Geri Dön

Experimental assessment of anammox process response to different carbon compounds

Anammox prosesinin farklı karbon kaynaklarına tepkisinin deneysel yöntemlerle belirlenmesi

  1. Tez No: 139084
  2. Yazar: DİDEM GÜVEN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. SEVAL SÖZEN
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2003
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 176

Özet

Anammox prosesi, amonyağın anaerobik koşullar altında azot gazına indirgendiği bir prosestir. Bu proseste amonyak elektron vericisi, nitrit elektron alıcısı olarak kullanılır. Anaerobik amonyum oksidasyonu, çok kısa bir zaman öncesine kadar biyolojik azot döngüsünün keşfedilmemiş bir bölümünü oluşturmakta idi. Bu prosesi oluşturan mikroorganizma topluluğu Planktomaysit türünün ototrofik grubunun üyesi olarak tanımlanmaktadır. Nitritin elektron alıcısı olarak kullanıldığı anaerobik amonyum oksidasyonunda ana ürün azot gazı olmakla birlikte bir miktar da nitrat oluşmaktadır. Nitrat, biyosentez reaksiyonunda CO2 fıksasyonu için gerekli olan elektron alıcısı olarak da kullanılmasıyla oluşmaktadır. Oluşan nitrat, anammox reaksiyonu uyarınca giderilen toplam azotun çok küçük bir parçasını oluşturmakla birlikte özellikle yüksek giriş amonyak konsantrasyonlarında önemli miktarlarda nitrat oluşumuna sebep olabilmektedir. Çıkış kalitesinde istenen standartların sağlanabilmesi için oluşan bu nitratın giderilmesi gerekmektedir. Bu çalışma çerçevesinde, karbon kaynaklarının anammox prosesi üzerindeki etkileri ve anammox prosesinde oluşan nitratın giderim mekanizmasının belirlenmesi amaçlanmıştır. Anammox reaktörüne organik karbon bileşenlerinin beslenmesi ve anammox popülasyonunun bu koşullara tepkisinin belirlenmesi hedeflenmiştir. Çalışmanın ilk bölümünde farklı karbon kaynaklarının anammox aktivitesi üzerindeki etkilerinin belirlenmesi için 8 farklı karbon kaynağından oluşan kesikli deneyler gerçekleştirilmiştir. Kesikli deneylerde asetat, propiyonat, metanol, nişasta, glükoz, etanol, format ve aminoasitler farklı konsantrasyonlarda kullanılmıştır. Deneylerde; glükoz, etanol ve metanol kolay ayrışan substratı, nişasta partiküler substratı, format, asetat, propiyonat ve amino asitler genellikle anaerobik çamur çürütmenin asidifikasyon fazında oluşan fermantasyon ürünlerini temsil etmek üzere kullanılmıştır. Kesikli deneylerden elde edilen sonuçlar, metanolun anammox aktivitesini tamamen durdurduğunu, asetat ve propiyonatın anammox aktivitesini teşvik ettiğini, diğer bileşenlerin anammox aktivitesini farklı derecelerde inhibe ettiğini göstermiştir. Sürekli sistem reaktör deneyleri için metanol, asetat ve propiyonat seçilmiştir. Bunun için üç ayrı reaktör %74 derecesinde zenginleştirilmiş aynı anammox kültürü ile aşılanmıştır. Rektörlerin biri metanol, diğeri asetat beslemesi için, diğeri de propiyonat beslemesi için kullanılmıştır. Metanol beslemesi, anammox aktivitesini derhal ve geri dönüşümsüz şekilde inhibe ettiği görülmesi üzerine kısa sürede durdurulmuştur. Sistemin bir hafta süre ile mineral ortam ile yıkanması ile, anammox aktivitesinin tekrar geri kazammım sağlanamamıştır. Asetat beslemesi sabit asetatyükünde çalıştırılırken, propiyonat beslemesi giderek artan yüklerde gerçekleştirilmiştir. Karbon kaynağı beslemesi koşullan altında anammox prosesinin tepkisini belirlemek için reaktörler karbon ve azot bileşenleri yanında popülasyon dinamiği açısından da izlenmiştir. Asetat ile beslenen anammox reaktöründen elde edilen sonuçlara göre reaktöre beslenen asetatın tüketilmesine rağmen nitrat konsantrasyonunda bir düşüş görülmemiştir. Ayrıca FISH analizleri ile elde edilen bulgularda denitrifikasyon bakterilerini temsil edebilecek bir organizma grubuna rastlanmamıştır. Fakat, 21 günlük süre için yapılan kütle dengesinden elde edilen sonuçlar, proseste oluşan nitratın anammox stokiyometrisine göre beklenenden daha az olduğunu göstermiştir. Bu sonuç, asetatın varlığında nitratın indirgenebileceğinin göstergesi olarak kabul edilebilir. FISH analizleri aynca asetatın varlığında anammox popülasyonunda küçük bir değişikliğin olduğunu da göstermiştir. Özellikle propiyonat ilavesinin başladığı ilk periyotta reaktöre beslenen propiyonatın tümünün tüketilmesine rağmen nitrat konsantrasyonunda bir değişiklik görülmemiş, nitrat konsantrasyonu uzun süre sabit kalmıştır. Bu süre zarfında aynca anammox stokiyometrisinin önemli ölçüde değişmediği görülmüştür. Ancak sisteme sağlanan propiyonat yükünün artırılmasıyla nitrat konsantrasyonunda önemli bir düşüş görülmüştür ki bu da sistemde yeterli miktarda propiyonatın varlığında nitratın tüketildiğini göstermiştir. Yapılan FISH analizlerinde uzun süreli propiyonat beslemesine rağmen denitrifiyer topluluğunu temsil edecek bir organizma grubu belirlenmemiştir. FISH analizleri reaktördeki anammox topluluğunun baskınlığının sürdüğünü fakat önemli ölçüde değiştiğini, yeni anammox türlerinin geliştiğini göstermiştir. Propiyonat ile beslenen anammox reaktöründen elde edilen bulgular, propiyonat tüketiminden anammox bakterisinin sorumlu olabileceğini göstermiştir. Bu sebeple çalışma kemolithoototrof olarak bilinen anammox bakterisinin propiyonat tüketimi konusuna yönlendirilmiştir. Bu amaçla, önce %74 oranında zenginleştirilmiş anammox biyo-reaktöründe propiyonat tüketimini izlemek için anlık propiyonat ilavesi ile deneyler yapılmıştır. Bu deneylerde propiyonat konsantrasyonun lineer olarak düştüğü görülmüştür. Anammox biyo-reaktörünün saf kültürden oluşmadığı sebebiyle anammox hücreleri yoğunluk gradyam santrifüj yöntemi ile saf kültürü elde edilerek bir mikro ölçekli kesikli deneyle propiyonat tüketimi izlenerek %74 zenginleştirilmiş kültürde elde edilen sonucun ispatı sağlanmıştır. Elde edilen kültürün saflık derecesi FISH analizi ile değerlendirilmiştir ve yaklaşık %99.5 derecesinde saflığa ulaşıldığı görülmüştür. Propiyonatın varlığında nitratın anammox bakterisi tarafından giderim mekanizması farklı azot bileşenleri ile yapılan kesikli deneylerde ve 15NC>3~ izotopu işaretli kesikli deneyleriyle açıklanmıştır. Bu kesikli deneylerle ve daha önce yapılan sürekli akımh reaktör deneylerinde nitratın propiyonat oksidasyonunda elektron alıcısı olduğu bulunmuştur. Propiyonat oksidasyonu sadece nitratın varlığında gerçekleşmiş ve nitrit ara birikimi görülmüştür. Bu şekilde nitritin nitrat gideriminde serbest ara ürün olduğunu ve bu şekilde hız kısıtlayıcı adım olduğunu göstermektedir. Tüm bu bulgular ışığında anammox bakterisinin propiyonatı kullanarak nitratı indirgeme reaksiyonunun mekanizması bir model ile açıklanmıştır. Bu modele görenitratın bir kısmı nitrite dönüşürken, bir kısmı doğrudan azot gazına indirgenmektedir. Bu modele göre oluşan nitrit, anammox prosesinde tekrar döngüye girerek anaerobik amonyum oksidasyonu reaksiyonunu gerçekleştirmektedir. Bu bulgu, elektron alıcısı olarak nitriti kullanarak amonyağı anaerobik ototrofik koşullar altında oksitleyen anammox bakterisinin propiyonatı elektron vericisi olarak kullanarak nitratı indirgeyebildiğim ortaya koymaktadır.

Özet (Çeviri)

Anammox is the oxidation of ammonium to dinitrogen gas anaerobically with nitrite as the electron acceptor. The microorganism that carries out this process has been identified as a novel autotrophic member of the order Planctomycetales, one of the major distinct divisions of the bacterial domain. It is an almost completely unexplored part of the biological nitrogen cycle and the process offers new opportunities. Application of this process in nitrogen removal from wastewater could replace traditional nitrification-denitrification, reducing treatment cost. Oxidation of ammonium anaerobically with nitrite yields in mainly nitrogen gas and small amount of nitrate. In anammox process,, an electron donor is required for CO2 fixation and nitrite acts also as electron donor. Thus, part of the nitrite is converted to nitrate. Although produced nitrate is very small portion of the totally removed nitrogen, especially for treatment of wastewaters containing high ammonium loads, produced nitrate would reach to significant concentrations in the effluent which is not desired for the water quality and needs to be removed in the wastewater treatment plants. In this study, the influence of the representative organic compounds on the activity of anammox and nitrate reduction mechanism in the anammox process was investigated. For the assessment of the response of the anammox process in the presence of an organic carbon compound, batch and continuous flow reactor experiments were planned. In the first part of the experimental studies, stimulatory and inhibitory effects of different carbon compounds on the anammox process were examined. For this purpose parallel batch experiments were conducted with 8 different carbon compounds such as acetate, propionate, methanol, starch, glucose, ethanol, formate and amino acids. Glucose, ethanol and methanol were used to represent readily biodegradable substrate, starch was used to represent particular substrate and propionate, formate, acetate and amino acids were used to represent volatile fatty acids as readily biodegradable substrate mainly formed in sludge digestion tanks. Different concentrations of each compound were studied. Results indicated that methanol strongly inhibited the anammox activity where acetate and propionate were found to have stimulatory effect on the anammox process. All the other compounds were inhibited some degree of the anammox activity. For the continuous flow reactor experiments methanol, acetate and propionate were selected. Three different continuous flow reactors inoculated with 74% enrichedanammox biomass and one was fed with methanol, one with acetate and the other with propionate. Methanol supplement was stopped due to immediate inhibition of anammox reaction. Flushing of the culture with sole mineral medium did not restore the anammox activity. Acetate feeding was supplied to the reactor at constant concentration. Propionate feeding was supplied to the reactor with gradually increasing concentrations. To examine the response of the anammox population to organic carbon supply was monitored for carbon and nitrogen compounds and also for population dynamics with Fluorescent in situ Hybridization analysis. During acetate feeding for 21 days it was observed that acetate was completely consumed in the reactor. Whereas, it was not detected any group of organism which would be an indication of denitrifiers. It was obtained from the mass balances of the acetate feeding reactor that less nitrate was produced compared to stoichiometrically expected amount. It would be an indication of nitrate reduction in presence of acetate. Slight change in anammox population was detected with Fluorescent in situ hybridization analysis which would indicate new strain(s) of anammox bacteria. Especially in the beginning period of propionate supply, although propionate was completely consumed in the reactor it was not detected any change in the nitrate concentration. During this period, anaerobic ammonium oxidation activity in the reactor did not significantly change. As soon as the propionate load was increased, significant decrease in nitrate concentration in the effluent was observed. FISH analyses were also showed that there was not any group of organism which would be an indication of denitrifiers. FISH analyses were also showed that anammox population was significantly changed under propionate feeding conditions which might be the indication of new anammox strains. Significant decrease in nitrate concentration was only observed under reasonably high load of propionate to the reactor. Propionate feeding reactor was examined also searching for denitrification activity with batch experiments. Results obtained from propionate feeding reactor directed the research on propionate consumption by anammox bacteria. For the investigation of this theory pulse-addition experiments with propionate in an anammox reactor were performed. For this purpose 74% enriched anammox bacteria which has never met with an external organic carbon compound, were used. Since biomass was 74% enriched, not a pure culture of anammox bacteria, to prove the theory of propionate consumption a pure culture of anammox cells has to be obtained. Since anammox bacteria have an extremely low growth rate classical microbiological isolation techniques are not practicable. A pure culture of anammox cells was obtained using density gradient centrifugation. Purified anammox cells were analyzed for degree of purification with Fluorescent in situ Hybridization. A micro batch experiment was conducted with purified anammox cells in presence of propionate in order to observe propionate consumption. The mechanism of nitrate reduction coupled to propionate oxidation by anammox bacteria was investigated in the batch experiments using both labeled (15N03") and unlabeled N-compounds. Both batch and continuous cultivation experiments showed that, nitrate was the electron acceptor coupled to propionate. Propionate oxidation only occurred in the presence of nitrate and when nitrate was present as the only electron acceptor, a transient accumulation of nitrite was observed. This indicated that nitrite was a free intermediate of nitrate reduction and that the reduction of nitrite was the rate-limiting step.Considering the experimental circumstances associated with this study, a model was proposed to explain possible reaction mechanism of nitrate reduction in anammox process. According to proposed model, part of the nitrate is converted to nitrite and the rest is converted to dinitrogen gas. Nitrite formation was observed due to nitrate reduction and formed nitrite was simultaneously converted to dinitrogen gas with ammonium as expected anammox activity. This study demonstrates that anammox bacteria which are known as chemolithoautotroph can reduce nitrate using propionate as the electron donor.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    654348

    Experimental assessment of the performance for a wedge storage solar collector

    Dairesel dilim kesite sahip güneş depolama kollektörünün performans değerlendirmesi

    MARWAN RIJA JASSIM JASSIM

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Makine MühendisliğiVan Yüzüncü Yıl Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ALTUĞ KARABEY

    PROF. DR. OMAR KHALİL AHMED

  2. Tez No

    884532

    Betonarme çerçevelerde yenilikçi çift kademeli eğilmeli çelik sönümleyicilerin deneysel olarak incelenmesi

    Experimental assessment of moment resisting rc frames with innovative double-stage steel yielding dampers

    ÖMER KARAGÖZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Deprem MühendisliğiEskişehir Osmangazi Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MİZAN DOĞAN

  3. Tez No

    100805

    Experimental assessment of heterotrophic endogenous decay and denitrification kinetics using hydrolyzed carbon sources

    İçsel solunum mekanizması ve denitrifikasyon kinetiğinin hidroliz kaynaklı karbon türleri için belirlenmesi

    EBRU AVCIOĞLU

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2000

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    PROF.DR. DERİN ORHON

  4. Tez No

    512153

    Tarihi yapılarda tuğla duvarların çelik hasır ve tekstil donatılı horasan harcı ile güçlendirilmesinin deneysel olarak incelenmesi

    An experimental assessment of textile and wire reinforced horasan mortar strengthening of birick walls in historical buildings

    ELİF TUBA ALHAN ŞİMŞEK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2018

    Mimarlıkİstanbul Teknik Üniversitesi

    Mimarlık Ana Bilim Dalı

    PROF. NECDET TORUNBALCI

  5. Tez No

    775802

    Modüler bina yapılarının yenilenebilir enerji kaynaklarıyla entegrasyonunun yaşam döngüsü maliyetleri bazlı incelenmesi

    Comparative economic and experimental assessment of air source heat pump and gas-fired boiler

    ÖNDER KUL

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Makine Mühendisliğiİstanbul Kültür Üniversitesi

    İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MEHMET NURETTİN UĞURAL

Geri Dön