Chemical Characterization Of Exopolysaccharides From Floccular And Aerobic Granular Sludge Receiving Synthetic/ Industrial Wastewasters

Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Instıtute of Science and Technology, 2015Atıksudan kaynaklanan farklı tipteki kirleticilerin verimli bir şekilde giderildiğinden emin olmak ve tabi ki çevreyi korumak amacıyla; ayrıca katı mevzuat nedeniyle atıksu arıtma teknolojilerindeki gelişimler gerekli hale gelmiştir. Biyolojik atıksu arıtma, atıksu arıtma prosesinin bir parçası olup; atıksudaki çözünebilir organik maddeleri giderir ve mikrobiyal biyokütle tarafından bünyesine alınmasını sağlar ki böylelikle atıksudan ayırarak temiz çıkış elde edilir. Granüler aktif çamur (GAÇ) uygulaması, çevre biyoteknoloji alanındaki en başarılı hikayelerden biri olarak tıksu arıtımında dikkati çekmiştir. Bu durum öncelikle sistemin klasik veya floküler aktif sistemlere göre birtakım avantajlarının olmasından kaynaklanır. Aerobik granüler çamur (AGÇ), granül görünümünde olan ve kendi-sabitliyor. Hücresini (örneğin; alt tabaka bulunmaz) içeren bir tür biyofilmdir. Biyofilm tabakası, biyolojik atıksu arıtımında kullanılır, mikrobiyal yapıların biraraya gelerek çökmesi ile oluşmaktadır. Dahası, uluslarası su birliğine göre, ‘aerobik granüler aktif çamurdaki granüllerin mikrobiyal orjinli agregat oldukları; hidrodinamik stres altında çökelmedikleri ve aktif çamur floklarından gözle görünür şekilde daha iyi çökeldikleri anlaşılmıştır’(de Kreuk et al, 2005). AGÇ’un önemli karakteristik özelliğine oluşan granüller sayesinde iyi çökelebilme özelliğini verebiliriz. Çökelebilirliğin tespitinde kullanılan kilit bir parametre olan çamur hacim indeksi (ÇHİ); aerobik granüler çamur sistemlerinde düşük (80ml/g) ve hatta daha da düşük, 20ml/g olabilmektedir. Bu durum biyolojik atıksu arıtma için önemlidir; bu sayede çökelme süresi ve katı-sıvı faz ayrımı için gereken hacim azalır; dolayısıyla işletme maliyetini düşer. AGÇ’un iyi çökelebilme özellikleri; esas olarak hücre dışı polisakkaritleri (exoPS), hücre dışı proteinlerin (exoPN), bazı humik maddeler, nükleik asitler ve hücresel olmayan organik/inorganik maddeleri içeren egzopolimerik yapılardan – EPS kaynaklanır. EPS, mikrobiyal hücreleri biraraya getirerek koloni oluşturmalarını sağlayan yapıştırıcı gibi davranır. Koloniler büyüdükçe yoğunlukları artar ve bundan dolayı mikroorganizmalar hızlıca çökelir. Bira endüstrisi çıkış suyu şeker, çözünebilir nişasta, uçucu yağ asitleri vb. maddelerden oluşan yüksek konsantrasyonlarda biyobozunur organik madde içermektedir. Kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) sonuç olarak nispeten yüksek bir BOİ/KOİ oranına, 0.6-0.7, sahiptir. Bira endüstrisi çıkış suyu yüksek miktarda organik madde içermesi, mikrobiyal kirlilik ve kimyasallar nedeniyle yatırım maliyeti düşük olan, ve ayrıca BOİ ile KOİ açısından 80-90 % arıtma verimine sahip olan biyolojik metotlara ihtiyaç duymaktadır. Bu tezde, öncelikli olarak floküler aktif çamur ve granüler aktif çamurdan ekstrakte edilen hücre dışı polisakkaritlerin karakterize (fiziksel ve kimyasal) edilmeleri amaçlanmıştır. İkincil olarak, egzopolisakkaritler ve alginat arasındaki muhtemel benzerliklerin araştırılması ve ayrıca egzopolisakkaritlerin kimyasal özellikleri ile granüler aktif çamur sistemlerindeki rolü arasındaki ilişkinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu çalışmanın kapsamında iki farklı metot uygulanmıştır; katyon değişim reçinesi ve (CER-DOWEX, Frolund et al., 1996 tarafından) ve sentetik atıksu ve bira endüstirisi atıksuyu ile beslenen KAÇ ile GAÇ’dan hücre dışı polisakkaritlerin ekstrakte edilmesi için Na2CO3 (Lin et al., 2010) kullanımıdır. Karakterizasyon açısından, hücre dışı polisakkaritlerin jel oluşturma kapasitesi CaCl2 soüsyonundaki jelleşmesine bakılarak test edilmiştir. Eksrakte edilmiş olan hücre dışı polisakkaritlerin morfolijeleri ve kabaca bileşenleri sırasıyla SEM ve UV-VIS spektroskopisi ile incelenmiştir. Ayrıca kimyasal yapısını belirlemek için de FTIR analizi gerçekleştirilmiştir. KAÇ ve GAÇ’deki hücre dışı polisakkaritler laboratuvar ölçekli oluşturulan ve sentetik, bira endüstrisi atıksuyu ile beslenmiş AKR’lerden elde edilmiştir. Söz konusu ekstraksiyon iki farklı metot ile gerçekleştirilmiştir; DOWEX (Frolund et al., 1996) ve Na2CO3 ile (Lin et al, (2010). DOWEX yönteminde egzopolimerik maddelerin ekstraksiyonu yapılırken; Na2CO3 yönteminde ise spesifik olarak alginat benzeri egzopolisakkaritlerin ekstraksiyonu yapılmaktadır. Hücre dışı polisakkaritlerin Na2CO3 yöntemi ile ekstraksiyonunda floküler ve aerobik granüler numunelerinde 2% verimle, hemen hemen eşit miktarlarda hücre dışı polisakkaritler elde edilmiştir. Hücre dışı polisakkaritlerin jel oluşturma kapasitelerini ölçmek adına 1:1 oranındaki CaCl2 solüsyonuna bırakılmış ve bir gece boyunca oda sıcaklığında jelleşmenin oluşması için bekletilmiştir.Deneylerde aynı zamanda ticari olarak temin edilen sodyum alginat referans olarak kullanılmıştır. Sonuçlara göre, 2% alginat solüsyonunun1:1 oranındaki CaCl2 ile mükemmel küresel hidrojel tanelerini oluşturduğu tespit edilmiştir.Yine de jel oluşturma kapasitesinin alginat konsantrasyonun azalması ile düştüğü belirlenmiştir. Na2CO3 yöntemi ile ekstrakte edilen hücre dışı polisakkaritlerde de alginatlardakine benzer jelleşme göstermiştir.Klasik aktif çamur sisteminden elde edilen hücre dışı polisakkaritler asetat ile beslendiklerinde; 1:1 oranındaki CaCl2 ile hemen hemen küresel hidrojel taneler (alginattaki gibi mükemmel olmayan) oluşturmuştur.Oysa bira atıksuyu ile beslenen granüler aktif çamurdan elde edilen hücre dışı polisakkaritler hidrojeller yerine küçük topaklar oluşturabilmiştir. Oluşturulan jeller daha sonra elektron mikroskobu ile incelenmiştir. Klasik aktif çamurdan (sentetik atıksu ile beslenen) ve granüler aktif çamurdan (bira atıksuyu ile beslenen) elde edilen hücre dışı polisakkaritlerin morfolojik açıdan alginat ile karşılaştırılmaları sonucu klasik aktif çamurdan elde edilenin yapısal açıdan ince lif ağından oluşan alginat ile benzerliklerinin olduğu belirlenmiştir. Granüler aktif çamurdan elde edilen küçük topaklardaki hidrojeller ise bir dereceye kadar alginata benzer katlanmalar göstermiştir. Hücre dışı polisakkaritleri aynı zamanda FTIR ile de incelenmiş ve buradan çıkan sonuçlar ile hücre dışı polisakkaritler ile alginatlar arasındaki benzerlikler doğrulanmıştır. Hücre dışı polisakkaritlerin granül oluşumunun farklı evrelerinin spektrosu alginattaki fonksiyonel gruplara eş değer fonksiyonel gruplar içerdiklerini ortaya koymuştur.Alginik uronik asit için karakteristik olan manuronik asit ile guluronik asit kalıntılarına her iki sistemdeki hücre dışı polisakkaritlerinde rastlanmıştır. Bu doğrulama ekstrakte edilen maddelerin polisakkarit olduklarından emin olmak ve alginat ile benzer olduklarını göstermek için yapılmıştır. FTIR sonuçları ayrıca hücre dışı polisakkaritlerin Ca2+ile olan reaksiyonunu daha iyi kavramamızı sağladı. CaCl2 solüsyonundaki hücre dışı polisakkaritlerin birleşmesini sağlayan divalent katyonlar karboksil gruplarının varlığını göstermektedir. Ekstraktların proteinlerle olabilecek muhtemel kontaminasyonu ise 190-800 nm dalga boyundaki UV-Visible spektroskopi altında incelenmiştir. Na2CO3 yöntemi ile ekstrakte edilen hücre dışı polisakkaritler UV spektrosunda alginat ile benzerlikler göstermiştir. Her iki sistemde de tipik UV aralığında (120nm ve 190nm) piklere rastlanmıştır. Klasik aktif çamur numunlerinin yüksek konsantrasyonlarda alginat göre daha yoğun absorpsiyonlarının olduğu görülmüştür. 250-290 nm dalga boyundaki piklerin olmayışı ekstraskiyon metodunun özgünlüğünden kaynaklı olabilir ki DNA ve proteinlerle girişim yaptığı düşünülebilir. DOWEX metodu ile ekstrakte edilen egzopolimerik maddeler ve supernatant solüsyonundaki hücre dışı polisakkaritler de U-VIS spektroskopisinde incelenmiştir. Her ikisinde de alginat ve egzopolimerik maddelerde olduğu gibi geniş aralıklarda piklere rastlanmıştır. Fakat her ikisindeki absorbanslar alginat ile mukayese edildiğinde daha yüksektir. 240-290 nm dalga aralığında belirgin bir absorbans kaydedilmesi ile her ikisinde de protein ve nukleik asitlerin olduğu söylenebilir ki egzopolimerik maddelerin proteinler, karbonhidratlar, bazı humik maddeler, nukleik asitler, lipitler ve diğer maddelerden oluştuğu bilinmektedir. Bu durum ile egzopolimerik maddelere özgü olan her iki metot arasındaki farkları açıkça ortaya koymaktadır. Aynı zamanda egzopolimerik maddelerin ekstraksiyonunda metot seçiminin önemini vurgulamaktadır. Granüler aktif çamurdaki egzopolimerik maddelerdeki guluronik ve mannuronik asit kalıntılarını (homo-monomeric [-GG-, MM-] ve hetero-monomeric [-MG-] blocks) belirlemek için blok fraksiyonlaşması gerçekleştirilmiştir. Egzopolimerik maddelerin %16.48’inin GG bloklarından; %18.24’sinin MG bloklarından oluştuğu bulunmuştur. Ayrıca GG blok fraksiyonunun GM fraksiyonun az olduğu; bu durumda GG blok konsantrasyonun daha da az olduğu durumlarda egzopolimerik maddelerden ekstrakte edilen ve oluşturulan hidrojelin yine oluşabileceği gösterilmiştir. Yüksek miktarlardaki MG blokları; oluşan jelin elastikiyetinin artmasını sağlayan mükemmel esnekliği sağlamaktadır. Jelin mükemmel elastikiyette olması aktif çamurun reaktördeki baskılara karşı daha dayanaklı olmasına yardımcı olmaktadır. Güçlü jellerin oluşması ve kararlı aktif çamur, GG ve MG bloklarının çamurun çökelebilme özelliğini açıkça artırmasıyla gözlemlenmektedir. Daha yoğun ve kararlı çamurun sistemden kaçması mümkün olmayacaktır. Nem içeriği egzopolimerik maddelerin hidrojel olarak tanımlanebilirliği belirlemek içindir. Hidrojellerin 90%’dan fazlası sudur ve literatür verilerine göre kalsiyum ile birlikte egzopolimerik maddelerin nem içeriklerinin 93% oldukları belirlenmiştir. Ekstrakte edilen egzopolimerik maddelerin nem içeriği 95.8%’dir ki bu da net bir şekilde hidrojel olduklarını göstermektedir. %0.2’lik alginatta geri kazanılan karbohıdrat, glukoz olarak yaklaşık %7.4’tur. Deşiken geri kazanım yüzdeleri ekstrakte edilen ekzopolimerik maddelerden elde edilmiştir. Örneğin, granüler ekzopolimerik maddeler için geri kazanım %7.8’dir. Diğer klasik aktıf çamur sistemlerindeki ekzopolimerik maddelerden %7.4’den az geri kazanım görülürken; kaçınnılmazbir şekilde floküler ekzopolimerik maddelerden 52 gün itibariyle %16.8 oranında kazanım kaydedilmiştir ki bu da algınatta geri kazanılanın iki katı kadardır. EPS-ilişkili egzopolisakkaritlerin alginat benzeri egzopolisakkaritler oldukları ve yüksek jel oluşturma kapasitesine sahip granüler aktif çamur egzopolimerik maddelerin daha iyi çökelme özellikleri ile düşük maliyetli biyolojik atıksu arıtma sağlayacakları söylenebilir.Biological wastewater treatment (BioWWT) ensures efficient removal of pollutants from wastewater by removing the soluble organic components of the wastewater and incorporating it into microbial biomass which can then be separated from the wastewater. Granular Activated Sludge (GAS) application has several advantages over the conventional floccular activated Sludge (CAS) systems. One outstanding characteristic of GAS is the excellent settling properties of the granules. In BioWWT, efficient settling reduces the time and the volume required for the separation of the solid-liquid phase and the cost of operation. The enhanced settling properties of GAS are due to the compact/dense structure of the granules facilitated by the Extracellular Polymeric Substances (EPS), in other words “the microbial glue”, which consist mainly of extracellular polysaccharides (ExoPS) and extracellular proteins (ExoPN), some humic substances, nucleic acids and non-cellular organic/inorganic materials. EPS acts as adhesives that bind microbial cells together into a colony. Larger colonies results in increased density, compactness and further aggregation and hence faster settling of the activated sludge. In this thesis, the focus is on the extraction and characterization of the ExoPS produced by CAS and GAS. The ExoPS was extracted from GAS and CAS generated in a lab-scale bubble column SBR fed with synthetic and brewery wastewaters. The method described by Lin et al (2010) was used for ExoPS extractions. The gel forming characteristics of ExoPS was also tested by introducing the ExoPS into CaCl2 solution in a 1:1 ratio. The experiments were carried out at the same time with commercial sodium alginate (Sigma) as a reference polysaccharide. Gels produced were then examined with E-SEM. From the results, ExoPS from both CAS and GAS produced hydrogels or gel-like structures in CaCl2, similar to those produced by alginate. The ExoPS extracts were also examined with FTIR and the spectra obtained were very similar to that of the reference sodium alginate; confirming that the extracted substances were indeed alginate-like-polysaccharides. UV-Visible spectroscopy at the range of 190-800nm ruled out the possible contamination of the extracts with proteins. Running block fractionation experiments with GAS from a different source showed that the exoPS of the sludge was composed mainly of MG and GG blocks (50.7% and 45.8% respectively); the former providing flexibility, and the latter conferring the gel formation properties. It can be concluded from the results that CAS/GAS-associated ExoPS are alginate like exopolysaccharides and that the characteristics of GAS-exoPS, namely good gel forming ability, as well as housing homo-monomeric blocks providing flexibility and gelation, seem to confer on the compact structure and thus efficient settling of GAS making it a cost effective method of biological wastewater treatment.Yüksek LisansM.Sc