Atıksu Arıtımında ANAMMOX Sistemi

12 Aralık 2018 | YORUM
125. Sayı (Aralık 2019)

6.085 kez okundu

STOCKHOLM ÖDÜLÜ

Su ve Çevre Teknolojileri dergisinin Mayıs 2018 sayısında yayınlanan “2018 Stockholm Su Ödülü Prof. Rittmann ve Prof. Mark van Loosdrecht’e verildi” başlıklı yazımda, Prof. Dr. Mark van Loosdrecht’in, çok sayıda süreç geliştirdiği, bunlardan iki tanesinin de ANAMMOX ve Nereda süreçleri olduğu yer aldı. ANAMMOX işlemi, granüler biyokütle yardımıyla atıksularda bulunan ötrofikasyona sebep olan azotu uzaklaştırmak ve enerji üretimine olanak sağlamak için sanayilerde ve kentsel atıksu arıtımında kullanılmaktadır. Nereda teknolojisi ise, daha basit ve daha az enerji tüketen bir kentsel atıksu arıtma prosesine izin veren bakteri granülasyonuna dayanmaktadır.

Bu yazımda sizleri ANAMMOX hakkında bilgilendirmeyi istiyorum. Bu yazımı hazırlarken Prof. Dr. Mark van Loosdrecht ile birlikte çalışan ve doktora çalışmasını yapan İstanbul Teknik Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü öğretim üyelerinden Doç. Dr. Özlem Karahan Özgün’ün
önemli katkıları oldu (1).

ANAMMOX’A GIDEN YOL
Şehirlerde atıksuların arıtılmasında yüzyıla yakın bir süreden beri en çok kullanılan biyolojik sistem, “Konvansiyonel Aktif Çamur Metotu”- dur (CAS). Bu metotta atıksulardan amonyum giderimi genellikle nitrifikasyon ve denitrifikasyon prosesleri ile sağlanmaktadır. Yüksek azot konsantrasyonu içeren atıksulardan azotun tamamen giderilmesi için büyük miktarda ek karbon kaynağı gerekmektedir, fakat atıksuda doğal olarak bulunan organik karbon sınırlıdır. Bu da maliyeti artırmaktadır. Ayrıca enerji tüketiminin fazla olması, kimyasal madde tüketimini gerektirmesi, elde edilen çamurun çökelme zorluğu nedeniyle bu sistemde geniş alanlara ihtiyaç duyması yanında borulama işlemi oldukça kapsamlıdır. Son yıllarda yüksek miktarda amonyum içeren atıksulardan azotun giderilmesini hedef alan yeni prosesler geliştirilmiştir [2, 3, 4]. Bu prosesler, yüksek miktardaki amonyağın nitrit üzerinden dönüşümünü içeren kısmi nitrifikasyon ( SHARON), anaerobik amonyum oksidasyon prosesi (ANAMMOX) ve nitrit üzerinden tamamen ototrofik yolla azot giderimini içeren tek reaktör sistemi (CANON) prosesidir [5,6,7]. Bunlardan ANAMMOX prosesi konvansiyonel denitrifikasyon sistemlerine alternatif olarak çıkartılan düşük maliyetli proseslerdir. ANAMMOX prosesinin adı; Anaerobik Amonyum Oksidasyonu (ANaerobic AMMonium OXidation) sürecinden gelmektedir. ANAMMOX prosesi sürekli sistem olarak işletilmekte ve amonyağın anaerobik koşullar altında tek granüler içerisinde bulunan nitritasyon ve anommox bakterileri tarafından azot gazına indirgendiği yeni bir prosestir. Hollanda’da Delft Teknik Üniversitesinde Prof. van Loosdrecht ve arkadaşları tarafından yürütülen çalışmalar sonucunda Paques firması, Delft Teknoloji Üniversitesi ve Nijmegen Üniversitesi ile işbirliği içinde ticari amaçlarla süreci geliştirdi ve patent aldı.

Paques ANAMMOX Modeli: Reaktöre alttan sürekli olarak atıksu beslemesi yapılmakta, hazne alttan sürekli havalandırılarak karıştırılmakta ve özel olarak tasarlanmış seperatör ile granüler biyokütle içinde yer alan Anommox bakterileri sudan ayrılıp arıtılmış atıksu üstten deşarj edilmektedir (8).

Proses ilk olarak 1977 yılında Broda tarafından mikrobiyal metabolizma olarak tanımlanmıştır ve anaerobik amonyum oksidasyonunun kemolitotrofik bakterilerin varlığında gerçekleştiği tahmin edilmiştir (9). Bu keşfe kadar anaerobik oksidasyonu gerçekleştirebilen herhangi bir bakteri türü bulunamamıştır. Bu prosesi oluşturan mikroorganizma topluluğu Planktomiset türünün ototrofik grubunun bir üyesi olarak tanımlanmaktadır [7,10].

Kültürleri yapılamayan gram-negatif Anommox bakterileri ilk önce yoğunluk gradyanlı santrifüj yoluyla izole edilmiştir (11,12). Onların farklı fenotipik özellikleri kırmızı renk içermektedir.

ANAMMOX süreci, 1990’ların başında Mulder ve diğ. (1995) tarafından keşfedilmiş ve atıksularda bulunan amonyağın giderimi için umut vadeden bir süreç olarak ortaya konmuştur. Bu işlemde, iki kirletici amonyum ve nitrit aynı anda uzaklaştırılmaktadır. Uzun bir süre amonyum oksidasyonu için sadece aerobik prosesler tartışılmış olmasına rağmen, bu çalışmada anoksik şartlarda, nitrat tüketimi ve N2 üretimi sürekli yükselirken yüksek miktarda amonyumun yok olduğu gözlenmiştir [13]. Model çalışmalarından sonra ANAMMOX tesisinin uygulaması, 2002 yılında Rotterdam şehrinde gerçekleştirilmiştir. Tesis gerçek işletme koşullarında azot giderim hızı 9.5 kg N / (m3-gün) değerine ulaşmıştır (14) .

ANAMMOX REAKSİYONU
ANAMMOX prosesi, azot giderimi için kullanılan nitrifikasyon-denitrifikasyon sistemlerine alternatif bir biyokimyasal prosestir. Günümüzde pek çok atıksu arıtma tesisinde uygulanan nitrifikasyon-denitrifikasyon yaklaşımıyla, atıksularda büyük oranda amonyum (NH4+) formunda bulunan azotun öncelikle nitrifikasyon prosesi ile aerobik olarak havalandırma havuzlarında nitrit (NO2-) ve nitrata (NO3-) dönüştürülmesi sonrasında oluşan nitratın anoksik koşullarda denitrifikasyon prosesi ile azot gazına (N2) dönüştürülerek atıksudan uzaklaştırılması gerçekleştirilmektedir.

ANAMMOX prosesinde ise amonyum (NH4+) ve nitritin (NO2-) Anommox bakteriler tarafından tüketilerek azot gazı (N2) ve su (H2O) oluşması söz konusudur. Kısmi nitrifikasyon prosesi ile olduğu gibi amonyağın nitrite dönüştürülerek oksitlenmesi bu proses için yeterli olduğundan havalandırma için harcanan enerji ihtiyacı azalmakta, ANAMMOX reaksiyonu ototrofik mikroorganizmalar tarafından gerçekleştirildiği için ise konvansiyonel denitrifikasyon prosesinde kullanılması gereken ilave bir organik karbon kaynağına (metanol, ya da geri devir çamuru gibi) ihtiyaç bulunmamaktadır. Bu sayede,
• Azot giderimi için gerekli oksijen miktarı azalmakta (Enerji ve maliyet yüzde 60 düşürülebilmekte),
• Organik karbon ilavesine gerek bulunmamakta,
• Sistemden atılması gererken fazla çamur miktarı azalmakta,
• Karbondioksit (CO2) emisyonları düşmektedir.

Prosesin henüz çok iyi bilinmemesi, mikroorganizmalarının büyüme hızının yavaş olması ve konvansiyonel nitrifikasyon-denitrifikasyon sistemlerinin yerine kurulmasındaki yüksek maliyetler ANAMMOX sisteminin dezavantajları olarak belirtilmekle birlikte bu proses azot giderimi konusunda ümit vadeden bir sistem olarak görülmektedir.

ANAMMOX PROSES UYGULAMALARI
ANAMMOX prosesinin uygulamaları için farklı konfigürasyonlar geliştirilmiştir. Bu konfigürasyonlardan iki reaktörlü olan proseste amonyum, ilk reaktörde kısmen nitrite oksitlenir, ikinci reaktörde ise nitrit, amonyumun geri kalanı kullanılarak indirgenip azot gazına dönüştürülür. Bu konfigürasyon SHARON-ANAMMOX Prosesi olarak da adlandırılmakta olup, bugüne kadar daha çok amonyum açısından zengin atıksular için uygulanmıştır (16).

TEK REAKTÖRLÜ NITRITASYONANAMMOX PROSESI
Bu tip reaktörler için kullanılan genel isim CANON prosesidir. CANON adı, “Completely Autotrophic Nitrogen removal Over Nitrite-Nitrit Üzerinden Tamamen Ototrofik Azot Giderimi” tanımlamasından gelmektedir. Burada nitrifikasyon bakterileri ile Anommox bakterileri oksijenin kısıtlı olduğu koşullar altında iki reaksiyonlu prosesi simultane olarak gerçekleştirirler.

TEK REAKTÖRLÜ DENİTRİFİKASYON-ANAMMOX PROSESİ
Bu proses DEAMOX “Denitrifying Ammonium Oxidation-Denitrifikasyon ile Amonyum Oksidasyonu” olarak adlandırılmaktadır. Burada denitrifikasyon prosesi ile ANAMMOX prosesi eşleştirilerek, hem azot hem de karbon açısından zengin atıksulara uygulanabilecek bir ANAMMOX konfigürasyonu geliştirilmektedir.

UYGULAMADA GELINEN NOKTA
ANOMMAX prosesi, amonyak bakımından zengin, organik karbon içeriği düşük atıksularda uygulanmaktadır. Uygulama alanları:
• Evsel atıksu arıtımı (çamur susuzlaştırma geri devir akımı)
• Organik katı atıkların bertarafı ve arıtımı (Düzenli depolama sızıntı suyu, kompost, çürütme proses atıksuları)
• Gıda endüstrileri
• Hayvan gübresi işleme tesisleri
• Gübre endüstrisi
• (Petro) kimya endüstrisi
• Metalurji endüstrisi
• Yarı-iletkenler sanayi

ANAMMOX prosesi optimum olarak 25-30 °C’de gerçekleşen bir proses olmakla birlikte son yıllarda yapılan araştırmalar ANAMMOX prosesinin daha düşük sıcaklıklarda büyük kentsel arıtma tesisleri yerine daha küçük ve daha az enerji ihtiyacı olan atıksu arıtma tesisleri tasarlanabileceğini göstermiştir.

ANAMOX prosesi üzerine yapılan bilimsel çalışmalar 20 yıldan uzun süredir devam etmekte olup, büyük ölçekli ANAMMOX reaktörü 2007 yılında Rotterdam’da kurulmuştur. Bugün dünyada 114’ten fazla büyük ölçekli ANAMMOX tesisi bulunduğu rapor edilmiştir. (18)

KAYNAKLAR:

[1] Substrate Storage Phenomena in the Modeling of Activated Sludge Systems. Doktora Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Çevre Mühendisliği Anabilim Dalı, 2005. http://hdl.handle.net/11527/11630
[2] Candoğan E., Kırlı L. (2008). “ ANAMMOX (Anaerobik Amonyum Oksidasyon) Prosesi” C.B.Ü. Fen Bilimleri Dergisi 4.2, 153 – 168
[3] Güven D., Sözen S. (2003). “ANAMMOX Prosesi ile Amonyum Giderimi ve ANAMMOX Popülasyonunun Karakterizasyonu”, İTÜ Dergisi/d, Cilt: 2, Sayı:5, 27-34.
[4] Kuenen J.G. and Robertson L.A. (1994). Combined Nitrification-Denitrification Processes, FEMS Microbiology Reviews, 15,(2-3), 109-117.
[5] Khin T., Annachhatre A.P. (2004). Novel Microbial Nitrogen Removal Processes, Biotechnology Advances 22, 519-532.
[6] Strous M., Van Gevren E., Kuenen J.G., Jetten M. (1997a). Effects of Aerobic and Microaerobic Conditions on Anaaerobic Ammonium-Oxidizing (ANAMMOX) Sludge, Applied and Environmental Microbiology, 63(6), 2446-2448.
[7] Schmidt I., Sliekers O., Schmid M., Bock E., Fuerst J., Kuenen J.G., Jetten M.S.M., Strous M. (2003). New Concepts of Microbial Treatment Processes for the Nitrogen Removal in Wastewaters, FEMS Microbiolgy Reviews, 27, 481-492.
[8] https://en.paques.nl/mediadepot/1818a31cd232/WEBbrochureAnammox.pdf
[9] Broda E., (1977),” Two Kinds of Lithotrops Missing in Natüre”, Zeitschrift für Allg. Mikrobiologie,17-6,491-493
[10] Sliekers A.O., Third K.A., Abma W., Kuenen J.G., Jetten M.S.M. (2003). CANON and Anammox in a Gas-Lift Reactor, FEMS Microbiology Letters, 218, 339-344. [11] van de Graaf AA, de Bruijn P, Robertson LA, Jetten MSM, Kuenen JG. Autotrophic Growth of Anaerobic Ammonium-Oxidizing Micro-Organisms in a Fluidized Bed Reactor. Microbiology (UK) 1996;142:2187–2196.
[12] Strous M, Kuenen JG, Fuerst JA, Wagner M, Jetten MSM. The Anammox case—a new Experimental Manifesto for Microbiological Co-Physiology. Antonie van Leeuwenhoek. 2002;81(1/4):693–702. doi: 10.1023/A:1020590413079
[13] Mulder A, van de Graaf AA, Robertson LA, and Kuenen JG. (1995). Anaerobic Ammonium Oxidation Discovered in a Denitrifying Fluidized-Bed Reactor. FEMS Microbiol. Ecol. 16: 177-183
[14] van der Star WRL, Abma WR, Blommers D, Mulder JW, Tokutomi T, Strous M, Picioreanu C, van Loosdrecht MCM. Startup of Reactors for ANOXİC Ammonium Oxidation: Experiences from the First Full-Scale ANAMMOX Reactor in Rotterdam. Water Res. 2007;41(18):4149–4163.
[15] Jetten MSM, Strous M, van de Pas-Schoonen KT, Schalk J, van Dongen U, van de Graaf AA, Logemann S, Muyzer G, van Loosdrecht MCM, and Kuenen JG.(1999). The Anaerobic Oxidation of Ammonium. FEMS Microbiol. Rev. 22: 421-437
[16] van Dongen U, Jetten MSM, and van Loosdrecht MCM. (2001). The SHARON-ANAMMOX Process for Treatment of Ammonium Rich Wastewater. Water. Sci. Technol. 44:153– 160
[17] Humbert, S. (2011): Discovery of Anammox Bacteria in Terrestrial Ecosystems. (= PhD Thesis ). Neuchâtel: Université de Neuchâtel. https://doc.rero.ch/record/22458/files/Humbert_Sylvia_-_Discovrey_of_anammox_bacteria_in_terrestrial_in_ecosystems_UniNE_THESE_2011_2193.pdf
[18] M.Ali, S. Okabe., (2015), Anammox-Based Technologies for Nitrogen Removal: Advances in Process Start-Up and Remaining İssues, Chemosphere ,141:144-153
[19] www.google.com.tr/search?q=in+Holland+city+Dokhaven+Paques+Anammox+-Reaktor.&tbm=isch&tbo=u&-source=univ&sa=X&ved=2ahUKEwisw9Sh0ereAhUE2xoKHXpkD9MQsAR6BAgAEAE&biw=1034&bih=620.

R E K L A M

İlginizi çekebilir...