Nitrogen removal and microbial community shift in oxic-settling-anoxic sludge reduction process

Nitrifikasyon ve biyolojik azot giderme mekanizmalarını içeren sürekli araştırma çalışmalarıyla aktif çamur işleminin performansı arttırıldı. Ancak, uygulanan bu işlemden kaynaklanan aktif çamurun rutin israfı nedeniyle, sürekli olarak fazla biyokütle üretimi olmaktadır, bu da daha fazla arıtma ihtiyacıyla beraber çamurun uygun bir bölgeye atılmasını veya yakılmasını gerektirdiğinden dolayı fazla çamurun arıtımı ve imha edilmesi hala zorlayıcıdır. Fazla çamurun arıtılması ve imha edilmesi, toplam işletme maliyetinin % 25 -65'ini oluşturmaktadır. Bu nedenle, aşırı çamur üretimini en aza indirmek için stratejilerin uygulanması hem çevresel hem de ekonomik açıdan ideal bir çözüm olabilir. Şimdiye kadar çamurun en aza indirilmesi için yaygın olarak Anaerobik sindirim kullanılsa da, üretilen aşırı çamur hacminin dünya çapında hala artması, biyolojik atıksu arıtma proseslerinde aşırı çamur üretimini azaltmak için daha yeni, daha umut verici stratejiler ve yöntemlerin keşfedilmesi gerekmektedir. Literatürdeki mevcut bilgiler ve bu alanlardaki uzmanlıkların ışığında, nitrojen giderimi ve çamuru en aza indirgemek için uygun işlem alternatiflerinin belirlenmesi ve çamur üretimini azaltmak adına anaerobik/anoksik yan akım reaktörleriyle besin giderimi için modifiye edilmiş alternatif işlemlerin uygulanması gibi seçenekler mümkün olabilir. Literatüre göre, OSA sürecinin avantajlarına ek olarak, OSA arıtma performansını en üst düzeye çıkarmak için operasyonel ve tasarım parametrelerini belirlemek hala büyük bir ihtiyaçtır;Daha da önemlisi, OSA süreci ile ilgili çalışmaların çoğunda sentetik atıksu kullanıldı, bu çalışmanın orijinal tarafı, gerçek evsel atıksu kullanılarak yapılmış olmasıdır. Bu özel araştırmada, konular uluslararası bir düzeyde ele alınacaktır, çünkü OSA sürecinin entegrasyonu ile kademeli besleme SBR sistemi toplam azot giderimi açısından oldukça verimlidir, çamur imhası ve arıtımı gerekli olmayacaktır. Yine de, mevcut literatürdeki araştırmacılar arasında çamurun azaltılmasına neden olan kilit mekanizma halen çok tartışmalıdır, bu nedenle ASM1 bu çalışmada OSA sürecinde çamur azaltmaya neden olan mekanizmayı araştırmak için kullanılmıştır. Buna ek olarak mikrobiyal topluluğu değerlendirmek için literatürde ilk kez bakteriyel 16S rRNA gen amplikonları Yeni Nesil Dizileme kullanılmıştır. Özet olarak, OSA sistemi ile ilgili multidisipliner bir yaklaşım ve yoğun araştırma gerektiren bir zorluk yaratan birçok darboğaz vardır. Bu çalışmanın amacı, OSA sürecinin uygulanmasından önce ve sonra SBR sistemlerinin performansını göstermektir. Gerçek atıksu kullanan OSA sürecindeki bilgi eksikliği, OSA sistemlerinin uygulanmasından sonra toplam azot giderimi, aşırı çamur azaltımı, mikrobiyal topluluk değişikliklerine odaklanan bu çalışmayı güçlü bir şekilde motive etmiştir. Bu çalışma, gerçek atıksuyun tam ölçekte arıtılmasında OSA sistemlerinin uygulanmasının daha iyi anlaşılmasına katkıda bulunacaktır. Kentsel atıksu arıtımı sırasında oluşan fazla çamurun uzaklaştırılması ve besi maddesi giderimi konusunda son yıllarda uygulanan standartların sıkılığı, pek çok atıksu arıtma tesisinin çıkış suyu standartlarını sağlama ve çamur oluşumu konusunda ciddi zorluklarla karşı karşıya kalmasına neden olmuştur. Bu çalışmada, yukarıda belirtilen sorunların giderilmesi konusunda gelecek vaad eden bir proses olanoksik-çökeltim-anaerobik üzerine odaklanılarak, azot giderimi ve çamur azalmasının birlikte gerçekleştirildiği bir sistemin değerlendirilmesi amaçlamıştır. Yan akım reaktöründe en yüksek çamur azalması iç geri devir oranının %7,7 olduğu durumda %58 olarak gerçekleşmiştir. Diğer sistemlerde ise iç geri devir oranının %5,9 ve 5,0 olması durumlarında bu değer sırasıyla %37 ve %35 olarak elde edilmiştir. Bu doğrultuda, bu sistemlerde, yan akım reaktöründen gelen çamur girişi nedeniyle ana reaktörde gerçekleşen yüksek biyokütle konsantrasyonunun ve çamur bekletme süresinin etkisiyle mikrobiyal ölüm fazının çoğalmaya görece daha yüksek gerçekleştiği düşünülmektedir. Bu sistemlerde, aynı zamanda, yüksek (%85'e kadar) azot giderim verimlerinin gerçekleştiği gözlenmiştir. Buna göre, iç geri devir oranının, literatürde genellikle kullanılan %10 oranı yerine %8 olarak gerçekleştirilmesinin hem çamur azalması hem de azot giderimi açısından, muhtemelen daha düşük maliyetli, bir seçenek olacağı düşünülmektedir. OSA prosesi, biyolojik atıksu arıtımı sırasında kaçınılmaz olarak oluşan, susuzlaştırılıp stabilize edildikten sonra uzaklaştırılması gereken fazla biyolojik çamur miktarının azaltılmasına yönelik olarak fazla çamur yan akımına anaerobik reaktör ilavesi ile gerçekleştirilmektedir. İlave edilen yan akım anaerobik reaktörde, fazla çamur hattındaki biyolojik çamurun bir kısmı belirli bir süre oksijensiz koşullara maruz bırakıldıktan sonra biyolojik arıtma ünitelerinin girişine biyokütle girdisi olarak verilmektedir. Bu sayede, yan akım reaktöründe kısmi stabilize olan çamur biyolojik ünitelerde besi madde olarak kullanılmak suretiyle özellikle azot giderimi için karbon kaynağı olma potansiyeli taşımaktadır. Aynı zamanda, yan akımda stabilizasyon nedeniyle sistemin çamur yaşı artmakta, dolayısıyla gözlenen dönüşüm oranları düşmektedir. Bunun sonucu olarak da biyolojik sistemde çamur üretimi azalmakta ve uzaklaştırılacak çamur miktarı düşmektedir. Bu çalışmada, çamur azalmasına yönelik olarak geliştirilen OSA sistemi kullanılarak farklı işletme koşullarında çamur azalması oranları ve azot giderimine yoğunlaşılmıştır. Bu sistemlerin aktif çamur modelleri ile modellenmesi ve gerçek sistemlere yönelik modelleme çalışmalarına esas oluşaturacak kinetik katsayı belirleme çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, bu sistemlerde farklı işletme şartlarında mikrobiyal topluluğun değişimi ortaya konulmaya çalışılmıştır. Mikrobiyal kinetiğin değerlendirilmesi ve çamur azaltma mekanizmasının daha iyi anlaşılması için bir dizi respirometrik test tasarlanmıştır. Kalibrasyon çalışmasının sonuçlarına göre mikrobiyal ölüm oranının, sistem konfigürasyonuna bağlı olarak, en değişken kinetik parametre olduğu görülmüştür. Bu kinetik katsayının sistemler OSA konfigürasyonunda işetilmeye başlandıktan sonra önemli ölçüde arttığı, buna karşılık -diğer model parametrelerinin neredeyse sabit kaldıkları görülmüştür. Bu durumun, mikrobiyal topluluktaki veya mevcut topluluğun metabolizmasındaki değişimden kaynaklanıyor olabileceği düşünülmektedir. Bu çalışmada işletilen klasik aktif çamur sistemlerinde, yürütülen respirometrik analizler sonucunda, aktif biyokütle oranı% 75 civarında elde edilmişken yan akım reaktöründe bu değer 2 kat daha düşük olarak belirlenmiştir. Sonuç olarak, respirometrik analizlerden elde edilen veriler doğrultusunda, OSA prosesininölüm fazını teşvik ettiği, bunun sonucu olarak reaktördeki biyokütle canlılığını azaldığı ve aşırı çamur azalmasının sağladığı sonucuna varılmıştır. Bu çalışmanın en önemli yönlerinden birisi de gerçek evsel atıksu kullanılmasıdır. Literatürdeki çalışmalar sentetik olarak hazırlanmış atıksuların kullanımı ile gerçekleştirilmişken, tüm deneysel çalışma bir atıksu arıtma tesisi kum tutucu çıkışından alınan ham atılsu ile yürütülmüştür. Böylelikle, OSA prosesinin pratik uygulanabilirliği yönünde önemli sonuçlar elde edilebilmiştir. Elde edilen veriler, OSA sistemlerinde çamur azalmasının ve azot gideriminin birlikte gerçekleştirilebilirliğinin mümkün olduğunu göstermiştir. Mikrobiyal topluluğun ölüm fazına yakın çalışması ve biyolojik çamur girdisi nedeniyle biyolojik reaktörde yüksek biyokütle konsantrasyonları elde edilmiş, bu çalışma süresinde sistemden normal biyolojik atıksu arıtma tesislerinde yapılan rutin çamur atma işlemi yapılmamıştır. Yürütülen deneysel çalışmada, kurulan OSA sistemleri farklı değişim oranlarında işletilmiştir. Bu amaçla, biyolojik sistemden yan akım reaktörüne beslenen çamur miktarları değiştirilmiştir. Bu sistemlerde çamur azalması, gözlenen dönüşüm oranları ve azot giderim yüzdeleri belirlenmiştir. Mikrobial topluluk kompozisyonu başlangıç biyolojik çamuru ve farklı işletilmiş OSA sistemlerinden alınan biyolojik çamurlarda belirlenerek sonuçlar karşılaştırılmıştır. Literatürde ilk kez kapsamlı olarak, bu sistemlerde, bakteriyel 16S rRNA gen sekanslama analizi ile mikrobiyal topluluk profili ortaya konulmuş ve değerlendirilmiştir. Bu çalışmada, çamur azalması oranlarının değerlendirilmesi ve mikrobiyal topluluktaki değişimin ortaya konulması amacıyla farklı iç geri devir oranlarında işletilen sistemlerin gözlenen dönüşüm oranları hesaplanarak, aynı koşullarda işletilen kontrol sistemleri ile karşılaştırılmıştır. Buna göre, en yüksek çamur azalması (%52,1) iç geri devir en yüksek olduğunda elde edilmiştir. 16S rRNA gen amplikon sekans analizi, benzer filogenetik gruplardan, Proteobakteriler, Acidobacteria ve Bacteroidetes türlerinden oluşan bakteri topluluğunun baskın olduğunu göstermiştir. Değişen iç geri devir oranlarına bağlı olarak bu toplulukların baskınlığı da farklılık göstermiştir. OSA sistemlerindeThiothrixtürünün baskın olduğu ve sistemlerde önemli rolü olabileceği görülmüştür. Çamur üretiminin en aza indirilmesinin, Intrasporangiaceae türlerinin baskınlığı ile de ilgili olabileceği elde edilen bulgular arasındadır.