Pilot ölçekli membran biyoreaktörde tıkanma kontrolü için manyetik titreşim uygulaması
Using magnetic vibration application for controlling fouling in pilot-scale MBR
Yazar: NİLÜFER TİROL
Danışman: DOÇ. DR. OSMAN ATİLLA ARIKAN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Atık su arıtma = Waste water treatment ; Sürdürülebilir çevre = Sustainable environment

Özet:
Su, doğanın ve içerisinde barındırdığı bütün varlıkların canlılığını sürdürebilmesi için gerekli olan en önemli maddedir. Yeryüzünün  2/3'ü  sularla kaplı olmasına rağmen bu kaynakların %97,5'ini tuzlu sular, %2,5'ini ise tatlı sular oluşturmaktadır. İçilebilir su kaynakları; düzensiz kentleşme, aşırı nüfus artışı ve artan sanayileşme gibi nedenlere bağlı olarak giderek azalmaktadır. Ülkeler, yılda kişi başına düşen su miktarı bakımından su fakiri, su azlığı çeken ve su zengini ülkeler olarak üç grupta sınıflandırılır. Su stresi çeken bir ülke olarak tanımlanan ülkemizde kişi başına düşen su miktarı 1520 m3'tür. 15 yıl içinde kişi başına düşen su miktarının 1100 m3'e düşeceği ve su fakiri kategorisinde yer alan ülkelerden olacağımız öngörülmektedir. Bu riskin önüne geçebilmenin en iyi yolu ise mevcut kaynakların tasarruflu kullanılmasından ve atıksuların yüksek kalite ve verimle arıtılmasından geçmektedir. 
Her geçen gün daha da artan su ihtiyacını karşılayabilmek için su tasarrufu bilincinin geliştirilmesi ve yaygınlaştırılması, atıksuların daha verimli tekniklerle arıtılması ve sudan geri dönüşümle yararlanılması gerekmektedir. Bunun için mevcut teknolojilerin yerini ileri teknoloji yöntemlerinin alması zorunlu hale gelmiştir. 
Membran sistemleri, kullanımı dünya çapında giderek artan bir teknolojidir. Son yıllarda yapılan çalışmalarda membran  maliyetlerini azaltıcı uygulamalar hayata geçirilmiş ve böylelikle su arıtımında membran teknolojileri daha çok kullanılmaya başlamıştır. Özellikle aynı sistem içerisinde hem biyolojik aktiviteye hem de filtrasyon  prosesine olanak sağlayan  membran biyoreaktörler (MBR) adından sıkça söz ettirmeye başlamıştır. Bu sistemler daha az alan kullanarak daha yüksek askıda katı madde (AKM) konsantrasyonlarında çalıştırılabilmektedirler. 
MBR'lerin en büyük dezavantajı tıkanma problemidir. Zamanla membran yüzeyinde ve gözeneklerinde biriken kirletici maddeler aynı akıyı sağlayabilmek için ihtiyaç duyulan basıncı (trans membran basıncı, TMP) arttırarak filtrasyon performansını düşürür. Akıyı sabit tutabilmek için arttırılan basınç ile harcanan enerji artarak maliyetin artmasına neden olur.
Bu çalışmanın amacı tıkanmayı kontrol altında tutarak işletme basıncı artış hızının azalmasını sağlamaktır. Bu çalışmadan önce gerçekleştirilen laboratuvar ölçekli çalışmalarda titreşim sistemleri kıyaslanmış ve bunun sonucunda manyetik titreşim sisteminin mekanik titreşim sistemine göre tıkanma hızının kontrolünde daha etkili olduğu sonucuna varılmıştır. Bu sebeple gerçekleştirilen pilot ölçekli çalışmada manyetik titreşim sistemi kullanılmıştır.
Çalışmada kullanılan MBR sistemi İSKİ Baltalimanı Atıksu Arıtma Tesisi'nde konumlandırılan prefabrik bir oda içerisinde aerobik olarak ve oda şartlarında işletilmiştir. Membran modülünde 0,04µm por çapına sahip ince boşluklu membranlar kullanılmıştır. MBR tankının kapasitesi 300 L'dir. Besleme olarak adlandırılan ham atıksu, İSKİ Baltalimanı AAT'nin ön arıtma ünitesi çıkışından temin edilmiştir. Besleme tankının kapasitesi 1000 L'dir. 
Çalışmada ilk olarak batık MBR 24 gün süresince 30 Hz frekansında manyetik titreşim uygulaması ile işletilmiştir. Daha sonrasında aynı sürede aynı özellikte başka bir modül titreşimsiz olarak işletilmiştir. En son olarak frekansın basınç artışı üzerindeki etkisini gözlemleyebilmek açısından aynı özellikteki bir başka modül 150 Hz frekans değerinde işletilmiştir.
Çalışmanın sonucunda,  titreşimsiz, 30 Hz  ve 150 Hz frekans ile  işletilen sistemlerin aynı süre zarfındaki TMP artışları gözlemlenmiştir. Manyetik titreşimli olarak 30 Hz'de işletilen modül ile titreşimsiz olarak işletilen modül karşılaştırıldığında 30 Hz'de işletilen modülün TMP artışı daha uzun sürede gerçekleştiği görülmüştür. Frekans artışının etkisi ise sistemin 150 Hz'de işletilmesinden sonra anlaşılabilmiştir.  150 Hz frekans değerinde işletilen modüldeki TMP artışının diğer sistemlere göre çok daha yavaş olduğu görülmüştür. 
Sonuç olarak, bu çalışmada elde edilen verilere göre kullanılan manyetik titreşim uygulaması ile membran modülünde TMP artışları kontrol edilebilmiş ve membran modülünde tıkanma kontrolü sağlanabilmiştir. Membran modülüne dahil edilebilen manyetik titreşim uygulaması ile MBR'lar için sürdürülebilir akı temini sağlanabilecektir. Böylece işletme ve enerji maliyetleri azaltılabilecektir. Bu avantajların yanı sıra membranlarda en çok karşılaşılan sorun olan tıkanma sorunu bu yöntemle azaltıldığı için membran teknolojisi kullanımının artacağı öngörülmektedir.

Abstract:
All the livings in nature needs the water to continue aliveness. 2/3 of the earth has been covered by water. This water resource is formed by only 2,5% of fresh water and the rest is saline. The largest part of fresh water is frozen and the other big part is in remote aquifers. As a result directly reachable fresh water is only 0,007% of total global water. Regrettably, this accessible water is polluted because of population growth, conurbation and increase in industrialisation. 
In this day and age, water saving and using recycle and reuse techniques become a necessity to provide the water requirement. For this reason, advanced treatment technologies replace conventional methods. 
Membrane technology is one of the advanced technology which the usage of this technology has been  increased over the years. A membrane can be identified as a permselective barrier between two homogeneous phases. Their pores do not permit materials that bigger than pore sizes. Membrane systems are generally used for desalination, producing potable water and treating industrial effluents. Advantages of well-designed membrane filtration system can be summarised as follows: 
•	High quality 
•	High efficiency
•	Long-term compliance with regulations
•	Easy to operate
•	Longevity 
•	Less area
•	Small footprint
During the recent years, membrane experiments are made for reducing the cost. Esspecially, membrane bioreactors (MBRs) have been commonly used worlwide since end of 1990s because these systems enable both biological activity and filtration process in same tank. Membranes are either submerged within the activated sludge reactor or configured externally in a separate tank. Membrane bioreactors have many advantages as the following:
•	They need less area because of eliminating the clarifier.
•	MBR's can be operated in more MLSS concentration.
•	Their sludge age is long.
•	They produce lower sludge. 
•	Their quality of effluent is suitable and stable.
The biggest disadvantage of MBR's is fouling problem. Fouling affects membrane lifetime and permeate flux. Foulants accumulate on the membrane surface and pores in time and consequently trans membrane pressure (TMP) increase because of supplying the continuity of initial flux. This effort causes to remain to the energy costs. Fouling is occured by four main mechanism: 
•	Adsorption
•	Pore blockage
•	Gel formation
•	Biofouling
Fouling type consists of reversible and irreversible fouling. Fouling is cleaned by physical and chemical cleaning methods. Backwashing with air or water, air flushing, forward and reverse flushing are methods of physical cleaning. These methods sometimes remain incapable. Chemical cleaning methods are applied when physical cleaning is unsatisfying. MBR system is stopped and membrane modules are washed with chemical solutions. Fouling that is not removed by both chemical and physical methods named irreversible fouling. This fouling is permanent so it leads to decrease membrane productivity. Nevertheless, cleaning methods and periods cause increase in operational and maintenance costs.
The aim of this study is to enhance the filtration performance of a pilot-scale MBR system with a magnetic vibration unit. Before this study, both magnetic and mechanical vibration systems were tested in lab-scale experiments. It has been observed that magnetically vibration induced MBR system gives better results compare to mechanical vibration system with regard to their TMP (trans membrane pressure) profiles. Therefore, magnetically induced MBR was tested in pilot-scale MBR.
The pilot scale MBR system is located at ISKI Baltalimani Wastewater Treatment Plant. The reactor volume is 240 liter and includes ORP, DO and temperature sensors. Commercial available reinforced hollow fibre UF membranes with a pore size of 0,04 µm were used in membrane modules. Vibrations are created by a magnetic vibration driver. The membrane module could be vibrated by I-BEAM Vibro Transducer at the frequency between 20-150 Hz. The frequency was controlled by NCH tone generator software. Magnetic vibrator motor's electrical power range changes between 50 and 250 W. 
MBR was operated with magnetic vibration's frequency of 30 Hz and 150 Hz. Moreover, MBR was operated without vibration for making comparison in similar conditions. Considering the results, magnetic vibration system at a frequency of 150 Hz achieved the best performance.
Additionally, these different operating conditions were compared according to their treatment performances. It has been observed that there is no significant diffirence beetween removal efficiencies of measured parameters.
The innovative membrane module with magnetic vibration developed in this study had the capability to control TMP increase, confirming the success of this system in terms of membrane fouling prevention. Sustainable fluxes can be achieved by using this innovative system in the MBR. Thus, operation, membrane replacement, chemical and energy costs will be reduced. The innovative magnetic vibration system will provide the widespread applicability of MBR technology both in Turkey and throughout the world.