Klinoptilolit ile evsel atık sulardan gübre etkin maddelerin giderim ve geri kazanım olanağının incelenmesi
An investigation on removal and recovery of plant nutrients from domestic wastewater through ion exchange with clinoptilolite
Yazar: BÜŞRA SARI
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: Atık su = Waste water ; Bitki besin maddeleri = Plant nutrients ; Desorpsiyon = Desorption ; Klinoptilolit = Clinoptilolite ; İyon değişimi = Ion exchange

Özet:
Atıksularda nütrient kontrolü günden güne önem kazanmaktadır. Öte yandan azot ve fosfor, canlı yaşamı için gerekli bir besin kaynağı olmakla birlikte, su ortamında fazla miktarda bulunması ötrofikasyon başta olmak üzere önemli sorunlara yol açabilmektedir. Azot ve fosfor, atıksulardan genel olarak biyolojik prosesler ile giderilmektedir. Bu konuda alternatif yöntemlerden biri de hem giderim hem geri kazanım açısından potansiyel arz eden adsorpsiyon/iyon değişimi yöntemidir.Evsel atıksularda kirletici olarak bulunan azot ve fosfor, aynı zamanda potasyum ile birlikte bitkiler için gerekli bir besin kaynağıdır. Bu çalışmada amaç, evsel atıksulardan bitkilerin besi maddesi olarak kullanabileciği azot, fosfor ve potasyumu doğal bir zeolit türü olan klinoptilolit ile adsoprsiyon/iyon değişimi yöntemiyle ayırma veriminin belirlenmesi ve özellikle bu gübre etkin maddelerin geri kazanım olanağının değerlendirilmesidir.Çalışma kapsamında, Türkiye'de önemli bir rezerv oluşturan Bigadiç ve Gördes klinoptiloliti kullanılmıştır. Çalışmanın amacı doğrultusunda ilk olarak kesikli izoterm deneyleri ile iyi bir katyon değiştirici olan klinoptilolitin amonyum ve potasyumu tutma kapasitesi belirlenmiştir. Bu kapsamda maksimum tutma kapasitesini belirlemek amacıyla öncelikle sentetik olarak hazırlanmış çözeltiler kullanılmış daha sonra klinoptilolitin evsel atıksudaki amonyum ve potasyumu tutma kapasitesi belirlenerek izoterm model sınamaları yapılmıştır. Evsel atıksuda Bigadiç ve Gördes klinoptilolitlerinin amonyum tutma kapasiteleri 25 mg NH4+/L denge konsantrasyonu için uygun model olan Langmuir izoterm modelleri ile hesaplandığında sırasıyla; 5.62 ve 10.2 mg NH4+/g klinoptilolit olarak bulunmuştur. Benzer şekilde evsel atıksuda 12 mg K+/L denge konsantrasyonu için uygun model olan Langmuir izoterm modelleri ile hesaplandığında klinoptilolitin potasyum tutma kapasitesi sırasıyla; 3.98 ve 10.5 mg K+/g klinoptilolittir. Sonuç olarak, Gördes klinoptilolitinin iyon değişim kapasitesinin Bigadiç'e göre daha yüksek olduğu görülmüştür.Daha sonra sürekli sistem deneylerine geçilmiştir. Bu deneylerde evsel atıksu kullanılarak gübre etkin maddelerin kapasitesi daha yüksek olan Gördes klinoptiloliti üzerine aktarımı sağlanmış ve sistemin arıtma/ayırım açısından davranışı izlenmiştir. Sürekli sistem deneylerinde otomatik numune alıcı ile kolon çıkışından sürekli numune alınmış ve zamana göre sıvı faz konsantrasyonları belirlenerek amonyum için kırılma noktası (breakthrough) eğrileri çizilmiştir. Aynı zamanda klinoptilolit kolonu çıkışında düzenli olarak pH, elektriksel iletkenlik, potasyum ve ortofosfat konsantrasyon değişimleri izlenmiştir.İkinci aşamada ise, evsel atıksudan klinoptilolite yüklenmiş gübre etkin maddelerin, uygulamadaki sulama ya da yağışı benzetmek amacıyla, şebeke suyu kullanılarak, desorpsiyon yöntemiyle klinoptilolit üzerinden salınarak geri kazanılma potansiyeli değerlendirilmiştir. Arıtmadan çıkan doymuş (exhausted) klinoptilolitten, desorpsiyon yöntemiyle, amonyum geri kazanımının % 86-94 arasında olduğu bulunmuştur. Ayrıca idrardaki amonyumun klinoptilolit kullanılarak geri kazanımı çalışmalarıyla kıyaslandığında, her iki durumda da aynı miktarlarda amonyum geri kazanımı elde edildiği ortaya konmuştur. Yüksek oranda potasyum tutulmasına karşın, tutulan potasyumun geri kazanımının % 10'un altında olduğu saptanmıştır. Yapılan sınırlı deneylerde ise, fosfor için % 20'lere varan tutulma tespit edilirken önemli bir geri kazanım olmadığı belirlenmiştir.Sonuç olarak bu yöntem, arıtma sonrası doymuş klinoptilolitin kimyasal rejenerasyonla tekrar kullanımına alternatif olarak tarımsal amaçlı kullanımı konusunda olumlu ipuçları vermiştir.

Abstract:
The control of nutrients from wastewater is one of the main concerns in environmental engineering. Nitrogen and phosphorus are vital for life forms however, their presence in excess in water bodies leads to various problems headed by eutrophication. The most common practice for the removal of nitrogen and phosphorus from wastewater is through biological methods. An alternative route for removal of nutrients is adsorption/ion exchange process.Nitrogen and phosphorus, as the constituents of domestic wastewater, are also plant nutrients together with potassium. The aim of this work is to investigate the nitrogen, phosphorus and potassium removal and recovery from domestic wastewater by using clinoptilolite in the process of adsorption/ion exchange.In this work, Bigadic and Gordes clinoptilolite, which happens to exist in large reserves in Turkey, was used. For this purpose, the first stage was the determination of capacity of the clinoptilolite for cation plant nutrients of ammonium and potassium. First of all, in the batch experiments synthetic solutions was used to determine the maximum ammonium and potassium removal capacities and also domestic wastewater was used for the same purpose and isoterm modelling tests were made. Ammonium removal capacities of Bigadic and Gordes clinoptilolite were calculated from the most suitable model of Langmuir isotherm models for 25 NH4+/L equilibrium concentration as 5.62 and 10.2 mg NH4+/g clinoptilolite for domestic wastewater, respectively. Similarly, potassium removal capacities were calculated from the most suitable model of Langmuir isotherm models for 12 K+/L equilibrium concentration as 3.98 and 10.5 mg K+/g clinoptilolite for domestic wastewater, respectively. As a result, ion exchange capacity of Gordes clinoptilolite both ammonium and potassium are higher than Bigadic clinoptilolite.Subsequently, continious system experiments were run with domestic wastewater and Gordes clinoptilolite was used. The behaviour of clinoptilolite in wastewater treatment was monitored in fixed bed columns and continuous system experiments in the form of breakthrough analyses were also made. Simultaneously; pH, electrical conductivity, orthophosphate and potassium concentrations in time was measured routinely in column experiments.In the last stage, the recovery of the plant nutrients from exhausted clinoptilolite was investigated through desorption. The recovery of ammonium from exhausted clinoptilolite from domestic wastewater was determined as % 86 and 94. Compare to the recovery of ammonium from urine and domestic wastewater by clinoptilolite, same recovery values were observed in both cases. Even though the high removal efficiencies, the recovery of potassium from exhausted clinoptilolite was below %10. In the limited work, the highest phosphorus removal attained was about %20, which was not recovered.Consequently, it is obtained positive results regarding use of exhausted clinoptilolite beneficially in agriculture instead of reuse with chemical regeneration