The Role of extracellular polymeric substances on the dewaterability of biological sludges

Abstract

VI ÖZET Biyolojik çamurların susuzlaştırılabilmesini etkileyen birçok faktör vardır: partikül boyutu dağılımı, flok yapısı, hücredışı polimerik maddeler (EPS), vb. EPS bakteri hücresi tarafından üretilen organik polimerler olup hücre duvarını çevreler ve temelde proteinler, karbonhidratlar, lipitler, hümik bileşikler, DNA vb. maddelerden oluşur. EPS, flok yapısı, flokülasyon prosesi, çamurun çökebilme özellikleri ve susuzlaştırılabilmesinin belirlenmesinde oldukça önemlidir. Bu çalışmada, hücredışı polimerik maddelerin protein ve karbonhidrat bileşenlerinin biyolojik çamurların susuzlaştırılabilmesi üzerindeki rolü araştırılmıştır. EPS kompozisyonları, reaktör setlerini, kimyasal oksijen ihtiyacının amonyak azotuna oranı (KOİ/ NH3-N) olarak, farklı karbon/azot oranlarında işletmek kaydıyla değiştirilmiştir. Reaktör setleri sırayla 8, 19, ve 30 olmak üzere farklı C/N oranlarındaki besi maddeleri ile beslenmiştir. EPS, 75 g/g uçucu askıda katı madde (UAKM) dozajında, katyon değiştirici reçine kullanılarak çamurdan ayrıştırılmıştır. EPS karakteristikleri FT-IR spektroskopisi kullanılarak da incelenmiştir. Çamur numunelerinin susuzlaştırılma karakteristikleri sırasıyla kapiler emme zamanı (CST) ve kek katı konsantrasyonu cinsinden ölçülerek filtre edilebilirlik ve kompakt edilebilirlik olarak belirlenmiştir. Ayrıca, çamur numunelerinin flok yapısı mikroskobik olarak gözlenmiştir. Karbon/azot oranı arttıkça çamur numunelerinin filtre edilebilirlik sabiti olarak filtre edilebilirlikleri ve kek katı konsantrasyonu olarak kompakt edilebilirlikleri artmıştır. Çamurun hücredışı polimerik maddelerinin karbonhidrat bileşeni (EPSkarbonhidrat) arttıkça ve protein bileşeni (EPSprotein) azaldıkça, çamurun susuzlaştırılabilmesi filtre edilebilirlik ve kompakt edilebilirlik olarak iyileşmiştir. EPSprotein çamurun kek katı konsantrasyonu ile ters orantılıdır ve bu da EPSprotein'in su tutma kapasitesi ile açıklanabilir. Çamurun karbon/azot oranındaki değişim EPS 'deki karbonhidrat/protein oranını çok fazla etkilemiştir. FT-IR analizi sonuçlan, analitik test sonuçlanın desteklemiştir. Bu çalışmanın sonuçlan çamurun karbon/azot oranının EPS kompozisyonunu, karbonhidrat/protein oram olarak, değiştirerek, çamurun susuzlaştırılabilmesini filtre edilebilirlik ve kompakt edilebilirlik cinsinden etkilediğini ortaya koyar.

ABSTRACT There are many factors affecting the dewaterability of biological sludges such as particle size distribution, floe structure, extracellular polymeric substances (EPS), etc. EPS are the organic polymers that are produced by the bacterial cell surrounding the cell wall and mainly composed of proteins, carbohydrates, lipids, humic compounds, DNA etc. EPS are considered to be important in determining the floe structure, flocculation process, sludge settling properties and dewaterability. In this research, the role of the protein and carbohydrate parts of extracellular polymeric substances on the dewaterability of biological sludges was investigated. The composition of EPS was altered by operating the reactor sets in different carbon to nitrogen ratios in terms of chemical oxygen demand to ammonia-N (COD/NH3-N). The reactors sets were fed with media having C/N ratios of 8, 19 and 30, respectively. EPS were extracted by a cation exchange resin at a dosage of 75 g/g volatile suspended solids (VSS). The characteristics of EPS were also investigated by using FT-ER. spectroscopy. The dewatering characteristics of the sludge samples were determined by measuring the filterability and compactibility of sludges in terms of CST and cake solids concentration, respectively. The floe structures of sludge samples were also observed microscopically. Filterability, in terms of filterability constant (X), and compactibility, in terms of cake solids concentration, of sludge samples increased considerably by the increasing C/N ratio. Dewaterability of sludge, both filterability and compactibility, improved with increasing carbohydrate part, EPSCaftohydrate5 and decreasing protein part, EPSprotein, of the EPS in the sludge. EPSprotein was inversely related to the cake solids concentration, which might be explained by the water holding capacity of EPSprotein. The carbohydrate to protein ratio of EPS was highly affected by the change in the C/N ratios of sludges. The results of FT-IR analysis supported the results of analytical tests. The results of this study indicate that the C/N ratio of sludge affected its dewaterability, in terms of filterability and compactibility, by changing the EPS composition, carbohydrate and protein ratio of EPS, in the sludge.