Nitrifikasyon ve Denitrifikasyon

NİTRİFİKASYON VE DENİTRİFİKASYON

Nitrifikasyon

Nitrifikasyon, atıksuda mevcut amonyum (NH₄) iyonlarının bakteriler tarafından önce nitrite sonra da nitrat iyonlarına dönüştürülmesidir. Amonyağı nitrite oksitleyen bakteri türleri Nitrosomonos ve Nitrosococcus olarak bilinmektedir. İlk basamakta nitrite (NO₂) oksitlenen amonyum iyonları, ikinci basamakta Nitrobakter ile nitrata (NO₃) dönüştürülür.                       (Öztürk, )

  Nitrifikasyon Stokiometrisi

Nitrifikasyon enerji üreten iki basamaklı bir prosestir.

Nitroso-bakteriler:

2NH₄⁺ + 3O₂→ 2NO₂^- + 4H⁺ + 2H₂O

Nitro-bakteriler:

2NO₂^- +  O₂→ 2NO₃^-

Toplam oksidasyon reaksiyonu:

NH₄⁺ + 2O₂→ NO₃^- + 2H+ + H₂O

Yukarıdaki toplam oksidasyon reaksiyonu esas alındığında Amonyum nitrite dönüşümü için 3,43 g O₂/g ve nitritin nitrata dönüşümü için 1,14 g O₂/g oksitlenmiş NO₂ gerekli olup amonyumun tam oksidasyonu için gerekli oksijen 4.57 g O₂/g oksitlenmiş N’dır. Sentez göz önüne alındığında gerekli olan oksijen ihtiyacı 4,57 g O₂/g N’den daha azdır. Oksidasyona ilaveten oksijen karbondioksit ve azotun hücre kütlesine bağlanmasından elde edilmektedir.

Hücre dokusu ihmal edildiğinde, yukarıdaki toplam reaksiyonu yürütmek için ihtiyaç duyulan alkalinite miktarı aşağıdaki denklem yazılarak hesaplanabilir.

NH₄⁺ + 2HCO₃^- + 2O₂ → NO₃^- + 2CO₂ + 3H₂O

Yukarıdaki denkleme göre dönüştürülen amonyum azotu gramı başını CaCO₃ olarak 7,14 g alkaliniteye ihtiyaç olacaktır.

Elde edilen enerji ile beraber amonyumun bir kısmı hücre dokusuna asimile edilmektedir. Biyokütke sentez reaksiyonu aşağıdaki gibi ifade edilebilir.

4CO₂ + HCO₃^- + NH₄⁺ + H₂O  →  C₅H₇O₂N + 5O₂

C₅H₇O₂N kimyasal formülü sentezlenmiş bakteri hücrelerini ifade etmektedir. Hücre asimilasyonu da dikkate alındığında dönüştürülen amonyum azotu gramı başına 4,25 g O₂ kullanılmakta, 0,16 g yeni hücre üretilmekte, CaCO₃ olarak 7,07 g alkalinite giderilmekte ve yeni hücrelerin oluşumunda 0,08 g inorganik karbon kullanılmaktadır (Metcalf ve Eddy, 2003).

Nitrifikasyon Mikrobiyolojisi

Aerobik ototrofik bakteriler aktif çamur ve biyofilm proseslerde nitrifikasyondan sorumludur. Nitrifikasyon iki grup bakteri tarafından gerçekleştirilen iki kademeli bir prosestir. Birinci kademede amonyum bir grup bakteri tarafından nitrite oksitlenilmektedir. İkinci kademede nitrit diğer grup bakteri tarafından nitrata oksitlenilmektedir. Nitrifikasyonu işlemini gerçekleştiren iki grup bakteri birbirinden farklıdır. Atıksu arıtımında nitrifikasyon yer alan bakteri türleri amonyumu nitrite oksitleyen ototrofik  bakteri Nitrosomonas ve nitriti nitrata oksitleyen ototrofik bakteri Nitrobacter’dir.

Amonyum nitrite oksidasyonunun enerji elde etme kabiliyeti olan diğer ototrofik bakteriler Nitrosococcus, Nitrosospira, Nitrosolobus, Nitrosorobrio’dır (Rittman ve McCarty, 2001; Metcalf ve Eddy, 2003).1990’lar süresince çok daha fazla ototrofik bakteriler amonyak oksitleme kabiliyetine sahip olduğu fark edilmelidir (Metcalf ve Eddy, 2003).

Nitrobacter yanı sıra nitrit başka ototrofik bakteri (Nitro-) türleri tarafından oksitlenebilir: Nitrococcus, Nitrospira, Nitrospina ve Nitroeystis (Rittman ve McCarty, 2001; Metcalf ve Eddy, 2003). Wagner ve diğ. (1995) amonyum oksitleyen bakteriler için oligonukleotit prob kullanarak aktif çamur sistemlerinde Nitrosomonas’ın baskın olduğunu göstermiştir.  Teske ve diğ. (1994) aktif çamurda nitrit oksidasyonunda Nitroccocus’un oldukça baskın olduğunu bulmuşlardır (Metcalf ve Eddy, 2003).

 Nitrifikasyonu Etkileyen Faktörler

Katıları alıkoyma süresi ve hidrolik bekleme süresi gibi birçok parametreler atıksu arıtma sistemlerinin işletimini etkilerken, bazı şartlar özellikle biyolojik azot giderim sistemleri için önemlidir. Bunlardan birkaçı çamur yaşı, atıksuyun C/N oranı, reaktördeki sıcaklık ve pH, amonyak konsantrasyonu, çözünmüş oksijen ve inhibitör kirletici bileşikleri kapsamaktadır.

 Çamur Yaşı

Askıda büyümeli ve biyofilm sistemlerde heterotrofik bakteriler daima bulunmaktadır. Heterotrofik bakteriler çözünmüş oksijen ve yer için nitrifikasyon bakterileri ile rekabet halindedirler. Nitrifikasyon bakterilerinin nispeten yüksek oksijen yarı doygunluk sabiti (K_o) değeri, oksijen için rekabette onları dezavantaja sokmaktadır. Yer için rekabet edildiğinde, nitrifikasyon bakterilerinin yavaş büyüme hızı yüksek büyüme hızına göre bir dezavantajdır.

Nitrifikasyon bakterilerinin uzun çamur yaşına (tipik olarak 15 günden daha büyük) sahip olması sağlanarak bu iki dezavantajın üstesinden gelinebilir. Ayrıca toksik materyallerin varlığında, düşük çözünmüş oksijen konsantrasyonu veya düşük sıcaklıkta daha büyük çamur yalı değerlerine değerlere ihtiyaç duyulabilir. Aktif çamurda 15 gün veya daha uzun çamur yaşı koruma uzun havalandırma denilen yükleme şartına tekabül etmektedir  (Rittman ve McCarty, 2001). Nitrifikasyon yapan bakterilerin amonyumu giderebilmesi için minimum çamur yaşının (q_x) en az 3 gün olması gerekmektedir (Sponza, 2004).

 C/N Oranı

C/N oranı çok önemli bir parametredir. Düşük BOİ₅/TKN oranlarında ototrofik organizma sayıları yüksek iken, yüksek BOİ₅/TKN oranlarında ototrofik mikroorganizma sayılarının azaldığı buna göre heterotrofların arttığı gözlenmiştir (Sponza, 2004).

Nitrifikasyon sistemleri üç açıdan BOİ_L/TKN oranından etkilenmektedir. Birincisi heterotrofik biyokütle sentezinin azotukoyması ve amonyumdan nitrite ve nitrata akışı azalmasıdır. Eğer giriş BOİ_L/TKN oranı yeterince büyükse, nitrifikasyoniçin indirgenecek azot az bulunacak veya bulunmayacaktır. İkincisi BOİ_L/TKN oranı aktif biyokütlenin ne kadarnitrifikasyon bakterilerinden oluştuğunu belirlemektedir. Son olarak BOİ_L/TKN oranı heterotroflar ve nitrifikasyon bakterilerin çözünmüş oksijen ve flok veya biyofilmlerdeki yer için nasıl yarıştığının biraz kontrolünde kullanılmaktadır (Rittman ve McCarty, 2001).

Aktif çamur sistemlerinde nitrifikasyonun gerçekleşebilmesi BOI₅/ TKN oranı ile ilişkilidir. Bu oranın 1 ile 3 arasında olması durumunda sistem çok çamurlu nitrifikasyon sistemidir. BOI₅/TKN oranı 1 ile 3 arasında değişmesi durumunda nitrifikasyon bakterilerinin oranı 0,21’den 0,083’e kadar farklı değerler almaktadır. Pek çok klasik aktif çamur sisteminde BOI₅/TKN oranı 5’den büyük olduğu için nitrifikasyon bakterileri fraksiyonu 0,083’den az olmaktadır.

pH ve Alkalinite

NitrifikasyonpH’a duyarlıdır. Nitrifikasyon hızı 6.8 altında pH değerlerinde azalmaktadır. 5.8 ile 6.0’a yakın pH değerlerinde nitrifikasyon hızı pH 7’deki hızın %10 ile 20’si olabilir. Optimum nitrifikasyonpH 7.5 ile 8 aralığındakipH değerlerinde meydana gelmektedir. Makul nitrifikasyon hızlarını korumak için 7.0 ile 7.2’lik pH normalde kullanılmaktadır.

Düşük alkaliniteli sulara sahip yerlerde kabul edilebilir pH değerlerini korumak için atıksu arıtma tesisine ilave edilmektedir.  İlave edilen alkalinite miktarı başlangıç alkalinite konsantrasyonu ve oksitlenecek amonyum azotu miktarına bağlıdır. Maliyetler ve kimyasal işleme durumuna bağlı olarak alkalinite kireç, soda külü, sodyum bikarbonat veya magnezyum hidroksit formunda ilave edilebilir (Metcalf ve Eddy, 2003).

  Çözünmüş Oksijen

Çözünmüş oksijenin kısıtlayıcı etki oluşturmaması için 2 mg/L’nin altına düşmemesi gerekmektedir. Ortamda bulunan çözünmüş oksijen konsantrasyonu 3.2 mg/L’e düştüğünde Nitrobacter’in büyüme hızı(m) düşer ve oksijen için yarı doygunluk konsantrasyonu (Ko₂) artar (Sponza, 2004). Nitrifikasyon hızı, düşük çözünmüş oksijen konsantrasyonlarında (<0.5 mg/L) fazlasıyla inhibe edilmektedir. Nitrobacter’e düşük çözünmüş oksijen inhibisyon etkisi Nitrosomonas’dan daha büyük olduğu görülmüştür. Böyle durumlarda eksik nitrifikasyon meydana gelip çıkış suyunda NO₂-N konsantrasyonları artmaktadır (Metcalf ve Eddy, 2003).

Sıcaklık

İşletme sıcaklığının (5-30 ^oC) normal aralığı dışındaki  sıcaklık azalmasıyla nitrifikasyon hızları azalmaktadır. Bu yüzden optimum hızlar daha yüksek sıcaklıklarda sağlanmaktadır (Whichard, 2001). Sıcaklığın 30 ^oC’den 20 ^oC’e düşmesi nitrifikasyon mikroorganizmalarının spesifik büyüme hızlarını ¼ oranında azalmasına neden olur (Sponza, 2004).

İnhibisyon ve Toksisite

Nitrifikasyon bakterileri organik ve inorganik bileşiklerin geniş aralığına karşı hassastır. Bazı durumlarda bakteriler büyümeye devam etse ve amonyum ve nitrit oksitlense bile nitrifikasyon hızları inhibe olmaktadır. Hızları önemli derecede azalmaktadır. Bazı durumlarda toksisite nitrifikasyon bakterilerini öldürmek için yeterli olabilir. Toksik olan bileşikler; solvent organik kimyasallar, aminler, proteinler, taninler, fenolik bileşikler, alkoller, siyanatlar, eterler, karbanatlar ve benzenleri içermektedir. Nitrifikasyonu inhibe edebilen çok sayıda bileşiklerden dolayı inhibisyona sahip bir atıksu arıtma tesisinde nitrifikasyon toksisitesi kaynağını bilmek zordur. Kaynağını bulmak için toplama sisteminden kapsamlı örnek alınması gereklidir.

Nitrifikasyon iyonlaşmamış amonyak (NH₃) veya serbest amonyak ve iyonlaşmamış nitröz asit (HNO₂) tarafından da inhibe edilmektedir. İnhibisyon etkileri toplam azot türlerin konsantrasyonu, sıcaklık ve pH’a bağlıdır. 280 mg/L’de NO₂-N konsantrasyonu NO₂-N oksidasyon inhibisyonunu başlatabilir.

Metaller nitrifikasyon bakterileri için sorun oluşturmaktadır. 0.25 mg/L Ni ve 0.25 mg/L krom ve 0.10 mg/L Cu amonyak oksidasyonunu tam inhibe ettiği gözlenmiştir (Metcalf ve Eddy, 2003).

  Denitrifikasyon

Denitrifikasyon, oksijensiz ortamda nitratın (NO₃^-), azot gazına (N₂) dönüştürülmesidir. Burada, nitrat elektron alıcı olarak davranır. Bazı aerobik heterotrofik ve ototrofik organizmalar, oksijensiz ortamda nitratı elektron alıcı olarak kullanarak denitrifikasyon işlemini gerçekleştirirler. Pseudomonas, Bacillus, Spirillum, Acinetobacter, Rhizobium ve Agrobacterium gibi birçok tür denitrifikasyon yapabilmektedir.

 Denitrifikasyon Stokiometrisi

Denitifikasyon; nitratın ardışık olarak nitrite (NO₂), nitrik oksit (NO), nitröz oksit (N₂O) ve N₂ gazına indirgendiği basamaklar şeklinde ilerlemektedir. Her yarı reaksiyon ve onu katalizleyen enzim aşağıda gösterilmektedir (Rittman ve McCarty, 2001).

NO₃^-+ 2e^- + 2H⁺  → NO₂^- + H₂O                        Nitrat redüktaz                                (2.9)

NO₂^- + e^- + 2H⁺ → NO + H₂O                            Nitritredüktaz                                (2.10)

2NO + 2e^- + 2H⁺  → N₂O + H₂O                        Nitrit oksit redüktaz                       (2.11)

N₂O + 2e^-  + 2H⁺  → N₂(g)+ H₂O                        Nitröz oksit redüktaz                     (2.12)

Denitrifikasyonun gerçekleşebilmesi için azotun oksitlenmiş formda bulunması, organik karbon kaynağının mevcut olması ve ortamın anaerobik olması gerekir (Günay ve Debik, 1998).Azot giderim proseslerinde elektron verici üç kaynaktan biridir.

1. Giriş atıksuyunda biyolojik olarak ayrışabilen KOİ

2. İçsel solunum esnasında üretilen biyolojik olarak ayrışabilen KOİ

3.Metanol ve asetat gibi harici karbon kaynağı (Metcalf ve Eddy, 2003).

  Denitrifikasyon Mikrobiyolojisi

Denitrifikasyonu gerçekleştirebilen bakteriler hem ototrofik hem de heterotrofiktir. Heterotrofik organizmalar Archromobacter, Agrobacterium, Alcaligenes, Arthrobacter, Bacillus, Chromobacterium, Corynebacterium, Flavobacteriım, Hypomicrobium, Moraxella, Neisseria, Paracoccus, parpionibacterium, Pseudomonas, Rhizobium, Rhodopseudomonas, Spirillum ve Vibrio’dır. Ayrıca Halobacterium ve Methanomonas da ilave edilmiştir. Bu bakterilerin çoğu hem oksijen hem de nitratı veya nitrit kullanacak yeteneğe sahip fakültatif aerobik organizmalardır. Bazıları nitrat veya oksijen yokluğunda fermantasyonu da yürütebilirler. Denitrifikasyon işlemini yapabilen ototrofik bakteriler denitrifikasyon esnasında elektron vericileri olarak hidrojen ve indirgenmiş sülfür bileşiklerini kullanmaktadırlar. Eğer organik karbon kaynağı bulunursa her iki grup organizma heterotrofik olarak büyüyebilir (Randall ve diğ, 1992; Metcalf ve Eddy, 2003).

 Denitrifikasyonu Etkileyen Faktörler

 Çözünmüş Oksijen

Oksijen var ise, bakteriler elektron alıcı olarak oksijeni tercih eder. Çünkü daha fazla enerji üretebilirler. Örneğin aerobik glikoz oksidasyonunda 686 kcal/mol glikoz enerji üretilirken, anoksik şartlarda bu değer 570 kcal/mol glikozdur. Bu nedenle, denitrifikasyon sırasında oksijen mevcudiyeti verimi düşürecektir. Fakat yüksek oksijen konsantrasyonlarına sahip aktif çamur ünitelerinde bile denitrifikasyon gözlenebilir. Bunun nedeni ise, biyo-yumaklar içerisinde, derin noktalarda oksijen konsantrasyonu düşük olup bu noktalarda nitrat elektron alıcı olarak kullanılır(Bitton, 1994; URL 1)

Sıcaklık

Sıcaklık diğer biyokimyasal reaksiyonlar gibi denitrifikasyon sürecini de etkilemektedir. 20  ⁰C’nin üzerinde denitrifikasyon hızının sabit kaldığı belirtilirken 5 ^oC’nin altında hızla düştüğü vurgulanmaktadır. Optimum sıcaklığın 40 ^oC’de görüldüğü, maksimum hıza ise 50 ^oC’de ulaşıldığını, sıcaklığın 10 ^oC’den 20 ^oC’e kadar çıkarılması halinde nitrat giderim hızının üç misli arttığı belirtilmektedir (Sözen, 1995).

  pH

Alkalinite denitrifikasyon prosesinde üretilmektedir. pH nitrifikasyon prosesindeki gibi azalma yerine artmaktadır. Nitrifikasyon yapan organizmaların aksine denitrifikasyon hızı üzerinde pH etkileri daha az endişe vermektedir. 7.0 ve 8.0 arasındaki pH değerlerinde denitrifikasyon hızı üzerinde önemli etki olmadığı rapor edilmiştir. Dawson ve Murphy (1972) alıştırılmamış bir testte 7’den 6’a kadar pH azaltıldığında denitrifikasyon hızında bir azalma gözlemişlerdir (Metcalf ve Eddy, 2003).

Burayı da ziyaret edebilirsiniz..

NOT: Kendi hazırladığım Lisans bitirme tezimin ilgili kısmıdır. Her hakkı saklıdır. 
Çevre Mühendisliği ile ilgili not isteklerinizi yorum kısmında belirtebilirsiniz.