Aktif Çamuru Anlamak (II) – Mikroorganizmaları 'Üreme' Nasıl Koruruz!

Önsöz: Önceki belge aktif çamurun kökenini ve mikrobiyal topluluk yapısını tartışıyordu. Bu belge "mikroorganizmaların üremesinin nasıl sağlanacağı" konusuna odaklanmaktadır. Hepimiz biliyoruz ki, ortam üremeye uygun olduğunda organizmalar (bitkiler, hayvanlar ve mikroorganizmalar) doğal olarak üreme aşamasına geçer; çevre bozulduğunda organizmalar üremeyi bırakır. Eğer insanın "üreme arzusunu" bir benzetme olarak kullanırsak, günümüzün gençleri üç büyük zorlukla karşı karşıyadır: eğitim, sağlık ve barınma. Bu üç husus, çocuk sahibi olma isteklerini önemli ölçüde etkilemektedir. Elbette mikroorganizmaların bu kadar çok gereksinimleri olmadığı gibi, arabaya ya da eve de ihtiyaçları yoktur. Su ortamı sıcaklık, çözünmüş oksijen, pH ve besin gereksinimlerini karşıladığı sürece hızla büyüyebilirler!

Mikroorganizmaların kendi büyüme eğrileri vardır ve büyüme süreçleri besinlerin varlığına göre değişir. Dış etkenlerden etkilenmeyen tanımlanmış bir ortamda mikroorganizmaların büyüme eğrisi aşağıdaki şemaya uygundur. Büyüme süreci dört aşamayı içerir: adaptasyon (uyum aşaması), logaritmik büyüme aşaması, yavaşlama büyüme aşaması ve endojen solunum. Mikroorganizmalar yeni bir ortama girdiklerinde sayılarının nispeten sabit kaldığı bir adaptasyon dönemi vardır.

Çamur Büyüme Eğrisi (yani Mikrobiyal Büyüme Eğrisi)

Mikroorganizmaların konsantrasyonunun, biyolojik arıtma tankının ilk çalıştırılması sırasında eklenen çamur miktarını temsil eden bir başlangıç ​​değeri vardır. Zamanla çamur konsantrasyonu giderek artar. Aerobik biyolojik arıtma tankındaki çamur konsantrasyonu genel olarak 3000-5000 mg/L arasında tutulabilmektedir. Çamur konsantrasyonu, giriş suyunun BOİ konsantrasyonuna bağlıdır; BOİ konsantrasyonu ne kadar yüksek olursa, sürdürülebilecek çamur konsantrasyonu da o kadar yüksek olur.

Gerçek biyolojik arıtma tankı işletiminde çamur konsantrasyonu büyümenin yavaşlaması aşaması ile endojen solunum aşaması arasında muhafaza edilir. Çamur konsantrasyonunun biyolojik arıtma tankının çalışma moduna bağlı olarak değiştiği görülmektedir.

Tıpa akışlı havalandırma olarak da bilinen sıradan havalandırmada, kirleticiler tahrik prosesi sırasında kademeli olarak azalır ve çamur büyümesi büyümenin yavaşlaması aşamasında kontrol edilir. Bazıları şunu sorabilir: Bu nasıl kontrol ediliyor? Bu, çamurun yeniden sirkülasyonu ve çamurun uzaklaştırılması önlemleriyle sağlanır!

Tam karıştırma, biyolojik arıtma tankının tüm parçalarının aynı koşullar altında (örn. kirletici konsantrasyonu, pH, çözünmüş oksijen vb.) çalışması anlamına gelir. Aralıklı olarak çalıştırılan biyolojik arıtma prosesleri (daha önce bahsedilen SBR prosesi gibi) genel olarak bunu iyi bir şekilde başarabilir ve çamur durumu büyümenin yavaşlaması aşamasında kontrol edilir.

Uzatılmış havalandırma (SRT), tasarımda çok düşük hacimsel yükleme hızı kullanır ve bu da biyolojik arıtma tankında nispeten düşük çamur konsantrasyonuna neden olur. Bu süreç, büyüme eğrisinin endojen solunum aşamasında çalışır ve düşük organik yükleme hızı ve uzun bir havalandırma süresi (genellikle SRT için 20-30 gün ve HRT için 24 saat) gerektirir. Bu işlemde genellikle birincil çökeltme tankı kullanılmaz.

Çözünmüş Oksijen Konsantrasyon Eğrisi

Harici çözünmüş oksijen takviyesi olmadan, sudaki çözünmüş oksijen, şekilde gösterildiği gibi giderek azalır. Tabii ki, nispeten sabit bir değeri korumak için biyolojik arıtma tankına çözünmüş oksijenin eklenmesi gerekir.

Kirletici Konsantrasyon Eğrisi

BOİ bir dereceye kadar sudaki kirleticilerin konsantrasyonunu ifade edebilir (daha önce de belirtildiği gibi, KOİ değerleri tank hacmi tasarımında en iyi şekilde kullanılır). Zamanla kirletici konsantrasyonu boşaltılabilir seviyeye düşer.

Uygun sıcaklık, yeterli çözünmüş oksijen ve besin maddeleri ve engelleyici maddelerin yokluğunda, aktif çamur büyümesini kontrol eden belirleyici faktör, gıda miktarı (atık sudaki organik madde, aynı zamanda substrat olarak da bilinir) ile mikroorganizma miktarı (aktif çamur) arasındaki F/M oranıdır; bu aynı zamanda organik substratın bozunma hızı, oksijen kullanım oranı ve aktif çamurun topaklanma ve adsorpsiyon özellikleri gibi faktörlerden de etkilenir.

Adaptasyon Aşaması (Ayar Aşaması): Ayar aşaması olarak da adlandırılan bu aşama, aktif çamur ekiminin başlangıç ​​aşamasıdır. Mikroorganizmalar çoğalmaz ancak niteliksel değişiklikler meydana gelmeye başlar. Bu aşama, diyagramdaki büyüme eğrisinin başlangıçtaki yatay kısmına karşılık gelir ve genellikle kısa sürelidir. Adaptasyon aşamasının ilerleyen aşamalarında mikrobiyal enzim sistemi yavaş yavaş yeni ortama uyum sağlar, bireysel gelişim belli bir düzeye ulaşır, hücreler bölünmeye başlar ve mikroorganizmalar çoğalmaya başlar.

Logaritmik Büyüme Aşaması: Aktif çamur büyüme hızı artar, F/M oranı nispeten büyüktür, organik substrat boldur ve aktif çamur aktivitesi yüksektir. Mikroorganizmalar aynı anda organik substratı en yüksek oranda emer ve hücreleri en yüksek oranda sentezleyerek çoğalmayı sağlar. Bu aşamada aktif çamurun organik maddeyi uzaklaştırma kapasitesi yüksektir ve çamurun büyümesi besin koşullarıyla değil sadece mikrobiyal konsantrasyonla sınırlıdır. Ancak çamurun flokülasyon özellikleri zayıftır, çökeltilmesi zordur ve arıtma verimliliği zayıftır.

Yavaşlamış Büyüme Aşaması: Aktif çamur büyüme hızı azalır, F/M oranı düşmeye devam eder ve büyüme hızı organik besinlerle sınırlanır. Bu, aktif çamur prosesinin tipik çalışma aşamasıdır. Bu aşamada atık sudaki organik madde büyük oranda giderilebilir ve çamurun flokülasyon ve çökelme özellikleri iyi olur.

Endojen Metabolizma Aşaması: Besinler büyük ölçüde tükenmiştir. Yeterli besin maddesi elde edilemeyen aktif çamur, dahili deposunu kullanmaya başlar, yani kendi kendine-oksidasyon aşamasındadır. Bu aşamada, çamur yüksek derecede inorganikleşmeye ve iyi çökelme özelliklerine sahiptir, ancak flokülasyon zayıftır ve çamur giderek azalır. Bununla birlikte, endojen solunum kalıntılarının hücre duvarlarını ve sitoplazmayı-parçalaması- çoğunlukla zor olduğundan, aktif çamur tamamen yok olamaz.

Besin maddeleri, sıcaklık, pH, çözünmüş oksijen ve toksik maddeler dahil olmak üzere birçok faktör mikrobiyal büyümeyi etkileyebilir. Elbette farklı mikroorganizma türlerinin bu faktörlere karşı farklı tolerans aralıkları vardır. Aktif çamurdaki yaygın mikroorganizma türleri arasında aerobik bakteriler (nitrifikasyon bakterileri gibi birçok alt kategoriyi kapsayan geniş bir kategori), hidrolitik bakteriler, fermente edici bakteriler, hidrojen bakterileri, asetik asit bakterileri, metanojenler, sülfat- indirgeyen bakteriler ve anaerobik protozoa yer alır. Dolayısıyla bu faktörler normal aralıklarda tutulduğu sürece hızlı mikrobiyal büyüme sağlanabilir.

Besinler
Mikroorganizmaların yaşam aktiviteleri sırasında, karbon kaynakları, nitrojen kaynakları, inorganik tuzlar ve bazı büyüme faktörleri dahil olmak üzere çevredeki su kütlesinden temel besin maddelerini sürekli olarak emmeleri gerekir. Arıtılacak atık suyun bu maddeleri yeterli miktarda içermesi gerekir.

Karbon, mikrobiyal hücrelerin önemli bir yapısal bileşenidir. Aktif çamur arıtımında yer alan mikroorganizmaların, genellikle 100 mg/L'den (BOD5 olarak hesaplanmıştır) az olmayan, nispeten yüksek bir karbon kaynağı gereksinimi vardır.

Azot, mikrobiyal hücrelerdeki proteinlerin ve nükleik asitlerin bileşiminde önemli bir elementtir. Azot kaynakları, N2, NH3 ve NO3 gibi inorganik nitrojen bileşiklerinin yanı sıra proteinler ve amino asitler gibi organik nitrojen- içeren bileşiklerden de gelebilir.

Fosfor, nükleoproteinlerin, lesitin ve diğer fosfor bileşiklerinin sentezi için gerekli bir elementtir ve mikrobiyal metabolizma ve materyal dönüşümünde çok önemli bir rol oynar. Koenzim I, koenzim II ve adenosin monofosfatın (ATP) tümü fosfor içerir. Mikroorganizmalar fosforu öncelikle inorganik fosfor bileşiklerinden elde ederler. Yetersiz fosfor kaynakları enzim aktivitesini etkileyerek mikroorganizmaların fizyolojik fonksiyonlarını etkileyecektir.

Genel olarak üç ana besin maddesinin (karbon, nitrojen ve fosfor) oranı BOİ:N:P=100:5:1'dir. Ayrıca kükürt, sodyum, potasyum, kalsiyum, magnezyum ve demir gibi eser elementler de mikroorganizmaların büyüme sürecinde önemli rol oynar.

Çözünmüş oksijen

Atıksu arıtımında yer alan mikrobiyal türler aerobik ve anaerobik türlere ayrılır ve işletme tankları aerobik tanklar, anoksik tanklar, hidroliz tankları ve anaerobik tanklardan oluşur. Operasyonel tecrübeye dayanarak, aerobik tanktaki çözünmüş oksijen konsantrasyonunun 2-4 mg/L arasında tutulması gerekmektedir. Fakültatif anaerobik ortamlar olan hidroliz ve anoksik tanklarda, genellikle 0,2-0,5 mg/L arasında belirli bir çözünmüş oksijen konsantrasyonuna izin verilir. Anaerobik tank kesinlikle anaerobik bir ortamdır; Hidroliz ve fermantasyon işlemlerini sağlamak için çözünmüş oksijenin varlığına izin verilmez.

Atıksu arıtma tesislerinin işletimi için çözünmüş oksijen çok önemlidir. Aerobik tanktaki çözünmüş oksijen çok düşükse, nitrifikasyon bakterilerinin ve diğer aerobik bakterilerin büyümesi engellenirken filamentli bakteriler hızla çoğalarak çamur birikmesine yol açar.

pH değeri: Mikroorganizmaların fizyolojik aktiviteleri ortamın pH'ı ile yakından ilişkilidir. Mikroorganizmalar ancak uygun pH koşullarında normal fizyolojik aktivitelerini gerçekleştirebilirler. Biyolojik atıksu arıtımında yer alan mikroorganizmalar için optimal pH aralığı genellikle 6,5 ila 8,5 arasındadır. Farklı bakteri gruplarının farklı tolerans aralıkları vardır; Hidrolitik asitleştirici bakterilerin pH aralığı 5,5 ila 7,5 arasındayken, aerobik bakterilerin pH aralığı 6,5 ila 8,5 arasındadır.

Sıcaklık
Sıcaklık mikrobiyal büyüme için çok önemlidir. Aktif çamur arıtımında yer alan çoğu mikroorganizma, 10-45 derecelik optimum sıcaklık aralığına sahip termofiliktir. Düzgün çalışmayı sağlamak için biyolojik arıtma tankındaki su sıcaklığı genellikle 15-35 derece arasında tutulur; 5 derecenin altında mikrobiyal büyüme yavaşlar. Ayrıca anaerobik bakteriler, aerobik bakterilere göre çok daha yüksek sıcaklık toleransına sahiptir, bu nedenle anaerobik tankların çoğu yalıtım ve ısıtma cihazlarıyla donatılmıştır.

Zehirli Maddeler
"Zehirli maddeler", mikroorganizmaların fizyolojik faaliyetlerini engelleyen belirli inorganik ve organik maddeleri ifade eder. Bunlar esas olarak ağır metal iyonlarını (çinko, bakır, nikel, kurşun, krom vb.) ve bazı-metalik olmayan bileşikleri (fenoller, aldehitler, siyanürler, sülfitler vb. gibi) içerir. Toksik maddelerin mikroorganizmalar üzerindeki toksik etkileri nicelikseldir; Toksisite ve inhibisyon ancak toksik madde çevrede belirli bir konsantrasyona ulaştığında belirgin hale gelir. Atık sudaki çeşitli toksik maddelerin konsantrasyonu bu seviyenin altında olduğu sürece mikroorganizmaların fizyolojik fonksiyonları etkilenmez.

Kirleticilerin mikrobiyal uzaklaştırılması ve bozunması temel olarak iki sürece dayanır: adsorpsiyon ve metabolizma (asimilasyon ve disimilasyon).

Adsorpsiyon Prosesi: Atık suyun aktif çamurla temas etmesinden ve karışmasından kısa bir süre sonra sudaki organik kirleticiler yüksek bir giderim oranı sergiler. Başlangıçtaki bu yüksek-hızlı uzaklaştırma olgusu, fiziksel ve biyolojik adsorpsiyonun bir kombinasyonunun sonucudur. Bu işlem sırasında karışık sıvıdaki organik substrat hızla azalır. Bunun nedeni, aktif çamurun geniş bir yüzey alanına sahip olması ve polisakkarit- açısından zengin bir viskoz tabaka ile kaplanmış yüzeyinde çok sayıda mikroorganizma ile zenginleştirilmiş olmasıdır. Atık sudaki askıda ve kolloidal organik substratlar aktif çamur flokları ile temas ettiğinde, hızla pıhtılaşır ve adsorbe edilir; bu olay "ilk adsorpsiyon" olarak bilinir.

İlk adsorpsiyon süreci çok hızlı ilerler ve genellikle 30 dakika içinde tamamlanır. Atık su BOİ'sinin adsorpsiyon giderim oranı %70'e ulaşabilir ve büyük miktarda askıda ve koloidal organik madde içeren atık su için BOİ %80-90 oranında azalabilir. Başlangıçtaki adsorpsiyon hızı öncelikle mikroorganizmaların aktivitesine ve reaktör içindeki hidrolik difüzyon ve hidrolik dinamiğin derecesine bağlıdır. Birincisi aktif çamur mikroorganizmalarının adsorpsiyon ve flokülasyon verimliliğini belirlerken ikincisi aktif çamur flokları ile organik substrat arasındaki temas derecesini belirler.

Metabolik Süreç: Aktif çamur mikrobiyal hücrelerinin yüzeyinde adsorbe edilen organik kirleticiler metabolize edilir. Çözünmüş ve küçük-moleküllü organik madde, geçirgenleştirici enzimlerin etkisi altında doğrudan hücre duvarından hücrenin içine nüfuz eder ve burada metabolizmaya uğrar. Nişasta ve protein gibi kolloidal ve asılı büyük-moleküllü organik madde, hücreye girmeden önce ilk olarak hücre dışı enzimler-hidrolazlar- tarafından çözünmüş küçük moleküllere hidrolize edilir. Organik kirleticiler hücre içine girdikten sonra yavaş yavaş oksitlenir ve çeşitli hücre içi enzimlerin kataliziyle hücre sentezi için enerji açığa çıkararak CO2 ve H2O gibi stabil inorganik ürünlere ayrıştırılır. Bu süreçte organik madde, biyokimyasal reaksiyonlar yoluyla basit, stabil inorganik maddelere dönüştürülerek kirleticilerin uzaklaştırılması sağlanır.