Experimental assessment of heterotrophic endogenous decay and denitrification kinetics using hydrolyzed carbon sources

İçsel solunum metabolizması, asimilasyon ve büyüme için gerekli enerji kaynağı ve yapı taşı olarak görev yapan dış kaynakların yokluğunda organizma tarafından sürdürülen tüm kimyasal aktiviteler şeklinde tanımlanabilir. Dış çevrede bulunan su, oksijen, ve karbon ve azot kaynaklı olmayan mineral tuzlar içsel solunum mekanizmasına katkıda bulunabilirler. Böylelikle içsel solunum metabolizması, aç hücredeki kimyasal aktiviteler şeklinde özetlenebilir. İçsel solunum, aktif çamur sistemlerinde oluşan çamur miktarı ve elektron alıcısı ihtiyacını belirlemesi açısından önemli bir kontrol mekanizmasıdır. Çamur arıtımında yaygın olarak kullanılan aerobik çamur çürütmesi işleminde gerekli oksijen miktarı, tamamıyla içsel solunum ihtiyacından kaynaklanmaktadır. Özellikle yazlık yerleşim bölgelerinde yaygın olarak kullanılan ve bir aktif çamur modifikasyonu olan uzatmalı havalandırma prosesi de içsel solunum fazında çalıştırılmaktadır. Biyolojik azot arıtımında sıkça kullanılan Bardenpho prosesinin post denitrifikasyon ünitesinde karbon ihtiyacı, içsel solunum mekanizması sonucu salınan karbon ile karşılanmaktadır. Görüldüğü gibi içsel solunum mekanizması mühendislik uygulamaları açısından büyük önem taşımasına rağmen literatürde bu konuda hem deneysel belirleme hem de modelleme uygulamaları açısından yeterli bilgiye rastlanmamaktadır. Bu tez çalışmasının ilk araştırma konusunu içsel solunum katsayısının deneysel olarak belirlenmesi oluşturmaktadır. Bu amaçla, öncelikle literatürde mevcut ve 1976 yılında Marais ve Ekama tarafından önerilen deneysel yöntem uygulanmıştır. Bu yöntem, içsel solunum fazında çalıştırılan kesikli bir aktif çamur sisteminde 10 ila 20 gün boyunca oksijen tüketim hızı ölçümlerinin izlenmesine dayanmaktadır. Yöntem, et işleme endüstrisi ve deri endüstrisi atıksulanna, ve evsel kökenli atıksulara uygulanmış ve bu uygulama sonucunda gözlenen en büyük aksaklık içsel solunum fazında elde edilen oldukça düşük (2-8 mg CVl. saat) OTH değerlerinin mevcut oksijen metre teknolojisi ile bu yöntemin gerektirdiği titizlikte ölçülememesi olmuştur. Elde edilen deneysel veriler gözlenmesi beklenen lineer trende uygun olmayarak, önemli ölçüde salınımlar göstermiştir. Buna bağlı istatistiksel analiz sonuçlarının korelasyon yüzdesi ise oldukça düşüktür. Deney başlangıcında yavaş ayrışan partiküler organik maddenin hidrolizine bağlı olarak daha yüksek nümerik değerler elde edilmiştir. Bu değerler, içsel solunum fazında elde edilen daha düşük değerler ile uyum sağlamadığı için, göz önüne alınan süreye bağlı olarak birbirinden farklı içsel solunum hızı değerleri elde edilmiştir. Bu gözlemlere dayanarak, mevcut yöntemin kullanımı ile elde edilen deney sonuçlarının bilimsel bir araştırmanın gerektirdiği güvenilirlikte olmadığı sonucuna varılmıştır. Bu noktadan hareketle, alternatif bir yönjem arayışına gidilmiş ve bu tez kapsamında yeni bir yöntem önerilmesi uygun görülmüştür. XXVIÖnerilen yöntemin temeli mevcut yöntemin getirdiği aksaklıkları gidermeye yöneliktir. Yöntemin amacı, kısıtlayıcı olmayan bir çoğalma ortamı sağlanması ve bu şekilde biyokütlenin aktivitesindeki azalımın içsel solunuma oranla oldukça yüksek bir ölçekte izlenmesidir. Deneysel yöntem, deney süresi boyunca aerobik fazda bir 'ana' bir de 'besleme' reaktörü işletilmesini içerir. Ana reaktör deney süresi boyunca içsel solunum fazında çalıştırılmaktadır. Besleme reaktörü ise istenilen aralıklarda işleme konur ve ana reaktörden transfer edilen biyokütle ile beslenir. Maksimum büyüme koşullarını sağlamak amacıyla, besleme reaktörüne miktarı önceden belirlenmiş kolay ayrışabilir nitelikte substrat ile ana reaktörden aktarılan sabit hacimde askıda katı madde eklenir. Besleme reaktöründe OTH değerleri yaklaşık sabit bir değerin gözlendiği ilk plato boyunca izlenir. Aynı prosedür 't' süresi sonunda kurulacak bir besleme reaktörüne yine ana reaktörden transfer edilen sabit hacimde askıda katı madde, ve sabit miktarda kolay ayrışabilir nitelikli substrat eklenmesiyle tekrarlanır, 't' süresi sonunda gözlenecek ilk OTH plato değeri biyokütlenin azalan aktivitesine bağlı olarak deney başlangıcında elde edilen plato değerinden daha düşük olacaktır. Deney prosedürünün 10 ila 20 gün boyunca tekrarı ile elde edilecek ilk platoya ait OTH değerleri zamana karşı çizildiğinde, grafiğin eğimi aerobik içsel solunum hızı olan bn değerini verecektir. Aynı yöntem çerçevesinde, anoksik ortamda çalıştırılacak ana ve besleme reaktörlerinden elde edilecek nitrat tüketim hızı profillerinin benzer şekilde değerlendirilmesiyle anoksik içsel solunum katsayısı elde edilebilecektir. Önerilen yöntem evsel atıksulara aklime edilmiş aktif çamur kültürleri üzerinde uygulanmıştır. 20 1 C'de beş set ve 10 1 C'de bir set deney yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar aşağıdaki şekilde özetlenebilir: 1. bu için beş set deney sonucu elde edilen aritmetik ortalama 0.08 l/gün, aynı setlerden elde edilen bno değerlerinin aritmetik ortalaması ise 0.05 1 /gün'dür. 2.10 + 1 C'de yapılan tek deneme sonucunda bu ve bu o değerleri için 0.04 l/gün değeri elde edilmiştir 3. Deneysel verilerin istatistiki değerlendirmesi deney setleri içindeki ve aynı sıcaklıkta yapılan farklı deney setleri arasındaki tutarlılığın oldukça yüksek olduğunu göstermektedir 4.20 1 C'de anoksik ve aerobik elektron alıcısı tüketim hızlarının karşılaştırması sonucu elde edilen Te faktörü 0.6 olarak bulunmuştur. Bu değerin pratikteki anlamı, aynı verimi elde etmek için gereken anoksik çürütme tank hacminin gerekli aerobik tank hacminin yaklaşık iki katı olması gerektiğidir Elde edilen bu ve rE değerlerinin literatürdeki değerlerden oldukça düşük olduğu gözlenmiştir. Bu farkın atıksu özelliklerindeki değişikliklerden ya da literatürde mevcut yöntemin uygulanması sonucu ortaya çıkan ve yukarıda sözü geçen aksaklıklardan kaynaklandığı düşünülmektedir. Anoksik içsel solunum katsayısı için ise, literatürde bu katsayı için bir belirleme yöntemi bulunmaması nedeniyle, bir karşılaştırma yapmak mümkün olamamaktadır. Bu tez çerçevesinde önerilen aerobik ve anoksik heterotrofik içsel solunum katsayısının bulunmasına yönelik yöntem yalnızca evsel nitelikli atıksulara aklime olmuş biyokütle için uygulanmıştır. Elde edilen sonuçlan desteklemesi açısından, XXV11yöntemin değişik sıcaklıklarda hem evsel hem de endüstriyel nitelikli atıksulara aklime olmuş biyokütle üzerinde uygulanmasında yarar görülmektedir. Deneysel çalışmanın ikinci aşamasını evsel kaynaklı ön çöktürme çamurunun karbon kaynağı olarak kullanıldığı ortamlarda denitrifikasyon kinetiğinin incelenmesi oluşturmaktadır. Evsel kaynaklı ön çöktürme çamuru genel olarak uçucu yağ asitleri, karbonhidratlar, alkoller, peptonlar ve amino asitleri içerir. Uçucu yağ asitlerinin oluşumu için ön çöktürme çamurunun hidrolizi yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir. Bu asitlerin tesis içinde üretilmesi yeterli miktarda kısa zincirli organik substrat içeren endüstriyel atıksulann bulunmadığı durumlarda daha büyük avantaj sağlamaktadır. Uçucu yağ asitleri başlıca asetik, propionik, n-bütirik, izo-bütirik, n- valerik, izo-valerik ve kaproik asitleri içerir. Fosfor ve azot gideren bakteriler için ideal substrat olarak kabul edilmeleri nedeniyle uçucu yağ asitleri biyolojik nutrient giderimi proseslerinde yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Biyolojik çamur hidrolizi son yıllarda pratikte sıkça uygulanmaktadır. Bu prosesin biyolojik nutrient giderimini % 10 ila 15 oranında artırdığı düşünülmektedir. Kolay ayrışabilir organik maddenin depolanabilmesi ve gerektiği durumlarda kullanılabilmesi proses stabilitesini önemli ölçüde artırmaktadır. Bu ürünlerin tesis içinde üretilmesi metanol gibi dışarıdan eklenen karbon kaynaklarının maliyeti ile karşılaştırıldığında avantaj sağlamaktadır. Ayrıca bu yol ile, tesiste gerekli reaktör hacimleri azalacak ve arıtma kapasitesi hacim artışı olmaksızın artacaktır. Ön çöktürme çamurunun denitrifikasyon verimini araştırmak amacıyla bir ön çöktürme tankının geri devir hattından elde edilen çamur ile literatürde kolay ayrışabilir karbon kaynaklan arasında en iyi örneklerden biri olarak kabul edilen asetat, denitrifikasyon hızları bazında karşılaştınlmıştır. Karşılaştırma amacıyla yapılan paralel kesikli deneylerde ortama önceden seçilen ve eşit miktarda kolay ayrışabilir KOİ eşdeğeri substrat eklenmiştir. Denitrifikasyon hızlarının yanı sıra kolay ayrışabilir substrat konsantrasyonu da denitrifikasyon deneylerinin verim açısından değerlendirilmesinde incelenmiştir. Deneysel çalışmalar sonucu süzülmüş ön çöktürme çamuru ve asetat ile elde edilen denitrifikasyon hızlarının birbirine oldukça yakın olduğu görülmüştür. Bu yöndeki bulgulara literatürde de sıkça rastlanmaktadır. Ancak elde edilen denitrifikasyon hızlan literatürde rastlanan değerler ile karşılaştmldığında daha yüksektir. Bunun nedeni olarak denitrifikasyon hızlannın literatürde olduğu gibi uçucu askıda katı madde bazında değil biyokütlenin aktif fraksiyonu bazında ifade edilmesi gösterilebilir. Asetat ve ön çöktürme çamurunun karşılaştınlması ile elde edilen deneysel veri sonuçlan için, literatürde sıkça kullanılan İçsel Solunum Modeli ve daha yakın bir tarihte sunulmuş olan Aktif Çamur Modeli No 3 (ASM3) ile simülasyon çalışmalan yapılmıştır. ASM3, yapısında İSM'den farklı olarak, depolama ve depolanan ürünlerin solunumu olarak adlandınlan ve enerji tüketen iki farklı proses içermektedir. Depolama prosesi, kolay aynşabilir organik maddenin Xsto olarak tanımlanan hücre içi ürünlere dönüştürülmesini kapsar. Bu ürünlerin genel içeriği polihidroksialkanlar ve glikojendir. Depolanan ürünlerin solunumu ise içsel solunum mekanizmasına benzer şekilde depolanmış ürünlerin aynşmasmı içerir. ASM3 modelinde yavaş aynşan partiküler maddenin hidrolizi Xsto üzerindeki XXV111çoğalma hızına oranla daha hızlı gerçekleşmekte, bu nedenle İSM'nin aksine, hidroliz kademesi hız kısıtlayıcı adım olarak kabul edilmemektedir. Deneysel olarak elde edilen verilerin, içsel solunum modeli simülasyon sonuçları ile uyum içinde olduğu görülmüştür. Model çalışmaları sonucunda asetat için maksimum çoğalma hızı {fi h) değeri 6 l/gün ve anoksik dönüşüm oranı 0.58 g KOİ/g KOİ olarak elde edilmiştir. Süzülmüş ön çöktürme çamuru için ise fi h için 6 ile 6.5 l/gün, YHD için ise 0.62 g KOİ/g KOİ ile 0.66 g KOİ/g KOİ aralığında değerler kullanılmıştır. Bu değerlerin ön çöktürme çamuru için değişkenlik göstermesinin, ön çöktürme tankının işletiminde görülebilecek istikrarsızlığa ve/veya ön çöktürme çamurunun içeriğinde oluşabilecek değişikliklere bağlı olduğu düşünülmektedir. Elde edilen fiu değerleri, içsel solunum modelinde evsel atıksu için öngörülen fin değerine (6 l/gün) oldukça yakındır. Yhd değerleri ise aynı modelde yine evsel atıksu için öngörülen Yh değerinden (0.67 g KOİ/g KOİ) daha düşüktür. Literatürdeki bulgular da anoksik dönüşüm oranının aerobik dönüşüm oranına göre daha düşük olduğu yönündedir. Asetatın evsel atıksu içindeki kolay ayrışabilir organik madde fraksiyonunun önemli bir kısmını oluşturduğu düşünülürse, simülasyon sonuçlarının içsel solunum modelinde öngörülen değerler ile tutarlı olduğu söylenebilir. Öte yandan, süzülmüş ön çöktürme çamuru için elektron alıcısı tüketim profilinin ikinci fazında elde edilen hızın içsel solunum hızına oranla daha yüksek olduğu, bu bulgunun ise çamur yapısında mevcut olabilecek yavaş hidroliz olabilen fraksiyonun varlığıyla açıklanabileceği düşünülmüştür. İçsel solunum modeli bu bağlamda değerlendirildiğinde, deney sonuçlarının model ile son derece uyumlu olduğu görülmüştür. Elde edilen sonuçlar göz önüne alındığında, içsel solunum modeli yapısındaki prosesler ile, birbirine benzer nitelikte iki karbon kaynağı için birbiri ile uyumlu değerlere sahip parametreler kullanılarak, elektron alıcısı tüketim profilleri açıklanabilmektedir. ASM3, model yapısındaki proses sayısını artınken KOİ fraksiyonları tanımına basitlik getirmektedir. İçsel solunum modelinde Ss fraksiyonu respirometrik yöntemlerle belirlenirken, ASM3, 0.45 um'den süzülmüş miktarın inert fraksiyon dışındaki kısmını kolay ayrışabilir organik madde olarak yorumlamaktadır. Bu kapsamda, içsel solunum modelinde yavaş hidroliz olabilen fraksiyon, Sh, olarak yorumlanan kısım ASM3'te kolay ayrışabilir KOİ olarak kabul edilmekte ve Ss içeriği ön çöktürme çamuru gibi birden fazla KOİ fraksiyonu içeren sistemler için, içsel solunum modeline göre daha yüksek olmaktadır. Bu çerçevede, asetat ve süzülmüş ön çöktürme çamuru için deneysel elektron alıcısı tüketim profilleri benzerlik gösterirken, ASM3 simülasyonunda kullanılan, depolama prosesi için anoksik dönüşüm oranı, Ystod, ve depolama hızı, ksTO gibi profile en fazla etkisi olan parametrelerin değerleri, Ss tanımındaki farklılıktan dolayı değişiklik göstermektedir. Buna göre, asetat için Ystod değeri 0.63 g KOİ/g KOİ iken süzülmüş ön çöktürme çamuru için bu değer 0.78 g KOİ/g KOİ ile 0.8 g KOİ/g KOİ arasındadır. Ön çöktürme çamuru için bulunan değerler ASM3'te öngörülen Ystod değerlerine uyum sağlamaktadır. Öte yandan, asetat için uygun depolama hızı değeri 12 g KOİ/g KOİgün iken süzülmüş ön çöktürme çamuru için elde edilen hızlar 16 ile 20 g KOİ/g KOİgün arasında değişiklik göstermektedir. Her iki durumda da depolama hızlan modelde öngörülen depolama hızına göre (5 g KOİ/g KOİgün) oldukça yüksektir. Deney sonuçlanndan da görüldüğü gibi içeriğinde asetatın da XXIXyeraldığı ön çöktürme çamuru denitrifikasyon için karbon kaynağı olarak değerlendirildiğinde asetat ile benzer performans göstermiştir. Ancak, her iki karbon kaynağına ait deney sonuçlan ASM3 için simüle edildiğinde önemli model parametrelerinin içsel solunum modelinde gözlenenin aksine, asetat ve çamur için birbirleriyle tutarlı olmadığı görülmüştür. ASM3 için yapılan simülasyon çalışmalarından da görüldüğü gibi depolama ürünlerinin izlenmesi model yorumu açısından büyük önem taşımaktadır. Bu çerçevede oluşturulacak bir veri tabanıyla, depolama prosesiyle ilgili stokiometrik ve kinetik büyüklüklerin belirlenmesi de mümkün olacaktır. XXX