Tez No	İndirme	Tez Künye	Durumu
152299	Bu tezin, veri tabanı üzerinden yayınlanma izni bulunmamaktadır. Yayınlanma izni olmayan tezlerin basılı kopyalarına Üniversite kütüphaneniz aracılığıyla (TÜBESS üzerinden) erişebilirsiniz.	Anaerobik arıtmada amonyak inhibisyonu / Ammonia inhibition in anaerobic treatment Yazar:NURSEN ÖZ ELDEM Danışman: PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK Yer Bilgisi: İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı Konu:Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering Dizin:	Onaylandı Doktora Türkçe 2004 288 s.
ANAEROBİK ARITMADA AMONYAK İNHİBİSYONU ÖZET Bu çalışmada anaerobik antmada metan üretimi üzerine pH ve amonyağın inhibisyon etkileri, asetik, propiyonik ve bütirik asit kanşımının substrat olarak kullamldığı (1000 mg/1 KOİ konsantrasyonunun %70'i asetik asit, %15'i bütirik asit, %15'i propiyonik asitten karşılanmışür) 37±1 °C'de çalıştırılan kesikli reaktörlerde incelenmiştir. Deneyler, iki farklı tam ölçekli endüstriyel anaerobik reaktörden temin edilen aşı çamurları kullanılarak yürütülmüştür. Çalışmada kullanılan aşı çamurlarından biri, mısır işlenerek gıda sektörü için ara maddeler üreten Cargill Orhangazi Mısır İşletme Tesisindeki granüler çamurlu ve yukarı akışlı genleşmiş anaerobik çamur yatağından temin edilmiştir. Floküler yapıdaki diğer aşı çamuru, Uzay Gıda Patates Cipsi Üretim Tesisindeki yukarı akışlı anaerobik çamur yataklı reaktörden alınmıştır. Deneyler, dört farklı pH değerinde (6,8 - 7,4 - 7,8 - 8,4) yürütülmüştür. Her pH değeri için 6 farklı Toplam Amonyak Azotu (TAN) konsantrasyonunda (262 mg/1 (kontrol), 1000, 1500, 2000, 2500, 3000) çalışılmıştır. Biyokütle tarafından üretilen biyogaz miktarı su deplasmanı tekniği kullanılarak ölçülmüştür. Her farklı pH ve TAN konsantrasyonu için üç adet serum şişesi kullanılmıştır. İnhibisyon deneylerinde kullanılan aşı çamurları deneyler öncesinde herhangi bir kademede yüksek amonyak azotu seviyelerine alıştırılmamıştır. Deneylerde pH, alkalinite, TAN, AKM (Askıda Katı Madde), UAKM (Uçucu Askıda Katı Madde), ÇOK (Çözünmüş Organik Karbon), UYA (Uçucu Yağ Asitleri), biyogaz miktarı ve biyogaz bileşimi parametreleri izlenmiştir. Biyogaz miktarı deney süresince günde iki kez, biyogaz bileşimi deney süresince ortalama üç kez ölçülürken, diğer parametreler deney başlangıcı ve sonunda alman numunelerde ölçülmüştür. Her iki aşı çamuru için dört farklı pH ve her pH değeri için altı farklı TAN değerlerinde zamana karşı çizilen biyogaz üretim eğrileri kullanılarak eklenik metan üretim eğrileri elde edilmiştir. Eklenik metan üretim eğrilerinin modellenmesi ve bunun sonucunda metan üretim potansiyelinin (P, mlCHt/grUAKM), maksimum metan üretim hızının (R, mlCHVgrUAKM-gün) ve gecikme (lag) fazı süresinin (k, gün) bulunması amacıyla modifiye edilmiş Gompertz eşitliği (Denklem 1) kullanılmıştır. "Re M = P.exp-{ - exp Çt-t) + l (1) Burada, M eklenik metan miktarını (mlCTLj/grUAKM), t zamanı (gün) ve e exponansiyelli göstermektedir. Değerlendirmeler sonucunda Gompertz modelinin, deneysel verilerin çok büyük bir kısmına iyi uyum gösterdiği bulunmuştur. Bununla birlikte bazı yüksek pH ve yüksek TAN konsantrasyonları kombinasyonları için eklenik metan üretim verileri,Gompertz eşitliği ile temsil edilemeyen bir "başlangıç hörgücü" göstermiştir. Bu durum floküler aşı çamurunda pH >: 7,8 ve TAN > 1500-2000 mg/l'de görülürken, granüler aşı çamurunda sadece pH 8,4 ve TAN > 1000 mg/1 değerlerinde gözlenmiştir. Her iki aşı çamuru için, bahsedilen hörgücün gözlendiği durumlarda ikinci periyotta (hörgüç sonrası) gözlenen maksimum metan üretim hızlan, birinci periyotta (hörgüç öncesi) gözlenen metan üretim hızlarından daha yüksektir. Bununla birlikte floküler aşı çamurunda pH 8,4 ve 2000, 2500, 3000 mg/1 TAN değerleri için altı aylık inkübasyon süresinden sonra dahi metan üretimi gözlenmemiştir. Böyle durumlarda, bu çalışmada bahsedilen "başlangıç hörgücü", deney süresinin tamamına yayılmış ve metanojenik aktivite hiç başlamamıştır. Her iki aşı çamuru deneyler öncesinde amonyağa alıştırılmadığı halde gecikme fazı süreleri, çalışılan tüm TAN ve pH değeri kombinasyonları için granüler aşı çamurunda sıfır, floküler aşı çamurunda ise iki günden az olarak bulunmuştur. Bununla birlikte bazı yüksek pH ve yüksek TAN korısantrasy onlarında metanojenik aktivite yaklaşık 1-3 ay içerisinde bitmiş ve ardından aktivite tekrar başlayarak bu periyot sonrasında metan üretim hızı maksimum değerine ulaşmıştır. Deneylerin bu uzun periyot boyunca izlenmiş olması, mikroorganizmaların tekrar aktif hale gelme durumlarının da gözlenmesine imkan vermiştir. Bu deneylerde gözlenen alışmanın, aşı çamurlarında zaten dominant olan metanojenik arke türündeki metabolik değişim dolayısıyla veya amonyağa daha dirençli yeni nıikroorganizmaların üremesi sonucu olabileceği lahmin edilmektedir. Amonyak ve amonyumun artan konsantrasyonları ile eksponansiyel olarak azalan metan üretim hızı gözlemlerine dayanarak amonyak/amonyum inhibisyonu için basit ve kullanışlı bir eksponansiyel model önerilmiştir. pH'm direkt inhibitor etkisinin modellenmesinde normalize edilmiş Michaelis pH fonksiyonu kullanılmıştır. Eksponansiyel ifade ve normalize edilmiş Michaelis pH fonksiyonu, toplam etkiyi yansıtacak modeli oluşturmak üzere basit ve kullanışlı bir denklem (Denklem 2) verecek şekilde bMeştirilmiştir. R = Rmexp[- (aF + b(1 - F))TANİ v, * ". -H^r (2) m rL V \ ll J^ + iQ(pH-pK2) +-|Q(pK1-pH) v ' Burada Rm, inhibitor olmadığında ve pH=(pKı+pK.2)/2 de gözlenen maksimum metan üretim hızım; TAN, amonyak ve amonyumun toplamım göstermektedir. Rm, pKı, pKa, a ve b, pH ve TAN konsantrasyonlarından bağımsız gerçek sabitlerdir. F serbest amonyak fraksiyonunu göstermektedir ve F =(l + 10(pKa_pH)) eşitliği ile temsil edilmektedir. Burada Ka amonyum iyonunun iyonizasyon sabitidir. pKı ve pK.2 model parametreleri kontrol datasına (TAN=262 mg/1) doğrusal olmayan regresyon analizinin uygulanması ile hesaplanmıştır. Bu yaklaşım, bu TAN konsantrasyonunda pH ile metanojenik aktivitenin değişiminin pH'm direkt etkisinden kaynaklandığı kabulüne dayanılarak yapılmıştır. Ardından Rm, a ve b parametreleri tüm TAN değerlerini içeren data kullanılarak belirlenmiştir. Granüler aşı çamuru için Rm değeri 123 mlCHU/grUAKM-gün iken floküler aşı çamuru için Rm 19 mlCHVgrUAKM-gün olarak bulunmuştur. Önerilen yeni model (Denklem 2) ile serbest amonyak, pH ve amonyum iyonunun inhibitor etkileri, amonyak ve amonyum arasındaki denge ilişkisi korunarak, ayrı ayrı ortaya koyulmuştur. Bütün verilerin tek bir denklem ve gerçek sabitler kullanılarak hesabı TAN50 (metanojenik aktivitede %50 azalmaya neden olan TAN XIXkonsantrasyonu) ve optimum pH değerlerinin (granüler aşı çamuru için optimum pH 6,8; floküler aşı çamuru için optimum pH 7,5) tahminine imkan vermiştir. Böyle basit ve kullanışlı bir model ile datanın kolaylıkla analizi ve bu analizden birçok farklı faydalı neticenin çıkartılması mümkün olmaktadır. Her iki aşı çamurda etkin olan metanojenik türlerin belirlenmesi amacıyla floresanlı yerinde hibritleşme (FISH) tekniği kullanılarak çamurların arkeyal populasyonunun yapısı bulunmaya çalışılmıştır. Bu deneyler sonucunda, granüler aşı çamurunda floküler aşı çamuruna göre çok daha fazla sayıda metanojen türü olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca, floküler aşı çamurundaki metanoj enlerin dağınık halde bulundukları, granül aşı çamurunda ise granül yapının verdiği avantaj ile metanoj enlerin kümelenmiş halde ve daha aktif oldukları gözlenmiştir. Aşı çamuru olarak floklu çamurun kullanıldığı deneylerde serbest amonyak inhibisyonu, granül aşı çamuru kullanılan deneylere göre daha düşük pH ve amonyak değerlerinde gözlenmiştir. FISH deneyleri ile floküler aşı çamurunda daha az sayıda metanoj enin tespit edilmesi de bu sonucu desteklemektedir. XX
AMMONIA INHIBITION IN ANAEROBIC TREATMENT SUMMARY In this study the influences of pH and ammonia on methane production in the anaerobic treatment of an acetic-propionic-butyric acid mixture (70% of the lOOOmgCOD/1 of the substrate came from acetic acid, whereas 15% from butyric acid, and 15% from propionic acid) in batch reactors operated at 37 ±1 °C were investigated. Two independent sets of experiments were carried out using seeds from two different full-scale industrial anaerobic treatment reactors. One of the seeds (Uzay Gıda) was obtained from an upflow anaerobic sludge-blanket (UASB) reactor treating the waste from a potato chips production plant. The second sludge seed (Cargill) was from an expanded granular sludge-blanket (EGSB) reactor treating a corn processing waste. Experiments were carried out at four different pH values (6.8, 7.4, 7.8, 8.4) and with six different TAN (Total Ammonia Nitrogen) values (262 mg/L (control), 1000, 1500, 2000, 2500, 3000). The biogas produced by the biomass was measured by using a water displacement technique. Three vials (triple runs) were used for each pH and TAN value. The sludge seeds used in the inhibition tests were not exposed to high levels of ammonia at any stage before the tests. pH, Alkalinity, TAN, SS (Suspended Solids), VSS (Volatile Suspended Solids), SOC (Soluble Organic Carbon), VFAs (Volatile Fatty Acids), biogas quantity and its composition were monitored in the study. Biogas quantity was monitored twice a day and the biogas composition was monitored approximately three times during the experiment whereas other parameters were measured at the beginning and the end of the study. Cumulative methane production curves for both of the sludge seeds were obtained using the biogas production curves at four different pH values and six different TAN values. The following modified Gompertz equation (Eq.l) was employed to fit the data for cumulative methane production and to investigate the methane production potential (P, mlCHVgr VSS), maximum methane production rate (R, mLCHVgrVSS- day), and lag-phase time (X, days): M = P.exp^ - exp - 7.8 and with TAN > 1500-2000 mg/1. With granular sludge seed, this phenomenon was observed only at pH = 8.4 and with TAN > 1000 mg/1. With both sludges, the maximum ratein the second period (observed after hump) of methane formation was always larger than the maximum rate measured during the first period (observed before hump) whenever such an initial hump was observed. For flocular sludge seed at pH 8.4 and TAN values of 2000, 2500, and 3000 mg/L, however, methane formation did not recover even after six months of incubation. In these cases, what is referred to as the "initial hump" in this work spread over the entire duration of the experiments and methanogenic activity never restarted. Although neither sludge was acclimated to ammonia, the lag-phase times were less than two days for flocular sludge seed and essentially zero for granular sludge seed for all TAN and pH values. At certain high pH and high TAN values, however, methanogenic activity ceased within about 1 to 3 months; and then activity restarted and methane formation rate reached its maximum values after this period. If the experiments had not been continued following this period, this reactivation phenomenon would not have been detected. It may be speculated that the adaptation observed in these experiments may be the result of a metabolic change in the methanogenic archaea already dominant in the sludge seeds or the growth of new microorganisms that are more resistant to ammonia. For both sets of data obtained in this work, the methanogenic activity decreased exponentially with increasing TAN values. It was decided therefore to use the exponential expressions to model the inhibitory effects of ammonia and ammonium ion on the methanogenic activity. The normalized Michaelis pH function is employed to model the direct inhibitory effect of pH. The exponential expression and the normalized Michaelis pH function are combined into a single equation (Eq.2) to be used as the overall model: -. n+2xl0°-5(pK|-pKjh R = Rmexp[-(aF + b(l-F))TAN]IA^j:jST-i^ (2) Where Rm denotes the maximum methane production rate, i.e. the rate that would be observed in the absence of the inhibitor and at pH=(pKi+pK2)/2; TAN is the sum of ammonia and ammonium; Rm, pKi, pK2, a and b are model parameters and are true constants independent of pH and TAN concentration. Here F is the fraction of free ammonium given by F = (l + 10*pK*_pH^J where Ka = ionization constant of the ammonium ion. The model parameters pKi ve pK.2 were determined first by nonlinear regression based on the control data (TAN=262 mgA). This approach is based on the assumption that the variation of methanogenic activity with pH at this TAN concentration is due to the direct inhibitory effect of pH only. The parameters Rm, a and b were determined next by using the data for all TAN values. Rm values for granular and flocular sludge seeds were found as 123 and 19 mlCHVgrVSS-days, respectively. The proposed model (Eq.2) accounts for the inhibitory effects of free ammonia, ammonium ion and pH separately, while satisfying the equilibrium relationship between ammonia and ammonium. It is shown that using such an overall model with parameters that are true constants facilitates the analysis of the experimental data considerably. For example the application of the model to calculate various quantities of interest (such as TAN50 (TAN concentration which decreases the methanogenic activity 50%) and optimal pH) is explained. The optimal pH values for granular and flocular sludge seeds were found as 6.8 and 7.5, respectively. xxnMethanogen species in the sludge seeds were tried to investigate by using FISH (fluoresan in-situ hybridization) technique. It was found that granular sludge seed contains much more methanogen species when compared to flocular sludge seed. In addition, methanogen species in flocular sludge seed are dispersed whereas methanogen species in granular sludge seed were more intensed and active because of their granular character. Inhibition due to the inhibitory effects of free ammonia was observed at lower pH and ammonia levels in flocular sludge seed when compared with granular sludge seed. This result is supported with the fact that, granular sludge seed contains much more methanogen species when compared to flocular sludge seed. xxiu