Anaerobik Membran Biyoreaktörlerde Tuz Konsantrasyonunun Çamur Özellikleri Ve Organik Kirletici Giderimi Üzerine Etkisi

Abstract

Endüstriyel sektörler her yıl üretim prosesleri sonucu büyük miktarlarda atıksu üretmektedirler. Sodyum klorür birçok endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu nedenle endüstrilerden kaynaklanan atıksuların yüzde beşinde yüksek tuz konsantrasyonuna rastlanmaktadır. Yüksek miktarda tuzluluk ve organik kirletici madde içeren bu atıksuların ön arıtım işlemlerinden geçirilmeden bertaraf edilmeleri alıcı ortamlar ve çevre açısından büyük tehdit oluşturmaktadır. Günümüzde birçok ülkede yasalar ile alıcı ortama deşarj kriterleri günden güne daha sıkı kontrollere maruz kalmakta, bu nedenle yüksek tuzluluk içeren atıksuların alıcı ortama deşarj öncesi arıtımları daha da önem kazanmaktadır. Tuzlu atıksular geleneksel biyolojik arıtma sistemleri ile arıtılırken yüksek tuz konsantrasyonunun bakterilerin çalışma verimi üzerinde oluşturduğu olumsuz etkiler nedeniyle arıtma verimi önemli ölçüde kısıtlanmaktadır. Arıtma sonrası düşük giderim verimli ve yüksek kirletici konsantrasyonu içeren çıkış suları oluşturulmaktadır. Bu nedenle yüksek tuzluluk içeren atıksuların arıtımında fiziko-kimyasal arıtma sistemleri yaygın olarak kullanılmaktadır (ör. Buharlaştırma, koagülasyon/flokülasyon, iyon değiştirme metodu ve membran ayırma prosesleri). Biyolojik arıtma sistemlerinde bulunan mevcut bakteri türlerinin zamanla tuzlu ortama adaptasyonları mümkün olsa da bu adaptasyon tuz miktarının aniden değişmesi/düşmesi sonucu kolayca kaybolmaktadır. Arıtma verimlerini arttırmak için genellikle tuzlu ortamlarda yaşayabilen (halofilik) mikroorganizmaların sistemde tercih edilmesi ve adaptasyonlarının sağlanması gerekmektedir. Ortamdaki tuz miktarına bağlı olarak hayatta kalabilen halofilik bakteriler üç sınıfa ayrılır; az halofilikler; sodyum klorür konsantrasyonunun yüzde 1-5 olduğu durumlarda yaşayabilirler. Orta halofilikler; sodyum klorürün yüzde 5 ile 20 arasında olduğu durumlarda hayatta kalırlar. Yüksek halofilikler; ortamdaki sodyum varlığına karşı en çok dayanıklı olan türlerdir ve sodyum klorürün yüzde 20 ile 30 arasında bulunduğu ortamlarda rahatlıkla hayatta kalabilirler. Bu mikroorganizmalar adaptasyonları için iki farklı mekanizma kullanırlar. Bu mekanizmalardan ilki; mikroorganizların bünyelerinde potasyum iyonları (K+) biriktirerek bakterilerin hücre duvarı ile ortam arasındaki osmotik basıncın ayarlanmasını sağlamalarına dayalıdır. Diğer bir mekanizma ise; ortama, tuza dayanıklı çözünmüş maddelerin eklenerek, mikroorganizmaların bunları bünyelerinde biriktirmesinin sağlanması ve kendilerini tuzun olumsuz etkilerine karşı korumalarını hedef alır. Bu iki mekanizmanın da önemi, ortamda osmotik basıncın yükseldiği durumlarda çamur aktivitesinin ve dayanıklılığının arttırılmasını ve mikroorganizmaların korunmasını sağlamalarıdır. Ortamda bulunan yüksek miktardaki tuz konsantrasyonu sistemlerdeki çamurun fiziksel ve biyokimyasal özellikleri üzerinde birçok olumsuz ve yıkıcı etkiye sahiptir. Hücrelerin plazma bozulumu, mikroorganizma aktivitesinin kaybı, bakteri hücrelerinin su kaybı ve parçalanması ve flokülasyon oluşum problemleri yüksek tuzluluğa maruz kalmış mikroorganizmalarda sıkça karşılaşılan sonuçlardır. Metabolik aktivitenin bozulması genellikle arıtım sırasında düşük organik kirletici giderimlerine sebep olmaktadır. Bu nedenle tuzlu atık su girdisi olan biyolojik arıtma sistemleri diğer arıtma sistemlerine (fiziko-kimyasal prosesler) göre daha hassastırlar ve düşük giderim verimlerine sahip olmaktadırlar. Bugüne kadar birçok bilimsel çalışma değişik sistemler ve farklı karakterde atıksular kullanarak mikroorganizmaların tuzlu ortamlarda biyolojik arıtma esnasındaki davranışlarını araştırmış fakat anaerobik arıtma sistemlerinde organik aromatik bileşenlerin giderimleri üzerine detaylı araştırmalar yapılmamıştır. Bu çalışmada mezofilik koşullar altında laboratuvar ölçekli Anaerobik Membran Biyoreaktör kullanılarak, tuzluluk içeren sentetik atıksu arıtımı araştırılmış ve bu arıtma sırasında atıksu içerisinde değişik konsantrasyonlardaki tuzun, anaerobik çamurun fiziksel ve biyokimyasal özellikleri üzerinde oluşturduğu etkiler çeşitli deneylerle incelenmiştir. Sürekli çalışan sistem ile çalışmalara başlamadan önce, sistemin dayanıklılığını öngörmek ve kullanılacak anaerobik çamurun tuza adaptasyonunu en verimli şekilde sağlamak için hazırlanacak olan sentetik atıksu çözeltilerinde en uygun Potasyum/Sodyum oranının bulunması amacıyla iki farklı biyometan potansiyeli testi gerçekleştirilmiştir. Deneylerde kullanılacak besi ortamı 16, 20 ve 24 gL-1 sodyum konsantrasyonlarında çift kopya olarak hazırlanmıştır. İlk set deney düzeneğinde Potasyum/Sodyum oranları her bir besi ortamı için aynı değerde tutulmuştur (0.05). İkinci set deneylerde ise 16, 20 ve 24 gL-1 konsantrasyonları için Potasyum/Sodyum oranları sırasıyla 0.03, 0.024 ve 0.02 olarak hazırlanmıştır. Her bir besi ortamından (16, 20 ve 24 gL-1) giderim verimlerini tespit etmek amacıyla belirli aralıklarla numuneler toplanmış ve kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) ve fenol konsantrasyon analizleri yapılmıştır. Sistemde üretilen metan gazı miktarı, deney sonuna kadar otomatik metan potansiyeli test kontrol paneli tarafından saatlik olarak kaydedilmiştir. Deneyler sonucunda, en yüksek KOİ (yüzde 96) ve fenol (yüzde 99) giderim verimi, Potasyum/Sodyum oranının 0.024 olarak ayarlandığı test ortamında elde edilmiştir. İki farklı sette de en yüksek KOİ giderimi sodyum konsantrasyonun 16 gL-1 olduğu durumda gözlenmiştir. Sürekli çalışan sistemde deneyler dört farklı sodyum yükleme serisi ile gerçekleştirilmiştir. Bütün çalışma boyunca sodyum konsantrasyonu 6 ile 46 gL-1 arasında değiştirilmiştir. Her bir yükleme serisi 40 gün sürmüş ve sodyum etkisinin incelenmesi için belirli aralıklarla çamur ve çıkış suyundan numuneler toplanıp, analizler yapılmıştır. İlk yükleme serisinde sodyum konsantrasyonu 16 ile 22 gL-1 arasında, 16 gL-1 besleme 24 saat ve 22 gL-1 besleme 48 saat sürecek şekilde değiştirilmiştir. İkinci yükleme serisinde her bir farklı tuz konsantrasyonu ile hazırlanan besiler 24 saat süresince reaktöre verilmiştir. Tuz içeriği 16 gL-l’den başlanılarak 20, 22, 24 ve 26 gL-l şeklinde arttırılmış ve daha sonrasında yine 24 saat aralıklarla kademeli olarak 16 gL-l konsantrasyonuna düşürülmüştür. Üçüncü yükleme serisinde endüstrilerde oluşturulan atıksuların gerçek karakterlerini yansıtmak ve bu ani değişimlerin sistem üzerindeki etkilerini araştırmak amacıyla, geniş bir tuz konsantrasyonu aralığında hazırlanan çözeltiler (6 - 34 gL-l konsantrasyon aralığında), 12, 24 ve 48 saat süre ile sisteme beslenmiştir. Her gün çözelti değiştirilmeden önce çıkış suyu numuneleri toplanmış ve özelliklerini belirlemek amacıyla deneyler uygulanmıştır. Dördüncü ve son sodyum yükleme serisinde yüksek tuz konsantrasyonunun etkisini araştırmak amacıyla sentetik atıksu çözeltileri 34 ile 46 gL-l sodyum konsantrasyonu aralığında hazırlanmış ve her biri 24 saat süre ile membran biyoreaktöre beslenmiştir. Sodyum konsantrasyonunun bakteriyel aktivite üzerine yaptığı etkileri gözlemlemek amacıyla mikroorranizmalar tarafından üretilen hücre dışı polimerik maddelerin bileşenleri ve miktarı ve hücre içerisinde depolanan adenozin trifosfat miktarları analiz edilmiştir. Tuza maruz kaldıktan sonra hücrelerde oluşan hasarı belirlemek için akışlı hücre sayımı yöntemi ile çamur içerisinde bulunan toplam hücre konsantrasyonu ve zarar görmüş hücre konsantrasyonu belirlenmiştir. Bu çalışmalar sonucu sodyum konsantrasyonunun 22 gL-l’yi aştığı durumlarda hücre yapısında ciddi ölçüde hasar meydana geldiği ve bu değerden sonra hücrelerin ortalama olarak yüzde 84’ünün zarar görmüş olduğu gözlenmiştir. Ayrıca, hücre içi enerji depolanmasının düştüğü ve daha az hücre dışı polimerik madde üretiminin gerçekleştirildiği görülmüştür. Çalışmalar sırasında çamur konsantrasyonunun değişimini gözlemek amacıyla toplam katı madde ve askıda katı madde ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Deney başlangıcından bitimine kadar ortamda artan tuz konsantrasyonu sonucu (16 gL-1’den 36 gL-1’ye) askıda katı madde miktarının başlangıç değeri olan 16.4 gL-1’den deney sonucunda 7.6 gL-1’ye düştüğü ve toplam katı madde miktarının sodyum konsantrasyonundaki değişimlere bağlı olarak pozitif bir şekilde değiştiği gözlenmiştir. Çamurun filtre edilebilirliği ve susuzlaştırılma kapasitesi üzerinde tuzun etkisinin araştırılması amacıyla çamur numuneleri ile kapiler emme süresi ve filtre edilebilirlik direnci deneyleri gerçekleştirilmiştir. Tuz konsantrasyonu 23 gL-1’ye artana kadar iki parametrenin de sodyum değişimlerine karşı birbirleri ile benzer davranışlar sergilediği görülmüş ve tuz konsantrasyonu arttıkça her iki parametrenin de düştüğü fakat 23 gL-1 sonrasında tuz konsantrasyonu artmaya devam ettikçe her iki parametrenin de arttığı görülmüştür. Son yükleme serisinde her iki parametrenin de artışının sebebi olarak artan tuz konsantrasyonu etkisinde değişen diğer faktörler (partikül boyut değişimi ve katı madde miktarı) gösterilmiştir. Çamurun fiziksel özelliklerindeki değişimi gözlemlemek amacıyla partikül boyut analizleri, viskozite ve hidrofobisite analizleri yapılmıştır. Bu parametrelerin tuzun doğrudan etkisinden daha çok tuz konsantrasyonları değişimlerine bağlı olarak bakteriler tarafından üretilen hücre dışı polimerik madde konsantrasyonlarından etkilendiği gözlenmiştir. Sistemin her dört yükleme serisi süresince giderim veriminin bulunması amacıyla çıkış suyu numunelerinde KOİ ve fenol konsantrasyonları analiz edilmiştir. Tuz konsantrasyonu arttıkça her iki parametrenin konsantrasyonunun arttığı ve sistemin organik madde giderme veriminin düştüğü sonucu elde edilmiştir. Sistemin 30 gL-1 sodyum konsantrasyonuna kadar, tuzun olumsuz etkilerinin üstesinden gelebildiği ve ortalama olarak yüzde 99 KOİ giderim verimi ile çıkış suyu kalitesi elde ettiği görülmüştür.

Large quantities of saline wastewater are generated by many industrial sectors. Such wastewater containing high salinity and at the same time high organic substitutes, adversely influence the environment, when they discharged without prior treatment. Within the legislations, the removal of the organic compounds and the salinity is becoming stricter before discharge, in many countries. Saline effluents are mostly treated by the physico-chemical processes (e.g. evaporation, coagulation and flocculation, ion exchange and membrane techniques) since the biological treatment is strongly inhibited by salt concentrations. Due to sodium toxicity to sludge, after the treatment of the saline wastewater with conventional biological treatment systems are generating effluents with low quality and low removal efficiencies. Mainly, the performance obtains during a biological treatment depends on a proper adaptation of the microbial community in sludge or the use of halophilic organisms. Microorganisms use two different mechanisms for adaptation to the increases of osmotic pressure at the media. Salt-in; involves K+ uptake and accumulation in the cell body to balance pressure differences between the cell membrane and the media. Salt-out; is a strategy uses compatible solutes, which are uncharged and highly water-soluble organic solutes that will be taken from the environment after an osmotic shock occurs. Both strategies are significant to increase the sludge activity and strength to prevent the microorganism against the hypersaline extracellular environment. High levels of salinity have detrimental impacts on physical and biochemical properties of the biomass. Cell plasmolysis, loss of microbial activity, disintegration and dehydration of bacteria cells, flocculation issues result within the exposure of cell to high salinity conditions. According to the disruptions of cell metabolic functions, low organic degradation capacities are attained. Therefore, biological systems are being considerably sensitive due to the changes of salinity level of the wastewater. Studies have been conducted to investigate the behavior of microorganisms during the biological treatment processes treating highly saline wastewaters however, to the best of our knowledge, they have not yet investigate the degradation of aromatic compounds under saline conditions. In this study, a laboratory scale anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) treating saline synthetic wastewater under mesophilic conditions was used to examine the influence of sodium concentration on the biological and physical properties of the anaerobic biomass. Priorly, to determine the robustness of the continuous system and to assess the K/Na ratios for the adaptation of the microorganisms during the sodium stress, two different biomethane potential test carried out using a batch assay by applying different K/Na ratios, with the inoculum sodium concentrations of 16, 20 and 24gNa+L-1. During both batch assays the media prepared with 16 gNa+L-1 exhibited the highest COD removal efficiencies. The continuous study was carried out with four different salinity loading cycles, each have lasted for forty days. The sodium concentration range of the inlet solution was 6 to 46 gNa+L-1. In order to observe the sodium impact on bacterial activity, the amount and composition of the extracellular polymeric substances (EPS) and adenosine triphosphate (ATP) was examined. The destruction of sodium on cells after exposure was analyzed by determining the total and the damaged cell concentrations with flow cytometry measurements. After the sodium concentration 22 gNa+L-1, significant increase of damage on bacterial cells by 84%, a decrease in bacterial activity and less EPS production were obtained. Total suspended solids (TSS) and volatile suspended solids (VSS) analysis were used to detect the concentration of sludge. After the sodium exposure VSS concentration was decreased from 16.4 gL-1 to 7.6 gL-1. TSS was found to increase with an increase in the sodium concentrations. Sludge dewaterability and filterability was assessed with capillary suction time (CST) and specific resistance to filtration (SRF) characteristics. Both parameters represented a similar trend to an increase in biomass sodium concentration up to 23 gNa+L-1 and decreased. The physical properties were characterized by relative hydrophobicity, particle size distribution (PSD) and viscosity analyses. EPS concentration shows a dominant impact on hydrophobicity and particle sizes due to the changes in sodium concentration. The treatment performance of the system was observed with chemical oxygen demand (COD) removal and phenol degradation capacity of bacteria and the effluent quality was observed with effluent turbidity. The removal efficiency of COD and phenol were decreased with an increase in salinity however, the system was able to overcome the salt fluctuations up to 30 gNa+L-1 with an average COD removal by 99%.