Evsel ve Agro-Endüstriyel Atıksulardan Strüvit Oluşumu ile Azot ve Fosfor Giderim ve Geri Kazanımı (Nitrogen and Phosphorus Removal and Recovery from Domestic and Agro-Industrial Wastewaters by Struvite Precipitation)

Proje Yürütücüsü:Y.Doç.Dr. Sibel Uludağ-Demirer
Destekleyen kuruluş:TÜBİTAK
Proje No:IÇTAG-102, 2004
Proje Çalışanları:Prof.Dr. Göksel N. Demirer, Dr. Tuba H. Ergüder
ÖZET

Özellikle tarımsal etkinlikler ile arıtılmamış endüstriyel ve evsel atıksu deşajlarından kaynaklanan azot ve fosfor (N/P) kirliliği yeraltı ve yüzey su kaynaklarının kalitesini dünyanın pekçok bölgesinde olumsuz olarak etkilemeye devam etmektedir. ABD Çevre Koruma Kurumu’nun 1996 yılında hazırladığı raporda N/P’un göl ve limanlardaki su kalitesini olumsuz etkileyen en önemli; nehir su kalitesini olumsuz etkileyen, sediman taşınımınından sonra, ikincil öneme sahip parametreler olduğu belirtilmiştir. Avrupa’da da 1991 yılında yürürlüğe giren Kentsel Atıksu Arıtım Direktifi’nde N/P deşarj limitleri düşürülmüş ve evsel atıksu arıtma tesislerinde daha yüksek düzeyde N/P giderimi için önemli revizyonlar yapılmaya başlanmıştır. Ülkemizde de durum çok farklı değildir. Evsel ve/veya endüstriyel atıksu deşarjı sonucu İzmit ve İzmir Körfezlerinde, Mogan ve Eymir göllerinde, vd. pekcok su kaynağında yüksek N/P konsantrasyonları nedeniyle su kalitesinin ciddi boyutlarda bozulduğu, ötrifikasyon probleminin yaşanmakta olduğu, vb. bilinmektedir. Ülkemizde konu üzerindeki veriler sınırlı olmakla beraber, çesitli ülkelerdeki araştırmalar göz önüne alındığında, tarımsal etkinlikler kaynaklı N/P kirliliğinin endüstriyel ve evsel atıksulardan çok daha yaygın ve yoğun olduğu da bir gerçektir.

Atıksularda N/P arıtımına yönelik olarak uygulanan konvansiyonel yöntemler sadece giderimi hedefleyip, geri kazanımı göz ardı etmektedir. Oysa bu durum artan nüfus ile birlikte pekçok tarımsal ve endüstriyel etkinlik için N/P içeren bileşiklere olan gereksinimin gittikçe artmakta olduğu gerçeği ile ciddi bir çelişki oluşturmaktadır. Tüm dünyada son yıllarda çevre mühendisliği uygulamalarında da hızla yaygınlaşmakta olan temiz üretim yaklaşımı ilkeleri ile de paralel olarak, atıklardan çeşitli kimyasal maddelerin geri kazanımı gittikçe önem kazanmaktadır. Bu çerçevede, atıksulardan N/P’un giderilmesine paralel olarak geri kazanımı, sadece çevresel değerlerin korunması değil, arıtım maliyetlerinin düşürülmesi bazında da, cazip bir alternatif haline gelmiştir.

Son dönemde N/P’un atıksulardan struvit (MgNH4PO4.6H2O) oluşumu ile arıtım ve geri kazanımı yaygın bir araştırma konusu haline gelmiş, uygulamaya yönelik çalısmalar hız kazanmıştır. Struvit yavaş çözünme özelliği ile bitkileri ve toprağı yakmayan, değerli (670 sterlin/ton) ve etkili bir gübredir. Gerekli araştırma ve optimizasyon çalışmaları ile struvit çeşitli atıksularda N/P giderimine paralel olarak yüksek saflıklarda elde edilebilmektedir.

Bu çalışmada evsel ve agro-endüstriyel atıksu arıtımında struvit olusumu ile N/P giderimi ve geri kazanımı araştırılmıştır. Diğer bir değişle, N/P kaynaklı yeraltı ve yüzeysel su kirliliği sorununa, arıtım maliyetinin ekonomik değeri olan bir ürünün eldesi ile düşürüldüğü alternatif bir yaklaşım geliştirilmeye çalışılacaktır. Çalışmanın ilk bölümünde konvansiyonel evsel atıksu arıtımında aktif çamur işlemi çıkış suyunda N/P giderimini struvit oluşumu ile sağlamak icin gereken koşullar araştırıldıktan sonra, proses performansını artırmak için çeşitli işletim değişkenleri (pH, Mg2+, NH4+, PO43- konsantrasyonları gibi) optimize edilmiştir. İkinci bölümde ise yüksek düzeyde N/P içerdiği bilinen agro-endüstriyel atıklardan hayvansal gübre ve peyniraltı suyunun anaerobik arıtım çıkış suları struvit oluşumu potansiyelleri açısından incelenmiş ve maksimum struvit oluşumu icin uygun koşullar araştırılmıştır.

ABSTRACT

The nitrogen and phosphorus (N/P) contamination originating especially from the agricultural activities and untreated domestic wastewater discharges keeps threatening the quality of the ground and surface waters in many parts of the world. The United States Environmental Protection Agency (US EPA) has reported that N/P pollution is the leading cause of the water quality impairment in the lakes and estuaries and is the second leading cause, behind sediment transport, in rivers in 1996. Since the implementation of the EC Urban Wastewater Treatment Directive in 1991, which requires lowered N and P discharge limits, fundamental changes have been made in the wastewater treatment facilities at tertiary treatment level towards improved N/P removal. There are N/P contamination problems in the water resources of Turkey similar to the developed regions of the world. It is well known that high N/P concentrations due to domestic and/or industrial wastewater discharges have led to eutrophication problem and serious deterioration of the water quality in İzmit ve İzmir Bays, Mogan and Eymir Lakes, etc. Even though the data is rather scarce for our country, it is a fact that N/P pollution due to agricultural activities is more wide-spread and severe than those resulted from industrial and domestic wastewater discharges, based on research in other countries.

The conventional techniques of N/P removal in wastewaters aim only removal and neglect recovery. This fact, however, constitutes a major contradiction with the fact that the demand for N/P containing compounds in many agricultural and industrial activities is on an accelerated rise due to on-going population increase. Parallel to the cleaner production principles, which have started to be applied more and more in environmental engineering practices recently, the recovery of chemicals from wastes is becoming more important in the world. Therefore, the recovery of N/P parallel to their removal from wastewaters is an innovative and attractive option not only in terms of environmental concerns, but also lowering the associated wastewater treatment costs.

Recently, the removal and recovery of N/P by the formation of struvite (MgNH4PO4.6H2O) has been the focus of many research efforts and there are several ongoing studies on the application of this new approach. Struvite is a slow-release fertilizer, which does not burn out the plants and soil, and it has a considerable economical value (670 sterling/ton). After conducting necessary research and optimization activities, struvite can be produced from various wastewaters parallel to N/P removal, at high purities.

This study aims to investigate the removal and recovery of N/P from domestic and agro-industrial wastewaters by struvite precipitation. In other words, an innovative approach of managing the N/P based ground and surface water quality problems by lowering the associated wastewater treatment costs through producing an economically viable product will be explored. In the first part of the study, the optimum conditions for struvite precipitation in the effluent of an activated sludge process in a conventional domestic wastewater treatment plant will be investigated and the associated operational parameters (pH, Mg2+, NH4+, PO43- concentrations) will be optimized. In the second part of the study, the effluents of anaerobically digested animal manure and cheese-whey, the agro-industrial wastewaters which are known to have very high N/P concentrations, will be subjected to struvite precipitation along with optimization of the involved variables.