The effect of residual microbial product generation on the modelling of fixed-film systems

Abstract

Atıksu arıtımında uygulanan ilk yöntemlerden biri olan biyofilm sistemleri, aktif çamur sistemlerinin daha etkin gelişmesi ve geniş kullanım alanlarına sahip olması nedeni ile 1960 öncesinde popülaritesini kaybetmişti. Yıllarca, biyofilm tekniği damlatmalı filtrelerde uygulanmış, ancak, düşük akımlı evsel atıksuların ve/veya endüstriyel kaynaklı atıksuların ön arıtımında istenilen verim elde edilmiştir. 1960'lı yılların başında damlatmalı filtrelerde kullanılan dolgu malzemelerinin geliştirilmesine paralel olarak biyofilm sistemlerine olan ilgi yeniden canlanmaya başlamıştır. 1960'lı yılların sonunda ve 1970'li yılların başında döner disk sis¬ temlerinin tasarım yöntemlerinin ve teknolojisinin gelişmesi ile birlikte, uluslararası ticari ilişkilerin hızlanması çeşitli biyofilm sistemlerinin dezavantajlarını azaltmış ve yeniden uygulanmaya başlamıştır. özellikle, 1970'li yolların sonu ve 1980'li yılların başında akışkan yataklı biyolojik reaktörlerin laboratuvar ölçeğinden arazi ölçeğine uyarlanması, biyofilm sistemlerinin değişik reaktör tipleri ile geniş alanlarda uygulan¬ maya başlamasına yol açmıştır. Tasarım esaslarının sürekli gelişmesi ve biyofilm sistemlerinin aktif çamur sistemlerine oranla daha az enerji tüketmesi bu konuda çalışan uzman ve araştırmacıların ilgisini yeniden çekmiştir. Gelişmelere paralel olarak, biyofilm sistemleri¬ ne artan ilgi, bu konudaki modelleme çalışmalarını da hızlandırmıştır. Model çalışmaları, tasarım mühendisliğinin ana yol göstericisidir. Modellemenin önderliğinde herhangi bir konunun teorisi daha iyi kavranabilmekte, hatta model bulguları deneysel yöntemlerle pekiştirildiğinde ortaya geçerliğini yıllarca koruyabilecek çalışmalar konulmaktadır. Deneysel çalışmaların güç, hatta im¬ kansız olduğu durumlarda ise model çalışmalarının geçerliliği çeşitli varsayımlara dayandırılarak mümkün kılınmaktadır.. Bu çalışmaların amacı, karmaşık ve kompleks bir yapıya sahip biyofilm sistemlerinde kalıcı ürün oluşum mekanizmasının modellenmesi ve tasarıma yönelik model bulgularının değerlendirilmesidir. Amaca iki aşamalı modelleme ile ulaşılabilinmiştir. Birinci aşamada, spesi- -xxvii- fik bir biyofilm tabakasında, biyofilmi oluşturan partiküler komponentlerin, (XA., Xs, XE), tabaka boyunca dağılımının, dolayısıyla giderme ve oluşma mekanizmalarının, ki, bu mekanizmalar akı cinsinden ifade edilmektedir, dağılımının modellendiği mikro model'dir. Bu aşamada, biyofilmi oluşturan komponentlerin tabaka boyunca toplam derişimleri değişmemekte, ancak her birinin, herhangi bir noktadaki hacim oranları değişmektedir. 1985'li yılların öncesinde, partiküler komponentlerin toplam kon¬ santrasyonu Monod kinetiğinde kullanılarak sabit kalınlıkta ve sabit mikroorganizma yoğunluğunda, çözünmüş substratın giderme mekanizması, çeşitli analitik ve nümerik yöntemlerle incelenmiştir. Biyofilm sistemlerinde giderme mekanizmasını kontrol eden ikinci dereceden doğ¬ rusal olmayan Monod kinetiği yaklaşımı çeşitli varsayon- larla lineerize edilmiş, 1. ve O. derecelere indirgenerek basitleştirilmiştir. Bu çalışmaların tümünde ilgi sadece çözünmüş substrat'ın giderme mekanizmasına dayanmıştır. Ancak 1980'li yılların ortalarında, biyofilm tabakasını oluşturan mikroorganizmanın, yani, partiküler komponentlerin, tabaka boyunca davranışları dikkati çekmiş ve dolayısıyla çözünmüş kalıcı ürün oluşumunun bu partiküler komponentlerle olan ilgisi ortaya çıkmıştır. 1985 yılında bir grup bilim adamı ve araştırmacının aktif çamur sistemleri için geliştirdikleri "Task Group Model" çalışmasında sözü edilen partiküler komponentler sınıflandırılmış ve 'viabilite' kavramı ortaya çıkmış¬ tır. Bu model çalışması, aynı mikroorganizma faaliyetlerinin ve aynı reaksiyonların gerçekleştiği biyofilm sistemlerine, biyofilm kinetiği kullanılarak uyarlanmıştır. Çalışmanın ikinci aşaması ise "makro model" veya "reaktör modeli" diye adlandırılmıştır. Mikro model bulguları ile reaktör hidroliğinin birleştirildiği bu bölümde, atıksu karakterizasyonunun ve işletme koşullarının, örneğin atıksu debisinin, ve reaktör yüzey alanının değişimi ile modelin sonuçları, kalıcı ürün oluşumu ve toplam ürün oluşumu üzerine incelenmiş ve değerlendirilmiştir. Çözünmüş substratın sistemdeki kütle dengesinden yola çıkılarak reaktöre uygulanabilecek hidrolik yükleme hesaplanarak kalıcı ürün konsantrasyonu bulunmuştur. Mikro model, beş temel bileşen ve üç süreçten oluşmaktadır. Model bileşenleri, kolay ayrışan substrat, Ss, çözünmüş inert ürün, S aktif biyokitle, XA., yavaş ayrışan substrat, XB, ve inert partiküler organik madde, XE'dir. Biyofilm tabakasını oluşturan partiküler komponentler; XA, XB ve XE'dir. Model'de, sabit biyofilm -xxviii- kalınlığı ve yoğunluğu varsayılmıştır. Dolayısıyla, Xv=X/vH-Xs+XE sabittir ancak her bir bileşenin film taba¬ kası boyunca hacimsel oranları değişmektedir. Sistemdeki üç süreç, aerobik heterotrofik çoğalma, heterotrofik bozunma ve hidroliz'dir. Heterotrofik çoğalma sadece kolay ayrışan substratla gerçekleşebilmektedir. Çoğalma süreci Monod tipi bir reaksiyon ifadesiyle temsil edilmiştir. Bozunma aktif biyokitleye göre birinci dereceden bir ifadeyle tanımlanmış, hidroliz ise hem aktif biyokitleye, hem de yavaş ayrışan partiküler maddenin aktif biyokitleye olan oranına bağımlı olduğu varsayılmıştır. Sistemde, biyokitle kolay ayrışabilir substratı kullanarak çoğalmaktadır. Bu süreç içinde oksijen kullanılmakta ve karbondioksit açığa çıkmaktadır. Modelde tekli substratla çalışıldığından oksijen kullanımı sis¬ teme dahil edilmemiştir. Çoğalma ile oluşan aktif biyokitle bozunarak kısmen yavaş ayrışan partiküler substrâ- ta, kısmen de inert partiküler organik maddeye dönüşmektedir, înert partikülür organik madde oluşumu daha başka bir reaksiyona girmemektedir. Yavaş ayrışan partiküler substrat ise hidroliz yoluyla bir kısmı kolay ayrışabilen substrata, diğer kısmı da çözünmüş inert ürüne dönüşmektedir. Çözünmüş inert ürün biyofilm kalınlığı boyunca difuzyonun hız kısıtlayıcı özelliğinden dolayı sıvı faza doğru azalarak ulaşır. / Yukarıda açıklanan çevrim proseslerinde oksijen kullanan tek süreç çoğalmadır ve çoğalma sadece kolay ayrışan substratla olmaktadır. Yavaş ayrışan substrat ise hidroliz yolayla kolay ayrışır hale geçmesiyle dolaylı olarak oksijen kullanımına bağlıdır. Hidroliz yavaş bir süreç olduğundan oksijen kullanımı ve çoğalma, substrat giderimine nazaran gecikmektedir. önerilen modelde, substrat çözünmüş ve partiküler olarak ikiye ayrılmış, dolayısıyla giriş ve çıkış akımlarının etkileşimleri ortaya konulmuştur, özetlenen reaksiyonlar uygun giriş ve çıkış özellikleri kullanılarak, çözünmüş sistem bileşenlerinin, SB ve SR'ın kütle denge denklemleri yazılmıştır. Partiküler madde bileşenlerinin spesifik çoğalmaları tabaka boyunca ifade edilerek, spesifik çoğalma hız sabitlerinin tüm partiküler bileşenler için sınır tabakasında (dayanma yüzeyinde) eşit ve minimum değerde olduğu varsayılmış ve biyofilm kalınlığı boyunca her partiküler komponentin spesifik -xxix- çoğalma ve azalma hızlarının dağılımından yola çıkarak tüm bileşenlerin çoğalma ve giderme eğrileri elde edilmiştir. Kütle denge denklemlerinde sistem bileşenlerinin ortalama değerleri kullanılmıştır. Elde edilen denklem takımları, üç bilinmeyenli, üç non-lineer denklem haline indirgenerek sonlu farklar ve Newton-Ralpson nümerik in- tegrasyon yöntemleri ile kararlı denge hali için çözülmüştür. Her iki modelleme aşaması sonrasında, sistemi oluşturan belli başlı parametreler için duyarlılık analizleri yapılmış ve çeşitli çalışma koşullarında çözünmüş kalıcı ürün ve toplam çözünmüş madde konsantrasyonları saptanmıştır. Bu çalışmalardan elde edilen sonuçlar, aşağıdaki şekilde özetlemek mümkündür. Biyofilm tabakası boyunca, özellikle aktif biyokitle, XA, dağılımı substrat giderme mekanizması ile yakından ilgilidir ve giderme hızını kontrol etmektedir. Biyofilm tabakası boyunca, partiküler komponentlerin davranışı "aktif derinlik" veya "etkili derinlik" diye tanımlanan kalınlığa erişildikten sonra dayanma yüzeyine kadar sabitleşmektedir. Dolayısıyla substrat giderme hızı'da bu derinlikten itibaren dayanma yüzeyine kadar sabit olarak devam eder. Bu durum, kısmen sisteme giren oksijenin tükenmesinden ve kısmen de difuzyonun hız kısıtlayıcı etkisinden olmakta dır. Biyofilm tabakası boyunca, yavaş ayrışan substratın, Xs, diğer iki partiküler komponent'e oranla çok düşük konsantrasyonlara ulaştığı gözlenmektedir. Böylece, kalıcı ürün oluşum mekanizmasının yavaş hızla oluştuğu ortaya çıkmaktadır. Sistemde oluşan yavaş ayrışan substratın ortalama konsantrasyonunun düşük olmasından dolayı giderme hızına karşılık, yine akı cinsinden ifade edilen kalıcı ürün oluşum hızı çok düşüktür. - Kalıcı ürün oluşum mekanizmasının kinetik modellenme- sinde yavaş ayrışan substratın bozunması çok önemlidir. Ancak, model bulguları, bu mekanizmanın oluşan yavaş ayrışan substratın konsantrasyonunun düşük olması nedeni ile ihmal edilebilir düzeyde olduğunu ortaya çıkarmakta dır. Kalıcı ürün oluşum mekanizmasının modellenmesinden de görülebileceği gibi etkili parametreler bH, f3 ve kh' dir. -XXX- - Çözünmüş kalıcı ürün oluşumuna etki eden en önemli dış etkenin, reaktörün toplam yüzey alanının atıksu debisine olan oranı olduğu makro model çalışmasında görülmüştür. A SR* =-. NSR Q kısacası, sıvı fazdaki kalıcı ürün konsantrasyonun sis¬ temin hidrolik şartlarına bağımlı olduğu ortaya çıkmış¬ tır. Akı değerinin düşük olması nedeni ile düşük hidrolik yüklemelerde bile kalıcı ürün konsantrasyonu yüksek çıkmamaktadır. - Çeşitli kabul edilebilir hidrolik ve organik yüklemeler altında makro model bulgularının değerlendirilmesin¬ den ortaya çıkan sonuçlara göre reaktör çıkışında düşük çözünmüş substrat (Ss* < 40 mg/lt) konsantrasyonu gözlendiğinde, yine çıkıştaki kalıcı ürün konsantrasyonun, toplam çözünmüş substrata olan oranı, giriş çözünmüş substratın değişik konsantrasyonlarına bağlı kalarak 0.15 ila 0.65 arasında değişmekte olduğu saptanmıştır. Ancak, daha yüksek çıkış konsantrasyonlarında (40 < Ss* <100 mg/lt,) bu oran 0.15 ila 0.03 arasında değişken giriş substrat kansantrasyonuna bağlı kalarak değiştiği gözlenmiştir. - Sistemin hidrolik yükünü etkileyen diğer faktörler ise; çözünmüş substrat cinsinden atıksu giriş ve çıkış konsantrasyonlarıdır. Dolayısıyla, kalıcı ürün konsantrasyonu giriş ve çıkış konsantrasyonlarının da dolaylı fonksiyonudur. Sabit çıkış konsantrasyonu düşünüldüğün¬ de, kalıcı ürün konsantrasyonu giriş konsantrasyonunun değişimi ile doğru orantılıdır. - Biyofilm -sistemleri ile aktif çamur sistemleri, kalıcı ürün oluşum mekanizması açısından, aynı giriş ve çıkış şartlarında karşılaştırıldığında, biyofilm sistemlerinde oluşan ve sıvı faza geçen kalıcı ürün konsantrasyonu'nün aktif çamur sistemlerine oranla daha fazla aktif biyokitleyi bünyelerinde bulundurdukları halde daha düşük olduğu ortaya çıkmıştır. Bu durumun, biyofilm kalınlığı boyunca difüzyonun hız kısıtlayıcı etkisinden olduğu. gözlenmiştir. Dayanma yüzeyindeki kalıcı ürün konsantrasyonu, aktif çamur sisteminde açığa çıkan kalıcı ürün konsantrasyonundan daha yüksektir. Ancak difüzyonun hız kısıtlayıcı etkisinden kalıcı ürün konsantrasyonu, film tabakası boyunca azalarak sıvı faza geçmektedir. -İCKKİ- - Geliştirilen modelin birkaç örnek çalışma ile anaerobik şartlara uyarlanması yapılmış, sonuçta hidroliz prosesinin ihmal edilebilir düzeyde olduğu gözlenmiştir. Dolayısıyla, sıvı fazda kalıcı ürün konsantrasyonu aerobik biyofilm sistemlerine oranla çok daha düşük olduğu ortaya çıkmıştır. Biyofilm kalınlığı boyunca, yavaş ayrışan substrat konsantrasyonunun çok düşük olması, sistem gereği etkili parametrelerin düşük olması, hidroliz prosesinin çok yavaş hızda gerçekleştiğini göstermektedir. Sistemde, hidrolik yükün çok düşük alınması bile, sıvı fazda kalıcı ürün konsantrasyonunu arttırmamakta- dır. Biyofilm konusunda yürütülen tüm çalışma ve araştırmaların ana hedefi, bilgi boşluklarını doldurarak, bilgi birikimini arttırmak ve teorisini daha açıklığa kavuşturmaktır. Karmışak yapısından dolayı kompleks halde ifade edilebilen biyofilm kinetiği ve model çalışmaları doğrultusunda önerilebilecek çalışmalar ise şöyle sıralandırılabilir; Benzer modelleme çalışmasına çiftli, hatta çoklu substrat kullanılarak devam edilmesi, - Geliştirilmiş olan iki aşamalı modelin nitrifikasyon ve denitrifikasyon proseslerinin de uygulandığı durumla ra uyarlanması, - Geliştirilmiş olan iki aşamalı modelin, bir kısmı anaerobik, diğer bir kısmı aerobik çalışan bir biyofilm tabakası gözönüne alınarak uygulanabilirliğini saptamak şeklinde düşünülmektedir.

The simulation model developed in this thesis emphasizes on differentiation betveen readily biodegradable and slowly biodegradable substrate, incorporates the concepts of viability of active biomass and inert soluble residual product formation for attached grovth systems in a similar manner as is formulated for the suspended growth systems. The basic attempt of this study is to give more insight to the scientist, even to the designer involved in fixed-film systems and to increase the present state of knovledge on both the design and performance of such systems where till now, their design vere mainly based on empirical relations and on fundamental mass transport and diffusion theory. in Part I, the significance and the objectives of the work are summarized. in Part II, theoretical approach to fixed-film kinetics is. revievred. An overviev of various kinetic models that have gained importance from the scientific point of vievr as well as the significant loading criteria including flow rate, surface hydraulic loading^ influent substrate concentration are mentioned in detail. The theoretical background of the model is introduced in Part III enriched by the definition of both kinetic and stoichiometric parameters used in the two-staged modelling. The model at two levels, (micro and macro) and the related steady-state eguations together with the basic functions of the model are given in Part IV. Part V, involves the evaluation of the model uhder various operating conditions. The effect of certain governing parameters on the model are analysed in Part VI, together with application of the model to anaerobic fixed-film systems. Part VII includes the conclusions derived from this work along with recommendations.