Aerobik metan oksidasyonu ile denitrifikasyon performansını etkileyen faktörlerin membran biyofilm reaktörde araştırılması

Konvensiyonel biyolojik azot giderimi denitrifikasyon ve nitrifikasyona dayanmaktadır. Azot içeren organik bileşiklerin minerilizasyonu ile açığa çıkan amonyum, ilk önce nitrifikasyon prosesi ile nitrit/nitrata oksitlenmektedir. Denitrifikasyon prosesinde ise nitrat azot gazına indirgenmektedir. Denitrifikasyon prosesi atıksudaki organik bileşiklerin elektron verici kaynağı olarak görev yaptığı biyokimyasal süreçlerde gerçekleşmektedir. Fakat organik içeriği düşük atıksuların arıtımında harici elektron verici kaynaklarına gereksinim duyulmaktadır. Bu amaçla genellikle asetat, laktat, metanol gibi farklı organik bileşikler elektron verici kaynağı olarak kullanılmaktadır. Fakat gerçek ölçekli uygulamalarda bu bileşiklerin kullanımı maliyeti arttırmaktadır. Organik içeriği düşük su ve atıksuların biyolojik azot giderim proseslerinde metan gazının harici elektron verici ve karbon kaynağı olarak kullanımı toksik olmaması, ucuz olması gibi bazı avantajlarından dolayı ilgi çekmektedir. Özellikle metan gazının yerinde üretildiği atıksu arıtma tesisleri için bu teknoloji oldukça uygun bir yaklaşımdır. Metan oksidasyonu ile denitrifikasyon prosesi iki farklı mikrobiyal proses ile gerçekleşebilmektedir: mikrobiyal büyüme hızı oldukça düşük olan bakterilerle gerçekleşen ve literatürde yetersiz proses bilgisi içeren anaerobik metan oksidasyonu ile denitrifikasyon prosesi, gerçek ölçekli tesislerde yüksek uygulanabilme potansiyeline sahip olan aerobik metan oksidasyonu ile denitrifikasyon prosesi. AME-D prosesi, metan oksitleyen aerobik metanotroflar ile gerçekleşmektedir. Metan oksitlendiğinde denitrifierlerin elektron vericisi olarak kullanacağı organik bileşikler açığa çıkmaktadır. Bu doktora tezi kapsamında AME-D prosesine odaklanılmıştır. AME-D proses performansı, reaktör tipi, metan gazının çözünürlüğü, reaktördeki oksijen ve metan seviyeleri, giriş amonyum ve nitrat konsantrasyonları gibi birçok fiziko-kimyasal faktörden etkilenmektedir. Bu faktörlerin neden olduğu önemli işletme problemleri AME-D prosesinin gerçek ölçekli tesislerde uygulanabilmesi için çözümlenmelidir. Oksijen denitrifikasyon prosesini inhibe ederken metan oksidasyonunun gerçekleşebilmesi için prosese eklenmesi gerekmektedir. Bu nedenle, biyoreaktörde metan oksidasyonunun gerçekleşebilmesi için aerobik koşulların, denitrifikasyon prosesinin gerçekleşebilmesi için ise anoksik koşulların sağlanması gerekmektedir. Ayrıca atıksu amonyum içeriyorsa metan ve amonyum oksitleyen bakteriler moleküler oksijen için rekabet edebilir ve bu rekabet nitrat giderim verimini etkileyebilir. Biyofilm şeklinde büyüme prensibinin AME-D prosesi için daha elverişli koşulları sağladığı varsayılmaktadır. Bu noktada, membran biyofilm reaktör AME-D prosesi için oldukça idealdir. MBfR gazların çözünürlüğünü arttırır ve değişen biyokimyasal çevre koşullarını içeren farklı katmanların oluşmasına olanak sağlar. Böylece farklı biyokimyasal reaksiyonlar tek bir reaktör içerisinde gerçekleşebilir. Aerobik metan oksidasyonundan sorumlu membran biyofilm reaktörde membran yüzeyinin uzağında biyofilm dış tabakasında ve hücre floklarının arasında anoksik koşullar baskın duruma geçerek metanotroflar tarafından ortama salınan organik bileşikler, mikroorganizmalar tarafından kullanılarak denitrifikasyon prosesi gerçekleşebilir. Ayrıca biyofilm tabakası içerisinde mikrooganizmaların birbirine yakın büyümesi organik bileşiklerin metanotroflardan denitrifierlere transferini hızlandırarak reaktör performansını arttırabilir. Bu çalışmanın ana amacı AME-D proses performansını etkileyen faktörlerin sürekli akışlı MBfR'de araştırılmasıdır. Öncelikle membran iç yüzeyine verilen metan ve oksijen seviyelerinin ve membran yüzey alanının çözünmüş organik karbon üretimine olan etkisi incelenmiştir ve 0,14 m2'lik yüzey alanı ile 0,6 hacimsel O2:CH 4 oranı optimum olarak bulunmuştur. Daha sonra farklı hidrolik bekletme süresi ve giriş nitrat konsantrasyonları ile AME-D prosesinin optimizasyonu sağlanmıştır ve 2,5 günlük HRT seviyesi ve 200 mg NO3-/L giriş nitrat konsantrasyonunda %87 denitrifikasyon verimi elde edilmiştir. Çalışmanın son aşamasında ise amonyum içeren işletme koşullarında farklı HRT ve giriş amonyum konsantrasyonlarının AME-D proses performansına etkisi incelenmiştir. 3,5 günlük HRT, 200 mg NO3-/L ve 100 mg NH4/L içeren işletme koşullarında aerobik metan oksidasyonu, amonyum yükseltgenmesi ve denitrifikasyon proseslerinin MBfR'de eş zamanlı gerçekleşebildiğini göstermiştir. Çalışmada ayrıca denitrifikasyon kinetiği araştırılmıştır ve değişen giriş nitrat konsantrasyonlarında denitrifikasyon kinetiği parametreleri hesaplanmıştır. Çalışmadan elde edilen veriler, AME-D prosesinin karbon içeriği düşük atıksular için gerçek ölçekte uygulanabilirliğine ışık tutmuştur.