Türkçe metni rahat izleyebilmeniz için, "browser" ýnýzýn "document encoding" ini "Turkish" olarak deðiþtirdiniz mi ? ...

Prof.Dr. Hikmet Toprak

Aktif Çamur Sürecinin Temel Biyokimyasý ve Mikrobiyolojisi...

Aktif çamur sürecinin atýksu arýtýmýndaki ana amacý karbonlu maddeleri ve askýda katý maddeleri gidermektir. Avrupa’da uygulanan alýcý ortam standartlarý genelde Ýngiliz standartlarý olan “Kraliyet Komisyonu 30 : 20 Standartlarý”dýr. Bu standartlara göre, nitrifikasyon gerçekleþtirmeyen aktif çamur süreçleri için alýcý ortam standartlarý, askýda katý madde için 30 mg/L, BOÝ₅ için ise 20 mg/L’dir. 1970’li ve özellikle 1980’li yýllarda Avrupa’yý çevreleyen denizlerde aþýrý alg patlamasýndan sonra, birçok Avrupa ülkesi nutrient (N ve P) gideriminin gerektiðini düþünerek nutrientler için yeni sýnýrlamalara yönelmiþlerdir. Böylece, günümüzde artýk karbonlu maddelerin ve askýda katý maddelerin yanýnda inorganik azot ve fosforu da giderebilen ileri arýtým yöntemleri uygulanmaya baþlamýþtýr. Evsel ve endüstriyel atýksular azot ve fosforun ana kaynaklarý deðildir. Hatta yüksek tarým potansiyeline sahip ülkelerde bile bu durum geçerlidir. Bununla birlikte, noktasal nutrient kaynaklarý mevcut teknolojiler ile azaltýlabilir. Halbuki, tarýmdan kaynaklanan difüze nutrient kirlenmesi birçok geliþmiþ ülkelerde bile oldukça zor kontrol edilebilmektedir.

Büyük nüfusa sahip kentlerde artýk C giderimi yanýnda eþ zamanlý olarak N ve P gideren aktif çamur tesisleri tasarýmlanmakta ve inþa edilmektedir. Kükürtlü bileþikler için alýcý ortam standartlarýnýn bulunmamasýna raðmen, kükürt metabolizmasý nutrient gideriminde önemli bir rol oynayabilir. Bu nedenle, kükürt þiþkin çamur kontrolü açýsýndan gereklidir. Þiþkin çamur kontrolü aþaðýda sýralanan süreçlerin biyokimyasý ve mikrobiyolojisi ile ilgilidir :

- Organik karbon giderimi
- Ýnorganik karbonun reaksiyonlarý ve önemi
- Azotun deðiþik formlarýnýn reaksiyonlarý
- Fosforun biyolojik giderim süreçleri
- Kükürtlü bileþiklerin metabolizmasý

1. Biyokimyasal Süreçlerin Terminolojisi...

Yukarýdaki tüm reaksiyonlar ve süreçler, özellikle organik karbon ve nutrient giderimi eþ zamanlý olarak gerçekleþiyorsa oldukça karmaþýk biyokimyasal sistemler sergilerler. Yanlýþ anlamamak açýsýndan, ayný süreçleri tanýmlamak için ayný terimlerin kullanýlmasý gerekir. Ancak, uluslar arasý bütünleþtirilmiþ bir terminoloji mevcut deðildir. Bazen mikrobiyologlar ve kimya mühendisleri tarafýndan kullanýlan terminolojiler arasýnda büyük farklar bulunabilmektedir. Aþaðýdaki tanýmlar IAWQ tarafýndan kabul edilmiþtir.

1.1. Substrat...

Yaþayan hücreler için enerji kaynaðýdýr. Temel olarak, sucul sistemlerde üç tip substrat vardýr.

1.1.1. Iþýk...

Fototrofik mikroorganizmalarýn enerji kaynaðýdýr.

1.1.2. Ýnorganik Bileþikler...

Enerji, inorganik bileþiklerden, N, S, Fe ve Mn gibi elementlerin indirgenmiþ formlarýnýn oksidasyonundan üretilir. Bu þekilde enerji elde eden organizmalar “kemoototrof” olarak adlandýrýlýr.

1.1.3. Organik Bileþikler...

Enerji, organik bileþiklerden, organik karbonun karbon dioksite biyokimyasal oksidasyonu sonucu elde edilir. Bunu gerçekleþtiren organizmalar “kemoorganootrof” olarak adlandýrýlýr. Hem inorganik hem de organik bileþikler, biyokimyasal oksidasyon (yükseltgenme) ve redüksiyon (indirgenme) reaksiyonlarýnda elektron vericileri olarak iþlev görürler.

1.2. Karbon Kaynaðý...

Enerjiye ilave olarak, yaþayan hücreler yeni biyokütlenin sentezi için bir karbon kaynaðýna gereksinim duyarlar. Karbon deðiþik formlarda metabolize edilir.

1.2.1. Ýnorganik Karbon...

Ýnorganik karbon (çözünmüþ CO₂, karbonat, bikarbonat), ototrof olarak adlandýrýlan organizmalar tarafýndan organik hücre materyellerine dönüþtürülebilir. Eðer ototroflar substrat olarak ýþýðý (güneþ enerjisi) kullanýrlarsa, bunlar “fotoototrof” olarak adlandýrýlýr. Substrat olarak inorganik bileþikleri kullanan organizmalar “kemoototrof” olarak tanýmlanýrlar.

1.2.2. Organik Karbon...

Birçok sucul mikroorganizmalar, yeni hücrelerin sentezi için organik karbonu kullanýrlar. Böylece, organik karbon “kemoorganootrof”larýn sentez iþlemlerinde hem substrat hem de karbon kaynaðý olarak görev görür. Bu tür organizmalar “(kemo)hetetrof” olarak adlandýrýlýrlar.

Organik karbonun hem substrat hem de karbon kaynaðý olarak kullanýlmasý mikroorganizmalar için “kemolithotrofi”ye kýyasla enerji açýsýndan daha fazla verimlidir. Hem inorganik hem de organik substratlarýn bulunduðu atýksu gibi karmaþýk ortamlardaki hücreler için, “organotroplar” “litotrof”lara kýyasla daha hýzlý büyürler. Çünkü, “litotrof”lar enerji eldesinde ve yeni biyokütle sentezinde daha karmaþýk mekanizmalara sahiptirler. Bu, aktif çamur gibi açýk karýþýk kültürlerin kompozisyonunu yöneten en önemli seçici faktördür. Mikrobiyal hücreler için substratlar ve karbon kaynaklarý iki ana gruba ayrýlabilir.

1.2.3. Harici Substratlar ve Karbon Kaynaklarý...

Harici substratlar ve karbon kaynaklarý hücrelerin kultive edildiði ortamlarda mevcuttur. Bunlar hücreler tarafýndan kullanýlmadan önce, bunlarýn ortamdan hücre içerisine taþýnmasý gerekir. Bu taþýnma iþlemi enerji gerektirir ve transfer enzimleri tarafýndan gerçekleþtirilir. Hücre-dýþý materyeller ya orijinal olarak kultivasyon ortamýnda (örneðin, atýksudaki organik kirlenme) bulunur yada hücrelerin kendileri tarafýndan sentezlenirler (örneðin, organik polimerler). Hücrelerin dýþ substratý ve karbon kaynaklarýný kullanmalarý durumunda, metabolizma “eksojen” olarak tanýmlanýr.

1.2.4. Dahili Substratlar ve Karbon Kaynaklarý...

Aktif çamur süreçlerinde harici substratlar bazen tamamen tüketilir yada çok az konsantrasyonlarda bulunabilir. Böyle bir durumda, hücreler iþlevlerini yapamaz hale gelirler ve metabolizmalarýný “eksojen”den “endojen”e dönüþtürürler. “Endojen” metabolizma süresince, hücrelerde biriktirilmiþ ve/veya depolanmýþ materyeller metabolize edilir. Bu hücre-içi substratlar tüketildiðinde hücre protoplazmasý oto-oksidasyonu gerçekleþir.

Substrat ve karbon kaynaðý terimleri ile ilgili olarak, “miksotrofi” olayýndan söz etmek gerekir. “Miksotrofik” mikroorganizmalar enerjiyi hem organik bileþiklerin “organotrofik” oksidasyonu ile hem de indirgenmiþ inorganik bileþiklerin (özellikle kükürtlü bileþikler) “kemolithotrofik” oksidasyonu ile elde ederler. “Miksotrofi” olayý, karýþýk kültürlerde diðer bir seçici faktördür.

1.3. Nutrientler...

Genel mikrobiyolojide, “nutrient”ler terimi, hücre sentezi için gerekli “inþaat” malzemeleri olarak kullanýlan tüm kimyasal elementler anlamýna gelmektedir. Atýksu arýtma terminolojisinde ise, sadece iki element nutrient olarak deðerlendirilmektedir ; azot ve fosfor. Bundan böyle, nutrient gideren arýtma sistemlerinden bahsederken, azot ve fosfor giderimi anlaþýlmalýdýr. Bunun temel nedeni, bu iki elementin, ötrofik yüzeysel sulardaki alglerin büyümesinde sýnýrlayýcý nutrientler olmasýdýr.

Bakteri büyümesinde, azot, fosfor ve kükürt gibi elementler, mikrobiyal biyokütledeki önemli düzeydeki varlýklarý nedeni ile makro-nutrientler olarak adlandýrýlmaktadýr. Fe, Ca, Mg, K, Mo, Zn ve Co gibi elementler mikro-nutrientler olarak tanýmlanabilir. Bu elementlerin biyokütledeki kütle fraksiyonlarý ihmal edilebilir düzeydedir. Ancak, bu elementler birçok enzimde bulunduðundan dolayý hücre metabolizmasýnda önemli rol oynarlar. Oksik þartlarýn haricindeki kultivasyon koþullarýnda, kimyasal baðlý oksijen sadece nutrient olarak dikkate alýnýr.

1.4. Elektron Alýcýlar ve Kultivasyon Þartlarý...

Hücre aktivitelerini saðlayan enerji biyokimyasal oksidasyon ile substratlardan temin edilir. Biyo-oksidasyon süreci, verici olarak tanýmlanan ve okside edilmiþ substratlardan açýða çýkan elektronlarýn bu süreçte indirgenmiþ alýcý bileþiklere transferi anlamýný taþýr. Kultivasyon þartlarý için modern terminoloji, deðiþik biyokimyasal reaksiyonlarda rol oynayan farklý elektron alýcýlarý bazýndadýr.

1.4.1. Oksik Þartlar...

Oksik þartlarda, hem organik hem de inorganik substratlardan kaynaklanan elektronlar, indirgenen ve suyun bir molekülüne baðlanan çözünmüþ moleküler oksijene transfer edilir. Oksik þartlardaki en önemli biyokimyasal süreçler aþaðýda sunulmuþtur :

- Organik bileþiklerin oksik oksidasyonu (“organotrofik” metabolizma)
- Amonyak ve nitritin nitrata “kemolitrofik” oksidasyonu (nitrifikasyon) ve benzer þekilde indirgenmiþ kükürtlü bileþiklerin sülfata yükseltgenmesi
- Hücre içi polifosfat polimerlerinin sentezi (Bu süreç, verici ve alýcýlar arasýndaki bir elektron transferi ile ilgili deðildir. Ancak, hücre içi organik bileþiklerin “organotrofik” metabolizmasý sonucu açýða çýkan enerji gerektirir.)

1.4.2. Anoksik Þartlar...

Anoksik þartlarda, elektron alýcýsý olan oksijen +5 oksidasyon kademesinde olan azot (nitrat) ile veya çok ender olarak +3 oksidasyon kademesinde olan azot (nitrit) ile yer deðiþtirir. Beþ veya üç elektronun alýnmasý ile azot 0 oksidasyon kademesine (moleküler azot, N₂) indirgenir. Anoksik koþullarda iki temel reaksiyon olasýdýr :

- Organik bileþiklerin anoksik “organotrofik” oksidasyonu (Elektron alýcýsý olarak nitrat azotu azot gazýna indirgendiðinde, süreç denitrifikasyon olarak tanýmlanýr)
- Sülfürün anoksik “kemolitrofik” oksidasyonu ve benzer þekilde elemental kükürtün sülfata oksidasyonu

Anoksik þartlarda hücre içi polifosfatlarýn sentezi olasýdýr. Ayrýca, hücre içi depo ürünleri de anoksik olarak okside edilebilir.

1.4.3. Anaerobik Þartlar...

Anaerobik þartlar hem moleküler oksijenin hem de nitrat / nitrit azotunun yokluðu ile karakterize edilir. Biyokimyasal yükseltgenme-indirgenme reaksiyonlarýndaki elektronlar organik substrattan aþaðýda belirtilen unsurlara transfer edilebilir.

- Organik Bileþikler : Organik bileþikler fermentasyon ile dönüþüme uðrayabilir (örneðin, “asido- ve asetojenesis”). “Metanojenesis” aktif çamur süreçlerinde gerçekleþmez.
- Sülfat Kükürdü : Sülfatýn indirgenmesi reaksiyonunda, kükürt “kemoorganotrofik” organizmalar tarafýndan elemental kükürde ve sülfüre indirgenir. “Kemolithotrofik” sülfat indirgenmesi gerçekleþebilir fakat atýksu arýtýmýnda çok önemli deðildir. Hücre içi polifosfatlardaki sabitlenmiþ enerji anaerobik þartlarda açýða çýkabilir ve anaerobik fermentasyonun ürünlerinden oluþan organik hücre içi depolanmýþ materyellerinin sentezinde kullanýlýr. Bu reaksiyonda, organik karbonun oksidasyon kademesi elektron alýcýlarýna gerek kalmadan ayný kalýr. Bu kultivasyon þartlarý yükseltgenme-indirgenme potansiyelinin (YÝP) ölçülmesi ile kolaylýkla ayýrt edilebilir. Oksik þartlardaki YÝP deðeri pozitiftir (standart YÝP olarak + 50 mV’dan daha büyüktür.). Anaerobik þartlardaki YÝP deðeri ise negatiftir (standart YÝP olarak - 50 mV’dan daha küçüktür). Sýfýra yakýn YÝP deðerleri anoksik þartlarýn bir göstergesidir.

1.5. Ortam...

Bir kultivasyon ortamý, içerisinde hücrelerin büyüdüðü gerçek bir çevreyi sergiler. Ortam; substrat, karbon kaynaðý, nutrientleri, elektron alýcýlarýný ve diðer bileþenleri içerir. Kimyasal kompozisyonunun yanýnda, ortam ayný zamanda, sýcaklýk, pH, YÝP, ozmotik basýnç ve benzeri parametreler ile de karakterize edilebilir. Biyolojik atýksu arýtýmýnda, arýtýlan atýksu ve aktif çamurun karýþýk kültürü “kultivasyon ortamý” olarak tanýmlanabilir. Bu ortam genellikle “karýþýk sývý” olarak adlandýrýlýr.

2. Karbonlu Bileþiklerin Metabolizmasý...

Organik bileþiklerin metabolizmasý aktif çamur sürecinde en büyük enerji kaynaðýdýr. Bu nedenle, bu metabolizmaya baðlý olan mikroorganizmalar aktif çamurdaki biyolojik kütle içinde baskýn durumdadýrlar. Atýksudaki organik substratlar, aktif çamur mikroorganizmalarýna ulaþýlabilirlikleri açýsýndan deðiþik yapýdadýrlar.

2.1. Atýksudaki Organik Substratlar...

Bazý endüstriyel atýksularýn haricinde, organik bileþikler oldukça farklý kimyasal yapý arz ederler. Organik substratlarýn varlýðý ve miktarý ölçülemez ve ayrýca belirli bir kimyasal bileþik olarak konsantrasyonlarý saptanamaz. Bu nedenle, atýksu arýtýmýnda BOÝ₅ ve KOÝ gibi parametreler kullanýlýr. BOÝ (biyolojik oksijen ihtiyacý), bir atýksu arýtma tesisinin performansýnýn ve çýkýþ suyu kalitesinin saptanmasýnda en yaygýn kullanýlan bir parametredir. Bir atýksu arýtma tesisinin çýkýþ suyundaki BOÝ deðeri, alýcý ortamda organik maddenin ve kalan amonyaðýn biyokimyasal oksidasyonu sonucunda tüketilecek oksijen miktarýný doðrudan verir. Diðer taraftan, BOÝ deneyi, atýksudaki organik bileþiklerin karakterizasyonu için çok uygun deðildir. Çünkü, yükseltgenme-indirgenme reaksiyonlarýndaki elektron vericileri olarak görev yapan tüm organik bileþikleri kapsamaz. Bu nedenle, atýksudaki organik substratlarýn karakterizasyonunda genelde KOÝ (kimyasal oksijen ihtiyacý) deneyi uygulanýr. KOÝ deneyinde, organik bileþikler BOÝ deneyinde olduðu gibi moleküler oksijen ile oksitlenmezler. KOÝ deneyinde çok daha “agresif” bir oksidasyon maddesi kullanýlýr. Elektronlar organik maddeden dikromata transfer edilir ve reaksiyon sýcak sülfirik asit çözeltisinde gümüþ katyonlarýnýn katalizörlüðünde gerçekleþir. Oksijen tüketimi, elektron eþdeðerliliði bazýnda, dikromat tüketiminden hesaplanýr.



Denklem 1’e göre, sadece karbonlu elektron vericileri oksitlenir. KOÝ deðeri amonyak için bir oksitleyici madde tüketimini içermez. Evsel atýksularda en çok bulunan organik bileþiklerin birçoðu bu yöntem ile tamamen oksitlenir. Sadece, aromatik hidrokarbonlar ve pridenler gibi bazý organik maddeler KOÝ deneyindeki oksidasyon þartlarýna dayanýklýdýr. KOÝ bazýnda karbonlu maddelerin klasik ayýrýmý Þekil 17’de sunulmuþtur. Giriþ KOÝ’si iki ana alt gruba ayrýlýr; (a) biyolojik olarak ayrýþabilir KOÝ ve (b) biyolojik olarak ayrýþamayan KOÝ. Biyolojik olarak ayrýþabilir terimi, mikrobiyal enzimler ile biyokimyasal olarak modifiye edilebilen bir madde için kullanýlýr (örneðin, bu madde substrat ve karbon kaynaðý olarak kullanýlabilir). Kimyasal bileþiklerin biyolojik olarak ayrýþamamasýnýn birçok nedeni olmasýna raðmen, iki ana neden þunlardýr :

(a) Bileþiðin sucul mikroorganizmalara toksik etkiye sahip olmasý
(b) Biyolojik olarak ayrýþamayan bileþiðin molekülünde enzimler için steril bariyerlerin olmasý


Þekil 17. Evsel atýksulardaki toplam giriþ KOÝ’sinin ayýrýmý

Aslýnda “biyolojik olarak ayrýþamayan substrat” terimi nispeten göreceli bir anlam taþýmaktadýr. Eðer yeterli katý alýkonma süresi saðlanýrsa ve mikroorganizmalar belirli bir substrata iyi bir þekilde adapte edilirlerse, ki bu koþullarda söz konusu substrat için gerekli enzimlere sahip mikroorganizmalar baskýn hale geleceklerdir, sonuçta adapte olabilen bu mikroorganizmalar geleneksel olarak “biyolojik olarak ayrýþamayan substrat” olarak tanýmlanan substratý ayrýþtýrabilirler. Gerekli koþullarýn sürekli olarak saðlanmasý önemlidir. Mikrobiyal metabolizmanýn birçok “doðal” ürünü ayrýþtýrýlamaz niteliktedir ve çýkýþ suyu ile süreci terk eder. Kultivasyon þartlarýna baðlý olarak, KOÝ biriminde tanýmlanan bu biyolojik olarak ayrýþamayan mikrobiyal ürünler giriþ KOÝ’sinin % 10’u kadardýr.

Þekil 17’den de görüleceði üzere, biyolojik olarak ayrýþamayan organik maddeler iki yapýdadýr ; (a) çözünmüþ ve (b) partiküler (katý). Biyolojik olarak ayrýþamayan çözünmüþ maddeler inert yapýdadýr ve aktif çamur sürecini ayrýþmadan terk ederler. Böylece, biyolojik olarak ayrýþamayan ve çýkýþ suyunda bulunan çözünmüþ KOÝ, giriþ suyundaki inert çözünmüþ KOÝ’yi ve ilaveten arýtým süreci sýrasýnda mikroorganizmalar tarafýndan oluþturulan inert maddeleri içerir.

Prepared by Prof.Dr.Hikmet Toprak...
All rights reserved...   ©   1994 - 2006...