Effect of feeding patterns and sludge history on substrate storage under anoxic conditions

Aktif çamur proseslerinin dizayn ve işletilmesinin matematiksel olarak modellenebilmesi için IAWQ çalışma grubu Aktif Çamur Modellerini oluşturmuştur. Aktif Çamur Model No. l (ASM1) modeli (Henze ve diğ., 1987) aktif çamur sistemlerindeki karbon giderimi, nitrifıkasyon ve denitrifikasyon proseslerini içerirken, son geliştirilen Aktif Çamur Model No.3 (ASM3) modeli (Gujer ve diğ., 2000) bunlara ilaveten depolama mekanizmasını da içermektedir. ASM3'e göre kolay ayrışan substrat önce depolama polimerlerine dönüştürülüp ardından heterotrofik biyokütle tararından kullanılmaktadır. Bu genel görüşe dayanarak daha gerçekçi olan biyokimyasal modelleme kavramı çalışılmaktadır. Biyokimyasal modelleme yaklaşımına göre substratın bir kısmı doğrudan büyüme için kullanılırken geri kalan kısmı hücre içine depolama ürünü olarak alınmaktadır. Karbon kaynağına bağlı olarak PHB, glikojen ve lipidler olmak üzere üç tür depolama ürünü olduğu bilinirken, hücre içindeki temel bileşenlerden asetil-CoA dan üretildiği için PHB'nin başlıca depolama ürünü olarak düşünülmektedir. Biyokütlenin biyolojik arıtma sistemlerindeki davranışının belirlenmesinde kolaylık sağladığı için ASM3 ve depolama modellerinin geliştirilmesi için yapılan çalışmaların büyük bir kısmı ardışık kesikli reaktör olarak bilinen periyodik beslenen biyolojik reaktörler ile gerçekleştirilmiştir. Periyodik sistemlerde biyokütle kararsız koşullarda büyümektedir. Her çevrimde 'feast' periyot olarak bilinen besleme sürecinde fazla miktarda substrat biyokütleye verilirken ardından gelen 'famine' periyot olarak bilinen reaksiyon sürecinin büyük kısmında biyokütlenin dışarıdan alabileceği substrat bulunmamaktadır. Bu tür koşullarda büyüme dengesiz hale gelmekte ve mikroorganizma büyüme hızını bu değişen koşullara adapte edememektedir. Bunun sonucunda substratın birikmesi veya depolama ürünleri olarak depolanması gibi farklı mekanizmalar önemli hale gelmektedir. Bu yüzden biyokütlenin kararsız koşullardaki davranışı AKR'nin işletme koşulları ile belirlenebilir. Depolama prosesinin anoksik koşullarda değerlendirilmesi için birçok çalışma yapıldığı halde bu çalışmaların sonuçlan ASM3 den farklı bulunmuştur. Bu yüzden depolamanın anoksik koşullardaki stokiyometri ve kinetiği açıkça tanımlanamamıştır. Bu çalışmanın amacı anoksik koşullarda besleme şeklinin ve çamur geçmişşinin depolama üzerine etkisinin araştırılmasıdır. Çalışma evsel atıksularda önem taşıyan substratlardan biri olan asetat ile yürütülmüştür. Fazla miktarda asetatın sisteme verildiği durumlarda biyokütle içerisinde PHB olarak depolandığı gözlenmiştir. Organik yükleme hızı, besleme süresi ve aerobik veya anoksik koşulların kullanımı mümkün olduğu için AKR istenen koşulların sağlanabilmesi için kullanılışlı olmaktadır. Besleme sürecinin depolama üzerine etkisinin belirlenebilmesi için AKR iki farklı beleme koşuluyla işletilmiştir. Bu amaçla biyokütle anoksik/aerobik çalıştırılan AKR içerisinde ani besleme ve sürekli besleme olmak üzere iki farklı besleme koşuluna aklime edilmiştir. Ani beslemede karbon kaynağı 1 dakika içerisinde sisteme verilirken, aktif çamura anoksik besleme süresince aynı miktarda karbon kaynağının verilmesi ile sürekli besleme uygulanmıştır. Biyokütle besleme koşullarına aklime olduktan sonra kesikli ve sürekli besleme koşullarının her biri için batch testler COD, asetat, PHB, NO3' ve NO2' numunelerinin alınmasıyla yürütülmüştür. Böylece besleme koşullarının ve çamur geçmişşinin etkisinin belirlenebilmesi için 4 set batch deney gerçekleştirilmiştir. Bu numunelerin ölçülmesi sonucu biyokütlenin her bir besleme koşulundaki substrat giderim performansı, asetat tüketim hızı, denitrifikasyon hızı ve depolama mekanizması hakkında bilgi elde edilebilmektedir. Bu deneylerin yanı sıra her bir besleme koşuluna alışmış biyokütleye diğer besleme biçimi uygulanarak çamur geçmişşi deneyleri yapılmıştır. Çamur geçmişşi çalışmalarına bağlı olarak, hücre içerisindeki makromolekül bileşimini gösteren fizyolojik durum belirlenebilir. Çalışmanın bu kısmı sayesinde anoksik koşullarda biyokütlenin depolama ve büyüme davranışını değişen koşullara ne kadar çabuk adapte edebileceğinin gözlenmesi mümkün olabilir. Aerobik ve anoksik koşullar arasındaki farklılıkların belirlenebilmesi için her besleme koşulu için paralel bir aerobik AKR işletilmiştir. Aerobik ve anoksik koşulların karşılaştırılması esas alınarak anoksik koşulların depolama mekanizması üzerindeki etkisi değerlendirilebilmektedir. Depolama dönüşüm oranını, , belirlemek amacıyla Avcioğlu ve diğ., 2002 tarafından önerilen respirometrik yöntem uygulanmış ve sonuçlar PHA'in depolanması sonucu bulunan depolama dönüşüm oranlan ile karşılaştırılmıştır. Asetat ile ani beslenmeye aklime edilmiş biyokütle ile gerçekleştirilen deneylerde Ystod 0.57-0. 59 aralığında saptanmış ve ortalama değer 0.58 gKOİ/gKOİ olarak belirlenmiştir. Respirometrik yöntem ile bulunan Ystod değerleri PHA depolanmasıyla elde edilen sonuçlarla büyük uyum göstermektedir. Bununla birlikte, bu değerler Avcioğlu ve diğ., 2002 tarafından sadece NUR datalarının respirometrik değerlendirilmesi ile bulunan sonuçlardan küçüktür. Bu deneysel çalışma ile NUR verilerinin yanı sıra asetat ve PHA verileri ile bulunan deneysel sonuçların tekrarlanabilirliği gösterilmiştir. Dionisi ve diğ., 2001 tarafından 0.55 gKOİ/gKOİ ve Beun ve diğ., 2000b tarafından 0.62 gKOİ/gKOİ olarak asetat için bildirilen anoksik depolama dönüşüm katsayıları bu çalışmanın sonucu ile uyum gösterirken, ASM3 (2000)'de belirtilen 0.80 gKOİ/gKOİ değeri literatürde verilen ve bu çalışmada bulunan anoksik depolama katsayısından oldukça farklıdır. Ortalama değer olarak 0.58 gKOİ/gKOİ verilen Ystod değeri Karahan ve diğ, 2002a tarafından respirometrik olarak belirlenen aerobik depolama dönüşüm katsayısı olan 0.78 gKOİ/gKOİ ile kıyaslandığında anoksik depolama dönüşüm katsayısının aerobik depolama dönüşüm katsayısına oram 0.75 olarak bulunmuştur. Bu değer ASM3 de 0.94 olarak verilen değerden oldukça düşüktür. Ani besleme koşullarına aklime edilmiş biyokütle ile yapılan deneyler sırasında dikkate alınacak miktarda PHA depolandığı gözlenirken aym miktarda asetatın anoksik periyot boyunca sisteme verilmesiyle gerçekleştirilen sürekli besleme deneyleri sırasında substrat depolaması belirlenememiştir. Bunun sonucu olarak aktif çamur sistemlerinde substratın sadece ani besleme koşullarında depolandığı diğer bir deyişle biyokütlenin aniden yüksek konsantrasyonda substrata maruz kaldığında depolama davranışı gösterdiği saptanmıştır. Aktif çamur sistemlerinin depolama davranışını etkileyen diğer önemli faktör ise çamur geçmişşi olarak bildirilmiştir. Bu çalışmanın deneysel sonuçlarına göre aktif çamur düşük substrat konsantrasyonu ile sürekli besleme koşullarına aklime edildiğinde, sisteme aniden verilen yüksek konsantrasyondaki substrat biyokütlenin depolama davranışı göstermesine neden olmamaktadır. Sürekli besleme koşullarına aklime edilmiş biyokütle ile anoksik koşullarda gerçekleştirilen deney sonuçlarına göre aktif çamur kültürleri sistemin işletme koşullarına göre büyüme tepkilerini geliştirebilmektedir. i