AMBARLI İLERİ BİYOLOJİK ATIKSU ARITMA TESİSİ

Evsel atıksularda biyolojik arıtmanın amaçları; atıksuda yer alan partiküler ve çözünmüş haldeki biyolojik olarak ayrışabilir maddelerin kabul edilebilir son ürünlere dönüşümünü sağlamak, askıda ve çökelemeyen kolloidal haldeki katı maddeleri biyolojik floklara veya biyofilme dönüştürmek, azot ve fosfor gibi besi maddelerinin giderimini sağlamak ve bazı durumlarda spesifik iz elementleri gidermek olarak sıralanabilir. Endüstriyel atıksular için biyolojik arıtma organik ve inorganik bileşiklerin giderimi amacıyla kullanılabilir. Endüstriyel atıksularda yer alan bazı bileşikler mikroorganizmalar üzerinde toksik etki oluşturacağı için endüstriyel atıksularda çoğu zaman ön arıtma gerekli olabilir. Tarımsal sulama sonucu oluşan atıksularda ise biyolojik arıtma genellikle besi maddelerinin giderimi amacıyla kullanılmaktadır.

Atıksu Arıtımında Mikroorganizmaların Rolü

Atıksuda partiküler ve çözünmüş halde bulunan organik maddelerin giderimi ve stabilizasyonu başta bakteriler olmak üzere çeşitli mikroorganizmalar tarafından biyolojik olarak gerçekleştirilir. Mikroorganizmalar, kolloidal ve çözünmüş organik maddeleri çeşitli son ürünlere ve çamura (biyokütle) dönüştürmektedir. Çamur özgül ağırlığı suya göre daha yüksek olduğu için çamur arıtılmış sudan çökerek ayrılabilmektedir. Çamurun düzenli aralıklarla sistemden atılmaması durumunda atıksu arıtımında problemlerle karşılaşılabilir. Mikroorganizmalar atıksu arıtımında azot ve fosfor gideriminde de önemli rol oynamaktadır. Belirli spesifik bakteriler amonyağın nitrit ve nitrata dönüştürülmesini sağlayabilmekte iken, bazı farklı bakteriler ise okside olmuş olan azot bileşenlerini gaz haldeki azot formuna indirgeyebilmektedirler. Fosfor gideriminde ise, biyolojik prosesler bakteri bünyesinde inorganik fosfor depolanmasını sağlayacak şekilde rol almaktadırlar. Arıtma sistemlerindeki mikroorganizmalar, çevre koşullarına adaptasyonlarına bağlı olarak seçilirler.

Mikroorganizmaların Sınıflandırılması

Biyolojik arıtmada mikroorganizmalar aşağıdaki şekilde sınıflandırılabilir.

• Prokaryotik
• Ökaryotik

Prokaryotik gruba (öbakteri ve arkeobakteri) örnek olarak bakteriler verilebilir. Ökaryotik grup ise; mantar ve protozoaları içerir.

Bakteri

Arıtma sistemlerinde çalışan mikroorganizmaların çoğu bakterilerdir. Bakteriler tek hücreli prokaryotik organizmalardır. Atıksu arıtma ünitelerinde karbon, azot, fosfor ve kükürt bileşiklerinin giderilmesinde kullanılırlar. Bakteri hücrelerinin büyüklüğü 0,5-3 μm aralığındadır. Bakteriler şekillerine göre farklı isimler alırlar.

Bakteriler %80 su ve %20 kuru maddeden oluşmaktadır. Kuru maddenin de %90’ı organik ve %10’u inorganiktir. Bakteri hücresinde bulunan elementlere ait tipik değerler aşağıda verilmektedir.

Mantar

Mantarlar çözünmüş organik maddeleri bakteriler ile rekabet ortamı içerisinde kullanırlar. Mantar düşük pH’ı tolere edebildiği için, endüstriyel atıksuların arıtımında kullanılırlar.

Protozoa

Protozoalar çözünmüş ve partiküler substratı birlikte kullanabilirler. Düşük organik yükleme hızında işletilen aktif çamur sistemlerinde yaygın olarak görülürler. Protozoa bakteriler üzerinden çoğalır. Çamurun çökelme özelliklerini etkiler.

Mikrobiyal Metabolizmanın Tanımı

Metabolizma canlı hücrenin içinde gerçekleşen tüm biyokimyasal prosesleri kapsamaktadır. Mikroorganizmaların biyokimyasal aktivitelerinin tanımlanması, biyolojik arıtma sistemlerinin tasarımı veya sistem seçiminde rol oynayan önemli bir faktördür. Farklı mikroorganizmalar oksijen, nitrit, nitrat, demir (III), sülfat, organik bileşikler ve karbondioksit olmak üzere farklı elektron alıcıları kullanabilmektedir.

Mikroorganizmalar; üremelerini ve diğer fonksiyonlarını devam ettirebilmek için enerji kaynağına, yeni hücre sentezi için karbona ve azot, fosfor, kükürt, potasyum, kalsiyum ve magnezyum gibi inorganik elementlere ihtiyaç duyarlar. Mikrobiyal faaliyetler için gerekli olan karbon ve enerji kaynakları genellikle substrat olarak tanımlanmaktadır. Enerji ve başlıca karbon kaynağı metabolik sınıflandırmada dikkate alınan iki önemli faktördür.

Bu bölümde atıksu arıtımında mikroorganizmaların besin ve moleküler oksijen ihtiyacına bağlı metabolik sınıflandırılması yapılacaktır.

Mikroorganizmaların Karbon ve Enerji Kaynağı

Mikroorganizmaların büyümeleri için gerekli olan karbon kaynakları organik madde ve karbondioksittir. Hücre sentezinde organik karbon kaynağı kullanan organizmalar heterotrof, yalnızca karbondioksit kullanan organizmalar ise ototrof olarak adlandırılır. Karbondioksitin organik hücre dokusuna dönüşümü, net enerji girdisi gerektiren anabolik bir prosestir. Bu nedenle ototroflar, hücre sentezi için heterotroflara göre daha fazla enerji harcadıklarından daha düşük büyüme hızlarına sahiptir.

Hücre sentezi için gerekli enerji; ışık veya kimyasal enerjidir. Işığı enerji kaynağı olarak kullanan organizmalar fototrof olarak adlandırılır. Fototroflar, heterotrof (bazı sülfür bakterileri) veya ototrof (alg ve fotosentetik bakteri) olabilirler. Enerjilerini kimyasal reaksiyonlardan karşılayan organizmalar kemotrof olarak adlandırılırlar. Kemotroflar da, fototroflara benzer şekilde heterotrof (protozoa, mantar ve bakterilerin çoğu) veya ototrof (nitrifikasyon bakterisi) olabilirler.

Kemoototroflar, indirgenmiş amonyak, nitrit ve sülfit gibi inorganik bileşiklerin oksidasyonundan oluşan enerjiyi kullanırlar. Kemoheterotroflar ise organik bileşiklerin oksidasyonu sonucu açığa çıkan enerjiyi kullanırlar. Mikroorganizmaların metabolik sınıflandırılması aşağıda verilmektedir.

Mikroorganizmaların Besi Maddesi İhtiyacı

Karbon ve enerji kaynaklarının yanı sıra besi maddeleri de, hücre sentezi ve büyümesinde kısıtlayıcı rol oynayabilirler. Mikroorganizmanın ihtiyaç duyduğu başlıca inorganik besi maddeleri; N, S, P, K, Mg, Ca, Fe, Na ve Cl olarak sıralanabilir. İkinci derecede önemli besi maddeleri ise; Zn, Mn, Mo, Se, Co, Cu, Ni, V ve W olarak verilebilir.

İnorganik besi maddelerine ilave olarak bazı organizmalar için organik besi maddeleri de gerekli olmaktadır. Büyüme faktörü olarak bilinen bu organik besi maddelerine olan ihtiyaç mikroorganizma türüne göre değişmekle birlikte, bu maddeler üç temel grupta sınıflandırılabilir.

• Aminoasitler
• Azot esaslı maddeler (örneğin; pürinler ve pirimidinler)
• Vitaminler

Mikrobiyal Proseslerin Kinetiği

Biyolojik arıtma sistemlerinin performansının kontrolü, biyolojik reaktör içerisinde gerçekleşen reaksiyonların kinetik olarak tanımlanmasının tam ve doğru olarak yapılmasını gerektirir. Reaktör kinetiği, sistemin temel bileşenleri olan substrat ve biyokütle için sistem içerisindeki kütle dengelerinin oluşturulmasını, kütle dengesi açısından reaksiyon kinetiği ve reaktör hidroliğinin bileşik etkisinin değerlendirilmesini içermektedir. Mikroorganizmaların büyümesi için uygun çevresel şartlar; pH ve sıcaklık kontrolü, besi maddesi ilavesi, oksijen ilavesi veya ortamdan uzaklaştırılması ve uygun karıştırma sağlanarak elde edilir. Bu çevre şartlarının kontrolü, mikroorganizmaların büyümesi için gerekli uygun ortamı sağlar.

Reaksiyon Kinetiği

Reaksiyon kinetiği mikrobiyal çoğalma ve ölüm olmak üzere iki temel prosesi içermektedir. Mikroorganizmalar, büyüme ortamına konulduklarında ortamdaki besin kaynaklarını (C, N, O, H, P, S, mineral vd.) tüketerek büyürler. Kesikli olarak beslenen bir reaktörde mikrobiyal büyümede (mikrobiyal çoğalma ve ölüm) dört dönem gözlenir

• 1. Alışma Evresi: Mikroorganizmaların yeni çevre koşullarına alışmaları için geçirdikleri bekleme dönemidir. Bu dönemde, besin kaynaklarının bileşimine ve çevresel şartlara göre mikroorganizmaların iç yapısında bazı değişiklikler olur. Mikroorganizmaların yeni çevreye uyum sağlamaları ve daha sonra bölünmeleri için belirli bir zaman gerekecektir.
• 2. Üstel (Logaritmik) Çoğalma Evresi: Ortama uyum sağlayan mikroorganizmalar, bu dönemde maksimum hızla büyürler. Çoğalma hızının maksimum sabite ulaştığı seviyedir.
• 3. Denge Evresi: Bu dönemde hücre konsantrasyonu sabit kalır. Net büyüme hızının sıfır olduğu bu dönemde, büyüme hızı ölüm hızına eşittir. Net büyüme sıfır olmakla birlikte, hücreler metabolik olarak aktiftirler ve ikincil ürünleri üretirler.
• 4. İçsel Solunum Evresi: Bu dönemde bakteri ölüm hızı yeni hücre üreme hızının üzerindedir ve hücre konsantrasyonu zamanla düşer. Ölüm hızı çevre şartları ve canlı popülasyonunun fonksiyonudur. Substratın bitimine bağlı olarak mikrobiyal ölüm hakim olur.

Prosesler

Mikrobiyal Çoğalma

Kesikli ve sürekli beslenen sistemlerde mikrobiyal çoğalma hızı aşağıdaki denklem ile ifade edilir.

𝑟_𝑔 = 𝜇𝑋

Burada;

𝑟_𝑔 : mikrobiyal çoğalma hızı (M/ L³T)
μ : spesifik çoğalma hızı (1/T)
X : biyokütle konsantrasyonu (M/ L³)

Kesikli olarak beslenen sistemlerde, mikrobiyal çoğalma hızı, dX/dt = r_𝑔 olduğundan, bu tür reaktörler için aşağıdaki denklem yazılabilir.

𝑑𝑋/𝑑𝑡 = 𝜇𝑋

Spesifik (özgül) çoğalma hızı, reaktördeki hız kısıtlayıcı substrat konsantrasyonu ile ilişkilidir. Kesikli sistemlerde büyüme için gerekli olan substrattan yalnızca birisinin limitli olması durumunda önce konsantrasyon düşer ve büyüme durur. Sürekli beslemeli sistemlerde, büyüme limitlidir. Deneysel olarak limitli substrat etkisi en yaygın olarak “MONOD” tarafından teklif edilen doygunluk (Satürasyon) tipi bir reaksiyon ifadesi ile belirlenir.



μ : spesifik (özgül) çoğalma hızı (1/T)
S : çoğalmayı sınırlayan substrat konsantrasyonu (M/ L³)
K_s : yarı doygunluk sabiti (maksimum çoğalma hızının yarısındaki substrat konsantrasyonu) (M/ L3)
μ_maks : maksimum spesifik çoğalma hızı (1/T)

μ değeri denklemde yerine konulacak olursa, büyüme hızı aşağıdaki denklem ile ifade edilebilir.



Substrat konsantrasyonunun mikrobiyal çoğalma hızına etkisini gösteren grafik aşağıda verilmektedir.

Kesikli ve sürekli sistemlerde, substratın bir kısmı yeni hücrelere dönüştürülürken, bir kısmı da inorganik ve organik son ürünlere oksitlenir. Substrat giderim hızı ile mikrobiyal çoğalma hızı arasındaki ilişki aşağıdaki denklem ile ifade edilir.

r_g : mikrobiyal çoğalma hızı (M/ L³T)
Y : biyokütle dönüşüm oranı katsayısı (M/ M)
r_Su : substrat giderim hızı (M/ L³T)

Denklemlerdeki eşitlikte r_g değeri, bir diğer eşitlikte yerine yazılırsa mikrobiyal çoğalma ve substrat giderim hızı arasındaki ilişkiyi gösteren Denklem elde edilir.

Denklemde (μ_maks/Y ) teriminin yerine k terimi kullanılabilir. Bu terim, maksimum spesifik substrat giderim hızını ifade eder. Tipik olarak BOİu (≈KOİ) esasına göre k=8 gün^-1 olabilir. Biyolojik oksidasyon proseslerinde, biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ) giderim mekanizması ile ilgili birkaç model önerilmiştir. Bütün modellerin gösterdiği ortak bir sonuç vardır. Monod tipi spesifik çoğalma ifadesinde, substrat konsantrasyonu çok yüksek seviyelerde olunca, μ değeri μ_maks değerine eşit olur. Dolayısıyla; yüksek BOİ konsantrasyonlarında BOİ giderim hızı sabit kalmaktadır. Bu ifadenin matematiksel olarak anlamı ise Monod eşitliğinin sıfırıncı derece olarak yazılmasına karşılık gelir. Arıtma kinetiği, Ks ve S ’in göreceli değerlerinden etkilenir. Eşitlikte iki sınır şartı belirlenebilir.

1. Eğer S >>Ks ise; KS,S’in yanında ihmal edilebilir. Bu durumda substrat giderim hızı, substrat konsantrasyonundan bağımsızdır. Substrat giderim hızı, sistemdeki mevcut biyokütle konsantrasyonuna bağlıdır.
   
   
   


2. Eğer S çok küçüktür Ks ise; eşitliğin paydasındaki S ihmal edilir ve eşitlik birinci dereceden bir reaksiyonu ifade eder
   
   
   
   
   
   k¹ : özgül substrat giderim hızı (L³/MT)

Mikrobiyal Ölüm

Atıksu arıtımında kullanılan biyolojik sistemlerde, mikroorganizmalar sürekli olarak çoğalma fazında değildir. Mikrobiyal ölüm gibi diğer faktörler de hesaplamalar sırasında dikkate alınmalıdır. Mikrobiyal ölüm prosesi biyokütle kayıplarını tanımlamak için kullanılır. Mikrobiyal ölüm prosesi, mikroorganizmanın çoğalma özelliklerini geri dönüşsüz olarak kaybetmesidir. Hücre kütlesindeki azalmanın ortamdaki mevcut mikroorganizma konsantrasyonu ile orantılı olduğu düşünülür. Literatürde bu azalma içsel solunum olarak tanımlanır ve aşağıdaki denklemde olduğu gibi formüle edilir.

r_d : mikrobiyal ölüm hızı (M/ L³T)
k_d : ölüm katsayısı (Gözlemlenen tipik kd değerleri 0,07-0,1 gün^-1’dir.) (1/T)
X : biyokütle konsantrasyonu (M/ L³)

Mikrobiyal çoğalma hızı denklemi, mikrobiyal ölüm hızına ait denklemle birleştirilirse net mikrobiyal büyüme hızı ifade eden aşağıdaki denklem elde edilir.

İki denklem birleştirildiğinde aşağıdaki denklem elde edilir.

r’_g : net mikrobiyal çoğalma hızı (M/ L³T)

Net spesifik mikrobiyal çoğalma hızı aşağıdaki denklem ile hesaplanır:

μ’ : net spesifik mikrobiyal çoğalma hızı (1/T)

r’_g ve r_s arasındaki oran net dönüşüm oranını verir.

YNH : net dönüşüm oranı

Atıksu arıtımında kullanılan tipik kinetik katsayı değerleri aşağıda verilmektedir.

Çevre Koşullarının Biyolojik Reaksiyona Etkisi

Çevre koşullarının (sıcaklık, pH, çözünmüş oksijen, çözünmüş karbondioksit, redoks potansiyeli, toksisite vd.) mikroorganizmalar üzerinde etkileri oldukça önemlidir. Mikroorganizmaların metabolizmaları (özellikle çoğalma faaliyetleri) kendilerini çevreleyen fiziksel ortamın özelliklerine göre büyük ölçüde değişir.

Sıcaklık

Mikroorganizmaların metabolik faaliyetlerinin tümü kimyasal reaksiyonlara dayanmaktadır. Kimyasal tepkimeler gibi, mikroorganizma tepkimeleri de sıcaklığa bağlıdır. Sıcaklık yalnız metabolik faaliyetleri etkilemekle kalmaz; biyolojik çamurun çökelme özelliği, gaz transfer hızı gibi faktörleri de etkiler. Sıcaklığın biyolojik proseslerde reaksiyon hızı üzerindeki etkisi aşağıdaki denklem ile ifade edilebilir.

𝑟_𝑇 = 𝑟₂₀ 𝜃^𝑇−20

𝑟_𝑇 : T ºC’deki reaksiyon hızı
𝑟₂₀ : 20 ºC’deki reaksiyon hızı
𝜃 : sıcaklık aktivite katsayısı
𝑇 : sıcaklık

Sıcaklık aralıklarına göre mikroorganizmalar üç gruba ayrılırlar.

• Sakrofilik: Düşük sıcaklıkta (T < 20ºC) büyürler.
• Mezofilik: Orta sıcaklıkta (20ºC < T < 50ºC) büyürler.
• Termofilik: Yüksek sıcaklıkta ( T > 50ºC) büyürler.

pH

Hidrojen iyonu (H +) konsantrasyonu (pH), mikroorganizmaların aktivitelerini ve büyümelerini önemli ölçüde etkiler. Bu özellik hidrojen iyonunun enzim faaliyetine etkisi ile açıklanabilmektedir. Her mikroorganizmanın maksimum aktivite gösterdiği bir optimum pH aralığı vardır. Genellikle bakteriler pH 3-8, mantarlar pH 3-6, küfler pH 3-7, bitki hücreleri pH=6,5-7,5 aralığında optimum aktivite gösterirler. Mikroorganizmaların aktivitelerini maksimize edebilmek için ortamın pH’ı asit veya baz ilavesi ile kontrol edilebilir.

Ortamın pH’ı da aynı zamanda mikroorganizmaların aktiviteleri ile değişmektedir. Örneğin; amonyum (NH4⁺) azot kaynağı olarak kullanıldığında, ortama H⁺ verildiğinden pH düşer. Çünkü nitrifikasyon sırasında amonyum azotu (NH4⁺) nitrata (NO3^-) dönüşerek ortama H+iyonları vermektedir. NO3^- iyonları azot kaynağı olarak kullanıldığında ise denitrifikasyon oluşur. Burada NO3^-, azot (N₂) gazına dönüştüğü için ortamdan H⁺ uzaklaşır ve pH yükselir.

Çözünmüş Oksijen

Çözünmüş oksijen (ÇO ), aerobik arıtma sistemlerinde oldukça önemli bir parametredir. Suda çözünürlüğü az olan (ÇO =7-8 mg/L, 25 ºC, 1 atm.) oksijenin sürekli sağlanması ve oksijen sınırlamasının önüne geçilebilmesi için oksijen transfer hızının oksijen kullanma hızından daha büyük olması gerekir. Kritik oksijen konsantrasyonu, bakteri ve mantarlar için doygunluk konsantrasyonunun %5-10’u arasında iken (1-2 mg/L), küfler için ise doygunluk konsantrasyonunun %10-50’si arasındadır (1-5 mg/L). Ortamda oksijen sınırlamasını gidermek için saf oksijen kullanılabileceği gibi, sistem yüksek basınç altında (2-3 atm) da çalıştırılabilir.

Çözünmüş Karbondioksit

Çözünmüş karbondioksit (ÇCO₂) de mikroorganizmaların aktivitelerini etkilemektedir. Yüksek ÇCO₂ konsantrasyonu toksik, düşük ÇCO₂ konsantrasyonu ise sınırlayıcı etki yapar. Bazı mikroorganizmalar (ototroflar) karbondioksiti karbon kaynağı olarak kullanırlar.

İyon Konsantrasyonu

Ortamın iyonik kuvveti (iyon konsantrasyonu) de organizmaların metabolik faaliyetlerini, O₂/CO₂’in çözünürlüğünü ve iyonların hücre içine ve dışına transferini etkileyen önemli bir faktördür.