Darbeli elektrik alan tekniği ile arıtma tesisi çamurundan bütünleşik azot ve fosfor geri kazanımı ve anaerobik çürümenin iyileştirilmesi

Bu tez çalışması kapsamında çamur arıtımında azot ve fosfor geri kazanımı içeren bütüncül bir çamur arıtım yaklaşımı önerilmiştir. Bu yaklaşım dört aşamadan oluşmaktadır. Birinci aşamasında darbeli elektrik alan yöntemi ile arıtma çamurunun ön arıtımı gerçekleştirilmiştir. Ön arıtım işlemi ile hem çamur dezentegrasyonu gerçekleştirilmiş hem de çamurda bulunan azot ve fosfor sıvı faza aktarılmıştır. PEF ön arıtımı sonrası çamur katı ve sıvı faz olmak üzere iki faza ayrılmıştır. Çalışmanın ikinci aşamasında, bir önceki aşamada elde edilen sıvı fazdan magnezyum amonyum fosfat (MgNH4PO4 6H2O, MAP), yaygın olarak bilinen adı ile strüvit şeklinde azot ve fosfor geri kazanımı gerçekleştirilmiştir. Optimum strüvit çöktürme şartları, Yanıt Yüzey Metodolojisi olan Box-Behnken Tasarımı kullanılarak belirlenmiştir. Bağımsız değişkenler olarak X1=pH, X2=H3PO4, X3=MgCl2 6H2O seçilmiştir ve amonyum ve fosfat giderim verimlerine olan etkisi test edilmiştir. Üçüncü aşamada PEF sonrası geriye kalan katı fazın anaerobik çürüme performansı araştırılmıştır. Anaerobik çürüme performansı 25 günlük işletme süresi boyunca ve 35 1 C sıcaklıkta yürütülmüştür. Son aşamada, strüvit çökeltisinin gübre özelliğini araştırmak için bir dizi laboratuvar ölçekli tarım deneyleri yürütülmüştür. Çalışmada ön arıtım için kullanılan reaktör özellikle çamur dezentegrasyon işleminde son zamanlarda kullanım alanı bulan darbeli elektrik alan tekniği ile geliştirilmiş PEF reaktörüdür. Çalışmada tasarlanan PEF reaktörü 35 cm3 toplam hacme sahip paslanmaz çelikten imal edilmiş silindirik yapıdadır. Çalışmada PEF reaktörünün optimum işletim şartları 36 kV voltaj şiddeti, 6 mL/dk akış hızı ve çamurun kendi iletkenlik değeri olan 1,6 mS/cm olarak belirlenmiştir. Çamur PEF reaktöründen sadece bir kez geçirilmiştir. PEF tekniği kullanılarak çamur ön arıtımı yapıldığında sıvı fazda KOİ, TN ve TP artışı sırasıyla % 222, % 202 ve % 242 olarak elde edilmiştir. Strüvit çöktürmesi optimizasyonu BBT tarafından oluşturulan 17 teste dayalı denemeler ile yürütülmüştür. BBT ile proses optimizasyon işlemi yapılmış ve en iyi geri kazanım koşulları belirlenmiştir (1,2:1:1, 2 Mg+2:NH4+:PO4- 3 stokiyometrik oranında ve 8,5 pH değerinde). En iyi geri kazanım koşullarında en yüksek NH4-N ve PO4-P giderim verimleri sırasıyla % 89,83 ve % 80,3 olarak elde edilmiştir. Bunun yanı sıra, Visual MINTEQ kullanılarak BBT tarafından oluşturulan 17 deneme testi için doygunluk indeks değerleri ve oluşabilecek türler belirlenmiştir. Optimum şartlar altında elde edilen strüvit çökeltisinde, X-ışını toz kırınımı tekniği ve Rietveld analizi kombinasyonları kullanılarak faz belirleme işlemi yapılmıştır. Strüvit çökeltisi % 61,7 Strüvit ve % 38,8 Nahpoite bileşiğinden oluşmaktadır. Bu eşleşme için, örtüşme düzeyi olarak bilinen kalite göstergesi olan indeks parametresi 1,67 olarak bulunmuştur. PEF sistemi kullanıldığında arıtma çamurundan Cr, Cu, Ni, Pb ve Zn gibi ağır metallerin sıvı faza geçişi sırasıyla % 25, % 6, % 15, % 8 ve % 6 şeklindedir. Oluşan strüvit ağır metal içerikleri Cr hariç limit değerinin altında ölçülmüştür. Cr ise 3 mg/kg olarak ölçülmüştür. Biyolojik metan potansiyeli testinin sonuçlarına göre katı faz çamurunda kontrol çamuruna göre % 150 metan artışı ve 2,19 kat mL metan/ gr UAKM artışı elde edilmiştir. Ayrıca BMP test sonuçlarına göre katı fazda KOİ ve AKM giderim verimi sırasıyla % 50, % 34 olarak bulunmuştur. Tere ve roka olmak üzere iki çabuk büyüyebilen sebze bahçe toprağına ekilmiş ve optimum şartlar altında elde edilen strüvit çökeltisinden farklı dozlarda gübre olarak uygulanmıştır. Seçilen bitkilerin strüvit eklenen saksılardaki çimlenmelerinin ve büyümelerinin strüvit eklenmeyen kontrol saksılarına göre büyüme oranları önemli ölçüde artış göstermiştir. Yapılan deneyler bahçe toprağına 3 gr ve 6 gr aşırı strüvit dozu uygulanması ile hem tere hem de roka bitkileri üzerinde strüvit çökeltisinde bulunan sodyum tuzlarından dolayı olumsuz etkilere sebep olduğunu göstermektedir. Saksı denemesinde strüvit eklenen topraktaki bitkilerin yaş ağırlıkları, kuru ağırlıkları, yaş boyları ve kök uzunlukları kontrol saksıları ile karşılaştırılmıştır. Artış oranları tere bitkisi için sırasıyla % 501, % 475, % 137, % 207 (0,5 gr strüvit miktarı için) olarak ve roka bitkisi için sırasıyla % 495, % 511, % 152, % 254 (1,5 gr strüvit miktarı için) olarak belirlenmiştir. Bunun yanı sıra, tere bitkisi kullanılarak strüvit çökeltisinin fitotoksisite testi yapılmıştır. Fitotoksisite test sonuçlarına göre strüvit çökeltisindeki sodyum tuzlarının yüksek seyrelme oranlarında bitkiye zarar vermediği görülmüştür.