Anaerobic processing of and nutrient recovery from source separated human urine

2019 yılında 7.7 milyar olan ve 2050 yılında 9 milyara yükselmesi beklenen dünya nüfusunun artmasına bağlı olarak su, gıda ve enerji kaynakları üzerindeki baskı da artmaktadır. Dünya nüfusundaki bu büyük artışın bahse konu kaynakların sürdürebilirliği ve güvenilirliği konusunda da tehditler yaratacağı öngörülmektedir. İnsanoğlunun yeterli ve sağlıklı kaynaklara sahip olma gerekliliği, sürdürülebilir çevre kavramı kapsamında Binyıl Gelişme Hedefleri ve Sürdürülebilir Gelişme Hedefleri arasında ile yer almakta ve halihazır kuşaklar yanında gelecek kuşaklara da hizmet etme amacı taşımaktadır. Zaman içinde artan kaynak gereksinimlerinin karşılanabilmesi bağlamında kaynakların kontrollu tüketilmesi ile ilgili çözümler önem kazanmakta ve halen kullanılmakta olanlara ek olarak alternatif çözümler gerekmektedir. Bu çerçevede, 2030 yılında 8.3 milyar olacağı tahmin edilen dünya nüfusunun ihtiyaçlarını karşılamak için su, gıda ve enerji kaynaklarında sırasıyla % 35, 40 ve 50 artış olması gerektiği öngörülmektedir. Kısaca ECOSAN olarak anılan ekolojik evsel atıksu yönetimi kavramı, evsel atıksu arıtımında yeni bir yaklaşımdır ve evsel atıksu akımlarının üretildiği noktada ayrılması esasına dayanmaktadır. Bu çerçevede evsel atıksular kaynağında üç ayrı akım halinde toplanmaktadır. Bu akımlar, tuvalet sularını dışta bırakan ve esasen yıkama sularından oluşan gri su, insan idrarından oluşan sarı ve esasen insan dışkısı ile sifon sularından oluşan kahverengi sudur. İnsan idrarı nütrientler bakımında zengin, tuzluluğu yüksek ve önemli miktarda organik madde içeren bir sıvıdır ve evsel atıksuda yer alan azotun % 80 i ile fosfor ve potasyumun % 50'nin üzerindeki kısmını içermektedir. İnsan idrarının evsel atıksudan ayrılması ile nütrient döngülerinin kapatılması mümkündür. Literatürde kaynakta ayrılmış insan idrarından farklı yöntemler kullanarak nütrient geri kazanımı olanaklarına odaklanan çeşitli çalışmalar mevcuttur. Struvit çöktürmesi, sıyırma/absorpsiyon ve iyon değişimi/adsorpsiyon bunların başlıcaları arasında yer almaktadır. Bu yöntemlerden iyon değişimi/adsorpsiyon ile önemli miktarda azot, fosfor ve potasyum geri kazanılabilmektedir. Buna karşın literatürde nütrient geri kazanımı sırasında organik maddenin akıbeti ile ilgili çalışmaya rastlanmamıştır. Bu çalışmada klinoptilolite sabit yataklı reaktörde iyon değişimi sonunda ortaya çıkan kalıntı sıvı fazdaki organik maddenin anaerobik yollarla gideriminin incelenmesi hedeflenmiştir. Çalışma kapsamında, çeşitli düzenek kombinasyonlarının denenmesi yolu nütrient giderimi ve enerji geri kazanımını en etkin şekilde gerçekleştirecek iyon değişimi ve anaerobik arıtma düzeni irdelenmiştir. Bu çerçevede çalışmada şekerleme endüstrisinden alınan anaerobik granüler çamurun yüksek tuzluluk seviyesindeki sıvı faza adaptasyonu yapılmıştır. Deneylerde sıvı faz olarak hem taze hem de depolanmış gerçek insan idrarı ile çalışılmıştır. Çalışma kapsamında ayrıca anaerobic reaktörde amonyum açığa çıkışı olup olmadığı ve bu durumun önerilecek kombinasyonlar üzerindeki olası etkileri de irdelenmiştir. Deneylerde iyon değişimi için sabit yataklı kolanlar, anaerobik atıtma için ise genleşmiş garnüler çamur yataklı reaktörler kullanılmıştır. Deneyde kullanılan idrar, Istanbul Teknik Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü erkekler tuvaletinden toplanmıştır. Sonuçlar, anaerobik granüler çamurun adaptasyon sürecinde KOI giderim veriminin düşük seyreltideki taze idrar ile %75 lere kadar çıkabildiğini göstermektedir. İdrar konsantrasyonun % 65 seviyesine çıkarıldığında KOI giderim veriminin % 40 lara düştüğü izlemiştir. Bunun nedeninin ise idrar yüzdesinin artması ile tuzluluk ve amonyum konsantrasyonlarının da artarak inhibisyon değerlerine yaklaşması olarak görülmektedir. Bu süreçte amonyum salımı olup olmadığı takip edilmiş ve en yüksek değer olarak ancak % 6 seviyesine ulaşabildiği belirlenerek bu çerçevede önemli bir amonyum salımı olmadığı sonucuna varılmıştır. Çalışmada iyon değiştirme yoluyla nütrient giderimi için idrar depolanarak hidrolize tabi tutulmuş ve içerdiği ürenin azotun amonyum formuna dönüşmesi sağlamıştır. Bu süreçte nütrient konsantrasyonları, pH ve elektriksel iletkenlik parametreleri izlenmiş ve bu parametrelerin önceki çalışmalarla uyumlu olduğu gözlenmiştir. Önceki çalışmalara ek olarak bu çalışmada depolama süresince KOI izlemesi yapılmış ve zaman içinde KOI de belirgin bir azalma olduğu tespit edilmiştir. Benzer sistemler için literatürdeki diğer çalışmalarda mevcut olmayan KOI irdelemesi sonucunda bahse konu azalmanın dört ayda % 65 düzeylerinde gerçekleştiği görülmüştür. Bu tespit çalışmanın önerdiği anaerobik arıtmada nispeten yüksek organik madde konsantrasyonlarının tercih edilmesi açısından önem taşımaktadır. Öte yandan çevre kirliliğinin kontrolü açısından bu azalma yararlı olabilecektir. Hidrolizin tamamlanmasını takiben klinoptilolit kullanılarak iyon değişimi yoluyla depolanmış idrardaki nütrientlerin sıvı fazdan ayrılarak katı fazda konsantre edilmesi sağlanmıştır. Bu aşamada da sonuçlar literatür değerleri ile uyumlu bulunmuş, amonyum % 80, fosfor % 99, potasyum ise % 70 oranında sıvı fazdan ayrılmıştır. Ek olarak klinoptilolitle muamele aşamasında KOI'nin de % 25-35 oranında giderildiği gözlenmiştir. Bu durum depolama aşamasında da belirtildiği üzere, sıvı fazda organik madde miktarının azalması ile anaerobik arıtmanın etkinliği arasındaki ilişkiye dikkat çekmektedir. Bir sonraki aşamada depolanmış idrardan nutrientlerin alınması sonucunda geriye kalan sıvı faz EGSB reaktöründe anaerobik arıtmaya tabi tutulmuş ve KOI gideriminin % 60 85 arasında değiştiği belirlenmiştir. İdrarın %50 oranında yer aldığı numune ile en iyi sonuçlar alınmış, %85 giderime ulaşılmış, seyreltilmemiş % 100'lük idrar ile giderim verimi % 60 a inmiştir. Elde edilen sonuçlar tuzluluğun KOI giderimi üzerinde önemli etkisi olduğuna işaret etmektedir. Çalışmada çevre kirliliğini önlenmesi ve deşarjlar bağlamında EGSB reaktör çıkış suyu kalitesi de değerlendirilmiştir. Bu çerçevede EGSB çıkışında deşarj için hala önemli miktarda nütrient ve organik madde bulunduğu görülmektedir. Çıkış suyu kalitesinin iyileştirilmesi için EGSB sonrası uygulanan kademeli iyon değiştirme işlemi ile olumlu sonuçlar alınmış, çıkış kalitesinin amonyum, fosfor ve KOI açısından gelişme gösterdiği tespit edilmiştir. Biyogaz üretimi açısından bakıldığında ise KOI giderimine bağlı olarak sonuçlar teorik yönden anlamlı bulunmuş, bu mertebede olmasa da gaz çıkışı gözlenmiştir. Yapılan hesaplar sonunda deney şartlarında 0.3 0.8 l CH4/gün ve eşdeğer olarak 0.19 0.5 l CH4/ l idrar gibi bir üretimin beklenebileceği saptanmıştır. Çalışma çerçevesinde idrarın anaerobik arıtımı sırsında tuzluluğun KOI giderimine etkisi irdelenmiştir. Bu amaçla ek olarak kontrollu şartları sağlayabilmek için depolanmış idrar özelliklerine sahip sentetik idrar çözeltisi hazırlanmış ve sabit KOI konsantrasyonunda değişken tuzluluk değerlerinda sistem performansı incelenmiştir. Bu aşamada alınan sonuçlar tuzluluğun sistem üzerindeki olumsuz etkileri ortaya konmuş ve tuzluluğun literatürde verilen eşik değerlerin altında olan 32000 S/cm değerinde verimin % 40 mertebelerine düştüğü görülmüştür. Bu grup deneylerde kullanılan en düşük tuzluluk değeri olan 10000 S/cm de % 90 KOI verimi elde edilmiştir. Yapılan çalışma sonuçları iyon değişimi ve anaerobik arıtmanın birlikte kullanımı ile insan idrarından nürtrient geri kazanırken organik madde gideriminin de mümkün olduğunu göstermekte ve bu bağlamda adaptasyon, seyrelme oranı, depolama süresi, tuzluluk ve amonyuma bağlı inhibisyon gibi faktörlerin önemine işaret etmektedir. Çalışma sonuçları ayrıca, incelenen çeşitli kombinasyonların içinde iyon değişimi/adsorpsiyon ardından yapılacak anaerobik arıtma ve bu ünitenin çıkışında kademeli iyon değişimi sıralamasının gerek nutrient geri kazanımı gerekse çıkış suyu kalitesi açısından en uygun düzenek olduğunu ortaya koymaktadır. Geri kazanım yönünden bakıldığında, 5 ve 300 dakika temas süresi ile yapılan deneylerde gerek azotun gerekse fosforun klinoptilolit kullanımı ile idrardan ayrılmış olan azot ve fosforun çok büyük bir bölümünün ve hatta tamamına yakınının yüzeyden geri kazanabildiği ve nütrient yüklü klinoptilolitin yavaş salınan bir gübre olarak kullanılabileceği saptanmıştır. Bu bulgular literatür bulguları ile de uyumludur. Potasyumun sınırlı olarak geri kazanılmasına karşın KOI geri kazanımı incelendiğinde ise yüzeyden önemli bir miktarda KOI salınmadığı izlenmektedir. Gerçekleştirilen bitki deneyleri nütrient yüklü klünoptilolitin biber ve domates için yararlı bir gübre alternatifi olduğunu göstermiş ve sentetik gübreyle kıyaslandığında gerek bitki uzunluğu gerekse ürün adedi açısından daha iyi sonuçlar vermiştir.