The concept and the modeling of substrate storage in the biodegradation

Aktif çamur proseslerin simulasyonu için, IAWQ Çalışma Grubu, Activated Sludge Model No. l (ASM1) modelini (Henze ve diğ., 1987) oluşturmuştur. ASM1 modeli, aktif çamur sistemlerinde organik madde giderimi, biyolojik nitrifikasyon ve denitrifikasyon proseslerine ait tasarım ve simulasyonlannın yapılmasını sağlamaktadır. Daha sonra, ASM1 modeli biyolojik fosfor giderimini de içerecek şekilde değiştirilerek ASM2 ve ASM 2d modelleri geliştirilmiştir (Henze ve diğ., 1995; 1999). IAWQ Çalışma Grubu tarafından önerilen en son model olan ASM3 (Gujer ve diğ., 2000), ASMl'den farklı olarak kolay ayrışan substratın depolama ürünlerine dönüştükten sonra heterotrofik biyokütle tarafından tüketildiğini varsayan depolama kavramım esas almaktadır. Ancak bu varsayım gerçeği tam olarak yansıtmamaktadır. Daha gerçekçi bir yaklaşım, van Aalst (1997) tarafından ele alınmıştır; bu yaklaşıma göre Ss'in bir kısmı direkt olarak XH tarafından tüketilirken, geri kalan kısım öncelikle depolama polimerlerine dönüşerek Xh tarafından tüketilmeye hazır hale gelmektedir. Bu yaklaşım, metabolik yolizi terminolojisini kullandığı için literatürde metabolik modelleme olarak adlandırılmaktadır, ancak bu çalışmada sisteme giren substrat ve depolanan polimer üzerinden simültane çoğalma ve depolama olarak isimlendirilmiştir. Diğer önemli nokta ise kolay ayrışan ve yavaş ayrışan KOI bileşenlerinin ASM3'tekİ tanımlarının farklı olmasıdır; ASM3 modelinde 0.45 (im gözenek çaplı membran filtre kullanılarak yapılan süzme işleminden sonra sadece filtre üzerinde kalan fraksiyonun yavaş ayrışan KOİ olduğu, süzüntüdeki ayrışabilir fraksiyonunun ise olduğu kabulü yapılmıştır. Bu çalışmanın amacı, deri atıksuyu için farklı aktif çamur modellerinin incelenmesidir. Çalışma kapsamında deri atıksuyu için ASM1, ASM3 ve simültane çoğalma ve depolama modelleri kıyaslanmıştır. Literatürde, özellikle ASNG'ün deneysel değerlendirmesi ve ASM3 modifikasyonları ile ilgili çok az araştırma mevcuttur. Mevcut deneysel çalışmalar asetat, glikoz ve evsel atıksular ile yapılmıştır. Bu çalışmada çok karmaşık bir atıksu olan deri atıksuyunda depolama kavramının etkisi irdelenmiştir. Mpdelleme çalışmalarında lcullanılmak üzere ham ve süzülmüş atıksu için üretilen deneysel veriler değerlendirilmiştir. Simulasyonlar ASM1, ASM3 ve simültane çoğalma ve depolama modelinin üç farklı alternatifi olan; a) substrat alım hızının ve depolama hızının belirlenerek, çoğalma hızının hesaplandığı, b) rx ve tsto hızlarının belirlenerek, rs hızının hesaplandığı ve c) rs ve rx hızlarının belirlenerek, rs-ro hızının hesaplandığı, durumlar için yapılmıştır. Deri atıksuyuna uyarlanan matrisler hazırlanarak Aquasim bilgisayar programı İle simulasyon çalışmaları yapıldıktan sonra her model için elde edilen simulasyon sonuçlan, deneysel verilerle kıyaslanmıştır. ıBu simulasyon çalışmalarının sonuçlan, farklı aktif çamur modellerinin kavramsal değerlendirmesine örnek olarak ve deri atıksuyuna uyarlanabilecek bütünsel ve bölümsel modellerin kinetik ve stokiyometrik katsayıları için veri tabanı oluşturulmasına hizmet etmek amacıyla sunulmuştur. Değerlendirilen veriler gelecekteki deneysel çalışmalara ve modelleme uygulamalarına esas teşkil edecek niteliktedir. Aktif çamur sistemleri için çeşitli model yapılan önerilmişse de, bu modellerin endüstriyel atıksular için kalibrasyonu hala irdelenmemiş bir konu olarak durmaktadır. Bu çalışmada, deri atıksuyu için ASM1 ve ASM3 modelleri kullanılarak yapılan simulasyon uygulamalan ve modelleme sonuçlan kıyaslanarak değerlendirilmiştir. Bunlara dışında ASM3 modeli, simültane çoğalma ve depolama kavramına uyarlanarak deri atıksuyuna uygulanacak hale getirilmiştir. Literatürde, simültane çoğalma ve depolama yaklaşımının ele alındığı çalışmalar asetat ve glikoz için yapılmıştır. Yukanda sözü edilen bölümsel modellerin deri atıksuyuna uygulandığı modelleme çalışmalan literatürde yer almamaktadır. Bundan dolayı bu çalışmada deri atıksuyu için elde edilen sonuçların karşılaştırmalı olarak değerlendirmesi yapılmış ve farklı bölümsel modellerin endüstriyel atıksulara uygulanabilmesi için gerekli olan kavramsal yaklaşımlar irdelenmiştir. Bu çalışmada elde edilip literatür ile kıyaslanarak değerlendirilen modelleme sonuçlan, her bir spesifik atıksu için model parametrelerinin doğru belirlenmesine duyulan gereksinimi vurgulamaktadır. Yürütülen simulasyon çalışmalarında, deri atıksuyu için literatürde verilen değerler kullanılmıştır. Bu kapsamda, tüm model simulasyonlan deney başlangıç koşullan olarak, aynı içsel solunum hızı ve aktif biyokütle konsantrasyonlan esas alınarak gerçekleştirilmiştir. Başlangıç atıksu KOİ fraksiyonlan ASM1 ve ASM3 modellerindeki tanımlar esas alınarak hesaplandığında ASM1 modeli simulasyon sonuçlarının literatürde verilen değerler ile uyumlu olduğu görülmüştür. ASM3 model sonuçlarının ASM1 sonuçlan ile karşüaştırüdığında, dinamik şartlar altındaki oksijen tüketim hızı tepkisini daha iyi tanımladığı saptanmıştır. Bu sonuç, atıksuyun yüksek uçucu yağ asitleri içeriği ve kesikli deneylerdeki dinamik koşullar ile uyumludur. ASM3 simulasyon sonuçlan literatür verileri ile karşılaştırıldığında, deri atıksuyu proses hızlarının, biyolojik olarak daha kolay ayrışabilen farklı substratlar için rapor edilen değerlerden daha düşük olduğu görülmektedir. Bu durum, ele alınan mikroorganizma topluluğunun kompozisyonundaki muhtemel farklılıkların sonucu olarak yorumlanabilir. Bu çalışmada, IAWQ Çalışma Grubu tarafından önerilen ASM1 ve ASM3 modellerinin deri atıksuyuna uyarlanması ve dinamik şartlar altında gözlenen simültane çoğalma ve depolama modeli uygulamalan incelenmiştir. İncelenen beş farklı modelin sonuçlan karşılaştırıldığında, gerçek durumu daha iyi tanımlayan modellerin daha detaylı modeller olduğu sonucuna varılmaktadır. Sonuçlar hidroliz prosesinin kesikli deneylerde düşük F/M oranlarında daha az etkin olduğunu, ancak yüksek F/M oranlarındaki model kalibrasyonlannın, Ss tanımının çok doğru olmadığım vurguladığım göstermiştir. Bunlara ek olarak sonuçlar, yavaş ayrışan substratın çözünmüş fraksiyonunun ihmal edilmesi durumunun, depolama polimerleri üzerindeki çoğalma tepkisinin birinci derece reaksiyon kinetiği üzerinden tanımlanması ile telafi edilebildiğini göstermektedir. uDinamik koşullar altında, deri endüstrisi atıksulan için elde edilen OTH tepkilerinin en iyi bölümsel modeller ile ifade edildiği dikkat çekmektedir. Bununla birlikte, karmaşık substrat kompozisyonları söz konusu olduğunda, tüm depolama ürünlerinin deneysel olarak belirlenmesinin zorluğu ya da imkansızlığı nedeniyle, model katsayılarının doğru saptanması mümkün olamamaktadır. Bundan dolayı model parametrelerinin deneysel olarak belirlenmesi gerektiğinde, uyarlanan modellerden, substrat alım hızım ana proses olarak dikkate alan modelin, depolama ürünlerinin ölçümünü gerektirmemesi nedeniyle en uygun model olduğu sonucuna varılabilir. Deri atıksulannda bölümsel modellerin spesifik parametrelerinin belirlenebilmesi için daha fazla araştırma yapılması gereklidir. Kolay ayrışabilen substratın tanımlanması, halen daha fazla deneysel çalışma gerektiren bir konu olarak gündemdeki yerini korumaktadır. Giriş KOİ kompozisonundaki kolay ayrışabilen fraksiyonun tanımı son derece önemlidir ve bu tanımın seçimi endüstriyel atıksulann modelleme uygulamalarındaki amaç göz önünde tutularak dikkatle yapılmalıdır.