Yüksek sülfat ve azot içeren atıksuların anaerobik perdeli reaktörde arıtımı
Treatment of high sulfate and nitrogen containing wastewater i̇n anaerobic baffled reactor
Yazar: AHMET DUYAR
Danışman: DOÇ. DR. KEVSER CIRIK
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Sülfat ve azot içeren atıksular insan sağlığı ve ekolojik sistemdeki güvenliği tehdit eden endüstriyel proseslerin (kağıt üretimi, ilaç, maya, bitkisel yağ ve petrokimya endüstrileri) pek çoğunda üretilmektedir. Sülfat içeren atıksuların konvansiyonel biyolojik giderim prosesi sülfat indirgeyen bakterilerle sülfatın indirgenerek sülfüre ve sülfür oksitleyen bakteriler tarafndan sülfürün kükürde ileri oksidasyonu ile 2 şekilde gerçekleşmektedir. Biyolojik azot giderimi ise nitrfikasyon ve denitrfikasyon prosesi ile sağlanmaktadır. Nitrifikasyon prosesi atıksudaki amonyum iyonlarının bakteriler tarafından nitrat iyonlarına dönüştürülmesidir. Denitrifikasyon prosesi nitrat azotunun N2, N2O ve NO azot formlarına indirgenmesidir. Bu proses elektron alıcı olarak nitratı kullanan çeşitli fakültatif hetetrofik mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirilmektedir. Yüksek azot konsantrasyonu içeren atıksulardan azot giderimini gerçekleştirmek için yüksek miktarda ilave karbon kaynağına ihtiyaç duymaktadır. Ancak atıksularda mevcut organik karbon konsantrasyonu sınırlı olduğu için prosesin maliyeti yüksektir. Ototrofik denitrfikasyon bakterileri enerji kaynağı olarak hidrojen demir veya sülfür bileşenleri ve karbon kaynağı olarak karbondioksit ve bikarbonat kullanmaktadır. Hetetrofik denitrifikasyon prosesinin aksine ototrofik denitrifikasyon prosesinin başlıca avantajı organik karbon ilavesine ihtiyaç duymaması ve tam ölçekli reaktörler için oldukça ucuz maliyetli olmasıdır. 
Anaerobik sülfat ve azot giderim performansını organik karbon türü/konsantrasyonu, sülfat amonyum ve nitrat girişnkonsantrasyonu, sıcaklık ve reaktör tipi gibi çeşitli fiziko- kimyasal faktörler etkileyebilmektedir. Bu faktörlerin neden olduğu önemli işletme problemleri sülfat ve nitrat proseslerinin gerçek ölçekli tesislerde uygulanabilmesi için çözümlenmesi gerekmektedir. Birkaç araştırmacı farklı çalışma koşulları altında sülfat içeren atıksuların arıtımı için anaerobik perdeli reaktör (APR)'nin performansını incelemişlerdir. APR hidrolik bekletme süresinden (HRT) bağımsız olarak uzun katı bekletme sürelerinde biyokütleyi reaktörde tutabilmektedir, bu durum sülfat indirgeyen mikroorganizmalar için avantajdır. Buna ek olarak en önemli avantajlarından biri kontrol problemi ve yüksek maliyet olmaksızın birbirini takip eden çok aşamalı sistemlerin tek bir reaktör sisteminde gerçekleşmesine reaktör boyunca olanak tanımaktadır. Bu reaktör dizaynı hareketli parçalar ve mekanik karıştırıcıya ihtiyaç duymamasının yanı sıra yatırım maliyeti bakımından ucuz olan basit bir tasarım içermektedir.
Bu çalışmanın amacı yaklaşık 319 gün boyunca 4 bölmeli APR'de sülfat, organik karbon ve nitrat giderim performansının araştırılmasıdır. APR sıcaklık kontrollu bir odada 300C'de çalıştırılmıştır ve hidrolik bekletme süresi (HRT) 1 gün tutulmuştur. APR'nin kullanılabilirliği farklı giriş amonyum konsantrasyonları, üçüncü bölmedeki farklı giriş nitrat yükeleme oranları ve nitrat/sülfür oranları değerlendirilmiştir. Amonyak bakteriyel büyüme için gerekli olmasına rağmen anaerobik arıtım sırasında yüksek konsantrasyonlara ulaşırsa mikroorganizmaları inhibe edebilir. 1500 mg/L yüksek amonyum azotu konsantrasyonu pH ve sıcaklığa bağlı amonyum iyonundansa çözeltideki serbest amonyak (FA)'ın inhibisyon/toksitesinden reaktör etkilenmektedir. Reaktörün üçüncü bölmesinde ototrofik denitrfikasyon prosesi gerçekleştirebilmek için hem sülfür oksitleyen hem de nitrat indirgeyen bakterilerin zenginleşmesi için nitrat eklenmiştir.
Sabit sülfür konsantrasyonunda (0,25-0,375 nitrit/sülfür) nitrat/sülfür oranını artırarak giderilen nitrat miktarının da arttığı gözlenmiştir. Ancak sülfür oksidasyonundan meydana gelen yüksek sülfat dönüşümü gözlemlenmiştir. Nitrat yükleme oranı (NLR) arttırıldığında denitrifikasyon verimi artmıştır ve NLR 0,67 g NO3/Lgün'de nitrat giderim verimi % 98,5'e ulaşmıştır.

Abstract:
Sulfate and nitrogen containing wastewaters generated from lot of industrial processes (pulp production, pharmacy, yeast, vegetable oil and petrochemical industry) threaten human health and eco-systematic safety. Conventional biological approach to effective remove of sulfate containing wastewaters consisted of two processes, sulfate reduction to sulfide by sulfate-reducing bacteria and sulfide further oxidation to sulfur (S0) by sulfide oxidation bacteria. Biological nitrogen removal from wastewater is also providing with by nitrification and denitrification processes. Nitrification is process of converting to nitrate ions from existing ammonium ions by bacteria in a wastewater. Denitrification is biological conversion of nitrate nitrogen to more reduced form of nitrogen such as N2, N2O and NO. Process making by various facultative heterotrophic microorganisms which using nitrate as electron acceptor. Requiring a large amount of additional carbon sources for fully nitrogen removal from wastewater that inclusive high nitrogen concentration. However, present as a naturally of organic carbon is limited in a wastewater and cost is exceeding as a consequence. Autotrophic denitrification bacteria use hydrogen, ferrous or sulfide compounds as a energy source, and CO2 or bicarbonate as a carbon source. Primary advantage of autotrophic denitrification as against heterotrophic is no requirement additional organic compounds and it makes the application in full scale reactors quite cheap.
Several physico-chemical factors can influence the performance of anaerobic sulfate and nitrogen removal process, such as;  organic carbon type/concentration, influent sulfate, ammonium and nitrate concentrations, temprature, reactor type. Some major challenges caused from these factors must be overcome for the sulfate and nitrogen removal process to be feasible in full scale applications. Few studies have examined the performance of anaerobic baffle reactors (APRs) for the treatment sulfate containing wastewater under different operational conditions. APRs are able to keep the biomass in the reactor for a long solids retention time independent of hydraulic retention time, which is in favor of sulfate reducing microorganism. Additionally, one of the most significant advantages is its ability to separate processes longitudinally, allowing the reactor to behave as multiple-stage system without associated control problems and high costs. The reactor design is simple with no moving parts or mechanical mixing, making it relatively inexpensive to construct.
This study aims at investigating sulfate, organic carbon and nitrate reduction performance of a four-compartment APR for around 319 days. APR was operated at 300C in a temperature controlled room and hydraulic retention time (HRT) was kept constant at 1 days. The robustness of APR was assessed under varying influent ammonium concentration with influent nitrate loadings and nitrate/sulfide ratios in the third compartment. Even though ammonia is an essential nutrient for bacterial growth, it may inhibit microorganisms during anaerobic digestion process if it is available at high concentrations. Ammonia is produced through biological degradation of nitrogenous matter. Ammonium ion and free ammonia can directly and indirectly cause inhibition in an anaerobic digestion system. High ammonium-nitrogen concentrations of up to 1500 mg/L caused reactor failure due to the inhibition/toxicity of free ammonia (FA) in solution rather than the ammonium ions dependent on pH and temperature. Nitrate was supplied to the third compartment to enrich both sulfide-oxidizing and nitrate-reducing bacteria, corresponding to autotrophic denitrification process. 
The increasing nitrate/sulfide ratios at the constant sulfide concentration (0.25-0.375 nitrate/sulfide) was increased the removed nitrate amount, however, high sulfate conversion arising from sulfur oxidation was observed. Increasing nitrate loading rate (NLR) also was increased the denitrification efficiency and nitrate removal reached 98.5 % at NLR of 0.67 g NO3/ L day.