Atıksulardan kimyasal çöktürme ile azot giderimi ve deri endüstrisinde bir uygulama

Abstract

Bu çalışmada atıksulardan rragnezyum-amonyum-fosfat (MAP) çöktürmesi ile amonyak giderimine etki eden faktörler belirlenmiş; bu faktörleri dikkate alan bir teorik model önerilmiş; bu modelin nümerik çözümleri çeşitli yaklaşımlar ile yapılmış ve MAP çöktürmesinin uygulama esasları ortaya konmuştur. Birinci bölümde yapılan çalışmanın önemi vurgulanarak amaç ve kapsamı açıklanmıştır. İkinci bölümde konu ile ilgili genel tanımlar verilmiştir. Doğadaki azot döngüsü ve kaynakları, azotun yol açtığı sorunlar ve insan faaliyetleri sonucunda ortaya çıkan azot kaynaklan, azot giderme yöntemleri tanıtılmıştır. MAP çöktürmesi hakkında bilgi verilmiş ve bu konuda literatürde yer alan araştırmalar incelenmiştir. Bu bölümde son olarak deri endüstrisi tanıtılmıştır. Üçüncü bölümde MAP çöktürmesine baz teşkil etmek üzere önerilen teorik model tanıtılmış ve bu modelin nümerik çözümlerinin yapılması için çeşitli yaklaşımlar ortaya konmuştur. Oluşturulan ilk yaklaşımda MAP çöktürmesi üzerinde etkisi olan faktörlerin ihmal edildiği basit durum tanımlanmıştır, ikinci yaklaşımda kompleks türler dikkate alınarak MAP çöktürmesi incelenmiştir. Üçüncü yaklaşımda, dikkate alman kompleks türlerle birlikte iyonik güç düzeltmesinin yapıldığı yeni bir durum tanımlanmıştır. Tanımlanan bu üç yaklaşım için, deri endüstrisi atıksularında karşılaşılan konsantrasyon aralığından seçilmiş iki farklı giriş amonyak konsantrasyonu (200 mg/1 ve 1800 mg/1) ile nümerik çözümler yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar değerlendirilmiştir. Dördüncü bölümde konu ile ilgili deneysel çalışma yapılmıştır. Sentetik numuneler üzerinde yürütülen deneysel çalışmalarda elde edilen sonuçlar ile teorik bölümde tanımlanan ve çözümleri yapılan modelin değerlendirmesi yapılmıştır. Basit durum için yapılan teorik çözüm deneysel çalışma sonuçlarıyla uyum sağlamamıştır. Kompleks türler dikkate alınarak yapılan nümerik çözüm sonuçları deneysel veriler ile daha iyi uyum sağlamıştır. Ancak deneysel sonuçlarla en iyi uyum sağlayan yaklaşımın kompleks türlerle birlikte iyonik güç düzeltmesinin de hesaplara katıldığı üçüncü durum olduğu belirlenmiştir. Özellikle düşük giriş amonyak konsantrasyonlarında ve dolayısıyla düşük iyonik güçlerde bu yaklaşım uyumlu sonuçlar vermektedir. Ancak yüksek giriş amonyak konsantrasyonlarında ve iyonik güçlerde bu yaklaşımda da önemli sapmalar olmaktadır. Bu durumun bu çalışmada iyonik güç hesapları için kullanılan Millero ve Schreiber (1982)'in Ortalama Tuz Metodu' nda ki katsayılardan kaynaklandığı sonucuna varılmıştır. Atıksular ile yürütülen deneysel çalışmalar, deri endüstrisi atıksuları üzerinde gerçekleştirilmiştir. Değişik karakterdeki kompozit atıksu numuneleri üzerinde yapılan çalışmalar ile MAP çöktürmesinin verimi araştırılmış ve sentetik numuneler ile karşılaştırılması yapılmıştır. Atıksu numuneleri üzerinde gerçekleştirilen MAP çöktürmesi ile %82-94 viii arasında değişen amonyak giderme verimleri elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar sentetik numune sonuçlarıyla uyumludur. Oluşan küçük sapmaların atıksuyun içerdiği ve MAP çöktürmesine etkisi olan maddelerden ve atıksuyun iyonik gücünün sentetik sistemlere göre daha yüksek olmasından kaynaklandığı sonucuna varılmıştır. Atıksuda bulunan kalsiyumun, çöktürme vasıtası olarak kullanılan fosfat ile çözünürlüğü az bir tuz oluşturması nedeniyle proses verimini düşürdüğü belirlenmiştir. Atıksuya içerdiği kalsiyum dikkate alınarak fosfat ilavesi yapıldığında verimin yükseldiği saptanmıştır. Beşinci bölümde çalışmanın genel bir değerlendirmesi yapılmış ve elde edilen sonuçlar yorumlanarak MAP çöktürmesinin uygulama esasları ortaya konmuştur. Son olarak bu konuda ilerde yapılması gereken çalışmalar sıralanmıştır.

In this study, the factors effecting ammonia removal through magnesium ammonium phosphate precipitation (MAP) from wastewater are defined. A theoretical model under the light of these factors is developed. The theoretical solutions of this model are achieved by applying various approaches and the basis of application of MAP precipitation is put forth. In the first section, significance, purpose and content of the study is explained. In the second section, general definitions on the subject matter are stated. The problems caused by nitrogen, the nitrogen cycle in nature, the nitrogen sources either found in nature or resulted from human activities and the nitrogen removal methods are presented. Information on MAP precipitation is given and similar studies in literature are reviewed. Finally, the leather industry is introduced. In the third section, the model developed, which forms a basis of MAP precipitation, is defined together with various approaches used to achieve numerical solutions. In the first approach, a simple situation where the factors effecting MAP precipitation are neglected is considered. In the second approach, complexes effecting MAP precipitation are considered. In the third approach, a new situation, which takes into account both complexes and ionic strength is defined. For these three described approaches, numerical solutions are obtained for two different ammonia concentrations, which likely occur in the leather industry wastewater (200 mgA and 1800 mg/1). The results are interpreted for all the three approaches. In the fourth section, experimental studies about the subject are presented. The results obtained from the experimental studies on synthetic samples and the theoretical model findings are examined and compared. The model, which is defined for the simple situation, did not correlate with the experimental results. The results of numerical solutions, which are obtained by taking complexes into consideration, are better correlated with experimental results. Whereas, the best correlation is achieved with the third approach which considered both complexes and ionic strength. This approach seems to be in full agreement especially when low ammonia concentrations are applied and hence with low ionic strengths. However, with high ammonia concentrations and high ionic strengths, there appears significant variation of the experimental results with the theoretical model findings. It is concluded that this variation is probably due to the coefficients used in Millero and Schreiber's (1982) Mean Salt Method for ionic strength. Subsequent to synthetic samples, the experimental studies are performed with leather industry wastewater. With the study on the composite samples at different characteristics the efficiency of MAP precipitation is investigated and compared with synthetic samples. With MAP precipitation, ammonia removal efficiencies varied between 82-92 %. These results are agreed with synthetic sample results. It is concluded that the variations occur because of the existence of other substances in wastewater effecting MAP precipitation and are also due to higher ionic strength of wastewater relative to the synthetic samples. The ammonia removal efficiency is decreased with the calcium content of wastewater since calcium forms a salt with phosphate of low solubility. Phosphate dosage is determined according to the calcium content of wastewater, which in turn increases the efficiency. In the fifth section a general evaluation of the study is done. The findings are discussed and the basis of application of MAP precipitation is put forth. Finally, further studies that must be conducted about the subject are stated.