Atık suların arıtılmasında kullanılan akışkan yataklı biyofilm reaktörlerde etkin substrat difüzyon katsayılarının dinamik olarak saptanması ve sistemin modellenmesi

Abstract

ÖZET Atıksulann arıtılmasında kullanılan akışkan yatak biyofilm reaktörlerin tasarımında en önemli basamaklardan birisi biyofilm içindeki kısıtlayıcı substrat etkin difüzyon katsayılarının hesaplanmasıdır. Bu çalışmada, diferansiyel akışkan yatak biyofilm reaktörde baskın bir aktif çamur bakterisi olan Zoogloea ramigera (NRRL 3691) nın saf kültürü sentetik atık su ortamında biyofilm halinde büyütülmüş ve bu film içindeki D-glikoz, amonyumklorür ve çözünmüş oksijen etkin difüzyon katsayıları simültane olarak sayısal yöntemle hesaplanmıştır. Kullanılan mikroorganizmanın özgül büyüme hızı ve substrat tüketim kinetiği, 5 litrelik bir fermentörde 25°C da sürekli sistem deneyleri ile farklı pH, akkoruna süresi, karıştırma hızı ve substrat konsantrasyonlarında incelenmiş ve sonuçlar nonlineer regresyon tekniği ile modellenerek özgül üreme hızının glikoz, çözünmüş oksijen ve amonyumklorür derişimlerine bağlı olduğu çok değişkenli bir biyokinetik model elde edilmiştir. Homojen ortam parametrelerinin sağlandığı diferansiyel akışkan yatak biyofilm reaktörde aktif karbon üzerinde kültür farklı kalınlıklara kadar büyütülmüş ve biyofilm kalınlığı, hücre yoğunluğu ve substratlann tüketim hızları hesaplanmıştır. Bu deneysel veriler, elde edilen çoklu kinetik ifadenin kullanıldığı (difüzyon+reaksiyon) süreklilik denkliğinde etkin substrat difüzyon katsayılarının simültane olarak saptanmasında kullanılmıştır. Model çözümü sonucunda bütün substratlar için etkin difüzyon katsayılarının biyofilm hücre yoğunluğu ile hiperbolik olarak azaldığı bulunmuştur. Hesaplanan etkin difüzyon katsayıları farklı biyofilm derişimlerinde su içinde olan değerlerine göre; glikozda % 13-34, amonyumklorürde % 48-96 ve çözünmüş oksijende % 28-48 arasında azaldığı gözlenmiştir. Literatür çalışmalarından farklı olarak özellikle yüksek biyofilm derişimlerinde sadece çözünmüş oksijen değil, azot ve karbon kaynaklarının da kısıtlayıcı olabileceği anlaşılmış ve çoklukinetik ifadeden kısıtlayıcı substratlar için elde edilen bazı kinetik (Monod ve Tessier) sabitler bireysel büyüyen kültür ortamında elde edildiğinden literatür değerlerine göre daha düşük bulunmuştur. Sonuç olarak bu çalışmada canlı mikroorganizma filminde substrat etkin difüzyon katsayılarının biyofilm derişimi ile önemli oranda değiştiği ve çözünmüş oksijenden başka karbon ve azot kaynaklarının da kısıtlayıcı substrat olabileceği anlaşılmıştır. Bu nedenle akışkan yatak biyofilm reaktörlerin modellenmesinde literatürdeki yaygın uygulamanın aksine değişken ve birden fazla substrat için etkin difüzyon katsayıları kullanılması önerilmiştir. iv

SUMMARY The most important criteria in the design of fiuidized bed biofilm reactors for wastewater treatment is the estimation of effective diffusion coefficients of limiting substrates in the biofilm. In this study, pure culture of an activated sludge bacteria, zoogloea ramigera (NRRL 3691), was used to grow in the form of biofilm using simulated wastewater media in fiuidized bed biofilm reactor. The effective diffusion coefficients of essential substrates, D- glucose, ammoniumchloride and dissolved oxygen, were calculated simultaneously through the biofilm by numerical analysis. Specific growth rate and substrate utilization kinetics of the microorganism were determined through the runs in a fully controlled 5 liter fermenter operating continuously under the conditions of different pH, retention time, stirring rate and substrate concentrations. The experimental results were processed with nonlinear regression techniques in different multiple kinetic models and specific growth rate of microorganism was formulated in a multiple biokinetic model including the concentrations of D-glucose, ammoniumchloride and dissolved oxygen. The culture was film-wise grown on spherical activated carbon in homogeneous medium of differential fiuidized bed biofilm reactor at various biofilm thickness, corresponding biofilm density and substrate consumption rates were calculated. The results of these experiments were used to calculate simultaneous effective diffusion coefficients with (diffusion+reaction) model including the derived multiple kinetic expression. The solution of the model proved that effective substrate diffusion coefficients decreased hyperbolically by biofilm density. The ratio of the calculated effective diffusion coefficients in the biofilm to those in water were found as, for D-glucose 28-48 %, ammoniumchloride 48-96 % and dissolved oxygen 28-48 %.At very high biofilm densities, growth rate can be restrained both by glucose and ammoniumchloride concentrations in addition to dissolved oxygen concentration. The biokinetic constants of the culture were found less than literature studies because of homogeneous growth conditions of the microorganism. With this study, the effective diffusion coefficients of the substrates were found as a function of biofilm density as well as of glucose and ammoniumcholoride in addition to dissolved oxygen concentrations. Consequently, it was highly recommended that variable effective diffusion coefficients with multiple substrate effects had to be employed in the design and modelling of fluidized bed biofilm reactors. VI