Biyofilm İşleminin Basit Bir Açıklaması: Sağlam ve Sorunsuz-Ücretsiz Atık Su Arıtımı İçin Bakterilere Yuva Sağlamak

Aktif çamur prosesi en yaygın kullanılan biyolojik atıksu arıtma teknolojisidir. Aktif çamur sisteminde, atık suyu arıtan mikroorganizmalar askıda büyüme durumundadırlar-küçük gruplar halinde bir araya gelerek topak oluştururlar ve havalandırma altında karışık sıvı içinde askıda kalırlar ve su akışıyla birlikte çalkalanırlar. Mikroorganizmalar ve atık su tam temasa geçerek sudaki kirleticileri ortadan kaldırır.

Bu sistem çok iyi çalışıyor ancak bir dezavantajı var: hassas. Akan atık su hacmi aniden artarsa, konsantrasyonu aniden yükselirse veya su sıcaklığı aniden düşerse veya pH önemli ölçüde dalgalanırsa, mikroorganizmalar "harekete geçebilir"-arıtma etkisi azalabilir, hatta çamur birikmesi meydana gelebilir ve bu durum sistemin normal çalışmasını etkileyebilir.

Bu nedenle mühendisler, mikroorganizmaların suda sürekli yüzmek yerine sabit bir yerde "yerleşmesine" izin vererek yaklaşımlarını değiştirip değiştiremeyeceklerini merak ettiler.

Bu biyofilm sürecidir. Basitçe söylemek gerekirse, biyofilm prosesi, atık suyu arıtmak için filtre ortamında veya bir taşıyıcıda büyüyen mikroorganizmaları kullanır.

Biyofilm teknolojisinin temel fikri basittir: Mikroorganizmalara yerleşebilecekleri, çoğalabilecekleri ve bir "mikrobiyal topluluk" oluşturabilecekleri sabit "evler" sağlamak. Atık su bu topluluktan akıyor ve içerideki kirleticiler "sakinler" tarafından tüketiliyor.

Bu "evlere" profesyonel olarak ambalaj malzemeleri veya taşıyıcılar denir. Farklı biyofilm süreçleri tamamen farklı taşıyıcılar kullanır. En yaygın türler şunlardır:

Birinci tip: Biyolojik temas oksidasyonlu ambalaj malzemesi - tankta asılı "plastik filaman topları"

Temas oksidasyon tankı, büyük plastik fırçalara benzeyen ambalaj malzemeleri dizileriyle doldurulur. Atık su tankın tabanından havalandırılır ve yukarıya doğru akıtılır, bu paketleme malzemelerinin sarımsı-kahverengi bir biyofilmle kaplı suda hafifçe sallanmasına neden olur. Bu tip ambalaj malzemesi geniş bir spesifik yüzey alanına sahiptir; 1 metreküp 800 ila 900 metrekare "yaşam alanı" sağlayabilir.

İkinci tip: Biyolojik dönen disklerdeki diskler - "dönen diskler"

Biyolojik dönen diskler ambalaj malzemesi kullanmaz; onların "evleri" disklerin kendisidir; çapı 2 ila 3 metre olan düzinelerce büyük disk, dönen bir şaft üzerinde bir araya dizilir ve hızı azaltılan bir motor tarafından yavaşça döndürülür. İlk tip, yarısı atık suya batırılmış ve yarısı havaya maruz kalan bir biyolojik filtre diskini içerir. Mikroorganizmalar diskin her iki tarafında da büyür, suya daldırıldığında kirletici maddeleri emer ve yüzeye maruz kaldıklarında havadaki oksijeni emer. Bu tasarım nispeten düşük enerji tüketimine sahiptir, ilave havalandırma gerektirmez ve işletme açısından ekonomiktir.

Üçüncü tip: Biyolojik olarak havalandırılmış bir filtre (BAF) için ambalaj malzemesi - "küçük seramik çakıllardan yapılmış bir filtre yatağı"

BAF, tankta küçük çakıl taşları gibi yığılmış, çapı 3 ila 6 milimetre olan küçük seramik çakıl taşları kullanıyor. Atık su alttan üste doğru akarken, havalandırma da aynı anda alttan gerçekleşir. Bu küçük parçacık tasarımının iki avantajı vardır: birincisi, birim hacim başına yüksek biyokütle ile sonuçlanan geniş bir spesifik yüzey alanı; ikinci olarak, parçacıklar arasındaki boşluklar askıdaki katı maddeleri hapsederek BAF atık suyunu olağanüstü derecede berrak hale getirir.

Dördüncü tip: Biyolojik biyofiltre (MBBR) için ambalaj malzemesi – "suda yuvarlanan küçük plastik tabakalar"

MBBR, yoğunluğu sudan biraz daha hafif olan, küçük tekerlekler veya silindirler şeklinde, asılı küçük plastik levhalar kullanır. Havalandırma altında, bu paketleme malzemeleri sürekli olarak tankın içinde yuvarlanıp akarak biyofilmin hareket ederken atık su ile temas etmesine olanak tanır. Ambalaj malzemesi sürekli hareket halindedir; yaşlanan biyofilm silinir ve yeni biyofilm sürekli olarak büyüyerek manuel geri yıkama ihtiyacını ortadan kaldırır. Güçlü kendi kendini-temizleme yetenekleri vardır ve tankı tıkamaz.

Beşinci tip: Biyolojik akışkan yatağın taşıyıcısı - "lapa gibi yuvarlanan küçük parçacıklar"

Biyolojik akışkan yataklarda daha da küçük taşıyıcılar (tipik olarak 0,3 ila 1 mm kum, aktif karbon veya kok parçacıkları) kullanılır. Yüksek-hızlı su veya hava akışıyla hareket eden bu küçük parçacıklar, yulaf lapası gibi sürekli yuvarlanır ve akışkanlaşır. Taşıyıcı son derece küçük olduğundan, her metreküp taşıyıcı 2000 ila 3000 metrekare yaşam alanı sağlayabilir, bu da tüm biyofilm süreçleri arasında en yüksek mikrobiyal konsantrasyona ve hacimsel yükleme oranına yol açar. Son derece yüksek arıtma verimliliğine ve çok küçük bir kaplama alanına sahiptir, ancak tasarımı ve işletimi de nispeten karmaşıktır.

Bu farklı "ev" türlerinin her birinin kendi uygulanabilir senaryoları vardır. Kontakt oksidasyonu küçük ve orta-boyutlu atık su arıtımı için uygundur, MBBR yenileme ve genişletme için uygundur, BAF gelişmiş arıtma için uygundur, biyolojik döner diskler küçük-hacimli, enerji-tasarrufu senaryoları için uygundur ve biyolojik akışkan yataklar yüksek-konsantrasyonlu endüstriyel atık su veya sınırlı alana sahip senaryolar için uygundur.

Ambalaj malzemesi atık su içerisine yerleştirildiğinde ve atık su içinden akmaya devam ettiğinde bu süreç başlar.

Adım 1: Mikroorganizmalar Geçip Yerleşiyor

Atıksu çok sayıda mikroorganizmayı barındırmaktadır. Ambalaj malzemesinin yüzeyinden akarken bazıları sıkışıp kalıyor. Bu ilk bağlanma, elektrostatik etkileşimlere ve van der Waals kuvvetlerine dayanır.

2. Adım: Geçici Uzlaşmadan Uzun-Dönem Uzlaşmaya

Sıkışmış mikroorganizmalar, hücre dışı polimerik maddeler (API'ler) adı verilen yapışkan bir madde salgılamaya başlar. Bu madde yapıştırıcı görevi görerek mikroorganizmaları ambalaj malzemesinin yüzeyine sıkıca sabitler ve biyofilmin "mimari çerçevesini" oluşturur.

3. Adım: Yerleşmek ve Çoğalmayı Yaymak

Yerleştikten sonra mikroorganizmalar büyümeye ve çoğalmaya başlar. Bir, iki olur, iki, dört olur… Kısa sürede ambalaj malzemesinin yüzeyini ince bir mikrobiyal film tabakası kaplar. Bu biyofilm.

Adım 4: Olgun Bir Topluluğun Oluşturulması

Zamanla biyofilm kalınlaşır ve içindeki "sakinler" daha çeşitli hale gelir. Sadece bakteriler değil aynı zamanda mantarlar, protozoalar ve metazoalar da ortaya çıkacaktır. Aralarında bir besin zinciri oluşur: Bakteriler kirleticileri yerler, protozoalar bakterileri yerler ve metazoalar protozoaları yerler. Böylece tam bir küçük ekosistem kurulur.

Bu sürece profesyonel olarak biyofilm oluşumu denir. Tipik kentsel atık sularda, uygun sıcaklıklarda biyofilm oluşumu yaklaşık 7 ila 20 gün içerisinde tamamlanabilmektedir.

Biyofilm sadece ince bir zar olmasına rağmen iç yapısı oldukça katmanlıdır. Atık su kalitesine ve oksijen tedarik koşullarına bağlı olarak her zaman üç tam katman oluşturmayabilir; bazı senaryolarda yalnızca aerobik ve anaerobik katman oluşturulabilir.

Ambalaj malzemesine en yakın katman anaerobik katmandır. Bu katman atık sudan en uzakta olduğundan oksijenin yayılmasını zorlaştırır. Esas olarak anaerobik bakterilerin yaşadığı yerdir. Oksijene ihtiyaç duymazlar, karmaşık organik maddeleri ayrıştırarak enerji elde ederler ancak ayrıştırma verimleri nispeten düşüktür.

Atık suya en yakın katman aerobik katmandır. Bu katman nispeten bol miktarda oksijene sahiptir ve süreçteki "ana güç" olan aerobik bakteriler tarafından mesken tutulmuştur; Organik maddenin bozunması esas olarak burada gerçekleşir.

Atık su denitrifikasyon gerektiriyorsa, ortada fakültatif bakterilerin denitrifikasyon gerçekleştirerek nitratları nitrojen gazına dönüştürebildiği anoksik bir katman oluşacaktır. Tam da bu katmanlı yapı nedeniyle, biyofilm aynı katman içinde aerobik ve anaerobik reaksiyonları eş zamanlı olarak tamamlayabilmektedir-bu, askıya alınmış büyümeli aktif çamur proseslerinde başarılması zor bir şeydir.

Biyofilmler süresiz olarak büyümezler. Belli bir kalınlığa ulaştıklarında kopup yenilenirler. Bunun temel nedeni içerideki anaerobik tabakanın giderek kalınlaşmasıdır. Anaerobik katman belirli bir kalınlığa ulaştığında, taşıyıcı yüzeye yakın yerde bulunan ve beslenme için gerekli organik maddeden yoksun olan mikroorganizmalar, endojen bir solunum aşamasına girerek taşıyıcıya bağlanma yeteneklerini zayıflatır. Dış su akışının kesme kuvveti altında, yaşlanan biyofilm parçalar halinde ayrılacaktır. Ayrılan biyofilm, su akışıyla birlikte dışarı akar ve yeni mikroorganizmalar, ayrılan bölgelere hemen bağlanır. Bu şekilde eski biyofilm ayrılır ve yeni biyofilm büyür, biyofilm aktivitesinin yüksek seviyesi korunur.

Bu mekanizma, aktif çamur prosesine kıyasla önemli ölçüde daha düşük çamur üretim hızıyla sonuçlanır. Çamurun periyodik olarak uzaklaştırılması hala gerekli olmakla birlikte, aktif çamur prosesinin gerektirdiği sık ve hassas kontrol ihtiyacını ortadan kaldırarak işletmeyi ve yönetimi önemli ölçüde basitleştirir.

Aktif çamurda mikroorganizmalar karışık sıvının içinde asılı haldeyken, biyofilmde mikroorganizmalar ambalaj malzemesi üzerinde hareketsizdir. Şok yüklere karşı direnç açısından, aktif çamur prosesleri genellikle daha az etkilidir; su kalitesi ve miktarındaki dalgalanmalar kolaylıkla arıtma verimliliğinde düşüşe yol açabilir; biyofilm süreçleri çok daha güçlü ve sağlamdır.

Düşük konsantrasyonlu atık suya uyum sağlama açısından, aktif çamur mikroorganizmaları yetersiz beslenmeye eğilimlidir, bu da aktivitenin azalmasına neden olur; Biyofilm süreçleri, çok düşük etki konsantrasyonlarında bile yüksek aktiviteyi korur.

Çamur birikmesiyle ilgili olarak, aktif çamur prosesleri çamur birikmesine eğilimlidir; Mikroorganizmalar hareketsiz hale getirildiğinden biyofilm süreçleri gerçekleşmez.

Birim hacim başına biyokütle bakımından, aktif çamur süreçleri tipik olarak litre başına 2 ila 4 gram üretirken, biyofilm süreçleri litre başına 10 ila 20 grama, yani 3 ila 5 kat daha yüksek bir değere ulaşabilir.

Eş zamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyonda, aktif çamur prosesi farklı tanklar arasında yeniden sirkülasyon gerektirir; biyofilm süreci, katmanlı yapısı nedeniyle bunu aynı tank içerisinde gerçekleştirebilir.

Nasıl seçilir? Basitçe söylemek gerekirse: Büyük hacimlerdeki stabil belediye atık suyu için aktif çamur prosesi olgun bir teknolojidir; Hacim ve kalitede büyük dalgalanmalar olan, düşük konsantrasyonlu veya eş zamanlı denitrifikasyon gerektiren atık sular için biyofilm prosesi daha avantajlıdır.

Ana işlemler şunları içerir: biyolojik temas oksidasyonu, MBBR, havalandırmalı biyolojik filtre (BAF), biyolojik döner disk, biyolojik akışkan yatak ve geleneksel biyolojik filtreler (sıradan, yüksek-yüklü, kule tipi). Bu işlemler biçim olarak farklı olsa da temel prensipleri aynıdır:-mikroorganizmaların bir taşıyıcıya bağlanarak bir biyofilm oluşturmasına ve bu membranı atık suyu arıtmak için kullanmasına izin verir.

Temel farklar iki yönlüdür: birincisi, "ev"-sabit disklerin türü, tankı dolduran paketleme malzemesi, bir filtre katmanına istiflenmiş küçük seramik parçacıklar, yuvarlanan küçük plastik tabakalar veya akışkanlaştırılmış mikro parçacıklar; ikincisi, oksijenin nasıl sağlandığı-doğal havalandırma, disk dönüşü veya yapay havalandırma.

Biyofilm süreci, mikroorganizmalar için yaşam alanları oluşturmayı, onların yerleşmesine ve atık suyun arıtılmasına yardımcı olmasını içerir.

Mikroorganizmalar "evlerine" taşındıktan sonra kendilerini sabitlemek, büyümek ve üremek için yapışkan bir madde salgılarlar ve yapısal bir biyofilm (organik maddenin parçalanmasından sorumlu bir dış aerobik katman) ve daha fazla ayrışmadan sorumlu bir iç anaerobik katman (su kalitesine bağlı olarak arada anoksik bir katman oluşabilir) oluştururlar. Atık su akıyor ve kirleticiler her katman tarafından yavaş yavaş emiliyor. Biyofilm belirli bir kalınlığa ulaştıkça eski katmanlar ayrılır ve yenileri büyümeye devam eder. Çamur birikmesi veya sık sık çamur tahliyesi ayarlamaları konusunda endişelenmenize gerek yok, bu da işletimi ve yönetimi çok daha kolay hale getiriyor!