Aerobik metan oksidasyonu ile denitrifikasyon performansını etkileyen faktörlerin membran biyofilm reaktörde araştırılması
Investigation the factors affecting the aerobic methane oxidation coupled to denitrification performance in a membrane biofilm reactor
Yazar: DİLEK AKMAN
Danışman: DOÇ. DR. KEVSER CIRIK
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomühendislik ve Bilimleri Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Biyodenitrifikasyon = Biyodenitrifikasyon

Özet:
Konvensiyonel biyolojik azot giderimi denitrifikasyon ve nitrifikasyona dayanmaktadır. Azot içeren organik bileşiklerin minerilizasyonu ile açığa çıkan amonyum, ilk önce nitrifikasyon prosesi ile nitrit/nitrata oksitlenmektedir. Denitrifikasyon prosesinde ise nitrat azot gazına indirgenmektedir. 
Denitrifikasyon prosesi atıksudaki organik bileşiklerin elektron verici kaynağı olarak görev yaptığı biyokimyasal süreçlerde gerçekleşmektedir. Fakat organik içeriği düşük atıksuların arıtımında harici elektron verici kaynaklarına gereksinim duyulmaktadır. Bu amaçla genellikle asetat, laktat, metanol gibi farklı organik bileşikler elektron verici kaynağı olarak kullanılmaktadır. Fakat gerçek ölçekli uygulamalarda bu bileşiklerin kullanımı maliyeti arttırmaktadır. Organik içeriği düşük su ve atıksuların biyolojik azot giderim proseslerinde metan gazının harici elektron verici ve karbon kaynağı olarak kullanımı toksik olmaması, ucuz olması gibi bazı avantajlarından dolayı ilgi çekmektedir. Özellikle metan gazının yerinde üretildiği atıksu arıtma tesisleri için bu teknoloji oldukça uygun bir yaklaşımdır. Metan oksidasyonu ile denitrifikasyon prosesi iki farklı mikrobiyal proses ile gerçekleşebilmektedir: (i) mikrobiyal büyüme hızı oldukça düşük olan bakterilerle gerçekleşen ve literatürde yetersiz proses bilgisi içeren anaerobik metan oksidasyonu ile denitrifikasyon prosesi, (ii) gerçek ölçekli tesislerde yüksek uygulanabilme potansiyeline sahip olan aerobik metan oksidasyonu ile denitrifikasyon prosesi (AME-D). AME-D prosesi, metan oksitleyen aerobik metanotroflar ile gerçekleşmektedir. Metan oksitlendiğinde denitrifierlerin elektron vericisi olarak kullanacağı organik bileşikler açığa çıkmaktadır. Bu doktora tezi kapsamında AME-D prosesine odaklanılmıştır.
AME-D proses performansı, reaktör tipi, metan gazının çözünürlüğü, reaktördeki oksijen ve metan seviyeleri, giriş amonyum ve nitrat konsantrasyonları gibi birçok fiziko-kimyasal faktörden etkilenmektedir. Bu faktörlerin neden olduğu önemli işletme problemleri AME-D prosesinin gerçek ölçekli tesislerde uygulanabilmesi için çözümlenmelidir. Oksijen denitrifikasyon prosesini inhibe ederken metan oksidasyonunun gerçekleşebilmesi için prosese eklenmesi gerekmektedir. Bu nedenle, biyoreaktörde metan oksidasyonunun gerçekleşebilmesi için aerobik koşulların, denitrifikasyon prosesinin gerçekleşebilmesi için ise anoksik koşulların sağlanması gerekmektedir. Ayrıca atıksu amonyum içeriyorsa metan ve amonyum oksitleyen bakteriler moleküler oksijen için rekabet edebilir ve bu rekabet nitrat giderim verimini etkileyebilir.
Biyofilm şeklinde büyüme prensibinin AME-D prosesi için daha elverişli koşulları sağladığı varsayılmaktadır. Bu noktada, membran biyofilm reaktör (MBfR) AME-D prosesi için oldukça idealdir. MBfR gazların çözünürlüğünü arttırır ve değişen biyokimyasal çevre koşullarını içeren farklı katmanların oluşmasına olanak sağlar. Böylece farklı biyokimyasal reaksiyonlar tek bir reaktör içerisinde gerçekleşebilir. Aerobik metan oksidasyonundan sorumlu membran biyofilm reaktörde membran yüzeyinin uzağında biyofilm dış tabakasında ve hücre floklarının arasında anoksik koşullar baskın duruma geçerek metanotroflar tarafından ortama salınan organik bileşikler, mikroorganizmalar tarafından kullanılarak denitrifikasyon prosesi gerçekleşebilir. Ayrıca biyofilm tabakası içerisinde mikrooganizmaların birbirine yakın büyümesi organik bileşiklerin metanotroflardan denitrifierlere transferini hızlandırarak reaktör performansını arttırabilir. 
Bu çalışmanın ana amacı AME-D proses performansını etkileyen faktörlerin sürekli akışlı MBfR'de araştırılmasıdır. Öncelikle membran iç yüzeyine verilen metan ve oksijen seviyelerinin ve membran yüzey alanının çözünmüş organik karbon üretimine olan etkisi incelenmiştir ve 0,14 m2'lik yüzey alanı ile 0,6 hacimsel O2:CH4 oranı optimum olarak bulunmuştur. Daha sonra farklı hidrolik bekletme süresi (HRT) ve giriş nitrat konsantrasyonları ile AME-D prosesinin optimizasyonu sağlanmıştır ve 2,5 günlük HRT seviyesi ve 200 mg NO3-/L giriş nitrat konsantrasyonunda %87 denitrifikasyon verimi elde edilmiştir. Çalışmanın son aşamasında ise amonyum içeren işletme koşullarında farklı HRT ve giriş amonyum konsantrasyonlarının AME-D proses performansına etkisi incelenmiştir. 3,5 günlük HRT, 200 mg NO3-/L ve 100 mg NH4/L içeren işletme koşullarında aerobik metan oksidasyonu, amonyum yükseltgenmesi ve denitrifikasyon proseslerinin MBfR'de eşzamanlı gerçekleşebildiğini göstermiştir. Çalışmada ayrıca denitrifikasyon kinetiği araştırılmıştır ve değişen giriş nitrat konsantrasyonlarında denitrifikasyon kinetiği parametreleri hesaplanmıştır. Çalışmadan elde edilen veriler, AME-D prosesinin karbon içeriği düşük atıksular için gerçek ölçekte uygulanabilirliğine ışık tutmuştur.

Abstract:
The conventional biological nitrogen removal is based on nitrifiication and denitrification. Ammonium released from the mineralization of nitrogen-containing organic compounds is oxidized first to nitrite/nitrate in nitrification process. During denitrification, nitrate is reduced to dinitrogen. 
Electron donor and carbon source is required for denitrification and organic compounds present in the wastewater can serve as electron donors. However, if wastewater low in organic matter is being treated, an additional electron donor is required. Different electron donors may be used for denitrification, e.g., acetate, lactate, methanol; however, the use of such compounds makes quite expensive the application in full-scale plants. The methane gas as an external carbon and electron donor source would potentially be an attractive in the biological nitrogen treatment of water and wastewaters containing poor organic content. Wastewater treatment plants where methane is generated onsite would be particularly well-suited for this technology. It has been known that methane oxidation coupled to denitrification process can carry out by two different microbial processes: (i) anaerobic methane oxidation coupled to denitrification process is not yet fully understood and appears to be accomplished by microorganisms with slow microbial growth rate, (ii) aerobic methane oxidation coupled to denitrification (AME-D) process which has a high potential applicability in the full-scale plants. AME-D process is accomplished by aerobic methanotrophs oxidizing methane and releasing soluble organic compounds that are utilized by coexisting denitrifiers. This Ph.D. thesis focuses on the latter of these two processes. 
Several physico-chemical factors can influence the performance of AME-D process, such as; reactor type, dissolubility of methane gas, oxygen and methane levels of reactor, influent ammonium and nitrate concentrations. Some major challenges caused from these factors must be overcome for the AME-D process to be feasible in full-scale applications. Oxygen inhibits denitrification; however, it must be added to the process to allow methane oxidation. Thus, the bioreactor should provide both aerobic spaces for methane oxidation and anoxic spaces for denitrification. Additionally, when wastewater contains ammonium, methane and ammonium oxidizing bacteria may compete for molecular oxygen, hence it may affect the nitrate removal efficiency.
Hypothetically, the biofilm-mode of growth provides conditions that favor a more efficient AME-D process. At this point, membrane biofilm reactor (MBfR) would be ideal for AME-D process. MBfR allows increment the solubility of gases and stratification of zones containing various biochemical environments and thus different biochemical reactions can take place in multi active layers within a single mixed culture biofilm. In aerobic methane oxidizing membrane biofilm reactor, while an aerobic methanotrophic biofilm layer is likely to form near the membrane surface, anoxic conditions are likely to prevail in the out biofilm layer or/and inside cell flocs, and denitrification takes place by microorganisms using organic compounds released by the methanotrophs. Microorganisms grow very close together in a biofilm, which might also enhance the transfer of organics from the methanotrophs to the denitrifiers and therefore increase the efficiency of the reactor.
The main aim of this study was to investigate the factors effecting AME-D process performance by continuous flow MBfR. Firstly, we examined the effect of intramembrane methane-oxygen levels and membrane surface area on production of dissolved organic carbon and O2:CH4 ratio of 0.6 with a surface area of 0.14m2 was found optimum. Further, we optimized the AME-D process under varying hydraulic retention time (HRT) and nitrate loadings. Denitrification efficiency reached to 87% at the HRT of 2.5d and nitrate concentration of 200 mg NO3-/L. Lastly, we investigated the effect of varying HRT and ammonium loadings on AME-D process under ammonium-containing operational conditions. The study findings confirmed applicability of simultaneous aerobic methane oxidation, ammonium oxidation, and denitrification processes in a single MBfR configuration at the HRT of 3.5d, nitrate concentration of 200 mg NO3-/L, and ammonium concentration of 100 mg NH4/L. Additionally in this study, the kinetics of denitrification was investigated and the kinetic constants and yield coefficients were evaluated under various influent nitrate concentrations. Findings obtained from this study shed light on the AME-D process to be feasible for carbon deficient wastewaters in full-scale applications.