İdrardan dolaylı yolla gübre elde edilmesi üzerine karşılaştırmalı bir araştırma
A comparative investigation on producing fertilizers from human urine through indirect routes
Yazar: GÖKHAN DOĞAN
Danışman: PROF. DR. BİLSEN BELER BAYKAL
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Dünyada bulunan tüm doğal kaynakların sınırlı olduğu gerçeği son zamanlarda karşılaşılan en önemli sorunlardan biridir. Bu sorun nedeni ile sürdürülebilir yaşam için gerekli olan geri kazanım her geçen gün önem kazanmaktadır. Sınırlı kaynakların teknolojiden faydalanılarak yeniden kullanılabilmesi, sürdürülebilirlik açısından önem taşımaktadır.
Konu Çevre Mühendisliği açısından değerlendirildiğinde kirletici olarak sularda bulunan, ancak başka alanlarda girdi olarak kullanılan maddelerin geri kazanılması hem çevre kirlenmesinin kontrolünde olumlu etki sağlayacak hem de maddenin geri dönüşümü ile alternative bir kaynak elde edilecektir.Özellikle evsel atıksularda bulunan nutrientlerin (azot ve fosfor) alıcı ortamlara verildiğinde ötröfikasyon başta olmak üzere çeşitli sorunlara sebep olduğu bilinmektedir. Nütrientlerin geri kazanımı ile bir yandan kirlilik kontrolü sağlanırken diğer yandan atığın değerlendirilmesi ile kaynak yaratılmaktadır.
Evsel atıksuyun hacim olarak yaklaşık 1%'lik bir kısmını oluşturan insan idrarında, evsel atıksudaki azotun %80'I, fosforun %50'sinden fazlası bulunmaktadır. Bu amaçla son yıllarda kaynağında ayrılmış idrardan azot ve fosfor geri kazanımı ile çalışmalar hız kazanmıştır. Bu çalışmalara genel olarak bakıldığında struvit çöktürme sürecinin ön plana çıktığı görülmektedir. Bu sürece alternatif olarak; iyon değişimi/adsorpsiyon, sıyırma/absorpsiyon süreçleri bulunmaktadır.
Yapılan çalışmada azot ve fosfor geri kazanımı ve kazanılan gübre etkin maddelerin kullanılabilirliği üzerine bir ön çalışma hedeflenmiş olup bu hedef doğrultusunda yukarıda belirtilen üç süreç gerek tek kademe halinde gerek kombine olarak iki kademe şeklinde kullanılarak birbiri ile karşılaştırılması amaçlanmıştır. 
Deneysel çalışma üç aşama halinde gerçekleştirilmiştir. Öncelikle kullanılacak olan idrar, üniversite binasında bulunan erkekler tuvaletinin pisuvarları vasıtası ile toplanmış, gerçeğe daha yakın olabilmesi için gönüllü kadınlardan alınan numuneler ile karıştırılmış ve depolanmıştır. Toplama ve depolama süresince idrar karakterizasyonu yapılmıştır. 
İkinci aşamada aşamada belirtilen süreçler tek kademe ve kombine iki kademe halinde uygulanarak, idrar içeriğindeki azot ve fosfor elde edilen katı fazlara taşınarak geri kazanılmıştır. Tek kademeli uygulama sonucunda struvit çöktürme ile %10'lara varan azot ve %99 oranında fosfor, iyon değişimi/adsorpsiyon ile %88 azot ve %99 fosfor, sıyırma/absorpsiyon süreci ile %99 azot geri kazanımı sağlanmıştır. 
Tek kademeli uygulama ile üretilen katı fazların kütleleri incelendiğinde, struvit çöktürme sonucu litre idrar başına 2.1 gr struvit; iyon değişimi ile yaklaşık 500 gr. azot ve fosfor yüklenmiş klinoptilolit; sıyırma/absorpsiyon süreci ile yaklaşık 21 gr. amonyum sulfat elde edilmiştir. 
Süreçlerin tek kademe halinde uygulanması sonucu sıvı fazda, struvit çöktürmenin ardından yaklaşık 5500mg/L azot, 3mg/L fosfor; iyon değişimi/adsorpsiyon süreci sonunda 800mg/L azot, yaklaşık 15 mg/L fosfor; sıyırma/absorpsiyon uygulaması sonunda ise 60 mg/L azot ve 260 mg/L fosfor ölçülmüştür.
Tek kademe uygulamalar sonucu elde edilen sıvı fazların farklı süreçlere tabi tutulduğu ikinci kademe uygulamalarında ise struvit çöktürme sonrası iyon değişimi uygulandığında azot kazanımı %88' e ulaşırken fosfor için bir değişim olmamıştır. Struvit çöktürme sonrası uygulanan sıyırma/absorpsiyon süreci sonuçlarına bakıldığında ise sıvı fazda kalan azotun tamamının kazanıldığı görülmektedir. Iyon değişimi sonrası uygulanan ikinci kademe iyon değişimi ile azot gideriminde %95'e çıkılmış fosforda ise bir değişim gözlemlenmemiştir. Sıyırma/absorpsiyon süreci sonrası uygulanan struvit çöktürme ile sıvı fazda kalan fosforun %92'lere varan kısmı geri kazanılmıştır. 
İki kademelei kombine uygulamalarda litre idrar başına, çift kademeli iyon değişimi/adsorpsiyon ile 615g, sıyırma/absorpsiyon sonrası struvit çöktürme ile 23 g, struvit çöktürme sonrası iyon değişimi/adsorpsiyon ile 475g ve struvit çöktürme sonrası uygulnana sıyırma/absorpsiyon ile 23g ürün katı faz halinde elde edilmiştir.
Iki kademeli uygulamaların sonunda sıvı fazda, çift kademe iyon değişimi sonrası 260mg/L azot ve 12 mg/L fosfor; sıyırma/absorpsiyon sonrasında sturvit çöktürme uygulandığında 50 mg/l azot ve 30 mg/L fosfor; sturvit çöktürmenin ardından iyon değişimi uygulandığında 800mg/L azot ve 2 mg/L fosfor; struvit çöktürme sonrası sıyırma/absorpsiyon uygulandığında ise 25mg/L azot ve 3 mg/L fosfor ölçülmüştür.
Üçüncü aşamada ise elde edilen katı fazların (azot ve fosfor yüklenmiş klinoptilolit, struvit ve amonyum sülfat) ticari olarak satılan sentetik gübreler ile karşılaştırması biber bitkisi kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Gübre olarak kullanılabilirliğin karşılaştırıldığı bitki deneylerinde ise elde edilen her üç katı fazında sentetik gübreler ile eşdeğer ve kimi zaman daha iyi sonuç verdiğini görülmüştür. 
Elde edilen sonuçlar ışığında, idrardan tek kademeli geri kazanım düşünüldüğünde sdaece fosfor geri kazanımı amaçlanıyorsa struvit çöktürme, sadece azot geri kazanımı amaçlanıyorsa sıyırma/absorpsiyon ve her iki elementin geri kazanıılması isteniyorsa iyon değişimi/adsorpsiyon süreci tavsiye edilmektedir. Çift kademe kombine uygulamalarda ise struvit çöktürme sonrası uygulanan sıyırma/adsorpsiyon süreci gerek her iki element için de %99'a varan kazanım verimine ulaşması, gerek uygulama sonrası elde edilen katı faz kütlesinin düşük olması sebebi ile ön plana çıkmaktadır.

Abstract:
As the natural sources are not limitless, their sustainability has become a major problem for the past decades. Because of this problem, the term of recovery has become more important for a sustainable world. There must be a way to reuse natural sources after consuming them.
Domestic wastewaster includes some pollutants that maybe be used further for other beneficial purposes. Specifically nutrients (nitrogen and phosphorus) in domestic wastewater causes eutrophication when discharged to the water bodies without any treatment. To control that problem recovering nitrogen and phosphorus is getting more important. Recovering those materials will serve both the environment and sustainability. 
Human urine takes only 1% of total volume of domestic wastewater however includes up to %80 of nitrogen and %60 of phosphorus. Due to these high concentrations, recovering nitrogen and phosphorus from urine is getting more attention.
In this work recovery of nitrogen and phosphorus from urine with the usage of struvite precipitation, ion exchange/adsorption and stripping/absorption was investigated. Those three process were used and compared with each other single and combined stages. Seven dfferent combinations were used in total. Those are ıon exchange/adsorption, stripping/absorption and struvite precipitation as single stage; ion exchange/adsorption-ion exchange/adsorption, stripping/absorption-struvite precipitation, struvite precipitation-ion exchange/adsorption and struvite precipitation-stripping/absorption as combined stages
Experiments were done in three stages. First of all urine was collected as a mixure and stored. During collection and storage period nitrogen and phosphorus concentrations, pH, salinity and conductivity changes in urine were monitored. 
In second stage of the work, nitrogen and phosphorus were recovered from stored urine through different alternative ways which were mentioned above. For the single stages, %10 of nitrogen and %99 of phosphorus was recovered through struvite precipitation while % 88 of nitrogen and %99 of phosphorus with ion exchange/adsorption and %99 of nitrogen were recovered with the usage of stripping/absorption processes. Single stage recovery results have shown that if only phosphorus recovery was needed then struvite precipitation is the best way, stipping/ absorption becomes prominent if only nitrogen recovery is needed. If the purpose is recovering both of the nutrients, than ion exchange/adsorption is the better option. Both of struvite precipitation and stripping/absorption processes have high efficiencies for only one element, and negligible results for the other one. 
Single stage applications have shown that 2.1 gr. of sturivte; 500 gr. of nutrient loaded clinoptilolite and 21 gr. of ammonium sulfate was produed through those processes. 
Residual liquid phase concentrations were measured as 5500mg/L nitrogen and 3mg/L phosphorus after sturivte precipitation; 800 mg/L nitrogen and 15mg/L phosphorus after ion exchange/adsorption; 60mg/L nitrogen and 260 mg/L phosphours after stripping/absorption.
Combined recovery experiments were done to recover optimum amounts of nutrients and also reduce the remaining concentration in liquid phase. After struvite precipitation high amount of nitrogen remains in the liquid phase. To recover that nitrogen, ion exchange/adsorption and stripping/absorption processes were applied to the remaning liquid phase. By ion exchange/adsorption option %88 of nitrogen was recovered while this efficiency went up to %99 with the usage of stripping/absorption processes. Struvite precipitation was used to recover remaining phosphorus in the liqıid phase after stripping/absorption and %92 of phosphorus was recovered. Second stage of ion exchange/adsorption was also applied. %95 of nitrogen was recovered.
Amounts of produced solid phases through combined stages were also compared. By two stage of ion exchange/adsorption process 615 g, through stripping/adsorption + struvite precipitation application 23g, with struvite precipitation + ion exchange/adsorption 475g and through struvite precipitation + stripping/absorption process 23 g of solid was produced. 
Remaining nitrogen and phosphorus concentrations in liquid phase were measured as 260 mg/L nitrogen and 12 mg/L phosphorus after 2 stage ion exchange/adsorption application, 50 mg/L nitrogen and 30 mg/L phosphorus after stripping/absorption + struvite precipitation, 800 mg/L nitrogen and 2 mg/L phosphorus after struvite precipitation + ion exchange/adsorption and 25 mg/L nitrogen and 3mg/L phosphorus after struvite precipitation + stripping/absorption.  
When those three processes were combined in pairs, stripping/absorption after struvite precipitation option has the highest (%99) recovery percentages for both nutrients. %88 of nitrogen and %99 of phosphours can be recovered with the usage of ion exchange/adsorption after struvite precpitation. When ıon exchange/adsorption process was used as two stages %95 nitrogen and up to %99 of phosphorus could be recovered. %92 of the remaining phosphorus after stripping/absorption was recovered through struvite precipitation. With the only %5 difference between the best and the worst option, this stage have shown that all of these combination could be used in proper conditions.
Three different solids were produced as alternative fertilizers with those three processes; clinoptilolite loaded with nitrogen and phosphorus, ammonium sulfate and struvite. Those three solids were used on a pot trials as fertilizer to grow pepper and compared with the commercial synthetic fertilizers (ammonium nitrate, tri super phophate and 20:20 composite). Height of the plants were measured and number of flowers were counted. Results indicated that solid phases produced from human urine have almost the same and even better fertilizer capability as synthetic fertilizers.