MBBR + A/O Prosesi Kullanılarak Sarımsak Atıksularının Geliştirilmiş Mikrobiyal Arıtımı
Genel Bakış
Sarımsak atıksuöncelikle sarımsak işleme sırasındaki dilimleme ve durulama işlemlerinden kaynaklanmaktadır. Şununla karakterize edilir:yüksek konsantrasyonlarda organik madde, sÖnemli düzeyde nitrojen ve fosfor içerir ve önemli miktarda allisin içerir. Allisin (dialil tiyosülfinat), sarımsağın keskin kokusundan sorumlu olan uçucu bir sıvıdır ve kimyasal olarak kararsız ve oldukça reaktiftir. Allisin çeşitli mikroorganizmaların büyümesini engelleyebilir. Yüksek-konsantrasyonlu sarımsak atık suyunun arıtılmadan boşaltılması ciddi çevresel etkilere neden olur. Bazı araştırmacılar membran filtrasyonu, Fenton oksidasyonu ve mikro-elektroliz gibi teknikleri kullanmıştır, ancak bu yöntemler sarımsak atık suyunun arıtılmasında etkili olmamıştır ve yüksek dozda kimyasal kullanımı sonraki arıtma maliyetlerini artırmaktadır. Birçok bilim adamı anaerobik-aerobik birleşik süreçleri kullanan biyolojik arıtma yöntemleri önermiştir. Ancak allisin antibakteriyel özelliklerinden dolayı mikroorganizmaların yetiştirilmesi zordur ve tedavi etkinliği ideal değildir. Bu nedenle biyolojik arıtmanın odak noktası,Sarımsak atık suyuna uyum sağlayabilen mikrobiyal türlerin yetiştirilmesi ve iklimlendirilmesi ve biyolojik bozunmalarının arttırılması.
Bu çalışma yetiştirme ve taramayı içeriyordu.sarımsak atık suyunun parçalanmasında etkili bakteri suşları, bunlar daha sonra birHareketli Yataklı Biyofilm Reaktörü (MBBR). Aşılanmış çamur ve akış-hızını artıran bir biyofilm oluşturma yöntemi kullanılarak, atık sudan nitrojen ve fosforun uzaklaştırılmasını artırmak için biyofilmler oluşturuldu. Bunu ilave A/O (Anoksik/Oxik) biyokimyasal arıtma izledi. GB18918-2002 standardına göre, atık su KOİ ve Amonyak Azotu (NH₃-N) seviyeleri ikincil standardı (KOİ: 100 mg/L, NH₃-N: 25-30 mg/L) karşılayabilir. Bu süreç, atık sudaki organik içeriği etkili bir şekilde azaltarak sonraki arıtma aşamalarının zorluğunu azaltır.
1. Deneysel Bölüm
1.1 Proses Akış Tasarımı
Sarımsak atıksu arıtımına yönelik genel proses akışı şekilde gösterilmiştir.Şekil 1, çekirdek bileşen olmak üzereMBBR + A/O sisteminde biyolojik bozunma. Sarımsak atık suyunun parçalanmasında etkili olan üç taranmış ve izole edilmiş suş – Alcaligenes sp., Acinetobacter sp. ve Achromobacter sp. – aktif çamurla karıştırıldı ve hızlı başlatmayı- kolaylaştırmak için MBBR ünitesine dahil edildi.
1.2 MBBR + A/O Arıtma Süreci
Askıdaki katı maddeleri uzaklaştırmak için kaba ve ince eleklerden geçtikten sonra sarımsak atık suyu doğrudan MBBR'ye pompalanır. Etkileyici kalite şu şekilde gösterilmiştir:Tablo 1. MBBR'den gelen atık su doğrudan A/O sistemine akar. MBBR atık suyunun düşük organik içeriği nedeniyle, ham sarımsak atık suyu, A/O prosesi için karbon kaynağını desteklemek amacıyla uygun şekilde Oksik (O) tankına eklenir. Sistemin darbe direncini test etmek için MBBR'nin organik yükleme hızı sürekli çalışma sırasında kademeli olarak artırıldı ve atık su kalitesi izlendi.
1.3 Proses Parametreleri
1.3.1 Çözünmüş Oksijen (DO)
Biyofilm içindeki aşırı yüksek DO, denitrifikasyonu önleyebilir ve MBBR'nin eşzamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyon yeteneğini kaybetmesine neden olabilir. Aşırı düşük DO, filamentli bakterilerin çoğalmasına yol açarak atık su kalitesini etkileyebilir ve nitrifikasyon sürecini engelleyebilir.
1.3.2 Hidrolik Tutma Süresi (HRT)
Aşırı derecede kısa bir HRT, çoğu organik maddeyi içeren atık suyun tamamen emilmeden boşaltıldığı yoğun reaksiyon koşullarına neden olur. Sürekli giriş, mikroorganizmaları sabit bir biyolojik bozunma durumunda tutar, verimliliği azaltır ve enerji tüketimini artırır. Aşırı uzun bir HRT, besinlerin tükenmesine yol açar; Besinler olmadan mikroorganizmalar yalnızca hayatta kalmayı sürdürmek için aktivitelerini ve metabolik taleplerini azaltırlar.
1.3.3 Karbon-/Azot Oranı (C/N)
Düşük bir C/N oranı, amonyağın diğer maddelere dönüşümünün katalize edilmesine yol açarak amonyak nitrojeninin uzaklaştırılmasını etkileyebilir. Aynı zamanda kolayca filamentli kabarmaya, sürekli büyümenin topaklaşmayı etkilemesine neden olur, bu da çamurun kabarmasına ve yüzen çamura yol açar. Yüksek bir C/N oranı mikrobiyal biyolojik parçalanma ve büyüme için uygun değildir ve mikroorganizmalar üzerindeki organik yükü artırır.
1,4 MBBR Biyofilm Başlangıç-
Biyofilm Başlangıç-: Aşılanmış çamur + akış-hızını artırma yöntemi kullanıldı. MBR-zenginleştirilmiş aktif çamur, yaklaşık 5,82 g/L'lik bir başlangıç Karışık Sıvı Askıda Katı Madde (MLSS) konsantrasyonuyla reaktöre aşılandı. Havalandırma başlatıldı ve reaktöre polietilen taşıyıcılar eklendi.doluluk oranı yaklaşık %60.YAPMAKreaktörde kontrol edildi4,0 mg/L'nin üzerinde. Giriş akış hızı 20 L/saatlik artışlarla kademeli olarak artırıldı: 20, 40, 60, 80, 100, 120, 140 L/saat, her akış hızı 1 gün boyunca muhafaza edildi. Bu aşamada hiçbir çamur israf edilmedi. Taşıyıcıların yüzeyinde mikroorganizmaların tutunup çoğaldığı açık sarı bir biyofilm oluştu. Biyofilm başarılı bir şekilde başlatıldıktan- sonra istikrarlı çalışma devam etti veÇamur Tutma Süresi (SRT) 30 gün. Kararlı çalışma sırasında MBBR'nin organik yükleme hızı, KOİ, nitrojen ve fosfor giderimi üzerindeki etkisini gözlemlemek için ayarlandı.
2. Sonuçlar ve Tartışma
2.1 Biyofilm Başlatma Sırasında MBBR Atık Su Kalitesinin Analizi-
MBBR'deki havalandırma yoğunluğu, DO konsantrasyonunu kontrol edecek şekilde ayarlandı. DO 4,0 mg/L'nin altında olduğunda, havalandırma yoğunluğu taşıyıcıların tekdüze, yüksek-akışlı türbülanslı hareketini desteklemek için yetersiz kalıyordu, bu da yeterli karışmayı önlüyor ve taşıyıcı yüzeyler üzerinde biyofilm oluşumunu zorlaştırıyordu. DO 4,0-6,0 mg/L arasında olduğunda taşıyıcılar aktif çamur ve atık su ile iyice karışmıştır. Taşıyıcılarda beyazdan sarımsı-kahverengiye bir renk değişimi gözlemlendi; bu, şekilde gösterildiği gibi, bu havalandırma yoğunluğu altında başarılı mikrobiyal bağlanma ve büyümeyi gösterir.Şekil 2.
Başlangıç aşaması sırasında giriş ve çıkış KOİ'sinin değişim eğrisi-şöyle gösterilmiştir:Şekil 3(a). Tedavi verimliliğindeki ilk düşüş, taşıyıcılara bağlı mikroorganizmaların miktarının çok düşük olmasından kaynaklanıyordu; Aktif çamurdaki mikroorganizmalar tarafından bozunma tek başına büyük miktarda organik maddenin uzaklaştırılması için yeterli değildi. Başlangıç ilerledikçe,-taşıyıcılara yapışan mikroorganizmaların miktarı arttı ve yavaş yavaş bir biyofilm oluştu. Atık sudaki KOİ konsantrasyonu kademeli olarak dengelendi ve KOİ giderme verimliliği %90'ın üzerinde dengelendi.
MBBR'ye giren ve çıkan NH₃-N'nin değişim eğrisi şu şekilde gösterilmiştir:Şekil 3(b). Aktif çamurdaki aerobik bakterilerin nitrifikasyonu, amonyak nitrojenini etkili bir şekilde uzaklaştırdı. 7. günden başlayarak, etkili NH₃-N konsantrasyonu giderek arttı. 23. günde, nüfuz eden NH₃-N hala artıyor olmasına rağmen, uzaklaştırma oranı da arttı. Bunun nedeni nitrifikasyon bakterilerinin başlangıçta yavaş büyümesiydi; zamanla popülasyonları arttı, biyofilm olgunlaştı ve NH₃-N uzaklaştırma oranı giderek arttı ve sabitlendi.
MBBR giriş ve çıkış suyu TN'nin değişim eğrisi şekilde gösterilmiştir.Şekil 3(c). Amonyak nitrojen gideriminin aksine, TN giderim verimliliği başlangıçta azaldı. Bunun nedeni, reaktör ortamının bol miktarda oksijen ve karbon kaynağına sahip olması ve bu durumun denitrifikasyon bakterilerinin büyümesini sınırlamasıydı. Ancak biyofilm oluştukça TN giderme verimliliği artmaya başladı. 20. günde, içeri giren TN konsantrasyonu artmasına rağmen, dışarı çıkan TN ve uzaklaştırma oranı %50 ila %60 arasında sabitlendi.
MBBR giriş ve çıkış TP'sinin değişim eğrisi şekilde gösterilmiştir.Şekil 3(d). Başlangıçtan-kararlı çalışmaya kadar TP kaldırma oranı sabit kaldı. Girişteki TP konsantrasyonu başlangıçta yüksek olmasına ve daha sonra azalmasına rağmen, giderim veriminde önemli bir değişiklik görülmedi, bu da sistemin fosfor giderme kabiliyetini gösteriyor. Sistemdeki TP giderim oranı %80-%90 arasında tutuldu.
Özetle,MBBR sistemi DO'nun 20 günlük sürekli beslemeden sonra gelişen olgun bir biyofilm olan 4-6 mg/L arasında tutulması. Geleneksel aktif çamur prosesleriyle karşılaştırıldığında MBBR sistemi, güçlü darbe dayanımı ve yüksek arıtma verimliliği sunarak sarımsak işleme atıksuyu için sonraki arıtma aşamalarının zorluğunu etkili bir şekilde azaltır.
2.2 Stabil Çalışma Sırasında Atık Su Kalite Analizi
Biyofilm başlangıç aşamasından- sonra biyofilm olgunlaştı. MBBR sisteminin darbe direncini test etmek için kararlı çalışma sırasında organik yükleme hızı sürekli olarak artırıldı.
Kararlı çalışma sırasında MBBR'ye giren ve çıkan KOİ'nin değişim eğrisi şekilde gösterilmiştir.Şekil 4(a). 1-5. günler arasında, sürekli girişle KOİ giderme verimliliği %95'in üzerinde kaldı ve atık KOİ konsantrasyonu 100 mg/L civarına ulaştı. 5-20. günlerden itibaren, organik yüklemeyi kademeli olarak 20 kgKOİ/m³·gün'den 30 kgKOİ/m³·gün'e yükselterek giriş akış hızı artırıldı. Giderim verimliliğinde önemli bir değişiklik gözlenmedi ve atık KOİ 80–100 mg/L arasında kaldı, bu da güçlü bir darbe direnci gösterdi. 20. günden sonra, reaktördeki organik yükleme 30 kgCOD/m³·gün'den 37 kgCOD/m³·gün'e sürekli olarak yükseltilerek giriş akış hızı daha da artırıldı ve 5 gün boyunca muhafaza edildi. MBBR'nin KOİ giderme kapasitesi %95'in üzerinde kaldı.
Şekil 4(b) ve (c)kararlı çalışma sırasında sırasıyla NH₃-N ve TN'nin değişim eğrilerini gösterin. 1-5. günlerden itibaren, sürekli akışla MBBR biyofilmi eşzamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyon sergiledi. Biyofilmin dış katmanına yapışan, havalandırma altında atık su ile tamamen karışan aerobik nitrifikasyon bakterileri, nitrifikasyon yoluyla önemli miktarda nitrojen kaynaklarını tüketti. İç anoksik katmandaki denitrifikasyon bakterileri, denitrifikasyon yoluyla nitrat nitrojeni etkili bir şekilde uzaklaştırdı. 5-20. günlerden itibaren giriş hızı arttıkça, NH₃-N ve TN'nin uzaklaştırılma verimliliği başlangıçta önemli ölçüde azaldı. Yaklaşık 7 gün süren sürekli çalışmanın ardından sistem yavaş yavaş adapte oldu. NH₃-N ve TN'nin uzaklaştırma verimliliği daha sonra artmasına rağmen, düşük-akış dönemine göre daha düşük kaldı. Sabit giriş altında, NH₃-N giderimi %90'ın üzerine ulaştı, atık NH₃-N 10–15 mg/L arasındaydı ve TN giderimi temel olarak %80'in üzerinde tutuldu, çıkış suyu TN ise 30 mg/L civarındaydı. Giriş akışının artmasından ve sistem sürekli etki altında yeni bir dengeye ulaştıktan sonra, NH₃-N giderimi %80 civarında sabitlendi, atık NH₃-N 50–70 mg/L arasındaydı ve TN giderimi %60 civarındaydı ve çıkış suyu TN'si 50 mg/L'nin altındaydı.
Kararlı çalışma sırasında TP'nin değişim eğrisi şekilde gösterilmiştir.Şekil 4(d). Atık TP konsantrasyonu temel olarak 10 mg/L civarında tutuldu. Başlangıçta, sürekli düşük akış ve düşük giriş TP konsantrasyonu ile arıtma etkisi sınırlıydı. İçeri akış hızı ve içeri giren TP konsantrasyonu arttıkça, çarpma aşaması ve bunu takip eden yüksek-yüklü çalışma boyunca yüksek arıtma verimliliği elde edildi; TP çıkarma oranı %90 civarında dalgalandı.
Özetle,yüksek organik yükleme şoku altında sistemin KOİ giderme verimliliği büyük ölçüde değişmeden kaldı, ancak NH₃-N ve TN'nin giderimi daha önemli ölçüde azaldı. Organik yükleme maksimum 37 kgCOD/m³·d'ye ulaştığında, sistemin NH₃-N ve TN'ye yönelik giderme verimliliği gözle görülür biçimde azaldı.
2.3 MBBR + A/O Sisteminin Atık Su Kalite Analizi
Biyofilm başlatma aşamasından ve bir aylık stabil çalışmadan sonra, MBBR atık suyunun ileri düzeyde arıtılması için aşağı yönde bir A/O işlemi eklendi. Optimum HRT'ye karşılık gelen optimal giriş hızını belirlemeyi amaçlayan genel organik yüklemeyi artırmak için giriş akış hızında kademeli artışlar uygulandı.
COD değişim eğrisi şu şekilde gösterilmiştir:Şekil 5(a). Giriş akış hızı sırasıyla arttı: 100, 120, 130, 150, 170 L/saat. Başlangıçtan maksimum akış hızına kadar MBBR sistemindeki organik yükleme 20 kgCOD/m³·gün'den 37 kgCOD/m³·d'ye yükseldi. Kombine sistemden çıkan nihai atık su, KOİ konsantrasyonu 100 mg/L'nin altında olacak şekilde stabil kaldı. Sürekli yüksek organik yükleme şoku altında MBBR sistemi iyi performans gösterdi, ancak akış hızı 150 L/saat'e ulaştığında atık KOİ'sinde hafif bir artış görüldü. Birkaç gün boyunca 170 L/saat akış hızının korunmasının ardından MBBR atık KOİ'sinde gözle görülür bir artış eğilimi gözlemlendi. Bununla birlikte, sonraki A/O işlemiyle nihai birleşik sistem atık suyu hala 100 mg/L'nin altında tutuldu. Bu, 37 kgCOD/m³·gün'lük yüksek organik yükleme şoku altında bile, birleşik prosesin sarımsak işleme atıksuyu üzerinde hala güçlü bir giderim etkisine sahip olduğunu gösterir.
NH₃-N ve TN için değişim eğrileri şu şekilde gösterilmiştir:Şekil 5(b) ve (c), sırasıyla. Sarımsak işleme atıksuyu, oksidasyon nedeniyle zamanla daha da artabilen yüksek konsantrasyonlarda amonyak nitrojeni ve toplam nitrojen içerir. Tipik olarak amonyak nitrojen konsantrasyonu 300–500 mg/L arasında ve toplam nitrojen 450–600 mg/L arasında değişir. MBBR'de eşzamanlı nitrifikasyon ve denitrifikasyon altında, amonyak nitrojeninin giderimi daha etkili olmuştur; bunun nedeni muhtemelen nitrifikasyon bakterilerinin atık suyu havalandırma altında daha verimli kullanmasıdır. Denitrifikasyon bakterileri anoksik koşullara ihtiyaç duyar ve genellikle denitrifikasyon için tüketilen organik karbona bağımlıdır. Giriş akış hızını arttırırken, NH₃-N ve TN'nin uzaklaştırma verimliliği öncelikli husustu. 1-4. günlerden itibaren, düşük akış hızı ve orta düzeyde NH₃-N nedeniyle, NH₃-N giderme oranı %90'ın üzerinde kaldı ve TN giderme verimliliği kademeli olarak arttı. Daha sonra giriş oranı önemli ölçüde arttı. Giriş akış hızı arttıkça, NH₃-N ve TN'nin farklı aşamalardaki çıkış konsantrasyonlarının sırayla arttığı, daha yüksek akış hızlarının daha yüksek çıkış konsantrasyonlarına yol açtığı açıkça gözlemlendi. Akış hızı arttıkça, biyofilm taşıyıcıları üzerindeki biyokütle arttı ve nitrifikasyon arttı; burada amonyak nitrojeni, nitrifikasyon bakterileri tarafından oksijen altında nitrat ve nitrite oksitlendi.
TP konsantrasyonu değişim eğrisi şu şekilde gösterilmiştir:Şekil 5(d). Girişteki yüksek COD ve TN konsantrasyonları göz önüne alındığında, mikrobiyal büyüme için teorik optimal TP konsantrasyonu 100 mg/L'nin üzerindedir. Ancak, içeri giren TP konsantrasyonu bu teorik gereksinimin çok altındaydı. Bu nedenle, MBBR atık su TP konsantrasyonu 10 mg/L civarında kaldı ve nihai birleşik sistem atık su TP konsantrasyonu 2-3 mg/L arasında tutuldu.
MBBR sisteminin ve ardından gelen A/O sisteminin çamur özellikleri, çalışmadan önce ve sonra, şekilde gösterildiği gibi ölçülmüştür.Tablo 2.
Özetle,akış hızı 150 L/saat'e yükseltildiğinde COD, NH₃-N, TN ve TP giderim oranları diğer akış hızlarındakilerden daha üstündü. Bu akış hızında HRT 27 saatti. Ayrıca hem MBBR hem de A/O sistemlerindeki çamur konsantrasyonu işletmeden sonra önemli ölçüde arttı.
3. Sonuç
MBBR'de biyofilm oluşumundan sonra COD, NH₃-N, TN ve TP'nin giderim verimliliği stabildi. Sabit koşullar altında bir aylık sürekli çalışma sırasında KOİ giderimi %95'in üzerine ulaştı, NH₃-N ve TN giderimi %80 civarında stabilize edildi ve TP giderimi %90 civarında stabil hale geldi.
MBBR atık suyu ayrıca A/O sisteminde arıtıldı. Kombine proses, 37 kgCOD/m³·d'ye kadar organik yüklemeye dayanabilir. Sürecin tamamı için en uygun çalışma 27 saatlik HRT altındaydı. Nihai atık KOİ 100 mg/L'nin altında, NH₃-N 10–20 mg/L arasında, TN 30 mg/L'nin altında ve TP 10 mg/L'nin altında stabilize edildi. Operasyondan sonra MBBR sistemindeki çamur konsantrasyonu 8,5 g/L ve A/O sistemindeki 4,1 g/L idi; her ikisi de operasyon öncesine göre önemli ölçüde daha yüksekti; bu da mikrobiyal biyokütlede önemli bir artışa işaret ediyordu. Biyolojik arıtma sonrasında KOİ ve amonyak nitrojen seviyeleri, GB18918-2002'nin ikincil deşarj standardını karşıladı. Daha ileri arıtma için, birinci seviye deşarj standardına ulaşmak amacıyla biyolojik olarak arıtılmış atık suyun derinlemesine arıtılması için Fenton'un gelişmiş oksidasyon teknolojisi kullanılabilir.