Nitrate Removal from Groundwater Through Denitrification Using Peanut Shell and Luffa Cylinderica

Abstract

Nüfustaki artış yoğun tarımsal faaliyetlere ve toprak ile su kaynakları üzerinde etki yaratan hayvancılık faaliyetlerinin artmasına yol açmaktadır. Diğer birçok parametre arasında nitratın (NO3) son yıllarda su kaynaklarını olumsuz yönde etkilediği belirlenmiştir. İçme suyunda yüksek seviyelerde bulunması durumunda nitratın kanser ve bebeklerde metaemoglobinaemi riski oluşturduğu bilinmektedir (WHO, 1999). Bu nedenle, içme suyu kaynaklarında 50 mg NO3/L nitrat sınırı Dünya Sağlık Örgütü (WHO) ve Avrupa Birliği tarafından belirlenmiştir (Drinking Water Directive 98/83/EC; WHO, 2004). Bununla birlikte, Nitrat Direktifi (Directive 91/676/EEC) tarımsal kaynaklardan nitratın yeraltı ve yüzey sularını kirletmesini önleyerek su kalitesini korumak için yürürlüğe konulmuştur. Bu çalışmanın amacı, denitrifikasyon sürecini kullanılarak yeraltı suyu nitrat konsantrasyonunun azalmaktır. Bu heterotrofik süreç, NO3'ın N2'ye indirgenebilmesi için bir organik kaynağın varlığını gerektirir. Bu çalışmada iki tarımsal madde, yer fıstığı kabuğu ve lif kabağı (luffa), olası organik kaynaklar olarak araştırılmıştır. Sekiz şeffaf akrilik dikey kolon (R= 4 cm, L = 50 cm) 4 mL/saat akış hızı ile tabanden beslenmek suretiyle 46 gün için çalıştırılmıştır. Kolonların dördü %20, %40, %60 ve %100 luffa ile %20, %40 ve %60 yer fıstğı kabuğu ve biri sadece kum ile doldurulmuştur. İlk sonuçlar bütün kolonlarda nitrat indirgemenin gerçekleştiğini ve iki haftada sabitlendiğini göstermektedir. Kolonlara pompalanan ortalama 35 mg/L nitrat azotu konsantrasyonunun kolon çıkışında, 0.7 mg/L, 0.7 mg/L, 0,9 mg/L ve 0.9 mg/L seviyelerine düştüğü sırasıyla %20, %40, %60 ve %100 luffa yüzdeleri için bulunmuştur. %20, %40 ve %60 yer fıstığı kabuğu için bu değerlerin sırasıyla 0.9 mg/L, 0,9 mg/L ve 0.7 mg/L seviyelerine düştüğü belirlenmiştir. Genel olarak, yaklaşık olarak %97 nitrat azotu giderilmiştir. Ancak tüm kolonlarda ölçülen amonyak düzeylerinde artış gözlenmiştir. Bu durumun daha fazla araştırılması gerekmektedir. Özetle, bu çalışmada kullanılan her iki organik maddenin yeraltı sularından nitrat giderme kapasitesine sahip olduğu anlaşılmıştır. Anahtar Kelimeler: Denitrifikasyon, Yeraltı Suyu Koruması, Kolon Testi, Fıstık Kabuğu, Luffa Cylindrica.The increase in population leads to intensive agricultural activities and livestock production which causes to impacts on soil and water resources. Among many other parameters nitrate was found to negatively influence the water resources in recent years. Higher nitrate levels in drinking water are known to create higher risks of methaemoglobinaemia in infants and cancer (WHO, 1999). Therefore, a nitrate limit of 50 mg NO3 /L in drinking water supplies has been set by the World Health Organization (WHO) and the European Union (Drinking Water Directive 98/83/EC; WHO, 2004). Additionally, the Nitrate Directive (Directive 91/676/EEC) has been enforced to protect water quality by preventing nitrates from agricultural sources polluting ground and surface waters. The aim of this study was to decrease the nitrate concentration in groundwater by simply using the denitrification process. This heterotrophic process requires the presence of an organic source which is necessary for the reduction of NO3 to N2. In this study, two agricultural substances, peanut shell and luffa, have been investigated as possible organic sources. Eight clear acrylic vertical columns (R=4 cm, L=50 cm) with an upward flow rate of 4 mL/h were used for 46 days. Four of the columns were packed with 20%, 40%, 60% and 100% luffa, three columns with 20%, 40% and 60% of peanut shell and one with only sand. The preliminary results showed a trend for nitrate reduction in all columns which became stable after two weeks. From an average nitrate level of 35 mg/L in groundwater pumped into the columns, the nitrate levels in the outlet of columns was found to drop to 0.7 mg/L, 0.7 mg/L, 0.9 mg/L and 0.9 mg/L for 20%, 40%, 60%, 100% of luffa, respectively. For the columns packed with peanut shell of 20%, 40% and 60% the corresponding result measured were 0.9 mg/L, 0.9 mg/L and 0.7 mg/L, respectively. In general about 97% of nitrate was removed. However, increase of ammonia levels were observed in all the columns. This circumstance needs further investigation. In summary, this work demonstrated both organic materials have a capacity of removing nitrate from groundwater. January 2019, 61 pages Keywords: Denitrification, Groundwater Protection, Column Test, Peanut Shell, Luffa Cylindrica.