Aerobik ardışık kesikli reaktörde nitrifikasyon inhibisyonunun strüvit kristalizasyonu prosesi ile nutrient geri kazanımına etkisi
Effect of nitrification inhibition in an aerobic sequencing batch reactor on nutrient recovery by struvite crystallization process
Yazar: İREM USLU
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN YAZICI
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada aerobik ortam şartında işletilen laboratuvar ölçekli bir ardışık kesikli reaktörün (AKR) çıkış suyundan nütrient geri kazanımı için uygulanan strüvit kristalizasyonu prosesinin şartlarının optimizasyonu çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Bu kapsamda yeni ve alternatif bir yaklaşım olarak reaktör işletimi boyunca nitrifikasyon inhibisyonu uygulanması ile çıkış suyundaki amonyum (NH4) konsantrasyonunun artırılması ve böylelikle strüvit oluşum potansiyelinin artırılması hedeflenmiştir. Elde edilen sonuçların karşılaştırılması için inhibisyon uygulanmayan ayrı bir reaktör özdeş işletme koşullarında kontrol reaktörü olarak işletilmiştir. 

Ön deneme çalışmaları başlangıç kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) konsantrasyonunun reaktör işletiminin 42. gününe kadar 250 mg/L ve sonrasında 500 mg/L olarak ayarlandığı sentetik atıksuyun beslendiği reaktörde inhibisyon uygulanarak 52 gün boyunca reaktörden çamur çekilmeden ve reaktördeki pH ayarlanmadan yürütülmüştür. Bu deneysel aşamada inhibisyon uygulanmayan bir kontrol reaktörü kullanılmamıştır. Elde edilen sonuçlara göre reaktör işletiminde ilk 42 günlük işletme periyodunun sonunda KOİ giderim verimi %93 ve çamur hacim indeksi (ÇHİ) değeri 35,08 mL/g olarak hesaplanmıştır. Başlangıç KOİ konsantrasyonunun 500 mg/L değerine artırılması ile birlikte reaktörde döngü sonlarında ölçülen pH değerlerinde ani bir düşüş yaşanmıştır. Buna paralel olarak KOİ giderim veriminde ve çamur çökme performansında azalma ve çıkış suyu askıda katı madde (AKM) konsantrasyonunda artış meydana gelmiştir. pH değerinin aniden düşmesi ile birlikte biyokütlede filamentli mikroorganizma gelişimi tespit edilmiştir. Bunun sonucunda arıtma veriminin ve reaktör performansının azalması nedeni ile reaktör işletimi 52. günde sonlandırılmıştır. Daha sonraki deneysel aşamalarda döngü sonlarında reaktörden belirli hacimde çamur çekilerek ve her döngü başında pH değeri 7,0-7,3 aralığında olacak şekilde pH ayarlaması yapılarak işletme yapılmasına karar verilmiştir.

Sonraki deneysel aşamada başlangıç KOİ konsantrasyonunun reaktör işletiminin ilk 33 gününde 500 mg/L ve sonrasında 750 mg/L olduğu deneysel çalışma aşamasında inhibisyon uygulanan bir reaktör ve inhibisyon uygulanmayan kontrol reaktörü kullanılmıştır. Her iki reaktörde de çökme performansı yüksek olan bir aktif çamur elde edilerek yüksek verimde KOİ giderimi sağlanmıştır. Alıştırma aşamasından sonraki 27 günlük işletme süreci sonunda inhibisyon uygulanan reaktörde karışık sıvı askıda katı madde (MLSS) konsantrasyonu 7052 mg/L ve ÇHİ değeri 52 mL/g olarak ölçülürken kontrol reaktöründe MLSS konsantrasyonu 5272 mg/L ve ÇHİ değeri 86 mL/g olarak ölçülmüştür. 42 günlük işletme süresi boyunca inhibisyon uygulanan reaktörün ortalama KOİ giderim verimi %93 ve kontrol reaktörünün verimi %98 olarak kaydedilmiştir. Reaktör işletiminin 38. gününden sonra her iki reaktör çamurunun stabilitesinde başlangıç KOİ konsantrasyonunun artışına bağlı olarak değişim meydana geldiğinden çıkış suyu AKM konsantrasyonlarında bir miktar artış gözlemlenmiştir. Alıştırma aşamasından sonraki tüm işletme sürecinde çıkış suyu AKM konsantrasyonları ortalama olarak inhibisyon uygulanan reaktör için 78,5 mg/L ve kontrol reaktörü için 134,5 mg/L olarak hesaplanmıştır. 

Reaktörlerin çıkış suyundaki NH4, fosfat (PO4), nitrit (NO2) ve nitrat (NO3) konsantrasyonu ölçümlerinden elde edilen sonuçlara göre inhibisyon uygulanmayan kontrol reaktörünün çıkış suyundaki PO4, NH4, NO2 ve NO3 konsantrasyonunun tüm işletme süresi boyunca sırası ile 15,3 mg/L, 1,08 mg/L, 0,17 mg/L ve 16,07 mg/L olarak elde edilirken inhibisyon uygulanan reaktördeki konsantrasyonlar sırası ile 12,5 mg/L, 12,5 mg/L, 0,11 mg/L ve 9,7 mg/L olarak elde edilmiştir. Bu sonuçlar inhibisyon uygulanan reaktörde çıkış suyu NH4 konsantrasyonunun kontrol reaktörüne göre daha yüksek elde edilmesinin nitrifikasyonun inhibe edilmesi nedeniyle kaynaklandığını ortaya koymuştur. İnhibisyon uygulanan reaktördeki en yüksek NH4 ve PO4 konsantrasyonu tüm işletme süresi boyunca sırası ile 13,0 mg/L ve 26,0 mg/L ile 42. günde elde edilmiştir. 

Reaktör işletimi çalışmaları tamamlandıktan sonra inhibisyon uygulanan reaktörün tüm işletme süresi boyunca çıkış suyundaki NH4 ve PO4 konsantrasyonlarının en yüksek değerde elde edildiği döngüdeki değerler baz alınarak hazırlanan sentetik çıkış suyu çözeltilerinde strüvit kristalizasyonu deneyleri ile nütrient geri kazanımının optimizasyonu araştırılmıştır. Bu deneylerde başlangıç molar konsantrasyonun, başlangıç pH değerinin ve karıştırma süresinin strüvit bileşiği oluşumu ile NH4, PO4 ve magnezyum (Mg) giderimi üzerine etkileri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlar strüvit kristalizasyonu prosesinin optimum şartlarının başlangıç molar konsantrasyon için 1,80*10-3 M, başlangıç pH değeri için 9,5 ve karıştırma süresi için 60 dk. olduğunu ortaya koymuştur. Bu şartlar altında Mg, NH4 ve PO4 giderim verimleri sırası ile %23,9, 30,3 ve 44,9 olarak elde edilmiştir.   

Çalışmada elde edilen tüm sonuçlar bir aerobik AKR kullanılarak işletilen aktif çamur sisteminde nitrifikasyonun inhibe edilmesinin, çıkış sularındaki NH4 konsantrasyonu artırılması ile çıkış sularından strüvit kristalizasyonu prosesi ile nütrient geri kazanımındaki verimin artması açısından bir potansiyeli olduğunu ortaya koymuştur. Bununla birlikte nütrient geri kazanımının potansiyelinin daha fazla artması için hem reaktör işletiminde hem de strüvit kristalizasyonu prosesinde değişken parametrelerin etkileri daha kapsamlı incelenerek daha fazla araştırma yapmaya ihtiyaç duyulduğu önerilmektedir.   

Anahtar kelimeler: Atıksu arıtımı, aktif çamur prosesi, nütrient geri kazanımı, nitrifikasyon, strüvit

2020, 107 sayfa

Abstract:
In this study, optimization of experimental conditions for struvite crystallization process that was applied for recovering of nutrients from effluents of a lab-scale sequencing batch reactor (SBR) operating at aerobic mode was carried out. In this context, as a novel and alternative approach, elevating of ammonium (NH4) concentration in the effluent by applying inhibition of nitrification during the reactor operation and thus increasing the potential of struvite formation was aimed. A control reactor, where the inhibition was not applied, was also operated under identical experimental conditions in order to compare experimental findings.  

Preliminary studies were carried out under inhibitory conditions during the entire reactor operation period of 52 days without wasting any reactor sludge and adjusting pH in the reactor, where a synthetic wastewater solution with an initial chemical oxygen demand (COD) concentration of 250 mg/L until the 42nd day of reactor operation and then adjusted to 500 mg/L was fed. No control reactor, where the inhibitory condition was not applied, was used during this experimental stage. According to the results, COD removal efficiency and sludge volume index (SVI) value was calculated as 93% and 35.08 mL/g, respectively, at the end of the day 42nd of the reactor operation. As the initial COD concentration was increased to 500 mg/L, there was a sudden drop in pH values measured at the end of each cycle in the reactor. Concordantly, COD removal efficiency and sludge settling performance decreased and suspended solids concentration (SS) in the effluent increased. With the sudden decrease in the pH value, the development of filamentous microorganisms was observed in the biomass. As a result of this, the reactor operation was terminated on the day 52nd due to the decrease in the treatment efficiency and the reactor performance. For the next experiments, it was decided to carry out the reactor operation by wasting a certain volume of sludge from the reactor at the end of the cycle and by adjusting the pH value in the range of 7.0-7.3 at the beginning of each cycle.

In the next experimental stage, an inhibitory reactor and a non-inhibitory control reactor, where the initial COD concentration was 500 mg/L on the first 33 days of the reactor operation and then 750 mg/L, were used. In both reactors, COD was removed with high efficiency as a result of obtaining an activated sludge having superior settling performance. At the end of the 27 days of operation period after the acclimation phase, mixed liquor suspended solids (MLSS) concentration and SVI value in the inhibitory reactor was measured as 7052 mg/L and 52 mL/g, respectively, whereas MLSS concentration and SVI value in the control reactor was measured as 5272 mg/L and 86 mL/g, respectively. The average COD removal efficiency during the 42 days of operation period was calculated as 93% and 98% in the inhibitory reactor and the control reactor, respectively. After day 38, a slight increase in the effluent SS concentration has occurred in both reactors since a change has occurred in the stability of reactor sludge depending on the increase in the initial COD concentration. During the entire operation period after the acclimation phase, the average effluent SS concentration was calculated as 78.5 and 134.5 mg/L for the inhibitory reactor and for the control reactor, respectively.

Depending on the results of NH4, phosphate (PO4), nitrite (NO2) and nitrate (NO3) measurements in the effluent of both reactors, it was found out that concentration of PO4, NH4, NO2, and NO3 in the effluent of the control reactor was measured as 15.3, 1.08, 0.17 and 16.07 mg/L, respectively, during the whole operation period, whereas the concentrations were measured as 12.5, 12.5, 0.11 and 9.7 mg/L, respectively. These results revealed that obtaining higher effluent NH4 concentrations in the inhibitory reactor than that of the control reactor was mainly originated from the inhibiton of nitrification. The highest NH4 and PO4 concentration in the effluent of the inhibitory reactor was obtained as 13.0 and 26.0 mg/L, respectively, on the day 42nd of the entire reactor operation. 

After the reactor operation studies were completed, optimization of recovery of nutrients from synthetic effluent solutions that were prepared based on the concentration values in the cycle, where NH4 and PO4 concentrations in the effluent were obtained at the highest value during the whole operation period of the inhibitory reactor, by struvite crystallization process were examined. In the experiments, the effect of the initial molar concentrations, initial pH and mixing time on the removal of NH4, PO4 ve magnesium (Mg) by the formation of struvite compounds was investigated. The results showed that optimum conditions of the struvite crystallization process were 1.80*10-3 M, 9.5, and 60 minutes for the initial molar concentration, the initial pH, and the mixing time, respectively. Under these optimum conditions, removal efficiency for Mg, NH4, and PO4 was obtained as 23.9, 30.3 and 44.9%, respectively.

The overall results of the study implied that performing nitrification inhibition in an activated sludge system carried out by using an aerobic SBR can supply potential for nutrient recovery from effluents by struvite crystallization process to increase yields with increasing NH4 concentrations in the effluent. However, it is suggested that more comprehensive researches are needed for the effects of variable parameters in both reactor operation and struvite crystallization process in order to increase the potential of nutrient recovery.

Keywords: Wastewater treatment, activated sludge process, nutrient recovery, nitrification, struvite

2020, 107 pages