Sizlere aerobik granül çamurdan ve ekstrasellüler polimerik maddelerin aerobik granüle etkilerinden bahsedeceğim

Sizlere aerobik granül çamurdan ve ekstrasellüler polimerik maddelerin aerobik granüle etkilerinden bahsedeceğim

Umarım hepiniz için keyifli bir yirmi dakika olur.

Granül çamur herhangi bir taşıyıcı malzemeye gerek duymadan çoğalabilen, kompakt ve yoğun biyolojik agregattır. Granül çamur bu yoğun yapısında farklı bakteri türleri içerirler. Bu bakteriler kompleks atıksuların arıtılmasında farklı görevler gerçekleştirirler.

Atıksu arıtımı için geliştirilmiş bir teknoloji olan granül çamur anaerobik granül çamur ve aerobik granül çamur proseslerini içerir.

Mevcut evsel atıksu arıtma tesisleri geniş alanlara gereksinim gösterir. Bunun temel nedeni havalandırma tanklarındaki düşük biyokitle konsantrasyonlarıyla beraber sistemde istenen miktarda biyokitleleyi tutabilmek için geniş çöktürme tanklarına ihtiyaç duyulmasıdır. Son yıllarda yapılan çalışmalar atıksu arıtımında konvansiyonel çamur yerine granül çamur kullanımının bu sorunu çözdüğünü göstermiştir.

Şekil açıklaması:

Sağ resimde aerobik granül çamur teknolojisi için tasarlanan test reaktörü görülmektedir. Aerobik granüler çamur teknolojisinin kulanıldığı sistemlerde tüm prosesler bir reaktör içinde gerçekleşiyor ayrıca konvansiyonel sistemlerde olduğu gibi geniş çöktürme tanklarına ihtiyaç göstermiyor.

Sol resimde ise konvansiyonel atıksu arıtım sistemi görülmektedir.

Geniş alana gereksinim duymamasının dışında aerobik granül çamurun flokül çamurdan çeşitli üstünlükleri vardır bunlar çamur çökebilme özelliğinin mükemmel olması, yoğun yapısından dolayı daha fazla biyokitle tutabilmesi, yüksek organik madde ve nutrient yüklerine karşı dayanıklı olması ve aynı anda nitrifikasyon, denitrifikasyon ve fosfor giderimine uygun olması şeklinde sıralanabilir

Aerobik granülün yüksek organik madde yüküne dayanıklı olduğunu belirttim ancak organik yükleme hızının aerobik granülün oluşumuna etkisi olmamakla birlikte fiziksel karakterleri organik yükleme hızına bağlıdır. Çünkü artan organik yükleme hızı biyokitle büyüme hızını arttırır ve bu aynı zamanda mikrobiyal birliğin 3 boyutlu yapısını bozar.

Anaerobik granül çamur ve aerobik granül çamur karşılaştırıldığında anaerobik granüllerin çeşitli dezavantajları vardır. Bunlar anaerobik granül çamur yataklarının oluşumu için 2-8 ay gibi uzun bir işletmeye alma süresine gereksinim, daha yüksek işletme sıcaklığına gereksinim, düşük kirlilik yükündeki atıksu arıtımı için uygun olmama, atıksudan nutrient yani azot ve fosfor giderimi için uygun olmama, atıksu karakterizasyonuna hassas olma şeklinde sıralanabilir.

Anaerobik atıksu arıtımı ve anaerobik granül çamur yapısı son 20 yılda geniş ölçüde incelenmiş olmasına rağmen aerobik granül çamur teknolojisi çok yeni bir konudur. Yapılan çalışmalar aerobik graüllerin stabilitesinin yukarı akışlı çamur yataklı reaktörlerde gelişen anaerobik granüllerden daha zayıf olduğunu göstermiştir. Bu muhtemelen aerobik bakterilerin büyüme hızının anaerobik bakterilerin büyüme hızından oldukça fazla olmasından kaynaklanır. Aerobik granüllerin zayıf stabiliteleri atıksu arıtımında kullanımını sınırlandırmaktadır. Günümüzde aerobik granülasyonla ilgili hemen hemen tüm çalışmalar aerobik granül çamurun stabilitesine yöneltilmiştir. Fakat aerobik granüllerin stabilitesinin nasıl arttırılabileceği sorusu hala yanıtsızdır.

Bugüne kadar anaerobik granüller genellikle yukarı akışlı anaerobik çamur yataklı reaktörlerde, aerobik granüller ise ardışık kesikli reaktörlerde gelişmiştir.

Ardışık kesikli reaktörlerde bir döngü besleme, havalandırma, çökelme, boşaltma fazlarını içerir.

İşletmenin havalandırma periyodu aslında 2 faz içerir. Bunlardan birincisi substratın tüketildiği parçalama fazı ikincisi ise substratın tükendiği aerobik açlık fazıdır. Açlık koşullarında bakterilerin yüzey hidrofobisitesi artış gösterir. Yani mikroorganizmalar açlıkla karşılaştıklarında yüzey özelliklerini değiştirebilme kabiliyetine sahiptir. Artan hidrofobisite mikrobiyal adhezyona yardımcı olur. Agregasyon muhtemelen hücrelerin açlığa karşı oluşturduğu bir stratejidir.

Aerobik granüller sadece 5 dakikalık çökelme süresiyle işletilen ardışık kesikli reaktörlerde başarılı bir şekilde gelişip sistemde baskın olabilmişlerdir. Kısa süreli çökelme ile işletilen sistemlerde hücredışı polisakkaridlerin üretimi uyarılmış ve hücre yüzeyi hidrofobisitesi artmıştır.

AEROBİK GRANÜLLERİN ÖZELLİKLERİ:

Yoğun ve kuvvetli mikrobiyal yapıya sahiptir

Düzenli, pürüzsüz, yuvarlak bir şekle ve temiz bir dış yüzeye sahiptir

Yüksek miktarda biyokitle tutabilirler ve çökme özellikleri muhteşemdir. Bu özellikleri sayesinde reaktörden biyokitle yıkamaksızın daha yüksek hidrolik yüklemelere imkan tanırlar. Yani aerobik granülasyon sistemde daha fazla biyokitle tutunmasını sağlayarak sistemin performansını arttırabilir. Muhteşem çökebilme kabiliyeti ayrıca granül çamurun çıkış suyundan ayrılmasını kolaylaştırır.

Büyük atıksu debilerine dayanıklıdır

Yüksek organik yükleme hızlarına dayanıklıdırlar

Toksik organik kimyasallara ve atıksudaki ağır metallere dayanıklıdırlar

AEROBİK GRANÜLÜN YAPISI:

Aerobik granüller küre şeklindedir. Ortalama çapları ise 0,2 - 5 mm aralığında değişir. Eğer amaç tamamen granüldeki aerobik mikroorganizmaları kullanmaksa granülün optimum çapı 1600 m’dan az olmalı. Bu değer granül yüzeyinden anaerobik tabakaya kadar olan uzaklığın 2 katıdır. Sonuç olarak küçük granüller sahip olduğu hacimde daha çok canlı hücreye sahip olduğundan küçük granüllerin aerobik atıksu arıtımında kullanımı daha etkili olacaktır.

Granül yüzeyinden 70-100 m derinlikte amonyumu okside eden zorunlu aerobik bakteri Nitrosomonas spp. görülmüştür ve aerobik granüllerin yüzeyden 900 m’a kadar nüfuz eden kanallar ve porlar içerdiği tespit edilmiştir. Bu kanallar ve porlar granüle oksijen ve nutrient girişine, granülden metabolitlerin çıkışına yardımcı olur. Granül yüzeyinden 800-900 m derinlikte anaerobik bakteri Bacteroides spp. tespit edilmiş, 800-1000 m derinliğe ise ölü hücre tabakasının yerleştiği görülmüştür. Anaerobik ortam ve ölü hücreler granülün merkezinde görülmüştür. Aerobik granüllerde anaerobik bakterilerin varlığıyla granül içinde organik asid ve gaz oluşumu muhtemeldir. Anaerobik metabolizmanın bu son ürünleri granülleri parçalayabilir veya en azından uzun süreli stabilitelerini azaltabilir.

Yüksek N/KOİ oranında aerobik granülün yapısında çeşitli değişiklikler meydana gelir. Yüksek N/KOİ oranı sonucu olarak düşük büyüme hızında küçük granüller gelişir. Artan N/KOİ oranıyla aerobik granüllerde nitrifikasyon populasyonu önemli ölçüde artış gösterir. Nitrifikasyon bakterileri granül yüzeyinden 70-100 m derinlikte yerleşmiştir. Sonuç olarak yüksek N/KOİ oranında aerobik granüllerdeki heterotroflar baskın tür olamazlar. Yüksek N/KOİ oranında aerobik granül yapısında mantar benzeri yapılar gelişir.

Granüldeki farklı mikrobiyal populasyonların dağılımının granül stabilitesine etkisi olabilir. Aerobik granüllerin mikrobiyal çeşitliliği geliştikleri ve olgunlaştıkları besiyerinin kompozisyonu ile yakından ilişkilidir.

Kompleks bir proses olan granülasyon birçok fizikokimyasal ve mikrobiyolojik faktör tarafından yönetilir. Bu faktörler aşı çamuru, substrat karakteristiği, ekstraselüler polimerik maddeler = EPS, iki değerlikli katyonlar, pH, sıcaklık ve reaktör işletimi olarak sayılabilir.

Sunumun bundan sonraki kısmında Ekstrasellüler polimerik maddelerin ingilizce kısaltması olan EPS’i kullanacağım.

EPS

Bakterilerin ve partiküllerin gömüldüğü 3 boyutlu matriksi oluşturur. EPS hem aerobik hem de anaerobik granüllerde önemli miktarlarda bulunur ve EPS muhtemelen granül çamurun yapısal ve fonksiyonel bütünlüğünü korumada önemli bir rol oynar. Mikrobiyolojik açıdan EPS membran yapısının stabil kalmasına yardımcı olur ve aynı zamanda koruyucu bariyer olarak hizmet eder. Granül çamurda üretilen EPS çeşitli oranlarda protein, polisakkarid, nükleik asit, hümik benzeri maddeler, lipid ve glikoprotein gibi heteropolimerler içerir bu bileşenlerden sadece biyolojik yapıştırıcı olarak isimlendirilen polisakkaridler spesifik bir fonksiyon için ekstraselüller olarak sentez edilir. Öte yandan proteinler, lipidler ve nükleik asitler intrasellüler polimerlerin salınımından veya hücrenin lizisinden dolayı ekstrasellüler polimer ağında bulunurlar.

EPS bioflok, biyofilm ve granül çamur gibi mikrobiyal agregatların tümünde bulunur. Fakat granül çamurdaki EPS miktarı konvansiyonel biyofloklardan ve biyofilmlerden daha fazla bulunmuştur.

Bakteriler tarafından üretilen EPS miktarı ve kompozisyonu çeşitli faktörlere bağlıdır. Bu faktörler mikrobiyal tür, büyüme fazı, sınırlayıcı substrat türü (C, N, P), oksijen miktarı, iyonik güç, kültür sıcaklığı, kesme kuvveti şeklinde sayılabilir. EPS hücre yüzeyinde birikerek yüzey hidrofobisitesi, yüzey yükü, bağlanma bölgeleri ve yüzey morfolojisi gibi hücre yüzey özelliklerini değiştirebilir.

Yüzey yükünün mikrobiyal agregatların stabilitesinin kontrolünde önemli olduğu kabul edilir. Fizyolojik pH değerindeki ortamda bulunan bakteriler negatif yüzey yüküne sahiptir. Aynı yüke sahip iki yüzey arasında bir hücrenin diğer hücreye yaklaşımını önleyen itici bir güç vardır. EPS’in hücre yüzeylerinin negatif yükünü azalttığı ve böylece iki komşu hücrenin birbirine yaklaşabildiği önerilmiştir. Granül çamurun aktif çamurdan daha az negatif yüklü olduğu bulunmuştur. Yani EPS tabakası hücre yüzey yükünü doğal hücre yüzeyiyle karşılaştırıldığında daha düşük negatif yükte tutabilir.

Hücre yüzeyinin hidrofobisitesinin granül çamur oluşumunda tetikleyici bir kuvvet olduğu düşünülmüştür. Çalışmalar granül çamur yapısındaki bakterilerin hücre duvarlarının EPS tabakasıyla çevrili olduğunu göstermiştir. Bu da hücre yüzeyi hidrofobisitesinin EPSle ilişkili olabileceğini gösterir. Protein ve aminoasitler EPSin hidrofobik bileşenleri olarak kabul edilirken polisakkaridler hidrofilik bileşenleri olarak kabul edilir. Hücre yüzeyinin hidrofobisitesi ve yükü EPSin üretimi, kompozisyonu ve fiziksel özellikleriyle ilişkilidir. Granül çamur prosesinde EPS bakteriyel bağlanma için geniş bir yüzey alanı sağlar. Ayrıca bakteri agragatlarını çevreleyen ekstrasellüler polisakkaridler organik ve inorganik materyallerin bağlanması için özel bölgeler sağlar. EPS’de elektrostatik bağlanma bölgelerinin konsantrayonunun bakteri yüzeyinde belirtilenden 20-30 kat daha fazla olduğu bulunmuş. Bu da komşu hücreleri çevreleyen EPS’in katyonik bağlanmalarla inorganik ve organik materyalleri çekerek çapraz bağlı bir ağ oluşturduğunu gösterir. Yapılan çalışmalar üretilen toplam EPS miktarının granül çamur oluşumunda ve stabilitesinin sürdürülebilmesinde belirleyici faktör olmadığını fakat EPSteki polisakkarid/protein oranının granül çamur oluşumunda önemli bir rol oynadığını göstermiştir. Granül çamurların özellikleri polisakkarid/protein oranıyla ilişkilidir.

EPS’in uzaysal dağılımıyla ilgili yapılan çalışmalar granül çamurun boyutu arttıkça EPS üretiminin azaldığını gösterir. Bu muhtemelen yüzeyden derin bölgelerde canlı biyokitlenin düşük nutrient miktarı nedeniyle mikrobiyal aktivitesinin yavaşlaması ve dolayısıyla EPS üretme yeteneğini kaybetmesinden kaynaklanır. Ayrıca üretilen EPS granül çamurun derin zonlarında ikincil substrat olarak kullanılabilir. Çünkü bu bölgelerde kolay parçalanabilir substratlar mevcut değildir veya sınırlıdır. Sonuç olarak EPS’in uzaysal dağılımı granül çamurda mikrobiyal agragatların yapısının ve stabilitesinin korunmasında, dayanıkılılığının sürdürülebilmesinde önemli rol oynar.