Arsenik içeren asidik maden sızıntı sularının anaerobik membran biyoreaktör kullanılarak arıtılması ve membran tıkanma özelliklerinin incelenmesi
Biotreatment of arsenic containing acid mine drainage water in anaerobic membran bioreactor and investigation of membrane fouling properties
Yazar: ECE İŞLER
Danışman: PROF. DR. ERKAN ŞAHİNKAYA ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ADEM YURTSEVER
İstanbul Medeniyet Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Biyomühendislik = Bioengineering ; Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Asidik maden sızıntı suyu (AMS), madencilik faaliyetleri sırasında kükürt içeren minerallerin bakteriyel oksidasyonu sonucunda oluşan ve çevresel kirliliğe yol açan bir atıksudur. Altın ve bazı metal cevherlerinin işlenmesi sırasında; arsenik diğer metaller gibi serbest kalmakta ve yer altı ile yüzey sularının kirlenmesine yol açmaktadır. Dolayısıyla, AMS; yüksek sülfat (>1000 mg/L), düşük pH (2-5) ve Fe, Cu, Zn, Ni, Co, Cr, As gibi metalleri yüksek konsantrasyonlarda (10-1000 mg/L) barındırmaktadır.  
AMS'nin arıtımında sülfat indirgeyen bakteriler liteatürde kullanılmış olmakla birlikte anaerobik membran biyoreaktörlerin (AnMBR) bu amaçla kullanımına rastlanmamıştır. AMS düşük organik madde içeriğine sahip olup, sülfat indirgenmesi amacıyla dışarıdan organik madde ilavesi gerekmektedir. Bu çalışmada, sülfat (2000 mg/L), KOİ (1500 mg/L) ve metal (Fe, Cu, Zn, Ni, Co, Cr, As) içeren asidik (pH 4–7) atıksuların 35oC'de AnMBR'de arıtımı incelenmiştir. Reaktör performansı farklı hidrolik bekleme sürelerinde ve filtrasyon akılarında incelenmiş olup, sülfat indirgeyen bakteriler (SİB) için enerji ve karbon kaynağı olarak etanol kullanılmıştır.  
Yapılan çalışmada örnek bir AMS baz alınarak, dört kat ve iki kat seyreltilmiş sentetik AMS ile AnMBR beslenmiş olup; reaktörde giderim ve filtrasyon performansları detaylı olarak irdelenmiştir. AnMBR'nin 4 kat veya 2 kat seyreltilmiş AMS ile beslenmesi reaktör performansını olumsuz etkilememiş olup, KOİ ve sülfat giderim performansları %95'in üzerine çıkmıştır. Reaktörde oldukça yüksek metal giderim performansları gözlenmiş olup; Fe, Cu, Zn, Co ve Ni gideriminde sırasıyla %99,7, %97,3, %95, >%99 ve >%99 gibi yüksek değerlere ulaşılmıştr. Yüksek sülfür konsantrasyonlarında, As giderimi %50 civarında kalmış olup, bunun nedeni orpiment'in (As2S3) yeniden çözünmesidir. Bu kapsamda As giderim performansını arttırmak amacıyla giriş KOİ konsantrasyonu kademeli olarak düşürülerek sülfür konsantrasyonu kontol altına alınmıştır. Sülfür konsantrasyonun düşmesiyle permeat As konsantrasyonu da doğrusal bir şekilde düşerek %99 seviyesinde giderim verimi elde edilmiştir.  
  
xiv  
Reaktördeki çamurun filtrelenebilirlik özelliklerinin tespit edilmesi ve membran tıkanıklığıyla ilişkilendirilebilmesi için reaktör işletimi süresince çeşitli filtrasyon testleri gerçekleştirilmiştir. Membran tıkanıklığının en önemli nedeninin yüksek AKM konsantrasyonuna bağlı olarak kek birikimi olduğu belirlenmiş olup, jel permasyon komatografsi ile kek üzerinde yüksek molekül ağırlıklı organik maddelerin biriktiği, SED-EDS analizleriyle de yüksek konsantrasyonlarda S, Si, Fe, Cu, Na ve Mg gibi inorganiklerin birikimi tespit edilmiştir.  
Reaktörlerde metal birikimiyle birlikte filtrelenebilirliğin arttığı tespit edilmiş olup, çöken metallerin koagülant olarak davrandığı sonucuna varılmıştır. 
Sonuçlar, sülfat indirgeyen AnMBR'nin gerçek ölçekli uygulamaları için potansiyel bir alternatif olduğunu göstermiştir.

Abstract:
Acidic mine drainage (AMD) is a wastewater resulting from bacterial oxidation of sulfur-containing minerals during mining activities and causes environmental pollution. During the processing of gold and some metal ores, arsenic, similar to other metals, is released and lead to contamination of ground and surface waters. Hence, AMD is characterized as high sulfate (>1000 mg/L), low pH (2-5) and high concentrations (10-1000 mg/L) of various metals like Fe, Cu, Zn, Ni, Co, Cr, As.   
Although sulfate reducing bacteria has been used for the treatment of AMD, anaerobic membrane bioreactors (AnMBRs) have not been used for this purpose before. AMD contains low organic matter concentrations and external organic addition is required to induce sulfate reduction. In this study, the treatability of sulfate (2000 mg/L), COD (1500 mg/L) and metal (Fe, Cu, Zn, Ni, Co, Mn, As) containing acidic (pH 4-7) wastewater was investigated at 35 oC using AnMBR. The reactor performance was evaluated at varying hydraulic retention times and flux values. Ethanol was used as a source of carbon and energy for the sulfate-reducing bacteria (SRB).   
In the study, the AnMBR was fed with four and two times diluted synthetic AMD based on a real AMD content and the removal and filtration performances of the reactor were investigated in detail. Feeding of the AnMBR with four and two times diluted AMD did not adversely affect the removal performances and both sulfate and COD removal efficiencies reached over 95%. High metal removal efficiencies were observed in the reactor and the removal efficiencies of Fe, Cu, Zn, Co and Ni were 99.7%, 97.3%, 95%, >99% and >99%, respectively. At high sulfide concentrations, As removal performance was around 50% due to re-dissolution orpiment (As2S3). In this context, in order to increase the As removal performance, influent COD concentration was decreased gradually to control the sulfide concentration. Permeate As concentration decreased linearly with decreasing sulfide concentration and the As removal performance reached 99%.  
  
xvi  
In order to assess the filterability of the sludge and to make correlation with the membrane fouling, various filterability tests were used. The main cause of membrane fouling was the cake accumulation on the membrane due to high mixed liquor suspended solids concentration in the bioreactor. The presence of high molecular weight organic compounds and inorganic compounds, like S, Si, Fe, Cu, Na and Mg, were detected in the cake layer with the gel permeation chromatography and SEMEDS analyses, respectively.  
The filterability of the sludge increased with metal accumulation in the reactor, and it was concluded that settled metals behaved as coagulant.  
The results showed that sulfate reducing AnMBRs have the potential to be used in real scale applications.