Ardışık Yatay Ve Düşey Akışlı Yüzeyaltı Arıtma Sistemi İle Azot Gideriminin Araştırılması

(1)

İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

DOKTORA TEZİ Nur FINDIK HECAN

Anabilim Dalı : Çevre Mühendisliği

Programı : Çevre Bilimleri ve Mühendisliği

NİSAN 2010

ARDIŞIK YATAY VE DÜŞEY AKIŞLI YÜZEYALTI ARITMA SİSTEMİ İLE AZOT GİDERİMİNİN ARAŞTIRILMASI

(2)

(3)

NİSAN 2010

İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

DOKTORA TEZİ Nur FINDIK HECAN

(501022365)

Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 06 Ekim 2009 Tezin Savunulduğu Tarih : 07 Nisan 2010

Tez Danışmanı : Prof. Dr. Lütfi AKÇA (İTÜ)

Eş Danışman : Dr. Selma AYAZ (TÜBİTAK MAM) Diğer Jüri Üyeleri : Prof. Dr. Nazik ARTAN (İTÜ)

Prof. Dr. Cumali KINACI (İTÜ) Prof. Dr. Delya SPONZA (DEÜ) Doç. Dr. Mustafa YAZGAN (İTÜ)

Doç. Dr. Ahmet KARAGÜNDÜZ (GYTE) ARDIŞIK YATAY VE DÜŞEY AKIŞLI YÜZEYALTI ARITMA SİSTEMİ İLE AZOT

(4)

(5)

Canım Anneme,

(6)

(7)

ÖNSÖZ

Tez çalışmam sırasında maddi manevi desteğini esirgemeyen tüm hocalarıma, iş arkadaşlarıma, dostlarıma ve aileme çok teşekkür etmek istiyorum;

Değerli hocam Prof. Dr. Sayın Lütfi AKÇA’ya çok yoğun çalışma temposu içinde bana zaman ayırdığı, değerli tecrübeleri ve eleştirileri ile bana yol gösterdiği için, Eş danışmanım Dr. Sayın Selma AYAZ’a, Proje yürütücüsü ve eş danışmanım olarak sağladığı kolaylıklar ve tüm yardımları için,

Değerli hocalarım Prof. Dr. Sayın Nazik ARTAN’a, Doç. Dr. Sayın Ahmet KARAGÜNDÜZ’e, Prof. Dr. Sayın Cumali KINACI’ya, Doç. Dr. Sayın Güçlü İNSEL’e değerli görüşleri ve eleştirileri ile tez çalışmamın gelişimine sağladıkları önemli katkı için,

TÜBİTAK MAM Çevre Enstitüsü Müdürü Doç. Dr. Sayın Mustafa TIRIS’a, Müdür Yardımcısı Dr. Sayın Ahmet BABAN’a, Laboratuvar Sorumlusu Sayın Hüseyin Rahmi YILMAZ’a, tez çalışmamı yürütmem için sağladıkları kolaylıklar için,

ÇE Su ve Atıksu Laboratuvarının uzman teknisyenlerine; Sayın Özcan İNAL’a ve Sayın Nail ERDOĞAN’a benimle birlikte geçirdikleri yoğun mesai, verdikleri emek için, Sayın Gülcan Enginsoy’a, Sayın Deniz ÇALIŞKAN’a, Sayın Coşkun Duman’a, Sayın Sedat Çelik’e, Sayın Kenan Sapmaz’a ve Sayın İlker Bakır’a analizlerimi yapabilmem için sağladıkları tüm kolaylıklar ve yardımlar için,

TÜBİTAK MAM Yapım İşletme Biriminin Mekanik, Elektrik ve İnşaat Atelyelerinin çok değerli teknisyenlerine gösterdikleri titizlik ve yardımseverlikleri için,

Çok sevgili eşim Ersin’e sevgisi ve güveniyle sürekli yanıbaşımda olduğu, çalışma azmi verdiği, doktora sürecinde gösterdiği tüm fedakarlıklarla hayatımı kolaylaştırdığı için,

‘İyi günde kötü günde’ hep bir arada olmayı bana öğreten ve doktora sürecinde de her ihtiyacım olduğunda hemen yanımda bulduğum çok değerli annem Cahide, babam Hüseyin’e, zor olan herşeyi kolaylaştırdıkları, maddi manevi destekleri için, Canım ablam Gül, eniştem Emre, kardeşim Niyazi’ye bana olan inançları ile bana güç verdikleri, yol gösterdikleri için ve uğur böceğim Ahmet Kaan’ıma varlığı için, Canım Elifime, deneysel çalışmalarımı tasarlarken, yürütürken ve tezimi yazarken her ihtiyacım olduğunda hemen yanıbaşımda olduğu, değerli fikirleri, yorumları ile zihnimi açtığı, dostluğu ile bana güç verdiği için,

Sevgili Ali’ye, bilgisi ve farklı bakış açısıyla bana yol gösterdiği için,

Canım dostum Ceren’e tüm yardımları, çalışmamın her aşamasında beni yüreklendirdiği, eğlendirdiği ve destek olduğu için,

Sevgili Elis’e, Betül’e ve Sinem’e tez çalışmam sırasında sahada ve laboratuvarda yaptıkları tüm yardımlar, samimiyetleri ve çalışkanlıkları için,

Çok sevgili arkadaşlarım Nuray’a, Ersan’a, Selda’ya, Aslı’ya, İbrahim’e, Hande’ye, Esra’ya, Başak’a, Tuğba’ya, Deniz’e, Emine’ye, Sinan’a, Merve’ye, Volkan’a tüm destekleri için,

(8)

(9)

İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖNSÖZ ... v

İÇİNDEKİLER ... vii

KISALTMALAR ... xi

ÇİZELGE LİSTESİ ... xiii

ŞEKİL LİSTESİ ... xv

ÖZET ... xix

SUMMARY ... xxi

1. GİRİŞ ... 1

1.1 Çalışmanın Anlamı ve Önemi ... 1

1.2 Çalışmanın Amacı ve Kapsamı ... 3

2. YAPAY SULAKALANLARIN ÇEŞİTLERİ, ÖZELLİKLERİ VE GELİŞİMİ ... 5

2.1 Yapay Sulakalan Tipleri ... 6

2.1.1 Serbest yüzey (yüzeysel) akışlı yapay sulakalan sistemleri – SYAS ... 6

2.1.2 Yüzeyaltı akışlı yapay sulakalan sistemleri (YAAS) ... 7

2.1.2.1 Yatay yüzeyaltı akışlı yapay sulakalan sistemleri (Y-YAAS) 7 2.1.2.2 Düşey yüzeyaltı akışlı yapay sulakalan sistemleri (D-YAAS) 7 2.1.3 Hibrid (Birleşik) yapay sulakalan sistemleri ... 8

2.2 Yapay Sulakalanlarda Ön Arıtma Tipleri ... 9

2.3 Yapay Sulakalanların Avantaj ve Dezavantajları ... 9

3. YAPAY SULAKALANLARDA GİDERİM MEKANİZMALARI ... 11

3.1 Amonyak Uçuculaşması ... 13 3.2 Amonifikasyon (Mineralizasyon) ... 13 3.3 Nitrifikasyon ... 14 3.4 Nitrat Amonifikasyonu ... 16 3.5 Denitrifikasyon ... 17 3.6 Azot Sabitlenmesi ... 19

3.7 Bitki Bünyesine Alma ve Asimilasyon ... 19

3.8 Adsorpsiyon ... 20

3.9 Çökelme ... 21

3.10 Giderim Mekanizmalarına Genel Bakış ... 21

3.11 Yapay Sulakalanlarda Nitrifikasyon – Denitrifikasyon Verimini Artırmaya Yönelik Çalışmalar ... 24

3.11.1 Düşey akışlı yapay sulakalanlar ve nitrifikasyon verimi ... 24

3.11.2 Yatay akışlı yapay sulakalanlar ve denitrifikasyon verimi ... 29

3.12 Anaerobik Ön Arıtma ve Yapay Sulak Alan Uygulamaları ... 29

4. MATERYAL VE METOD ... 33

4.1 Yüzeyaltı Akışlı Arıtma Sistemi ... 33

4.2 Atıksu Özelliği ... 35

4.3 Sistemin Tanıtılması ... 36

4.4 Sistemde İzlenen Fiziksel ve Kimyasal Parametreler ... 38

4.5 Deneysel Çalışma ve Değerlendirme Yöntemi ... 41

5. İKİ KADEMELİ YAPAY SULAKALAN SİSTEMİNE AİT DENEYSEL VERİLERİN DEĞERLENDİRİLMESİ ... 43

(10)

5.2 Hidrolik Yükün Sistem Performansına Etkisi ... 43

5.2.1 Yatay akışlı sisteme ait çevresel faktörler ... 44

5.2.1.1 pH değişimi 44 5.2.1.2 Sıcaklık değişimi 44 5.2.2 Yatay akışlı sistemin farklı HYH değerlerinde performansı ... 45

5.2.2.1 AKM giderimi 45 5.2.2.2 KOİ giderimi 45 5.2.2.3 Azot giderimi 46 5.2.3 Düşey akışlı sisteme ait çevresel faktörler ... 48

5.2.3.1 pH değişimi 48 5.2.3.2 Sıcaklık değişimi 49 5.2.4 Düşey Akışlı Sistemin Farklı HYH Derğerlerinde Performansı ... 49

5.2.4.1 AKM değişimi 49 5.2.4.2 Azot giderimi 49 5.2.4.3 KOİ giderimi 54 5.3 Doldur-boşalt Mekanizması ve Oksijen Transfer Hızının Sistem Performansına Etkisi ... 55

5.4 Geri Devrin Sistem Performansına Etkisi ... 59

5.4.1 Ardışık yüzeyaltı akışlı sistemlerde (YAAS) anaerobik ön arıtma sonrası geri devirli arıtımı ... 60

5.4.1.1 Yatay akışlı sisteme ait çevresel faktörler 60 pH değişimi 60 Sıcaklık değişimi 61 5.4.1.2 Yatay akışlı sistemin geri gevirli dönem performansı 61 KOİ giderimi 61 Azot giderimi 63 5.4.1.3 Düşey akışlı sisteme ait çevresel faktörler 65 pH değişimi 65 Sıcaklık değişimi 65 5.4.1.4 Düşey akışlı sistemin geri devirli dönem performansı 66 KOİ giderimi 66 Azot giderimi 68 5.4.1.5 Anaerobik ön arıtma sonrası ardışık sistemin geri devirli işletme performansı 72 KOİ giderimi 72 Azot giderimi 73 5.4.2 Yüzeyaltı akışlı ardışık sistemlerde (YAAS) ön arıtmasız geri devirli arıtım ... 74

5.4.2.1 Yatay akışlı sisteme ait çevresel faktörler 75 pH değişimi 75 Sıcaklık değişimi 75 5.4.2.2 Yatay akışlı sistemin ön arıtmasız geri devirli dönem performansı 75 KOİ giderimi 75 Azot giderimi 77 5.4.2.3 Düşey akışlı sisteme ait çevresel faktörler 78 pH değişimi 78 Sıcaklık değişimi 78 5.4.2.4 Düşey Akışlı Sistemin Ön Arıtmasız Geri Devirli Dönem Performansı 78 Azot giderimi 78 KOİ giderimi 81 5.5 Ön Arıtmanın Ardışık İki Kademeli Sistem Performansına Etkisi ... 83

5.6 Geri Devrin Ardışık İki Kademeli Sistem Performansına Etkisi ... 86

5.7 Geri Devirli Sistemde Nitrifikasyon ve Denitrifikasyon Performansı ... 89

(11)

5.7.2 Denitrifikasyon performansı ... 91

6. İKİ KADEMELİ ARDIŞIK YÜZEYALTI AKIŞLI SİSTEMİN ÇOK DEĞİŞKENLİ İSTATİSTİKİ ANALİZ YÖNTEMİ İLE DEĞERLENDİRİLMESİ ... 95

6.1 Toplam Kjeldahl Azotu; TKN ... 95

6.2 Nitrat Azotu; NO3--N ... 98

7. SONUÇ VE DEĞERLENDİRME ... 101

KAYNAKLAR ... 107

EKLER ... 113

(12)

(13)

KISALTMALAR

YAAS : Yüzey Altı Akışlı Sistem Y-YAAS : Yatay Yüzeyaltı Akışlı Sistem D-YAAS : Düşey Yüzeyaltı Akışlı Sistem HYH : Hidrolik Yükleme Hızı

R : Geri Devir Oranı OTH : Oksijen Transfer Hızı OTüH : Oksijen Tüketim Hızı KOİ : Kimyasal Oksijen İhtiyacı BOİ : Biyokimyasal Oksijen İhtiyacı

AKM : Askıda Katı Madde

TKN : Toplam Kjehldahl Azotu

TN : Toplam Azot

(14)

(15)

ÇİZELGE LİSTESİ

Sayfa

Çizelge 2.1 : Yapay sulakalanların avantaj ve dezavantajları. ... 10

Çizelge 3.1 : Sulak alanlarda azot dönüşüm hızları, optimum sıcaklık ve pH değerleri. ... 24

Çizelge 3.2 : YSAS’de oksijen transfer hızı (OTH) ve arazi ihtiyacı. ... 28

Çizelge 3.3 : Anaerobik ön arıtmalı yapay sulak alan uygulaması performansı. ... 31

Çizelge 4.1 : Reaktörlerin genel özellikleri. ... 36

Çizelge 4.2 : Deneysel çalışma sistematiği. ... 39

Çizelge 4.3 : Sistemde izlenen parametreler. ... 39

Çizelge 4.4 : Analiz yöntemleri, cihazlar, ölçüm aralıkları ve belirsizlikler. ... 40

Çizelge 5.1 : Sistem girişinde atıksu karakterizasyonu. ... 44

Çizelge 5.2 : Y-YAAS’de farklı HYH değerlerinde pH. ... 44

Çizelge 5.3 : Y-YAAS’de farklı HYH değerlerinde sıcaklık değerleri. ... 44

Çizelge 5.4 : Y-YAAS’de farklı HYH değerlerinde çıkış AKM değerleri. ... 45

Çizelge 5.5 : Y-YAAS’de hidrolik yükleme hızı (HYH) KOİ giderimi ilişkisi. ... 46

Çizelge 5.6 : D-YAAS’de farklı HYH değerlerinde pH. ... 49

Çizelge 5.7 : D-YAAS’de farklı HYH değerlerinde sıcaklık. ... 49

Çizelge 5.8 : D-YAAS’de farklı HYH değerlerinde çıkış AKM değerleri. ... 49

Çizelge 5.9 : D-YAAS’de hidrolik yükleme hızı TKN ve NH4+-N giderimi ilişkisi. ... 52

Çizelge 5.10 : Oksijen transfer hızı (OTH) ve arazi ihtiyacı. ... 56

Çizelge 5.11 : Hidrolik yükleme hızına (HYH) bağlı oksijen transfer hızı (OTH) ve amonyum giderimi. ... 57

Çizelge 5.12 : Y-YAAS’de farklı geri devir oranlarında pH değerleri. ... 61

Çizelge 5.14 : Farklı geri devir oranlarında Y-YAAS’de KOİ konsantrasyonu. ... 61

Çizelge 5.15 : Farklı geri devir oranlarında Y-YAAS’de azot konsantrasyonu. ... 64

Çizelge 5.16 : D-YAAS’de farklı geri devir oranlarında pH değerleri. ... 65

Çizelge 5.17 : D-YAAS’de farklı HYH değerlerinde sıcaklık değerleri. ... 65

Çizelge 5.18 : Farklı geri devir oranlarında D-YAAS’de KOİ konsantrasyonu. ... 66

Çizelge 5.19 : Farklı geri devir oranlarında D-YAAS’de azot konsantrasyonu. ... 68

Çizelge 5.20 : Farklı geri devir oranlarında D-YAAS’de azot konsantrasyonu. ... 72

Çizelge 5.21 : Farklı geri devir oranlarında sistemde KOİ konsantrasyonu. ... 73

Çizelge 5.22 : Farklı geri devir oranlarında sistemde azot konsantrasyonu. ... 73

Çizelge 5.23 : Anaerobik ön arıtmadan geçen evsel atıksuyun farklı geri devir oranlarında giriş – çıkış konsantrasyonu. ... 74

Çizelge 5.24 : Y-YAAS’de farklı geri devir oranlarında pH değerleri. ... 75

Çizelge 5.26 : Ön arıtmalı ve ön arıtmasız sistemlerde KOİ konsantrasyonu. ... 76

Çizelge 5.27 : Anaerobik ön arıtmalı ve ön arıtmasız sistemler için Y-YAAS TKN ve NH+ 4-N konsantrasyon değerleri. ... 77

Çizelge 5.28 : D-YAAS’de farklı geri devir oranlarında pH değerleri. ... 78

Çizelge 5.29 : D-YAAS’de farklı HYH değerlerinde sıcaklık değerleri. ... 78

Çizelge 5.30 : Anaerobik ön arıtmalı ve ön arıtmasız sistemler için D-YAAS TKN ve NH4+-N konsantrasyon değerleri. ... 79

Çizelge 5.31 : Anaerobik ön arıtmalı ve ön arıtmasız sistemler için D-YAAS’de TN ve NO3-N konsantrasyonu değerleri. ... 79

(16)

Çizelge 5.32 : Anaerobik ön arıtmalı ve ön arıtmasız sistemler için D-YAAS’de giriş

– çıkış KOİ konsantrasyonu değerleri. ... 82

Çizelge 5.33 : Anaerobik ön arıtmalı ve ön arıtmasız işletme dönemine ait sistem giriş çıkış kirletici konsantrasyonu. ... 83

Çizelge 5.34 : Ön arıtmalı ve geri devirli ve geri devirsiz işletme dönemlerine ait sistem giriş çıkış kirletici konsantrasyonu. ... 86

Çizelge 5.35 : Farklı işletme dönemlerinde sistem performansı. ... 86

Çizelge 5.36 : Sisteme ait deşarj değerlerinin çevre mevzuatına uygunluğu. ... 88

Çizelge 5.37 : Sistem performansının benzer çalışmalar ile mukayesesi. ... 89

Çizelge 5.38 : Alkalinite ve OTH değerlerinin nitrifikasyon prosesi için yeterliliği. ... 91

(17)

ŞEKİL LİSTESİ

Sayfa

Şekil 1.1 : Sistemin akım şeması. ... 4

Şekil 3.1 : Azot dönüşüm mekanizmaları. ... 12

Şekil 3.2 : Denitrifikasyon sırasında ardışık olarak oluşan ürünlerin zamana bağlı değişimi. ... 18

Şekil 4.1 : Sistemin genel görünümü. ... 33

Şekil 4.2 : Geri devirli sistemin şematik gösterimi. ... 35

Şekil 4.3 : Yatay ve düşey yüzeyaltı akışlı sistem konfigürasyonu / filtre yatağı özellikleri (a) Y-YAAS (b) D-YAAS. ... 37

Şekil 5.1 : Geri devirsiz işletme dönemine ait sistem akım şeması. ... 43

Şekil 5.2 : Y-YAAS’de farklı hidrolik yüklerde KOİ giderim oranı. ... 46

Şekil 5.3 : Y-YAAS’de farklı hidrolik yüklerde TKN giderim oranı. ... 47

Şekil 5.4 : Y-YAAS’de farklı hidrolik yüklerde NH+ 4-N giderim oranı. ... 48

Şekil 5.5 : D-YAAS’de farklı hidrolik yüklerde TKN giderim oranı. ... 50

Şekil 5.6 : D-YAAS’de farklı hidrolik yüklerde NH+ 4-N giderim oranı. ... 51

Şekil 5.7 : D-YAAS’de farklı hidrolik yüklerde giderilen TKN ve NH+ 4-N yükü. ... 53

Şekil 5.8 : D-YAAS’de HYH NH4+-N ve ∆NOx-N ilişkisi. ... 54

Şekil 5.9 : D-YAAS’de farklı hidrolik yüklerde KOİ giderim oranı. ... 55

Şekil 5.10 : HYH değerlerine bağlı olarak OTH değişimi. ... 57

Şekil 5.11 : OTH – ∆NOx-N ilişkisi. ... 58

Şekil 5.12 : HYH – ∆NOx-N ilişkisi. ... 58

Şekil 5.13 : Anaerobik ön arıtmalı geri devirli sistem akım şeması. ... 60

Şekil 5.14 : Ön arıtmasız geri devirli sistem akım şeması. ... 60

Şekil 5.15 : Y-YAAS’de farklı geri devir oranlarında KOİ giderim verimi. ... 62

Şekil 5.16 : Y-YAAS’de geri devir oranı - KOİ giderim verimi İlişkisi. ... 63

Şekil 5.17 : Y-YAAS’de geri devir oranı - KOİ çıkış konsantrasyonu ilişkisi. ... 63

Şekil 5.18 : Y-YAAS’de geri devir oranı - TN çıkış konsantrasyonu İlişkisi. ... 65

Şekil 5.19 : D-YAAS’de farklı geri devir oranlarında KOİ giderim verimi. ... 67

Şekil 5.20 : D-YAAS’de geri devir oranı - KOİ giderim verimi ilişkisi. ... 67

Şekil 5.21 : D-YAAS’de farklı geri devir oranlarında TKN giderim verimi. ... 69

Şekil 5.22 : D-YAAS’de farklı geri devir oranlarında NH+ 4-N giderim oranı. ... 69

Şekil 5.23 : D-YAAS’de geri devir oranı - TKN giderim oranı ilişkisi. ... 70

Şekil 5.24 : D-YAAS’de geri devir oranı - NH+ 4-N giderim oranı ilişkisi. ... 70

Şekil 5.25 : Farklı geri devir oranında D-YAAS ‘de NO3-N çıkış konsantrasyonları. 71 Şekil 5.26 : Anaerobik ön arıtmalı geri devirli sistem akım şeması. ... 72

Şekil 5.27 : Ön arıtmasız geri devirli sistem akım şeması. ... 74

Şekil 5.28 : Y-YAAS’de ön arıtmalı ve ön arıtmasız işletmede KOİ giderim verimi. 76 Şekil 5.29 : Y-YAAS’de anaerobik ön arıtma - KOİ giderim verimi ilişkisi. ... 77

Şekil 5.30 : D-YAAS’de ön arıtmalı ve ön arıtmasız işletmede TKN giderim oranı. . 80

Şekil 5.31 : D-YAAS’de ön arıtmalı ve ön arıtmasız işletmede NH+ 4-N giderim oranı ... 80

Şekil 5.32 : D-YAAS’de ön arıtma - TKN giderim oranı ilişkisi. ... 81

Şekil 5.33 : D-YAAS’de ön arıtma – NH4+-N giderim verimi ilişkisi. ... 81

(18)

Şekil 5.35 : D-YAAS’de ön arıtma – KOİ giderim verimi İlişkisi. ... 83

Şekil 5.36 : Sistemde ön arıtmalı ve ön arıtmasız işletme dönemlerinde KOİ giriş çıkış konsantrasyonları (a) ön arıtmasız (b) ön arıtmalı. ... 84

Şekil 5.37 : Sistemde ön arıtmalı ve ön arıtmasız işletme dönemlerinde TN giriş çıkış konsantrasyonları (a) ön arıtmasız (b) ön arıtmalı... 85

Şekil 5.38 : Farklı işletme dönemlerinde TN giderimi açısından sistem performansı. ... 87

Şekil 5.39 : Farklı işletme dönemlerinde KOİ giderimi açısından sistem performansı. ... 88

Şekil 6.1 : Y-YAAS’de çıkış TKN değerlerinin tahmin edilebilirliği.96 Şekil 6.2 : Y-YAAS’de çıkış TKN çıkış regresyon verileri ile deneysel verilerin uyumu. ... 96

Şekil 6.3 : D-YAAS’de çıkış TKN değerlerinin tahmin edilebilirliği. ... 98

Şekil 6.4 : D-YAAS’de TKN çıkış regresyon verileri ile deneysel verilerin uyumu. .. 98

Şekil 6.5 : D-YAAS’de çıkış NO3-N değerlerinin tahmin edilebilirliği. ... 99

Şekil 6.6 : D-YAAS’de NO3-N çıkış regresyon verileri ile deneysel verilerin uyumu ... 100

Şekil A.1 : Y-YAAS 1 giriş – çıkış KOİ konsantrasyonu; HYH 408l/m2_{.gün ... 115}

Şekil A.4 : Y-YAAS 1 giriş – çıkış TKN konsantrasyonu; HYH 408l/m2_{.gün ... 116}

Şekil B.1 : D-YAAS 1 giriş – çıkış KOİ konsantrasyonu; HYH 408l/m2_{.gün ... 121}

Şekil B.4 : D-YAAS 1 giriş – çıkış TKN konsantrasyonu; HYH 408l/m2_{.gün ... 122}

Şekil C.1 : R: %50 için Y-YAAS 1 giriş – çıkış KOİ konsantrasyonu ... 127

Şekil C.5 : R: %50 için Y-YAAS 1 giriş – çıkış TKN konsantrasyonu ... 129

Şekil D.1 : R: %50 için D-YAAS 1 giriş – çıkış KOİ konsantrasyonu ... 131

Şekil D.5 : R: %50 için D-YAAS 1 giriş – çıkış TKN konsantrasyonu ... 133

Şekil E.1 : Y-YAAS’de farklı hidrolik yüklerde KOİ giderim oranı (a) Y-YAAS 1 (b) Y-YAAS 2. ... 135

(19)

Şekil E.2 : Y-YAAS’de farklı hidrolik yüklerde TKN giderim oranı (a) Y-YAAS 1 (b) Y-YAAS 2. ... 136 Şekil E.3 : Y-YAAS’de farklı hidrolik yüklerde NH+

4-N giderim oranı (a) Y-YAAS 1

(b) Y-YAAS 2. ... 137 Şekil F.1 : D-YAAS’de farklı hidrolik yüklerde TKN giderim oranı (a) D-YAAS 1

(b) D-YAAS 2. ... 139 Şekil F.2 : D-YAAS’de farklı hidrolik yüklerde NH4+-N giderim oranı (a) D-YAAS 1

(b) D-YAAS 2. ... 140 Şekil F.3 : D-YAAS’de farklı hidrolik yüklerde KOI giderim oranı (a) D-YAAS 1

(b) D-YAAS 2. ... 141 Şekil H.1 : D-YAAS’de farklı geri devir oranlarında KOİ giderim verimi (a) D-YAAS 1

(b) D-YAAS 2. ... 145 Şekil H.2 : D-YAAS’de farklı geri devir oranlarında TKN giderim verimi

(a) D-YAAS 1 (b) D-YAAS 2. ... 146 Şekil H.3 : D-YAAS’de farklı geri devir oranlarında NH4+-N giderim oranı ... 147

(a) D-YAAS 1 (b) D-YAAS 2. ... 147 Şekil I.1 : Y-YAAS’de ön arıtmalı ve ön arıtmasız işletmede KOİ giderim verimi

(a) Y-YAAS 1 (b) Y-YAAS 2. ... 149 Şekil I.2 : D-YAAS’de ön arıtmalı ve ön arıtmasız işletmede TKN giderim verimi

(a) D-YAAS 1 (b) D-YAAS 2. ... 150 Şekil I.3 : D-YAAS’de ön arıtmalı ve ön arıtmasız işletmede NH4+-N giderim verimi

(a) D-YAAS 1 (b) D-YAAS 2. ... 151 Şekil I.4 : D-YAAS’de ön arıtmalı ve ön arıtmasız işletmede KOİ giderim verimi

(20)

(21)

ARDIŞIK YATAY VE DÜŞEY AKIŞLI YÜZEYALTI ARITMA SİSTEMİ İLE AZOT GİDERİMİNİN ARAŞTIRILMASI

ÖZET

Bu çalışmanın amacı, ardışık yatay ve düşey akışlı yüzeyaltı arıtma sisteminde nitrifikasyon – denitrifikasyon potansiyelinin incelenmesi ve bu potansiyelin artırılması için işletme parametreleri ve sistem konfigürasyonu optimizasyonunun sağlanmasıdır. Bu amaçla sıcaklığın sabit tutulduğu iki kademeli bir yüzeyaltı arıtma sisteminde farklı hidrolik yüklerde nitrifikasyon verimi, nitrifikasyon için optimum hidrolik yük, optimum geri devir oranı ve buna bağlı denitrifikasyon potansiyeli üzerine deneysel araştırma yapılmıştır.

Çalışma kapsamında, Yatay Yüzeyaltı Akışlı Sistem (Y-YAAS) ve Düşey Yüzeyaltı Akışlı Sistem (D-YAAS)’den oluşan iki kademeli ardışık yatay ve düşey akışlı yüzeyaltı arıtma sistemi kurulmuştur. Sistemlerde dolgu malzemesi olarak nehir çakılı kullanılmıştır. Çalışmada TÜBİTAK MAM Gebze Yerleşkesi lojmanlarından kaynaklanan evsel atıksu kullanılmıştır

Geri devirli arıtma sisteminin, nitrat geri devrinin yapıldığı anoksik/oksik (A/O) aktif çamur sistemlerine benzer şekilde çalıştırılarak azot giderimi sağlanabileceğinin gösterilmesi hedeflenmiştir. Ardışık yatay ve düşey akışlı yüzeyaltı arıtma sistemi ile evsel atıksulardan azot giderimi üzerine, hidrolik yükleme hızının, doldur-boşalt mekanizmasının, geri devrin etkisi incelenmiştir. Ayrıca, nitrifikasyonun gerçekleştiği D-YAAS reaktörünün sürekli besleme – kesikli boşaltma yöntemiyle çalıştırılarak oksijen transfer hızının (OTH), dolayısıyla nitrifikasyon veriminin arttırılması hedeflenmiştir.

Ardışık yüzeyaltı akışlı arıtma sistemlerinde nitrifikasyon – denitrifikasyon potansiyeli incelenmiş ve bu potansiyelin artırılması için optimum işletme parametreleri ve sistem konfigürasyonu ortaya konmuştur. Deneysel çalışmalar sabit sıcaklık, 4 farklı hidrolik yükleme hızı (HYH), iki farklı geri devir oranı (R) ve aynı geri devir oranında ön arıtmalı ve ön arıtmasız iki farklı işletme tipi için olmak üzere 7 farklı grup deney yürütülmüştür.

Yatay yüzeyaltı akışlı sistemde (Y-YAAS), organik madde giderimi sağlanarak düşey yüzeyaltı akışlı sistemin (D-YAAS) organik madde yükünün hafifletilmesi, nitrifikasyon bakterilerinin YAAS ortamında daha avantajlı olması sağlanmıştır. D-YAAS’de drene edilen atıksu hacmine eşit hacimde hava ile yatak doldurularak nitrifikasyon prosesi için gerekli oksijenin ortama taşınması sağlanmıştır. Geri devir, sistemin azot giderim performansını artırmıştır.

Y-YAAS, D-YAAS’in organik madde yükünü azaltmış böylelikle D-YAAS’in nitrifikasyona yönelik işletilmesine imkan vermiştir. Sisteme geri devir uygulanmadan

işletilen ilk çalışma döneminde Y-YAAS’de elde edilen 80 l/m2_{.gün HYH değeri için}

%69±12, 120 l/m2_{.gün için %64±13, 240 l/m}2_{.gün için %60±14 oranında KOİ}

giderimi, D-YAAS’de nitrifikasyon bakterileri için daha rekabetçi bir ortam

sağlamıştır. Buna bağlı olarak bu dönemde D-YAAS’de 408 l/m2_{.gün HYH değeri}

için %83±11, 612 l/m2_{.gün HYH değeri için %67±11, 1224 l/m}2_{.gün HYH %50±8}

(22)

Sistemin doldur – boşalt işletme şekli nitrifikasyon performansını artırmıştır. Sistemin işletme şekli ile sisteme bir gün içinde etki eden oksijen miktarı artırılmıştır. Sisteme bir boşaltma anında transfer olan oksijen miktarı, ortalama 15 (14,56)

gO2/m2.devirdir. Sistemde hidrolik yükleme hızının artışına bağlı olarak boşaltma

peryodunun artışı, sistemin OTH (gO2/m2.gün) değerini artırmıştır. Bununla beraber

HYH değeri arttıkça sistemin bekletme (temas) süresi kısaldığı için atıksuyun oksijenle temas süresi kısalmaktadır. Sistem, HYH değeri deneysel çalışmadaki

maksimum değer olan 1224 l/m2.gün değerine ulaştığında görülen performans

düşüşü, sistemin temas süresinin kısalmasına bağlıdır. Bu sonuçlar göstermektedir ki D-YAAS’in nitrifikasyon kapasitesi, sisteme uygulanan HYH değeri ile doğrudan ilişkilidir.

Sistemin geri devirli ve geri devirsiz işletme dönemleri kıyaslandığında ise geri devrin, sistemin hem organik madde hem de azot giderim performansını artırdığı görülmektedir. Sistemin iki farklı geri devir oranı ile işletildiği dönemde sistem TN giderimi artmış ve deşarj konsantrasyonları düşmüştür. Anaerobik ön arıtmadan

geçirilmiş evsel atıksuyun geri devir uygulanmadan 612l/m2_{.gün HYH değeri ile}

işletildiği dönemde sistemin (Y-YAAS+D-YAAS) TN giderimi ortalama %22±12 iken, %50 geri devirli işletme döneminde %30±5 TN giderimi, %100 geri devirli dönemde ise %55±9 TN giderimi elde edilmiştir.

Sistemin anaerobik arıtma çıkışı ile geri devirli işletilmesine dair sonuçlar göstermiştir ki birinci kademe olan Y-YAAS’de KOİ giderimi %50 ve %100 geri devir oranları için yaklaşık olarak aynı mertebededir. Aynı şekilde her iki geri devir

oranında çıkış KOİ konsantrasyonları da aynı seviyelere düşürülmüştür. Geri devir

oranı artışının KOİ gideriminde büyük bir artış yaratmadığı ancak hedeflendiği gibi TN açısından %25’ten %55’e yükselen giderim elde edildiği görülmüştür.

120l/m2_{.gün (Y-YAAS) ve 612l/m}2_{.gün (D-YAAS) HYH ile geri devirli işletme}

döneminde sistem çıkışında ortalama 19mg/l (19±3) TN konsantrasyonu, 12 mg/l (12±8) KOİ konsantrasyonu sağlanmıştır. Bu değerler literatürde D-YAAS ve Y-YAAS tipinde YSAS için elde edilen deşarj konsantrasyonlarının altında değerlerdir.

Geri devirli ardışık sistemde, ortalama 22,9g KOİ/m2_{.gün yükü ve 6 g TN/m}2_.gün

yükü ile, birinci kademe (Y-YAAS) 0,8m2_{/kişi, ikinci kademe (D-YAAS) 0,2m}2_/kişi

olmak üzere toplam 1m2_{/kişi sistem alanı ile %95±3 KOİ, %55±9 TN giderimi}

sağlanmıştır.

Bu çalışma, TÜBİTAK MAM’da yürütülen “Düşük Masraflı Arıtma Teknolojilerinin Türkiye Şartlarına Göre Geliştirilmesi ve Marmara Bölgesi için Örnek Uygulama” başlıklı TÜBİTAK TARAL Projesi kapsamında gerçekleştirilmiştir.

(23)

NITROGEN REMOVAL BY SEQUENCING HORIZONTAL AND VERTICAL FLOW SUBSURFACE TREATMENT SYSTEMS

SUMMARY

The aim of this study is to examine the nitrification – denitrification potential in sequencing systems, to supply system optimization for improving this potential. For this aim, experimental study is made on two paralel subsurface flow sequencing system about nitrification potential – optimum hydraulic rate under constant temperature.

Within the study, a two stage subsurface flow sequencing system made up of Horizontal Flow and Vertical Flow System, is established. Gravel media is used in the system. In the study domestic wastewater from TUBITAK MAM Gebze Campus, is used.

Recycled Sequencing System is aimed to be operated as anoxic/oxic (A/O) activated sludge systems to remove nitrogen. The effect of hydraulic loading rate, fill-and-draw mechanism, recycle ratio on nitrogen removal by sequencing systems, is examined. In addition, VFS - running with a continuously fed - batch discharge reactor – is operated to increase oxygen transfer rate (OTH), thereby increasing nitrification efficiency was targeted.

Nitrification – denitrification potential in sequencing subsurface treatment system is examined and the optimum maintenance parameters and system configuration is produced for improving the potential. Scope of the experimental study is 7 different experiment roups; trial of 4 diferent hydraulic loading rate (HLR), 2 different recycle ratio (R), two different operation type as pretreated and not pretreated domestic wastewater.

HFS is operated to remove organic matter thereby decreasing organic loading rate for VFS makes the nitrification bacteria dominant in VFS. In VFS, each volume of drained effluent is displaced by an equal volume of fresh air thereby required oxygen for nitrificaiton is tranfered into the system. Recyle, increased nitrogen removal performance.

HFS reduces the organic loading rate of VFS so that VFS is enabled for nitrification. During the experimental study period without recycle, %69±12 COD removal for

HLR 80 l/m2_{.day, %64±13 COD removal for 120 l/m}2_{.day, %60±14 COD removal for}

240 l/m2_{.day is ensured in HFS. This has provided a more competitive environment}

for the nitrification bacteria. Depending on this, at VFS, %83±11 TKN

transformation for HLR 408 l/m2_{.day, %67±11 TKN transformation for HLR 612}

l/m2_{.day, %50±8 TKN transformation for HLR 1224 l/m}2_{.day, is ensured.}

The fill-and draw mechanism increased nitrification. By the operation mechanism the amount of oxygen transferred to the system is increased. The amount of oxygen

transfer during one cycle is 15 (14,56) gO2/m2.cycle average value. The discharge

period increase, depending on increasing of hydraulic loading rate of the system,

increases the oxygen transfer rate (OTR; gO2/m2.day). However, the retention time

decreases depending on HLR increase and this shortens the contact time for the

(24)

dependent on short retention time of the system. These results show that nitrification capacity is directly related to the HLR value applied to the system.

Comparing system with and without recirculation shows that recirculation improves the organic matter and nitrogen removal of the system. During the operation with recirculation TN removal rate increases and discharge concentration decreases. Anaerobic pretreated domestic wastewater treatment without recirculation (HLR:

612 l/m2_{.day) results with %22±12 TN removal while recirculation by %50 (HLR: 612}

l/m2.day) results with %%30±5 TN removal and recirculation by %100 (HLR: 612

l/m2.day) results with %55±9 TN removal.

The results of the operation period with recirculation shows that COD removal in first stage; VFS, is around same level for %50 and %100 recycle ratio. The discharge values of COD are also at same level. The increase of recycle ratio does not change COD removal but TN removal rate improves from %22±12 removal rate to %55±9 removal rate.

In Recycled Sequencing System with HLR of 120l/m2_{.day (HF) and 612l/m}2_.day(VF),

average discharge value is 19mg/l (19±3) TN, 12 mg/l (12±8) COD. These values are below the discharge values of VF and HF systems in literature.

In Recycled Sequencing System with average loading of 22,9 g COD/m2_{.day and 6}

g TN/m2_{.day, first stage (HFS) 0,8m}2_{/kişi, second stage (VFS) 0,2m}2_{/kişi total}

1m2_{/kişi system area, %95±3 COD and %55±9 TN removal is provided.}

This study is enclosured by the TUBITAK TARAL Project titled; “Low Cost Treatment Technologies for Turkey; Pilot Application for Marmara Region”.

(25)

1. GİRİŞ

1.1 Çalışmanın Anlamı ve Önemi

Azotlu bileşikler; alıcı ortamda oksijen içeriğini azaltması, ötrofikasyona sebep olması, alıcı ortamdaki canlı türlerine olan toksik etkileri, insan sağlığına olumsuz etkileri, arıtma tesislerinin verimini etkilemesi gibi sebeplerden dolayı atıksularda önemli bir problem kaynağıdır. Bu sebeplerden dolayı hem atıksularda hem de içme suyu kaynaklarında azotlu bileşiklerin kontrolu diğer besi maddeleri ve kirleticilerden daha büyük önem taşımaktadır.

Atıksulardan azotlu bileşiklerin gideriminde kullanılan konvansiyonel biyolojik ve kimyasal arıtma yöntemlerinin, yapay sulakalanlarda uygulanan yöntemlerle kıyaslandığında daha karmaşık, kontrolü güç ve yüksek maliyetli sistemler oldukları görülmektedir. Son yıllarda yapay sulakalan sistemlerinin azotlu bileşiklerin gideriminde de uygulama alanı bulmasında doğal sistemlerin kontrollü birer modifikasyonu olan bu sistemlerin işletme ve bakım maliyetlerinin düşük olması ve sistemin doğal çevreyle uyumlu olması önemli hususlardır.

Yapay sulakalanlar, düşük işletme maliyetleri nedeniyle özellikle küçük yerleşim yerlerinde uygulanması avantajlı sistemlerdir. Küçük yerleşimlerin atıksularının yerinde arıtımı, merkezi arıtma için gerekli olan kanalizasyon vb. yatırımları ortadan kaldırarak bu yerleşim yerlerinde arıtma sorununun daha ekonomik yollarla çözümüne imkan verecektir. Küçük yerleşim yerlerinde azot giderimini de sağlayan düşük maliyetli sistemlerin işletilmesi, Kentsel Atıksu Arıtma Yönetmeliği’nin hassas alanlar için belirlediği standartları sağlayarak su kaynaklarının kirlenmesini önleyecektir.

Bu sistemlerin besi maddesi gideriminde etkin hale getirilmeleri önem taşımaktadır. Çözünmüş oksijenin yeterli olduğu aktif çamur vb. reaktör sistemlerinde hızlı bir şekilde gerçekleşen nitrifikasyon, konvansiyonel sulakalan arıtma sistemlerinde ancak uzun bekletme sürelerinde gerçekleşir. Bu durum esasen oksijen kısıtlılığına bağlıdır. Araştırmalar, sulakalan sistemlerinde nitrifikasyonu kısıtlayan faktörün sisteme oksijen girişindeki sınırlamalar olduğunu göstermektedir.

(26)

Yapay sulakalanların azot giderimindeki kısıtlılıklarını ortadan kaldırmak için yatay ve düşey yüzeyaltı akışlı yapay sulakalan sistemlerinin avantaj ve dezavantajlarını olumlu yönde birleştiren ardışık sistemlerin uygulanması yaygınlaşmıştır. Yatay yüzeyaltı akışlı yapay sulakalan sistemleri (Y-YAAS) oksijen kısıtlılığı olan, anoksik bölgelerin baskın olduğu sistemlerdir. Y-YAAS’de anoksik bölgede denitrifikasyonu sağlamak mümkündür. Düşey yüzeyaltı akışlı yapay sulakalan sistemlerinde (D-YAAS) ise oksijen transfer verimi çeşitli yöntemlerle artırılarak nitrifikasyon için

gerekli ortam sağlanabilmektedir. Yatay akışlı sistemler askıda katı madde ve BOİ5

gideriminde etkindir, düşey akışlı sistemler ise daha yüksek yükleme oranlarında

BOİ5 giderimini sağlarlar ve ikincil veya üçüncül arıtma sistemi olarak tam

nitrifikasyonu sağlamakta başarılıdırlar. Kısaca D-YAAS, yüksek nitrifikasyon kapasitesi için, Y-YAAS ise etkin denitrifikasyon için önem taşımaktadır. Düşey ve yatay yüzeyaltı akışlı sistemlerin uygun proses akışı içinde biraraya getirilmesi ile BOİ5, AKM giderimi ve tam nitrifikasyon, nitrat giderimi ve böylelikle sistem çıkışında

düşük toplam azot değerleri elde edilebilmektedir.

Bu çalışmada, organik madde gideriminde oldukça etkili olup azot ve fosfor gideriminde kısıtlılıkları olan yapay sulakalanların azot gideriminde geliştirilmesine katkı sağlamak amaçlanmıştır. Organik madde gideriminde tek başına yeterli olmayabilen arazide mevcut iklim şartlarında işletilen anaerobik arıtma sistemi ile yapay sulakalan sistemini kombine ederek arazi ihtiyacının azaltılması, böylece daha büyük yerleşimlerde kullanılabilecek, yeterli besi maddesi giderimi sağlayabilen düşük maliyetli bir arıtma yöntemi geliştirilmesi hedeflenmiştir.

Bu çalışmada, yatay akışlı ve düşey akışlı olmak üzere ardışık yüzeyaltı akışlı sistem organik madde ve azot giderimindeki performansı açısından incelenmiştir. Anaerobik olarak arıtılmış evsel atıksuyun arıtımında, iki kademeli arıtma sisteminin gösterdiği performans, düşey akışlı sistemde doldur – boşalt şeklinde işletme ile sağlanabilen oksijen transfer oranı, bu işletme şeklinin nitrifikasyon performansına etkisi, geri devirli işletmenin sağladığı denitrifikasyon kapasitesi, optimum işletme koşullarının belirlenmesi, tüm sistemin nitrifikasyon ve denitrifikasyon kapasitesinin belirlenmesi hedeflenmiştir.

Bu çalışmada uygulanan sistem yatay ve düşey akışlı yapay sulak alan sistemlerinin genel özelliklerini taşımaktadır. Sistemi yapay sulak alan sistemlerinden ayıran tek özellik, sistemde bitki yetiştirilmemiş olmasıdır. Bitkisiz yatay ve düşey yüzeyaltı akışlı yapay sulak alan sistemi ile aynı özellikleri taşıyan bu çalışmada işletilen ardışık yatay ve düşey akışlı yüzeyaltı arıtma sisteminin sistem konfigürasyonu ve

(27)

işletme esasları hibrid yapay sulak alan sistemleri ile örtüşmekte ve sistemler mukayese edilebilir nitelik taşımaktadır.

1.2 Çalışmanın Amacı ve Kapsamı

Bu çalışmanın amacı, ardışık yatay ve düşey akışlı yüzeyaltı arıtma sistemlerinde nitrifikasyon – denitrifikasyon potansiyelinin incelenmesi ve bu potansiyelin artırılması için işletme parametreleri ve sistem konfigürasyonu optimizasyonunun sağlanmasıdır. Organik madde gideriminde oldukça etkili olup azot gideriminde kısıtlılıkları olan yapay sulakalanların bu alanda geliştirilmesi hedeflenmiştir. Organik madde gideriminde tek başına yeterli olmayabilen basit anaerobik arıtma sistemi ile yüzeyaltı arıtma sistemini kombine ederek arazi ihtiyacının azaltılması, böylece daha büyük yerleşimlerde kullanılabilecek, yeterli besi maddesi giderimi sağlayabilen basit bir arıtma yöntemi geliştirilmesi hedeflenmiştir.

Bu amaçla sıcaklığın sabit tutulduğu ortamda iki kademeli bir yüzeyaltı arıtma sisteminde farklı hidrolik yüklerde nitrifikasyon verimi, nitrifikasyon için optimum hidrolik yük, optimum geri devir oranı ve buna bağlı denitrifikasyon potansiyeli üzerine deneysel araştırma yapılmıştır.

Yüzeyaltı akışlı (YAAS)’ler anaerobik koşulların gelişimine elverişli sistemlerdir. Bu nedenle YAAS’lerde azotun okside olmuş formlarının giderimi amonyak azotu ve organik azot formundaki azotun gideriminden daha kolaydır. Bu nedenle yapay sulakalanlarda azot giderim oranını belirleyen nitrifikasyon prosesidir. Sistemde amonyağın nitrata oksidasyonu sağlandığı ölçüde denitrifikasyon hızı artacaktır. Sistemde azot giderimini buna bağlı olarak nitrifikasyon potansiyelini arttırmayı hedefleyen bu çalışmada seri bağlı Y-YAAS ve D- YAAS’dan oluşan ardışık sistem kurularak işletilmiştir. Sisteme ait akım şeması Şekil 1.1’de görülmektedir.

Geri devirli arıtma sistemininarıtma sisteminin, nitrat geri devrinin yapıldığı anoksik/oksik (A/O) aktif çamur sistemlerine benzer şekilde çalıştırılarak azot giderimi sağlanabileceğinin gösterilmesi hedeflenmiştir. Ayrıca, nitrifikasyonun gerçekleştiği D-YAAS reaktörünün sürekli besleme – kesikli boşaltma yöntemiyle çalıştırılarak oksijen transfer hızının, dolayısıyla nitrifikasyon veriminin arttırılması hedeflenmiştir.

(28)

Şekil 1.1 : Sistemin akım şeması.

Çalışma kapsamında, ardışık sistem iki kademeli sistem(Y-YAAS ve D-YAAS) ile evsel atıksulardan azot giderimi üzerine aşağıda sıralanan ilişkileri ortaya koymak üzere deneysel çalışmalar yapılmıştır:

1) Hidrolik yükün reaktör performansı üzerine etkileri a. Hidrolik yük Organik Madde giderimi b. Hidrolik yük – Nitrifikasyon verimi c. Hidrolik yük – OTH ilişkisi

2) Doldur-boşalt mekanizmasının D-YAAS performansı üzerine etkileri 3) Geri devirli sistemin nitrifikasyon ve denitrifikasyon performansının

değerlendirmesi

4) Sistem çıkış konsantrasyonunun diğer sistem parametreleri ile ilişkisinin istatistiksel olarak değerlendirilmesi

Deneysel çalışmalar sabit sıcaklık, 4 farklı hidrolik yükleme hızı (HYH), iki farklı geri devir oranı, aynı geri devir oranında iki farklı işletme tipi (ön arıtmalı ve ön arıtmasız) için yürütülmüştür. Çalışmada TÜBİTAK – MAM Gebze Yerleşkesi lojmanlarından kaynaklanan evsel atıksu kullanılmıştır. Farklı hidrolik yüklerde ve buna bağlı olarak farklı kütlesel yüklerde çalışılmış olup, elde edilen arıtma verimleri işletme faktörleri ilişkisi değerlendirilerek bu sistemlerle ulaşılabilecek su kalitesi, tasarım ve işletme kriterleri elde edilmiştir.

(29)

2. YAPAY SULAKALANLARIN ÇEŞİTLERİ, ÖZELLİKLERİ VE GELİŞİMİ

Yapay sulakalanlar, atıksu arıtımında kullanılmak üzere doğal proseslerden faydalanılan arıtma sistemleridir. Yapay sulakalanlar, doğal sulakalanlarda etkili kirletici giderim mekanizmaları esas alınarak geliştirilmiş atıksuyu arıtmak için çeşitli teknolojik tasarımların uygulandığı mühendislik uygulamalarıdır. Makrofitler, mikroorganizmalar ve dolgu malzemesi yapay sulakalan sistemlerinin başlıca üç elemanıdır.

Makrofitler, filtrasyonda, atıksu bileşenlerinin adsorpsiyonunda, mikroorganizmaların tutunması için kök bölgelerinin kullanımında, su sütunu içine oksijen transferinde ve güneş ışığı nüfuzunu azaltarak alg gelişimini önlemede etkilidir. Mikroorganizmalar, kirletici maddelerin gideriminde biyolojik dönüşüm proseslerini gerçekleştirerek etki etmektedirler. Dolgu malzemesi, filtrasyon, adsorpsiyon, çökelme proseslerinde, mikroorganizmaların gelişimi ve çoğalması için yüzey oluşturmada etkilidir.

Yapay sulakalanlar düşük inşaat ve işletme maliyetlerine bağlı olarak; atıksu arıtımında yaygınlığı artan arıtma uygulamalarıdır. Özellikle yüzeyaltı akışlı sistemlar, evsel atıksuyun yerinde arıtımında artan bir ilgi görmektedir.

Sulakalanlarda meydana gelen prosesler, çökelme, filtrasyon, gaz transferi, adsorpsiyon, iyon değişimi, kimyasal çökelme, kimyasal oksidasyon ve redüksiyon prosesleri, biyolojik dönüşüm ve ayrışma prosesleri, fotosentez, fotooksidasyon ve bitkilerin tutması gibi doğal prosesler olarak sıralanmaktadır. Konvansiyonel arıtma sistemlerinde ardışık olarak farklı reaktörlerde ve enerji girdisi sayesinde hızları artırılarak gerçekleştirilen prosesler, doğal sistemlerde, doğal süreç hızlarında, simültane bir şekilde gerçekleşmektedirler.

Geniş alanlara ihtiyaç duyan tamamen pasif tasarımlardan yüksek mühendislik bilgisi ile tasarlanmış sulakalan tasarımlarına kadar uzanan farklı tipte yapay sulakalan sistemleri bulunmaktadır. Yapay sulakalanların gelişim süreci incelendiğinde tasarımı yapılmış ilk yapay sulakalan sistemine, 1901 yılında Amerika Birleşik Devletleri patenti ile rastlanmaktadır. 20. yüzyılın başlarında başka örnekler bulunmakta ancak Kathe Seidel’in Max Plank Enstitüsü’nde 1950 ve 1960’larda yapmış olduğu çalışmalar modern sulakalanların temeli olarak kabul edilmektedir.

(30)

Yapay sulakalanlara dair ilk tecrübeler 1. jenerasyon yapay sulakalanlar olarak karakterize edillir ve bu tasarımlar ampirik tasarımlardır. Elde edilen ilk başarılar ve başarısızlıklardan kazanılan tecrübeler, bu alandaki gelişmelere yol gösterici nitelikte olmuştur. 2. ve 3. jenerasyon sistemler, farklı yollardan gelişim göstermiştir. Ampirik nitelikte olan, hektar sulakalan başına BOİ yükleme hızı gibi inşaat mühendisliği tasarım kriterleri ile tasarlananlar 2. jenerasyon tasarımlar olmuştur. Bu tasarım metotları, günümüzde kısıtlı olanaklarla basit ancak konunun ana esasları ile yapılan tasarımlar olarak kabul görmektedir. Daha detaylı olarak kimya mühendisliği esaslarına göre yapılan tasarımlar 3. jenerasyon tasarımlar olarak adlandırılmaktadır. Bu tip tasarımlarda, yapay sulakalan biyokimyasal reaktör olarak kabul edilmekte, sistemin giriş ve çıkış verileri model denklemlerine uygulanmaktadır. Bu metotlar sulakalanı, içsel arıtma mekanizmalarını dikkate almadan “kara kutu” olarak algılamaktadır. Önde gelen sulakalan tasarımcıları genellikle 3. jenerasyon metotları kullanmaktadırlar. 1., 2. ve 3. jenerasyon tasarım metotlarının hepsinin ortak özelliği, arıtma için güneş ışığı ve atmosferik difüzyonu esas alan pasif tasarımlar olmalarıdır. Yeni geliştirilen “4. jenerasyon” sulakalanlar, bu kısıtlamaların üstesinden gelmek için hidrolik ve havalandırma ekipmanlarını kullanan sistemlerdir.

2.1 Yapay Sulakalan Tipleri

Yapay sulakalanlar, temel olarak iki türdedir; Serbest Yüzey Akışlı Sistem (SYAS) ve Yüzeyaltı Akışlı Sistem (YAAS). Yüzeyaltı akışlı yapay sulakalan sistemleri ise Düşey Yüzeyaltı Akışlı Sistem (D-YAAS) ve Yatay Yüzeyaltı Akışlı Sistem (Y-YAAS) olmak üzere iki türdür.

2.1.1 Serbest yüzey (yüzeysel) akışlı yapay sulakalan sistemleri – SYAS

Serbest Yüzey akışlı sistem, sızmayı önlemek için doğal veya suni taban bariyerinden (kil veya jeomembran), bitkinin büyümesi için toprak veya diğer uygun dolgu malzemesinden oluşmaktadır.

Sistemde su dolgu malzemesinin yüzeyinden akmaktadır. Sığ su derinliği, düşük su hızı, bitki sap ve gövdeleri su akışını düzenlemektedir. Serbest yüzey akışlı sistemlerin uzun, dar kanallar olarak inşa edilmesi syesinde piston akım koşulları oluşmaktadır. Sistem genel olarak köklü bitkiler ile oluşturulmaktadır.

Sistemin üst bölgesi aerobik, alt bölgeler ise anoksik veya anerobiktir. Sistemin önemli tasarım kriterleri bekletme süresi, havuzun en-boy oranı organik yükleme

(31)

hızı, su derinliği, sivrisinek kontrolü, bitki hasadıdır. Sistemin iki temel dezavantajı sivrisinek üremesi ve alg çoğalmasıdır.

2.1.2 Yüzeyaltı akışlı yapay sulakalan sistemleri (YAAS)

Yüzeyaltı Akışlı Yapay Sulakalan (YAAS) geçirimsiz kil veya sentetik bariyerin bulunduğu havuzlardır. Yatak köklü bitkilerin yetişmesine olanak sağlayacak dolgu malzemesinden oluşmaktadır. Sistem giriş ile çıkış arasında hafif bir eğim (%1 ila 3) ile inşa edilmektedir.

YAAS’de su, dolgu malzemesinin altından akmaktadır. Bitkilendirme, bu sistemlerde tasarımın önemli bir parçasıdır. Bitki kökleri aerobik bir ortam oluşturmakta, diğer bölgelerde anerobik koşullar etkili olmaktadır.Sistemde önemli tasarım kriterleri, bekletme süresi, organik madde ve katı madde yükleme hızı, dolgu malzemesi boyutu ve derinliği, yüzeyaltı hidroliği ve bitki türüdür. Sistemin önemli dezavantajı dolgu malzemesinin maliyetidir.

SYASlerle kıyaslandığında sivrisinek problemi, alg patlaması sorunu YAAS’de görülmemektedir ve alan ihtiyacı YAAS’de daha azdır. Bu sistemlerin önemli bir avantajı SYAS’den daha fazla ısıl koruma sağlamasıdır. Atmosferle su yüzeyi teması olmadığı için sistemler soğuk iklimlere daha toleranslıdır. YAAS, sistemin atıksu ile beslenme biçimine ve suyun akış yönüne bağlı olarak iki türdür; Yatay Yüzeyaltı Akışlı Yapay Sulakalan Sistemleri (Y-YAAS) ve Düşey Yüzeyaltı Akışlı Yapay Sulakalan Sistemleri (D-YAAS).

D-YAAS, yüksek oksijenlenme oranına bağlı olarak, SYAS’e ve Y-YAAS’e göre daha fazla amonyak azotu giderebilen bir sistemdir, SYAS ve Y-YAAS ise nitrat azotu giderme potansiyeline sahiptir (Zuxin, Xu, ve diğ., 2009)

2.1.2.1 Yatay yüzeyaltı akışlı yapay sulakalan sistemleri (Y-YAAS)

Y-YAAS’de sisteme giriş bölgesinden beslenen atıksu, atmosferle su yüzeyi temas etmeden dolgu yatak içinde, yaklaşık olarak yatay doğrultuda yavaş bir akım ile sistemden geçmektedir. Atıksu, çıkış bölgesinde su seviyesini kontrol eden bir yapı ile sistemi terketmektedir.

Y-YAAS’de yaygın olarak kullanılan bitkiler su kamışı ve sazdır.

2.1.2.2 Düşey yüzeyaltı akışlı yapay sulakalan sistemleri (D-YAAS)

D-YAAS’de sistem SYAS’lerden ve Y-YAAS’lerden farklı olarak düşey doğrultuda beslenmektedir. D-YAAS, havuz yüzeyinde teşkil edilen dağıtım boruları ile atıksuyu tüm havuz yüzeyine dağıtacak şekilde beslenmektedir. D-YAAS, sistemin kesikli

(32)

olarak belirli zaman peryodu içinde beslendiği böylelikle sistemin her bir besleme öncesinde tamamen drene olmasına, Y-YAAS’den daha fazla oksijen transferi gerçekleşmesine imkan veren bir sistemdir.

2.1.3 Hibrid (Birleşik) yapay sulakalan sistemleri

Hibrid (birleşik) sistemler, yukarıda sırlanan üç farklı sulakalan tipinin; SYAS, Y-YAAS ve D-Y-YAAS, farklı kombinasyonlarının seri reaktörler olarak işletilmesi ile oluşturulan sistemlerdir. Bu sistemler, işletmede daha fazla esneklik, yüksek performans ve yüksek deşarj kalitesi sağlamaktadır (Cooper ve diğ., 1999 (a); Radoux ve diğ., 2000; G´omez Cerezo ve diğ., 2000; Rousseau, ve diğ. 2004).

Yapay sulakalanların farklı tipleri, özellikle azot giderimi açısından yüksek arıtma verimi sağlamak amacıyla farklı şekillerde kombine edilebilmektedir. Bununla birlikte ardışık sistemler genel olarak düşey ve yatay akışlı sistemleri kademeli bir şekilde içerecek konfigürasyonda oluşturulmaktadır. Y-YAAS’de, oksijen transfer kapasitelerinin sınırlı olması dolayısıyla nitrifikasyon sağlanamamaktadır. D-YAAS’de ise nitifikasyon için iyi koşullar sağlanmakla birlikte bu sistemlerde de denitrifikasyon gerçekleşmemektedir. Y-YAAS ve D-YAAS’in birbirine göre avantajlı ve dezavantajlı yönleri şu şekilde sıralanabilir;

Y-YAAS’in etkili ve başarılı olduğu alanlar şu şekilde sıralanabilir; 1. Filtreleme özelliklerinden dolayı AKM ve bakteriyel giderim, 2. Oksijen transfer kapasitelerine bağlı olarak BOİ5 giderimi,

3. Denitrifikasyon ile nitat giderimi

D-YAAS’in etkili ve başarılı olduğu alanlar şu şekilde sıralanabilir; 1. Oksijen transfer kapasitelerinden dolayı nitrifikasyon

2. Oksijen transfer kapasitelerinden dolayı BOİ5 ve KOİ giderimi,

Y-YAAS sınırlı oksijen transfer kapasitesinden dolayı nitrifikasyonda yeterli olamamaktadır. D-YAAS ise AKM gideriminde yeterli olmayıp, yüksek AKM yükü sistemde tıkanma yaratabilmektedir.

Her iki sistemin avantajlı ve dezavantajlı yönleri bir araya getirilerek organik madde ve azot gideriminde yeterli sistemler geliştirmek mümkündür. Bu nedenle son yıllarda birleşik sistemler olarak da isimlendirilen ardışık sistemlere olan ilgili giderek artmaktadır. Birleşik sistemlerde Y-YAAS ve D-YAAS sistemlerin avantajları birbirini tamamlayacak şekilde birleştirilebilmektedir.

(33)

Ardışık sistemlerin çoğu Krefeld, Almanya’daki Max Planck Enstitüsü’nde Seidel tarafından geliştirilmiş olan orjinal ardışık sistemlerin türevleridir. Bu nedenle proses, Seidel sistemi, Krefeld sistemi veya Max Planck Enstitüsü Prosesi olarak isimlendirilmiştir. Seidel tasarımı, birkaç paralel D-YAAS yatağını içeren iki kademe ardından iki veya üç Y-YAAS yatağını takip eden konfigürasyondan oluşmaktadır. Düşey akışlı sitemler genellikle P. Australis ile bitkilendirilirken yatay akışlı sistemler, Iris, Schoenoplectus, Sparganium, Carex, Typha veya Acorus gibi diğer köklü makrofitleri içermektedir (Vymazal, 2005).

D-YAAS ve Y-YAAS’den oluşan ardışık sistemler oldukça yüksek çıkış kalitesi veren

sistemlerdir. D-YAAS nitirifikasyonun yanısıra BOİ5 ve AKM giderimleri açısından

verimli sistemlerdir. Bununla birlikte, D-YAAS için her zaman göz önünde bulundurulması gereken dezavantaj yüzey tıkanması ile birlikte ortaya çıkabilecek taşma ihtimalinin varlığıdır. Tasarım aşamasında, çakıl ya da kum gibi sistemde kullanılacak dolgu malzemesinin seçimi, hidrolik yükleme hızı ve oksijen transfer hızını etkilediği için önemle üzerinde durulması gereken parametrelerdendir. (Cooper, 1999; Cooper ve diğ., 1999)

2.2 Yapay Sulakalanlarda Ön Arıtma Tipleri

Yapay sulakalanlarda yaygın uygulama ön arıtma olarak foseptik ve imhoff tankının kullanılmasıdır. Anaerobik arıtma yapay sulakalan kombinasyonu çok yaygın olmamakla birlikte son yıllarda uygulamalarına rastlanan bir yöntemdir.

2.3 Yapay Sulakalanların Avantaj ve Dezavantajları

Yapay sulakalanlar, konvansiyonel arıtma tipleri ile kıyaslandığında çeşitli avantaj ve dezavantajları mevcuttur. Bu sistemlerin başlıca avantaj ve dezavantajları Çizelge 2.1’de sunulmaktadır.

(34)

Çizelge 2.1 :

Yapay sulakalanların avantaj ve dezavantajları.

Avantajlar Dezavantajlar Düşük işletme ve bakım maliyeti Konvansiyonel arıtma proseslerine gore _{daha fazla alan ihtiyacı}

Düşük enerji ihtiyacı Konvansiyonel arıtma tiplerine gore _{değişken performans}

Düşük bakım ihtiyacı Biyolojik bileşikler toksik bileşiklere _duyarlıdır

işletmede detaylı teknik bilgi ve deneyim gerektirmemesi

Sistem performansının kirletici madde konsantrasyonundaki ve debideki piklere

duyarlılığı Atıksu oluşan pek çok yerde

kullanılabilmekte

Sürekliliği için belirli miktarda suyun sistem içinde sürekliliğinin sağlanması Su kalitesinin iyileştirilmesi amacıyla

kullanılabilmekte

Yayılı kaynak kirlenmesi ile birleşen atıksuyun arıtımında kullanılabilmekte Taşkın kontrolü, yüzeysel akış ve şiddetli

yağış kontrolünde kullanılabilmekte Madde döngüsünde etkili Canlılar için doğal yaşam ortamı

Rekreasyonel alan sağlaması

(35)

3. YAPAY SULAKALANLARDA GİDERİM MEKANİZMALARI

Yapay sulakalanlar, atıksu arıtımında, organik madde, askıda katı madde, azot, fosfor, metaller ve patojenleri gidererek etkili olmaktadır. Yapay sulak alanlarda adsorpsiyon, iyon değişimi, uçuculaşma, bitki adsorpsiyonu ve bitki kullanımı ve nitrifikasyon-denitrifikasyon prosesleri en önemli azot giderim mekanizmalarıdır. Bu çalışmada, yapay sulakalanların azot giderimindeki etkisi ve azot giderimini artırıcı faktörler üzerinde araştırma yapılmıştır.

Yapay sulakalanlarda azot, amonyum, nitrit, nitrat gibi inorganik formlarda ve üre, aminoasit, amin, purin, pirimidin gibi organik formlarda bulunmaktadır (Kadlec ve Knight, 1996). Azot giderim mekanizmaları, uçuculaşma, amonifikasyon, nitrifikasyon, denitrifikasyon, bitkilerce tutulma (bünyeye alınma), adsorpsiyon ve çökelme/filtrasyon proseslerinden oluşmaktadır. Pek çok çalışma yapay sulakalanlarda başlıca azot giderim mekanizmasının mikrobiyal azot giderimi ile nitrifikasyon ve denitrifikasyon prosesleri olduğunu göstermiştir (Schierup vd, 1990; Rogers ve diğ. 1991).

Sulak alanlarda azot döngüsü karmaşıktır ve mikrobiyal dönüşüm süreçlerinin etkili olduğu bir çevrim sözkonusudur. Amonyak açısından zengin atık sularda azot giderimi, sistem içindeki oksijen nitrifikasyon için yeterli olmadığı için sınırlı derecede gerçekleşmektedir. Bu gibi durumlarda anaerobik amonyum oksidasyonu (ANAMMOX) gibi alternatif azot giderim prosesleri önem kazanmaktadır.

Azot pek çok atıksu, taşkın suyu ve drenaj suyunda bulunan önemli bir kirleticidir.

Azotun su ortamında önem teşkil eden bulunuş şekilleri: nitrat (NO3-N) ve nitrit

(NO2-N), gibi oksitlenmiş bileşikler ve amonyak azotu (NH4-N) gibi indirgenmiş

bileşikler ve çözünmüş partikül haldeki organik maddelerde bağlı bulunan azottur (Org-N). Amonyak azotu su bitkilerinin aşırı derecede büyümesine neden olabilecek en belirgin bitki besinidir ve su ortamlarında ötrofikasyona neden olur. İyonize

olmamış amonyak (NH3) bileşeni (yüksek pH ve sıcaklıkta bulunur) de su ortamı için

toksiktir ve bakteriyal nitrifikasyon prosesleri nedeniyle yüksek derecede oksijen ihtiyacı arz eder (Tanner, 2004).

Aerobik ve anaerobik mikro çevrelerin bir mozaiği olan yapay sulak alanlarda pek çok kirleticinin mikrobiyal döngüsü ardışık olarak gerçekleşir. Yüksek organik madde yükleri ve atmosfer ile kısıtlı olarak yapılabilen kısıtlı oksijen alışverişi özellikle sulak

(36)

alan sedimentlerinde anaerobik şartlar oluşturur. Gün ışığından faydalanılabilen saatlerde algler ve batık bikiler tarafından yapılan fotosentez ile su kolonu ve biyofilm boyunca aerobik şartlar sağlanır. Su yüzeyinde difüzyon yoluyla atmosfer ile gaz alışverişi, konveksiyon ve bitkilerin iç dokularından yapılan salgılar dallar ve kök alanı ile birlikte su yüzeyinde aerobik mikro-alanlar oluşturur. Oksijen tüketiminin karşıtı olan bu proseslerin bir kombinasyonu ile sulak alanlarda kompleks zamansal ve boyutsal olarak değişken bir aerobik, anoksik ve anaerobik ortam mozaiği meydana gelir. Yapay sulakalanlarda azot dönüşüm mekanizmaları Şekil 3.1’de şematik olarak gösterilmiştir.

Şekil 3.1 : Azot dönüşüm mekanizmaları.

Yapay sulakalan sistemlerinde geçerli olan amonyak uçuculaşması, nitrifikasyon, denitrifikasyon, azot sabitlenmesi (fiksasyonu), bitki ve mikrobiyolojik türler tarafından bünyeye alınma, mineralizasyon (amonifikasyon), nitratın amonyağa indirgenmesi (nitrat-amonifikasyonu), amonyak adsorpsiyonu ve desorpsiyonu ve azot çökelmesi prosesleri aşağıda detaylı olarak ele alınmıştır.

Yapay sulak alan sistemlerinde azot gideriminde etkili başlıca prosesin nitrifikasyon-denitrifikasyon ardışık prosesi olduğu ortaya konmuştur. (Gersberg, ve diğ., 1983, Reddy ve diğ., 1989, Knight ve diğ., 1993, Ottova ve diğ., 1997) Atıksudaki azotun

ana formu amonyum azotu (NH4+-N) olduğu için nitrifikasyon azot gideriminde

anahtar prosestir. Yüzeyaltı akışlı yapay sulak alanlarda nitrifikasyonu sınırlayan yeterli oksijenin bulunmamasıdır.

(37)

3.1 Amonyak Uçuculaşması

Amonyak uçuculaşması, amonyum azotunun aşağıdaki denklemde ifade edildiği gibi gaz ve hidroksil formu ile dengede olduğu fizikokimyasal bir proeses uyarınca gerçekleşir.

NH3(s) + H2O ↔ NH4+ + OH-

Amonyak uçuculaşmasını etkileyen faktörler aşağıdaki gibi sıralanabilir (Savant ve De Datta, 1982):

• zemine ait parametreler (zemin pH’ı, alkalinite, CaCO3 içeriği, katyon değişim

kapasitesi, baskın olan değişebilir iyonlar, pH tamponlama kapasitesi, CO2

kısmi basıncı, mikrobiyolojik aktivite)

• serbest su yüzeyine ait parametreler (pH, CO2 kısmi basıncı, amonyak

konsantrasyonu, toplam alkalinite, pH tamponlama kapasitesi, sıcaklık, su hareketi ve türbülans, derinlik, alg çoğalması ve aktivitesi, fosfor konsantrasyonu)

• atmosferik parametreler (hava sıcaklığı, solar radyasyon, rüzgar hızı, amonyağın kısmi basıncı)

• diğer parametreler (azot ve su yönetimi, bitki örtüsü) 3.2 Amonifikasyon (Mineralizasyon)

Amonifikasyon ya da diğer bir adı ile mineralizasyon, organik azotun biyolojik olarak amonyağa dönüştürüldüğü bir prosestir. Organik azot, kompleks, enerji salınımının olduğu, çok kademeli biyokimyasal proseslerden geçerek amonyağa dönüşür. Bazı durumlarda bu enerji mikrobiyolojik canlıların çoğalması için kullanılır ve amonyak doğrudan mikrobiyolojik biyokütleye dahil olur. Organik azotun büyük bir fraksiyonu (%100’e kadar) hızlıca amonyağa dönüştürülür (Kadlec ve Knight, 1996).

Gerçekte amonifikasyon prosesi aminoasitlerin katabolizmasıdır ve birkaç tipte deaminasyon reaksiyonu içerdiği düşünülmektedir. Oksidatif deaminasyon aşağıdaki şekilde yazılabilir (Savant ve De Datta, 1982):

Aminoasitler ⇒ İminoasitler ⇒ Ketoasitler ⇒ NH3

ve oksitlenmiş zemin tabakasında etkili olabilir. Diğer yandan indirgeyici deaminasyon (Rose, 1976):

(38)

şeklinde ifade edilmektedir.

Kinetik olarak amonifikasyon, nitrifikasyondan daha hızlı gerçekleşir (Kadlec ve Knight, 1996). Amonifikasyon, göllenmiş zemin sistemlerinde, drene olmuş zemin sistemlerine oranla daha yavaştır (Reddy, 1982). Mineralizasyon hızları oksitlenmiş bölgede en yüksektir ve aerobikten, fakültatif anaerobik ve zorunlu anaerobik mikrofloraya doğru gittikçe mineralizasyon hızı da düşer (Reddy ve Patrick, 1984). Göllenmiş ve doygun zeminlerdeki aerobik bölgenin derinliği genellikle 1 cm’den az olduğundan, fakültatif anaerobik ve zorunlu anaerobik mineralizasyon ile karşılaştırıldığında aerobik mineralizasyonun toplam azot mineralizasyonuna katkısı oldukça düşük olacaktır (Reddy ve Graetz, 1988).

Sulakalanlardaki amonifikasyon hızı; sıcaklık, pH, C/N oranı sistemdeki kullanılabilir besi maddesinin varlığı, doku ve yapı olarak zemin şartları, proteaz gibi hücre dışı enzimlerin varlığı, mikrobiyolojik biyokütle ve zemin redoks koşullarına bağlıdır (Reddy ve Patrick, 1984; Reddy ve D’Angelo, 1997). Amonifikasyon prosesi için optimum pH aralığı 6,5 – 8,5 arasındadır. Doymuş zeminlerde pH, nötralite değerleri civarında tamponlanır iken iyi drenajlı sistemlerde zeminin pH değeri, nitrat birikmesi

ve mineralizasyon esnasında H+_{iyonları üretimi dolayısıyla düşer. Yapılan}

çalışmalarda aerobik amonifikasyon hızının 10 o_{C’lik bir sıcaklık artışı ile iki katına}

çıktığı belirtilmektedir. Amonifikasyon için optimum sıcaklık değerleri, sulakalan

sistemlerinde görülemeyecek değerler olan 40 – 60 oC arasındadır (Vymazal, 2001).

Mineralizasyon sırasında oluşan amonyum azotu hızlı bir şekilde iki fraksiyona

ayrılır: 1) katyon değişim kompleksi üzerine adsorbe olmuş NH4+ ve 2) zemin boşluk

suyundaki NH4+ denge konsantrasyonu. Zemin boşluklarındaki su iki doğrultuda

hareket eder: 1) yüzeydeki aerobik bölge ve göllenmiş tabakada yukarı yönlü hareket 2) bitki köklerine doğru olan hareket. NH4+ hareketinin hızı ise zemin-su ara

yüzeyince oluşturulan konsantrasyon gradyanı tarafından kontrol edilmektedir. Toplam prosesi kapsayan diğer faktörler: mineralizasyon hızı, boşluk suyundaki

NH4+ konsantrasyonu, katyon değişim kapasitesi, katyon değişim kompleksi

üzerindeki diğer katyonlar ve toplam yoğunluktur (Vymazal, 2001).

3.3 Nitrifikasyon

Nitrifikasyon, amonyağın bir ara ürün olan nitrite dönüşümünün ardından nitrata biyolojik oksidasyonu olarak tanımlanır. Nitrifikasyon kemoototrofik bakterilerle birlikte düşünülse de heterotrofik nitrifikasyonun da söz konusu ve önemli olduğu bilinmektedir (Keeney, 1973; Paul ve Clark, 1996). Nitrifikasyon üst tabakayı

(39)

kaplayan su hacminde ve üst tabakayı kaplayan su hacminde ve aerobik zemin tabakası yüzeyi üzerinde ve bitki kök bölgelerinde gerçekleşebilir. Sulakalan bitki köklerinden civarlarındaki zemine oksijen difüzyonu kökler etrafında bir aerobik ortamın oluşmasını sağlar. Kökler etrafındaki bu aerobik ortam, anaerobik

bölgelerden difüzlenen NH4+’nın nitrifikasyonuna katkıda bulunur. Sulakalanlardaki

nitrifikasyon hızı; aerobik bölgeye NH4+ iletimine, suyun pH ve alkalinitesine,

sıcaklığa, nitrifikasyon bakterileri mevcudiyetine, ve aerobik zemin tabakası kalınlığına bağlıdır (Vymazal, 1995). Nitrifikasyon kemoototrofik bir prosestir. Nitrifikasyon bakterileri enerjilerini amonyak ve/veya nitrit oksidasyonundan temin

eder ve CO2’i yeni hücre sentezi için karbon kaynağı olarak kullanırlar. Bu

organizmalar amonyum azotunun nitrit azotuna ve nitrit azotunun da nitrat azotuna dönüşümünde oksijene ihtiyaç duyarlar. Amonyumun nitrata oksidasyonu iki kademeli bir prosestir:

NH4+ 1,5 O2 ⇒ NO2- + 2 H+ + H2O

NO2- + 0,5 O2 ⇒ NO3

---

NH4+ + 2 O2 ⇒ NO3- + 2 H+ + H2O

Amonyumun nitrite dönüştürüldüğü 1.aşama zorunlu kemolitotrofik (zorunlu aerobik) bakteriler tarafından yürütülür ve bu bakteriler çoğalmaları için gerekli enerji açısından tamamıyla amonyak oksidasyonuna bağlıdırlar. Zeminde Nitrosospira (N. briensis), Nitrosovibrio (N. tenuis), Nitrosolobus (N. multiformis), Nitrosococcus (N. nitrosus) ve Nitrosomonas (N. europaea) sınıfına ait 3 türe deniz suyunda rastlanmıştır. Kemoototrofik nitrifikasyon bakterileri karbon ihtiyaçlarını büyük ölçüde karbondioksit ve karbonatlardan temin eden aeroblardır. Bununla birlikte anaerobik

bir metabolizmaya sahip olan ve NH4+ varlığında elektron vericisi olarak piruvatı,

elektron alıcısı olarak ise NO2-’yi kullanan Nitrosomonas europaea, bu

mikroorganizmaların çeşitliliğini göstermektedir (Paul ve Clark, 1996). Nitroso grubu bakterilerin amonyağın nitrite oksidasyonundaki reaksiyon yolunun aşağıdaki gibi olduğu ifade edilmektedir (Hauck, 1984):

Amonyak ⇒ hidroksilamin ⇒ nitroksil ⇒ nitrohidroksilamin ⇒ nitrit (NH3/NH4) (NH2OH) (NOH) (NO2.NH2OH) (NO2-)

Nitrifikasyonun 2. aşaması olan nitritin nitrata oksidasyonu, çoğalmaları için gerekli enerjiyi nitrit yanısıra organik bileşikleri de kullanarak sağlayabilen fakültatif kemolitotrofik bakteriler tarafından gerçekleştirilir. Amonyak oksitleyen bakterilerin

(40)

aksine zemin ve tatlı sularda nitrit oksitleyen bakterilerin sadece bir türüne rastlanmıştır: Nitrobacter winogradskyi (Grant and Long, 1981).

3.4 Nitrat Amonifikasyonu

Oksijen tükendikten sonra gerçekleşen ilk anoksik oksidasyon prosesi nitratın moleküler azot ya da amonyağa indirgenmesidir. Nitratın indirgenmesi iki farklı nitrat indirgeyici bakteri grubu tarafından gerçekleştirilir: başlıca indirgenme ürünleri olarak

N2O ve N2 üreten denitrifikasyon bakterileri ve temel indirgenme ürünü olarak NH4+

üreten nitrat-amonifikasyon bakterileri. Sediment ve toprakta denitrifikasyon ve nitrat amonifikasyonu proseslerinin her ikisi de gözlenir (Keeney ve diğ., 1972; Chen ve diğ., 1971; Sorensen, 1978; Paul ve Clark, 1996). 1 molekül nitratın her iki nitrat indirgeme sistemi ile indirgenme prosesinde kullanılan elektron sayıları farklıdır. Denitrifikasyonda 5 elektron kullanılırken nitrat amonifikasyonunda 8 elektron kullanılır. Dolayısıyla nitrat amonifikasyon bakterileri her nitrat molekülü için denitrifikasyon bakterilerinden daha fazla organik madde oksitler. Ayrıca nitrat indirgenmesi genellikle, anaerobik koşullar altında çoğalmaları için nitrata ihtiyaç duymayan fermantatif bakteriler tarafından gerçekleştirilir. Sonuç olarak, nitrat kısıtlayıcı koşullar nitrat amonifikasyon bakterileri lehine olabilmektedir (Laanbroek, 1990). Bu nedenle bir sistemde karbon azot oranı nitrat-amonifikasyon veya denitrifikasyon bakterileri baskınlığını belirleyebilmektedir (Vymazal, 2001). Nitrat amonifikasyonu, Bacillus, Citrobacter ve Aeromonas gibi fakültatif anaerobik bakteriler sınıfına ait olan bakterilerce ya da Enterobacteriaceae üyeleri tarafından gerçekleştirilmektedir (Cole ve Brown, 1980; MacFarlane ve Herbert 1982). Bununla girlikte Clostridium sınıfına ait zorunlu anaerobik bakteriler de nitratı amonyağa indirgeyebilmektedirler (Caskey ve Tiedje, 1979; Vymazal, 2001).

Paul ve Clark (1996) hemen hemen tüm yeşil bitkilerin, mantar ve bakterilerin asetik asit ve protein biyosentezi ile nitratı amonyağa indirgeyebildiğine dikkati çekmiştir. Biyokimyasal yol aşağıdaki gibidir:

NO3- ⇒ NO2- ⇒ NH2OH ⇒ NH4+ ⇒ R-NH2

İlk üç indirgenme, nitratın amonyağa indirgenmesi sırasında belirli bakteri grubu

tarafından gerçekleştirilir. Asimilatif redüktazlar çözünebilir proteinlerdir ve NH4+

tarafından baskılanırlar; denitrifiye edici redüktazlar ise O2 tarafından baskılanırlar.

Bu durumun nedeninin NO2- nin orta derecedeki toksik etkisine karşı koruyucu bir