Bağlı Büyümeli Prosesler

Askıda biyokütleye dayalı biyolojik prosesler (mesela aktif çamur prosesleri) küçük ve büyük atıksu arıtma tesislerinde organik madde ve nutrient gideriminde etkilidir. Fakat çamur çökelme problemleri, büyük reaktör ve çökelme tankları ihtiyaçları ve biyokütle geri devir ihtiyacı bulunmaktadır. Özellikle, çamur çökelebilirliği küçük atıksu arıtma tesislerinde ciddi işletme problemlerine sebep olabilir. Aktif çamur prosesleri problemleri olmaksızın organik karbon ve azot gideriminde biyofilm proseslerin güvenilir olduğu ispatlanmıştır (Pastorelli vd., 1997).

Atıksu arıtımında biyofilm teknolojisi uygulaması ilk Wales’te 1880’lerde damlatmalı filtrelerin tam ölçekli işletimiyle ortaya çıkmıştır. Son 10 yıldır hem kentsel hem de endüstriyel atıksu arıtımında biyofilm proseslere ilgi konusunda önemli bir artış vardır. Biyofilm prosesler aktif çamur proseslerinin bazı problemleri olmaksızın organik karbon ve azot gideriminde güvenilir olduğunu göstermiştir.

Askıda büyümeli atıksu arıtma sistemleriyle karşılaştırıldığında bağlı büyümeli biyofilm sistemleri aşağıdaki avantajları sunmaktadır:

1. Arıtma sonuçları biyokütle ayırmaya oldukça daha az bağlıdır. Çünkü ayrılacak biyokütle konsantrasyonu aktif çamurunkinden 10 kat daha düşüktür. Çok daha küçük boyutlarda çökeltme havuzlarına ihtiyaç duyarlar.

2. Çamur geri devri olmadığı için bağlı biyokütle daha fazla özelleşmiş olmaktadır. 3. Gerekli olan enerji daha az

4. Basit işletme ve daha az ekipman bakımı

5. Çamur kabarması problemi yok ve çamur yoğunlaşma özellikleri daha iyi

6. Yüksek spesifik yüzey alanına sahip biyofilm malzemesinin mevcudiyetinden dolayı daha az yer kaplaması

7. Daha az yere ihtiyaç olduğu için arıtma tesisi çok daha kompakttır (önemli bir maliyet faktörü).

8. Aynı ekosistem içinde aerobik ve anoksik mikroorganizmaların birlikte bulunması

9. Şok yüklere karşı daha az duyarlılık ve daha iyi iyileştirme 10. Yüksek biyokütle tutma ve yüksek biyokütle konsantrasyonu 11. Uzun çamur çökelme periyodunun eliminasyonu

13. Yüksek çamur bekletme sürelerinde işletme imkanı (Ødegaard vd., 1994; Ødegaard, 2000; Rodgers ve Zhan, 2003).

Ancak biyofilm proseslerin potansiyel dezavantajı biyofilm tabakasına substratların ve oksijenin difüzyon sınırlamasıdır, artan biyofilm kalınlığı ile daha kritik olmaktadır (Rouse vd., 2007).

Biyofilm tabakası mikroorganizma, yüzey ve ekstraselüler polisakkaritten (EPS) oluşmaktadır. EPS, biyofilm tabakasında bakterilerin hücre dışına saldıkları maddelerdir ve bakterileri bir arada tutmaktadır. Bu jelsi tabaka (ekzopolisakkaritler) negatif yüklüdür ve büyük miktarlarda besin moleküllerini kendilerine bağlar. Aşırı besinsizlik durumunda bakterilerin kendilerinin ya da diğer türlerin ürettiği EPS tabakasını yıkarak beslenme amacıyla tükettikleri de bilinmektedir (Türetgen, 2005).

Biyofilmler yüzeye bağlanan ekstraselüler polisakkarit matriksindeki canlı hücreler, ölü hücreler ve hücre yıkıntılarından ibarettir. Substratlar, nutrientler, inhibitörler ve elektron alıcılar sıvı sınır tabakası boyunca ortam sıvısından filme difüze olmakta ve büyüme için hücreler tarafından kullanılmaktadır. Biyofilmin dışına reaksiyon ürünlerinin zıt difüzyonu da mevcuttur. Gaz şeklindeki son ürünlerin dışarı difüzyonu yavaş olduğundan biyofilm içerisinde birikmelere neden olur. Biriken gaz kabarcıkları biyofilm yapısını bozduğu için biyofilmde sıyrılma gerçekleşmektedir.

Biyofilmlerin iç özellikleri; yaşı, kalınlığı, yoğunluğu, porozitesi ve eğriliği büğrülüğü ile büyük ölçüde farklı olmaktadır. Özellikle biyofilmlerde substrat ve mikrobiyal dağılımlar biyofilm kalınlığı ile değişmektedir (Hibiya vd., 2004).

Biyofilmlerde difüzyon; biyofilm yoğunluğu, yaşı, kalınlığı, filamentlerin kalınlığı, film türleşmesi, elektrostatik etkileşimler tarafından etkilenmektedir. Aerobik solunum, oksidasyon/redüksiyon reaksiyonlarında önemli olan oksijen geçişi, biyofilm yapısı ve hücrelerin kullanım hızıyla değişmektedir (Bishop vd., 1995).

Biyofilm mikroorganizmaları atıksularda mevcut olan organik maddeyi ayrıştırmaktadır. Biyofilm kalınlığındaki artış biyofilmin daha derin tabakalarına oksijen difüzyonunu sınırlamaktadır. Malzeme yakınında anaerobik ortam oluşmakta ve daha derindeki mikroorganizmalar organik maddelerin azalan miktarlarıyla yüzleşmekte ve büyüme içsel solunuma girmektedir. Biyofilmler yüzeyden kopmakta ve kopmayı yeni bir biyofilm oluşumu izlemektedir (Bitton, 1999).

Biyolojik olarak ayrışabilen organik maddenin varlığından dolayı azalan nitrifikasyon heterotrofik ve ototrofik bakteriler arasındaki rekabetin bir sonucudur.

Biyofilm reaktörlerde nitrifiyerler için oksijen sınırlaması oluştuğunda heterotrofik biyofilm tabaka nitrifiye bakterileri kapladığı ileri sürülebilir. Bu nedenle prosesi, organik maddenin temel kısmının ilk basamakta giderildiği 2 veya daha fazla kademeye bölmek uygundur. Biyofilm kalınlığı; temel olarak reaktör sistemine, biyofilm taşıyıcı konfigürasyonuna, aşınma ve substrat yüküne bağlı olacaktır. Nitrifiye bakterilerin fraksiyonu biyofilm kalınlığı, organik yük, amonyum ve oksijen konsantrasyonunun ortam konsantrasyonuna bağlı olacaktır (Ǽsøy vd., 1998).

Biyofilm prosesler iki kategoriye ayrılabilir: Sabit ortamlı sistemler ve hareketli ortamlı sistemler.

3.2.1. Sabit Ortamlı Biyofilm Prosesler

Sabit ortamlı sistemlerde biyofilm malzemesi reaktörler içinde durgundur. Biyolojik reaksiyonlar durgun malzeme üzerinde gelişen biyofilmde yer almaktadır. Bu sistemler damlatmalı filtreler ve biyolojik havalandırmalı filtreleri kapsamaktadır.

Damlatmalı filtrelerde kullanılan filtre malzemesi mikrobiyal büyüme için geniş bir yüzey alanı sağlamaktadır. Damlatmalı filtre malzemesi üzerinde oluşan biyofilme zoogleal film denilmektedir. Bakteriler, fungiler, algler, protozoa ve diğer yaşam formlarından oluşmaktadır. Çözünmüş organik madde alımı ve parçalanmasında bakteriler aktif rol oynamaktadır. Kolloidal organik madde de filtrede tutulmakta ve ekstraselüler enzimler tarafından ayrıştırılmaktadır.

Organik madde ile katı yüzey şartlanmasından sonra yüzeyde gram negatif bakterileri takiben filamentli bakteriler kolonlaşmaktadır. Katı yüzeye kalıcı adsorpsiyon polisakkarit içeren matriks oluşumuna ihtiyaç duymakta ve buna glycocalyx denilmektedir. Bu polisakkaritler filtre malzemesinin yüzeyine biyofilm mikroorganizmaların sıkıca bağlanmasına yardım eder. Glycocalyx metal iyonlarını kompleksleştiren polianyonik bileşikleri bakımından zengin olan bir yüzey sağlamaktadır.

Amonyumu nitrit yoluyla nitrata dönüştüren nitrifiyerlerin biyofilmlerde oksik tabakada yer aldığı gözlenmiştir. Damlatmalı filtrelerde nitrifikasyon boyutu sıcaklık, ÇO, pH, inhibitor varlığı, filtre derinliği ve malzeme tipi, yükleme hızı ve atıksu BOİ’sini kapsayan çeşitli faktörlere bağlı olmaktadır.

Düşük hızlı damlatmalı filtreler yüksek miktarda nitrifikasyon yapan popülasyonun gelişimine izin vermektedir. Tersine yüksek hızlı filtreler daha yüksek yükleme hızı ve

biyofilmin sürekli kopmasından dolayı nitrifikasyona izin vermemektedir. Daha yüksek yükleme hızlarında nitrifikasyon azalması biyofilmde heterotrofların baskın olmasındandır.

Damlatmalı filtreler kolay işletiminden, düşük bakım maliyetlerinden ve güvenirliliğinden dolayı küçük yerleşim yerleri için caziptir. Toksik endüstriyel çıkış sularını arıtmak için kullanılmaktadır. Toksik girdilerin şok yüklemelerine karşı koyabilir. Yüksek organik yük biyofilmlerde yapışkan bakterilerin aşırı büyümesinin sonucu olarak filtre tıkanmasına yol açabilir. Aşırı biyofilm büyümesi damlatmalı filtrelerde koku problemlerine sebep olabilir. Tıkanma hava sirkülasyonunu sınırlamakta, biyofilm organizmaları için oksijenin düşük konsantrasyonuna neden olmaktadır (Bitton, 1999).

3.2.2. Hareketli Ortamlı Biyofilm Prosesler

Hareketli ortamlı sistemler biyofilm malzemesinin mekanik, hidrolik ve hava kuvvetleri vasıtasıyla sürekli olarak hareket etmesinin sağlandığı dönen biyolojik diskler, hareketli yataklı biyofilm reaktörler, düşey olarak hareket eden biyofilm reaktörler ve akışkan yataklı biyofilm reaktörlerdir. Sabit ortamlı biyofiltrelere karşı hareketli ortamlı sistemlerin iki büyük avantajı vardır. Birinci avantajı biyofiltrelerde meydana gelen tıkanmanın hidrolik kayma kuvvetlerinden dolayı hareketli ortamlı biyoreaktörlerde iyi kontrol edilebilmesidir. Diğer avantajı malzeme hareketinin ortam sıvıdan biyofilm yüzeyine substratları taşıyan hidrolik biyofilm difüzyonunu kolaylaştırması ve ayrıca biyofilm içinde iç kütle transferinde yararlı olmasıdır (Rodgers ve Zhan, 2003).

3.2.2.1. Dönen Biyolojik Diskler (Rotating Biological Contactors)

Dönen biyolojik disklerin (DBD) orijinal patenti 1928’de A.T. Maltby tarafında resmi işleme koyulmuştur. Fakat ilk tam ölçekli DBD 1958’de Almanya’da kurulmuştur (Rodgers ve Zhan, 2003). DBD yatay bir shaft üzerinde monte edilen bir seri dairesel plastik disklerden oluşmaktadır. En yaygın konfigürasyonu tankın üzerine monte edilen yatay bir şaft ve atıksuya yaklaşık %40 batırılmış disklerden ibarettir. Bazı durumlarda, DBD hemen hemen tamamen batırılmış ve oksijen transferi havalandırma ile sağlanılmaktadır. Plastik disklerin su ve havaya maruz kalması için şaft 1 ile 2 rpm’de döndürülmektedir. Bakteriler ve mikroorganizmalar disklere bağlanmakta ve malzeme

yüzeyini kaplayan bir biyokütle oluşturmaktadır. Aşırı biyokütle DBD malzemesinden kopmakta ve ikinci çökeltme havuzunda giderilmektedir (Neu, 1994).

Küçük ve orta büyüklükteki atıksu arıtma tesislerinde özellikle dönen biyolojik disk tesisleri yaygın uygulama bulmuştur. Temel avantajları tesislerin kompakt olması, az yere ihtiyaç duyması, gürültü ve/veya kokulara sebep olmaması, işletiminin kolay olması ve çalıştırmanın ekonomik olması, giderim veriminde herhangi bir önemli değişim olmaksızın hidrolik ve organik yüklerdeki dalgalanmalarda işletilebilmesi, düşük yük kayıplarını sağlaması, çok iyi çökelebilir ve çürütülebilir karaktere sahip çamur üretmesidir. Diğer taraftan, DBD tesislerin inşa maliyetleri klasik aktif çamur sistemlerinden daha yüksektir (d’Antonio vd., 1997). DBD sistemlerinin aktif çamur sistemlerinin enerjisinin 1/3-1/2’sine ihtiyaç duydukları tahmin edilmektedir.

DBD sistemlerin işletme performansını etkileyen faktörler giriş atıksu karakteristikleri, organik ve hidrolik yükleme hızları, sıcaklık, biyofilm kontrolü, çözünmüş oksijen, dönme hızı ve kademe sayısını kapsamaktadır.

DBD birimlerinde biyofilmler yapısal olarak heterojendirler. Çoğunlukla filamentli bakteriler, protozoa, yeşil ökaryotik algler ve küçük metazonlardan oluşmaktadır. İç tabaka daha uniform ve kompakttır. Karbonlu madde oksidasyonunda DBD birimlerinde heterotroflar oksijen ve yer için en dıştaki biyofilm tabakasındaki nitrifikasyon bakteriler ile rekabet etmektedir. Mikrobiyal yoğunluk; dıştaki tabakadan canlı olmayan bakterilerin daha büyük yüzdesine sahip olan en içteki biyofilm tabakasına kadar azalmaktadır. Metabolik olarak aktif hücre kısmı en dıştaki biyofilmde %35±13’den en içteki biyofilmde %15±4’e kadar azalmıştır.

Nitrifikasyon bakterileri ve heterotroflar arasındaki rekabetten dolayı maksimum nitrifikasyon hızı çözünmüş BOİ 10 mg/L’e kadar düştüğünde meydana gelmektedir Bu nedenle nitrifikasyon daima 3. ve 4. kademelerde yer almaktadır. Amonyum konsantrasyonu 3-5 mg/L’i aşarsa maksimum nitrifikasyon hızı kuvvetli bir şekilde ortam sıvısındaki çözünmüş oksijene bağlı olmaktadır. Denitrifikasyon için DBD sistemleri yaygın şekilde kullanılmamaktadır (Rodgers ve Zhan, 2003).

3.2.2.2. Akışkan Yataklı Reaktörler (AYR)

Atıksu arıtımında akışkan yataklı reaktör prosesin uygulaması İngiltere’de 1940’lara dayanmaktadır. Fakat malzemeye dayalı AYR sistemler 1970’lere kadar

geliştirilmemiştir. AYR sistemde biyofilm ile kaplanılan malzeme besleme ve geri devir debisi ile oluşturulan yukarı doğru akışkan hızı ile reaktörde askıdadır ve akışkanlaştırılmıştır. Akışkanlaşmayı korumak için akışkan hızı 10-40 m/saat kadardır. Kuvvetli atıksu arıtımında çıkış suyu 10:1-20:1 oranında ve kentsel atıksu arıtımında 2:1- 5:1 oranında geri döndürülmektedir.

AYR’nin önemli yapısal bileşenleri; biyofilm taşıyıcıları, giriş suyu dağıtım sistemi, oksijenasyon sistemi ve biyokütle kontrol sistemini kapsamaktadır.

Biyofilm taşıyıcılar granüler aktif karbon, kum, anyon ve katyon değiştirici reçineler gibi küçük boyutlu parçacıklardır. Bu malzemeler biyofilm büyümesi için çok geniş bir alan temin edilebilmektedir. Spesifik yüzey alanı/reaktör hacmi 1000-3000 m2/m3 aralığındadır. Yüksek adsorpsiyon kademesinden dolayı biyofilm taşıyıcılar olarak granüler aktif karbon (GAK) kumdan ilave avantajlara sahiptir. GAK-AYR’de fiziksel adsorpsiyon ve biyolojik dönüşümlerin kombinasyonu boyunca organik kirleticiler etkili bir şekilde giderilebilir. Biyodegradasyon temel mekanizma olmasına rağmen adsorpsiyon toksik ve şok yüklerin piklerini kesebilmektedir.

AYR’lerin avantajları hareketlilik ve az yer kaplaması, çıkış suyu geri devri ile karıştırma ve seyrelmeden dolayı şok yükleri işletme yeteneğidir. Ancak, karışık giriş ve çıkış tasarımı, ihtiyaç duyulan yüksek pompalama enerjisi ve biyofilm kalınlığını kontrol etmenin zorluğunu içeren bazı dezavantajlardan dolayı AYR yaygın şekilde kullanılmamaktadır. Şu anda kullanımı temel olarak endüstriyel atıksu arıtımında, içme suyu ve kentsel atıksuların son denitrifikasyonudur (Rodgers ve Zhan, 2003).