Kaynakta ayrılmış idrardaki nütrientlerin klinoptilolitle geri kazanımı ve tarımda uygulanabilirliğinin incelenmesi
Removal of nutrients from separately collected human urine with clinoptilolite and their recovery for agricultural reuse
Yazar: NAZLI PELİN KOCATÜRK
Danışman: PROF. DR. BİLSEN BELER BAYKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Besi giderimi = Nutrient removal ; Klinoptilolit = Clinoptilolite ; Yeniden kazanma = Recycling ; İdrar = Urine ; İyon değişimi = Ion exchange

Özet:
2000'li yıllarda gündeme gelen ECOSAN (Ecological Sanitation) yaklaşımı, ekolojik evsel atıksu yönetimi esasına dayalı olarak, evsel atıksuların uzaklaştırılması gereken bir atık olarak değil, yeniden kullanılabilir bir kaynak olarak kabul etmektedir. Bu çerçevede, kaynakta kontrol ile besi maddesi döngülerinin tamamlanması hedeflenmektedir. Bu yaklaşımda evsel atıksuların kaynağında fraksiyonlarına ayrılması, her bir fraksiyonun farklı işlemlerden geçirilmesinin ardından yeniden kullanımda değerlendirilmesi önerilmektedir. Bu yaklaşımda esasen kaynağında ayrılmış insan idrarından oluşan sarı su (yellow water), yine ayrı olarak toplanmış kahverengi su (brown water) ve tuvalet sularının dışında kalan her türlü mutfak, duş ve lavabolardan toplanan gri su (grey water) şeklinde fraksiyonlar tanımlanmaktadır. Bu fraksiyonlardan sarı suyun, evsel atıksuların içindeki azotun % 80'e yakın bir kısmı ile fosfor ve potasyumun yarısına yakın kısmını içermesi nedeniyle tarımda gübre olarak kullanımı ön plana çıkmaktadır.Literatürdeki çalışmaların büyük bir çoğunluğu sarı suyun, bazı durumlarda seyreltme işleminden sonra, doğrudan kullanımına yönelik olmakla birlikte, idrarın bazı işlemlerden geçirildikten sonra dolaylı kullanımına yönelik araştırmalar da bulunmaktadır. Tarımda kullanım bağlamında tuzluluk da önemli bir konudur.Bu çalışmada amaç, tarımsal açıdan önemli bir besi maddesi kaynağı olan idrarın klinoptilolit ile muamele edilmesiyle elde edilen ürünün tarımda gübre olarak kullanılabilirliğinin irdelenmesidir. Bu amaç doğrultusunda, seyreltilmiş ve seyreltilmemiş idrar karakterizasyonu, gübre etkin maddelerin klinoptilolit üzerine yüklenerek idrardan ayrılması ve gübre değeri olan besi maddelerinin geri kazanım çalışmaları yapılmıştır. Besi maddelerinin geri kazanımının yanı sıra, idrarın işlenmesinin tarımda uygulama açısından olumsuz etkiye sahip olan patojen mikroorganizmaları temsilen Toplam Koliform, Fekal Koliform, Enterococcus ve E. coli bakterileri ile tuzluluğun giderimine etkisi araştırılmıştır.Deneysel çalışmalar üç aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada, kaynakta ayrılmış idrar numunelerinin depolama süresince karakterizasyonundaki değişimler gözlenmiştir. İkinci aşamada, iyon değişimi yöntemi kullanılarak klinoptilolit üzerinde gübre etkin maddeler olan amonyum ve potasyum tutulmuştur. Deneylerin bu aşamasında amonyum için yüzeyde tutulma % 95'e varan oranlarda gerçekleşmiş, potasyum içinse bu değer %96'ya ulaşmıştır. Bunun yanı sıra, idrarın depolanması süresince belirgin düzeyde azalan ortofosfat konsantrasyonu, deneyler sonucunda %98'e varan oranlarda azalma göstermiştir. Klinoptilolit yüzeyinde besi maddesi tutulma deneylerinde, literatürde belirtilen en uygun başlangıç yükleme oranının 10 mg NH4+/g klinoptilolit olduğu, ancak 15 mg NH4+/g klinoptilolit başlangıç yüklemesine kadar yüzey yüklemesi yapılması halinde, proses veriminin kabul edilebilir düzeyde bulunduğu teyit edilmiştir. Son aşamada ise elde edilen doymuş klinoptilolitten gübre etkin maddelerin geri kazanılabilirliği incelenmiştir. Geri kazanım çalışmalarında amonyum %96'ya, ortofosfat ise %99'a varan oranlarda klinoptilolit yüzeyinden salınmıştır. Ancak bu aşamada, çok önemli bir kısmı idrardan ayrılarak klinoptilolit yüzeyine aktarılan potasyumun, klinoptilolit yüzeyinden geri kazanılamadığı görülmüştür. Elde edilen ürünün bir kısmı ise toprağa uygulanıp, çim bitkisinin gelişimi üzerindeki etkisi ön çalışma olarak incelenmiştir. Bitki deneylerinde, seyreltilerek ve seyreltilmeden depolanmış idrar numunelerinin doğrudan uygulandığı saksılardaki çimlerin kuru madde ağırlıklarının, kontrol saksısındaki çimin kuru madde ağırlığından çok daha düşük miktarda olduğu görülmüştür. İdrardaki besi maddelerinin klinoptilolit yüzeyine aktarılmasıyla elde edilen gübre etkin madde, çim bitkisi üzerinde denenmiş ve kimyasal gübre uygulanmış çime benzer gelişme özellikleri göstermiştir. Bu saksılarda ölçülen kuru madde ağırlıkları idrarın doğrudan uygulandığı saksılardaki ve kontrol saksısındaki bitki kuru madde ağırlığından belirgin düzeyde farklılık göstermiştir.Bu çerçevede insan idrarının gübre etkinliği ve tarımsal amaçlı dolaylı kullanımı sınanmıştır.

Abstract:
The emerging concept of Ecological sanitation (ECOSAN) claims that domestic wastewater is not a waste, but a useful resource which is to be revaluated. Within that context, domestic wastewater fractions are separately collected, stored and processed as necessary as different streams. Basically three fractions are defined: grey water, yellow water and brown water. Grey water is all but toilet wastewater, yellow water consists of source separated urine at its origin and brown water is mainly separately collected human feces at its origin. Since yellow water is the richest fraction in terms of nutrients and contains nearly 80 % of the nitrogen and over 50 % each of phosphorus and potassium in domestic wastewater; the use of urine in agriculture as fertilizer is suggested. Direct use of urine is more common, however some studies focused on indirect use, too. Within that context, ion exchange/adsorption with clinoptilolite is an alternative for removal of plant nutrients from urine and their recovery from exhausted clinoptilolite.Salinity is a significant parameter in terms of agricultural use of urine.In this study, characterization of undiluted and diluted urine; nutrient loading from stored urine onto clinoptilolite by ion exchange/adsorption processes and recovery of plant nutrients from exhausted clinoptilolite by desorption were investigated. Not only the recovery of nutrients, but also the elimination of salinity and pathogens are the limiting factors for agricultural use of urine were evaluated, together with a survey of pH changes.Experimental studies were carried out in three stages. In the first stage, characterization of human urine was investigated during the storage period. In the second stage, optimum loading rate was determined and nutrient loading on clinoptilolite was investigated. It was found that 10 mg NH4+/g clinoptilolite is proper for efficient nutrient recovery. Loading rates above this ratio lead to decreasing system efficiencies. Over 95% of ammonium and 96% of potassium were loaded on clinoptilolite, while 98% of orthophosphate was separated from urine solution. Finally, recovery of plant nutrients from clinoptilolite was observed. Recovery of ammonium was 96% and orthophosphate was 99%, while potassium could not be recovered during desorption experiments. On the other hand, ion exchange and adsorption with clinoptilolite was investigated in terms of its salinity and pathogenic microorganism elimination. Results have shown that desorption of exhausted clinoptilolite with tap water is in the acceptable limits of irrigational water standards. Additionally investigations on the effect of nutrient loaded clinoptilolite on the grass was conducted. Chemical fertilizer and exhausted clinoptilolite has shown the similar effect on growth of grass. Direct application of urine on grass was clearly inferior to suggested indiresct use i.e. clinoptilolite loaded with plant nutrients from urine.