Atıksu arıtma sisteminin aktif çamurunda, mikroorganizmalar kirletici arıtımı için temel "yürütücüler" olarak görev yapar. Enerji elde etme yöntemlerine ve karbon kaynağı kullanım biçimlerine bağlı olarak, bu mikroorganizmalar geniş ölçüde iki kategoriye ayrılabilir: ototrofik ve heterotrofik. Bu iki tür, metabolik mekanizmalarda, işlevsel rollerde ve çevresel uyum yeteneklerinde temel farklılıklar sergileyerek, aktif çamurun ekolojik yapısını topluca oluşturur. Ancak, eylem yolları ve temel değerleri önemli ölçüde farklılık gösterir. Bu farklılıkların derinlemesine anlaşılması, atıksu arıtma süreçlerini optimize etmek ve arıtma verimliliğini artırmak için çok önemlidir.
1. Temel Farklılıklar: Enerji Kaynakları ve Karbon Kaynağı Kullanımının Temel Ayrımı
Enerji kaynağı ve karbon kaynağı, ototrofik ve heterotrofik mikroorganizmaları ayıran temel göstergelerdir. Bu iki temel faktör, metabolik yönlerini ve hayatta kalma bağımlılıklarını ve ayrıca aktif çamur sistemindeki farklı rollerinin altında yatan mantığı doğrudan belirler.
(1) Ototrofik mikroorganizmalar: "kendi kendine yeten" inorganik madde dönüştürücüler
Ototrofik mikroorganizmaların temel özelliği, inorganik karbon bileşiklerinden bağımsız olarak organik bileşikleri sentezleyebilme, dış organik maddeye bağlı kalmadan inorganik maddeleri "enerji yakıtı" olarak kullanabilme ve ekosistemlerde "üreticiler" olarak işlev görme yetenekleridir.
Enerji elde etme açısından, bu mikroorganizmalar inorganik maddeleri oksitleyerek enerji elde ederler. Örneğin, nitrifikasyon bakterileri amonyak azotu (NH₄⁺→NO₂⁻→NO₃⁻) oksitleyerek enerji elde ederken, nitrit oksitleyici bakteriler nitriti (NO₂⁻→NO₃⁻) oksitler. Öte yandan, kükürt oksitleyici bakteriler sülfürleri (örneğin, H₂S→S→SO₄⁻) oksitleyerek enerji üretirler. Karbon kaynağı kullanımı açısından, hücrelerini oluşturmak ve metabolik aktivitelerini gerçekleştirmek için fotosentez veya kemosentez yoluyla inorganik karbonu organik karbona dönüştürerek, tek karbon kaynağı olarak yalnızca karbondioksit (CO₂) veya karbonatlara (HCO₃⁻ gibi) güvenirler. Bu "kendi kendine yeten" özellik, atıksudaki organik kirleticilere bağlı kalmadan hayatta kalmalarını sağlar.
(2) Heterotrofik Mikroorganizmalar: "Dışa Bağımlı" Organik Madde Bozucu
Heterotrofik mikroorganizmalar, ototrofiklerin tam zıttıdır. Ne enerji için inorganik maddeleri kullanabilirler ne de organik karbonu özerk olarak sentezleyebilirler; bunun yerine, hem "enerji kaynağı" hem de "karbon kaynağı" olarak dış ortamdan önceden var olan organik maddeye güvenirler. Bu, onları bir ekosistemde "tüketiciler" ve "ayrıştırıcılar" ile işlevsel olarak eşdeğer hale getirir.
Enerji elde etme açısından, bu mikroorganizmalar atıksudaki organik kirleticileri (karbonhidratlar, proteinler, yağlar vb. gibi, KOİ, yani kimyasal oksijen ihtiyacı ile ölçülür) parçalayarak enerji elde ederler. Örneğin, aerobik heterotrofik bakteriler glikozu CO₂ ve H₂O'ya ayırırken kendi metabolizmaları için enerji salgılarlar. Karbon kaynağı kullanımı açısından, özerk senteze gerek duymadan atıksudan doğrudan organik karbonu (KOİ bileşenleri ve küçük organik moleküller gibi) emerler. Metabolik aktiviteleri tamamen atıksudaki organik kirleticilerin konsantrasyonuna ve türlerine bağlıdır.
II. İşlevsel Roller: Aktif Çamur Arıtma Sisteminde Farklı Roller
Enerji ve karbon kaynağı kullanımındaki farklılıklara dayanarak, aktif çamur sistemlerindeki ototrofik ve heterotrofik mikroorganizmalar, belirgin bir şekilde farklı arıtma işlevleri gerçekleştirirler. Birincisi inorganik madde dönüşümüne odaklanırken, ikincisi organik madde bozunmasına odaklanır ve etkili atıksu arıtımını sağlamak için sinerjik olarak çalışır.
(1) Ototrofik mikroorganizmalar: "azot ve kükürt giderme" üzerine odaklanmış, inorganik kirleticileri arıtan
Ototrofik mikroorganizmalar, inorganik maddelerin dönüşümünü ve giderilmesini kolaylaştırarak aktif çamurda merkezi bir rol oynar ve en temsilcisi nitrosomonas (Nitrosomonas ve Nitrobacter dahil) bakterilerdir. Bu bakteriler, atıksu azot giderim süreçlerinde kilit oyunculardır. Aerobik koşullarda, Nitrosomonas önce atıksudaki amonyak azotunu (NH₄⁺) nitrit (NO₂⁻)'e oksitler, daha sonra bu nitrit Nitrobacter tarafından nitrata (NO₃⁻) dönüştürülür. "Nitrifikasyon reaksiyonu" olarak bilinen bu süreç, biyolojik azot gideriminin temel adımıdır. Ototrofik nitrifikasyon bakterileri olmadan, atıksudaki amonyak azotu nitrata dönüştürülemez ve daha sonra denitrifikasyon yoluyla giderilemez, bu da sonuçta atık suda aşırı amonyak azotu seviyelerine yol açar.
Ek olarak, birkaç ototrofik kükürt oksitleyici bakteri, atıksudaki sülfürleri oksitleyebilir, bunları zararsız sülfatlara dönüştürebilir ve sülfürlerin mikroorganizmalar üzerindeki toksik inhibisyonunu önleyerek, böylece aktif çamur sisteminin kararlı çalışmasını sağlar. Ancak, ototrofik mikroorganizmaların son derece yavaş bir metabolik hıza (tipik bir nesil döngüsü 10-30 saat) sahip olduğu ve çevresel koşullara (sıcaklık, çözünmüş oksijen ve pH gibi) duyarlı olduğu unutulmamalıdır. Sonuç olarak, aktif çamur sistemindeki oranları genellikle düşüktür (yaklaşık %5-10).
(2) Heterotrofik mikroorganizmalar: Temel "KOİ bozunumu", çamur flokları oluşturma
Heterotrofik mikroorganizmalar, popülasyonunun %90'ından fazlasını oluşturan aktif çamurun "ana gücüdür". Birincil işlevleri iki ana alanda yoğunlaşmıştır: organik madde bozunumu ve çamur flok oluşumu, bu da doğrudan atıksudaki KOİ giderim verimliliğini ve aktif çamurun yerleşim performansını belirler.
Organik maddenin bozunmasında, aerobik heterotrofik bakteriler, atıksudaki makromoleküler organik bileşikleri (nişasta, lipitler ve proteinler gibi) aerobik solunum yoluyla daha küçük organik moleküllere ayırır. Bu daha küçük moleküller daha sonra CO₂ ve H₂O gibi inorganik ürünlere ayrışır, böylece atıksuyun KOİ değeri azalır. Bu, evsel atık su ve endüstriyel organik atık suyun arıtılmasının temel amacıdır. Örneğin, kentsel atık su arıtma tesislerinde, heterotrofik bakteriler giriş KOİ'sini 300-500 mg/L'den 50 mg/L'nin altına düşürebilir ve deşarj standartlarını karşılayabilir.
Çamur floklarının oluşumunda, bazı heterotrofik mikroorganizmalar (aktinomisetler ve mantarlar gibi) dağılmış mikrobiyal hücreleri yapısal olarak kararlı floklar (yani, aktif çamur flokları) halinde birleştiren polisakkaritler ve proteinler gibi viskoz maddeler salgılar. Bu floklar sadece kirleticileri kapsüllemekle ve bozunma verimliliğini artırmakla kalmaz, aynı zamanda çöktürme tanklarında hızla yerleşerek çamur-su ayrımını sağlar ve atık su ile mikrobiyal kaybı önler. Heterotrofik bakterilerin aktivitesi yetersizse veya flok oluşturma yetenekleri zayıfsa, atık suda aşırı askıda katı maddeye (AKM) yol açabilir ve ciddi durumlarda sistemi istikrarsızlaştıran "çamur şişmesi"ne neden olabilir.
3、 Çevresel uyum yeteneği: Proses koşulları için farklı gereksinimler
Ototrofik ve heterotrofik mikroorganizmaların metabolik özellikleri farklıdır, bu da çözünmüş oksijen, sıcaklık ve besin oranı gibi aktif çamur sisteminin çevresel koşulları için farklı gereksinimlere yol açar. Bu koşulları optimize etmek, iki tür mikroorganizmanın işbirliği içinde çalışmasını sağlamanın anahtarıdır.
（1） Ototrofik mikroorganizmalar: çevresel koşullara karşı son derece duyarlı
Ototrofik mikroorganizmaların (özellikle nitrifikasyon bakterileri) metabolik aktivitesi katı çevresel koşullar gerektirir ve küçük parametre dalgalanmaları bile aktivitelerini etkileyebilir:
-Çözünmüş oksijen (ÇO): Nitrifikasyon reaksiyonu için yeterli çözünmüş oksijen gereklidir ve ÇO 2mg/L'de tutulmalıdır. ÇO 1mg/L'nin altında ise, nitrifikasyon bakterilerinin aktivitesi önemli ölçüde inhibe edilecek ve amonyak azotunun oksidasyon verimliliği keskin bir şekilde azalacaktır;
-Sıcaklık: Optimum sıcaklık 20-30 ℃'dir. Sıcaklık 10 ℃'nin altında olduğunda, nitrifikasyon bakterilerinin metabolik hızı %50'den fazla azalacaktır. Kış aylarında, atık su arıtma tesisleri genellikle yetersiz amonyak azotu giderim oranı sorunuyla karşılaşır;
-PH değeri: Uygun aralık 7.5-8.5'tir. pH 6.5'in altında veya 9.0'ın üzerinde ise, nitrifikasyon bakterileri enzim aktivitesi inhibisyonu nedeniyle metabolizmayı durduracaktır;
-Besin oranı: Büyük miktarda organik karbon gerektirmez, ancak organik karbona karşı duyarlıdır - atık sudaki KOİ çok yüksekse, heterotrofik bakteriler çözünmüş oksijen ve alan için ototrofik bakterilerle rekabet edecek ve nitrifikasyon bakterilerinin büyümesini engelleyecektir.
（2） Heterotrofik mikroorganizmalar: çevresel koşullara karşı son derece toleranslı
Ototrofik mikroorganizmalarla karşılaştırıldığında, heterotrofik mikroorganizmalar daha güçlü çevresel uyum yeteneğine ve proses parametreleri için daha geniş bir tolerans aralığına sahiptir:
-Çözünmüş oksijen (ÇO): Aerobik heterotrofik bakteriler, metabolik ihtiyaçlarını karşılamak için ÇO'nun 1-2mg/L'de tutulmasını gerektirirken, bazı fakültatif heterotrofik bakteriler (denitrifikasyon bakterileri gibi) anaerobik koşullarda anaerobik solunum yoluyla organik maddeyi hala bozabilir;
-Sıcaklık: Optimum sıcaklık 15-35 ℃'dir, ancak 5-40 ℃ aralığında hala belirli bir aktivite seviyesini koruyabilir ve düşük sıcaklıklara toleransı ototrofik bakterilerden çok daha iyidir;
-PH değeri: Uygun aralık 6.0-9.0'dır ve bazı heterotrofik bakteriler (mantarlar gibi) pH 5.0'da asidik koşullarda veya pH 10.0'da alkali koşullarda hala hayatta kalabilir;
-Besin oranı: Yeterli organik karbon gereklidir ve karbon-azot oranına (C/N) duyarlıdır - genellikle 5-10:1 C/N oranı gerektirir. Karbon kaynağı yetersizse, heterotrofik bakteriler "açlık" nedeniyle aktivitede ve KOİ giderim oranında bir düşüş yaşayacaktır.
4、 İşbirliği ve Rekabet: Aktif Çamur Sistemlerindeki Mikrobiyal İlişkiler
Aktif çamur sisteminde, ototrofik ve heterotrofik mikroorganizmalar bağımsız olarak var olmazlar, ancak "sinerji" ve "rekabet"in ikili bir ilişkisine sahiptirler ve ikisi arasındaki denge doğrudan atık su arıtımının etkinliğini etkiler.
（1） İşbirlikçi ilişki: tamamlayıcı işlevler, arıtımı ortaklaşa tamamlama
İkisi arasındaki sinerji, esas olarak "denitrifikasyon süreci"nde yansıtılır: ototrofik nitrifikasyon bakterileri amonyak azotunu nitrata (nitrifikasyon süreci) dönüştürürken, heterotrofik denitrifikasyon bakterileri, anaerobik koşullarda, atıksudaki organik karbonu bir elektron donörü olarak kullanarak nitratı azota (N ₂) indirger ve havaya salar (denitrifikasyon süreci) - ototrofik bakteriler olmadan, denitrifikasyon bakterilerinin kullanacak "substratı" yoktur; Heterotrofik bakteriler eksikse, nitrifikasyon bakterileri tarafından üretilen nitrat giderilemez ve sonuçta toplam azot standardı karşılayamaz. Ek olarak, heterotrofik bakteriler, KOİ'yi bozduktan sonra atıksudaki organik yükü azaltabilir, organik karbona duyarlı ototrofik bakteriler için uygun bir yaşam ortamı yaratır ve dolaylı olarak aktivitelerini teşvik eder.
（2） Rekabetçi ilişki: kaynak rekabeti, sistem dengesini etkileme
İkisi arasındaki rekabet, esas olarak "çözünmüş oksijen" ve "yaşam alanı" üzerine odaklanır: atık sudaki KOİ konsantrasyonu çok yüksek olduğunda, heterotrofik bakteriler "yeterli besin" nedeniyle hızla çoğalacak, büyük miktarda çözünmüş oksijen tüketecek ve ototrofik bakterilerin aktivitesi "hipoksi" nedeniyle inhibe edilecek, bu da "iyi KOİ giderim etkisi ancak zayıf amonyak azotu giderim etkisi" olgusuna yol açacaktır; Tam tersine, atıksudaki KOİ konsantrasyonu çok düşükse (endüstriyel atık su gibi), heterotrofik bakterilerin aktivitesi yetersizdir ve kararlı çamur flokları oluşturulamaz. Ototrofik bakteriler de "taşıyıcı eksikliği" nedeniyle kaybolacak ve nitrifikasyon verimliliğini etkileyecektir. Bu nedenle, pratik süreçlerde, giriş suyu yükü ve geri akış oranı gibi parametreleri ayarlayarak ikisi arasındaki rekabetçi ilişkiyi dengelemek gerekir. Örneğin, yüksek KOİ atık su arıtılırken, yerel organik yükü azaltmak ve nitrifikasyon bakterilerinin çözünmüş oksijen talebini sağlamak için "bölümlü giriş suyu" kullanılabilir.
5、 Özet: İki Tür Mikroorganizma Arasındaki Temel Farklılıklar ve Teknolojik Önemi
Aktif çamurdaki ototrofik ve heterotrofik mikroorganizmalar arasındaki fark, esasen "enerji kaynakları ve karbon kaynağı kullanım yöntemleri" arasındaki farktır ve bu, ikisi arasındaki işlevsel konumlandırma, çevresel uyum yeteneği ve mikrobiyal ilişkilerdeki bir dizi farka uzanır (Tablo 1'de gösterildiği gibi).
Bu farklılıkları anlamak, atık su arıtma süreçlerini optimize etmek için önemli bir rehberlik sağlar: örneğin, yüksek amonyak azotu ve düşük KOİ atık su (su ürünleri yetiştiriciliği atık suyu gibi) arıtılırken, ototrofik bakterilerin hayatta kalma koşullarını sağlamaya (ÇO'yu artırmak, sıcaklığı kontrol etmek) ve heterotrofik bakterilerin denitrifikasyon ihtiyaçlarını karşılamak için uygun şekilde karbon kaynakları eklemeye odaklanmak gerekir; Yüksek KOİ ve düşük amonyak azotu atık su (gıda atık suyu gibi) arıtılırken, organik yükü kontrol etmek, heterotrofik bakterilerin aşırı büyümesini önlemek ve ototrofik bakterileri inhibe etmek ve KOİ ve amonyak azotunun aynı anda standartları karşılamasını sağlamak gerekir. Kısacası, bir aktif çamur sisteminin kararlı çalışması, esasen ototrofik ve heterotrofik mikroorganizmalar arasındaki bir "dinamik denge"dir. Ancak her ikisinin de ihtiyaçlarını doğru bir şekilde eşleştirerek atık su arıtımının maksimum verimliliğine ulaşılabilir.
