ÖZET ATIKSU ARITMA TESİSLERİNDE BIOAUGMENTATION TEKNOLOJİSİ Mehmet Emin ERGÜL Bartın Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü Kutlubeyyazıcılar Kampüsü 74000 Bartın e-mail:mehmetemin.ergul@ogr.bartin.edu.tr Biyoteknoloji; hücre ve doku biyolojisi kültürü, moleküler biyoloji, mikrobiyoloji, genetik, fizyoloji ve biyokimya gibi doğa bilimlerinin yanı sıra makina mühendisliği, elektrik-elektronik mühendisliği ve bilgisayar mühendisliği gibi mühendislik dallarından yararlanarak, DNA teknolojisiyle bitki, hayvan ve mikroorganizmaları geliştirmek, doğal olarak var olmayan veya ihtiyacımız kadar üretilemeyen yeni ve az bulunan maddeleri (ürünleri) elde etmek için kullanılan teknolojilerin tümüdür. Çevre kirliliğinin temel sebepleri; tabiatın insanoğlunun doyumsuz arzuları dolayısıyla acımasızca sömürülmesi, tabiî kaynakların aşırı şekilde tüketilmesi ve bunun neticesinde tabiatın kendini temizleme kapasitesini zorlayıcı miktar ve muhtevada kirliliğin çevreye bırakılmasıdır. Günümüzde sera gazı, asit yağmurları, ozon tabakasının incelmesi, yer altı ve yer üstü sularının bazı kimyevî maddelerle kirletilmesi, şehirlerdeki katı atıklar ve sanayi atıkları başlıca çevre problemleri arasında sayılabilir. Kimyasal dönüşümleri gerçekleştirmek için spesifik mikroorganizmaları kullanan uygulamalar, bira, ilaç ve süt sektörlerinde uygulanmıştır. Mikroorganizmalar da belediye ve endüstriyel atıksuların tedavisinde kritik bileşenleridir. Atık su muamelesinde, mikroorganizmalar (özellikle bakteri) bir besin kaynağı olarak atık akış içinde çözünebilen organik madde kullanır. Bakteriler, organik bileşikleri tüketerek, karbon dioksit, su ve yeni hücreler ile birlikte enerji ürün olarak çıkar. Sonuçta, çözünür kirleticiler atık mekanik yöntemlerle temizlenebilir ve bertaraf edilebilir ve çözünmez biyokütle çözünür hale getirilir. Atıksu arıtma tesislerinde birçok yeni nesil teknolojiler son yıllarda daha çok uygulanmaya başlanmıştır. Ancak bu makalede daha çok endüstriyel atıksu arıtımı üzerinde durulmuştur. BİYOTEKNOLOJİ NEDİR? Hayatımızı ve gezegenimizin sağlığını iyileştirmeye yardımcı teknolojiler ve ürünler geliştirmek için biyoteknoloji hücresel koşum takımları ve biyomoleküler süreçleri - En basit olarak, biyoteknoloji biyoloji üzerine teknoloji dayanmaktadır. Ekmek ve peynir gibi yararlı gıda ürünlerini yapmak ve süt ürünlerini korumak için daha 6000 yıl boyunca mikroorganizmaların biyolojik süreçlerini kullandık. Modern biyoteknoloji atılım ürünleri ve zayıflatıcı ve nadir hastalıklarla mücadele eden çevresel ayak izimizi azaltmak, açlığı, daha az ve daha temiz enerji kullanan ve daha güvenli, daha temiz ve daha verimli endüstriyel üretim süreçleri için teknolojiler sağlar. Şu anda, tedavi edilemeyen hastalıklardan birçok hasta mevcut ve 250'nin üzerinde biyoteknoloji; sağlık bakım ürünleri ve aşılar bulunmaktadır.
Dünyada 13,3 milyondan fazla çiftçi, verimi artırmak, böcek ve zararlılardan zarar görmesini önlemek ve çevre üzerindeki çiftçilik etkisini azaltmak için tarımsal biyoteknoloji kullanıyor. Kuzey Amerika genelinde sera gazı emisyonlarını azaltmaya yardımcı olabilir yenilenebilir biyokütle, biyoyakıt ve kimyasallar üretmek amacıyla teknolojiler geliştirmek için 50 den fazla biyorafineler test ediliyor ve inşa ediliyor. Biyoteknolojideki son gelişmeler toplumun en önemli problemlerini çözmek için bizlere yardımcı oluyor. Nasıl mı?... a) Dünya Sağlığını Korumak: Bulaşıcı hastalıkları önlemek veya oranlarını düşürmek, Milyonlarca çocukların yaşamalarını sağlamak, Dünyada milyonlarca insanı etkileyen ciddi, hayatı tehdit eden durumları önlemek, Sağlık riskleri ve yan etkileri en aza indirmek için bireylerin tedavilerini sağlamak. Hastalık tanısı için daha hassas araçlar oluşturmak. Gelişmekte olan dünyanın karşı karşıya kalacağı ciddi hastalıklarla ve günlük tehditlerle mücadele etmek. b) Yeşil Enerji (Yakıt) Sağlamak: % 80 daha fazla kimyasal üretim süreçleri, Su kullanımı ve atık üretimini azaltmak, Biyoyakıt kullanarak % 52 veya daha fazla sera gazı emisyonlarını azaltmak, Petrokimya kullanımı ve bağımlılığı azaltmak, Üretim süreci verimliliğinin arttırılması ve işletme maliyetlerinde % 50 veya daha fazla tasarruf sağlar. c) Daha Verimli Gıda: Biyoteknoloji, ekinlerde böcek direncini artırır, herbisit toleransını artırır ve daha fazla çevresel açıdan sürdürülebilir tarım uygulamalarının kullanımını kolaylaştırır. Dünyayı beslemek için yardımcı olur: Daha az tohumla daha yüksek mahsul getirisi elde edilir, Yiyecek ve bitki yağı içeriği artırılarak kalp sağlığını geliştirmede yardımcı olur. Pestisitlerin az başvuru ihtiyacı olduğunu ve çiftçilerin tarım arazilerinin işlenmesini azaltmak için izin biyoteknoloji bitkileri kullanarak. Biyoteknolojinin Genel Kullanım Alanları Günümüzde biyoteknolojinin etkili olduğu 4 temel alan/sektör vardır: 1) Tıp alanındaki biyoteknoloji; Bu alanda biyoteknolojinin kullanıldığı 4 temel konu vardır. Bunlar; tanı, aşı, ilaç ve gen terapisidir. 2) Endüstriyel biyoteknoloji; Burada moleküler biyoloji teknikleri gıda, temizlik, tekstil, kağıt ve kimya endüstrilerinde verimi artırmak ve çevreye olan zararı azaltmak amacıyla kullanılmaktadır. 3) Çevre biyoteknolojisi;
Bu alandaki uygulamalar çoğunlukla, doğal mikroorganizmalarla (bakteri, mantar vb. gibi) atıkların arıtımı için kullanılır. 4) Tarımsal biyoteknoloji; Bitki ve hayvansal biyoteknoloji bu grupta yer almaktadır. ÇEVRE BİYOTEKNOLOJİSİ NEDİR? Çevre biyoteknolojisi, yeşil teknolojilerin geliştirilmesi yoluyla kirliliğinin önlenmesi ve bu tür süreçler geliştirmek için organik ve yaşam sistemlerini kullanan bilim ve mühendislik alanıdır. Biyoteknoloji, moleküler biyoloji ve gen teknolojisindeki hızlı ilerleme çevre biyoteknolojisi uygulama spektrumunu genişletmektedir. İstenilen metabolik ürünleri hedefli ve ucuz bir şekilde temin edilebilir. Bunun yanı sıra genetik olarak optimize edilmiş organizmalardan, izole edilmiş enzimler ya da biyolojik ürünlerin arzu edilen hemen hemen tüm miktarlarda mevcuttur. İkinci nesil çevre biyoteknolojisi daha yüksek teknoloji yöntemleri ve süreçlerine dayanmaktadır. Günümüzde sera gazı, asit yağmurları, ozon tabakasının incelmesi, yer altı ve yer üstü sularının bazı kimyevî maddelerle kirletilmesi, şehirlerdeki katı atıklar ve sanayi atıkları başlıca çevre problemleri arasında sayılabilir. Çevre Alanındaki Biyoteknolojik Uygulamalardan Bazıları Şunlardır; Biyoteknolojik yöntemlerle biyolojik mücadele, suların arıtılması ve atık maddelerin değerlendirilmesi konularında çalışmalar yapılmaktadır. Kirlilik yaratan atık maddeleri zararsız hatta yararlı hale getirmek için mikroorganizmalar kullanılmaktadır. Örneğin; Atıkların oksijensiz ortamda bakteriler tarafından işlenmesinden (fermentasyon) metan gazı, bundan da biyogaz üretmektedirler. Biyoteknolojik yöntemlerle bazı mikroorganizmalar kullanılarak, kanalizasyonlardaki sağlığa zararlı maddeler faydalı hâle getirilebilmektedir. BIOUGMENTATION TEKNOLOJİSİ Atık su arıtma tesisleri teknolojisinde kullanılmaktadır. Organik kirleticilerin kontrolü birçok atık su arıtma tesislerinin önemli bir hedefidir. Bir çeşit ileri arıtma teknolojisidir. Atık su arıtma tesislerinde biyolojik arıtım teknolojisi uygulayan sistemlere kullanılmak üzere geliştirilmiş bir sistemdir. Aerobik arıtma sistemlerinde, aerobik bakteriler, organik bileşiklerin parçalanmasında oksijen kullanmaktadır. Sistemin çalışması için çok sayıda parametre kontrol edilmelidir. Bu parametreler, çözünmüş oksijen seviyesi, ph ve besleyici seviyelerinin (amonyak ve fosfor) arasında en çok önemli olanlardır. Çoğu aerobik atık su arıtma sistemleri 10-40 C sıcaklık aralığında çalışır ve bu nedenle ağırlıklı olarak mezofilik bakteri içerir. Bunlar, Pseudomonas, hem Bacillus gibi gram pozitif türleri, hem de gram negatif tipleri yer alır.
Şekil 1: Bir atıksu aktif çamur sistemlerinin şematik görünümü Yararlı mikroorganizmaların sağlıklı büyümesini sağlamak organik atıkları çıkarmak için tasarlanmış ikincil arıtma sistemleri, verimli çalışması için çok önemlidir. Sağlıklı ve verimli mikroorganizma büyüme ve performansı desteklemek için planlanmıştır. Buna ek olarak, diğer mikroorganizmalar, yeni biyokütle, karbon dioksit ve su haline organik madde dönüştürmek için etkileşir. Topluca bu mikroorganizmalara biyokütle denir. Biyokütle atıksu arıtma sisteminin "işgücü" dür. Sık sık biyoremediasyon ve bioaugmentation terimleri birbirinin yerine kullanılmaktadır. Biyolojiktemizleme, örneğin toprak veya su gibi, belirtilen kirli bir alanda bir biyolojik temizleme, gerçekleştirmek için seçilen, mikroorganizmaların kullanımı burada tarif edilecektir; bioaugmentation su kalitesi veya daha düşük işletme maliyetleri artırmak için, bir arıtma tesisinin mikrobiyal nüfusunu artırmak için seçilen mikroorganizmaların uygulaması olarak tanımlanır. Bioaugmentation sürekli bir süreç geliştirmek için çalışma içerir. Başka bir deyişle, biyoremediasyon, sonlu bir proje veya alanı ile ilgilenir. Bioaugmentation 1960'ların beri uygulanmaktadır. Tipik bir endüstriyel atıksu arıtma tesisinin havalandırma havzasında, farklı bakteri nüfusu bulmak için beklemek gerekir. Bazı bakteri türleri daha etkin ve verimli bir şekilde farklı bileşikleri parçalamak için çeşitlilik gereklidir. Bioaugmentation Sanayi Uygulama Alanları Sanayi atıksuları, yağ ve protein içeriği genellikle zengin bir evsel atıksuyuna (belediyeler) göre normalinden daha yüksek olabilmektedir. Proteinlerin ve yağların biyolojik olarak parçalanması zordur ve bu sistemlerde kullanılan teknolojiler çok karmaşıktır. Yağlar, yağ asitleri ve gliserol oluşturmak için ilk olarak proteinler parçalanır ve sonrasında amonyak ve hidrojen sülfid bol miktarda üretilir. Eğer bu sistem doğru yönetilmezse, bozunma sonucunda oluşan ürünler sorunlara neden olabilir. Bioaugmentation, ürünün uygulanması ve sorunların hafifletilmesi ya da ortadan kaldırılması ve uyum hedeflerini karşılamada son derece yararlı olmaktadır. Anaerobik Sindiriciler: Sanayi atıksuları, yağ ve protein içeriği genellikle zengin ve genellikle biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOD) ya da kimyasal oksijen ihtiyacı COD) düzeyleri yüksek olur. Bu nedenle, atık, bir "yüksek mukavemetli" atık olarak karakterize edilir.
Doğru bir şekilde çalışan anaerobik çürütücüler oksijen yokluğunda çalışır ve yararlı bir yan ürün olarak metan gazı üretir. Ancak, zaman zaman, süreçte zorluk yaşanabilir, özellikle atık yağ içeriği fazla ise işleme zor olabilir. Yağlı asitlerin yüksek seviyeleri metan gazı üretimini engellemede birikebilir. Bioaugmentation ürünleri, yağ parçalanmasını ve bu asit birikimini hızlandırmak için eklenebilir. Başka bir önemli endişe, hidrojen sülfid, amonyak ve diğer kokuya neden olan organik bileşikler (örneğin, mecaptans organik aminler) üretilmesidir. Bu, aynı zamanda bu tür bileşiklerin bozunmasını hızlandırarak ele alınabilir. Aerobik Sindiriciler: Bu sistemler oksijen varlığında faaliyet gösterir. Bir sonuç olarak, amonyağın uyumu karşılamak için gerekli bir teknolojidir.. Oksijen ve uygun ph kontrolü varlığında, bakteri kültürleri, ana yaklaşım vardır. Özel olarak ise, nitrifikasyon bakterileri gibi bilinen bakteri, sırasıyla, nitrit ve nitrat (NO2 ve NO3) amonyak (NH3 / NH4) dönüştürmek için ilave edilir. Ek mikro-ve büyüme faktörleri sürecini geliştirmek için gerekli olabilir. Anaerobik sistemler aerobik sistemlere göre genellikle bazı alanlarında yetersiz olabilir. Örneğin, anaerobik sistemler, hidrojen sülfit üretimi için sülfid esaslı metal çökeltiler oluşturmak üzere eser metaller ile reaksiyona girer. Diğer bakteri bozunmayı tamamlamak için bir sonucu olarak, bu izleme metalleri temin edemeyecektir. Nitrifikasyon bakterileri metal (maden) eksikliklerinin giderilmesinde oldukça duyarlı olabilir. Bioaugmentation ürünleri genellikle havalandırma havuzları (aktif çamur) veya lagünler, bir dizi toplu reaktörler, fakültatif tutma veya proses suyu lagünler ve soğutma göletlerine eklenir. Çeşitli Sistemler: Bioaugmentation ürünleri aynı zamanda yıkama suyu sistemleri, biyo-filtre, hava temizleyiciler ve soğutma suyu sistemleri gibi geleneksel olmayan kullanım alanlarını işlemek için çok yönlü yeterli olabilmektedir. Bitki yüzey aktif (örneğin, avize ekstresi) ile özü ile birlikte bakteri, enzimler ve yüzey aktifleri içeren ürünler, bu alanda genel olarak belirgindir. Şekil 2: Çeşitli bakteri örnekleri Başarılı bir bioaugmentation için, toplam sistem yönetimini gerektirir. Mikrobiyolojik nüfus işgücü olarak görülebilir, sonra danışman veya sistem yöneticisi işgücü verimliliği tutulmasından sorumludur.
Sistem yöneticisi, PH, sıcaklık ve oksijen seviyeleri gibi temel sistem parametrelerini kontrol ederek, kabul edilebilir bir çalışma ortamı sağlamak zorundadır. İyi bir büyüme ve sağlıklı bir nüfus sağlamak için besin bunları telafi etmesi gerekir. Bir bioaugmentation programının başarısının önemli bir parçası doğru bir uygulamadır. Her sistem benzersiz olduğundan, bu ürünlerin düzgün uygulanır olması esastır. Bioaugmentation programları, toplam ölçme sistemi sorunun en iyi çözümü değerlendirilmesi ve programın etkisini belgeleyen yardımı ile uygulanmalıdır. Bioaugmentation amacı tamamen mevcut biyokütle yerine değil, mikrobiyal nüfus kademeli bir değişim sağlamaktır. Nüfus kayması mikrobiyal ekosistem bütünlüğünü korumak için planlı ve kontrollü bir şekilde yerine getirmesi gerekir. Şekil 3: Mikrobiyolojik nüfusun nicelik ve nitelik bakımından bioaugmentation etkisinin gösterimi Atıksu arıtma tesislerinde en çok karşılaşılan problemler; Su yüzeyinde görülen yağlar Drenaj hattında görülen koku ve köpük problemi Dolayısıyla mikroorganizmaların daha az verimle çalışması sonucu doğurması Yukarıda açıklanan problemlerden dolayı doğan sonuçlar aşağıdaki gibidir; Zaman kaybı Yüksek maliyet Sistemlerde düşük verim
Laboratuvar ortamında geliştirilmiş özel mikroorganizmalar ile atık suda yumaklaşma etkisinin artırılarak, biyolojik arıtım yapan mikroorganizmaların sayısal ve verimsel büyümesine dayanan bir teknolojidir. Aşılanan özel mikroorganizmalar ile mikrobiyal çeşitlilik ve verimde artış sağlanmaktadır. Mikroorganizmalar herhangi bir biyolojik atık su sisteminin kalbi olduğundan, mikrobiyal topluluk geliştirerek, genel atık su sisteminin daha verimli çalışabilmesi mantığıdır. Bioaugmentation amacı; sistemin işlevselliğini geliştirmek amacıyla, mevcut mikrobiyal topluluk takviye etmektir. Bioaugmentation kimyasallar, ekipmanları ya da diğer sarf gibi geleneksel teknoloji platformları üzerinde birçok avantaj sunuyor. Ve yıllardır ikincil atık su arıtma sistemlerinde kullanılmaktadır. NİÇİN ATIK SU ARITMA TEİSLERİNDE BIOAUGMENTATION TEKNOLOJİSİ Sektörün önde gelen uzmanlık eşliğinde eşsiz teknolojileri ile toplam bir atık su arıtma çözüm sağlar. Mikrobiyal nüfusu ve organik bozulmasını geliştiriyor. Koşullar geniş bir dizi altında mikro ve büyüme için uyarılar sağlar. Yeniden kullanım için tedavi maliyetlerini düşürür. Toplum imajını geliştirir ve düzenleyici makamların para cezası ve/veya ekstra uyum maliyetleri için potansiyelini en aza indirir. İleriye dönük ve bioaugmentation teknolojisi nesil oluşturarak, atık su sektöründe yarının kaçınılmaz gereksinimleri için hazırlamak yardım edebilir. Grafik 1: Bioaugmentation teknolojisinin belediye atıksu tesisine uyguladıktan sonraki verimi
BIOAUGMENTATION TEKNOLOJİSİ NİN MALİYET YÖNÜNDEN AVANTAJLARINDAN BAZILARI Anaerobik arıtma ile biyogaz üretilerek işletme maliyetleri düşürülebilir. Koku ve yağ problemine karşı kullanılan yükseltgen ve aktif karbon sarfiyatında azalma sağlanmaktadır. Kurutma havuzlarına giden çamur miktarında azalma ve dolayısıyla çamur susuzlaştırma maliyetlerinin düşmesi sağlanabilir. Mikrobiyal topluluğun verimliliğinin artırılması için gerekli olan sermayenin karşılanması sağlanır. NEDEN BIOAUGMENTATION TEKNOLOJİSİ? Organik atık yükün ve yağların parçalanma hızının artması. Biyolojik arıtım sürecinde hızın %80 e kadar artış sağlanması. Arıtma kapasitesinin en az %25 artması. Atık su çıkış değerlerinde geleneksel sisteme kıyasla ciddi bir iyileşme sağlanması. Çıkan arıtma çamurunun organik (gübresel kullanım için) verimliliğinde artış sağlanması. Desülfirizasyon tekniğinin kullanılmasına gerek kalmaması sebebiyle maliyette düşüş ve koku probleminin ortadan kalkması. Geleneksel metoda göre yaklaşık %50 daha az enerji kullanımı. Yağ eliminasyonun artması ve akış kinetiğinin azalması ile pompalara düşen yükün azalması ve sonuçta bakım ve temizlik giderlerinin azalması. Polielektrolitlerin kullanımının azalması ile işletme maliyetlerinin düşürülmesi. Referanslardan Bazıları: Aşağıda BIOAUGMENTATION TEKNOLOJİSİ uygulanan tesisler ve atıksuyun çıkış değerleri verilmiştir. Proje Yararlanıcısı Proje Yeri :Patras Belediyesi Atıksu Arıtma Tesisi :Yunanistan Nüfus :180000 Atıksu Miktarı :39000 m3/gün Çalışma Tarihi :04.01.2014 30 günlük periyotta BIOAUGMENTATİON TEKNOLOJİSİ öncesi çıkan çamur miktarı 400 ton/gün iken bu sistemde 75 ton/gün çıkmıştır. Yaklaşık %81 çamur miktarında düşüş olmuştur.
Proje Yararlanıcısı Proje Yeri :Veroa Belediyesi Atıksu Arıtma Tesisi :Yunanistan Nüfus :40000 Atıksu Miktarı :10000 m3/gün Çalışma Tarihi :Haziran 2012 20 aylık periyotta BIOAUGMENTATİON TEKNOLOJİSİ öncesi çıkan çamur miktarı 7200 ton/gün iken bu sistemde 30 ton/gün çıkmıştır.
SONUÇ Çevresel kısıtlamalar nedeniyle, pek çok sanayi tesisleri ciddi mevcut atıksu arıtma tesislerinin kapasitesini zorlayacak uyum düzeyleri ile karşı karşıya kalacaktır. Bazı durumlarda, bioaugmentation sistem değişiklikleri uygulanabilir kadar maliyet-etkin, kısa vadeli ve orta vadeli düzeltme uygun tutma seviyesinde olacaktır. Diğer durumlarda bioaugmentation nedeniyle mekanik çözümler sermaye fonlarının yetersizliği veya uzun vadeli giderler çözüm olacaktır. Etkin bir biçimde havalandırma havzasının mikrobiyolojik nüfusu yönetmek kavramı yeni bir yaklaşımdır. Bu sisteme yeni organizmaları tanıtarak çok daha fazlası elde edilebilir. Toplam sistem yönetimi çevre mikrobiyolojisi yanı sıra atık tesisi işletme ve tasarım, derinlemesine anlamayı gerektirir. Etkin bir şekilde, bu iki disiplinleri birleştirerek, atık su yöneticisi mevcut sistem için en iyi sonuçlar sağlanabilir. KAYNAKÇA 1) http://www.biopro.de/magazin/thema/00129/index.html?lang=en&artikelid=/artikel/03369/ind ex.html 2) http://www.novozymes.com/en/solutions/wastewater-solutions/what-is- Bioaugmentation/Pages/default.aspx 3) http://www.tramfloc.com/bioaugmentation-fix-for-wastewater-1.html 4) Bioaugmentation for Wastewater Systems, By Terry L. Joubert 5) Sewer Collection System Bioaugmentation Reduces Energy Use in Wastewater Treatment Plants, Bulbul Ahmed, In-Pipe Technology Company, Inc. 6) Granulated Mixed Microbial Culture Suggesting Succesful Employment of Bioaugmentation in the Treatment of Process Wastewaters, M. Glancer-Solijan, S. Ban, T. Landeka Dragicevic, V. Solijan, and V. Matic