Bu çalışma, anaerobik olarak ön arıtılmış gerçek evsel atık sudaki amonyak, toplam azot ve organik maddenin tek bir biyolojik reaktörde giderilmesi amacıyla çift membranlı bir Membran Havalandırmalı Biyofilm Reaktörü geliştirmiştir. Sistemde bir grup içi boş lifli membran mikroorganizmalara kabarcıksız biçimde oksijen sağlarken ikinci membran grubu arıtılmış suyu filtrelemiş ve yavaş büyüyen nitrifikasyon ile anammox mikroorganizmalarının reaktörden uzaklaşmasını sınırlandırmıştır.

5,7 litre çalışma hacmine sahip laboratuvar reaktörü, Brezilya’daki bir kentsel atık su arıtma tesisinin dört UASB reaktöründen alınan gerçek çıkış suyuyla 180 gün işletilmiştir. Kararlı işletim döneminde kimyasal oksijen ihtiyacında yüzde 62, amonyum azotunda yüzde 63 ve toplam azotta yaklaşık yüzde 32-35 giderim bildirilmiştir. Arıtılmış suda yaklaşık 29 mg/L KOİ, 17 mg/L amonyum azotu ve 32-33 mg/L toplam azot elde edilmiştir.

Reaktörde çözünmüş oksijen 0,5 mg/L’nin altında tutulmuştur. Oksijenin membran içinden biyofilme doğru, amonyak ve organik maddelerin ise sıvı ortamdan biyofilme doğru ters yönlerde taşınması; nitrifikasyon, anammox ve denitrifikasyon için farklı mikro bölgelerin aynı sistemde oluşmasına olanak sağlamış olabilir. Mikrobiyal analizlerde havalandırma membranında Nitrospira, Candidatus Brocadia ve Limnobacter; askıda biyokütlede ise Nitrospira ve Denitratisoma öne çıkmıştır.

Amonyak gideriminin sınırlı kalması, araştırmacılar tarafından düşük havalandırma membranı alanına bağlanmıştır. Kinetik verilerden yapılan hesaplama, havalandırma membranı alanının 1,47 kat artırılarak özgül alanın 21 m²/m³’ten yaklaşık 31 m²/m³’e çıkarılması hâlinde amonyak gideriminin yüzde 91’e yaklaşabileceğini öngörmektedir. Bu değer yeni bir reaktörde deneysel olarak doğrulanmamış bir tasarım tahminidir.

Çalışma, çift membranlı MABR yaklaşımının gerçek UASB çıkış suyunda çalışabildiğini göstermektedir; ancak ticari veya tam ölçekli uygulanabilirliği kanıtlamamaktadır. Tek reaktör kullanılması, kontrol sisteminin bulunmaması, membran kirlenmesi, kinetik sonuçlardaki birim tutarsızlıkları ve düşük sıcaklıklardaki performansın sınanmaması temel sınırlılıklardır. Çalışma ayrıca hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir.

Araştırmanın temel sorusu nedir?

Araştırmanın temel sorusu, anaerobik reaktörlerden çıkan ve hâlâ önemli miktarda amonyum ile çözünmüş organik madde içeren gerçek evsel atık suyun, havalandırma ve filtrasyon membranlarını aynı biyolojik hacimde birleştiren tek bir sistemle ileri düzeyde arıtılıp arıtılamayacağıdır.

UASB gibi anaerobik reaktörler, evsel atık sudaki organik maddenin önemli bir bölümünü düşük enerji gereksinimiyle uzaklaştırabilir. Buna karşılık azotun büyük kısmı amonyum biçiminde çıkış suyunda kalır. Çalışmanın kullandığı gerçek UASB çıkışında amonyum azotu yaklaşık 46 mg/L, toplam azot yaklaşık 51 mg/L ve kimyasal oksijen ihtiyacı yaklaşık 77 mg/L düzeyindedir.

Bu su doğrudan alıcı ortama verildiğinde azot yükü ötrofikasyona katkıda bulunabilir. Araştırmacılar bu nedenle mevcut anaerobik tesislerin arkasına eklenebilecek, az miktarda oksijen kullanan ve azot giderimini tek tankta yoğunlaştıran bir son arıtma sistemi geliştirmeyi amaçlamıştır.

Çift membranlı MABR nedir?

Çalışmada geliştirilen sistem, aynı reaktör içinde iki farklı işlev gören içi boş lifli PVDF membranlardan oluşmaktadır:

• Havalandırma membranı: Atmosferik havayı liflerin içinden biyofilme taşımaktadır. Hava suya kabarcık olarak verilmemekte, oksijen membran duvarından biyofilme difüze olmaktadır.
• Filtrasyon membranı: Arıtılmış suyu vakum etkisiyle ayırırken askıda biyokütleyi ve parçacıkları reaktör içinde tutmaktadır.

Bu iki işlevin ayrılması, havalandırma membranının üzerinde kararlı bir biyofilm gelişmesine ve filtrasyon işleminin sürekli olarak ayrı liflerde yürütülmesine olanak vermektedir. Daha önce bildirilen benzer bir tasarımda aynı membran dönüşümlü olarak havalandırma ve filtrasyon için kullanılmıştır. Araştırmacılar bu dönüşümlü işletimin biyofilm kararlılığını sınırlayabileceğini belirtmektedir.

SNAD süreci nasıl çalışmaktadır?

SNAD, eş zamanlı kısmi nitrifikasyon, anammox ve denitrifikasyon süreçlerini ifade etmektedir. Çalışmada hedeflenen işleyiş üç biyolojik dönüşümün aynı reaktörde birbirini tamamlamasıdır:

1. Amonyumun bir kısmı oksijen kullanan mikroorganizmalar tarafından nitrite dönüştürülür.
2. Anammox mikroorganizmaları amonyum ile nitriti kullanarak azot gazı ve sınırlı miktarda nitrat oluşturur.
3. Heterotrofik denitrifikasyon mikroorganizmaları kalan organik maddeleri elektron vericisi olarak kullanıp nitrat veya nitriti azot gazına dönüştürür.

MABR biyofilminde oksijen membranın iç yüzeyinden dışa doğru ilerlemektedir. Amonyum, nitrat ve organik maddeler ise reaktör sıvısından biyofilme doğru taşınmaktadır. Bu karşı yönlü madde aktarımı nedeniyle membrana yakın bölgede oksijenli, dış katmanlarda ise oksijeni sınırlı veya anoksik mikro bölgeler oluşabileceği düşünülmektedir.

Bu düzenleme, oksijen kullanan nitrifikasyon mikroorganizmalarıyla oksijene duyarlı anammox mikroorganizmalarının aynı biyofilmde bulunmasını açıklayabilecek bir mekanizmadır. Ancak çalışmada biyofilm içindeki oksijen profili mikroelektrotla ölçülmemiştir. Dolayısıyla katmanlaşma mekanizması mikrobiyal dağılımla uyumlu olmakla birlikte doğrudan doğrulanmış değildir.

Deney düzeneği nasıl kurulmuştur?

Şekil 1’de gösterilen deney düzeneği; besleme tankı, besleme pompası, seviye sensörü, akrilik biyoreaktör, havalandırma ve filtrasyon membranları, hava pompası, manyetik karıştırıcı, vakum tankı, vakum pompası, permeat tankı, geri yıkama pompası, basınç göstergeleri, rotametreler ve otomatik vanalardan oluşmaktadır.

Her iki membran grubu da içi boş lifli poliviniliden florür ultrafiltrasyon membranlarından hazırlanmıştır. Havalandırma lifleri açık lümenli çapraz akış düzeninde sürekli hava almıştır. Araştırmacılar kesikli havalandırma yerine düşük debili sürekli havalandırmayı seçerek kontrol sistemini basitleştirmeyi ve kısmi nitrifikasyonu destekleyecek kadar sınırlı oksijen sağlamayı amaçlamıştır.

Filtrasyon membranı nasıl işletilmiştir?

Membran geri yıkaması her 15 dakikada bir, 15 saniye süreyle uygulanmıştır. Geri yıkama debisi permeat debisinin 1,5 katı, basıncı ise 1 bar olarak ayarlanmıştır.

Transmembran basıncı 0,5 barı geçtiğinde filtrasyon modülü dışarı alınarak 1000 ppm sodyum hipoklorit çözeltisinde 20 dakika kimyasal temizliğe tabi tutulmuştur. Kimyasal temizlikler işletimin 50. ve 91. günlerinde gerçekleştirilmiştir. Havalandırma membranları işletme boyunca temizlenmemiştir.

Bu ayrım önemlidir. Havalandırma membranındaki biyofilm prosesin işlevsel bir parçasıyken filtrasyon membranındaki birikim su geçirgenliğini azaltan kirlenme olarak değerlendirilmiştir.

Reaktör hangi biyokütleyle başlatılmıştır?

Aşılama çamuru, laboratuvar ölçekli bir reaktörden alınan zenginleştirilmiş anammox çamuru ile belediye atık su arıtma tesisinin geri devir hattından alınan geleneksel aktif çamurun 1:2 kütle oranında karıştırılmasıyla hazırlanmıştır.

Başlangıç uçucu askıda katı madde konsantrasyonu 2,03 g VSS/L’dir. Hazırlanan aşı, reaktörün etkili hacminin yüzde 30’unu doldurmuştur. Böylece sisteme hem anammox mikroorganizmaları hem de nitrifikasyon, denitrifikasyon ve organik madde parçalanmasında görev alabilecek daha çeşitli bir aktif çamur topluluğu verilmiştir.

Gerçek atık su nereden alınmıştır?

Besleme suyu, Brezilya’nın Contagem kentindeki Nova Contagem Kentsel Atık Su Arıtma Tesisi’nde bulunan dört UASB reaktörünün ortak çıkışından alınmıştır. Tesisin nominal debisi 100 L/s olarak verilmiştir.

Toplanan kompozit numune 4 °C’de saklanmış, reaktöre verilmeden önce oda sıcaklığına getirilmiştir. Böylece sentetik bir laboratuvar çözeltisi yerine, bileşimi zamanla değişen gerçek evsel atık su kullanılmıştır.

Gerçek atık su kullanılması çalışmanın önemli güçlü yönlerinden biridir. Buna karşılık soğuk depolama ve daha sonra oda sıcaklığına getirme işlemi, tam ölçekli tesiste sürekli akan taze atık su koşullarını bütünüyle temsil etmemektedir.

Hangi su kalitesi parametreleri ölçülmüştür?

UASB çıkışında ve çift membranlı reaktör permeatında aşağıdaki parametreler izlenmiştir:

• Kimyasal oksijen ihtiyacı
• Toplam Kjeldahl azotu
• Amonyum azotu
• Nitrit
• Nitrat
• Çözünmüş oksijen
• pH
• Toplam koliform
• Escherichia coli

Analizler APHA Standart Yöntemleri temel alınarak gerçekleştirilmiştir. Çözünmüş oksijen lüminesans probuyla, koliform ve E. coli ise Colilert yöntemiyle ölçülmüştür.

İstatistiksel analiz nasıl yapılmıştır?

Verilerin dağılımı Shapiro-Wilk testiyle incelenmiştir. Normal dağılım gösteren karşılaştırmalar için Student t testi, normal dağılım göstermeyenler için Mann-Whitney testi öngörülmüştür. İşletme verilerinin normal dağılmadığı belirlendiğinden başlangıç ve kararlı işletim dönemlerinin karşılaştırılmasında Mann-Whitney testi kullanılmıştır.

Anlamlılık düzeyi yüzde 5 olarak belirlenmiştir. Başlangıç ve işletim dönemleri arasında:

• KOİ giderimindeki fark anlamlı bulunmuştur: p = 0,001.
• Toplam azot giderimindeki fark anlamlı bulunmuştur: p = 0,042.
• Amonyum giderimindeki fark anlamlı bulunmamıştır: p = 0,088.

Araştırmacılar bu sonuçları denitrifikasyon ve anammox topluluklarının nitrifikasyon topluluğuna göre daha geç yerleşmiş olabileceği şeklinde yorumlamıştır. Ancak mikrobiyal topluluk yalnızca başlangıçta ve işletim sonunda dizilendiğinden toplulukların zamana bağlı gelişimi doğrudan izlenmemiştir.

Reaktörün başlangıç dönemi ne kadar sürmüştür?

Metin içinde ilk 50 gün biyokütle uyum dönemi olarak tanımlanmıştır. Tablo 1 ve izleme grafiğinde ise başlangıç dönemi 0-55 gün, işletim dönemi 56-180 gün olarak ayrılmıştır.

Bu beş günlük fark sonuçların genel yönünü değiştirmemektedir; ancak dönem ortalamaları ve istatistiksel karşılaştırmalar bakımından nihai sürümde açıklanması gereken editoryal bir tutarsızlıktır.

Organik madde giderimi nasıl gelişmiştir?

Başlangıç döneminde UASB çıkışındaki ortalama KOİ 68 ± 4 mg/L, arıtılmış sudaki KOİ ise 44 ± 3 mg/L olmuştur. Giderim verimi yüzde 32 ± 5 düzeyindedir.

Kararlı işletim döneminde giriş KOİ’si 77 ± 2 mg/L’ye yükselmesine rağmen çıkış konsantrasyonu 29 ± 1 mg/L’ye düşmüş ve giderim yüzde 62 ± 1’e ulaşmıştır.

Giriş suyunun karbon/azot oranı yaklaşık 1,7 olarak hesaplanmıştır. Organik madde düzeyinin düşük olması, hızlı büyüyen heterotrofik bakterilerin sisteme hâkim olmasını sınırlandırmış ve yavaş büyüyen nitrifikasyon ile anammox topluluklarına alan sağlamış olabilir.

Çıkıştaki yaklaşık 29 mg/L KOİ’nin büyük ölçüde biyolojik olarak zor parçalanan organik maddelerden oluştuğu değerlendirilmiştir. Bu bileşimin ayrıntılı kimyasal kimliği belirlenmemiştir.

Amonyum gideriminde hangi sonuçlar elde edilmiştir?

Kararlı işletim döneminde ortalama amonyum azotu giriş konsantrasyonu 46,1 ± 0,6 mg/L, çıkış konsantrasyonu ise 17,3 ± 1,0 mg/L olmuştur. Buna karşılık gelen giderim yüzde 63 ± 2’dir.

İşletim dönemi boyunca ortalama çıkış amonyumunun Brezilya’nın Minas Gerais eyaletinde belirtilen 20 mg/L sınırının altında kaldığı bildirilmiştir. Bu uygunluk yalnızca ilgili Brezilya düzenlemesine ilişkindir ve Türkiye’deki deşarj veya yeniden kullanım mevzuatına uygunluk anlamına gelmemektedir.

Çalışmanın 8 L/saatlik hava debisi, araştırmacıların karşılaştırdığı bazı MABR çalışmalarındaki 80-600 L/saat değerlerinden çok daha düşüktür. Düşük hava debisi ve düşük membran alanı enerji ve yatırım maliyetini sınırlamak amacıyla seçilmiş; ancak reaktörde giderilemeyen amonyum kalmasına neden olmuştur.

Toplam azot giderimi neden amonyum gideriminden daha düşüktür?

Amonyumun nitrite veya nitrata dönüşmesi, azotun sudan tamamen uzaklaştırıldığı anlamına gelmez. Toplam azotun giderilebilmesi için oksitlenmiş azot türlerinin anammox veya denitrifikasyon yoluyla azot gazına dönüştürülmesi gerekir.

Kararlı dönemde çıkış suyunda yaklaşık 18 mg/L Kjeldahl azotu veya indirgenmiş azot, 4,9 mg/L nitrit ve 10,3 mg/L nitrat bildirilmiştir. Bu bileşenlerin toplamı yaklaşık 33 mg/L’ye ulaşmaktadır.

Özet ve sonuç bölümü toplam azot giderimini yüzde 32, Tablo 1’in son sütunu ise yüzde 35 ± 2 olarak vermektedir. Fark, ortalama konsantrasyonlardan yeniden hesaplama ile günlük giderim yüzdelerinin ortalamasının aynı olmamasından kaynaklanabilir; ancak çalışma bu farkı açıklamamaktadır.

Tablo 1’de indirgenmiş azot ve toplam azot sütunlarının adlandırılması açık değildir. Bir sütun “TN eff” olarak etiketlenmesine rağmen nitrit ve nitratın ayrıca verilmesi, bu sütunun gerçekte toplam Kjeldahl azotunu temsil ettiğini düşündürmektedir. Bu, çalışma verilerinden yapılan bir yorumdur ve yazarların nihai sürümde tablo başlıklarını düzeltmesi gerekir.

142-154. günler arasındaki kazara oksijenlenme ne göstermiştir?

İşletimin 142. ve 154. günleri arasında besleme suyunun çözünmüş oksijeni kazara yaklaşık 3,0 mg/L’ye yükselmiştir. Bu dönemde amonyum giderimi artarken toplam azot ve KOİ giderimleri azalmıştır.

Araştırmacılar bu değişimi daha fazla oksijenin nitrifikasyonu hızlandırması, fakat oksijene duyarlı anammox sürecini baskılamasıyla açıklamıştır. Olay sona erdikten sonra giderim oranları kademeli olarak önceki düzeylerine yaklaşmıştır.

Bu gözlem, yalnızca amonyum konsantrasyonunu düşürmenin yeterli olmadığını göstermektedir. Oksijen fazla olduğunda amonyum nitrat veya nitrite dönüşebilir; fakat azot gazı olarak sistemden uzaklaştırılmadığı için toplam azot giderimi düşebilir.

Kazara oksijenlenme planlanmış ve tekrarlanmış kontrollü bir deney değildir. Bu nedenle olay, oksijenin etkisini destekleyen bir işletim gözlemi olarak değerlendirilmelidir.

Reaktörün yük giderme hızları nelerdir?

Kararlı işletim döneminde saatlik ve havalandırma membranı alanına göre normalize edilen ortalama giderimler şu şekilde bildirilmiştir:

Araştırmacılar bu alan bazlı hızların bazı önceki MABR çalışmalarından yüksek olduğunu ve filtrasyon membranının askıda biyokütleyi reaktörde tutmasının performansa katkıda bulunduğunu ileri sürmüştür.

Ancak çalışmada filtrasyon membranı bulunmayan aynı büyüklükte paralel bir kontrol reaktörü yoktur. Bu nedenle yüksek hızların doğrudan ve yalnızca filtrasyon membranından kaynaklandığı deneysel olarak ayrıştırılmamıştır.

Koliform ve E. coli sonuçları ne anlama gelmektedir?

Araştırmacılar filtrasyon membranından çıkan örneklerde toplam koliform ve E. coli belirlenmediğini bildirmiştir. Bu sonuç, 0,04 µm gözenekli ultrafiltrasyon membranının incelenen işletme koşullarında bakterileri fiziksel olarak tutabildiğini göstermektedir.

Bununla birlikte ayrıntılı sonuçlar çalışma içinde bulunmayan Ek Tablo S3’e dayanmaktadır. Kaç numunenin analiz edildiği, tespit sınırı, farklı işletim günlerindeki dağılım ve membran bütünlük testi ana metinde verilmemiştir.

Bu nedenle sonuç, sistemin dezenfeksiyon sağladığını veya arıtılmış suyun doğrudan yeniden kullanıma hazır olduğunu kanıtlamamaktadır. Virüsler, protozoalar, kimyasal mikro kirleticiler ve membran hasarı durumundaki mikrobiyolojik riskler değerlendirilmemiştir.

Kinetik deneyler nasıl yapılmıştır?

İşletimin sonunda amonyak tüketim hızı, anammox etkinliği ve nitrat tüketim hızını belirlemek için üç ayrı yerinde kinetik test yapılmıştır. Reaktör her testte sentetik beslemeyle 60 saat kesikli modda işletilmiş; substrat konsantrasyonlarının zamana göre değişiminden doğrusal regresyon eğimleri hesaplanmıştır.

Testlerde kullanılan substrat miktarları, havalandırmanın açık veya kapalı olduğu dönemler ve diğer ayrıntılar Ek Tablo S1’e aktarılmıştır. Ek materyal yüklenen çalışma içinde bulunmadığı için test koşullarının tamamı bağımsız olarak incelenememektedir.

Şekil 3’teki regresyonlar ne göstermektedir?

Şekil 3’te bildirilen doğrusal regresyonlar şöyledir:

\[ C_{\mathrm{NH_4}}=-10{,}447x+42{,}422 \qquad R^2=0{,}98 \]

\[ C_{\mathrm{NO_2}}=-31{,}826x+82{,}995 \qquad R^2=0{,}90 \]

\[ C_{\mathrm{NH_4,anammox}}=-18{,}265x+57{,}906 \qquad R^2=0{,}91 \]

\[ C_{\mathrm{NO_3}}=-9{,}6197x+45{,}317 \qquad R^2=0{,}87 \]

\[ C_{\mathrm{KOİ}}=-8{,}7528x+58{,}205 \qquad R^2=0{,}93 \]

Grafiğin yatay ekseni 0-60 saat olarak etiketlenmiştir. Ancak denklemlerdeki eğimler doğrudan saat başına yorumlandığında başlangıç konsantrasyonlarının birkaç saat içinde sıfırın altına düşmesi gerekir. Grafik noktaları ise yaklaşık 50 saat boyunca kademeli azalma göstermektedir.

Denklemler, regresyonda zamanın gün cinsinden kullanılmış olabileceğini düşündürmektedir. Çalışma bu dönüşümü açıklamamıştır. Bu nedenle regresyon eğimlerinden bağımsız bir kinetik hız yeniden hesaplamak güvenilir değildir.

Kinetik hızlarda hangi tutarsızlıklar vardır?

Özet bölümünde amonyak oksidasyonu, anammox etkinliği ve nitrat tüketimi için sırasıyla 2,6 mg N/(m²·saat), 0,22 mg N/(L·gün) ve 0,04 mg N/(L·gün) değerleri yazılmıştır.

Tablo 2’de ise farklı değer ve birimler bulunmaktadır:

Özetteki mg ve Tablo 2’deki g birimleri arasında bin katlık ölçek farkı bulunmaktadır. Anammox için özetin 0,22 mg/L/gün değeriyle tablonun 0,077 g/L/gün değeri de uyumlu değildir. Ayrıca Tablo 2’de hacim birimi bazı satırlarda yanlışlıkla L⁻² biçiminde yazılmıştır.

Bu tutarsızlıklar nedeniyle kinetik değerler tasarım girdisi olarak kullanılmadan önce yazarların ham verilerden yeniden hesaplama yapması gerekir. Çalışmanın kinetik testleri sürecin etkin olduğunu desteklemekte, fakat bildirilen kesin hızların güvenilirliği mevcut sürümde sınırlı kalmaktadır.

Membran alanının artırılmasıyla yüzde 91 giderim nasıl tahmin edilmiştir?

Araştırmacılar amonyak tüketim hızını kullanarak mevcut havalandırma membranı alanının giderim kapasitesini sınırladığını değerlendirmiştir. Mevcut özgül membran alanı 21 m²/m³’tür.

Alan 1,47 kat artırılarak yaklaşık 31 m²/m³’e çıkarıldığında amonyum gideriminin yüzde 63’ten yaklaşık yüzde 91’e çıkabileceği hesaplanmıştır.

Bu hesap doğrusal veya yakın doğrusal bir kapasite artışı varsaymaktadır. Daha fazla membran eklendiğinde karıştırma, oksijen dağılımı, biyofilm kalınlığı, hidrolik akış, kirlenme ve mikroorganizmalar arası rekabet de değişebilir.

Dolayısıyla yüzde 91 sonucu deneysel bir bulgu değil, mevcut kinetik verilerden türetilmiş bir tasarım öngörüsüdür. Üstelik kinetik hızların raporlanmasında birim uyuşmazlığı bulunduğundan bu öngörü ayrıca doğrulanmalıdır.

Biyokütle reaktörde nasıl dağılmıştır?

İşletim sonunda havalandırma membranına tutunmuş biyokütle 17,78 g VSS/m², askıda biyokütle ise 1,24 g VSS/L olarak ölçülmüştür.

Reaktördeki 60 havalandırma lifi ve 5,7 litrelik hacim dikkate alındığında yaklaşık:

• 2,13 g VSS membranlara bağlı biyokütle,
• 7,06 g VSS askıda biyokütle

bulunduğu tahmin edilmiştir.

Toplam biyokütlenin önemli kısmı askıda bulunmasına rağmen membran üzerindeki biyofilm, oksijenin doğrudan sağlandığı özel bir mikro ortam oluşturmuştur. Filtrasyon membranı ise askıda biyokütlenin permeatla sistemden çıkmasını engellemiştir.

KOİ giderimi başına toplam biyokütle büyüme katsayısı 0,12 olarak verilmiş ve anaerobik proseslerdeki düşük çamur üretimine benzer bulunmuştur. Katsayının birimi tabloda açıkça belirtilmemiştir.

Mikrobiyal topluluk nasıl incelenmiştir?

Başlangıç aşısından, havalandırma membranı üzerindeki biyofilmden ve reaktörün askıda biyokütlesinden üçer DNA örneği alınmıştır. 16S rRNA geninin V4 bölgesi 515F ve 806R primerleriyle çoğaltılmış ve Illumina MiSeq platformunda dizilenmiştir.

Analiz, mikroorganizmaların göreli bolluğunu göstermektedir. Bu yöntem mikroorganizmaların canlı olduğunu, belirli bir metabolik işlevi gerçekten gerçekleştirdiğini veya ölçülen azot dönüşümünün ne kadarından sorumlu olduğunu tek başına kanıtlamaz.

Hangi mikroorganizmalar öne çıkmıştır?

Başlangıç aşısında Saprospiraceae ve sınıflandırılmamış Actinobacteria grupları daha yüksek orandayken nitrifikasyon, anammox ve denitrifikasyonla ilişkilendirilen cinsler düşük düzeydedir. İşletim sonunda bu işlevsel grupların hem membran biyofilminde hem de askıda biyokütlede zenginleştiği görülmüştür.

Anammox bakterileri oksijen verilen membranda nasıl bulunmuştur?

Candidatus Brocadia gibi anammox bakterileri oksijene duyarlıdır. Buna rağmen bu cins havalandırma membranı biyofilminde askıda biyokütleden daha yüksek oranda belirlenmiştir.

Araştırmacılar, oksijenin membran tarafındaki iç katmanlarda tüketildiğini ve biyofilmin sıvıya bakan dış bölgelerinde anoksik mikro ortamlar oluştuğunu ileri sürmektedir. Bu dış bölgelerde anammox bakterileri, nitrifikasyon mikroorganizmalarının ürettiği nitrite ve sıvıdan gelen amonyuma aynı anda erişmiş olabilir.

Biyofilm kalınlığı, çözünmüş oksijen gradyanı veya mikro ölçekte nitrit dağılımı doğrudan ölçülmediği için bu açıklama olası bir mekanizmadır; kanıtlanmış bir katman haritası değildir.

Nitrospira gerçekten amonyağı mı oksitlemiştir?

Klasik aerobik amonyak oksitleyen Nitrosomonas ve Nitrosospira cinslerinin belirgin biçimde bulunmaması, Nitrospira’nın yalnızca nitriti nitrata dönüştürmekle kalmayıp tam amonyak oksidasyonu gerçekleştiren “comammox” mikroorganizmaları içerebileceği şeklinde yorumlanmıştır.

Bu yorum düşük oksijenli sistemlerde comammox Nitrospira bildiren önceki araştırmalarla uyumludur. Buna karşılık kullanılan 16S rRNA dizilemesi, comammox işlevini taşıyan özgül genleri veya gen ifadesini ölçmemiştir.

Bu nedenle çalışma Nitrospira’nın baskın olduğunu göstermekte, ancak tespit edilen Nitrospira dizilerinin gerçekten amonyak oksidasyonu yaptığını doğrudan kanıtlamamaktadır. İşlevsel gen analizi, transkript analizi veya izotoplu deneylere ihtiyaç vardır.

Filtrasyon membranı nasıl kirlenmiştir?

Filtrasyon membranının geçirgenliği 180 günlük işletim boyunca kademeli olarak azalmıştır. Bu düşüş, membran yüzeyinde ve gözeneklerinde biyokütle, çözünür mikrobiyal ürünler, hücre dışı polimerik maddeler ve diğer organik-inorganik bileşenlerin birikmesiyle ilişkilendirilmiştir.

50. ve 91. günlerde yapılan kimyasal temizlikler geçirgenliği kısmen geri kazandırmıştır. İşletimin 175. gününde membranın görsel inceleme için hareket ettirilmesi, yüzeydeki kek tabakasının bir bölümünü uzaklaştırmış ve geçirgenlikte geçici artış oluşturmuştur.

Sonuç bölümü kimyasal temizliğin akıyı etkili biçimde geri kazandırdığını belirtmektedir. İzleme grafiği ve açıklama ise geri kazanımın kısmi olduğunu göstermektedir. Membranın başlangıçtaki 446 L/(saat·m²·bar) temiz su geçirgenliğine tamamen dönüp dönmediği gösterilmemiştir.

Hermia modeli hangi kirlenme mekanizmalarını belirlemiştir?

Kimyasal temizlikler arasındaki üç işletim dönemi, Hermia modeli kullanılarak değerlendirilmiştir. Model aşağıdaki kirlenme mekanizmalarını birbirinden ayırmayı amaçlamaktadır:

• Tam gözenek tıkanması
• Standart gözenek tıkanması
• Ara tıkanma
• Kek tabakası filtrasyonu

Üçüncü dönemde ara tıkanma ve kek filtrasyonu modelleri için açıklama katsayısının 0,70’in üzerinde olduğu belirtilmiştir. Membran modülünün hareket ettirilmesiyle akının yükselmesi de gevşek kek tabakasının önemli rol oynadığını desteklemektedir.

Bu bulgu, geri yıkama, yüzey sıyırma, hava veya mekanik hareket gibi fiziksel temizleme yöntemlerinin kimyasal temizleme aralıklarını uzatabileceğini düşündürmektedir. Bununla birlikte bu yöntemlerin optimize edildiği karşılaştırmalı bir temizlik deneyi yapılmamıştır.

Membran kirlenmesi arıtma performansını bozmuş mudur?

Geçirgenlik azaldığında hidrolik bekletme süresi dalgalanmıştır. Spearman korelasyon analizinde bu değişikliklerle amonyak veya toplam azot giderimi arasında yüzde 5 anlamlılık düzeyinde anlamlı ilişki bulunmamıştır.

Bu sonuç, incelenen dalgalanma aralığında biyolojik prosesin membran akısındaki değişimlere belirli ölçüde dayanıklı olduğunu göstermektedir. Ancak ağır kirlenmenin uzun süre devam etmesi veya tam ölçekli sistemde yüksek debi gereksinimi değerlendirilmemiştir.

EPS ve SMP sonuçları nelerdir?

Askıda biyokütledeki hücre dışı polimerik maddeler ve çözünür mikrobiyal ürünler protein ve karbonhidrat bakımından analiz edilmiştir. Konsantrasyonların 5 mg/g VSS’nin altında olduğu bildirilmiştir.

Araştırmacılar bu değerlerin birçok MBR ve MABR çalışmasındaki 5-40 mg/g VSS aralığından düşük olduğunu belirtmiştir. Düşük değerler, reaktördeki sınırlı biyolojik olarak parçalanabilir organik maddeye ve mikrobiyal topluluğun belirgin stres altında olmamasına bağlanmıştır.

Mikroorganizmaların stres durumu yalnızca EPS ve SMP miktarından kesin olarak belirlenemez. Gen ifadesi, hücresel enerji durumu veya stres belirteçleri ölçülmemiştir.

Havalandırma ve filtrasyon membranlarında aynı kirlenme oluşmuş mudur?

Hayır. Floresans ve FTIR analizleri iki membran grubunda farklı organik bileşenlerin baskın olduğunu göstermiştir.

Filtrasyon membranı sıvıdan su çekerken çözünmüş ve kolloidal organik maddeleri yüzeyinde yoğunlaştırmıştır. Havalandırma membranında ise aktif biyofilm geliştiği için protein benzeri floresans daha belirgin olmuştur.

FTIR analizleri ne göstermiştir?

FTIR spektrumlarında 3286 ve 3364 cm⁻¹ civarındaki bantlar amin gruplarıyla, 2926 cm⁻¹ bandı –CH₂ gruplarıyla ve 1595-1705 cm⁻¹ aralığı amidlerle ilişkilendirilmiştir.

470, 597 ve 876 cm⁻¹ civarındaki bantlar PVDF membranın kendi yapısıyla ilişkilendirilmiştir. Bu bantların havalandırma membranında belirgin olmaması, kalın biyofilmin alttaki membran sinyalini örtmesiyle açıklanmıştır.

Havalandırma membranında belirlenen yaklaşık 1017 cm⁻¹ bandı polisakkarit veya polisakkarit benzeri biyofilm bileşenleriyle ilişkilendirilmiştir.

SEM ve EDX sonuçları ne göstermiştir?

Araştırmacılar havalandırma membranında tabakalı ve derinliği görülebilen bir biyofilm, filtrasyon membranında ise daha homojen bir yüzey tabakası gözlediklerini bildirmiştir. EDX analizinde havalandırma membranındaki daha yüksek karbon ve demir miktarı yerleşmiş biyofilmle ilişkilendirilmiştir.

SEM ve EDX görüntüleri Ek Şekil S6 ve S7’ye aktarılmıştır. Bu ek dosyalar yüklenen ana çalışma içinde bulunmadığından görüntülerin ölçeği, tekrar sayısı ve bölgesel değişkenliği doğrudan değerlendirilememiştir.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar nelerdir?

• Havalandırma ve filtrasyon membranlarını aynı biyolojik reaktörde birleştiren sistem, gerçek UASB çıkış suyunda 180 gün çalıştırılmıştır.
• Kararlı dönemde KOİ giderimi yüzde 62, amonyum giderimi yüzde 63 ve toplam azot giderimi yaklaşık yüzde 32-35 olmuştur.
• Çıkış amonyum konsantrasyonu ortalama 17 ± 1 mg/L’ye düşmüştür.
• Filtrasyon membranı askıda biyokütlenin reaktörde tutulmasına olanak vermiştir.
• Nitrifikasyon, anammox ve denitrifikasyonla ilişkilendirilen mikroorganizmalar işletim sonunda zenginleşmiştir.
• Havalandırma membranı ve askıda biyokütle farklı göreli mikrobiyal dağılımlar göstermiştir.
• Filtrasyon ve havalandırma membranlarında farklı organik kirlenme bileşenleri gelişmiştir.
• Kimyasal temizlik ve kek tabakasının fiziksel olarak uzaklaştırılması geçirgenliği kısmen geri kazandırmıştır.
• Düşük membran alanı ve düşük hava debisi altında SNAD etkinliği tamamen kaybolmamıştır.

Çalışma neyi kanıtlamamaktadır?

• Membran alanının 1,47 kat artırılmasının amonyak giderimini kesin olarak yüzde 91’e çıkaracağını kanıtlamamaktadır.
• Filtrasyon membranının performans artışındaki bağımsız katkısını kontrol reaktörüyle göstermemektedir.
• Sistemin klasik MBR veya MABR’den daha düşük yatırım ve işletme maliyetine sahip olduğunu ekonomik hesapla kanıtlamamaktadır.
• Çift membranlı tasarımın enerji tüketimini doğrudan ölçmemektedir.
• Tam ölçekli bir atık su arıtma tesisinde uzun süre kararlı çalışacağını göstermemektedir.
• Türkiye’nin mevsimsel sıcaklıklarında aynı giderim oranlarının elde edileceğini kanıtlamamaktadır.
• Arıtılmış suyun doğrudan tarımsal, kentsel veya endüstriyel yeniden kullanıma uygun olduğunu göstermemektedir.
• Membranın virüsleri ve bütün patojenleri güvenilir biçimde uzaklaştırdığını kanıtlamamaktadır.
• Nitrospira’nın gerçekten comammox işlevi yürüttüğünü doğrudan göstermemektedir.
• Biyofilm içindeki aerobik ve anoksik bölgeleri doğrudan ölçmemektedir.
• Kimyasal temizliğin uzun süreli membran ömrüne etkisini değerlendirmemektedir.
• Membran kirlenmesinin aylar veya yıllar boyunca yönetilebilir kalacağını kanıtlamamaktadır.

Türkiye açısından ne ifade etmektedir?

Çalışma, anaerobik ön arıtma kullanan veya düşük karbonlu atık sularda azot giderimini geliştirmek isteyen tesisler için yoğunlaştırılmış bir biyolojik son arıtma seçeneği sunmaktadır. Havalandırma ve biyokütle ayırmanın aynı tankta birleştirilmesi, mevcut tesislerde ilave tank hacmini sınırlama potansiyeli taşıyabilir.

Türkiye’ye aktarım için öncelikle gerçek yerel atık suyla pilot deneyler yapılmalıdır. Araştırmadaki reaktör 24 ± 1 °C’de işletilmiştir. Türkiye’de açık veya yarı açık tesislerde görülebilecek daha düşük ve değişken sıcaklıklar sınanmamıştır.

Yerel uyarlamada şu unsurların birlikte değerlendirilmesi gerekir:

• Mevsimsel sıcaklık ve atık su bileşimi
• Havalandırma membranı alanı ve hava basıncı
• Membran yatırım ve değiştirme maliyeti
• Geri yıkama ve kimyasal temizlik tüketimi
• Çamur üretimi ve bertarafı
• Azot deşarj sınırları
• Yeniden kullanım için mikrobiyolojik ve kimyasal kalite
• Gerçek tesis debisindeki hidrolik davranış

Çalışma doğrudan kullanıma hazır bir tesis tasarımı değil, gerçek atık suda çalışan laboratuvar ölçekli bir kavram doğrulamasıdır.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

Araştırma tasarımı

Araştırma; uzun süreli laboratuvar reaktörü işletimi, gerçek atık su analizi, kesikli kinetik testler, mikrobiyal topluluk dizilemesi ve membran karakterizasyonunu birleştiren deneysel bir çevre mühendisliği çalışmasıdır.

Temel giriş ve çıkış sonuçları

Şekillerin bilimsel mesajı

• Şekil 1: Havalandırma ve filtrasyon liflerinin aynı reaktörde ayrı görevlerle çalıştığı; besleme, vakum, permeat ve geri yıkama hatlarını içeren deney düzeneğini göstermektedir.
• Şekil 2: Amonyum, nitrit, nitrat ve KOİ konsantrasyonlarının 180 gün boyunca önemli dalgalanmalar gösterdiğini; başlangıç döneminden sonra KOİ gideriminin yükseldiğini ve kazara oksijenlenme döneminde toplam azot gideriminin düştüğünü göstermektedir.
• Tablo 1: Başlangıç ve işletim dönemlerinin ortalama su kalitesi sonuçlarını vermektedir; ancak azot sütunlarının adlandırılmasında ve toplam azot gideriminde belirsizlik bulunmaktadır.
• Şekil 3: Kesikli testlerde amonyak, nitrit, nitrat ve KOİ’nin zamanla azaldığını göstermektedir; regresyon denklemleriyle zaman ekseninin birimi arasında uyuşmazlık vardır.
• Tablo 2: Kinetik hızları VSS, membran alanı ve reaktör hacmine göre karşılaştırmaktadır; özetteki hızlarla birim ve büyüklük uyuşmazlığı bulunmaktadır.
• Şekil 4: Nitrospira ve Candidatus Brocadia’nın havalandırma membranında, Denitratisoma’nın ise askıda biyokütlede yüksek bolluğa ulaştığını göstermektedir.
• Şekil 5: Filtrasyon membranı geçirgenliğinin kirlenmeyle düştüğünü, kimyasal temizlik ve fiziksel hareket sonrasında geçici olarak yükseldiğini göstermektedir.

Çalışmanın güçlü yönleri

• Sentetik çözelti yerine gerçek UASB çıkış suyu kullanılmıştır.
• Reaktör 180 gün boyunca işletilmiştir.
• Havalandırma ve filtrasyon işlevleri ayrı membran modüllerinde birleştirilmiştir.
• Arıtma performansı yalnızca konsantrasyonlarla değil, yük ve alan bazlı hızlarla da incelenmiştir.
• Bağlı ve askıda biyokütle ayrı ayrı dizilenmiştir.
• Azot dönüşümü, mikrobiyal topluluk ve membran kirlenmesi birlikte değerlendirilmiştir.
• Kazara oksijenlenme olayı prosesin oksijen dengesine duyarlılığını görünür kılmıştır.
• Membran kirlenmesi 180 gün boyunca sürekli geçirgenlik verileriyle izlenmiştir.
• Farklı membran görevlerinin farklı kirlenme kimyaları oluşturduğu gösterilmiştir.

Çalışmanın sınırlılıkları

• Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiştir.
• Yalnızca tek biyoreaktör işletilmiş ve paralel reaktör tekrarı yapılmamıştır.
• Filtrasyon membranı bulunmayan bir MABR kontrolü yoktur.
• Daha büyük havalandırma alanına sahip kontrol sistemi deneysel olarak sınanmamıştır.
• Membran alanı ile hava debisinin etkileri birbirinden bağımsız olarak ayrılmamıştır.
• Yüzde 91 amonyak giderimi yalnızca hesaplanmış bir öngörüdür.
• Kinetik hızların özeti, tablosu ve regresyon grafiklerinde önemli birim uyuşmazlıkları bulunmaktadır.
• Toplam azot giderimi yüzde 32 ve yüzde 35 olarak iki farklı biçimde raporlanmıştır.
• Başlangıç dönemi metinde 50, tabloda 55 gün olarak tanımlanmıştır.
• Membran kimyasal temizliğinin tam mı kısmi mi akı geri kazanımı sağladığı tutarlı biçimde açıklanmamıştır.
• Biyofilm içindeki oksijen gradyanı doğrudan ölçülmemiştir.
• Mikrobiyal dizileme metabolik etkinliği kanıtlamamaktadır.
• Comammox Nitrospira yorumu işlevsel gen analiziyle doğrulanmamıştır.
• Koliform sonuçlarının örnek sayısı ve tespit sınırı ana metinde verilmemiştir.
• Ek tablolar ile SEM, EDX ve floresans şekillerinin tamamı yüklenen dosyada bulunmamaktadır.
• Enerji tüketimi ve ekonomik maliyet doğrudan ölçülmemiştir.
• Düşük sıcaklık, mevsimsel değişim ve tam ölçekli hidrolik koşullar sınanmamıştır.

Gelecekte gerekli doğrulamalar

• Birden fazla bağımsız ve paralel reaktörle tekrar deneyleri
• Filtrasyon membranlı ve membransız MABR karşılaştırması
• 21, 31 ve daha yüksek m²/m³ havalandırma alanlarının doğrudan denenmesi
• Hava debisi, basıncı ve membran alanının faktöriyel deneyle ayrıştırılması
• Kış sıcaklıklarını içeren uzun süreli pilot işletim
• Biyofilm oksijen, amonyum, nitrit ve nitrat profillerinin mikroelektrotla ölçülmesi
• Comammox ve anammox işlevsel genlerinin nicel analizi
• Ham kinetik verilerin ve hesaplamaların yeniden kontrolü
• Virüs ve protozoa giderimi ile membran bütünlük testleri
• Enerji, kimyasal tüketim, membran ömrü ve toplam maliyet analizi
• Tam ölçekli tesiste kirlenme ve temizleme optimizasyonu
• Türkiye’deki gerçek UASB veya anaerobik çıkış sularıyla pilot doğrulama

Kaynak ve Yöntem Notu

Çalışmanın tam özgün adı: Dual-Membrane MABR for Simultaneous Nitrogen and Organic Matter Removal from Anaerobically Pre-treated Domestic Wastewater

Yazarlar: Mario Berni De Marque, Juliana Calabria de Araújo ve Míriam Cristina Santos Amaral Moravia.

Yazar sıralaması: Mario Berni De Marque birinci, Juliana Calabria de Araújo ikinci ve Míriam Cristina Santos Amaral Moravia üçüncü yazardır.

Eş katkı bilgisi: Eş birinci yazarlık veya eş katkı beyanı bulunmamaktadır.

Sorumlu yazar: Juliana Calabria de Araújo.

Kurum: Department of Sanitary and Environmental Engineering, Federal University of Minas Gerais, Belo Horizonte, Minas Gerais, Brezilya.

ORCID bilgileri:

• Mario Berni De Marque: 0000-0002-0578-572X
• Juliana Calabria de Araújo: 0000-0002-5497-8675
• Míriam Cristina Santos Amaral Moravia: 0000-0003-2246-9240

DOI: 10.2139/ssrn.7197204

SSRN kayıt numarası: 7197204

Yüklenme tarihi: 28 Temmuz 2026.

Dergi: Hakemli bir dergide yayımlandığı bu sürüm üzerinden doğrulanmamıştır.

Yayın platformu: SSRN.

Platform: Elsevier’in preprint ve erken araştırma platformu.

Kaynak türü: Gerçek evsel atık suyla yürütülen laboratuvar ölçekli deneysel çevre mühendisliği araştırması ve hakem değerlendirmesinden geçmemiş preprint.

Resmî bağlantı:https://ssrn.com/abstract=7197204

Finansman: Coordination for the Improvement of Higher Education Personnel (CAPES), National Council for Scientific and Technological Development (CNPq, 424004/2021), Research Support Foundation of the State of Minas Gerais (FAPEMIG, 01779-23) ve Juliana Calabria de Araújo için CNPq 302899/2022-1 desteği bildirilmiştir.

Çıkar çatışması: Yüklenen çalışma içinde ayrı ve açık bir çıkar çatışması beyanı bulunmamaktadır.

Veri erişimi: Ham işletme verileri, dizileme veri tabanı numaraları ve ayrı bir açık veri deposu bağlantısı verilmemiştir.

Ek materyal durumu: Ana metin Ek Tablo S1-S4 ile Ek Şekil S2-S7’ye atıf yapmaktadır. Bu ek dosyalar yüklenen çalışma içinde bulunmadığından kinetik testlerin ayrıntıları, koliform sonuçları, membran fotoğrafları, floresans haritaları ve SEM-EDX görüntülerinin tamamı değerlendirilememiştir.

Editoryal tutarsızlık notu: Özet toplam azot giderimini yüzde 32, işletim tablosu yüzde 35 ± 2 olarak bildirmektedir. Kinetik hızların özetteki değerleri Tablo 2 ile uyuşmamaktadır. Şekil 3’ün zaman ekseni ile regresyon eğimleri arasında birim sorunu vardır. Başlangıç dönemi metinde 50, tabloda 55 gün olarak belirtilmiştir. Tablo 1’deki bazı azot sütunları da yanlış veya belirsiz biçimde etiketlenmiş görünmektedir.

Bu makale, yüklenen çalışmanın metni, deney düzeneği, izleme grafikleri, tabloları, kinetik testleri, mikrobiyal topluluk sonuçları, membran kirlenmesi analizleri ve araştırmacıların mekanizma yorumları temel alınarak hazırlanmıştır. Çalışmada bulunmayan yeni arıtma verisi, maliyet hesabı, tam ölçekli tesis başarısı, mevzuat uygunluğu veya yeniden kullanım güvenliği iddiası eklenmemiştir.

Çalışma hakem değerlendirmesinden geçmemiş bir preprinttir. Sonuçlar, 5,7 litrelik tek bir reaktörün 24 ± 1 °C’de ve belirli bir Brezilya UASB çıkış suyuyla işletilmesine dayanmaktadır. Türkiye’de uygulama için yerel atık suyla pilot deney, mevsimsel sıcaklık değerlendirmesi, enerji ve maliyet analizi, patojen doğrulaması, membran ömrü ve yürürlükteki mevzuata göre bağımsız mühendislik incelemesi gereklidir.