249 KB - Çevre Mühendisleri Odası

TMMOBÇevre Mühendisleri OdasıV. ULUSALÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİAZOT İÇERİĞİ DÜŞÜK ATIKSULARIN HAVADAN AZOT BAĞLAYANBAKTERİLER YARDIMIYLA KESİKLİ SİSTEMDE BİYOLOJİK ARITIMISerpil Özmıhçı (2) , Fikret Kargı (1)Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, İzmir(1) Prof. Dr. Fikret Kargı; fikret.kargı@deu.edu.tr,(2) Ar. Gör. Serpil Özmıhçı; serpil.ozmihci@deu.edu.trÖZETAzot içeriği düşük atıksuların arıtımında istenilen arıtma verimini elde etmek için en fazlakullanılan yöntem dışarıdan azot bileşiklerinin ilavesidir. Ancak, ek azot kaynağı kullanımıişletme maliyetini artırmaktadır. Bu çalışma, azot içeriği düşük atıksuların biyolojik arıtmındadışardan azot kaynağı eklenmesi yerine, havadan azot bağlayan organizmaların kullanımınıamaçlamaktadır. Bu amaçla azot bağlayan bakteriler aktif çamur kültürüyle karıştırılarakarıtma performansları değerlendirilmiştir. Azot bağlayıcı organizmalardan Azotobactervinelandii ya aktif çamur kültürüne eklenerek ya da saf halde kullanılarak kesikli deneylerdeazot içeriği düşük sentetik atıksuların arıtmında kullanılmıştır.Kesikli sistemlerde azot içeriği düşük sentetik atıksudan biyolojik arıtımla TOC ve KOİgiderme verimleri incelenmiş ve değişik giriş suyu TN/KOİ oranlarında kültürlerinperformansları karşılaştırılmıştır. Azot içeriği düşük sentetik atıksulardan TOC giderimidikkate alındığında, Azotobacter vinelandii içeren aktif çamur kültürlerinin daha avantajlıolduğu ortaya çıkmaktadır. Kesikli deneylerde saf Azotobacter ya da Azotobacter ilaveli aktifçamurun kullanılması durumunda azot içeriği düşük atıksularda (TN/ KOİ

Azot İçeriği Düşük Atıksuların Havadan Azot Bağlayan Bakteriler Yardımıyla KesikliSistemde Biyolojik ArıtımıSerpil ÖZMIHÇIGİRİŞEndüstriyel kaynaklı atıksuların pek çoğunun karbon içeriği fazla olmasına rağmen azotiçerikleri çok düşüktür. Biyolojik olarak arıtılabilir atıksuyun nutrient içeriği, C/N/P oranınabakıldığında yaklaşık olarak 100/14/2 ya da KOI/N/P oranına bakıldığında 100/6/2 olmalıdır.(Tchobanoglous & Burton 1991) Azot içeriği düşük atıksuların (N/COD< 0.05) biyolojikarıtımında, düşük KOI giderme verimleri elde edilmektedir. Bu problemin üstesinden gelmekiçin genellikle dışardan azot kaynağı eklenmektedir ki (üre, amonyum tuzları), bu da hemarıtma tesisinin işletme maliyetini artırmakta, hem de arıtma tesisi çıkış suyunda kalıntıazotun varlığına neden olabilmektedir.Bu çalışmada azot içeriği düşük atıksuların biyolojik arıtımında dışardan azot kaynağıeklemek yerine havadan azot bağlayabilen organizmaların kullanılması önerilmektedir.Böylece hem arıtma maliyeti düşürülmekte, hem de arıtma tesisi çıkış suyu kalitesinin artmasıve çıkan çamurun gübre olarak kullanılabilmesi sağlanmaktadır.Havadan azot bağlayabilen başlıca aerobik organizmalar arasında Azotobacter, Azotomonas,Azotococcus, Biejerinckia sayılabilir. Azotobacter kültürünün havadan azot bağlayabilmebiokimyası ve karakteristiği ile ilgili çok sayıda çalışma olmasına rağmen (Graham & Vance1999, Yatez ve diğerleri 1996), atıksu arıtımında kullanımı ile ilgili yayınlar sınırlı sayıdadır.Sınırlı çalışmaların içinde azot içeriği düşük karasu (Papadelli ve diğerleri,1996; Pasetti vediğerleri, 1996; Fiorelli ve diğerleri, 1996; Balis ve diğerleri,1996; Ehaliotis vediğerleri,1999) ve kağıt ve kağıt hamuru atıksuyu (Gapes ve diğerleri,1999) ile ilgiliçalışmalar yer almaktadır. Ayrıca, Azotobacter türü organizmalar hidrokabonlarla kirlenmiştoprak arıtımında da kullanılmıştır (Onwurah, 1998). Bazı havadan azot bağlayan bakteriler(Agrobacterium ve Alcaligenes türleri) benzinde aromatik hidrokarbonların indirgenmesindekullanılmıştır (Prantera ve diğerleri, 2002).Bu çalışmanın amacı, azot içeriği düşük sentetik atıksuların farklı TN/KOI oranlarındaAzotobacter yardımıyla TOC giderme verimlerini incelemektir. Azotobacter hem saf olarakhem de aktif çamur kültürüyle karıştırılarak değişik başlangıç TN/KOI oranlarında atıksuarıtımında kullanılmıştır.MATERYAL VE METODLARORGANIZMALARÇalışmada azot bağlayan organizma olarak Azotobacter vinelandii, NRRL-14643kullanılmıştır. Aktif çamur, PAKMAYA’nın İzmir’deki arıtma tesislerinden alınmıştır. Heriki kültür de laboratuarda uygun şartlarda büyütülmüştür. Kültürler 1/1 oranlarındakarıştırılarak kullanılmıştır.DENEY DÜZENEĞİDeneyler kontrollü bir çalkalayıcıda 25 o C sıcaklık ve 150 rpm çalkalama hızında yapılmıştır.Kültürler 200 ml sentetik atıksuyun bulunduğu erlenmeyer flasklara aşılanmış ve ortam pH’ı7 ye ayarlanmıştır. Deneyler değişik başlangıç TN/KOI oranlarında ve 6 günlük süreylekesikli olarak yapılmıştır.ATIKSU KOMPOZİSYONU2000-2500 mg/L KOİ verecek şekilde ortama karbon kaynağı olarak seyreltik melas ya daglukoz eklenmiştir. Sentetik atıksu, KH 2 PO 4 (0.13 g/l) , MgSO 4 (50 mg/l), FeSO 4 (10 mg/l),H 2 MoO 4 (5 mg/l), NaCl (20 mg/l), NaHCO 3 (10 mg/l) içermektedir. TN/KOI oranları 0/100 -8/100 olacak şekilde değişik üre konsantrasyonları ilave edilmiştir. P/KOİ oranı ise tümdeneylerde 1.5/100’de sabit tutulmuştur.ANALİZ YÖNTEMLERİ424

Azot İçeriği Düşük Atıksuların Havadan Azot Bağlayan Bakteriler Yardımıyla KesikliSistemde Biyolojik ArıtımıSerpil ÖZMIHÇINumuneler günde bir defa alınmış ve 5000 rpm’de 30 dakika santrifüjlenerek analizler berraksıvı üzerinde yapılmıştır. KOI analizleri için Standard Metodlar kullanılmıştır. TOC analizleriDohrmann, DC-190 tip TOC analizörü kullanılarak yapılmıştır.SONUÇLARÇalkalayıcıyla yapılan deneyler iki grupta toplanabilir. Birincisi, karbon kaynağı olarakmelasın, ikincisi de glukozun kullanıldığı gruptur. Melasın azot içeriğinin ortama girişimyapması ve sonuçlara yansıması olasılığına karşı karbon kaynağı olarak glukoz tercihedilmiştir.Şekil 1, TOC’nin zamanla değişimini değişik başlangıç TN/KOİ oranları için göstermektedir.Giriş KOİ’si 2500 mg/l ve ortama aşılanan kültür saf Azotobacter vinelandii’dir. Karbonkaynağı olarak melasın kullanıldığı deneyde TN/KOİ oranları 0/100 ila 8/100 arasındadeğişmektedir. TOC konsantrasyonu, TN/KOİ oranlarının 0/100 ve 1/100 olduğu durumlarda,6 günde, %80’lik TOC giderme verimi göstererek, 1000 mg/l ‘den 200 mg/l’ye düşmüştür.Azotobacter kültürünün TOC giderme verimi TN/KOİ oranları artıkça (2/100 – 8/100)azalmıştır.12001000TOC (mg l -1 )80060040020000 1 2 3 4 5 6 7Time (gün)! 0/100, " 1/100, Δ 2/100, ! 4/100, # 6/100, $ 8/100Şekil 1: Saf Azotobacter kültürüyle farklı TN/KOİ oranlarında TOC derişiminin zamanladeğişimi. Melasın karbon kaynağı olarak kullanıldığı ortamda giriş KOI’si 2500 mg/L’dir.İkinci seri deneylerde değişik TN/KOİ oranlarında; aktif çamur, saf Azotobacter ve ikisininkarışımı TOC giderimleri açısından karşılaştırılmıştır. Bu deneylerde karbon kaynağı olarakglukoz kullanılmıştır.Şekil 2 TN/KOİ/P oranının 0/100/1.5 olduğu durumda farklı kültürlerindavranışını göstermektedir. (TOC=900 mg/l) En etkili TOC giderme verimi Azotobacter ilaveedilmiş aktif çamurda görülmektedir. 5 günlük inkübasyon süresinin sonunda 900 mg/l girişTOC’si 150 mg/l’ye düşmüştür. Saf Azotobacter kültürünün performansı Azotobacter ilaveliaktif çamurunkinden düşük olup 5 gün sonunda TOC 380mg/l’ye düşmüştür. Aktif çamurkültürü tek başına kullanıldığında TOC giderme veriminin düşük olduğu gözlenmiştir.425

Azot İçeriği Düşük Atıksuların Havadan Azot Bağlayan Bakteriler Yardımıyla KesikliSistemde Biyolojik ArıtımıSerpil ÖZMIHÇISonuçta, en etkili performansı %84’lük TOC giderme verimiyle Azotobacter ilaveli aktifçamur göstermiştir.900800700600TOC (mg/L)50040030020010000 1 2 3 4 5Zaman (gün)! Aktif çamur,$ Azotobacter vinelandii, ! Aktif çamur & Azotobacter vinelandiiŞekil 2. TN/KOİ oranının 0/100 olduğu ortamda değişik kültürlerde TOC derişimininzamanla değişimi. Başlangıç KOİ derişimi 2000 mg/l ve karbon kaynağı glukozdur.Şekil 3, TN/KOI oranı 1/100 iken TOC derişimlerinin zamanla değişimini göstermektedir vebaşlangıç KOİ’si 2000 mg/l’dir. En yüksek TOC giderme verimi 3 günde Azotobacter’in aktifçamurla karıştırıldığı durumda elde edilmiştir. Azotobacter tek başına kullanıldığında karışıkkültürden daha uzun bir sürede giderim sağladığı halde, 6 günde yüksek TOC gidermeverimleri elde edilmiştir. Aktif çamur kültürü tek başına kullanıldığında, atıksuyun azotiçeriği düşük olduğundan Azotobacter içeren kültürlerden çok daha düşük bir performansgöstermiştir. Sonuçlar, Azotobacterin azot içeriği düşük atıksulardan TOC gideriminde etkinolduğunu açıkça ortaya koymaktadır.TOC(mg/L)100090080070060050040030020010000 2 4 6Time (gün)! Activated Sludge,$ Azotobacter vinelandii, ! Activated Sludge & Azotobacter vinelandiiŞekil 3: TN/KOİ oranının 1/100 olduğu ortamda değişik kültürlerde TOC derişimininzamanla değişimi. Başlangıç KOI derişimi 2000 mg/l ve karbon kaynağı glukozdur.426

Azot İçeriği Düşük Atıksuların Havadan Azot Bağlayan Bakteriler Yardımıyla KesikliSistemde Biyolojik ArıtımıSerpil ÖZMIHÇIŞekil 4, TN/KOİ oranının 2/100 olduğu durumda farklı kültürlerin TOC giderme verimlerinigöstermektedir. Benzer bir şekilde en iyi performans Azotobacter eklenmiş aktif çamurdagörülmektedir. Bu flaskta, 3 günde %95 TOC giderme verimi elde edilmiştir. SafAzotobacter kültüründe 80 mg/l çıkış TOC’yle toplam % 90 TOC giderme verimineulaşılmıştır. Aktif çamur kültüründe TOC giderme verimi %55’lerde kalmıştır. Kontrolflaskında herhangi bir aktivite gözlemlenmemiştir. Sonuç itibariyle saf Azotobacter kültürü veaktif çamurla karıştırılmış olan Azotobacter TOC gideriminde çok etkilidir.900800700600TOC (mg/L)50040030020010000 1 2 3 4 5Zaman (gün)! Aktif çamur,$ Azotobacter vinelandii, ! Aktif çamur & Azotobacter vinelandiiŞekil 4: TN/KOİ oranının 2/100 olduğu ortamda değişik kültürlerde TOC derişimininzamanla değişimi. Başlangıç KOI derişimi 2000 mg/l ve karbon kaynağı glukozdur.Benzer bir çalışma başlangıç TN/KOİ oranı 4/100 iken tekrarlanmıştır. Şekil 5’te görüldüğügibi en yüksek TOC giderme verimi Azotobacter ilaveli aktif çamurda görülmektedir. Bir kaçgünde %90’lık TOC giderme verimi elde edilmiştir. Onu takip eden Azotobacter kültürüyle 5günde %80’lik verime ulaşılmıştır. Nispeten yüksek azot içeriği olan bu ortamda aktif çamurile de %70 TOC giderme verimi görülmektedir.1000900800700TOC(mg l -1 )60050040030020010000 1 2 3 4 5 6Time (gün)! Aktif Çamur,$ Azotobacter vinelandii, ! Aktif Çamur & Azotobacter vinelandiiŞekil 5: Değişik kültürlerde TN/KOİ oranının 4/100 olduğu durumda TOC derişimininzamanla değişimi.Giriş KOİ derişimi 2000 mg/l ve karbon kaynağı glukozdur.427

Azot İçeriği Düşük Atıksuların Havadan Azot Bağlayan Bakteriler Yardımıyla KesikliSistemde Biyolojik ArıtımıSerpil ÖZMIHÇITN/KOİ oranı 8/100 olduğu durumda kültürler 5 günlük periotta birbirine yakın sonuçlarvermiştir. Sonuçlar Şekil 6’da gösterilmiştir. Azot kısıtlamasının olmadığı bu durumda dahiAzotobacter’li aktif çamur ortamının aktif çamur kadar etkili olduğu gözlenmiştir. 3 günsonunda aktif çamur ve Azotobacter eklenmiş aktif çamurda çıkış TOC’si 50 mg/l olup,%95’lere varan bir TOC giderme verimi vardır. Saf Azotobacterli flaskta ise 120 mg/l çıkışTOC’si ile birlikte % 87 TOC giderme verimi gözlenmiştir. Saf Azotobacter kültürünün azotkısıtlaması olmayan ortamlarda aktif çamur kadar etkili olmadığı görülmektedir.TOC(mg/L)100090080070060050040030020010000 1 2 3 4 5 6Zaman (gün)! Aktif Çamur,$ Azotobacter vinelandii, ! Aktif Çamur & Azotobacter vinelandiiŞekil 6: Değişik kültürlerde TN/KOİ oranının 8/100 olduğu durumda TOC derişimininzamanla değişimi.Giriş KOİ derişimi 2000 mg/l ve karbon kaynağı glukozdur.Değişik TN/KOİ oranlarında yapılan deneyler; TN/TOC giriş oranlarının TOC çıkışkonsantrasyonu ve TOC giderme verimlerine karşı grafiği Şekil 7’de her üç kültür ortamı içingösterilmiştir. Saf Azotobacter kültüründe ve aktif çamurda, TN/TOC oranları artıkça, TOCgiderme verimleri artmış ve çıkış TOC konsantrasyonları düşmüştür. Ancak Azotobacterilave edilmiş aktif çamur kültüründe TN/TOC oranlarının artmasıyla TOC giderme verimihemen hemen % 95 oranında sabit kalmış ve çıkış TOC’si de 100 mg/l altında kalmıştır.Yüksek TN/TOC oranlarında (TN/TOC>12) üç kültürün performansları birbirleriylekarşılaştırılabilir durumdadır. Ancak düşük TN/TOC oranlarında (TN/TOC

Azot İçeriği Düşük Atıksuların Havadan Azot Bağlayan Bakteriler Yardımıyla KesikliSistemde Biyolojik ArıtımıSerpil ÖZMIHÇITOCe (mg/ l)80070060050040030020010012010080604020TOC giderme verimi (%)00 2 4 6 8 10 12 14 16 18(TN/TOC) o▲, Δ Activated Sludge □,■ Azotobacter vinelandii ,Activated sludge with AzotobactervinelandiiŞekil 7: Çıkış TOC derişimleri ve TOC giderme verimlerinin TN/TOC oranlarına karşıdeğişimleri. Giriş KOİ derişimi 2000 mg/l ve karbon kaynağı glukozdur.Şekil 8’de de sonuçlar ve giriş TN/TOC oranlarına karşı TOC giderme hızları her üç kültüriçin de gösterilmektedir. Azotobacter’li aktif çamur kültürü TN/TOC oranları değişimindenetkilenmemekte ve TOC giderme hızları TOC giderme verimlerinin benzer olduğudurumlarda nerdeyse sabit kalmaktadır. (180 mgTOC/l d).Azot içeriğinin düşük olduğudurumlarda aktif çamur kültürü azot eksikliğinden etkilenmekte ve iyi performansgösterememektedir. Bunun yanı sıra TOC giderme hızı da artan TN/TOC oranlarıylaartmaktadır. Aktif çamurla elde edilen maximum TOC giderme hızı TN/TOC oranı 18 iken170 mg TOC/l d.’dür. Saf Azotobacter kültüründe ise TN/TOC oranları düşük olduğunda(TN/TOC

Azot İçeriği Düşük Atıksuların Havadan Azot Bağlayan Bakteriler Yardımıyla KesikliSistemde Biyolojik ArıtımıSerpil ÖZMIHÇIYORUMLARAzotobacter vinelandii, Aktif çamur ve Azotobacter ilave edilmiş aktif çamur kültürlerininTOC giderme performansları değişik TN/KOİ oranlarında kesikli sistemde çalkalamalı flaskdeneyleriyle incelenmiştir. Azotobacter ilavesi ile azot içeriği düşük sentetik atıksulardanTOC giderimi yüksek verimle gerçekleştirilmiştir. TN/KOİ 6 olduğu ortamlarda etkin arıtma verimlerigösterememiştir. Sonuçlar, Azotobacter kültürünün hem saf olarak hem de aktif çamurlakarıştırıldığı durumlarda, azot içeriği düşük atıksuların arıtımında etkin olduğunu açıkçaortaya koymaktadır.KAYNAKLARBalis C., Chatzipavlidis J., Flouri F. 1996. “Olive mill waste as a substrate for nitrogenfixation”. Int. Biodet. Biodeg. 169-174.Ehaliotis C., Papadopoulou K., Kotsou M., Mari I., Balis C. 1999. “Adaptation andpopulation dynamics of Azotobacter vinelandii during aerobic biological treatment of olive–mill wastewater” FEMS Microbiol. Ecology. 30. 301-311.Fiorelli F., Pasetti L., Galli E. 1996.“Fertility-promoting metabolites produced by Azotobactervinelandii grown on olive-mill wastewater.Int. Biodet.Biodeg.165-167 Gapes D.J., Frost N.M,Colark T.A., Dare P., Hunter R. G., Slade A.H.1999“Nitrogen fixation in treatment of pulp and paper wastewaters”. Water Sci Tecnol. 40 (11-12). 85-92Gapes, D.J., Frost, N.M., Colark, T.A., Dare, P., Hunter, R. G., Slade, A.H. 1999. Nitrogenfixation in treatment of pulp and paper wastewaters. Water Sci.Technol. 40 (11-12), 85-92.Graham P.H., Vance C.P. 1999 “Nitrogen fixation in perspective: an overview of research andextension needs”. Field Crops Research,; 65. 93-106Onwurah I.N.E. 1998. “Biochemical oxygen demand exertion and glucose uptake kinetics ofAzotobacter in crude oil polluted medium”. Environ. Contamin. Toxicology. 60. 646-471Kargı F.,Özmıhçı S 2002 “Performance of Azotobacter supplemented activated sludge inbiological treatment of nitrogen deficient wastewater” Process Biochemistry 38. 57-64Papadelli M., Roussis A., Papadopoulou A., Venenieraki A., Chatzipavlidis I., Katinakis P.,Ballis C. 1996 “Biochemical and molecular characterization of an Azotobacter vinelandiistrain with respect to its ability to grow and fix nitrogen in olive mill wastewater”. Int. Biodet.Biodeg.. 179-181Pasetti. L, Fiorelli F,Tomati U.1996. “Azotobacter biomass production from olive millwastewater for heavy metal recovery”. Int. Biodet. Biodeg. 163-164.Prantera MT, Drozdowicz A, Leite SG, Rosado AS 2002 “Degradation of gasoline aromatichydrocarbons by two N2-fixing soil bacteria” Biotechnol.Lett. 24:85-89Tchobanoglous G, Burton FL 1991 “Waste water engineering: treatment, disposal and reuse,3. Baskı USA: Mc Graw HillYates MG, Souza EM, Kahindis JH 1996 “ Oxygen, hydrogen and nitrogen fixation inAzotobacter” Soil Biol. Biochem.29:863-869430