Membran biyoreaktörü (MBR) ile evsel atıksu arıtımı
Domestic wastewater treatment with membrane bioreactor (MBR)
Yazar: NEVZAT ÖZGÜ YİĞİT
Danışman: DOÇ.DR. MEHMET KİTİŞ ; DOÇ.DR. ÖZER ÇINAR
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2007
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Aktif çamur = Activated sludge ; Atık su arıtma = Waste water treatment ; Membran reaktör = Membrane reactor ; Susuzlaştırma = Dewatering

Özet:
Yapılan doktora tez çalışmasında; 1) Membran biyoreaktör (MBR) sisteminin değişken karakterlievsel atıksulardaki arıtma performansı, 2) Farklı biyokütle ve işletim şartlarında işletilen MBRsisteminde membran tıkanmalarının belirlenmesi, 3) MBR sisteminin geri yıkama süreleri vesıklıklarının optimize edilmesi ve 4) MBR sisteminde oluşan çamurun susuzlaştırılmasıkonularını içeren 4 fazda deneysel ve teorik araştırmalar yapılmıştır. Söz konusu 4 fazçalışmasında da pilot ölçekli batık MBR sistemi olarak ZW-10® (Zenon Environmental Inc., GEWater&Process Technologies) ünitesi kullanılmıştır. Batık sistem, gözenekli fiber membranmodülüne sahip ünite sürekli akışlı besleme ile 19 ay boyunca çalıştırılmıştır. Aerobik biyolojikoksidasyon ve ultrafiltrasyon kademeleri tek proses tankı içinde gerçekleştirilmiştir. MBRünitesinde aerobik organik karbon giderimi ve nitrifikasyon hedeflenmiştir. MBR sistemi ilk 3ayda sadece izleme, kontrol ve biyolojik aklimasyona ulaşılması için çalıştırılmıştır. Bu süredensonraki 8 ayda SDÜ kampüsü öğrenci yurtlarından kaynaklanan günlük ve dönemsel olarakdeğişken karakterli evsel atıksuların MBR sistemiyle arıtılabilirliği araştırılmıştır. Son 8 aylıkdönemde ise ikinci, üçüncü ve dördüncü faz çalışmaları gerçekleştirilmiştir.Birinci faz arıtılabilirlik çalışmaları kapsamında MBR sistemi 3 farklı işletim aşamasındaçalıştırılmıştır: 1) sonsuz çamur yaşı (SRT), normal akı değeri: 25 L/m2-saat; 2) SRT: 20 gün,normal akı değeri: 25 L/m2-saat; 3) SRT: 20 gün, yüksek akı değeri: 39 L/m2-saat. MBRsisteminin işletildiği 8 ay boyunca giriş atıksuyu karakterleri aşırı salınımlar göstermiştir. Busalınımlara ve özellikle 1. aşamadaki çok düşük atıksu sıcaklıkları (6 ?C) ve giriş suyundaki anituzluluk artışlarına rağmen MBR sistemi tüm işletim boyunca çok yüksek arıtma performansısergilemiştir. Arıtma performansı F/M (substrat/biyomas oranı), organik yükleme hızı, spesifiksubstrat giderim hızı ve çözünmüş oksijen gibi diğer parametrelerdeki salınımlardan da olumsuzetkilenmemiştir. Üç işletim aşamasında da arıtma veriminin, test edilen SRT, MLSS ve işletimakılarından bağımsız olduğu bulunmuştur. Normal ve yüksek akı aşamalarında 8 aylık işletimboyunca membranlarda geri dönüşümsüz tıkanma olmamıştır. Ayrıca, normal akıda 6 aylıkişletim süresince, süzüntü suyu ile rutin geri yıkama dışında kimyasal membran temizliğineihtiyaç duyulmamıştır. 2 ay boyunca 39 L/m2-saat gibi çok yüksek akı işletiminde bile, 2 defakimyasal temizlik yapılmıştır. Genel itibariyle, 8 ay süreyle işletilen pilot ölçek MBR sistemi iletıkanma ve permeabilite azalması gibi işletim zorlukları ile karşılaşılmadan, giriş atıksuyukarakterlerindeki aşırı salınımlara rağmen, MBR prosesi ile sorunsuz bir şekilde çok yüksekkalitede arıtılmış su elde edilebileceğini göstermiştir.Doktora çalışması ikinci fazında değişken karakterli evsel atıksuların arıtımını yapan pilot ölçekbatık MBR sisteminde çeşitli biyokütle karakterleri (MLSS, MLVSS, hücre dışı polimerikmaddeler (EPS), çözünmüş mikrobiyal ürünler (SMP), partikül boyutu dağılımı) ve işletimivşartlarında (havalandırma hızı (UG), işletim akısı) tıkanma eğilimlerinin ve kritik akıların tayinedilmesi amaçlanmıştır. Kritik akı ve tıkanmalar deneysel olarak kademeli akı metoduyla tespitedilmiştir. Tıkanma davranışları 5 farklı MLSS konsantrasyonunda ve dört UG değerindeincelenmiştir. MBR sisteminin farklı MLSS konsantrasyonlarındaki biyokütle karakterizasyonu,EPS ve SMP nin hem protein hem de karbonhidrat fraksiyon konsantrasyonlarının MLSSkonsantrasyonlarının artışıyla arttığını göstermiştir. Diğer taraftan MLSS konsantrasyonlarınınartmasıyla partikül boyut dağılımı değişmiş ve ortalama partikül boyutu küçülmüştür. EPS veSMP nin karbonhidrat fraksiyonlarının protein fraksiyonlarından daha fazla tıkamaya sebepolduğu görülmüştür. Tüm MLSS seviyelerinde artan havalandırma hızları tıkanma kontrolündepozitif bir etki sergilemiştir; ancak artan MLSS seviyelerinde etki derecesi azalmıştır. MBRsisteminin işletim akısı kritik akı değerinden küçük ise akının tıkanma hızına etkisi küçüktür vebu trend MLSS konsantrasyonundan bağımsızdır. Artan MLSS konsantrasyonu tıkanma hızınıarttırmış ve dolayısıyla permeabilite değerlerini önemli oranda düşürmüştür. Sonuç olarak işletimakısı değeri kritik akı değerinin üzerinde olması durumu, artan MLSS konsantrasyonlarına bağlıolarak EPS'in hem protein hem de karbonhidrat konsantrasyonlarının yüksek olması, biyokütleiçerisindeki partiküllerin boyutlarının küçülmesi ile birlikte membran tıkanmaları artmıştır.Doktora çalışmasının üçüncü fazında MBR sisteminde farklı geri yıkama şartlarının/senaryolarının membran tıkanmalarına olan etkilerinin tayini ve optimum geri yıkamasenaryosunun belirlenmesi amaçlanmıştır. Yedi farklı geri yıkama senaryosunun, tıkanmakontrolü üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Deneysel çalışmalar 6600-6800 mg/L MLSSkonsantrasyonu ve 0,101 m/s UG değerinde yürütülmüştür. Yüksek tıkanma hızı değerleri hersenaryoda kritik akı üzerindeki akı (>25-30 L/m2-saat) değerlerinde gözlenmiştir. Kritik akınınaltındaki akılarda, benzer filtrasyon ve geri yıkama frekansları olan senaryolarda tıkanma hızlarıdevamlı ve tutarlı bir şekilde (<1 mbar/dakika) düşük değerlerde bulunmuştur. Filtrasyon ve geriyıkama sürelerinin her ikisinin de ortalama toplam membran direnci ile doğrusal olarak ilişkiliolduğu bulunmuştur. Geri yıkama süresinin artırılması, her kademe akısı için toplam membrandirencini azaltırken, sabit geri yıkama sürelerinde filtrasyon süresinin artması dirençleri önemliölçüde artırmıştır. Ancak, toplam dirençlere filtrasyon sürelerinin negatif etkileri geri yıkamasürelerinin pozitif etkilerinden daha belirgindir. Filtrasyon/geri yıkama süresi oranı ve toplammembran direnci arasında bulunan güçlü korelasyon (R2: 0,96) rutin geri yıkama uygulanan batıkMBR'larda tıkanma kontrolü optimizasyonunda bu oranın etkili bir araç olabileceğinigöstermektedir. Senaryo 4 (9 dakika 55 saniye filtrasyonu takiben 5 saniye geri yıkama) ve 5 (9dakika 45 saniye filtrasyonu takiben 15 saniye geri yıkama), tıkanma kontrolü ve net günlüksüzüntü suyu üretim hacmine dayanarak optimum senaryolar olarak bulunmuştur.Doktora tezinin dördüncü fazında MBR çamurunun ve konvansiyonel aktif çamurla (KAS)karıştırılmış MBR çamurunun (karışık çamur) susuzlaştırılabilirliğinin araştırılmasıamaçlanmıştır. Ayrıca değişik polimer çeşitleri ve dozlarının, çamur özelliklerinin, filtre kağıdıçeşidinin hem MBR çamurunun hem de karışık çamurun susuzlaştırılabilirliği üzerindeki etkileribelirlenmiştir. Susuzlaştırılabilirliğin göstergesi Buchner hunisi yöntemi kullanılarak, özgül filtredirenci (ÖFD) parametresiyle ölçülmüştür. Filtre kağıdı türünün susuzlaştırılabilirlik testlerininsonuçları üzerinde çok büyük bir etkisinin olduğu bulunmuştur. ÖFD değerleri ve optimumpolimer dozları artan MLSS konsantrasyonu ile artmıştır. Çünkü yükselen MLSSkonsantrasyonunun beraberinde getirdiği yüksek EPS ve SMP konsantrasyonları ve küçülenpartikül boyut dağılımı çamur susuzlaştırmanın zorlaşmasına sebep olmuşlardır. KAS ve MBRçamurlarının farklı oranlarda karıştırılması KAS çamurlarının susuzlaştırılabilirliğiniiyileştirmiştir. Katyonik polimerler anyonik ve iyonik olmayan polimerlere nazaran tüm çamurtipleri için (MBR, KAS ve karışık çamurlar) daha iyi susuzlaştırma performansı göstermişlerdir.Anahtar Kelimeler: Aktif çamur, atıksu arıtımı, atıksu geri kazanımı, çözünmüş hücre ürünleri,(SMP), geri yıkama, hücre dışı polimerik maddeler (EPS), membran biyoreaktör (MBR), ÖFD,polimer, susuzlaştırma, tıkanma.

Abstract:
This doctoral thesis work mainly contained lab- and pilot-scale research and was conducted infour major phases: 1) The treatability of domestic wastewater with diurnally and seasonallyvariable characteristics using a pilot-scale membrane bioreactor (MBR), 2) Determination of themembrane fouling in MBR system operated with different biomass and operating conditions, 3)Optimization of the backwash durations and frequencies of the MBR system, 4) Dewaterabilitystudies of the MBR sludge. A pilot-scale MBR unit (ZW-10®, Zenon Environmental Inc., GEWater&Process Technologies) was used during the study. The single-tank unit, containing animmersed hollow fiber ultrafiltration (UF) membrane module, was continuously operatedaerobically for 19 months for carbon removal and nitrification, and the aerobic biologicaloxidation and ultrafiltration for biomass separation were performed in this single tank. MBRsystem was operated for monitoring, controlling and biological acclimation during the first 3months. During the following 8 months, treatability of domestic wastewater from universitystudent dormitories with diurnally and seasonally variable characteristics was investigated. In thelast 8 months, second, third and fourth phases of the study were completed.A total of three major operational stages were tested during the first-phase of the study: 1) nosludge wastage, flux: 25 L/m2-h; 2) solids retention time (SRT): 20 d, flux: 25 L/m2-h; and 3)SRT: 20 d, flux: 39 L/m2-h (high flux conditions). The characteristics of raw wastewaterexhibited both diurnal and seasonal variations during operation. Although the influentcharacteristics were highly variable including sudden increases in total dissolved solids (TDS)and the wastewater temperatures were as low as 6 oC during winter months, the MBR systemperformed well throughout its eight months of operation. The treatment performance was notnegatively influenced by variations in operational parameters including F/M ratio, organicloading rate, specific substrate removal rate, and dissolved oxygen concentrations. Theperformance was independent of tested SRT, mixed liquor suspended solids (MLSS)concentrations and flux values in 3 operational stages. In both normal and high flux stages,irreversible fouling of membranes did not occur during the eight months of operation.Furthermore, no chemical cleaning was performed during the six months of operation at normalflux, except routine back-pulses with permeate. Even for the high flux operation (39 L/m2-h)continued for two months, chemical maintenance cleaning was only employed two times. Overall,eight months of pilot-scale tests indicated the robustness of MBR process in terms of achievingvery high quality of treated water without any operational limitations including fouling andpermeability reduction problems.The main objective of the second phase of the study was to determine the impacts of variousoperational conditions (aeration velocity (UG), operating flux) and biomass characteristics (MLSS,MLVSS, extracellular polymeric substances (EPS), soluble microbial products (SMP), particlesize distribution) on membrane fouling and critical flux in the pilot-scale, submerged MBR,.Critical flux and levels of fouling was determined by the flux step method. Fouling behavior wasstudied at five different MLSS concentrations and four different aeration velocities at each MLSSconcentration. Concentrations of both protein and carbohydrate fractions of EPS and SMPincreased with increasing MLSS concentrations. Also, the distribution of particle sizes shiftedtoward smaller particles and the mean particle size decreased as the MLSS concentrationsincreased. Carbohydrate fractions of both EPS and SMP contributed to fouling more than proteinfractions. Aeration velocity exhibited positive impacts on fouling control at all MLSSconcentrations; however, the degree of this impact decreased significantly with increasing MLSSconcentrations. The impact of flux on fouling rate was small as long as the operating flux was lessthan critical flux, a trend found independent of MLSS concentration. Increasing MLSSconcentration significantly decreased permeability values and increased fouling rates. It wasconcluded that membrane fouling was increased by increasing operating flux (beyond the criticalflux), increasing MLSS concentration (thus the concentrations of both carbohydrate and proteinfractions of EPS) and smaller particle sizes.In the third phase of the study, the impacts of various backwash scenarios on fouling andoptimum backwash scenario in a MBR were determined. The effects of seven different backwashscenarios on fouling control were tested. Experimental studies were conducted at the MLSSvalues in the range of 6600-6800 mg/L and UG value of 0.101 m/s. A higher rate of fouling wasobserved above critical flux (>25-30 L/m2-h) for all scenarios. For scenarios with the similarfiltration and backwash frequencies at the fluxes under the critical flux, fouling rates were alwaysfound lower (<1 mbar/minute). It was found that filtration and backwash durations bothcorrelated with the average total membrane resistances. While increasing backwash durationdecreased total membrane resistances for all the flux-steps, increasing filtration duration atconstant backwash duration significantly increased resistances. However, the negative impacts offiltration duration on resistances were more pronounced than the positive impacts of backwashduration, i.e., as the ratio of filtration/backwash duration increased resistances also increasedlinearly. The strong correlation found among this ratio and the total membrane resistancesuggests that the use of this ratio may be an effective tool in the optimization of fouling control insubmerged MBRs employing routine backwashing. Scenarios 4 (9 min 55 s of filtration followedby 5 s of backwash) and 5 (9 min 45 s of filtration followed by 15 s of backwash) were found tobe optimum based on fouling control and net daily volume of permeate production.In the fourth phase of the study, the dewaterability of MBR sludge and its mixture withconventional activated sludge (CAS) was investigated. In addition, the impacts of type and doseof various polymers, filter type and sludge properties on the dewaterability of both MBR andmixed sludges were determined. Specific cake resistance (SCR) measured by the Buchner funnelfiltration test was used to assess the dewaterability of tested sludges. The type of filter paper usedin dewaterability tests strongly affected dewaterability. SCR values and optimum polyelectrolytedoses increased with increasing MLSS concentrations in the MBR, which suggested that increasein MLSS concentrations accompanied by increases in EPS and SMP concentrations and a shifttoward smaller particles caused poorer dewaterability of the MBR sludge. Combining CAS andMBR sludges at different proportions generally improved the dewaterability of CAS sludge.Better dewaterability performance was achieved with cationic polymers compared to anionic andnon-ionic ones for all sludge types tested.Key words: Activated sludge, backwash, dewaterability, extracellular polymeric substances(EPS), fouling, membrane bioreactor (MBR), polymer, recovery, soluble microbial product(SMP), specific cake resistance (SCR), wastewater treatment.