Soluble microbial product formation in biological systems

Abstract

Son yıllarda yapılan çalışmalarda, biyolojik arıtma sistemlerinin çıkış suyundaki çözünmüş organik madde konsantrasyonunun önemli bir kısmının biyolojik arıtma esnasında meydana gelen çözünmüş mikrobiyal ürünlerden (Soluble Microbial Products, SMP) oluştuğu görülmüştür. Ayrıca mikrobiyal ürünlerin yapısının giriş substrat karakterinden tamamen farklı ve miktar olarak giriş konsantrasyonuna bağlı olduğu anlaşılmıştır. Halbuki yakın geçmişe kadar biyolojik arıtma sistemlerinin çıkış akımında bulunan çözünmüş organik maddelerin, giriş akımında bulunan organik maddelerle aynı karakterde ve giriş konsantrasyonundan bağımsız olduğu kabul edilmekteydi. Elde edilen yeni bulgular, biyolojik arıtma sistemlerinin kinetiği ve dolayısıyla tasarım parametreleri ile deşarj standartlarının değerlendirilmesi açısından büyük önem taşımaktadır. Biyolojik arıtma sistemlerinin çıkış akımındaki çözünmüş organik maddelerin ikinci önemli kısmı da biyolojik olarak inert olduğu için biyolojik arıtma sistemlerinde hiçbir değişikliğe uğramayan giriş akınımdan gelen çözünmüş inert organik kısımdır (Sı). Böylece biyolojik arıtma sistemlerinin çıkışındaki kalıcı çözünmüş organik madde konsantrasyonu ( SR), aşağıdaki gibi ifade edilebilir; SR= Si+SMP (1) Burada giriş atıksuyundaki biyolojik olarak ayrışabilen organik maddelerin tamamen giderildiği kabul edilmiştir. Literatürde çözünmüş inert organik madde konsantrasyonunun (Sı) önemi belirtilmiş ve tayini için yöntemler geliştirilmiştir. Bu yöntemler biyolojik arıtılabilirlik ve deşarj standartlarının değerlendirilmesi açısından oldukça önemli bilgiler vermektedir. Ancak SMP'nin deşarj standartları açısından önemi henüz açıklık kazanmamıştır. Ayrıca aerobik ve özellikle anaerobik arıtma sistemlerinde, SMP'nin oluşum mekanizması, miktarı, karakteri ve farklı biyolojik proseslerdeki davranıştan hakkında yeterli bilgi birikimine ulaşılamamıştır. xıx Bu çalışmanın ana amacı biyolojik arıtma sistemlerinde oluşan çözünmüş mikrobiyal ürünlerin miktarı, yapısı ve etkili sürecin mekanizması konularına deneysel verilerle açıklık getirmektir. Ayrıca sentetik ve endüstriyel atıksuların aerobik ve anaerobik arıtılması sonucunda oluşan mikrobiyal ürünlerin miktar ve yapı olarak karşılaştırılması amaçlanmıştır. SMP biyolojik arıtma sürecinde oluşan, çok farklı moleküler ağırlıklara sahip organik maddelerden oluşmaktadır. Literatürde SMP'nin humik ve fülvik asitler, polisakkaritler, proteinler, nükleik asitler, organik asitler, amino asitler, antibiyotik steroidler, enzimler, hücre yapısının bileşenleri ve enerji metabolizması ürünlerinden oluştuğu belirtilmiştir. SMP başlıca üç kategoriye ayrılmaktadır ; 1- Mikroorganizmaların çevreye uyum sağlarken ortama saldıkları enzim türü bazı organik maddeler, 2- Substratın ayrışması ve mikroorganizmaların metabolik süreçleri sırasında meydana gelen organik maddeler, SMPs 3- İçsel solunum sonucunda (hücre çözünmesi ve ölümü ) oluşan organik maddeler, SMPE Mikrobial ürünlerin bir kısmı biyolojik olarak parçalanabilmektedir. Ancak bunun için çok uzun süre gerektiğinden, biyolojik sistemlerde, normal bekletme süreleri içinde inert olarak kabul edilmektedirler. Bugüne kadar yapılan çalışmalarda, biyolojik arıtma sonucunda yüksek konsantrasyonlarda SMP 'nin oluştuğu görülmüştür. Ancak oluşan SMP'nin miktarı, yapısı ve farklı biyolojik proseslerdeki davranışları hakkında çok az çalışma bulunmaktadır. Özellikle anaerobik ve iki kademeli biyolojik arıtma sistemlerinde oluşan SMP hakkında yapılan çalışmalar yok denecek kadar azdır. Bu çalışma kapsamında aerobik, anaerobik ve iki kademeli biyolojik proseslerde oluşan SMP 'nin miktarı, yapısı ve oluşum mekanizması hakkında literatürdeki eksikliğin giderilmesi ve pratikte dikkate alınması gereken hususların aydınlanması açısından bir dizi deneysel çalışma ve inceleme yapılmıştır. Deneysel çalışmalar iki ana bölümde yürütülmüştür. I. Bölümde glikozun (kolay ayrışabilen substrat olarak) değişik başlangıç KOI konsantrasyonları için aerobik ve anaerobik arıtma proseslerinde oluşturduğu SMP'nin miktarı ve yapısı araştırılmıştır. n.Bölümde fermantasyon endüstrisine ait atıksuyun (yavaş ayrışabilen substrat olarak) aerobik, anaerobik ve iki kademeli arıtma proseslerinde oluşturduğu SMP' nin miktarı ve yapısı araştırılmıştır. XX Bu bölümlerin kapsamında yürütülen çalışmalarda elde edilen sonuçlar aşağıda özetlenmiştir. GLİKOZ İLE YAPILAN ÇALIŞMALAR a) Aerobik Çalışma Bu bölümde glikozun aerobik şartlarda ayrışması esnasında oluşan SMP incelenmiştir. Değişik başlangıç KOI konsantrasyonları için SMP ile giriş KOI ( SD ) arasındaki ilişki incelenmiştir. Yapılan deneysel çalışmalarda SMP ile S0 arasında doğrusal bir ilişki olduğu görülmüş ve aşağıdaki denklemle ifade edilmiştir. SMP = 0.037 So + 15 (2) Bu denklem giriş substrat konsantrasyonu 400 ile 4500 mg KOI/L arasındaki değerler için yapılan deneysel çalışmalar sonucu bulunmuştur. Ayrıca S0'ın artmasıyla SMP/S0 oranının düştüğü gözlenmiştir. b) Anaerobik Çalışma Yukarıda anlatılan aerobik çalışmaya benzer şekilde değişik başlangıç KOI konsantrasyonlar için SMP'nin S0'la değişimi incelenmiştir. Bu çalışmanın sonucunda, aerobik çalışmada olduğu gibi, S0 arttıkça SMP miktarının arttığı ve aralarında doğrusal bir ilişki olduğu görülmüştür. Deneylerden elde edilen sonuçlar aşağıdaki denklemle ifade edilmiştir. SMP = 0.012 S0+ 10 (3) Bu denklem glikoz konsantrasyonları 2000-6000 mg KOI/L arasında yapılan deneysel çalışmalar sonucunda elde edilmiştir. Anaerobik çalışmalarda da S0 arttıkça SMP/So oranının azaldığı gözlenmiştir. c) Moleküler Ağırlık Dağılım Analizleri Yukarıdaki bölümlerde glikozun aerobik ve anaerobik arıtma proseslerinde ayrışması esnasında oluşan SMP miktarı ile S0 arasındaki ilişki incelenmiştir. Bu bölümde ise SMP'nin yapısı hakkında bilgi edinmek için gel filtrasyon yöntemi kullanılarak moleküler ağırlık dağılım analizi yapılmıştır. Glikozun aerobik ve anaerobik olarak ayrışmasından meydana gelen SMP'nin moleküler ağırlık dağılımı aşağıdaki gibi bulunmuştur. xxı Tablo 1 Aerobik ve anaerobik proseslerde oluşan SMP'nin MWD (%) Kısımlar Aerobik Anaerobik MW<1K 59 57 1K<mw<mw25K 11 12 Bilindiği gibi glikozun moleküler ağırlık dağılımının %100'ü 1000 Dalton' un (İK) altındadır (MW=180 dalton). Ancak yukarıdaki tabloda görüldüğü gibi aerobik ve anaerobik arıtma sonucunda oluşan SMP'nin sırasıyla %59 ve %57' sinin MW'i İK' nın altında bulunmuştur. Analiz sonuçlan SMP'nin glikoza göre çok daha yüksek moleküllü ve daha kompleks bileşiklerden oluştuğunu göstermektedir. Söz konusu bu bileşiklerin giriş substrat yapısından tamamen farklı, biyolojik arıtma prosesinde oluşan mikrobiyal ürünler olduğu görülmüştür. d) Aerobik ve Anaerobik Deney Sonuçlarının Karşılaştırılması SMP Değerlerinin Karşılaştırılması Aşağıdaki tabloda aerobik ve anaerobik çalışmalardan elde edilen sonuçlar verilmiştir. Tablo 2 Aerobik ve anaerobik glikoz deneylerinin sonuçları XXU Tablo 2'de özetlenen deneysel sonuçlar kullanılarak S0'a karşı SMP grafiği çizilmiştir. Şekil 1 'de görüldüğü gibi anaerobik prosese göre aerobik proseste 2-3 kat daha fazla SMP oluşmuştur. Ayrıca S0 arttıkça her iki proses için SMP/S0 oranının azaldığı görülmüştür. 1000 2000 3000 So, mg/L 4000 5000 6000 Şekil 1 Aerobik ve anaerobik sistemlerde SMP ile S0 arasındaki ilişki MWD Analiz Sonuçlarının Karşılaştırılması MWD analizlerinden elde edilen sonuçlar aşağıdaki şekilde sunulmuştur. Şekil 2 Glikoz ile aerobik ve anaerobik arıtma sonucunda oluşan SMP'nin MW dağılımlarının karşılaştırılması Grafikten görüldüğü gibi aerobik ve anaerobik proseste oluşan SMP'lerin MW dağılımları arasında belirgin bir fark bulunmamaktadır. XXU1 Özetlenecek olursa glikoz ile yapılan çalışmalarda, aerobik ve anaerobik sistemlerde oluşan SMP'nin miktarının SDİa arttığı ancak SMP/S0 oranının azaldığı görülmüştür. Ayrıca aerobik proseste oluşan SMP miktarının anaerobik prosese nazaran daha yüksek olduğu, ancak MW dağılımlarının benzer olduğu görülmüştür. FERMANTASYON ENDÜSTRİSİ ATTKSUYU İLE YAPILAN ÇALIŞMALAR a) Atıksuyun Giriş Çözünmüş Inert Fraksiyonunun Tayini Çalışmanın bu bölümünde fermantasyon endüstrisi atıksuyunun çözünmüş inert fraksiyonu aerobik ve anaerobik deney koşullarında tayin edilmiştir. Sı/S" oranı aerobik proses için Karşılaştırmalı ve Doğrudan Tayin yöntemleri kullanılarak sırasıyla 0.117 ve 0.122, anaerobik proses için Doğrudan Tayin yöntemi kullanılarak 0. 164 olarak bulunmuştur. Görüldüğü gibi Karşılaştırmalı yöntem ile Doğrudan Tayin yöntemlerinin sonuçlan birbirine oldukça yalandır. Ancak anaerobik proses için bulunan Sı/S0 oranı, uçucu asitten ve proses farklılığından dolayı aerobik prosese göre çok yüksek bulunmuştur. Bu nedenle anaerobik proses için Sı hesaplanırken uçucu asit düzeltme faktörü göz önüne alınmıştır. Nitekim anaerobik deneyler için uçucu asit düzeltmesi yapıldığında Sı/So oranı 0.136 olarak bulunmuştur. Bu durumda aerobik ve anaerobik proses için bulunan Sı/SQ oranlarının birbirine çok yaklaştığı görülmüştür. b) Aerobik Çalışma Fermantasyon endüstrisi atıksularıyla değişik giriş konsantrasyonları (S0) için kesikli reaktörlerde deneyler yürütülmüş ve SMP'nin S0'la değişimi incelenmiştir. Bu deneylerin sonucunda glikozda olduğu gibi SMP ile S" arasında doğrusal bir ilişki olduğu görülmüştür. Diğer bir deyişle, S0 arttıkça SMP artmaktadır, ancak her ikisinin artış oranı aynı değildir. SMP ile S0 arasındaki ilişki aşağıdaki denklemle ifade edilmiştir. Sr= 0.196 S" + 89 (3) SMP = 0.076 S"+ 89 (4) Bu denklemler fermantasyon atıksularıyla 1500-6000 mg KOI/L konsantrasyonlarda yapılan deneysel çalışmalar sonucunda bulunmuştur. Ayrıca glikozla yapılan deneylerde olduğu gibi S"'ın artmasıyla SMP/S0 oranının düştüğü gözlenmiştir. XXIV c) Anaerobik Çalışma Aerobik çalışmada olduğu gibi değişik başlangıç KOI konsantrasyonlarında reaktörler kurulmuş ve platodaki kalıcı KOI ve SMP değerleri ile SG arasındaki ilişki incelenmiştir. Deney sonuçlan kullanılarak SR ve SMP ile S0 arasındaki ilişki aşağıda verilen denklemlerle ifade edilmiştir. Sr = 0.198So + 180 (6) SMP = 0.034S"+180 (7) Bu denklemler fermantasyon endüstrisi atıksularıyla, 2000-6000 mg KOI/L başlangıç konsantrasyonlarla yapılan deneysel çalışmalar sonucunda elde edilmiştir. d) Moleküler Ağırlık Dağılım Analizleri Fermantasyon endüstrisi atıksularıyla yürütülen aerobik ve anaerobik deneylerdeki reaktörlerin platolarından alınan numunelerin MW dağılımları incelenmiştir. Bu endüstriye ait atıksuyun aerobik ve anaerobik arıtma çıkışının MW dağılımları aşağıda verilmiştir. Tablo 3 Fermantasyon endüstrisi atıksuyunun giriş, aerobik ve anaerobik çıkış MW dağılımları (%) Kısımlar HamAtıksu Aerobik Çıkış Anaerobik Çıkış Tablo 3 'de görüldüğü gibi fermantasyon endüstrisi atıksuları kullanıldığında aerobik ve anaerobik arıtma çıkışındaki kalıcı organik maddelerin MW fraksiyonlarının giriş atıksuyundan farklı ve çok daha yüksek olduğu görülmüştür. Giriş atıksuyunda MW>10K kısmı %3 iken, aerobik ve anaerobik arıtma çıkışında sırasıyla %30 ve %21'dir. Ayrıca giriş atıksuyunda MW>25K kısmı bulunmazken, aerobik arıtma çıkışında %17, anaerobik arıtma çıkışında %13 olarak bulunmuştur. Bu sonuçlar biyolojik arıtmanın giriş atıksuyundan çok daha yüksek moleküler ağırlığa sahip ürünler oluşturduğunu göstermektedir. XXV e) Aerobik ve Anaerobik Deney Sonuçlarının Karşılaştırılması SMP Değerlerinin Karşılaştırılması Fermantasyon endüstrisi atıksuyu ile yapılan aerobik ve anaerobik deneylerin sonuçlan aşağıdaki tabloda özetlenmiştir. Tablo 4 Fermantasyon endüstrisi atıksuyu ile yapılan aerobik ve anaerobik çalışmaların sonuçları Yukarıdaki tabloda verilen sonuçlar kullanılarak aerobik ve anaerobik sistemlerin çıkışındaki SMP ile S0 arasındaki ilişki aşağıdaki grafikte verilmiştir. 1000 2000 3000 4000 So, mg/L 5000 6000 7000 Şekil 3 SMP ile S0 arasındaki ilişki Şekil 3 'de görüldüğü üzere anaeroik proseste aerobik prosese göre daha az SMP oluşmaktadır ve SMP/S0 oranı her iki proses için S0 arttıkça azalmaktadır. XXVI e) Aerobik ve Anaerobik Deney Sonuçlarının Karşılaştırılması SMP Değerlerinin Karşılaştırılması Fermantasyon endüstrisi atıksuyu ile yapılan aerobik ve anaerobik deneylerin sonuçları aşağıdaki tabloda özetlenmiştir. Tablo 4 Fermantasyon endüstrisi atıksuyu ile yapılan aerobik ve anaerobik çalışmaların sonuçları S0 S^ SMP SMP/S0 SJj/SÜ (mg KOI/L) (mg KOI/L) (mg KOI/L) Yukarıdaki tabloda verilen sonuçlar kullanılarak aerobik ve anaerobik sistemlerin çıkışındaki SMP ile S0 arasındaki ilişki aşağıdaki grafikte verilmiştir. 1000 2000 3000 4000 So, mg/L 5000 6000 7000 Şekil 3 SMP ile S0 arasındaki ilişki Şekil 3 'de görüldüğü üzere anaeroik proseste aerobik prosese göre daha az SMP oluşmaktadır ve SMP/S0 oranı her iki proses için S0 arttıkça azalmaktadır. XXVI MWD Analiz Sonuçlarının Karşılaştırılması Şekil 4'de görüldüğü gibi fermantasyon endüstrisi atıksularının aerobik ve anaerobik arıtma çıkışında MW dağılımları birbirine yakındır. Ancak burada şunu belirtmek gerekir ki; MW>10K kısmı aerobik arıtma çıkışında %30 iken anaerobik arıtma çıkışında %21 olarak bulunmuştur. Dolayısıyla aerobik arıtma çıkışının MW fraksiyonlarının anaerobik arıtma çıkışına nazaran biraz daha yüksek olduğu anlaşılmaktadır. MW<1K 1K<mw<mw25K Şekil 4 Fermantasyon atıksuyunun giriş ve biyolojik arıtma çıkış MW dağılımlarının karşılaştırılması h) İki Kademeli Arıtma Prosesinde SMP Oluşumu Anaerobik arıtma sonucunda platoya gelmiş değişik başlangıç konsantrasyonlu fermantasyon endüstrisi atıksuları müteakip aerobik arıtmaya tabi tutulmuştur. Anaerobik arıtma çıkışında kalıcı KOI'nin aerobik proseste %32 civarında giderildiği görülmüştür. Aerobik arıtma sonrasında platoya gelmiş fermentasyon endüstrisi atıksuyu anaerobik arıtmaya tabi tutulmuş ve yaklaşık % 23 verimle KOI giderimi sağlanmıştır. GLİKOZ VE FERMENTASYON ENDÜSTRİSİ ATIKSUYU İLE YÜRÜTÜLEN DENEYLERİN SONUÇLARININ KARŞDLAŞTIRILMASI Glikoz ve fermantasyon endüstrisi atıksuyu ile yürütülen deneylerde elde edilen sonuçlar aşağıda karşılaştırılmıştır. a) Aerobik Çalışma Glikoz ve fermantasyon endüstrisi atıksuyunun aerobik proseste değişik başlanıç KOI değerleri için oluşturduktan SMP aşağıdaki grafikte S0' a karşı çizilmiştir. XXV11 600 500 400 O) E. 300 & 2 W 200 100 y = 0,076x + 89 R2 = 0,9873 FIE y = 0,0374x+15 R2 = 0,995 Glucose O 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 So, mg/L Şekil 5 Glikoz ve fermantasyon endüstrisi atıksuyu için SMP ile S0 arasındaki ilişki Grafikten de görüldüğü gibi aerobik arıtma esnasında fermantasyon endüstrisi atıksuyu glikoza nazaran 2-3 kat daha fazla SMP oluşturmuştur. b) Anaerobik Çalışma Aerobik çalışmada olduğu gibi, glikoz ve fermantasyon endüstrisi atıksuyunun anaerobik proseste değişik başlanıç KOI değerleri için oluşturdukları SMP aşağıdaki grafikte S0' a karşı çizilmiştir. 500 450 400 350 =d 300 o E. 250 D. İ 200 150 100 50 1000 2000 3000 4000 5000 So, mg/L 6000 7000 Şekil 6 Glikoz ve fermantasyon atıksuyu için anaerobik proseste oluşan SMP ile SG ilişkisi Şekil 6'da görüldüğü gibi her iki substratın oluşturduğu SMP arasındaki fark (5-7 kat) oldukça yüksektir. Bu çalışmalar sonucunda, zor ayrışabilen substratların daha fazla miktarda ve çok belirgin olmamakla birlikte daha yüksek moleküler ağırlıklığa sahip SMP oluşturduğu görülmüştür. </mw</mw

In this study, Soluble Microbial Product (SMP) formation in aerobic and anaerobic degradation of Glucose and of Fermentation Industry Effluent (FIE) were investigated Each substrate was investigated aerobically and anaerobically for various initial soluble COD concentrations (S0) to find out the quantity of SMP produced at each concentration and to develop a relationship between SMP and S". Furthermore, the effluent of both substrates in aerobic and anaerobic treatment were applied to gel permeation chromatography (GPC) for determination of molecular weight distributions ( MWD ). The following results were derived from this study ; * The relationship between SMP and So for Glucose and FIE can be described by the following equations: Glucose FIE Aerobic SMP = 0.037 S0+ 15, SMP = 0.076 S" + 89 Anaerobic SMP = 0.012 S" + 10, SMP = 0.034 S"+ 180 * As S0 increases SMP increases while SMP/S" decreases for both substrates in both of the processes and the quantity of SMP generated during aerobic process is more than that of anaerobic process for either glucose or FIE. * Biological treatment effluent has higher MW fractions than influent for both substrates. The MWD of FEE associated residual components in aerobic and anaerobic process were similar and slightly higher than that of glucose. * As a result of two-stage treatment of the FT£, it was observed that the residual soluble COD for one phase was partially degraded in the other phase. * A slowly degradable substrate resulted in more SMP in magnitude with slightly higher MW fractions than a readily degradable one.