Biyolojik atık arıtmalı sürekli sistemlerin dinamik davranışı

Abstract

iv ÖZET Endüstriyel ve evsel atık suların biyolojik olarak arıtılmasında yöntem teşkil etmek üzere ticari bir karma kültür olan Thermobac İM ile yapılan bu çalışmada amaç; mikroorganizmanın kinetik parametrelerinin belirlenmesi ve yatış- kın durumda çalıştırılan arıtım tesislerinde yatışkınlığa geçiş dinamiğinin incelenmesidir. Bu nedenle, ilk olarak Thermobac İM karma kültürüne ait kinetik parametreler saptanmıştır. Kesikli sistemde yapılan denemeler sonucunda sınırlayıcı substratın D-Glukoz olduğu ortamda Monod modelinden p = 0.414 sa, K =0.0663 g/l in S Y /= 0.498 ve m= 1.0917 g glukoz/g kuru mikroorganizma-sa olarak bulunmuştur. Sınırlayıcı substrat olarak amonyum- sülfat seçildiğinde inhibisyon gözlenmiş ve deneysel veri ler Andrews inhibisyon modelinde incelendiğinde u = 1.558 sa, K s = 1.998 g/l, K = 9.748 g/l, m= 0.139 g amonyumsülfat/g kuru mikroorganizma-sa ve Yv/ = 1.686 olarak hesaplanmış- tır. Sürekli sistemde ise D-Glukoz için çalışmalar yapılmış, aynı kinetik parametrelerin değerleri u = 0.1252 sa, Y. = 0.59 46, K = 0.7228 g/l ve m= 0.2227 g glukoz/g kuru mikroorganizma-sa olarak bulunmuştur. Kesikli ve sürekli sistemde elde edilen sonuçlardaki bu farklılığın nedeni; kesikli sistemde ortam bileşiminin sürekli değişmesi ve buna bağlı olarak karma kültürdeki farklı tipte mikroorganizmaların etkinliğini sürdürmesine rağmen, sürekli sis temde değişmeyen bir ortam bileşiminde bir süre sonra tek tip organizmanın baskın olmasıdır. İkinci olarak, sürekli sistemde giren akımda substrat derişiminin ve besleme akış hızının değiştirilmesi gibi iki ayrı basamak etkiye karşı sistem cevabı kuramsal ve deney- sal olarak izlenmiştir. Basamak etki giren akımdakisubstrat derişiminin değişimi olduğu zaman, sistem cevabı kuramsal verilerle uyum göstermemiş, ancak sadece besleme akış hızında basamak etki yapıldığı zaman ise sistem cevabının oluşturulan modele uyum gösterdiği saptanmıştır. Son olarak oluşturulan model üzerinde sınırlayıcı substrat olarak D~Glukoz ve Amonyumsülfat seçilerek faz-plan analizi yapılmış ve boyutsuz stabilite grafikleri elde edilmiştir. Belli bir S ve D değeri için bu eğriler sistemin dinamik davranışının bir ölçüsünü vermekte, sisteme giren akımdaki kirlilik yoğunluğuna göre sistemin ne kadar zamanda ve hangi yoldan kararlı noktaya ulaşacağını göstermektedir. Sonuç olarak karma kültüre ait kinetik parametreler literatürdeki verilerle karşılaştırıldığı zaman hızlı bir arıtım sağladığı ve aşırı hücre derişimine ulaşmadığından arıtım sonunda üremiş kütlenin atılma sorununu ortadan kaldırdığı belirlenmiştir.

vi SUMMARY The aim of this work is twofolds; first to determine the kinetic parameters of a commercial mixed culture utilized in domestic waste water, namely Thermobac IM, and second to investigate the transient behavior of microorganism dynamics heading for steady state in continious operation. As the first step kinetic parameters of Thermobac IM commercial mixed culture were determined through batch cultivation using an artificial wastewater media.. The culture was observed in according with Monod model in a broth were D-glucose was the limiting substrate and corresponding factors of Monod were calculated as pi = 0.414 hr`1, K = O.O663 g/1, Y. = 0.498 and m= 1.0917 g in s x / s glucose /g dry mo/hr through nonlinear regression analysis. However, when limiting substrate was selected as ammonium sulphate, sole nitrogen source of media, inhibition of substrate prevailed for higher concentrations and growth kinetics was best fitted to Andrews inhibition model with corresponding parameters of p = 1.558 hr, K = 1.938 g/1, in s KT= 9.748 g/1, Y, = 1.686 and m= 0.139 g ammonium J- X / s sulfate/g dry mo/hr employing multiple regression analysis. Since the treatment operation is carried out in a continuous fashion, the same kinetic parameters for the case when D-glucose was the limiting substrate were obtained from a continuously operating CSTR and corresponding values of mixed culture were determined to be y = 0.1252 hr, m ' K = 0.7228 g/1, Y, = 0.5946 and m= 0.2227 g glueose/g dry S X / s mo/hr. The difference between the results in batch and continuous experiments were due to varying microorganism species numbers in the batch one according to gradually depleted media composition while in the latter a few identical microorganism types were dominant in stable steady state broth.vıı Secondly, step inputs of feed rate and composition were applied to continuous CSTR and system response was traced by time. Theoretical response from the model derived were compared with those of experimental ones; good accordance was observed in step change of feed rate while no fair correlation existed for step change in influent composition. As final step, phase plane analysis were performed on the dimensionless dynamic madel of the system to derive stability curves when limiting substrate were D-glucose and ammonium sulfate. These very curves with predetermined influent concentration, S, and dilution rate, D simulated the `system response pathway` to reach final steady state value. Of conclusion, these new parameters of commercial mixed culture lead to moderate purification efficiency of ammonia together with carbonaceous material in classical activated processes with fast response of microorganisms to operational variations without sludge problems even at low pH ranges.