Biyolojik Fosfor Giderim Mekanizması

Biyolojik aşırı fosfor giderimi biyokütle sentezi için ihtiyaç duyulandan önemli derecede daha yüksek miktarlarda hücre içinde fosfat depolama kabiliyeti olan bir grup organizma aktivitesinin bir sonucudur. Biyokütle anaerobik ve aerobik şartlar arasında sürekli olarak döndürüldüğünde ve giriş suyunun tamamı sistemin anaerobik kısmına yönlendirildiğinde atıksu arıtma sisteminde fosfor biriktiren organizmalar zenginleşmektedir (Filipe vd., 2001c).

Biyolojik aşırı fosfor giderimi anaerobik şartlarda fosfor salacak ve aerobik (veya anoksik) şartlarda aşırı fosfor alacak fosfor biriktiren organizmaların (FBO) yeteneği ile bağlantılıdır. FBO’larda üç tür intraselüler depolama polimerleri vardır: poli-β-hidroksi butirat (PHB), polifosfat (poli-P) ve glikojen. FBO’lar üzerinde PHB rezervlerinin rolü aerobik veya anoksik şartlar altında çözünmüş fosfat birikimi ve büyüme için enerji kaynağı olarak kullanımı ve anaerobik şartlar altında polifosfat rolü hem proton hareket kuvvetinin yeni kurulumu hem de substrat depolamasında enerji kaynağı olarak kullanılmasıdır.

Anaerobik şartlar altında organik maddeler (tercihen uçucu yağ asitleri) tüketilmekte ve PHB olarak depolanmaktadır. İhtiyaç duyulan indirgeme eş değerleri dahili olarak depolanmış glikojen degradasyonu ile sağlanılmaktadır. Bu proses için enerji glikojenin degradasyonundan kısmen elde edilmekte, fakat çoğunlukla hücre içinde depolanmış polifosfatın hidrolizinden elde edilmektedir (Dou vd., 2007). Sonraki aerobik fazda, harici substrat yokluğunda ve oksijen varlığında dahili olarak depolanmış PHB substrat olarak kullanılmaktadır. Bu substrat büyüme, glikojen oluşumu, ortofosfat alımı ve bakım enerjisi için kullanılmaktadır. Bu prosesler her birinin diğerine açık tercihi olmaksızın eş zamanlı olarak meydana gelmektedir. Metanojenler aerobik kademede hayatta kalmayacağı için fosfat gideren bakteriler baskın olacaktır (van Loosdrecht vd., 1997). FBO’lar dahili olarak depolanmış PHB degradasyonundan elde edilen enerjiyi kullanarak intraselüler polifosfat seviyelerini geri kazanmak için ortofosfatın aşırı miktarlarını almaktadır. Net fosfor giderimi aerobik periyottan sonra atık çamur ile sağlanmakta, aerobik fosfor alımı anaerobik fosfor salınımından daha fazla olmakta ve biyokütle polifosfatın yüksek seviyelerini içermektedir (Dou vd., 2007).

Fosfat biriktiren organizmaların sadece atıksudaki harici substrata bağlı olmadığı aynı zamanda FBO içine depolanan bileşiklere de bağlı olduğu yaygın şekilde kabul

edilmektedir. Depolama ürünleri; polifosfat (poly-P), poli-β-hidroksi-alkanatlar (PHA) ve modellerin bazılarında glikojendir (Helness, 2007).

Son zamanlarda oksijenden başka, anoksik şartlar altında fosfatı almak için nitratın FBO’lar tarafından elektron alıcı olarak kullanılabildiği gözlenmiştir. Fosfor alımı anoksik şartlar altında daha yavaştır. Çünkü FBO’ların sadece bir kısmı anoksik şartlar altında fosfatı almaktadır. Oysaki aerobik şartlar altında tüm FBO’lar fosfatı almaktadır (Yagci vd., 2003).

Aktif çamur prosesinde poli-P, PHA ve glikojen fraksiyonu çamur yaşına bağlıdır. Genelde poli-P fraksiyonu daha kısa katı bekleme süresi ile azalırken, PHA ve glikojen fraksiyonu ise artan katı bekleme süresi ile azalmaktadır (Helness ve Ødegaard, 1999).

Aerobik şartlar altında, PHA iç depolaması intrasellüler granüllerde depolanan glikojen büyüme ve sentezde karbon (C) kaynağı olarak ve enerji için kullanılmaktadır. Aynı zamanda fosfat ve zıt iyonlar atıksulardan alınmaktadır. Fosfat poli-P’a polimerleşmekte ve intraselüler granüllerde depolanmaktadır.

Fosfat alımı ve salınımı ve organik madde alımı ve tüketiminin şematik sunumu Şekil 2.3’te gösterilmiştir.

Şekil 2.3. BFG şematik sunumu: Anaerobik şartlar altında C kaynağının alımı, PHA üretimi ve fosfat salınımı (sol) ve depolanan PHA’nın

degradasyonu ve fosfat alımı (sağ) (Helness, 2007).

Biyolojik aşırı fosfor giderimi anaerobik-aerobik işletme ile aktif çamur prosesinde daima başarılı bir şekilde sağlanmamaktadır. BAFG’nin bozulmasının mikrobiyal çamurda glikojen biriktiren organizmaların (GBO) baskın olmasıyla meydana geldiği ifade edilmiştir (Jeon vd., 2001). Fosfat biriktirmeyen glikojen biriktiren organizmalar olarak

bilinen organizmalar 1990’ların başında keşfedilmiştir. Fakat onların fenotipi 1980’lerin ortasından beri bilinmektedir. C’nin GBO dönüşümleri FBO’larınkiyle aynıdır, fakat GBO’lar FBO’ların yaptığı gibi anaerobik-aerobik döngü ile P salmaz veya biriktirmezler. Anaerobik periyotta GBO’lar için tüm enerjinin depolanmış glikojenin glikolisisinden geldiği varsayılmaktadır. GBO’ların P giderim prosesine zararlı olduğu varsayılmaktadır (Blackall vd., 2002).

Son zamanlarda BFG temel olarak kimyasal ilavesi yokluğundan ve daha düşük çamur üretiminden dolayı gittikçe kimyasal proseslerin yerini almaktadır. Ancak, BFG performansı stabil olmayabilir. Özellikle biyolojik azot giderim prosesi ile kombinasyon halinde uygulandığında BFG’nin bu stabilsizliği glikojen biriktiren organizmalar ile rekabet, anaerobik faza nitratın girişi ve aşırı havalandırma gibi çeşitli mekanizmalarla açıklanabilir (Saito vd., 2004).

Fosfat biriktirmeyen aerobik heterotrofların rekabetinden kaçınmak için tüm giriş KOİ’si anaerobik fazda fosfat biriktiren organizmalar tarafından alınmalıdır. Bu, maksimum anaerobik KOİ yükleme hızında bile proseste düşük toplam KOİ yükleme hızına sahip olabildiği görülmektedir. Düşük toplam KOİ yükleme hızından dolayı, böyle bir proseste nitrifikasyon elde edilecektir.

Proses belirli sınırlayıcı faktörlerden etkilendiği için potansiyel olarak çelişkili bilgilere sahip bir durum söz konusudur. Giriş suyunda kolayca biyolojik olarak ayrışabilen KOİ/fosfat oranı tüm fosfatın giderimi için genelde yeterince yüksek olmalıdır. Denitrifikasyon yapan fosfat biriktiren bakteriler ile denitrifiye fosfat alımına sahip bir proseste; denitrifikasyon için yeterince amonyum mevcut olmalıdır. Giriş suyu kalitesine bu kriterler verildiğinde; AKR döngüsü ayarlanmalıdır. Bir yandan anaerobik KOİ yükleme hızı, fosfat biriktirmeyen heterotroflardan gelen rekabetten kaçınmak için yeterince düşük olmalıdır, diğer yandan da toplam KOİ yükleme hızı, fosfat alımında yeterli PHA ve biyokütlenin net büyümesini verecek kadar yüksek olmalıdır. Bunu sağlamada bir strateji yeterince yüksek toplam KOİ yükleme hızına sahip olmak için nispeten kısa toplam döngü uzunluğu ile işletilebilir. Ancak tam nitrifikasyonu sağlamak için yeterince düşük aerobik amonyum yükü aynı zamanda sağlanmalıdır. Bu nedenle aerobik fazın minimum uzunluğu nitrifkasyon ile kontrol edilmelidir (Helness ve Ødegaard, 2001).