Kağıt endüstrisi atıksularının membran prosesleriyle ileri arıtımı
Advanced treatment of pulp and paper mill wastewaters by membrane processes
Yazar: ZEREN BERİL ÖZÇELEP
Danışman: PROF. DR. SEMİHA ARAYICI
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Anova testi = Anova test ; Arıtma = Treatment ; Atık su arıtma = Waste water treatment ; Deney tasarımı = Experimental design ; Kağıt endüstrisi = Paper industry ; Membran sistemler = Membrane systems ; Membran teknolojileri = Membrane technologies ; Yeniden kazanma = Recycling

Özet:
Bu çalışmada, biyolojik olarak arıtılmış kağıt endüstrisi atıksuyunun nanofiltrasyon esaslı bir membran prosesi ile ileri arıtılarak geri kazanılması amaçlanmıştır. Membranlarda meydana gelen akı kayıplarının nedenleri araştırılarak filtrasyon koşullarının süzüntü kalitesi ve membran kirlenmesi üzerindeki etkileri incelenmiştir.Arıtımın ilk aşaması için en uygun membran prosesin belirlenmesine yönelik olarak membran seçimi çalışması yapılmıştır. Bunun için membran performansı (kirletici madde giderim verimleri) ve membran kirlenmesi (akı kayıpları, temas açısı ölçümleri, gözenek tıkanması modelleri) birlikte değerlendirilmiştir. Seçilen iki membran (FM UP005 ve FM NP010) için pH, sıcaklık, basınç ve VRF gibi filtrasyon koşullarının giderim ve kirlenme mekanizması üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Deneylerde Taguchi deneysel tasarım yöntemi kullanılarak uygun filtrasyon koşulları belirlenmiştir. Belirlenen uygun filtrasyon koşulları altında membranların performansı ve membranlarda meydana gelen kirlenme oluşturulan model denklem yardımıyla hesaplanmıştır. Ayrıca ANOVA analizi yapılarak istatistiksel olarak etkili ve etkisiz filtrasyon koşulları ve etki düzeyleri tespit edilmiştir. Kirlenmeden kaynaklanan akı kaybında en etkili faktörün FM UP005 membranı için atıksuyun pH değeri olduğu, FM NP010 membranı için ise membrana uygulanan basınç değeri olduğu belirlenmiştir. Membranlarda meydana gelen kirlenme mekanizmasının belirlenmesinde ayrıca AFM ve SEM ölçümlerinden de yararlanılmıştır. Elde edilen sonuçlar göz önüne alınarak arıtımın ilk aşamasında kullanılacak olan membran türü (FM NP010) ve uygun filtrasyon koşulu (pH=10; T=250C; ?P=12 bar; VRF=4) belirlenmiştir. Bu koşullar altında %91 KOİ, %97 SAK254, %92 toplam sertlik, %53 klorür, %98 sülfat ve %58 iletkenlik giderimi elde edilmiştir. Uygun filtrasyon koşullarının belirlenmesiyle kirlenmeden kaynaklanan akı kaybı %11'e düşürülmüştür. Arıtımın ikinci aşamasında, birinci aşamada elde edilen kompozit süzüntü farklı basınçlar altında düşük MWCO değerine sahip bir nanofiltrasyon membranından (FM NP030) geçirilmiştir. Proses suyu kalitesinde süzüntünün elde edildiği basınç değeri 28 bar olarak belirlenmiştir. Ayrıca membranda meydana gelen akı kayıpları da değerlendirilmiştir. Çalışmanın sonunda arıtımın her iki aşamasında kullanılan membranlara aynı miktarda ve aynı kalitede atıksu gelmesi durumunda giderim verimlerinde ve akı kayıplarında meydana gelebilecek değişimler de araştırılmıştır. Ayrıca bu membranlara kimyasal temizleme işlemi uygulanarak akı önemli bir miktarda geri kazanılmıştır (%94-%98). Deneysel çalışmalar sonucunda iki adımlı nanofiltrasyon prosesi (FM NP010+FM NP030) ile biyolojik olarak arıtılmış kağıt atıksuyundan proses suyu elde edilebileceği ortaya konulmuştur.

Abstract:
In this study, recovery of biologically treated pulp and paper mill wastewater by using the nanofiltration based advanced treatment scheme, was aimed. The reasons of flux declines were investigated and the effect of filtration conditions on the permeate quality and membrane fouling were examined.Membrane screening study was performed to determine the suitable membrane process for first step of treatment scheme. For this purpose, membrane performance (pollutant removal efficiencies) and membrane fouling (flux declines, contact angle measurements, pore plugging models) were evaluated together. For the screened two membranes, the effects of filtration conditions such as pH, temperature, transmembrane pressure and VRF on the removal and fouling mechanisms of the membranes were investigated. Optimum filtration conditions were determined by using Taguchi experimental design method. The membrane performance and membrane fouling were calculated by using the model equation, under the determined optimum filtration conditions. Also, ANOVA was performed to see whether the filtration conditions were statistically significant or not and to determine the effect levels. pH value of wastewater was found to be the most important factor for FM UP005 while transmembrane pressure was found to be the most important factor for FM NP010 on the flux decline caused by membrane fouling. Membrane fouling was also evaluated with AFM and SEM measurements. The membrane type (FM NP010) and optimum filtration condition (pH=10; T=250C; ?P=12 bars; VRF=4) for the first step of treatment were determined by considering the experimental results. Under these conditions, 91% COD, 97% SAC254, 92% total hardness, 53% chloride, 98% sulphate and 58% conductivity removal were obtained. The flux decline caused by membrane fouling was decreased to 11% with determining optimum filtration conditions. At the second step of the treatment, the permeate obtained from the first step was treated by using a tight nanofiltration membrane (FM NP030) under different transmembrane pressure. Transmembrane pressure value which provides permeate quality like process water was determined as 28 bars. In addition, flux declines were evaluated. Finally, the differences in the removal efficiency and flux decline of the membranes which are used for the first and second steps of the treatment were investigated in the case of wastewater treatment with the same volume and quality. Also, flux recovery was obtained at high rates with chemical cleaning procedure (94%-98%). In this study, it was shown that the process water could be obtained from the biologically treated pulp and paper mill wastewater by using the two steps nanofiltration process (FM NP010+FM NP030).