Mezbaha atıksularının hidrodinamik kavitasyon destekli batık membran biyoreaktör ile arıtımının incelenmesi
Investigation of slaughterhouse wastewater treatment by hydrodynamic cavitation treatment supported submerged membrane bioreactor
Yazar: ATİLA TAŞDEMİR
Danışman: PROF. DR. YALÇIN KEMAL BAYHAN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Amaç: Mezbahalar gıda güvenliği ve hijyen koşullarını sağlamak için en çok temiz su tüketen işletmelerdir. Bu çalışmada arıtımı zor endüstriyel atıksular arasında yer alan mezbaha atıksuyunun yeni nesil arıtım teknolojisi hidrodinamik kavitasyon (HK) ile arıtım performansının belirlenmesi, ardından membran biyoreaktör (MBR) ile kombine edilerek biyolojik arıtıma katkısının belirlenmesi amaçlanmıştır. 
Yöntem: Bu tez çalışmasında mezbaha atıksuyunun arıtımı için HK reaktöründe farklı kavitasyon geometrilerinin kavitasyon potansiyeli belirlenmiştir. Optimum kavitasyon geometrisinde HK'nın mezbaha atıksuyu arıtımındaki performansı farklı pH, kavitasyon sayısı (Cv), sıcaklık ve başlangıç konsantrasyonlarında araştırılmıştır. İlave oksidant (H2O2) kullanımının kavitasyona katkısının belirlenmesi için önce H2O2 oksidasyonu farklı H2O2 konsantrasyonu ve pH'da, devamında da HK/H2O2 kombinasyonu farklı Cv ve pH'da incelenmiştir. Optimum HK arıtım şartlarının belirlenmesinden sonra kavite edilen atıksu MBR'ye beslenmiştir. Ham ve HK ön arıtımlı atıksuyun MBR arıtım performansı incelenerek kavitasyonun biyolojik arıtıma etkisi belirlenmiştir.
Bulgular: Kavitasyon geometrileri arasından venturi esaslı yaklaşma açısı 30°, boğaz çapı 5 mm, boğaz uzunluğu 10 mm ve uzaklaşma açısı 10° olan venturi 0,19 Cv ulaşarak etkili kavitasyon sağlamıştır. Sadece HK pH 4,5, 30°C sıcaklıkta %33 KOİ, %35 TOK ve %56 renk verimi sağlamıştır. HK/H2O2 kombinasyonu ile %64 KOİ, %63 TOK verimine ulaşılmıştır. HK doğal pH'da %14,4 KOİ verimi yanında NH4 konsantrasyonunu arttırmıştır. NH4 artışı deney sonrasında devam ederek amonyaklaşmayı hızlandırmıştır. UV-spektrumu ile atıksu içindeki kırmızı kan hücrelerinin ve peptit yapılarının kavitasyon etkilendiği görülmüştür. HK/MBR ile kavitasyon ön arıtımı ortalama MLSS'yi arttırmış ve azot giderimine katkı sağlamıştır. HK/MBR ile 10 L/m2.sa akı ve 15 gün SRT'de %98 KOİ, %98 TOK, %99,7 renk, %67 TN verimine ulaşılmıştır. Kavitasyon ile MBR'de amonyaklaşma hızlanmış, NH3 birikmesi azalmış, NH4-N giderim verimi artmış ve alkalinite ihtiyacı azalmıştır. HK ön arıtımı MBR'de kimyasal/fiziksel yıkama olmadan işletme süresini ham atıksuya kıyasla 10 L/m2.sa için 7 günden 14 güne arttırmıştır. 5 L/m2.sa akıda ise HK/MBR aşamasında TMP 120 mbar üzerine çıkmamıştır. 
Sonuç: HK tek başına kullanıldığında yetersiz olsa da HK/H2O2 kombinasyonu floklaşmayla beraber yüksek KOİ ve renk verimi sağlamıştır. HK'nın MBR öncesi doğal pH'da uygulanması biyolojik arıtım için etkili bir ön arıtım sağlamıştır. HK ön arıtımı sayesinde HK/MBR 222 gün süresince stabil işletilmiştir. HK/MBR ile azot giderimi hızlanmış ve yüksek kalitede çıkış suyu elde edilmiştir. MBR çıkış suyu mezbahalarda ürünlere temas etmeyen alanların temizliğinde kullanılarak su yönetimine olumlu katkı sağlayabileceği düşünülmektedir.

Abstract:
Purpose: Slaughterhouses are the sectors that consume the most clean water due to food safety and hygiene regulations. The aim of this study is the investigation of slaughterhouse wastewater, which is accepted as one of the most detrimental wastewaster, treatment by a trending environmentally friendly technology hydrodynamic cavitation (HC) and MBR combination.
Method: In this study, the cavitation production efficiency of different cavitation geometries was studied in the HC reactor. At the optimum cavitation geometry, the performance of HC in slaughterhouse wastewater treatment was investigated at different pH, Cv, temperature, and initial concentrations. To determine the contribution of additional oxidant to cavitation. First H2O2 oxidation was investigated at different H2O2 concentrations and pH, then HC/H2O2 combination was investigated at different Cv and pH. After determination of optimum HC treatment conditions wastewater was fed to the MBR. The MBR treatment performance of raw wastewater and HC pretreated wastewater was investigated and the contribution of cavitation to biological treatment was determined.
Findings: Among the cavitation geometries venturi type cavitation inducer was found as optimum. Converging angle of 30°, throat diameter of 5 mm, 10 mm throat lenght, and divergence angle of 10° provided effective cavitation reaching 0,19 Cv. Only HC provided 33% COD, 35% TOC, and 56% color removal at pH 4,5 and 30°C. HC/H2O2 combination increased the efficiencies to 64% for COD and 63% for TOC. At natural pH (7,5) HC removed 14% COD but NH4 concentration was increased during cavitation. Cavitation created an effect accelerating ammonification which increased NH4 concentration even after the experiment. UV spectrum of HC-treated wastewater showed that red blood cells and peptide bonds were disturbed during cavitation. HC pretreatment increased average MLSS concentration and contributed to nitrogen removal in MBR. HC/MBR reached 98% COD, 98% TOC, 99,7% color, and 67% TN removal efficiency at flux 10 L/m2.h and SRT 15 days. HC accelerated ammonification, reduced NH3 accumulation, increased NH4-N removal, and reduced alkalinity requirement. Compared to raw WW, HC pretreatment increased the operation time in MBR without chemical/physical cleaning period from 7 days to 14 days at flux 10 L/m2.h. On the other hand, 5 L/m2.h flux never reached over 120 mbar TMP during operation.
Results: Although HC was insufficient when used alone, the HC/H2O2 combination provided high COD and color removal efficiency along with flocculation. The use of HC at natural pH before MBR showed an effective pretreatment. HC/MBR could be operated without problems for 222 days. Nitrogen removal was accelerated and high-quality effluent was obtained with HC/MBR. It is believed that the effluent produced from this combination can be used to clean facility areas where the water does not come into direct contact with the food products in slaughterhouses.