Elementel kükürt bazlı denitrifikasyon prosesine nitritin etkisi ve üretilen sülfatın nanofiltrasyon prosesiyle giderilmesi
The impact of nitrite on elemental sulfur-based denitrification process and removal of generated sulfate by nanofiltraton process
Yazar: GÜLFEM AŞIK
Danışman: PROF. DR. ERKAN ŞAHİNKAYA
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Doğada artan insan faaliyetleri nedeniyle yüzey ve yer altı sularındaki kirleticiler ve konsantrasyonları giderek artmaktadır. Günümüzde özellikle yer altı sularında insan sağlığını etkileyecek seviyelerde farklı organik ve inorganik kirleticiler dikkat çekmektedir. Başta az gelişmiş ülkeler olmak üzere dünyanın birçok bölgesinde yer altı sularında gözlemlenen nitrat (N-NO3-) ve nitrit (N-NO2-) konsantrasyonları insan sağlığı açısından ciddi sorunlara sebep olabilmektedir. Dolayısıyla, sürdürülebilir bir şekilde halka sağlıklı içme suyu sağlayabilmek amacıyla azot giderimi için uygun maliyetli, güvenilir, yüksek verimli ve uygulanabilir yenilikçi alternatiflerin geliştirilmesi gerekmektedir.
Bu çalışmada, yukarı akışlı kolon biyoreaktörde (YAKB) elementel kükürt bazlı ototrofik denitrifikasyon prosesi ile içme sularından azot giderimi ve denitrifikasyon prosesi neticesinde üretilen sülfatın nanofiltrasyon (NF) prosesiyle giderilmesi üzerine detaylı bir çalışma yürütülmüştür. Kolon reaktöre ilave olarak kurulan kesikli çalışmalarla nitrat indirgeme hızı ve nitritin nitrat indirgeme hızı üzerindeki etkileri de detaylı olarak incelenmiştir. YAKB'de ototrofik azot giderimi, farklı N-NO3- ve N-NO2- yükleme hızları ve farklı besleme stratejileri (yalnızca N-NO3-, yalnızca N-NO2- veya hem N-NO3- hem de N-NO2- şeklinde) altında incelenmiştir.
Kolon tipi biyoreaktörde yaklaşık 0,3 g N-NO3-/(L.gün) yükleme hızına kadar tam denitrifikasyon gözlenebilmiştir. Kolon biyoreaktör çıkışında denitrifikasyon prosesi nedeniyle üretilen sülfatın konsantrasyonu yaklaşık 800 mg/L'ye kadar çıkmış olup, ölü-sonlu nanofiltrasyon testlerinde %86-96 arasında bir sülfat itme performansı gözlenmiştir. Haliyle, kükürt bazlı ototrofik denitrifikasyon prosesinin en önemli dezavantajı olan sülfat üretimi sorunu, kullanılan nanofiltrasyon prosesiyle çözülmüş olup, gelecekte gerçek ölçekli tesislerin kurulumu için önemli veriler üretilmiştir.
YAKB'de Sulfurimonas ve uncultured_Flavobacteriaceae türlerinin dominant olduğu tespit edilmiştir.
Sonuç olarak, elementel kükürt bazlı denitrifikasyon prosesi kullanılarak yeraltı sularından nitratın ve nitritin etkin bir şekilde indirgenebileceği ve bu proses neticesinde üretilen sülfatın nanofiltrasyon prosesiyle uzaklaştırılabileceği kanıtlanmış olup, bu iki prosesin etkin bir şekilde birlikte kullanılabileceği gösterilmiştir.

Abstract:
Due to increasing human activities in nature, pollutants and their concentrations in surface water and groundwaters are increasing. Today, different organic and inorganic pollutants at levels that may affect human health are drawing attention especially in groundwater. Nitrate (N-NO3-) and nitrite (N-NO2-) concentrations observed in groundwater in many parts of the world, especially in underdeveloped countries, can cause serious problems in terms of human health. Therefore, cost-effective, reliable, highly efficient and viable innovative alternatives for nitrogen removal need to be developed in order to provide healthy drinking water to the public in a sustainable way.
In this study, a detailed study was carried out on the removal of nitrogen from drinking water by elemental sulfur-based autotrophic denitrification process in a column bioreactor (UCB) and the removal of sulfate produced as a result of the denitrification process by nanofiltration (NF) process. In addition to column bioreactor, nitrate reduction rate and the impact of nitrite on nitrate reduction rate were investigated in detail using batch reactors. Autotrophic nitrogen removal in UCB was investigated under varying N-NO3- and N-NO2- loadings and feeding strategies (N-NO3- only, N-NO2- only, or both N-NO3- and N-NO2-).
Complete denitrification was observed in the column type bioreactor up to a loading rate of approximately 0.3 g N-NO3-/(L.day). The concentration of sulfate, produced due to the denitrification process, at the column bioreactor effluent increased up to about 800 mg/L, and a sulfate rejection performance of 86-96% was observed in the dead-end nanofiltration tests. Hence, the problem of sulfate production, which is the most important disadvantage of the sulfur-based autotrophic denitrification process, has been solved by the nanofiltration process used, and important data have been obtained for the real-scale plant applications in the future.
Sulfurimonas and uncultured_Flavobacteriaceae were detected as the dominant bacterial culture in the UCB.
As a result, it has been proven that the elemental sulfur-based denitrification process can effectively remove nitrate and nitrite from groundwater and the sulfate produced as a result of this process can be removed by the nanofiltration process, and it has been shown that these two processes can be used together effectively.