Membran biyoreaktör sistemi

Evsel atıksuyun konvansiyonel arıtımı genellikle üç aşamalı bir süreçten oluşur. Atıksuda bulunan büyük katı maddelerin çöktürülmesini, ardından sırasıyla organik maddenin aerobik arıtımı ve biyokütlenin giderilmesi için ikinci bir çöktürme işlemi takip eder. Bu reaktör, konvansiyonel aktif çamur prosesi ile benzer şekilde işletilmesine rağmen bu arıtma teknolojisinde son çöktürme tankına gerek duyulmamaktadır.

MBR sistemi, hidrolik ve çamur bekletme sürelerinin birbirinden farklı olmasına olanak sağlamaktadır. Böylece tüm çamur MBR içinde tutularak çamur yaşının yeterince uzun olması sağlanmaktadır. Biyokütlenin klasik çökeltme havuzlarında oluşan askıda katı madde kaçışları tamamen ortadan kalkmakta ve arıtılmış çıkış suyu kalitesi oldukça iyi olmaktadır. Etkin gözenek boyutu genellikle 0,1 μm altında olması sebebiyle temiz ve önemli ölçüde dezenfekte edilmiş çıkış suyu üretilmektedir. Biyokütleyi daha fazla konsantre ederek gerekli tank boyutunun düşmesini ve biyolojik arıtım proses verimliliğinde artmayı sağlamaktadır. Ayrıca bu sistemlerde, biyolojik arıtımın biyokütle kaybı ve şişmeden dolayı başarısızlıkla sonuçlanma gerçekleşmez.

Sonuç olarak çıkış suyu kalitesi, konvansiyonel proseslerin arıttığından önemli ölçüde daha yüksek olup, dezenfeksiyon gibi daha ileri bir üçüncül arıtma işlemlerine duyulan ihtiyaç ortadan kalkar.

Kentsel veya evsel atıksu arıtımı için kullanılan 1. nesil MBR’lar daha çok küçük debilerde, kanalizasyona bağlı olmayan bölgelerde ve atıksu geri kazanım ve kullanımı amacıyla karavan parkları, kayak merkezleri ve ofis kompleksleri gibi alanlarda uygulanmışlardır. 1. nesil MBR’larda 15000–25000 mg/L MLSS(karışık sıvıdaki askıda katı madde) ve 50 gün veya daha fazla SRT(çamur bekletme süresi) uygulanmıştır. Çok yüksek SRT’den dolayı bu sistemler biyolojik arıtım açısından oldukça kararlı ve nispeten problemsizdir. Bu neslin avantajları yüksek kalitede çıkış suyu,az çamur miktarları ve seyrek çamur bertarafı, tam nitrifikasyon ve az değişkenlik gösteren çıkış suyu kalitesi olmuştur.

1.nesil uygulamaların artması ve teknolojik gelişimler sonucunda da 2. nesil MBR’lar devreye girmiştir. MBR’larda biyolojik nütrient (azot ve fosfor) giderimi sağlanması 2. nesil MBR’ların en önemli iki özelliğidir. Azot giderimi, tam nitrifiye eden bir tesiste aerobik bölümde oluşan nitratın MLSS ile anoksik bölüme geri döndürülmesi ve anoksik bölümde de denitrifikasyon sonucu nitratın azota indirgenmesi ile gerçekleşir. Denitrifikasyon ile birlikte aynı zamanda alkalinite geri kazanımı da elde edilmektedir. Kimyasal fosfor giderimi için MBR’lara metal tuzlarının eklenmesi de 2. neslin diğer bir özelliğidir. Tesislerde elde edilen sonuçlara göre çıkış fosfat konsantrasyonları 0,1 mg/L’den azdır. İlk uygulamalarda, metal tuzlarının eklenmesi ile membran biyoreaktörde MLSS konsantrasyonları sabit SRT’de 25,000 mg/L gibi yüksek değerlere çıkınca, devam eden uygulamalarda veya işletme periyotlarında yüksek MLSS konsantrasyonlarının membran kapasitesine olumsuz etkilerini azaltmak amacıyla SRT azaltılmıştır. Bu sebeple 2. nesil MBR’larda MLSS ve SRT sırasıyla 15000–20000 mg/L ve minimum 20 gün olmuştur.

3. nesil MBR’lardaki ana hedefler membran akısını ve kapasitesini artırabilmek, sistem SRT ve MLSS’ini azaltabilmek ve toplam maliyeti optimize edebilmek olmuştur. 3. nesil MBR’larda üretici firmalarla birlikte, artık arıtma tesisi işletmecileri ve mühendislik-danışmanlık firmaları da aktif rol oynamaya başlamıştır. Daha düşük MLSS konsantrasyonları (10,000 mg/L civarı) çalışılması ile süzüntü suyu akısını da artmıştır.

Gerekli biyolojik proses kinetiğinin yakalanması açısından azaltılan MLSS ve SRT 3. nesil MBR’ların temel özelliğidir. Ancak bu olumlu değişiklikler diğer yandan bazı proses ve tasarım olumsuzlukları da meydana getirmiştir. Azaltılan SRT, daha yakın ve etkin proses kontrolü gerektirip, günlük organik yükleme varyasyonlarının etkisi açısından problemler çıkarabilmektedir. Daha düşük MLSS ile çalışmak membran ekipman maliyetini azaltmakta ve pik debileri karşılayabilme kapasitesini artırmaktadır. Ancak aynı zamanda da gerekli reaktör hacmini ve üretilen atık çamurun hacmini artırmaktadır.

Günümüzde, uygulanan sistem kapasiteleri açısından düşünüldüğünde artık 4. nesile girmekte olduğumuz, son birkaç yıl içinde inşa edilen veya tasarımı yapılmakta olan MBR’lara bakıldığında uygulanan toplam sayıyla birlikte aynı zamanda çok daha büyük orandaki debileri arıtacak MBR’ların da arttığı söylenebilir. Bunun sonucu olarak satış pazarının eksponansiyel artması üretici firma sayısını artırmış ve rekabeti de geliştirmiştir.

Membran biyoreaktör (MBR) teknolojisi son yıllarda hem evsel hem de endüstriyel ölçekte geniş bir kullanım alanına sahip olup kullanımı yaygınlaşmaktadır. Bu arıtma sisteminde biyolojik arıtma sonrasında arıtılan su bir membran filtrasyon malzemesi ile filtre edilmektedir. MBR sistemi sayesinde klasik arıtma sistemlerine göre daha iyi çıkış suyu kalitesi elde edilmekte, tesiste alan tasarrufu sağlanmakta ve düşük bekleme süresinde (HRT) ve yüksek çamur yaşlarında çalışılabilmektedir. Ayrıca, MBR’lerde daha yüksek oranda askıda katı madde (AKM) giderimi olmaktadır.

MBR sistemlerinin işletiminde en önemli parametre akıdır. Birim zamanda birim alandan geçen su miktarı anlamına gelen akının birimi, kısaca LMH (L/m2.sa) olarak gösterilmektedir. En tercih edilen işletme şartları yüksek akının sağlandığı şartlar olarak kabul edilmektedir. Evsel atıksularda tasarım akısı 15-25 LMH olarak seçilirken, endüstriyel atıksularda 8,5-28 LMH aralığında ve ortalama akı değerleri 14 LMH olarak çalışılmıştır. Membran biyoreaktörlerde anahtar parametreler lif yoğunluğu, modül tipi, hidrodinamik şartlar vb. membran konfigürasyonları, porozite, yüzey yükü, hidrofobisite vb. membran karakteristiği ve akı, basınç, pH, sıcaklık, geri yıkama sıklığı, HRT vb. işletme şartlarıdır.

MBR işletme performanslarının incelendiği bir çalışmada, MBR için optimum şartların elde edilmesi için çamur bekletme süresi (SRT), hidrolik bekletme süresi (HRT), akı ve MLSS’nin kontrol altında tutulması gerektiği bulunmuştur. SRT artışı tıkanmayı azaltmayı sağlar ancak düşük HRT ise sistemin organik yükünü arttırarak performansı düşürmektedir. Ayrıca, membran verimliliği için göz önünde bulundurulması gereken faktörler pH, sıcaklık, basınç ve kimyasal maddeler olarak sıralanabilir. Membranlı sistemlerde ortaya çıkan en önemli sorunların; membran tıkanması, ön arıtma gereksinimi, işletme optimizasyonu olduğu görülmektedir.

Membran, harici MBR prosesinde havalandırma havuzunun dışında bulunur. MBR’nin ilk jenerasyonu bu sistemdir. Harici MBR’de, karışık sıvıdaki askıda katı maddeler membran modülüne pompalanır. Bu sistemde genellikle tüp şeklinde membranlar kullanılmaktadır. Türbülanslı bir çapraz akış meydana getiren 1–4 m/s aralığındaki iyi tanımlanmış akış hızları ile kirlenme kontrol edilir.

Batık MBR sistemine ait membranlar karışık sıvıya batık haldedir ve oluşan süzüntü suyu, mekanik olarak veya yerçekimi etkisiyle meydana gelen akış ile emilmektedir. Batık tip membran sistemlerde ise düz levha şeklindeki membranlar ve boşluklu fiber membranlar kullanılmaktadır.

Karışık sıvının kirletme potansiyeli dolayısıyla membranlar kirlenme kontrolü gerektirmektedir. Membran yüzeyinde, çapraz akış meydana getiren kaba kabarcıklı havalandırma kullanılarak membran yüzeyinin havayla temizlenmesi yoluyla bu kontrol işlemi sağlanmaktadır. Batık tipin farklı bir uygulaması olan, membranın harici filtrasyon takında bulunduğu diğer tasarımda, sabit bir çamur konsantrasyonu elde etmek amacıyla aktif çamurun sürekli geri devrettirilmesi gereklidir.

Membran biyoreaktörlerde gözenek boyutu 0.05-5 µm arasında olan mikrofiltrasyon ya da gözenek boyutu 0.005-0.1 µm arasında olan ultrafiltrasyon membranlar kullanım alanı bulmaktadır. Membran modülleri, biyokütle ayrımı için belirli özelliklere sahip olmalıdır. Kütle transferini artırmak ve membran kirlenmesini azaltmak amacıyla besleme kısmındaki türbülans yüksek olmalı, çamurun birikmemesi için ölü bölgeler bulunmamalı, mekanik, kimyasal ve termal stabiliteye sahip olmalı,50-250 mbar arasında düşük transmembran basıncına sahip olmalı, yüksek paketleme yoğunluğuna (modülün birimm³ hacmi başına düşen birimm² membran alanı) sahip olmalı, kurulumu ve membranın yenilenmesi kolay olmalı, ileri ekipman ile modifiye edilebilmeli ve modüler olmalı, temizliği kolay olmalı ve arıtılmış çıkış suyunun birim hacmi başına enerji gereksiniminin ise düşük olması gerekmektedir.

Sıralanan özelliklerin hepsi bir konfigürasyonda olmamakla birlikte atıksu arıtım uygulamalarında tüp şeklinde modüller, boşluklu fiber modülleri ve plaka ve çerçeve modülleri gibi düzlemsel modüller olarak üç tip modül kullanılmaktadır.

Ticari olarak mevcut olan tüp şeklindeki modüller genellikle yan akış modunda işletilir. Tüp şeklindeki modüller 6 m’ye kadar uzunluğa sahip olup modül düzeni dikey veya yatay olabilir. Yan akışlı modüller 1–4 m/s’lik akış hızlarında işletilmektedir. Kirlenme kontrolü için bazı sistemler ilave havalandırma ile işletilmektedir. Tüp şeklindeki modüller membran yüzeyinde hidrodinamik kontrolü doğrudan sağlarlar. Yüzey alanı başına düşen akı batık modüller ile karşılaştırıldığında yüksektir ancak yüksek spesifik enerji ihtiyacına (kW.saat/m3) sahiptirler.

Boşluklu fiberlerin sahip olduğu çap birkaç yüz mikrometreden birkaç milimetreye kadar değişmektedir. Modüller yatay veya dikey bir şekilde kurulmaktadır. Yüksek bir paketleme yoğunluğuna sahip olan bu modüller biyokütle içinde batık halde bulunmaktadırlar. Kirlenme kontrolü çoğunlukla membran modülünün altına yerleştirilen havalandırıcılar ile sağlanmaktadır. Membran yüzeyindeki temizleme işleminde sıklıkla kaba kabarcıklı havalandırma rol oynamasıyla birlikte ince kabarcıklı havalandırıcılar da kullanılabilmektedir.

Plaka ve çerçeve membran modüllerinde, bir plaka ile desteklenen düzlemsel membranlar, paralel bir şekilde düzenlenmektedir. Modüllerdeki düz membranların farklı uygulamaları arasında; batık dikey şeklinde düzenlemeye sahip dikdörtgen plakalar, batık dönen plaka modülleri ve havalandırma tankının dışında yer alan düz membranlar bulunmaktadır. Batık modüllerdeki kirlenme kontrolü, kaba kabarcıklı havalandırma ile elde edilirken, dikey(dış) modüller ise yan akış modunda işletilmektedir. Birçok sistem periyodik olarak gevşetilir; bazısı ise çok düşük basınçta geri darbeye maruz bırakılır.

MBR’lerde membranların kirlenmesi sistemin performansını ciddi oranda etkileyip düşmesine sebep olan faktördür. Su akış kalitesinde azalma, çalışma verimliliğinde azalma, servis /bakım aralıklarının kısalması, erken membran değişimi gibi olumsuz etkilere sebep olabilmektedir.

Membranlarda yaşanan kirlenme problemi, sistem tasarımlarını etkileyen önemli faktörler arasındadır. Membran ömrünü olumsuz yönde etkileyen tıkanma sebebiyle, temizlik işlemlerinden kaynaklı sistemde sık sık kesinti yaşanması sonucu daha yüksek işletme maliyetleri ile karşılaşılmaktadır. Kesinti sonucu öngörülen düşük verimle birlikte, daha yüksek sermayeye ve daha fazla membran yüzey alanına ihtiyaç duyulabilmektedir.

MBR prosesi, yüksek veya şok yüklemelere karşı dirençli olmasına ve kirleticileri yüksek verimde gidermesine rağmen membranın kirlenmesi hala engel teşkil etmektedir. Kirlenme, membran performansını iki şekilde etkilemektedir. İlki, membran yüzeyi üzerinde bir tabakanın oluşması sonucu süzüntü akışına karşı ek bir direnç meydana gelmesiyle oluşurken, ikincisi ise, membran gözeneklerinin kısmen veya tamamen tıkanması sonucunda etkin gözenek boyutu dağılımının değişmesidir.

Membranın kirlenmesinde ana faktörlerden birisi MBR’deki aktif çamurun özellikleridir. MBR içinde bulunan çamur karışık sıvı halindedir. Bu ortam, çeşitli canlı mikroorganizmaların oluşturduğu biyolojik floklar ve süpernatant olarak bilinen çözünebilen ve koloidal bileşikleri içeren üst faz olmak üzere iki ana kısımdan oluşmaktadır. Membran kirlenmesini etkileyen, her elementin kendine ait fizikokimyasal ve biyolojik özellikleri mevcuttur.

Membran kirlenmesi, biyolojik besleme çözeltisinin karışık yapıya sahip olmasından dolayı kaçınılmazdır. Ancak sistem uygun hidrolik koşullar ile işletildiği zaman bu kirlenmeyi en aza indirmek mümkündür. Kirlenmenin olmadığı akı anlamına gelen “kritik akı” kavramı, kirlenmeyi karakterize etmek için ortaya çıkan bir parametredir. Eğer membran kritik akının altında işletilirse, uygun bir temizleme sistemi ile uzun bir süre partikül birikmesi olmadan veya çok az miktarda birikmenin gerçekleşmesiyle membranı işletmek mümkün olmaktadır.

Evsel atıksular için tipik MBR çıkış suyu, konvansiyonel biyolojik arıtım sistemlerinden çok daha kalitelidir. Elde edilen bulanıklık değerlerinin 0,5 NTU’dan düşük olması arıtılan suyun ne kadar berrak olduğunu göstermektedir. BOİ ve AKM parametreleri incelendiğinde, konvansiyonel sistemlerde 20–30 mg/L’den az elde edilemeyen değerler, MBR çıkış sularında 2,0 mg/L’den düşük olup arıtılan suyun organik stabilite ve partiküller açısından kaliteli olduğunu göstermektedir. MBR’larda aynı zamanda çok kaliteli bir fiziksel dezenfeksiyon sağlanmış olur. A.B.D.’de gerçek ve pilot tesislerde MBR’ların yaklaşık tüm protozoaları giderdiği, 5–6 log bakteri ve 1–2 log virüs giderimi sağladığı gözlenmiştir. Klorla dezenfeksiyona dayanıklı olan patojenik protozoalardan Cryptosporidium ve Giardia da MBR’de rahatlıkla tutulur. Bu rakamlar membrandaki yaklaşık 0,1 μm gözenek boyutu dikkate alındığında beklenen değerlerdir.

MBR sistemleri ilk olarak kentsel atıksuların arıtılması ve yeniden kullanılması amacıyla kullanılmıştır. MBR’ler yeniden kullanılabilen kaliteli çıkış suyu elde etmesi ve düşük alan ihtiyacı nedeniyle, arazi sıkıntısı olan bölgelerde ideal bir atıksu arıtım teknolojisi olarak tercih edilmektedir. Bu sebeplerden dolayı çeşitli MBR sistemleri tasarlanmıştır.

MBR’lerin diğer bir uygulama alanı da çamur arıtımıdır. Genel olarak atıksu arıtma tesislerinde anaerobik çürütme prosesi ile çamur stabilizasyonu gerçekleştirilmektedir. Bu proseste, etkili bir stabilizasyon işleminin gerçekleşebilmesi için yüksek çamur yaşına gerek duyulmakta ve HRT ve SRT parametreleri tasarım için oldukça önemli bir yere sahip olmaktadır. Dolayısıyla sistem oldukça sınırlı bir kapasitede kalmaktadır. Bu problemi ortadan kaldırmak amacıyla yapılan çalışmalar sonucunda, sisteme mikrofiltrasyon ünitesinin eklenmesi ile birlikte HRT ve SRT parametrelerinin birbirinden bağımsız olması, çürütücünün kapasite hacminin artması ve konvansiyonel anaerobik çürütücünün işletme maliyetinin azalması gibi sonuçlar elde edilmiştir.

Organize Sanayi Bölgelerinin (OSB’ler) atıksular, genellikle alıcı ortama deşarj standartlarını sağlayan konvansiyonel bir biyolojik atıksu arıtma tesisi işletilmesiyle arıtılmaktadır ancak, alıcı ortamların artan kirlilik yükleri, havza çapında yönetim hedefleri ve su kaynaklarının kısıtlı olmasından dolayı yeni çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır. Membran biyoreaktörler (MBR), konvansiyonel arıtma sistemlerine göre avantajlı olması ve gün geçtikçe azalan maliyetlerinden dolayı OSB’lerde de tercih edilir hale gelmektedir.

Türkiye'de yılda yaklaşık 30 milyon ton evsel katı atık üretilip nihai bertarafı düzenli depolama yöntemi ile yapılmaktadır. Evsel katı atıkların düzenli depolama sahalarına bertarafı ile içeriğindeki suyun biyolojik bozunması ve dışarıdan yağışlar sebebiyle çöp sızıntı suyu meydana gelmektedir. Çöp sızıntı suyu kirlilik yükü yüksek, zor arıtılan suların başında olup klasik arıtma yöntemleri ile istenen seviyede arıtılamamakta, bu nedenle fiziksel, kimyasal, biyolojik ve ileri arıtım yöntemlerinin bir arada kullanılması gerekmektedir. Son zamanlarda iyi kalitede çıkış suyu sağlaması sebebiyle, çöp sızıntı sularının arıtılmasında membran biyoreaktör (MBR) sistemi tercih edilmektedir. Membran biyoreaktör arıtma sistemi biyolojik arıtmanın yapıldığı aerobik ve anoksik havuzlar, ultrafiltrasyon ve gerektiğinde devamına eklenen nanofiltrasyon membranlarından oluşmaktadır. Ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon membranlarında arıtılan su kanala veya alıcı ortama verilebilecek kaliteye ulaşmaktadır. MBR arıtma sistemleri, yüksek verimlilikte organik madde giderimi sağlamakta ve arıtımı zor olan atıksulara uygulanabilmektedir.

Nüfus artışı ve insanoğlunun faaliyetlerin gelişmesiyle birlikte doğal kaynak ve ham madde ihtiyacının artması, kaynakların kirlenmesine ve aşırı tüketilmesine sebep olmakla birlikte doğal kaynaklar tükenme tehlikesiyle karşı karşıya gelmektedir. Tehlike altındaki bu kaynaklardan biri de su olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu sebeplerle çoğu ülke, sahip oldukları mevcut su kaynaklarının ve kalitesinin korunması, atıksuyun oluştuktan sonra çeşitli uygulamalarda yeniden kullanabilmesi dolayısıyla atıksu arıtma teknolojilerini kullanılmaktadır. Türkiye'de de atıksu arıtımına oldukça önem verilmektedir. Tarım, Türkiye'de olduğu gibi su ihtiyacının fazla olduğu sektörlerden birisidir. Dolayısıyla arıtılmış atıksuların zirai sulamada geri kullanımı, tatlı su kullanım ihtiyacını azaltmak açısından oldukça önemlidir. Bu açıdan zirai sulamada kullanılabilecek nitelikte, güvenilir ve kaliteli su arıtabilen ileri arıtma teknolojilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bu teknolojiye tipik ve çok iyi bir örnek olan, son yıllarda geliştirilen membran biyoreaktör (MBR) sistemleridir. MBR’ler içme suyu kalitesine yakın ürettiği arıtılmış su ile zirai sulama ile birlikte, diğer geri kullanım alanları için de uygulanabilir.

MBR sistemlerinin kullanımı, yeni tasarımlar için geleneksel bir tasarıma, yani ikincil arıtma ekipmanları ve kum filtreleri kullanan bir tesise göre daha küçük bir alanda daha fazla atıksu akışı veya iyileştirilmiş arıtma performansı sağlamaktadır. Geçmişte membranlar, ekipmanın yüksek sermaye maliyeti ve yüksek işletme ve bakım maliyetleri nedeniyle daha düşük debili sistemler için kullanılmıştır. Ancak günümüzde daha büyük sistemlerdeki uygulamalar yaygınlaşmaktadır. MBR'ler tarafından üretilen yüksek kaliteli atıksu, özellikle yeniden kullanım uygulamaları sebebiyle bazı endüstriyel ve ticari uygulamalar için de çok uygundur.

Günümüzde, uygulanan sistem kapasiteleri açısından düşünüldüğünde artık 4. nesile girmekte olduğumuz, son birkaç yıl içinde inşa edilen veya tasarımı yapılmakta olan MBR’lere bakıldığında uygulama oranları ile birlikte aynı zamanda çok daha büyük orandaki debileri arıtacak MBR’lerin de arttığı söylenebilir. Bunun sonucunda üretici firma sayısı artmış ve satış pazarı rekabetini de beraberinde getirmiştir. Tasarım yaklaşımı açısından uygulanan sistemlerin geliştirilmesi gereken temel husus, küçük veya orta ölçekteki uygulamalardan ziyade büyük ölçeğe geçiştir.

MBR, çeşitli atıksu türüne başarıyla uygulanmış olsa da, MBR'nin en büyük temel rekabet gücü ve gelecek vadeden ve çoğu geliştirilmeye değer uygulama alanlarına sahiptir. Bu teknolojinin eksik yönlerini geliştirmek ve sahip olduğu değeri arttırmak için MBR'lerin verimli kirletici madde giderme, istikrarlı atık kalitesi, küçük ayak izi, mevcut sistemlerle uyumluluk ve diğer işlemlerle kombinasyon halinde işletme esnekliği, uygun uygulama çalışmaları olarak hedeflenebilir. MBR'nin mevcut teknolojik düzeyinden, özellikle yüksek kaliteli su ıslahı, endüstriyel atık su arıtımı gibi bazı belirli amaçlar için birden fazla teknolojinin kombinasyonu, kapasite ve arıtma verimliliğini artırmak için bir atıksu arıtma tesisinin yerinde iyileştirilmesi, yoğun nüfuslu alanlarda sınırlı arazi kullanımı, gerekli yer altı atık su arıtma tesislerinin yapımı vb. gibi uygulamalar için MBR'nin uygun olduğu fark edilmektedir. Bu birbirinden önemli uygulamalar için MBR sistemleri hakkında daha fazla Ar-Ge çalışmaları yapılması, gelecekte elde edilen verimli sonuçlar ile harcanan çabalara değeceği umut edilmektedir.

Hızlı nüfus artışı, artan kuraklık, aşırı sanayileşme ve aşırı tüketim ile birlikte tatlı su kaynakları dünya çapında hızla tükenmekte ve bu sorun özellikle Türkiye'nin de coğrafyasında bulunduğu Balkanlar ve Orta doğuda son yıllarda daha önemli hale gelmekle birlikte sahip olunan su kaynakları, ülkeler arasındaki stratejik ilişkiler ve pazarlıkların ana unsurlarından biri haline gelmektedir.

Gideren artan su ihtiyacına karşılık, tatlı su kaynaklarını yenileyip artırmak teknik ve ekonomik açıdan sınırlayıcı olduğundan sürdürülebilir kalkınmayı sağlayabilecek farklı alternatiflere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu açıdan arıtılmış atıksuların geri kazanımı ve birçok değişik amaçlı geri kullanımı için son yıllarda çalışmalar ve uygulamalar artırılmıştır. Atıksuların geri kullanımı ile tatlı su kaynaklarının tüketiminin azaltılmasıyla birlikte deşarj edilen arıtılmış atıksuların çevresel etkileri en aza indirilebilmektedir.Arıtılmış atıksuların geri kullanım alanları arasında ana hatlarıyla kentsel kullanım alanları, endüstriyel kullanım alanları, zirai sulama, habitat, yüzeysel suların beslenmesi bulunmaktadır.

Kentsel kullanım alanları arasında parklar, spor tesisleri, otoyol kenarları, uydu kentlerde yeşil sahalar, ticari ve endüstriyel gelişme alanları, golf merkezleri, yangın söndürme, inşaat projelerinde toz kontrol ve beton üretimi ve araç yıkama tesisleri olarak, endüstriyel kullanım alanları ise soğutma suyu, proses suları, kazan besleme, tesis yeşil alan sulaması, yangın söndürme olarak sıralanabilir.

Yeraltı suyu beslenmesi/enjeksiyonu olarak ise sahil bölgelerinde tuzlu suyun yeraltı tatlı su kaynaklarına girişiminin engellenmesi, toprak-yeraltı suyu sisteminde daha ileri arıtım, içme suyu veya kullanma suyu kalitesindeki akiferlerin beslenmesi, geri kazanılmış atıksuyun depolanması ve aşırı yeraltı suyu pompalanması sonucu oluşabilecek göçüklerin engellenmesi amacıyla arıtılmış atıksular yeniden kullanılmaktadır.

Membran biyoreaktör sisteminin avantajları olarak; organik madde gideriminde yüksek verimliliğe sahip olması, geliştirilmiş besi maddesi giderim stabilitesi, arıtımı zor olan atıklara uygulanabilmesi, düşük çamur üretimi, çıkış suyunun yüksek kalitede dezenfeksiyonu, yüksek yükleme hızı, daha az kirlenmiş çamur oluşumu ve reaktör için ihtiyaç duyulan alanın küçük olması olarak sıralanabilir. MBR sistemi, biyokütleyi daha fazla konsantre ederek gerekli tank boyutunu azaltmakta ve biyolojik arıtım prosesinin verimliliğini artırmaktadır.

MBR arıtma prosesleri biyolojik arıtma ünitesi ile birlikte ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon membranları kullanılarak çöktürme yapılarına gerek duymadan, yüksek miktarda KOİ, azot ve askıda katı madde giderimi sağlamaktadır. Bunlarla birlikte, deşarj kriterleri çok daha sıkı ve düşük olduğunda veya suyun ıslah edilmesi gerektiğinde MBR’nin kullanımı daha uygundur.

MBR’lerin en önemli avantajlarından birisi biyokütle/su ayrımının, arıtım prosesinin çökeltme prensibi yerine fiziksel filtrasyon ile yapılması ile, biyokütlenin çökelebilme özelliğinden bağımsız olmasıdır. Dolayısıyla, konvansiyonel sistemlerin son çökeltme havuzu işletiminde önemli bir problem olan filamentli flokların veya Nocardia türü mikroorganizmaların oluşmasından dolayı çökelemeyen biyokütle durumu MBR sisteminde ortadan kalkar. Bununla birlikte, MBR’lerde mikrofiltrasyon veya ultrafiltrasyon yöntemi ile çok küçük gözeneklerle arıtma yapıldığı için biyokütlenin de tamamı tutulmaktadır.

Sahip olduğu avantajların yanı sıra membran sistemlerinin bazı dezavantajları da bulunmaktadır. MBR sistemleri uygulamalarının kısıtlı olması, tesislerin ilk yatırım maliyeti, elektrik tüketimi ve membranların işletme süresi gibi çeşitli maliyetle ilgili sorunlar ile ilişkilidir. Bu durum, bu teknolojinin özellikle büyük miktarlardaki atıksuların arıtımında uygulanması için dezavantaj haline gelmektedir.

MBR’de arıtma prosesi tek bir havuzda gerçekleştiğinden, konvansiyonel sistemlere göre mekanik ve kontrol açıdan daha kompleks bir sistemdir. Ancak %100 otomasyon sayesinde işletim kolaylaşmaktadır. En önemli dezavantajlarından biri olan membran kirlenmesi, işletim sırasında zamanla membran gözenekleri tıkanması ve akı azalmasıyla meydana gelmekte ve bu durumu engellemek amacıyla belirli aralıklarda basınçlı hava/su (backpulse) ve sitrik asit, sodyum hipoklorit, gibi kimyasallarla gözenekler temizlenmelidir. Bu temizlik işlemleri otomatik yapılmasına rağmen bu kimyasallar için küçük hacimlerde de olsa depolama tankları gerekmektedir.

Alan gereksiniminin az olması, arıtılan suyun çıkış kalitesinin bazı durumlarda dezenfeksiyona ihtiyaç gerektirmeyecek kadar yüksek olması, organik yüklemelere karşı dayanıklı olması, etkin yüzey alanının fazla olması, oluşan çamur miktarının az olması ve çökelme probleminin olmaması gibi birçok avantaja sahip olan MBR sistemleri, Türkiye'de yaygın olarak tercih edilen aktif çamur sistemlerinin yerine pilot ölçekli olarak kullanılmaya başlanmıştır.

Türkiye'de ilk pilot ölçekli MBR sistemi Orta Doğu Teknik Üniversitesi kampüsünde kurulmuş, kapasitesi 200 m3 olan sistemde arıtılan su sulama sistemine verilerek yıllık 240.000 TL’lik su tasarrufu sağlanmıştır.

İstanbul Ağva konvansiyonel atıksu arıtma tesisinin kapasitesini yükseltmek amacıyla son çöktürme tankı havuzu modifiye edilerek MBR havuzu haline getirilmiş, 1600m³/gün olan mevcut tesis kapasitesi maksimum 8000m³/gün olacak şekilde arttırılmıştır.

Çevre mühendisliği uygulamalarında genel olarak uygulanan membran prosesler; mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon, ters osmoz, elektrodiyaliz, gaz ayırma, dializ, osmoz, pervoparasyon, termo- osmoz ve membran distilasyonu olmak üzere çeşitli gruplara ayrılır. Bu proseslerden su ve atıksu arıtımında ve geri kazanımında en çok kullanılan membran prosesleri ise mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon ve ters osmozdur.

Çevre mühendisliği uygulamalarında ultrafiltrasyon(UF), 0,1–0,01 µm aralığındaki partikülleri tutmak amacıyla kullanılmaktadır. Ultrafiltrasyon membranları, kağıt endüstrisinde ağartma atıksularının konsantre edilmesi, tekstil endüstrisinde haşıl maddelerinin ve indigo boyar maddelerinin geri kazanımı, metal endüstrisinde yağ emülsiyonlarının konsantre edilmesi amacıyla kullanılmaktadır.

Nanofiltrasyon ise çevre mühendisliği uygulamalarında, özellikle sulu çözeltilerdeki organik maddelerin giderilmesi amacıyla kullanılmaktadır. Nanofiltrasyon membranlarının önemli ve farklı bir özellikleri iyon seçici olmalarıdır. Bir değerlikli iyonlar membrandan büyük oranda geçerken sülfat ve karbonat gibi iki değerlikli iyonlar önemli oranda tutulmaktadır. Daha yoğun ve ince olmasına rağmen daha az geçirgen olan membran tabakasının göstermiş olduğu direçten dolayı, MF ve UF’den daha yüksek basınçlarda işletilmektedir.