştir. Ototrofik denitrifikasyon performansının elementel kükürt dane çapına bağlı olduğu belirlenmiştir. Elementel kükürt partikül boyutu küçüldükçe artan yüzey alanı nedeniyle elementel kükürtün çözünürlüğü artmış ve proses performansı da yükselmiştir. Miksotrofik denitrifikasyon prosesinde çok daha yüksek denitrifikasyon hızları elde edilmiş ve çıkışta kalıntı organik madde miktarının oldukça düşük olduğu tespit edilmiştir. Dolayısıyla yüksek nitrat konsantrasyonlarında (>30 mg/L NO3-N) miksotrofik denitrifikasyon prosesiyle içme sularından nitrat giderilebileceği belirlenmiştir. 1000 µg/L'ye kadar arseniğin denitrifikasyon performansını olumsuz etkilemediği ancak sistemden arıtılmadan çıktığı belirlenmiştir. Moleküler biyoteknoloji ile ayrıca mikrobiyal popülasyondaki değişimlerde belirlenmiş ve bu değişimlerin denitrifikasyonu etkilediği ortaya konmuştur.

Abstract:
In the world, nitrate concentration in ground water has exceeded the maximum allowable limits for drinking water. The most important sources of nitrate in ground waters are nitrogen containing fertilizers and the industrial and domestic wastewaters discharged without being treated properly. Therefore, economical and effective treatment technologies for ground water denitrification should be developed for in-situ (in place) and ex-situ (on-site) applications. Reverse osmosis, ion exchange, distillation and electrodialysis are the physico/chemical methods used for the removal of nitrate from drinking waters. The main disadvantages of these processes are high operational cost, low selectivity and the formation of secondary brine wastes after treatment. Moreover, these processes are expensive and not proper for in-situ applications. For these reasons, biological denitrification should be considered as an important process. The main advantage of autotrophic denitrification is the not requirement of organic supplementation. Hence, there is no risk of chloro-organics formation in the chlorination process following denitrification. Additionally, due to low biomass production, the risk of bacterial contamination and the operational cost are reduced in autotrophic denitrification process. Sulfur-based autotrophic denitrification is an effective alternative due to low cost and availability. In this process, the elemental sulfur and nitrate behave as an electron donor and an acceptor, respectively. Hence, when nitrate is reduced to nitrogen gas, sulfur is oxidized to sulfate.
Although sulfur-based autotrophic denitrification has several advantages, its main disadvantages are sulfate and acid formation. Lime stone or bicarbonate can be used as alkalinity sources. For the waters containing higher nitrate concentrations, mixotrophic process combining heterotrophic and autotrophic denitrification processes can be used to control the amount of sulfate formation. 
In the thesis study, sulfur-based autotrophic and mixotrophic denitrification processes for drinking water denitrification and the impact of arsenic on the process performance were deeply investigated. For this purpose, 3 column reactors were operated continuously in long term for the investigation of sulfur/limestone ratio, particle size, nitrate loadings, and alkalinity source on autotrophic denitrification performance. Additionally, mixotrophic denitrification performance was deeply investigated under varying methanol and nitrate loadings as well as with different alkalinity sources. The impacts of arsenic on both autotrophic and mixotrophic denitrification performances and the microbial community were investigated. Results showed that at low influent nitrate concentrations (< 30 mg/L NO3-N), complete autotrophic denitrification can be achieved without exceeding the drinking water limit values for sulfate concentration. Autotrophic denitrification performance highly depended on sulfur particle size. As the particle size of elemental sulfur granules decreased, the surface area increased, which also increased sulfur dissolution and denitrification performance. Under mixotrophic denitrification conditions, only a part of nitrate was reduced by autotrophic microorganisms and system was well operated without external alkalinity supplementation. Therefore, mixotrophic process can be effectively used for the denitrification of drinking water with high nitrate concentrations (>30 mg NO3-N/L). System performance was not adversely affected from arsenic even at 1000 µg/L and arsenic left the column without being treated. The change of microbial community in the reactors was also determined.