Sularda bulunan arseniğin düşük basınçla işletilen membranlarla arıtılabilirliğinin araştırılması
Investigation of arsenic removal in drinking water with low pressure membrane
Yazar: HARUN ELCİK
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET ÇAKMAKCI ; DOÇ. DR. ERKAN ŞAHİNKAYA
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Arsenik = Arsenic ; Membran reaktör = Membrane reactor ; Membranlar = Membranes

Özet:
Günümüzde, canlı yaşamını ve ekolojik dengeyi tehdit eden en önemli tehlikelerin başında çevre sorunları gelmektedir. Artan dünya nüfusu ve gelişen teknoloji ile doğal kaynakların bilinçsiz tüketilmesi, bireylerin yaşamsal faaliyetlerini idame ettirmeleri için gerekli ihtiyaçlarını karşılayabilmesini kısıtlamaktadır. Bu ihtiyaçların başında, içme suyu gelmektedir. İçme suyu kaynakları, doğal ve insan kaynaklı birçok faktör tarafından kirletilmektedir. İçme suyu kaynaklarında bulunabilen önemli kirleticilerden biri de arseniktir. Arsenik bir metaloid olup, periyodik tabloda V-A grubunda yer almaktadır. Doğada; +V (arsenat), +III (arsenit), 0 (arsenik) ve ?III (arsin) türlerinde bulunmaktadır. İçme sularında bulunabilen en tehlikeli kirleticilerden biri olan arseniğin 20 farklı türü olduğu bilinmektedir. Ülkemizin bazı bölgelerinde arsenikten kaynaklanan içme suyu kirliliğinin önemli boyutlarda olduğu belirlenmiştir. Ülkemizde içme suyu arıtımı için konvansiyonel arıtma tesisleri yaygındır ve genellikle bu tesislerdeki mevcut üniteler arsenik giderimi dikkate alınarak planlanmamıştır. Ayrıca, içme sularında maksimum müsaade edilebilen arsenik konsantrasyonunun 10 µg/L seviyesine düşürülmesi, konvansiyonel sistemlerle standartları sağlayacak seviyede arsenik giderimini daha güç hale getirmektedir. Hızlı karıştırma, yumaklaştırma, çöktürme ve filtrasyon gibi konvansiyonel arıtma proseslerine ilaveten ileri arıtma proseslerinden iyon değişimi, demir oksitler ve aktif alümina üzerine adsorpsiyon ve ters osmoz gibi arıtma prosesleri içme sularından arsenik giderimi için kullanılmaktadır. Özellikle As(III) gideriminde konvansiyonel arıtma proseslerinin yeterli olmadığı ve As(III)'ün As(V)'e oksidasyonu sonrası bu proseslerle kısmi bir arıtımının mümkün olduğu bilinmektedir. As(III)'ün As(V)'e oksitlenmesi amacıyla genellikle potasyum permanganat, klor, ozon, hidrojen peroksit, manganoksit gibi oksidantlar kullanılabilmektedir.Bu çalışmada, mevcut konvansiyonel arıtma tesislerine entegrasyonu kolay olan düşük basınçla işletilebilen membran proseslerle arsenik giderimi araştırılmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, membran prosesler öncesi arsenitin ozon ve hipoklorit ile oksidasyonuna müteakiben Fe(III) ilavesi ile koagülasyonla giderimi incelenmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında ise arsenitin doğrudan, oksidasyon sonrası, Fe(III) ilaveli ve Fe(II) ile birlikte oksidasyonu sonrası mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon membranları ile arıtılabilirliği araştırılmıştır. 100 µg/L ve 1000 µg/L başlangıç arsenit konsantrasyon değerleri, oksidasyon ve yüksek koagülant ilavesi sonrasında 10 µg/L değerinin altına düşürülmüştür. Yüksek konsantrasyonda koagülant kullanılmasının en önemli dezavantajları koagülantın maliyeti ve bertaraf edilmesi gereken önemli bir kimyasal atık çamurun oluşturmasıdır. Hem kimyasal kullanım ve hem de oluşması muhtemel kimyasal atık çamurun bertaraf maliyetini minimuma indirgeyebilmek için düşük basınçlarla işletilebilen mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon membranları çalışma kapsamında kullanılmıştır. Membran prosesler öncesinde uygulanan ön işlemlerden en iyi verimler yeraltı suyunu simule etmek amacıyla hazırlanan As(III)+Fe(II) karışımının birlikte ozon ve hipoklorit ile oksidasyonu sonrası elde edilmiştir. Çalışma sonucunda, düşük basınçlı membranlarla As(III)+Fe(II)'nin hipoklorit ile oksidasyonu sonrası arıtımının ozonla oksidasyona göre daha verimli olduğu görülmüştür. Ayrıca, düşük basınçlı membran prosesler ile düşük miktarda koagülant kullanılarak koagülasyon prosesinden daha verimli arsenik giderimi sağlanmıştır. Arsenitin gideriminde, Fe(II)/As(III) oranı, oksidasyonun türü ve konsantrasyonu ile membran özelliklerinin etkili parametreler olduğu belirlenmiştir. Çalışma sonuçları, su kaynağında yeterli konsantrasyonda Fe(II) bulunması halinde hipokloritle oksidasyon ve sonrasında düşük basınçlı membranlarla arıtımı ile içme sularında bulunmasına müsaade edilen maksimum arsenik konsantrasyonunun sağlanabileceğini göstermektedir.

Abstract:
Nowadays, one of the most important environmental hazards for life and ecological balance are coming from environmental problems. With increasing world population and developing technology, the unconscious consumption of natural sources restricts the needs of individuals being required to maintain vital activity. Drinking water comes at the beginning of these needs. Mostly drinking water sources have been contaminated by many factors such as natural and anthropogenic. One of the important drinking water pollution sources also is arsenic. Arsenic, which is V-a group of the periodic table, is a metalloid. In nature; there are arsenic as +V (arsenate), +III (arsenite), 0 (arsenic) and ?III (arsine). Arsenic, which is one of the most dangerous pollutants in drinking water, is semi-metal element. It can be found everywhere, and there are 20 different forms of its. In our country, as a result of the analysis made in some areas, due to arsenic contamination of drinking water determined to be significant dimension. In our country, conventional treatment plants is commonly used for drinking water treatment and existing units in this facilities not suitable for arsenic removal. Additionally, in drinking water, due to the fact that arsenic concentration level was determined 10 µg/L need to develop better treatment systems. Treatment technologies such as coagulation/flocculation, ion exchange, lime softening, adsorption on activated alumina and iron oxide and reverse osmosis was used for arsenic removal in drinking water. Most of these technologies not effective for As(III) removal. Therefore, As(III) is converted As(V) with pre-oxidation process. Oxidation reagents such as potassium permanganate, chlorine, ozone, hydrogen peroxide and manganese oxide can be used for arsenite oxidation.In this study, chemical and membrane processes, which are easily integrated with the conventional treatment systems, have been investigated. The study can be divided into two separate steps. In the first step consisted of oxidation of arsenite with hypochlorite and ozone and removal by coagulation. The second step consisted of oxidation of arsenite, iron supplementation and removal by ultrafiltration and microfiltration processes. In the study, 100 µg/L As and 1000 µg/L As(III) could be reduced to the concentrations accepted by drinking water regulation after oxidation and coagulation. However, as the requirement of high iron supplementation especially at high As(III) concentration, membrane processes have been studied as an alternative considering high sludge volume and operational expenses. In the membrane studies; arsenite and Fe(II) containing ground water was simulated and chemical oxidation and membrane removal of both chemicals were investigated. Results revealed that the As(III) removal performance depended on the type and concentration of oxidants used, concentration of Fe(II) and the type of membrane. In general, hypochlorite+Fe(II)+membrane process gave much better performance than ozone+Fe(II)+membrane process. Additionally, the required Fe(II) concentration in hypochlorite+Fe(II)+membrane process was much lower than the Fe(II) concentration required in hypochlorite+coagulation process. Therefore, it was concluded that hypochlorite+Fe(II)+membrane process can be successfully used for the removal of as from drinking water. Moreover, results showed that all the membranes used in this study were effective to decrease the As concentration to the target value if high enough oxidant and Fe(II) concentrations were supplemented. Hence, the flux values of the membrane should be considered to decide the membrane to be used in the treatment processes. In this study, low-pressures membranes were studied with the aim of decreasing operational expenses.