Çamur çürütücü çıkış suyunda pilot ölçekli kısmi nitrifikasyon prosesinin modellenmesi
Dynamic modelling of a pilot scale partial nitrification system treating sludge digester effluent
Yazar: ESRA HALLAÇ
Danışman: PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL ; DOÇ. DR. DİĞDEM GÜVEN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Azot, doğada bulunan tüm canlıların yaşamları için gereken bir besin maddesidir. Azot, azot çevrimi adı verilen döngü ile doğada devamlı olarak form değiştirmekte ve farklı ekosistemlerde transfer olmaktadır. 
Ekolojik zincir ile doğada taşınım ve dönüşüm içinde bulunan azot; insan nüfusunun ve faaliyetlerinin artması ile dengeli döngüsünün dışına çıkar. Bu durum için, doğanın kendini temizleme ve yenileme kapasitesinin üzerinde bir yüke maruz kalması denebilir. Kendini temizleme kapasitesi üzerinde kirliliğe maruz kalan doğayı korumak için çeşitli arıtma yöntemlerinin geliştirilmesi ve uygulanması kaçınılmazdır.
Azot, çoğunlukla biyolojik yöntemlerle arıtmaya tabi tutulur. Fiziksel ve kimyasal proseslerle giderimi mümkün olmakla birlikte, tasarım ve işletme kolaylığı ile düşük maliyet gerekliliği sebebiyle yaygın olarak biyolojik arıtma tercih edilmektedir. Azotun biyolojik arıtımında konvansiyonel yöntem, doğada da yer alan nitrifikasyon-denitrifikasyon prosesidir. 
Atıksuların, nitrifikasyon ve denitrifikasyon prosesini içeren klasik aktif çamur sistemi ile arıtıldığı arıtma tesisleri ülkemizde ve dünyada oldukça yaygındır. Bu sistemde atık su bünyesindeki kirleticiler, aktif çamur olarak nitelendirilen mikroorganizmalar tarafından besin ve enerji kaynağı olarak kullanılmak suretiyle atık sudan uzaklaştırılırlar. Mikroorganizmalarla atık suyun kontak halinde olduğu proses tanklarını (havalı / havasız), arıtılmış olan suyun mikroorganizmalardan ayrıldığı çöktürme havuzları takip eder. Klasik aktif çamur sisteminin yatırım maliyeti düşük, işletimi nispeten kolay ve çıkış suyu iyi kalitededir. Ancak günümüzde arıtılmış suyun alıcı ortama deşarj kriterlerinde daha sıkı limitler gelmektedir. Diğer yandan enerji verimliliği daha yüksek sistemlerle ilgili arayış ve bu sistemlere rağbet artmaktadır. Hem prosesteki havalandırma ihtiyacı, hem de sistemde oluşan fazla aktif çamurun bertarafı klasik aktif çamur sisteminin önemli bir dezavantajıdır.
Aktif çamur sisteminin sahip olduğu avantajlardan faydalanmak ve dezavantajlarını azaltmak için yenilikçi prosesler geliştirilmektedir. Yenilikçi proseslerden biri olan Anammox'la azot gideriminde klasik aktif çamur sistemine göre daha az çamur oluşur. Reaksiyon oksijensiz ortamda gerçekleştiğinden havalandırma ihtiyacı yoktur. Ayrıca elektron alıcının da vericinin de azotlu bileşen olduğu proseste karbon ihtiyacı olmadığı gibi, karbon kaynaklı sera gazı da oluşmamaktadır. 
Anammox prosesi öncesinde uygulanan kısmi nitrifikasyon prosesi, amonyumun sırası ile nitrit ve nitrata yükseltgendiği nitrifikasyon prosesini nitrit oluşumu aşamasında durdurma esasına dayanmaktadır. Kısmi olarak gerçekleştirilen bu nitrifikasyon işleminin çıktıları amonyum ve nitrittir. Amonyum ve nitrit arasında elekton alışverişinin gerçekleştiği Anammox prosesinin çıktısı ise azot gazıdır. Kısmi nitrifikasyon, tam nitrifikasyona göre daha az oksijen, dolayısıyla daha az havalandırma maliyeti gerektirir, arıtma çamuru üretimi düşüktür. Özellikle azot yükünün fazla olduğu sistemlerde fizibildir. 
Bu çalışma, İstanbul'da bulunan bir evsel atıksu arıtma tesisinin yan akım suyunda azot giderimini Anammox prosesi ile gerçekleştiren bir pilot tesisin kısmi nitrifikasyon prosesini konu edinmektedir. Kısmi nitrifikasyonun gerçekleştiği reaktör, anaerobik çürütücülerin ortalama 800-1000 mg/L amonyum azotu konsantrasyonuna sahip çıkış suyu ile beslenmektedir. Sistemde giriş suyundaki amonyumunun yarısının nitrite dönüştürülmesi ve kısmi nitrifikasyon çıkış suyunun Anammox reaktörüne beslenmesi hedeflenmiştir. Reaktörün 651 günlük işletilme süreci, bu süreçte işletme parametrelerinde yapılan değişiklikler, elde edilen sonuçlar bu çalışmada yer almaktadır.  Bazı işletme parametreleri kontrollü olarak değişmiş, bazıları ise sistemsel aksaklıkların sonucu olarak değişmiştir. Her iki durumun da sonuçlara etkisi, amonyum giderimi ve nitrit ile nitrat azotlarının oluşumu üzerinden ortaya konmuştur. Dönemsel olarak farklılıklar göstermekle birlikte, kısmi nitrifikasyon reaktöründe ortalama olarak giriş amonyumunun % 60'ı nitrite dönüşmüştür. 
Çalışmada yaşanan işletme problemlerine de yer verilmiştir. İşletme tecrübeleri, online ölçüm enstrumanlarının kritik öneme sahip olduğunu göstermiştir. Özellikle online amonyum ölçümü ve buna bağlı olarak reaktöre amonyum dozajının sağlanması kısmi nitrifikasyon prosesinin temel gerekliliklerini sağlamak açısından önemlidir.
Çalışma kapsamında ayrıca, işletme ve laboratuvar analiz verileri ile yapılan dinamik modelleme yer almaktadır. Modelleme, SUMO 2019 (Nyons, Fransa) programı kullanarak yapılmıştır. Modelleme sonuçlarında özellikle amonyum oksidasyonunda tesis verileriyle uyumlu sonuçlar elde edilmiştir. Modelleme çalışmasının çıktısı prosesin kinetik parametreleri olmuştur. Kinetik parametreler, sistemin tasarımı ve işletme performansının tespiti açısından önemlidir. Bu çalışmada yer alan kısmi nitrifikasyon prosesinin ana aktörü olan amonyum oksitleyici bakterin çoğalma  hızı (μAOB) 1,0 gün-1, sistemde yer alan ve baskılanan nitrit oksitleyicilerin çoğalma hızı (μNOB) 0,5 gün-1 olarak bulunmuştur. Elde edilen değerler literatürle uyum içerisindedir.

Abstract:
Nitrogen is a nutrient required for the life of all living being in nature. Nitrogen is constantly changing form in nature and is transferred in different ecosystems with the cycle called nitrogen cycle.
Nitrogen, which is in transport and transformation in nature with the ecological chain goes out of its balanced cycle because of the increase in human population and activities. For this situation, it can be said that nature is exposed to a load above its capacity to clean and renew itself. It is unavoidable to develop and apply various treatment methods in order to protect nature, which is exposed to pollution beyond its self-cleaning capacity.
Nitrogen is mostly treated by biological methods. Although it can be removed by physical and chemical processes, biological treatment is widely preferred due to its design and operation convenience and low cost requirement. The conventional method in the biological treatment of nitrogen is the nitrification-denitrification process, which also takes place in nature.
Wastewater treatment plants with the classical activated sludge system, which includes the nitrification and denitrification process, are quite common in our country and in the world. In this system, the pollutants in the wastewater are removed from the wastewater by being used as a nutrient and energy source by the microorganisms, which are described as activated sludge. Process tanks (with aeration / without aeration), where the waste water is in contact with microorganisms, are followed by settling tanks, where the treated water is separated from microorganisms. The investment cost of the conventional activated sludge system is low, the operation is relatively easy and the effluent is in good quality. However, today, there are stricter limits in the discharge criteria of treated water to the receiving environment. On the other hand, the search for systems with higher energy efficiency and the demand for these systems are increasing. Both the need for aeration in the process and the disposal of excess activated sludge formed in the system are important disadvantages of the conventional activated sludge system.
Innovative processes are being developed to take advantage of the advantages of the activated sludge system and reduce its disadvantages. Less sludge is formed in nitrogen removal with Anammox, which is one of the innovative processes, compared to the classical activated sludge system. Since the reaction takes place in an oxygen-free environment, there is no need for aeration. In addition, in the process where both the electron acceptor and the donor are nitrogenous components, there is no need for carbon and no carbon-based greenhouse gas is formed.
The partial nitrification process applied before the Anammox process is based on the principle of stopping the nitrification at the nitrite formation stage, in which ammonium is oxidized to nitrite and nitrate, respectively. The outputs of this partial nitrification process are ammonium and nitrite. The output of the Anammox process, where electron exchange takes place between ammonium and nitrite, is nitrogen gas. Partial nitrification requires less oxygen, therefore less aeration costs and less sludge production than full nitrification. It is especially feasible in systems with high nitrogen load.
This study is about a pilot plant that performs nitrogen removal in the side stream of a municipal wastewater treatment plant in Istanbul with a partial nitrification process. The reactor, where partial nitrification takes place, is fed with effluent of anaerobic digesters with an average of 800-1000 mg/L ammonium nitrogen concentration. In the system, it is aimed to convert half of the ammonium in the inlet water to nitrite and to feed the partial nitrification effluent to the Anammox reactor. The 651-day operating time of the reactor, changes in operating parameters and the results obtained are included in this study. Some operating parameters have changed in a controlled manner, while some have changed as a result of mechanical problems. The effects of both conditions on the results were demonstrated through ammonium removal and the formation of nitrite and nitrate nitrogens. Although it varies periodically, on average, 60% of the inlet ammonium was converted to nitrite in the partial nitrification reactor.
The operational problems experienced in the study are also included. Operational experience has shown that online measuring instruments are critical. In particular, online ammonium measurement and accordingly ammonium dosage to the reactor are important in terms of meeting the basic requirements of the partial nitrification process.
The scope of the study also includes dynamic modeling with operational and laboratory analysis data. Modeling was done with the SUMO 2019 (Nyons, France) program. In the modeling results, especially in ammonium oxidation, results compatible with the plant data were obtained. The output of the modeling work was the kinetic parameters of the process. Kinetic parameters are important for the design of the system and the determination of operating performance. The growth rate of ammonium oxidizing bacteria (μAOB), which is the main actor of the partial nitrification process was 1.0 day-1, the growth rate of nitrite oxidizing bacteria (μNOB) which is suppressed in the system was 0.5 day-1. The obtained values are compatible with the literature.