Su kütlelerindeki aşırı nitrojen ve fosfor kirleticileri, ötrofikasyon, alg çoğalmaları ve kırmızı gelgitler gibi su ortamı sorunlarının temel nedeni olup, su kalitesinin bozulması, su ekosistemi dengesizliği ve içme suyu güvenliğine yönelik tehditler gibi bir dizi soruna yol açmaktadır. Kimyasal ve fiziksel arıtma işlemleriyle karşılaştırıldığında biyolojik nitrojen ve fosfor giderme teknolojisi, istikrarlı arıtma etkileri, düşük işletme maliyetleri, ikincil kirliliğin olmaması ve belediye ve endüstriyel atık su arıtma senaryolarına uyarlanabilirlik gibi avantajlarından dolayı mevcut atık su arıtma tesislerinde ileri atık su arıtmanın temel prosesi haline gelmiştir. Atık sudaki biyolojik nitrojen ve fosfor gideriminin temel prensibi, atık sudaki organik nitrojen, amonyak nitrojeni ve toplam fosfor gibi kirleticileri kademeli olarak su kütlesinden deşarj edilen çamur halinde kaçan veya katılaşan gaz halindeki maddelere dönüştürmek için kontrollü bir alternatif anaerobik, anoksik ve aerobik ortamda farklı fonksiyonel mikroorganizmaların metabolik aktivitelerinden yararlanmak ve böylece su arıtmasını sağlamaktır.
I. Atıksulardan Biyolojik Azotun Giderilmesinin Temel Prensipleri
Atık sudaki azot, esas olarak organik azot, amonyak azotu, nitrit azotu ve nitrat azotunu içeren karmaşık formlarda bulunur. Biyolojik nitrojenin uzaklaştırılması tek bir reaksiyon süreci değildir; bunun yerine, sonuçta nitrojenin çeşitli formlarını nitrojen gazına dönüştüren, onu su kütlesinden uzaklaştıran ve nitrojenin tamamen uzaklaştırılmasını sağlayan üç-adımlı mikrobiyal biyokimyasal reaksiyon-amonyaklama, nitrifikasyon ve denitrifikasyon-'dur. Tüm süreç, farklı bakteri topluluklarının kendi spesifik ortamlarındaki metabolik aktivitelerine dayanır.
(I) Amonyaklama Reaksiyonu (Organik Azot Dönüşümü)
Aerobik veya anaerobik koşullar altında, atık sudaki proteinler, üre ve amino asitler gibi organik nitrojen kirleticileri, amonifiye edici bakterilerin ayrışması ve metabolizması yoluyla hidrolize edilir ve inorganik amonyak nitrojenine (NH₃-N) oksitlenir. Bu reaksiyon, biyolojik nitrojen gideriminin temel ön-reaksiyonudur, çevreye son derece uyumludur ve çözünmüş oksijen ve sıcaklık gibi parametrelerin sıkı kontrolünü gerektirmez, bu da reaksiyonun geleneksel atık su arıtma koşulları altında sorunsuz ilerlemesine olanak tanır. Reaksiyon işlemi, karmaşık organik nitrojeni basit inorganik nitrojene dönüştürerek sonraki nitrifikasyon ve denitrifikasyon reaksiyonları için substrat sağlar ve nitrojenin uzaklaştırılmasında ilk adımdır.
(II) Nitrifikasyon (Amonyak Azotu Oksidasyonu)
Nitrifikasyon, aerobik ototrofik mikroorganizmaların hakim olduğu, iki aşamadan oluşan bir oksidasyon reaksiyonudur: nitrifikasyon ve nitrifikasyon. Proses boyunca yeterli oksijene ihtiyaç vardır ve mikroorganizmalar yavaş büyüme oranları, uzun nesil döngüleri ve çevre sıcaklığına, pH'a ve çözünmüş oksijene karşı yüksek hassasiyet sergilerler. İlk aşama, nitrifikasyon bakterilerinin amonyak nitrojenini nitrit nitrojene oksitlediği nitrifikasyondur; ikinci aşama, nitrifikasyon bakterilerinin nitrit nitrojenini stabil nitrat nitrojene daha da oksitlediği nitrifikasyondur.
Nitrifikasyon bakterileri ototrofiktir, yani atık sudaki organik kirleticileri tüketmezler. Bunun yerine, amonyak nitrojeninin oksidasyonundan elde edilen kimyasal enerjiyi, karbondioksiti sabitlemek ve kendi maddelerini sentezlemek için bir enerji kaynağı olarak kullanırlar. Bu işlem, nitrojen gideriminde önemli bir oksidasyon adımıdır; indirgeyici nitrojenin oksitleyici nitrojene dönüşümünü gerçekleştirir ve sonraki denitrifikasyon için reaksiyon substratları sağlar.
(III) Denitrifikasyon (Nitrat Azot Giderimi)
Denitrifikasyon, anaerobik heterotrofik mikroorganizmaların hakim olduğu bir indirgeme reaksiyonudur ve biyolojik nitrojen gideriminin son temel adımıdır. Moleküler oksijenden yoksun ancak nitrat nitrojen içeren anaerobik bir ortamda, denitrifikasyon bakterileri, nitrifikasyon reaksiyonunda üretilen nitrat nitrojeni ve nitrit nitrojeni kademeli olarak azaltmak için atık sudaki organik karbon kaynaklarını elektron donörleri olarak kullanır ve sonuçta su yüzeyine kaçan nitrojen gazı (N₂) üretir ve nitrojeni atık sudan tamamen uzaklaştırır.
Denitrifikasyon prosesi, anaerobik ve anoksik ortamlar arasında kesin bir ayrım yapmalıdır: anaerobik bir ortam moleküler oksijenden yoksundur ancak denitrifikasyon reaksiyonunun normal şekilde gerçekleşmesine izin veren birleşik oksijeni (nitrat nitrojen) içerir; anaerobik ortamda ise kombine oksijen bulunmaz ve denitrifikasyon reaksiyonu önlenir. Aynı zamanda organik karbon kaynağı denitrifikasyonun temel koşuludur; Yetersiz karbon kaynakları doğrudan nitrojen giderim verimliliğinde önemli bir azalmaya neden olur. Pratik mühendislikte, nitrojen giderme etkinliğini sağlamak için genellikle ekzojen karbon kaynaklarıyla takviye kullanılır.
II. Atıksulardan Biyolojik Fosfor Gideriminin Temel Prensipleri
Biyolojik fosfor giderimi için temel işlevsel bakteri grubu, polifosfat-biriktiren bakterilerdir (PAO'lar). Bu mikroorganizmalar, alternatif anaerobik ve aerobik ortamlar altında bir "fosfor salınımı-fosfor alımı" döngüsünü tamamlamalarına olanak tanıyan benzersiz metabolik özelliklere sahiptir ve sonuçta fazla çamurun boşaltılması yoluyla su kütlesinden toplam fosfor giderimi elde edilir. Denitrifikasyonun aksine, biyolojik fosfor giderimi gaz halindeki yan ürünler üretmez. Bunun yerine, mikroorganizmaların içindeki sudaki fosfatları katılaştırarak çamur olarak açığa çıkarır.
(I) Anaerobik Fosfor Salınım Aşaması
Moleküler oksijen ve nitrat nitrojenden arınmış, tamamen anaerobik bir ortamda, polifosfat-biriktiren bakteriler (PAB'ler), aerobik solunum için harici oksijeni kullanamaz, bu da onların metabolik enerji kaynaklarını sınırlandırır. Bu durumda, PPA'lar, hücrelerinde depolanan polifosfatları ayrıştırır, uçucu yağ asitleri (VFA'lar) gibi düşük-moleküler- ağırlıklı organik karbon kaynaklarını atık sudan absorbe etmek için enerji açığa çıkarır ve bunları hücreler içinde depolanmak üzere polihidroksialkanoatlara (PHA'lar) dönüştürür. Bu işlem sırasında hücre içi fosfatlar atık suya salınarak suyun fosfor içeriğinde anlık bir artışa neden olur-bu, anaerobik fosfor salınım sürecidir.
(II) Aerobik Fazla Fosfor Emilim Aşaması
Ortam aerobik duruma geçtiğinde, PPA'lar artık organik karbon kaynaklarını emmez, bunun yerine anaerobik aşamada depolanan PHA'ları ayrıştırır ve organik maddenin oksidasyonu ve ayrışması yoluyla büyük miktarda enerji elde eder. Bu enerjiyi kullanarak, polifosfat-biriktiren bakteriler (PAC'ler), anaerobik aşamada salınan miktarın çok üzerinde bir miktarda, atık sudan fosfatı aşırı derecede emer. Fazla fosfat daha sonra hücrelerde polifosfat olarak depolanır ve fosforun zenginleştirilmesi ve sudan uzaklaştırılması sağlanır.
Sonuçta, fosfor{0}}zengin PAC'ler çamurla çöker ve sistem atık çamurunun boşaltılması yoluyla atık su sisteminden tamamen uzaklaştırılır, böylece tüm biyolojik fosfor giderim süreci tamamlanır. PAC'lerin alternatif metabolik özellikleri, biyolojik fosfor gideriminin temelini oluşturur ve stabil bir anaerobik-aerobik ortam değişimi, fosfor giderme verimliliğini sağlamak için çok önemlidir.
III. Biyolojik Azot ve Fosfor Giderimini Etkileyen Temel Faktörler
Biyolojik nitrojen ve fosfor gideriminin etkinliği tamamen mikrobiyal aktiviteye bağlıdır. Mikroorganizmaların metabolik özellikleri proses operasyonunun temel kontrol parametrelerini belirler. Ana etkileyen faktörler iki kategoriyi içerir: çevresel parametreler ve su kalitesi parametreleri.
1. Çözünmüş Oksijen: Nitrifikasyon ve aerobik fosfor alımı, yeterli çözünmüş oksijen gerektirir; anoksik denitrifikasyon kesinlikle düşük-oksijenli bir ortam gerektirir; ve anaerobik fosfor salınımı kesinlikle anaerobik bir ortam gerektirir. Oksijen ortamındaki bozulmalar doğrudan azot ve fosfor gideriminin başarısız olmasına yol açacaktır.
2. Karbon Kaynağı İçeriği: Hem nitrifikasyonu gideren bakteriler hem de polifosfat-biriktiren bakteriler, metabolizma için organik karbon kaynaklarına bağımlıdır. Atık suyun karbon-/{-nitrojen oranı ve karbon-/-fosfor oranı çok düşük olduğunda, sodyum asetat ve glikoz gibi ekzojen karbon kaynaklarının eklenmesi gerekir; aksi halde azot gideriminin tamamlanmaması ve fosfor giderim veriminin düşük olması ortaya çıkacaktır.
3. pH ve Sıcaklık: Nitrifikasyon bakterileri için en uygun pH 7,5-8,5 iken polifosfat biriktiren bakteriler için en uygun pH 6,5-8,0'dır. Mikroorganizmalar için en uygun sıcaklık 20-30 derecedir. Düşük sıcaklıklar bakteri aktivitesini ve tedavi verimliliğini önemli ölçüde azaltacaktır.
4. Çamur Yaşı: Nitrifikasyon bakterileri uzun bir nesil döngüsüne sahiptir ve bakterilerin hayatta kalmasını sağlamak için daha uzun bir çamur yaşı gerektirir. Öte yandan polifosfat-biriktiren bakterilerin çamur yaşı daha kısadır; Aşırı uzun çamur yaşları çamurdan fosfor salınımına neden olabilir. Bu nedenle, hem nitrojen hem de fosfor giderme verimliliğini sağlamak için asıl prosesin çamur yaşını dengelemesi gerekir.
IV. Ana Süreç Uygulama Esasları
Azot ve fosforun giderilmesine ilişkin yukarıdaki temel ilkelere dayanarak endüstri, tümü alternatif anaerobik, anoksik ve aerobik reaksiyon ortamları yaratmayı amaçlayan çeşitli olgun süreçler geliştirmiştir. A²/O işlemi en klasik eş zamanlı nitrojen ve fosfor giderme işlemidir. Anaerobik bölgede polifosfat- biriktiren bakteriler, anoksik bölgede denitrifikasyon ve aerobik bölgede polifosfat- biriktiren bakteriler tarafından nitrifikasyon ve aşırı fosfor alımı yoluyla fosfor salınımını ve karbon depolamayı sırayla tamamlar. Son olarak çamurun çökeltilmesi ve boşaltılması yoluyla eş zamanlı nitrojen ve fosfor giderimi sağlanır. Ek olarak, değiştirilmiş A²/O, SBR ve oksidasyon hendek işlemlerinin tamamı temel biyokimyasal prensiplere dayalı olup, tank yapısını ve çalışma sırasını farklı su kalitesi arıtma ihtiyaçlarına uyum sağlayacak şekilde optimize eder.
V. Sonuç
Atık sudan biyolojik azot ve fosfor gideriminin özü, fonksiyonel mikroorganizmaların farklılaştırılmış metabolik özelliklerinden yararlanmak ve azot ve fosfor kirleticilerinin dönüşümünü ve su kütlesinden uzaklaştırılmasını sağlamak için su ortamını yapay olarak düzenlemektir. Azot giderimi, gaz halindeki giderimi sağlamak için amonifikasyon, nitrifikasyon ve denitrifikasyonun adım adım reaksiyonlarına dayanır; fosfor giderimi ise çamurun katılaşmasını ve uzaklaştırılmasını sağlamak için polifosfat-biriken bakterilerin-anaerobik fosfor salınımının ve aerobik fosfor alımının- döngüsel metabolizmasına dayanır. Biyokimyasal prensiplerinin tam olarak anlaşılması, atık su arıtma proseslerinin optimize edilmesi, nitrojen ve fosfor giderme verimliliğinin arttırılması ve su kütlelerindeki ötrofikasyon sorununun çözülmesi için temel temeldir. Aynı zamanda enerji tasarrufu, emisyonların azaltılması ve atık su arıtımının iyileştirilmesi için önemli teorik destek sağlar.