Kentsel atıksu arıtma tesislerinde karbon giderimi kinetiği ve denitrifikasyon hızlarının belirlenmesi

Abstract

Azot canlı dokuların bünyesinde yer almasının yanı sıra atmosferde de azot gazı olarak yaklaşık %78 oranında bulunmaktadır. Organik azot, amonyak ve azot gazı oksitlenmemiş azot formlarını; nitrit ve nitrat ise oksitlenmiş azot formlarını oluşturmaktadır. Organik azot, amonyak azotu, nitrit ve nitrat atıksular için önemlidir. Amonyak azotu atıksuda serbest amonyak (NH3) ve amonyum iyonu (NH_4^+) şeklinde bulunur. Aynı sıcaklıkta pH arttıkça NH3 yüzdesi artmaktadır. Amonyak (NH_4^+), nitrit (NO_2^-) ve nitrat (NO_3^-) azot formlarının çözünürlükleri yüksektir fakat NH_4^+ çözünürlüğü olmayan NH3'e dönüşebilir. Atıksuda başlıca karbonhidratlar, yağlar, proteinler, petrol artıkları ve üre gibi bileşikler bulunmaktadır. Evsel atıksular azot yönünden incelendiğinde, toplam azot içeriğinin 20-50 mg/L arasında olduğu görülmektedir. Bu azot içeriği yüksek orandan amonyak azotu ve organik azottur. Geleneksel ön arıtma sisteminde partiküler azot giderilir. Geleneksel ikincil arıtma sisteminde ise azot, bakterilyal faaliyetler sonucu giderilir. Azotun biyolojik yolla dönüştürülmesi ve giderilmesi için tek yol nitrifikasyon/denitrifikasyon prosesleridir. Nitrifikasyon prosesi, amonyum iyonunun ilk olarak nitrite sonra da nitrata dönüşmesi veya yükseltgenmesi olarak tanımlanmaktadır. Nitrifikasyon bakterileri tarafından aerobik ortamda oksijenin tüketilmesiyle oksidasyon işlemi gerçekleştirilir. Nitrifikasyon prosesinde, nitrifikasyon bakterileri tarafından enerji kaynağı olarak inorganik azot, karbon kaynağı olarak ise inorganik karbon (CO2 , 〖CO〗_3^(2-), 〖HCO〗_3^-), kullanılır. Proseste elektron verici olarak 〖NH〗_4^+ kullanılırken elektron alıcısı olarak O2 ve inorganik karbon (CO2) kullanılmaktadır. Amonyak nitrifikasyon prosesinde elektron kaynağı olarak görev yapar. Verdiği elektronların bir kısmı enerji reaksiyonlarında bir kısmı da biyosentez reaksiyonlarında kullanılır. Elektron vericisinden (inorganik azot) transfer olan elektronların elektron alıcısına (oksijen) ve sentezlenen biyokütleye olan dağılımı Y spesifik dönüşüm oranı ile belirlenmektedir. Oksijen ihtiyacı, alkalinite tüketimi ve biyokütle üretimi nitrifikasyon prosesinde üç önemli stokiyometrik parametreyi temsil etmektedir. Nitrifikasyon kinetiğine etki eden dört önemli proses vardır: ototrofların çoğalması, ototrofların bozunması, partiküler organik azotun hidrolizi ve çözünmüş organik azotun amonifikasyonu. Amonyak konsantrasyonuna bağı olarak Nitrosomonas bakterileri çoğalırken; nitrit azotuna bağlı olarak Nitrobacterler çoğalmaktadır. Nitrosomonasların amonyak azotunu nitrit azotuna yükseltgediği adım hız kısıtlayıcı adımdır. Denitrifikasyon, organik karbonun hem karbon hem enerji kaynağı olarak kullanıldığı, nitratın elektron alıcısı olarak görev yaptığı, anoksik yani moleküler oksijenin olmadığı koşullarda gerçekleşen bir prosestir. Bu proseste heterotrof mikroorganizmalar görev almaktadır. Denitrifikasyon bakterileri ortamda amonyak bulunmaması durumda sentez reaksiyonlarında kullanılması amacıyla nitrat azotunu amonyak azotuna indirgeyebilecek enzimatik sisteme sahiptir. Evsel atıksularda azot genellikle yükseltgenmiş formdadır. Bu yüzden organik azot ve amonyak azotu öncelikle nitrit veya nitrata oksitlenmelidir. Bu durum denitrifikasyon prosesi öncesinde nitrifikasyon prosesinin gerçekleştiğini göstermektedir. Denitrifikasyon kinetiğine etki eden üç ana proses vardır. Bunlar çoğalma prosesi, partiküler organiklerin hidrolizi ve içsel solunum olarak belirtilebilir. Denitrifikasyon hızı, çoğalma prosesi boyunca gözlemlenen spesifik nitrat tüketim hızı olarak ifade edilmektedir. Bu tez çalışması kapsamında İBAAT1 ve İBAAT2 İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesislerinin atıksu KOİ fraksiyonlarının ve denitrifikasyon hızlarının belirlenmesi amacıyla her iki tesisten de kış ve yaz dönemlerine ait kompozit numuneler alınmıştır. Alınan giriş atıksuyu ve çamur örnekleri üzerinde aerobik ve anoksik koşullarda respirometrik deneyler gerçekleştirilmiştir ve deneysel sonuçlar kullanılarak modelleme çalışmaları yürütülmüştür. Atıksu arıtma tesislerinin tasarımı ve hesaplamaları biyolojik olarak ayrışabilen organik madde üzerinden gerçekleşmektedir. Bu yüzden KOİ fraksiyonlarının belirlenmesi gerekmektedir. KOİ fraksiyonları, laboratuvar ortamında heterotrofik bakterilerin solunumunu ölçen respirometrik deneyler ve modelleme çalışmaları ile belirlenebilir. Yaz döneminde tesislerde ölçülen çözünmüş inert KOİ'nin toplam atıksu KOİ değerine oranının %4-9,8 olduğu görülmektedir ki bu değerler literatür ile uyumlu bulunmuştur. spesifik çoğalma hızı ve yarı doygunluk sabitinin literatürde 2,0-6,6 gün-1 ve 3-20 mg/L olarak verilen aralıklarıyla uyumlu olduğu saptanmıştır (İnsel ve diğ., 2021). Bunun yanı sıra literatür aralığı 1,5-4,7 gün-1 olarak verilen maksimum yavaş ayrışan KOİ'nin hidroliz hızları kh2 'nin de bu aralıkta kaldığı görülmektedir (İnsel ve diğ, 2021). Kış döneminde spesifik çoğalma hızı ve yarı doygunluk sabitinin literatürde 2,0-6,6 gün-1 ve 3-20 mg/L olarak verilen aralıklarıyla uyumlu olduğu saptanmıştır. Bunun yanı sıra literatür aralığı 1,5-4,7 gün-1 olarak verilen maksimum yavaş ayrışan KOİ'nin hidroliz hızları kh2 'nin de bu aralıkta kaldığı görülmektedir (İnsel ve diğ, 2021). Anoksik koşullarda giriş atıksuyunun KOİ bileşenlerine ve aktif çamur sisteminin kinetiğine bağlı olarak oksitlenmiş azotun kullanımı farklı hızlarda gerçekleşmektedir. Literatürde hesaplanan denitrifikasyon hızları geniş bir aralıkta verilmektedir. Bu çalışmada incelen iki tesisin denitrifikasyon hızlarının birbirine yakın değerde olduğu saptanmıştır. Elde edilen veriler literatür ile karşılaştırıldığında İBAAT1 ve İBAAT2 için K1 değerinin literatür aralığında kaldığı görülmektedir.