İçme sularından nitrat ve perkloratın elementel kükürt bazlı ototrofik süreçlerle giderimi / Removal of nitrate and perchlorate from drinking water by elemental sulfur based autotrophic processes

Abstract

Perklorat (CIO4-), perklorik asitten elde edilen tuzlardır. Füze–roket üretimi, otomotiv endüstrisi ve ilaç endüstrisi faaliyetleri sonucunda yeraltı sularına karışabilmektedir. Amonyum perklorat, sudaki yüksek çözünürlüğü ve düşük adsorpsiyon eğilimi nedeniyle kullanım alanından içme sularına kolaylıkla karışabilmektedir. Nitrat, yüzeysel ve yeraltı sularında en çok karşılaşılan kirleticilerden biri olup, en önemli kaynakları tarımsal gübre kullanımı ve ileri arıtma yapılmadan deşarj edilen evsel ve endüstriyel nitelikli atıksulardır. Nitrat ve perklorat yeraltı sularında birlikte bulunabilen kirleticilerdir. Bu tez çalışmasında içme sularında bulunabilen nitrat ve perkloratın elementel kükürt bazlı ototrofik denitrifikasyon prosesi kullanılarak eş zamanlı giderim koşulları araştırılmıştır. CIO4- indirgenmesi CIO3- ve CIO2- ara ürünlerini oluşturarak CI- ve O2 üretir. Farklı alkalinite kaynaklarının sistem performansı üzerine etkisi tez kapsamında çalışılan iki farklı sürekli sistemde (paket yataklı yukarı akışlı biyoreaktörlerde) ve bu sistemlerden alınan aşı çamur ile kurulmuş kesikli reaktörlerde araştırılmıştır. Alkalinite ihtiyacı, reaktörlerden birinde (R1) reaktör malzemesine eklenen kireç taşıyla sağlanırken diğer reaktörde (R2) giriş suyuna NaHCO3 (sodyum bikarbonat) eklenmesi ile sağlanmıştır. Her iki reaktör 150 gün boyunca hidrolik bekleme süresi (HRT: Hydraulic Retention Time) 12 saatte 25 mg/L giriş nitrat (NO3--N) konsantasyonunda 30 ºC'de işletilerek %100'lük nitrat indirgemesi sağlanmıştır. Bu sürecin ardından reaktörlerde HRT kademeli olarak 2 saate indirilmiş ve perklorat sisteme 50 μg/L başlangıç konsantrasyonunda eklenmiş, kademeli olarak 1000 μg/L'ye arttırılmıştır. Perkloratın sisteme verilmesi her iki reaktörde de nitrat giderim verimi üzerinde ihmal edilebilir bir etki yaratmıştır (R1 için %100'den %95.48'e; R2 için ise %100'den %96.4'e). Perklorat indirgemesi ise CIO3- ya da CIO2- ara formları şeklinde sistemde birikmeden CI-'e indirgenmiştir. Her iki reaktörde çıkış pH değeri asidik bölgelere ulaşmadan nötral değerlerde kalmıştır. Paket yataklı reaktörlerde nitrat; 165 mg NO3--N/L.gün ve perklorat; 50-1000 μg/L.gün'lük yükleme oranlarında birlikte giderilebilmektedir. Alkalinite hem reaktör içine yerleştirilen kireç taşı ile hem de giriş suyuna eklenen NaHCO3 ile sağlanabilirken, çözünmüş formda bulunan NaHCO3 daha etkin bir alkalinite kaynağı teşkil etmiştir. Perchlorate (CIO4-) is the salt derived from perchloric acid. Perchlorate, on the other hand, reachs to groundwater in the result of the activities of missile and rocket production, automotive industry and farmacy. Due to the high solubility (200 g/L) and low adsorption properties of ammonium perchlorate which widely used in missle and rocket industry, it can easily reach sources of drinking water. Nitrate is the most common contaminant found in groundwater and its major sources are fertilizer usage and domestic and industrial effluents without advance treatment. Nitrate and perchlorate are the contaminants found in groundwater together. In this thesis, simultaneous removal of these two contaminant by sulfur based autotrophic denitrification process is investigated. Microbial CIO4- reduction produces CI- and O2 via the intermediates CIO3- and CIO2-. The effect of different alkalinity sources on system performance is investigated in two different continuous system (upflow packed bed reactors) and batch reactors inoculated with sludge taken from continuously operated reactors. While alkalinity provided by limestone in the reactor media in one of reactors (R1), for other reactor (R2) NaHCO3 directly added to influent. Both reactors operated 150 days at the conditions of 12 hours HRT, 25 mg/L NO3--N influent concentrations and 30 ºC temperature. Hence 100% nitrate reduction achieved. Subsequently HRT gradually decreased to 2 hours and perchlorate given to system in start up concentration of 50 μg/L. In the following process, perchlorate gradually increased up to 1000 μg/L and its possible toxic effects monitored. Perchlorate addition, has a negligible effect on nitrate reduction (100% to 95.48'e for R1; 100% to 96.4 for R2). Perchlorate also reduced to CI- without accumulating in the system in the forms of CIO3- ya da CIO2-. For both reactors, effluent pH remained neutral without decreasing the acidic values. Nitrate and perchlorate could simultaneously reduced in packed bed reactors at nitrat load rates of 165 mg NO3--N/L.d. While alkalinity could provide either by limestone in the reactor media or dissolved NaHCO3 in influent, NaHCO3 addition exhibitted better performance.