Tuzluluk, sülfat ve kurşun içeren kentsel atıksuların membran biyoreaktörlerde arıtımında quorum quenchıng mekanizmasının incelenmesi
Investigation of quorum quenching mechanism in treatment of municipal wastewater containing salinity, sulphate and lead in membrane bioreactors
Yazar: RABİA ARDIÇ
Danışman: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Hızla artan dünya nüfusu ve gelişen sanayi, doğal kaynakların orantısız bir şekilde tüketilmesine yol açmakta ve bu durum, iklim değişikliği ve su kıtlığı gibi önemli çevresel sorunları beraberinde getirmektedir. Artan su kıtlığına sürdürülebilir çözümler arayışı kapsamında öne çıkan membran biyoreaktörler (MBR), atıksuların membran sistemleriyle arıtılarak sulama amaçlı geri kazanımını sağlamaktadır. MBR sistemleri, umut verici bir çözüm sunmalarına rağmen, tıkanmadan kaynaklanan sınırlamalara sahiptir. Bu tıkanmaların büyük çoğunluğu, membran yüzeyinde biyokütlenin tutunarak birikmesi sonucu oluşan biyokirlenmeden kaynaklanmaktadır.
Mikroorganizmaların bulundukları ortamlarda birbirleriyle iletişim kurarak yeterli sayıya ulaştıklarında topluluk davranışları sergilemeleri bilim dünyasının keşfettiği bir gerçektir. Biyofilm oluşumu, mikroorganizmaların en temel topluluk davranışlarından biridir. Bu organizmalar, bir araya gelerek dış etkilere karşı korunma ve yaşam döngülerini sürdürebilme amacıyla "Quorum Sensing" (Yetersayı etkisi) mekanizmasını kullanırlar.
Ekolojik ortamlar içerisinde, iletişim sinyalleri üretebilen türler olduğu gibi, bu sinyalleri besin kaynağı olarak kullanabilen türler de mevcuttur. Bu türler, sinyal moleküllerini besin olarak kullanırken, bir araya gelmeye çalışan diğer türlerin iletişim süreçlerini de kesintiye uğratmaktadır. Bu bakterilerin mekanizmalarının, belirli amaçlar doğrultusunda kullanılması ise, yeni bir kavram olan "Quorum Quenching" (Yetersayı etkisini azaltma) olarak adlandırılmaktadır.
Bu tez çalışmasında, endüstriyel atıksuların arıtımında kullanılan membran biyoreaktörlerde (MBR) Quorum Quenching (QQ) mekanizmasının entegrasyonunu ele alarak, bu yöntemin biyoreaktör sistemlerinin operasyonel verimliliğini ve dayanıklılığını artırma potansiyeli incelenmiştir. Geleneksel MBR sistemlerinde sıklıkla karşılaşılan ve sistem performansını olumsuz etkileyen biyofilm oluşumu ve biyotıkanma gibi sorunlara çözüm bulmak amaçlanmıştır.
Endüstriyel atıksu arıtımı, değişken kirlilik yükleri ve zorlu operasyonel koşullar nedeniyle MBR teknolojilerinde önemli zorluklar oluşturmaktadır. Bu tez, QQ mekanizmasını kullanarak, mikroorganizmalar arası iletişimi baskılayarak biyofilm formasyonunu önleyip, membran yüzeylerinde biyotıkanmayı azaltmayı hedeflemektedir. Bunu yaparken bir yandan ensütriyel atıksularda bulunan toksisite etkisi olan bazı kirletici parametrelerinin bakteriyel QQ mekanizmasına olan etkisi araştırışmıştır. Araştırma, QQ mekanizmasının MBR sistemlerine entegrasyonunun, biyokirlenme oranını düşürdüğünü ve atık su arıtım verimliliğini artırdığını göstermiştir.
Çalışma, laboratuvar ölçekli deneyler ve kontrol gruplarıyla karşılaştırmalı analizler kullanılarak yürütülmüştür. QQ entegre MBR sistemlerinin (QQ-MBR), konvansiyonel MBR sistemlerine kıyasla daha düşük biyofilm oluşumu ve daha yüksek kirlilik giderim verimliliği sergilediği tespit edilmiştir. Ayrıca, QQ-MBR sistemlerinin, özellikle ağır metal ve organik kirleticilerin etkili olduğu atıksuların arıtımında da membran biyokirlenmesini azaltarak üstün performans gösterdiği belirlenmiştir.
Sonuç olarak, bu tez QQ mekanizmasının MBR sistemlerine entegrasyonunun, endüstriyel atıksu arıtımında önemli bir yenilik olarak değerlendirilebileceğini ve bu entegrasyonun sistemin genel sürdürülebilirliğine ve ekonomik verimliliğine katkıda bulunabileceğini önermektedir. Ayrıca, bulgular, biyotıkanma ve enerji tüketimi gibi operasyonel maliyetleri azaltma potansiyeline işaret etmekte, bu sayede atıksu arıtımının genel maliyetinin düşürülmesine yardımcı olabileceğini vurgulamaktadır.

Abstract:
The rapidly increasing world population and developing industry lead to disproportionate consumption of natural resources, and this brings about important environmental problems such as climate change and water scarcity. Membrane bioreactors (MBR), which come to the fore within the scope of the search for sustainable solutions to increasing water scarcity, provide the recycling of wastewater for irrigation purposes by purifying it with membrane systems. Although MBR systems offer a promising solution, they have limitations due to fouling. The majority of these blockages are caused by biofouling caused by the adhesion and accumulation of biomass on the membrane surface.
It is a fact discovered by the scientific world that microorganisms communicate with each other in their environments and exhibit community behavior when they reach sufficient numbers. Biofilm formation is one of the most fundamental community behaviors of microorganisms. These organisms use the "Quorum Sensing" mechanism to come together and protect against external influences and continue their life cycle.
In ecological environments, there are species that can produce communication signals, as well as species that can use these signals as a food source. While these species use signal molecules as food, they also interrupt the communication processes of other species trying to come together. Using the mechanisms of these bacteria for specific purposes is called "Quorum Quenching" (reducing the quorum effect), which is a new concept.
In this thesis study, the potential of this method to increase the operational efficiency and durability of bioreactor systems was examined by considering the integration of the Quorum Quenching (QQ) mechanism in membrane bioreactors (MBR) used in the treatment of industrial wastewater. It is aimed to find solutions to problems such as biofilm formation and biofouling, which are frequently encountered in traditional MBR systems and negatively affect system performance.
Industrial wastewater treatment poses significant challenges to MBR technologies due to variable pollution loads and difficult operational conditions. This thesis aims to prevent biofilm formation and reduce biofouling on membrane surfaces by suppressing the communication between microorganisms by using the QQ mechanism. While doing this, the effect of some pollutant parameters with toxicity effects found in industrial wastewater on the bacterial QQ mechanism was investigated. Research has shown that integration of the QQ mechanism into MBR systems reduces the biofouling rate and increases wastewater treatment efficiency.
The study was conducted using semi pilot-scale experiments and comparative analysis with control groups.   The experimental framework used in this study includes comparative analyzes between QQ-integrated MBR systems (QQ-MBR) and conventional MBR setups. Performance evaluation focuses on several key parameters: biofouling rate, wastewater quality and operational stability under dynamic industrial conditions. In this study, sodium alginate beads immobilized with the QQ bacterium BH4 and empty sodium alginate beads were operated in two parallel and identical semi-pilot scale MBRs with pollutants simulating industrial wastewater: salt (Phase I), sulfate (Phase II), and lead (Phase III). Additionally, in the control phase, Phase 0, the system was operated without any additional pollutants. The AKM value of activated sludge in MBRs is stabilized in the range of 13,000-16,000 mg/L, and the UAKM value is stabilized in the range of 7,000-10,000. The pH inside the reactor is around 6.5 and the dissolved oxygen level is 6-9 mg/L. The operation was carried out by gradually increasing the flux of 15-20 LMH. Throughout the operations, the main control parameter, TMP (transmembrane pressure), indicating membrane fouling, was continuously monitored and recorded.
During operations with high salinity and lead, the TMP reduction amount was less compared to the operation with sulfate. TMP reduction rate in QQ-MBR operation with extreme salinity is 47%; It is 87% in operation with sulphate and 87% in QQ-MBR operation with lead. In the lean operation phase with no additional pollutants, a 91% TMP reduction rate was found.This indicates that salinity and lead have a minor negative effect on the QQ MBR system. The highest TMP reduction was observed in the Phase 0 operation, which is the control phase without additional pollutants. This suggests that while the QQ mechanism helps prevent biofilm formation on membranes in industrial wastewater treatment, the type of pollutant also impacts the extent of this contribution.
Throughout all operations, in MBRs samples were periodically taken and microbial species analysis was conducted to examine the effect of the added pollutants and QQ beads on the microbial species diversity within the tank. Initially, the dominant species in the reactors belonged to the class Proteobacteria. The greatest change in reactor microbial community occurred in Phase III with lead, whereas the minimum change in dominant species ratio was observed in Phase II with sulfate. By the end of the operation in Phase III, the dominant species in the tank resembled the initial distribution at the beginning of the operation.
 Results from controlled trials show that QQ-MBR systems not only reduce biofilm thickness and microbial accumulation on membranes but also increase pollutant removal efficiency, especially under toxic shock conditions caused by variable industrial discharges. QQ integrated MBR systems (QQ-MBR) have been found to exhibit lower biofilm formation and higher contaminant removal efficiency compared to conventional MBR systems. In addition, it has been determined that QQ-MBR systems show superior performance by reducing membrane biofouling, especially in the treatment of wastewater where heavy metal and organic pollutants are effective.
In conclusion, this thesis proposes that the integration of the QQ mechanism into MBR systems can be considered an important innovation in industrial wastewater treatment and that this integration can contribute to the overall sustainability and economic efficiency of the system. Additionally, the findings point to the potential to reduce operational costs such as bioclogging and energy consumption, highlighting that it could help reduce the overall cost of wastewater treatment.
The findings underscore the potential of QQ mechanisms to significantly elevate the functional capabilities of MBRs, extending membrane life, reducing energy consumption, and lowering overall operational costs.