Effect of feeding patterns and sludge history on substrate storage under anoxic conditions
Anoksik koşullarda besleme şeklinin ve çamur geçmişinin depolama üzerindeki etkisi
- Tez No: 166464
- Danışmanlar: PROF.DR. DERİN ORHON
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2005
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 91
Özet
ANOKSİK KOŞULLARDA BESLEME ŞEKLİNİN VE MİKROORGANİZMA GEÇMİŞİNİN DEPOLAMA ÜZERİNDEKİ ETKİSİ ÖZET Aktif çamur proseslerinin dizayn ve işletilmesinin matematiksel olarak modellenebilmesi için IAWQ çalışma grubu Aktif Çamur Modellerini oluşturmuştur. Aktif Çamur Model No.l (ASM1) modeli (Henze ve diğ., 1987) aktif çamur sistemlerindeki karbon giderimi, nitrifıkasyon ve denitrifikasyon proseslerini içerirken, son geliştirilen Aktif Çamur Model No.3 (ASM3) modeli (Gujer ve diğ., 2000) bunlara ilaveten depolama mekanizmasını da içermektedir. ASM3 'e göre kolay ayrışan substrat (Ss) önce depolama polimerlerine dönüştürülüp (Xsto) ardından heterotrofik biyokütle (Xh) tararından kullanılmaktadır. Bu genel görüşe dayanarak daha gerçekçi olan biyokimyasal modelleme kavramı çalışılmaktadır. Biyokimyasal modelleme yaklaşımına göre substratın bir kısmı doğrudan büyüme için kullanılırken geri kalan kısmı hücre içine depolama ürünü olarak alınmaktadır. Karbon kaynağına bağlı olarak PHB, glikojen ve lipidler olmak üzere üç tür depolama ürünü olduğu bilinirken, hücre içindeki temel bileşenlerden asetil-CoA dan üretildiği için PHB'nin başlıca depolama ürünü olarak düşünülmektedir. Biyokütlenin biyolojik arıtma sistemlerindeki davranışının belirlenmesinde kolaylık sağladığı için ASM3 ve depolama modellerinin geliştirilmesi için yapılan çalışmaların büyük bir kısmı ardışık kesikli reaktör (AKR) olarak bilinen periyodik beslenen biyolojik reaktörler ile gerçekleştirilmiştir. Periyodik sistemlerde biyokütle kararsız koşullarda büyümektedir. Her çevrimde“feast”periyot olarak bilinen besleme sürecinde fazla miktarda substrat biyokütleye verilirken ardından gelen“famine”periyot olarak bilinen reaksiyon sürecinin büyük kısmında biyokütlenin dışarıdan alabileceği substrat bulunmamaktadır. Bu tür koşullarda büyüme dengesiz hale gelmekte ve mikroorganizma büyüme hızını bu değişen koşullara adapte edememektedir. Bunun sonucunda substratın birikmesi veya depolama ürünleri olarak depolanması gibi farklı mekanizmalar önemli hale gelmektedir. Bu yüzden biyokütlenin kararsız koşullardaki davranışı AKR'nin işletme koşulları ile belirlenebilir. Depolama prosesinin anoksik koşullarda değerlendirilmesi için birçok çalışma yapıldığı halde bu çalışmaların sonuçlan ASM3 den farklı bulunmuştur. Bu yüzden depolamanın anoksik koşullardaki stokiyometri ve kinetiği açıkça tanımlanamamıştır. Bu çalışmanın amacı anoksik koşullarda besleme şeklinin ve çamur geçmişinin depolama üzerine etkisinin araştırılmasıdır.Çalışma evsel atıksularda önem taşıyan substratlardan biri olan asetat ile yürütülmüştür. Fazla miktarda asetatın sisteme verildiği durumlarda biyokütle içerisinde PHB olarak depolandığı gözlenmiştir. Organik yükleme hızı, besleme süresi ve aerobik veya anoksik koşulların kullanımı mümkün olduğu için AKR istenen koşulların sağlanabilmesi için kullanılışlı olmaktadır.Besleme sürecinin depolama üzerine etkisinin belirlenebilmesi için AKR iki farklı beleme koşuluyla işletilmiştir. Bu amaçla biyokütle anoksik/aerobik çalıştırılan AKR içerisinde ani besleme ve sürekli besleme olmak üzere iki farklı besleme koşuluna aklime edilmiştir. Ani beslemede karbon kaynağı 1 dakika içerisinde sisteme verilirken, aktif çamura anoksik besleme süresince aynı miktarda karbon kaynağının verilmesi ile sürekli besleme uygulanmıştır. Biyokütle besleme koşullarına aklime olduktan sonra kesikli ve sürekli besleme koşullarının her biri için batch testler COD, asetat, PHB, NO3“ ve NO2”numunelerinin alınmasıyla yürütülmüştür. Böylece besleme koşullarının ve çamur geçmişinin etkisinin belirlenebilmesi için 4 set batch deney gerçekleştirilmiştir. Bu numunelerin ölçülmesi sonucu biyokütlenin her bir besleme koşulundaki substrat giderim performansı, asetat tüketim hızı, denitrifikasyon hızı ve depolama mekanizması hakkında bilgi elde edilebilmektedir. Bu deneylerin yanı sıra her bir besleme koşuluna alışmış biyokütleye diğer besleme biçimi uygulanarak çamur geçmişi deneyleri yapılmıştır. Çamur geçmişi çalışmalarına bağlı olarak, hücre içerisindeki makromolekül bileşimini gösteren fizyolojik durum belirlenebilir. Çalışmanın bu kısmı sayesinde anoksik koşullarda biyokütlenin depolama ve büyüme davranışını değişen koşullara ne kadar çabuk adapte edebileceğinin gözlenmesi mümkün olabilir. Aerobik ve anoksik koşullar arasındaki farklılıkların belirlenebilmesi için her besleme koşulu için paralel bir aerobik AKR işletilmiştir. Aerobik ve anoksik koşulların karşılaştırılması esas alınarak anoksik koşulların depolama mekanizması üzerindeki etkisi değerlendirilebilmektedir. Depolama dönüşüm oranını, (Ystod), belirlemek amacıyla Avcioğlu ve diğ., 2002 tarafından önerilen respirometrik yöntem uygulanmış ve sonuçlar PHA 'in depolanması sonucu bulunan depolama dönüşüm oranlan ile karşılaştırılmıştır. Asetat ile ani beslenmeye aklime edilmiş biyokütle ile gerçekleştirilen deneylerde Ystod 0.57-0.59 aralığında saptanmış ve ortalama değer 0.58 gKOİ/gKOİ olarak belirlenmiştir. Respirometrik yöntem ile bulunan Ystod değerleri PHA depolanmasıyla elde edilen sonuçlarla büyük uyum göstermektedir. Bununla birlikte, bu değerler Avcioğlu ve diğ., 2002 tarafından sadece NUR datalarının respirometrik değerlendirilmesi ile bulunan sonuçlardan küçüktür. Bu deneysel çalışma ile NUR verilerinin yanı sıra asetat ve PHA verileri ile bulunan deneysel sonuçların tekrarlanabilirliği gösterilmiştir. Dionisi ve diğ., 2001 tarafından 0.55 gKOİ/gKOİ ve Beun ve diğ., 2000b tarafından 0.62 gKOİ/gKOİ olarak asetat için bildirilen anoksik depolama dönüşüm katsayıları bu çalışmanın sonucu ile uyum gösterirken, ASM3 (2000) de belirtilen 0.80 gKOİ/gKOİ değeri literatürde verilen ve bu çalışmada bulunan anoksik depolama katsayısından oldukça farklıdır. Ortalama değer olarak 0.58 gKOİ/gKOİ verilen Ystod değeri Karahan ve diğ, 2002a tarafından respirometrik olarak belirlenen aerobik depolama dönüşüm katsayısı olan 0.78 gKOİ/gKOİ ile kıyaslandığında anoksik depolama dönüşüm katsayısının aerobik depolama dönüşüm katsayısına oram 0.75 olarak bulunmuştur. Bu değer ASM3 de 0.94 olarak verilen değerden oldukça düşüktür. Ani besleme koşullarına aklime edilmiş biyokütle ile yapılan deneyler sırasında dikkate alınacak miktarda PHA depolandığı gözlenirken aym miktarda asetatın anoksik periyot boyunca sisteme verilmesiyle gerçekleştirilen sürekli besleme deneyleri sırasında substrat depolaması belirlenememiştir. Bunun sonucu olarak aktif çamur sistemlerinde substratın sadece ani besleme koşullarında depolandığı diğer bir xideyişle biyokütlenin aniden yüksek konsantrasyonda substrata maruz kaldığında depolama davranışı gösterdiği saptanmıştır. Aktif çamur sistemlerinin depolama davranışını etkileyen diğer önemli faktör ise çamur geçmişi olarak bildirilmiştir. Bu çalışmanın deneysel sonuçlarına göre aktif çamur düşük substrat konsantrasyonu ile sürekli besleme koşullarına aklime edildiğinde, sisteme aniden verilen yüksek konsantrasyondaki substrat biyokütlenin depolama davranışı göstermesine neden olmamaktadır. Sürekli besleme koşullarına aklime edilmiş biyokütle ile anoksik koşullarda gerçekleştirilen deney sonuçlarına göre aktif çamur kültürleri sistemin işletme koşullarına göre büyüme tepkilerini geliştirebilmektedir. xii
Özet (Çeviri)
THE EFFECT OF FEEDING PATTERNS AND SLUDGE HISTORY ON STORAGE UNDER ANOXIC CONDITIONS SUMMARY The IAWQ Task Group on mathematical modeling for the design and operation of wastewater processes introduced with Activated Sludge Models. While ASM1 (Henze et at., 1987) consists of organic matter removal, nitrification and denitrification processes in activated sludge systems, recently developed ASM3 (Gujer et at., 2000) accounts for the storage phenomena additionally. According to ASM3, readily biodegradable substrate (Ss) is firstly converted to storage polymers (Xsto) and then used by heterotrophic biomass (Xh). Based on this concept, a much realistic biochemical modeling aspect has been studied. In relation to biochemical modeling approach, whereas some of substrate is directly used growth, remaining part of the substrate is stored as internal storage polymer. Although three types of storage polymer were reported in literature as PHB, glycogen and lipids based on the external carbon source, PHB is considered as most important storage polymer, for reason that the formation of PHB from the central metabolite acetyl-CoA Generally, the experimental evaluation of ASM3 and storage models were studied with periodically fed biological reactors called as sequencing batch reactors (SBRs) since SBRs have proven to be successfully for observation of the behavior of biomass in the biological treatment systems. In periodic processes, the biomass grows under transient (unsteady) conditions. An excess substrate is exposed to the biomass during the feed period termed as feast period and then no external substrate is available during most of the reaction time called as famine period within each cycle. Under such conditions, growth becomes unbalanced and microorganisms are not able to adapt their growth rates to changing conditions. As a result, different mechanisms can become important such as internal accumulation of the substrate, storage of substrate as storage polymers and excretion of intermediate metabolites. Therefore, the behavior of the biomass to the transient conditions can be defined by the operating conditions of SBR Although a numerous studies were carried out for the evaluation of storage process under anoxic conditions, the results of these studies are much different from ASM3. Therefore, the stoichiometry and kinetic of the storage under anoxic conditions have not identified clearly. The aim of this study is to investigate the effect of feeding patterns and sludge history on storage under anoxic conditions. This study was carried with acetate, which is the one of the important substrates in domestic wastewater. It is observed that when excess acetate is used as substrate, it is stored as PHB in the biomass. Based on the possibility of controlling the organic loading rate, feed length and aerobic or anoxic conditions in SBR, it is useful for applying the required conditions. xmTwo different feeding patterns were applied for the investigation the effect of feeding periods on substrate storage in SBR For this purpose, biomass was acclimated to two different feeding patterns, which are pulse and continuous feeding in the anoxic/aerobic SBR. While carbon source was given during 1 minute in pulse feeding, continuous feeding was applied to activated sludge with feeding same amount of carbon source during anoxic reaction time. After the sludge was acclimated to each feeding pattern, batch tests were run for different feeding conditions, namely pulse and continuous feeding, with sampling for COD, acetate, PHB. NO3“ and NO2”. Thus 4 sets of batch experiments were conducted in order to investigate the effects of feeding patterns and sludge history on storage. The measurements of these samples give information about the substrate removal performances, acetate uptake rates, denitrification rates and storage stoichiometry and kinetics of the system for each feeding period and for different sludge histories. Based on the sludge history studies, determination of the physiological state was identified. Owing to this part of the study, it may be possible to investigate how rapid the biomass responses in terms of storage and growth are, under anoxic conditions. For the observation of the differences between the aerobic and anoxic conditions, aerobic SBR was carried out parallel to anoxic one for each feeding pattern. The effects of anoxic conditions on storage mechanism were evaluated based on comparison of aerobic and anoxic conditions. The respirometric methodology described by Avcioglu et al, 2002 was used for the estimation of anoxic storage yield, Ystod, and the results were compared with the observed anoxic yields of PHA storage. The Ystod values obtained for the activated sludge fed with a pulse of acetate under pulse feeding conditions were in the range of 0.57-0.59 and on the average 0.58 gCOD/gCOD. The estimated Ystod values were in good correlation with the observed PHA storage. These values are however lower then those estimated by Avcioglu et al, 2002 using only the NUR data for respirometric evaluation. This experimental study presents reproducible experimental results confirmed with acetate and PHA data in addition to the respirometric evaluation of NUR data. The anoxic storage yield for acetate was reported as 0.55 gCOD/gCOD by Dionisi et al, 2001 as 0.62 gCOD/gCOD by Beun et al., 2000b, which are in good agreement with the results of this study. However, the default ASM3 value of 0.80 gCOD/gCOD lays far above all the previous experimental findings as well as this study. The average value of Ystod obtained, namely 0.58 gCOD/gCOD can be compared with the aerobic storage yield value of 0.78 gCOD/gCOD, respirometrically obtained by Karahan et al., 2002a. The ratio of the anoxic storage yield to the aerobic storage yield can then be experimentally determined as 0.75, far below the advised value of 0.94 in ASM3 (2000). While considerable amount of PHA storage was observed in the pulse experiments, continuous feeding with the same amount of acetate during the anoxic period did not yield any substrate storage. This shows that substrate storage occurs only when pulse feeding is applied to an activated sludge system, in other words, when the activated sludge culture is subjected to instant high substrate concentration and an optimized growth response is observed for a culture fed continuously at lower substrate concentrations. xivAnother important factor in the storage response of the activated sludge was reported as the sludge history. Experimental findings in this study support that when the sludge was acclimated to continuous feeding at low substrate concentrations immediate storage response can not be induced even if the system is instantly subjected to pulse feeding of substrate at high substrate concentrations. All the experiments done with acclimated to continuous feeding under anoxic conditions have shown that the activated sludge culture was able to optimize the growth response depending on the operating conditions of the system. xv
Benzer Tezler
- Çamur minimizasyonununun ve azot gideriminin birlikte gerçekleştirilebilirliği
The possibility of nitrogen removal together with sludge minimization in the activated sludge process
EMİNE SİMGE TAYBUĞA
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. NEVİN YAĞCI
- Effects of different loading rates on substrate storage phenomena
Değişik yükleme oranlarının substrat depolama mekanizmasına olan etkisi
EROL ÇAVUŞ
Yüksek Lisans
İngilizce
2005
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. EMİNE UBAY ÇOKGÖR
- Kuvvetli atıkların yukarı akışlı havasız filtrelerde arıtım kinetiği
Kinetics of strong waste treatment by anqerobic upflow filters
M.ATALAY TİMUR
- Havasız çamur yatağı sisteminde besleme rejiminin sistem kararlılığı ve çamur özelliklerine etkisi
Başlık çevirisi yok
İBRAHİM DEMİR
Doktora
Türkçe
1993
Çevre MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ADEM BAŞTÜRK
- Acute and chronic effects of sulfamethoxazole on the biodegradation of acetate under aerobic conditions at low sludge age
Sülfametoksazol?ün aerobık ortamda düşük çamur yaşında asetatın biyolojik ayrışabilirliği üzerine akut ve kronik etkileri
GÖKÇE KOR
Yüksek Lisans
İngilizce
2012
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DERİN ORHON
PROF. DR. EMİNE UBAY ÇOKGÖR