Combined effect of water hyacinth and trichocladium canadense on biogas production during anaerobic treatment of wastewater with antibiotics mixture

Son 50 yılda sanayileşme, artan miktarlarda atık ve atıksu oluşumuna sebep olmuştur. Bu atıkların birçoğu yüksek seviyede organik ve inorganik kirletici içermektedir. İlaç sektöründeki büyüme, II. Dünya Savaşı ile birlikte hız kazanmıştır. Ayrıca, son dönemlerde, ilaç endüstrisi ekonomik büyümeye yüksek katkılar sunmuştur. Bununla birlikte, yeni ürünlerin üretimi ile birlikte; özellikle antibiyotiklerdeki hızlı üretim miktarı, bunlardan kaynaklanan atıkların arıtımı ve bu atıkların yok edilmesi gibi sorunları da büyük ölçüde arttırmıştır. İlaç bileşikleri, insan faaliyetlerinden, ilaç endüstrilerinden, hastanelerden vb. birçok yoldan sürekli olarak çevreye deşarj edilmektedir. İlaç içerikli atıklar/atıksular, insanlar ve canlı organizmalar üzerinde sağlık sorunlarına ve çevre üzerinde önemli kirliliğe neden olan kimyasal kirleticiler olarak gruplandırılmaktadır (Saleem, 2007). Aşırı antibiyotik tüketimi nedeniyle, yeni geliştirilen kirletici çevreye salınımına neden olur. Antibiyotikler genellikle sucul ortamlarda kolayca çözülür ve normal sıcaklıkta buharlaşmazlar. Bundan dolayı, antibiyotikler toprağa ve su kütlelerine kanalizasyon veya sulama yoluyla ulaşmaktadır. Antibiyotik konsantrasyonları, bir litrede nanogram veya düşük mikrogram seviyelerinde tespit edilmektedir. Mevcut araştırmalar, konvansiyonel atıksu arıtma tesisleri 'lerde bulunan arıtma teknolojilerinin, ilaç kalıntıları ile kontamine olmuş atıksuların arıtılmasında yeterince etkili performans göstermediklerini ortaya koymuştur. Ayrıca, antibiyotiklerin giderimi için uygulanan atıksu arıtma yöntemleri yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle, AAT'lerde ilaç içerikli atıksuların arıtılmaları için yenilikçi teknolojilerin geliştirilmesi gerekmektedir (Drewes, 2007). İlaç endüstrisinde antibiyotik içerikli atıksuların miktarı gün geçtikçe artmaktadır. Çevre kirliliğinin kontrolü için, ilaç endüstrisi atıksularının arıtılması ve yeniden kullanması için farklı arıtma teknolojileri kullanılmaktadır. AAT'lerin çıkış akımlarında iyi kalitede suyun temini ve düşük enerji kullanımı çok önemlidir (Hao ve diğ, 2015). Enerjinin, organik atıklardan elektrik veya ısı formunda enerji kaynakları olarak üretildiği Atıktan Enerjiye prosesleri veya atıkların petrol esaslı bir yakıt kaynağına dönüşmesi ile çevreye salınan atık miktarlarında azalma olmaktadır (Skaggs ve diğ, 2018). Anaerobik arıtma, AAT'lerde gözlenen enerji ihtiyacının karşılanması amacıyla uygulanabilecek bir teknolojidir. Düşük enerjiye ihtiyaç duyulması ve yenilenebilir bir enerji kaynağının geri kazanılması gibi potansiyeli nedeniyle atıksuların anaerobik arıtımı uygun çözümlerden biri olmaktadır. Ayrıca, atıksuların yüksek oranlarda biyolojik olarak çözünebilen organik madde konsantrasyonu içermeleri durumunda, anaerobik arıtma oldukça verimli ve ekonomik olmaktadır. Diğer bir avantajı ise, işletilmeleri sırasında daha kararlı şartların sağlanabilmesidir. Böylece, farklı hidrolik ve organik yüklerde işletilmeleri durumunda, diğer biyolojik sistemlerde gözlenebilen dengesizliklere kıyasla anaerobik sistemlerde daha az işletme sorunları gözlenir. Ayrıca, anaerobik sistemlerde aerobik sistemlere kıyasla daha az çamur üretilir ve bu sebeple daha düşük işletme maliyeti sağlar (Meegoda ve diğ, 2018). Anaerobik arıtma, organik maddelerin anaerobik mikroorganizmalar tarafından havasız koşullar altında nihai ürünlerine kadar parçalanması işlemidir. Biyogazın içerisinde metan (CH4), karbondioksit (CO2) ve bazı eser gazlar bulunur. Biyogaz elektrik ve ısı üretimi için kullanılmaktadır. İçerisindeki metan ise değerli bir hidrokarbon yakıt olarak kullanılır (Chen ve diğ, 2008). Anaerobik reaktörlere biyolojik temizleme maddelerinin ilavesinin, hem arıtma performansları hem de biyogaz üretimleri ve toksik bileşiklerin anaerobik sistemlerdeki inhibisyon etkisinin azaltılması üzerinde olumlu etkilerinin olduğu bilinmektedir. Bu bağlamda, ilaç endüstrisinde, Eichhornia crassipes köklerinin atıksu arıtımında kullanabildiği ve bu bitki köklerinin kurutulduktan sonra, atıksudaki antibiyotiklerin uzaklaştırılmasında önemli etkileri olduğu belirtilmektedir (Rezania ve diğ, 2015). Ayrıca, Eichhornia crassipes 'nün, anaerobik sistemlerde metanojenik kültürler üzerinde antibiyotiklerin inhibisyon etkilerinin azaltılması açısından önemi bilinmektedir. Çok toleranslı mekanizması sebebiyle, Eichhornia crassipes 'nün, hücresel düzeyde stres ile başa çıkma ve inhibe edici bileşikleri tolere etme potansiyeline sahip olduğu rapor edilmiştir. Örneğin, Eichhornia crassipes'nün birikim yapma kabiliyeti ve ağır metal iyonlarını tolere etme kabiliyeti sayesinde, bu bitki türlerinin, metal iyonlarını su kütlelerinden gidermek için etkili bir hiperakümülasyon mekanizmasına sahip olabileceğini göstermektedir (Malar ve diğ, 2014). Buna ek olarak, bazı mantar türleri, biyogaz üretimini iyileştirmek için ön-arıtmaya ihtiyaç duymadan doğrudan anaerobik biyoreaktörlerde kullanılma potansiyeline sahip olabilmektedir. Örneğin, fakültatif anaerobik bir mantar türü olan T. canadense ATCC 201360; havasız sistemlerde biyogaz üretimini iyileştirici etkide bulunduğu ve bir enzim gibi çalışarak ayrışmayı arttırdığı rapor edilmektedir. Bu çalışmanın amacı, Eritromisin, Tetrasiklin ve Sülfametoksazol olmak üzere üç farklı antibiyotik kaynağı ile hazırlanmış ve ilaç atıksularını karakterize eden sentetik atıksuyun anaerobik arıtılabilirliği ile biyogaz potansiyelinin araştırılmasıdır. Bu çalışmada Eritromisin, Tetrasiklin ve Sülfametoksazol kullanılmasının sebebi, bu antibiyotiklerin gündelik hayatta en çok kullanılan antibiyotik türleri olmasıdır. Çalışma kapsamında, kesikli ve yarı-sürekli reaktör düzeneklerinden elde edilen konvansiyonel parametreler ve uçucu yağ asitleri değişimleri sunulmaktadır. Ayrıca, anaerobik reaktörlerde yukarıda bahsi geçen antibiyotik kaynaklarını içeren sentetik ilaç atıksuyunun havasız arıtılabilirliği sırasındaki biyogaz verimi de araştırılmıştır. Çalışma kapsamında ayrıca, anaerobik biyoreaktörlere iki farklı biyolojik temizleme maddesi ilave edilerek; bu maddelerin gerek tekil gerekse birleşik etkisi arıtma performansları ve biyogaz üretimleri üzerinde araştırılmıştır. Bu amaçla, kesikli ve yarı-sürekli olarak işletilen havasız reaktörler mezofilik koşullarda (35 oC) işletilmiştir. Etkili hacmi 6.45 litre olan ve yarı-sürekli olarak işletilen yukarı akışlı bir havasız çamur yataklı reaktör sistemi yardımıyla, ilaç atıksularının tam-ölçekli işletilen anaerobik arıtma uygulamalarının daha iyi temsil edilebileceği düşünülmüştür. HÇYR sistemleri, enerji teknolojileri arasında önemli bir yer tutmaktadır. Bu sistemlerde, yüksek organik madde içerikli atıksular başarılı bir şekilde arıtılabilmekte; ayrıca yenilenebilir bir enerji kaynağı olan biyogaz elde edilebilmektedir. Bunun dışında, HÇYR sistemleri; özellikle endüstriyel atıksuların yerinde arıtılmaları sırasında daha uygulanabilir ve daha az yer ihtiyacı gerektiren kompakt biyolojik reaktörlerdir. Bu tez kapsamında ilk olarak çalışmanın amaç, kapsam ve önemi tanımlanarak, bu çalışmanın neden yapıldığı vurgulanmıştır. İkinci bölümde ise konu ile ilgili genel bilgiler verilerek; anaerobik biyoteknoloji, anaerobik arıtmanın aşamaları ve avantajları, dünyada ilaç endüstrisinin mevcut durumu ve ilaç atıksularının çevre üzerindeki etkileri, antibiyotik kullanımı ve çevresel önemi ve son olarak ilaçlar ile kontamine olmuş atıksuların arıtımı hakkında yapılmış çalışmalardan örneklerin verildiği bir literatür araştırması bulunmaktadır. Bu genel bilgilendirme sonrasında, çalışmada kullanılan tüm materyaller ve yöntemler üçüncü bölümde detaylı olarak verilmiştir. Bu kapsamda, tez çalışmasında kullanılan substratın karekterizasyonu ile aşı olarak kullanılan anaerobik çamurun karekterizasyonu detaylı olarak açıklanmış olup, çalışma süresince kullanılan reaktörlerin tasarımları ile işletme koşulları hakkında da detaylı bilgiler sunulmuştur. Bu bölümde ayrıca; reaktörlere ilave edilen Eichhornia crassipes ve T. canadense türü hakkında bilgiler ile bu bitkilerin reaktörlere ilave edilmeden önce gerekli hazırlık aşamaları hakkında da detaylı bilgi sunulmuştur. Bu bölümde ayrıca deneysel prosedür de detaylı olarak yer almaktadır. Dördüncü bölüm olan 'Bulgular ve Değerlendirme' kısmında, havasız reaktörlerin işletilmeleri sırasında belirli aralıklarla alınan numunelerde yapılan analizlerin sonuçları verilmiştir. Bu kapsamda, kesikli ve yarı-sürekli reaktör sistemlerinde öncelikle konvansiyonel parametrelerdeki değişimler araştırılmıştır. Ayrıca, biyogaz üretimleri ve uçucu yağ asitleri değişimleri ile ilgili veriler, içerisinde Eichhornia crassipes ve T. canadense olan reaktör sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Çalışma sonuçlarına göre, kesikli ve yarı kesikli olarak işletilen havasız reaktörlerde yüksek biyogaz verimleri gözlenmiş olup; antibiyotik karışımı (Eritromisin= 200 mg/l, Tetrasiklin=74. 6 mg/l ve Sülfametoksazol= 230 mg/l) içerikli sentetik numune başarılı bir şekilde arıtılmıştır. Ayrıca, biyolojik temizleme maddelerinin reaktörlerdeki biyogaz üretimleri üzerinde olumlu etkileri gözlenmiştir. Biyogaz verimleri kıyaslandığında, ETS_II reaktöründe en yüksek biyogaz verimi (0.250 m3/kg tKOİbeslenen) elde edilmiş olup; toplam KOİ giderme verimi yaklaşık %82 olarak gerçekleşmiştir. Buna göre, kontrol reaktörüne kıyaslandığında, içerisinde biyolojik temizleme maddeleri olan reaktördeki biyogaz veriminde yaklaşık %30 oranında artış görülmüştür. Toplam KOİ giderimi esas alınarak hesaplanan biyogaz verimlerine göre ise ETS_II reaktörü yine en yüksek değeri (0.304 m3/kg tKOİgiderilen) göstermiştir. Bunun yanında, Kontrol_I, Kontrol_II, E_I ve ETS_I reaktörlerinde sırasıyla 0 .214, 0 .218, 0.253 ve 0.242 m3/kg tKOİgiderilen biyogaz verimleri elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında, yukarı akışlı bir HÇYR sistemi yarı-sürekli olarak yaklaşık 3 ay boyunca işletilmiş olup; aynı antibiyotik kaynaklarını içeren sentetik atıksu ile beslenmiştir. Aşı çamuru olarak; bir kağıt-karton fabrikasına ait mezofilik havasız reaktörden temin edilen granül yapıda metanojenik çamur ilave edilmiştir. Başlangıç aşamasında, sisteme herhangi bir biyolojik temizleme maddesi ilave edilmemiştir. Biyolojik temizleme maddesinin bulunmadığı işletme döneminde; HÇYR sistemi artan antibiyotik miktarlarında ve 3 ayrı periyotta işletilmiştir. Bu kapsamda, birinci periyot için, reaktöre E=100 mg/l; T=37. 3 mg/l ve S=115 mg/l olacak şekilde (x1) antibiyotik konsantrasyonları beslenmiştir. İkinci ve üçüncü periyotlar için ise 1 litre medya çözeltisinde sırasıyla her bir antibiyotik miktarı 1.5 kat (i. e., E=150 mg; T=55. 95 mg; and S=172. 5 mg) ve 2.0 kat (i. e., E=200 mg; T=74. 6 mg; and S=230 mg) arttırılarak; reaktöre besleme yapılmıştır. Bunu takiben, HÇYR içersine su sümbülü ilave edilmiş ve 2 kat antibitotik içeren susbtrat ile besleme yapılarak; arıtma performası ile biyogaz üretimi kıyaslamalı olarak araştırılmıştır. Bu çalışmada, bu kadar yüksek antibiyotik konsantrasyonlarında çalışılmasının amacı; gerçek ilaç endüstrisi atıksularının tam ölçekli HÇYR sistemi ile yerinde arıtıldığı durumun daha iyi temsil edilebilmesi içindir. Ayrıca, HÇYR sistemlerinin inşaası için çok daha az alana ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sebeple, HÇYR gibi sistemler, antibiyotik içerikli atıksuların daha uygulanabilir ve sürdürülebilir bir şekilde arıtılması için ilaç üretimi yapılan gerçek endüstriyel tesislerin yakınlarında inşa edilebilmektedir. Ayrıca, HÇYR sistemi, ilgili yönetmeliklerde geçen kirleticilerin giderilmesi için kanalizasyon sistemine deşarj edilmeden önce, etkili bir ön arıtma alternatifi olarak uygulanabilmektedir. Çalışma sonuçlarına göre, antibiyotik karışımı (x1) olan periyotta (E=100 mg/l; T=37. 3 mg/l ve S=115 mg/l) nispeten daha yüksek biyogaz üretimi elde edilmiş ve yaklaşık 0.21 m3/kg çKOİgiderilen değerinde gözlenmiştir. Antibiyotik miktarlarının 1.5 (E=150 mg/l; T=55. 95 mg/l ve S=172. 5 mg/l) ve 2.0 kat (E=200 mg/l; T=74. 6 mg/l ve S=230 mg/l) arttırıldığı periyotlarda ise biyogaz verimleri sırasıyla yaklaşık 0.16 ve 0.19 m3/kg çKOİgiderilen değerlerinde bulunmuştur. Bunun dışında, HÇYR sisteminde yüksek oranda organik karbon giderim verimleri elde edilmiştir. Buna göre işletme dönemi boyunca ortalama giderim verimleri tKOİ ve çKOİ için sırasıyla %92 ve %91 (x1), %91 ve %90 (x1.5) ve %86 ve %85 (x2) değerlerinde bulunmuştur. Bu nedenle, çalışmanın bulguları, hem biyogaz üretiminde hem de KOİ giderim veriminde artan antibiyotik miktarlarında nispeten daha düşük değerler gösterse bile; antibiyotik kaynaklarının havasız mikrobiyal kültürlerde inhibisyon etkisi 1.5 kat için ihmal edilebilir, 2 kat için ise oldukça düşük olarak gerçekleşmiştir. Özellikle, her bir antibiyotik miktarının 2 katına çıkarıldığı dönemde, beklenenden daha düşük gözlenen inhibisyon etkisinin nedeni olarak; biyokütle içersinde bulunan metanojenik kültürlerin seçilen antibiyotiklere uzun dönemde adapte olmaları ve direnç kazanmaları şeklinde düşünülmektedir. Bu tez çalışması kapsamında, HÇYR sistemi içerisindeki biyokütleye biyolojik temizleme maddesi olan Eichhornia crassipes ilave edilerek; havasız sistem giriş akımında 2 kat antibiyotik artışı ile işletilmeye devam edilmiştir. HÇYR gibi yüksek-hızlı havasız sistemlerde bulunan kompakt çamur yatakları sayesinde; oldukça yoğun miktarda olan biyokütle granül çamur içerisinde tutulabilmektedir. Böylece, bu sistemler içerisine ilave edilen Eichhornia crassipes gibi biyolojik temizleme maddeleri havasız yatak içersinde etkin bir şekilde tutulabilmektedir. Çalışma sonuçlarına göre; her ne kadar Eichhornia crassipes ilavesi KOİ giderimlerinde belirgin pozitif bir etki göstermese de; gaz üretimleri açısından bakıldığında biyogaz veriminin arttığı ve sistemde bu bitkinin ilave edilmediği döneme kıyaslandığında yaklaşık %22 daha fazla biyogaz verimi olduğu belirlenmiştir.