Seramik membran biyoreaktörde asidofilik bakterilerle demir oksidasyon ve membran filtrasyon performanslarının araştırılması
Investigation of iron oxidation and membrane filtration performance with acidophilic bacteria in ceramic membrane bioreactor
Yazar: EMİR KASIM DEMİR
Danışman: PROF. ERKAN ŞAHİNKAYA
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre ve Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2020
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Asidik maden drenajı = Acid mine drainage ; Atık su arıtma = Waste water treatment ; Biyolojik oksidasyon = Biological oxidation ; Ferro demir = Ferrous iron

Özet:
Aktif ve terk edilmiş maden sahalarında üretilen asidik maden sızıntı suyu (AMS), düşük pH ve yüksek metal konsantrasyonları ile öne çıkmaktadır. AMS düşük pH ve yüksek konsantrasyonlarda metal ve sülfat içermesi nedeniyle yüksek seviyede toksik olarak nitelendirilmektedir. AMS nehir, göl gibi alıcı ortamlara ulaşmakta; toprak kirliliğine sebep olmakta ve canlı ortama, çevre ve halk sağlığına zarar vermektedir. AMS arıtımında, Fe+2'yi biyolojik olarak oksitlemek ve ardından pH 3,0 ila 4,5 arasında kimyasal olarak çökeltmek tercih edilmektedir. Bu çalışmada, gerçek bir AMS'den izole edilmiş, karışık asidofilik ve heterotrofik bir demir oksitleyici bakteri kültürü ile aşılanan seramik bir membran biyoreaktörün (SMBR) demir oksidasyon ve filtrasyon performansları araştırılmıştır.
Çalışmada kullanılan ve organik madde varlığında büyüyebilen karışık kültür, literatürde bildirilen ototrofik ve saf demir oksitleyici kültürleri ile karşılaştırıldığında, nispeten daha yüksek biyokütle üretim verimi nedeniyle önemli bir avantaja sahiptir. Özellikle biyoreaktörün devreye alınmasında yüksek bakteri üretim verimi nedeniyle ototrofik bakterilere kıyasla önemli bir avantaja sahiptir. Bu çalışmada, önce (205 gün) Cu, Co, Mn, Zn, Ni ve As içermeyen; sonra (131 gün) Cu, Co, Mn, Zn, Ni ve As içeren sentetik AMS ile iki farklı dönemde Fe+2 oksidasyonunun gerçekleştirildiği SMBR sürekli olarak işletilmiştir. SMBR çeşitli pH (1,5-2,5), HRT (6-48 saat) ve Fe+2 konsantrasyonlarında (250-1400 mg/L) çalıştırılmıştır. Triptik soy broth (TSB) organik madde kaynağı olarak kullanılmış ve SMBR performansı üzerindeki etkisi de araştırılmıştır. SMBR'de neredeyse tam Fe+2 oksidasyonu ve 5,10 L/(m2.saat) akıda sürdürülebilir işletim elde edilmiştir. Biyoreaktöre beslenen Fe+2 yükleme hızının artmasıyla birlikte, Fe+2 oksidasyonu hızı da önemli ölçüde artmıştır. Organik maddenin (TSB) sentetik AMS'den çıkarılmasıyla demir oksidasyon hızında azalma tespit edilmiştir. 
Sürekli reaktör işletimi süresince reaktörden belirli aralıkla alınan numunelerde modern moleküler teknikler kullanılarak baskın türler belirlenmiştir. Bu kapsamda bakteri kültürünün Acidiphilium cryptum ve Alicyclobacillus cycloheptanicus içerdiği saptanmıştır. 
SMBR'de yapılan sürekli reaktör çalışmalarına ilave olarak, kesikli döngülerle de demir oksidasyon kinetiği üzerine çalışmalar yürütülmüştür. SMBR'de yapılan kesikli çalışmalarla elde edilen verilere göre, demir oksidasyonunun Monod Modeli'ne uygun olduğu belirlenmiş olup, maksimum spesifik demir oksidasyon hızı ve yarı hız sabiti değerleri, sırasıyla yaklaşık olarak 3,35 mg-Fe/(g-UAKM.dakika) ve 550 mg/L olarak belirlenmiştir. Elde edilen Monod denkleminin analitik çözümü yapılmış olup, deneysel verilerle model sonuçlarının oldukça uyumlu olduğu belirlenmiştir. Ayrıca, kullanılan kültür için en uygun organik madde kaynağının ve konsantrasyonun belirlenmesi için de kesikli reaktör çalışmaları yapılmıştır. Bu kapsamda farklı TSB konsantrasyonlarında çalışmalar yapılarak, TSB ile yeast ekstrakt kıyaslanmıştır. Elde edilen verilere göre çalışılan kültür için en uygun organik maddenin 0,25 g/L TSB olduğu belirlenmiştir.
As ve Fe'nin birlikte çökeltilmesinde optimum pH'yı belirlemek için de çalışmalar yapılmıştır. SMBR permeatında pH 3,5-4,0'da biyojenik schwertmannite (Fe8O8(OH)6(SO4)) oluşumu ile As ve Fe %99'un üzerinde bir performansla birlikte çökeltilebilmiştir.

Abstract:
Acid mine drainage (AMD) produced in active and abandoned mining sites stands out with its low pH and high metal concentrations. AMD can be characterized by high toxicity due to its acidic nature together with high metal, and sulfate concentrations.  AMD may reach receiving environments such as streams, rivers and lakes and it causes soil pollution and harms the living habitat, environment and public health. In the AMD treatment, it is preferred to biooxidize Fe2+ and then chemically precipitate it at a pH range of 3.0 to 4.5. In this study, iron oxidation and filtration performances of a ceramic membrane bioreactor (CMBR) inoculated with a mixed acidophilic and heterotrophic iron oxidizing bacteria culture isolated from a real acid mine drainage (AMD) were investigated.
The mixed culture grown in the presence of organic matter has a significant advantage compared to the other autotrophic and pure iron oxidizers reported in the literature. During the commissioning of the bioreactor, a mixed culture grown in the presence of organic matter has an advantage compared to autotrophic ones due to its relatively higher biomass yield. In the study, Fe2+ oxidation was investigated in a continuously-fed CMBR in two different periods. Firstly (205 days), Fe2+ oxidation was studied in the absence of any other metal; then (131 days), Fe2+ oxidation was studied in the presence of a metal cocktail containing Cu, Co, Mn, Zn, Ni and As to simulate a real AMD. CMBR was operated at various pHs (1,5-2,5), HRT (6-48 hours) and Fe2+ concentrations (250-1400 mg/L). Tryptic soy broth (TSB) was used as an organic carbon source and its effect on CMBR performance was also investigated. Almost complete Fe2+ oxidation and sustainable filtration at a flux of 5.10 L/(m2.h) were achieved in the CMBR. With the increase of the Fe2+ loading to the bioreactor, the Fe2+ oxidation rate also increased significantly. A decrease in iron oxidation rate was detected with the elimination of organic matter (TSB) supplementation to the synthetic AMD.
During the continuous reactor operation, dominant species were determined using modern molecular techniques in the samples taken from the bioreactor at certain intervals. In this context, it was determined that the bacterial culture contained by Acidiphilium cryptum and Alicyclobacillus cycloheptanicus.
In addition to the continuous studies in CMBR, iron oxidation kinetics in batch cycles were also determined. The iron oxidation kinetics gave good fit to the Monod Model with the maximum specific iron oxidation rate and half saturation constant values of approximately 3.35 mg-Fe/(g-VSS.min) and 550 mg/L, respectively. Analytical solution of the obtained Monod equation nicelly followed the experimental data. In addition, batch reactor studies were conducted to determine the most appropriate organic matter source and its concentration for the used culture. In this context, studies were carried out at different TSB concentrations and also TSB and yeast extract were compared. According to the data obtained, it was determined that the most suitable organic substance for the studied culture was 0.25 g/L TSB.
Studies were also conducted to determine the optimum pH in the co-precipitation of As and Fe. In the CMBR permeate, Fe and As were co-precipitated above 99% performance at pH 3.5-4.0 via biogenic schwertmannite (Fe8O8(OH)6(SO4))  production.