Effect of salt concentration on the characteristics of biomass and organic removal in an anaerobic membrane bioreactor

Endüstriyel sektörler her yıl üretim prosesleri sonucu büyük miktarlarda atıksu üretmektedirler. Sodyum klorür birçok endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle endüstrilerden kaynaklanan atıksuların yüzde beşinde yüksek tuz konsantrasyonuna rastlanmaktadır. Yüksek miktarda tuzluluk ve organik kirletici madde içeren bu atıksuların ön arıtım işlemlerinden geçirilmeden bertaraf edilmeleri alıcı ortamlar ve çevre açısından büyük tehdit oluşturmaktadır. Günümüzde birçok ülkede yasalar ile alıcı ortama deşarj kriterleri günden güne daha sıkı kontrollere maruz kalmakta, bu nedenle yüksek tuzluluk içeren atıksuların alıcı ortama deşarj öncesi arıtımları daha da önem kazanmaktadır. Tuzlu atıksular geleneksel biyolojik arıtma sistemleri ile arıtılırken yüksek tuz konsantrasyonunun bakterilerin çalışma verimi üzerinde oluşturduğu olumsuz etkiler nedeniyle arıtma verimi önemli ölçüde kısıtlanmaktadır. Arıtma sonrası düşük giderim verimli ve yüksek kirletici konsantrasyonu içeren çıkış suları oluşturulmaktadır. Bu nedenle yüksek tuzluluk içeren atıksuların arıtımında fiziko-kimyasal arıtma sistemleri yaygın olarak kullanılmaktadır. Biyolojik arıtma sistemlerinde bulunan mevcut bakteri türlerinin zamanla tuzlu ortama adaptasyonları mümkün olsa da bu adaptasyon tuz miktarının aniden değişmesi/düşmesi sonucu kolayca kaybolmaktadır. Arıtma verimlerini arttırmak için genellikle tuzlu ortamlarda yaşayabilen mikroorganizmaların sistemde tercih edilmesi ve adaptasyonlarının sağlanması gerekmektedir. Ortamdaki tuz miktarına bağlı olarak hayatta kalabilen halofilik bakteriler üç sınıfa ayrılır; az halofilikler; sodyum klorür konsantrasyonunun yüzde 1-5 olduğu durumlarda yaşayabilirler. Orta halofilikler; sodyum klorürün yüzde 5 ile 20 arasında olduğu durumlarda hayatta kalırlar. Yüksek halofilikler; ortamdaki sodyum varlığına karşı en çok dayanıklı olan türlerdir ve sodyum klorürün yüzde 20 ile 30 arasında bulunduğu ortamlarda rahatlıkla hayatta kalabilirler. Bu mikroorganizmalar adaptasyonları için iki farklı mekanizma kullanırlar. Bu mekanizmalardan ilki; mikroorganizların bünyelerinde potasyum iyonları biriktirerek bakterilerin hücre duvarı ile ortam arasındaki osmotik basıncın ayarlanmasını sağlamalarına dayalıdır. Diğer bir mekanizma ise; ortama, tuza dayanıklı çözünmüş maddelerin eklenerek, mikroorganizmaların bunları bünyelerinde biriktirmesinin sağlanması ve kendilerini tuzun olumsuz etkilerine karşı korumalarını hedef alır. Bu iki mekanizmanın da önemi, ortamda osmotik basıncın yükseldiği durumlarda çamur aktivitesinin ve dayanıklılığının arttırılmasını ve mikroorganizmaların korunmasını sağlamalarıdır. Ortamda bulunan yüksek miktardaki tuz konsantrasyonu sistemlerdeki çamurun fiziksel ve biyokimyasal özellikleri üzerinde birçok olumsuz ve yıkıcı etkiye sahiptir. Hücrelerin plazma bozulumu, mikroorganizma aktivitesinin kaybı, bakteri hücrelerinin su kaybı ve parçalanması ve flokülasyon oluşum problemleri yüksek tuzluluğa maruz kalmış mikroorganizmalarda sıkça karşılaşılan sonuçlardır. Metabolik aktivitenin bozulması genellikle arıtım sırasında düşük organik kirletici giderimlerine sebep olmaktadır. Bu nedenle tuzlu atıksu girdisi olan biyolojik arıtma sistemleri diğer arıtma sistemlerine göre daha hassastırlar ve düşük giderim verimlerine sahip olmaktadırlar. Bugüne kadar birçok bilimsel çalışma değişik sistemler ve farklı karakterde atıksular kullanarak mikroorganizmaların tuzlu ortamlarda biyolojik arıtma esnasındaki davranışlarını araştırmış fakat anaerobik arıtma sistemlerinde organik aromatik bileşenlerin giderimleri üzerine detaylı araştırmalar yapılmamıştır. Bu çalışmada mezofilik koşullar altında laboratuvar ölçekli Anaerobik Membran Biyoreaktör kullanılarak, tuzluluk içeren sentetik atıksu arıtımı araştırılmış ve bu arıtma sırasında atıksu içerisinde değişik konsantrasyonlardaki tuzun, anaerobik çamurun fiziksel ve biyokimyasal özellikleri üzerinde oluşturduğu etkiler çeşitli deneylerle incelenmiştir. Sürekli çalışan sistem ile çalışmalara başlamadan önce, sistemin dayanıklılığını öngörmek ve kullanılacak anaerobik çamurun tuza adaptasyonunu en verimli şekilde sağlamak için hazırlanacak olan sentetik atıksu çözeltilerinde en uygun Potasyum/Sodyum oranının bulunması amacıyla iki farklı biyometan potansiyeli testi gerçekleştirilmiştir. Deneylerde kullanılacak besi ortamı 16, 20 ve 24 gL-1 sodyum konsantrasyonlarında çift kopya olarak hazırlanmıştır. İlk set deney düzeneğinde Potasyum/Sodyum oranları her bir besi ortamı için aynı değerde tutulmuştur (0.05). İkinci set deneylerde ise 16, 20 ve 24 gL-1 konsantrasyonları için Potasyum/Sodyum oranları sırasıyla 0 .03, 0.024 ve 0.02 olarak hazırlanmıştır. Her bir besi ortamından (16, 20 ve 24 gL-1) giderim verimlerini tespit etmek amacıyla belirli aralıklarla numuneler toplanmış ve kimyasal oksijen ihtiyacı ve fenol konsantrasyon analizleri yapılmıştır. Sistemde üretilen metan gazı miktarı, deney sonuna kadar otomatik metan potansiyeli test kontrol paneli tarafından saatlik olarak kaydedilmiştir. Deneyler sonucunda, en yüksek KOİ (yüzde 96) ve fenol (yüzde 99) giderim verimi, Potasyum/Sodyum oranının 0.024 olarak ayarlandığı test ortamında elde edilmiştir. İki farklı sette de en yüksek KOİ giderimi sodyum konsantrasyonun 16 gL-1 olduğu durumda gözlenmiştir. Sürekli çalışan sistemde deneyler dört farklı sodyum yükleme serisi ile gerçekleştirilmiştir. Bütün çalışma boyunca sodyum konsantrasyonu 6 ile 46 gL-1 arasında değiştirilmiştir. Her bir yükleme serisi 40 gün sürmüş ve sodyum etkisinin incelenmesi için belirli aralıklarla çamur ve çıkış suyundan numuneler toplanıp, analizler yapılmıştır. İlk yükleme serisinde sodyum konsantrasyonu 16 ile 22 gL-1 arasında, 16 gL-1 besleme 24 saat ve 22 gL-1 besleme 48 saat sürecek şekilde değiştirilmiştir. İkinci yükleme serisinde her bir farklı tuz konsantrasyonu ile hazırlanan besiler 24 saat süresince reaktöre verilmiştir. Tuz içeriği 16 gL-l'den başlanılarak 20, 22, 24 ve 26 gL-l şeklinde arttırılmış ve daha sonrasında yine 24 saat aralıklarla kademeli olarak 16 gL-l konsantrasyonuna düşürülmüştür. Üçüncü yükleme serisinde endüstrilerde oluşturulan atıksuların gerçek karakterlerini yansıtmak ve bu ani değişimlerin sistem üzerindeki etkilerini araştırmak amacıyla, geniş bir tuz konsantrasyonu aralığında hazırlanan çözeltiler (6 - 34 gL-l konsantrasyon aralığında), 12, 24 ve 48 saat süre ile sisteme beslenmiştir. Her gün çözelti değiştirilmeden önce çıkış suyu numuneleri toplanmış ve özelliklerini belirlemek amacıyla deneyler uygulanmıştır. Dördüncü ve son sodyum yükleme serisinde yüksek tuz konsantrasyonunun etkisini araştırmak amacıyla sentetik atıksu çözeltileri 34 ile 46 gL-l sodyum konsantrasyonu aralığında hazırlanmış ve her biri 24 saat süre ile membran biyoreaktöre beslenmiştir. Sodyum konsantrasyonunun bakteriyel aktivite üzerine yaptığı etkileri gözlemlemek amacıyla mikroorranizmalar tarafından üretilen hücre dışı polimerik maddelerin bileşenleri ve miktarı ve hücre içerisinde depolanan adenozin trifosfat miktarları analiz edilmiştir. Tuza maruz kaldıktan sonra hücrelerde oluşan hasarı belirlemek için akışlı hücre sayımı yöntemi ile çamur içerisinde bulunan toplam hücre konsantrasyonu ve zarar görmüş hücre konsantrasyonu belirlenmiştir. Bu çalışmalar sonucu sodyum konsantrasyonunun 22 gL-l'yi aştığı durumlarda hücre yapısında ciddi ölçüde hasar meydana geldiği ve bu değerden sonra hücrelerin ortalama olarak yüzde 84'ünün zarar görmüş olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, hücre içi enerji depolanmasının düştüğü ve daha az hücre dışı polimerik madde üretiminin gerçekleştirildiği görülmüştür. Çalışmalar sırasında çamur konsantrasyonunun değişimini gözlemek amacıyla toplam katı madde ve askıda katı madde ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Deney başlangıcından bitimine kadar ortamda artan tuz konsantrasyonu sonucu (16 gL-1'den 36 gL-1'ye) askıda katı madde miktarının başlangıç değeri olan 16.4 gL-1'den deney sonucunda 7.6 gL-1'ye düştüğü ve toplam katı madde miktarının sodyum konsantrasyonundaki değişimlere bağlı olarak pozitif bir şekilde değiştiği gözlenmiştir. Çamurun filtre edilebilirliği ve susuzlaştırılma kapasitesi üzerinde tuzun etkisinin araştırılması amacıyla çamur numuneleri ile kapiler emme süresi ve filtre edilebilirlik direnci deneyleri gerçekleştirilmiştir. Tuz konsantrasyonu 23 gL-1'ye artana kadar iki parametrenin de sodyum değişimlerine karşı birbirleri ile benzer davranışlar sergilediği görülmüş ve tuz konsantrasyonu arttıkça her iki parametrenin de düştüğü fakat 23 gL-1 sonrasında tuz konsantrasyonu artmaya devam ettikçe her iki parametrenin de arttığı görülmüştür. Son yükleme serisinde her iki parametrenin de artışının sebebi olarak artan tuz konsantrasyonu etkisinde değişen diğer faktörler gösterilmiştir. Çamurun fiziksel özelliklerindeki değişimi gözlemlemek amacıyla partikül boyut analizleri, viskozite ve hidrofobisite analizleri yapılmıştır. Bu parametrelerin tuzun doğrudan etkisinden daha çok tuz konsantrasyonları değişimlerine bağlı olarak bakteriler tarafından üretilen hücre dışı polimerik madde konsantrasyonlarından etkilendiği gözlenmiştir. Sistemin her dört yükleme serisi süresince giderim veriminin bulunması amacıyla çıkış suyu numunelerinde KOİ ve fenol konsantrasyonları analiz edilmiştir. Tuz konsantrasyonu arttıkça her iki parametrenin konsantrasyonunun arttığı ve sistemin organik madde giderme veriminin düştüğü sonucu elde edilmiştir. Sistemin 30 gL-1 sodyum konsantrasyonuna kadar, tuzun olumsuz etkilerinin üstesinden gelebildiği ve ortalama olarak yüzde 99 KOİ giderim verimi ile çıkış suyu kalitesi elde ettiği görülmüştür.