Elementel kükürt bazlı ototrofik ve miksotrofik denitrifikasyon prosesleriyle içme sularından nitrat gideriminin sabit ve akışkan yataklı reaktörlerde irdelenmesi
Evaluation of elemental-sulfur based autotrophic and mixotrophic denitrification processes for nitrate removal from drinking water in fixed-bed and fluidized-bed reactors
Yazar: NESRİN DURSUN
Danışman: DOÇ. DR. ERKAN ŞAHİNKAYA
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Azot içeriği yüksek gübrelerin zirai amaçlarla kullanımı, evsel ve endüstriyel atıksuların yetersiz arıtımı yüzeysel ve yer altı sularında nitrit ve nitrat konsantrasyonlarının artmasına neden olmaktadır. Birleşik Devletler Çevre Koruma Ajansı içme sularında maksimum nitrat ve nitrit konsantrasyonlarını sırasıyla 10 mg/L NO3--N ve 1,0 mg/L NO2--N olarak belirlemiştir. Ülkemizde ise İnsani Tüketim Amaçlı Sular Hakkında Yönetmeliği'ne göre bu değerler sırasıyla 11,3 mg/L NO3--N ve 0,15 mg/L NO2--N olarak belirlemiştir. Birçok ülkede olduğu gibi ülkemizde de yer altı sularında nitrat ve nitrit konsantrasyonları izin verilen maksimum sınırı aşmış durumdadır. Şanlıurfa Harran Ovası'nda bazı kuyularda nitrat konsantrasyonunun 180 mg/L NO3--N değerine kadar yükseldiği ve tüm ovada ortalama nitrat konsantrasyonunun 35 mg/L NO3--N olduğu tespit edilmiştir (Yesilnacar vd., 2008).Bu çalışmada, içme sularından nirat giderimi için elementel-kükürt bazlı ototrofik ve miksotrofik (heterotrof+ototrof) denitrifikasyon prosesleri kesikli ve sürekli akışlı reaktörlerde denenmiştir. Elementel kükürt oldukça etkili bir elektron kaynağı olup aynı zamanda toksik olmaması, suda az çözünmesi, normal koşullarda stabil olması ve kolay bulunabilmesi gibi avantajlara sahiptir. Elementel-kükürt bazlı ototrofik denitrifikasyon prosesinin en önemli dezavantajı asit ve sülfat oluşumudur.Bu çalışmada; ototrofik denitrifikasyonda oluşan asidin nötralizasyonu için kesikli ve sürekli reaktörlerde kireç-taşı ve bikarbonat kullanılmıştır. Yapılan çalışmada kireç taşının ucuz bir alkalinite kaynağı olarak başarılı bir şekilde kullanılabileceği sonucuna ulaşılmıştır. Fakat kireç taşının düşük çözünürlüğü nedeniyle sürekli akışlı kolon tipi reaktörlerde maksimum nitrat indirgeme hızı 0,20 mg NO3--N /(L.gün) olarak tespit edilmiştir. Ayrıca, kireç taşının çözünmesi nedeniyle suda Ca2+ konsantrasyonu ve sertlik artmıştır. Kireç taşı yerine NaHCO3 kullanılması durumunda ise sürekli akışlı sabit yataklı biyofilm reaktörde maksimum denitrifikasyon hızı 0,30 mg NO3--N/(L.gün) olarak tespit edilmiştir. Ototrofik denitrifikasyonda diğer bir problem ise yüksek sülfat konsantrasyonudur. Ototrofik şartlarda işletilen reaktörlerin girişine metanol ilave edilmesiyle miksotrofik koşullar oluşturulmuş ve reaktör çıkış sülfat konsantrasyonları standartlarda verilen 250 mg/L değerinin altına düşürülebilmiştir. Ayrıca heterotrofik denitrifikasyonda üretilen alkalinite ototrofik denitrifikasyonda üretilen asiditeyi nötralize etmek için kullanılmış olup, miksotrofik şartlarda reaktöre alkalinite eklemeden 0,45 mg NO3--N /(L.gün) denitrifikasyon hızına ulaşılabilmiştir.Reaktörde kütle trasferini arttırmak amacıyla akışkan yataklı reaktörlerde de proses denenmiş olup sabit yataklı reaktörlere kıyasla daha iyi performans gözlenmiştir.Sonuç olarak, içme sularından nitrat giderimi için elementel-kükürt bazlı ototrofik ve miksotrofik denitrifikasyon prosesinin başarıyla kullanılabileceği sonucuna varılmış olup, çalışmada gerçek ölçekli sistemlerin tasarlanmasına yönelik veriler elde edilmiştir.

Abstract:
Excessive use of nitrogenous fertilizers in agricultural industry and inappropriate treatment of industrial and domestic wastewaters may lead to increase of nitrate and nitrite concentrations in surface and ground waters. The United States Environmental Protection Agency set maximum contaminant levels of 10 mg/L NO3--N and 1.0 mg NO2--N for drinking water. In our country, these values have been set as 11.3 mg/L NO3--N and 0,15 mg/L NO2--N in the regulation of İnsani Tüketim Amaçlı Sular Hakkında Yönetmelik?. As in many countries, nitrate and nitrite concentrations in groundwater resources have exceeded the allowed limits. According to a study, some wells in the Harran Plain contain nitrate as high as 180 mg/L NO3--N and the average concentration for whole plain is 35 mg/L NO3--N (Yesilnacar et al., 2008).In this study, elemental sulfur-based autotrophic and mixotrophic (heterotrophic + autotrophic) denitrification processes have been evaluated for nitrate removal from drinking water in continuously-fed and batch reactors. Elemental-sulfur, an effective electron source, has advantages of being non-toxic, water insoluble, stable under normal conditions, and readily available. The most important drawbacks of autotrophic denitrification process are acid and sulfate generation.In this study, lime-stone and bicarbonate have been used for the neutralization of generated acidity. Study illustrated that lime-stone can be used as an effective and cheap alkalinity source. However, the maximum denitrification rate in the continuous flow column reactors was only 0.2 mg NO3--N/(L.d) due to limited dissolution of lime-stone. Additionally, Ca+2 ion concentration and hardness of treated water increased in the treated effluent during the lime-stone dissolution. When NaHCO3 was used, instead of lime-stone, as an alkalinity source the maximum denitrification rate was observed as 0.3 mg NO3--N /(L.d) in continuous flow fixed bed biofilm reactor. Mixotrophic conditions have been developed with methanol supplementation to the feed of autotrophic denitrification reactors and the effluent sulfate concentrations could be decreased to below the regulation value of 250 mg/L. Also, alkalinity generated in heterotrophic denitrification process has been used in autotrophic process to neutralize the generated acidity. By this way, a denitrification rate of 0.45 mg NO3--N /(L.d) has been achieved without alkalinity supplementation.In order to increase the mass transfer, fluidized-bed reactors has been evaluated and much higher denitrification rates have been attained compared to fixed bed-reactors.As a conclusion, it was observed that sulfur-based autotrophic and mixotrophic denitrification processes can be used for the removal of nitrate from drinking water and data that can be used in full-scale design has been obtained in the present study.