Gri suların fiziksel ve kimyasal yöntemlerle arıtımı ve yeniden kullanımı
Treatment of grey water by phsical and chemical methods and it's reuse
Yazar: OĞUZ ÜÇEVLİ
Danışman: DOÇ. DR. YASEMİN KAYA
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında, İstanbul'da bulunan bir kamu binasına ait orta kirliliğe sahip gri suyun membran, koagülasyon ve elektrokoagülasyon prosesleri ile arıtımı ve tekrar kullanımı araştırılmıştır. Arıtım sonucunda tuvalet rezervuarı ve sulama amaçlı kullanım için en uygun tekli/hibrit arıtma teknolojileri belirlenmiştir. 

Çalışmanın birinci bölümünde; gri suyun mikrofiltrasyon (FM MV02 ve FM MP005), ultrafiltrasyon (FM UP020 ve FM UP005) ve nanofiltrasyon (Desal 5DL, FM NP010 ve FM NP030) membranları ile arıtımı araştırılmış ve uygun membran seçimi gerçekleştirilmiştir. Membran seçiminde membranların performansı ve kirlenmesi bir arada değerlendirilmiştir. Membranlarda meydana gelen kirlenme mekanizmalarının yorumlanmasında temas açısı, AFM ve SEM ölçümlerinden yararlanılmıştır. Seri-direnç-modeli ile de membranlarda meydana gelen kirlenmelere açıklık getirilmiştir. En iyi süzüntü kalitesi Desal 5DL membranı ile elde edilmiştir. En düşük kirlenmeden kaynaklanan akı kaybının meydana geldiği membran FM MP005 olarak belirlenmiştir (%19,5). En iyi süzüntü kalitesinin elde edildiği Desal 5DL ile kirlenmeden kaynaklı akı kaybının en az olduğu FM MP005 membranı uygun membranlar olarak seçilmiştir. Uygun membran seçimi sonrasında süzüntü kalitesinin artırılması için RO membranı (BW 30) kullanılmıştır. Desal 5DL ve FM MP005 membranları sonrası kullanılan          BW 30 membranında sırasıyla %44,3 ve %19,8 toplam akı kaybı meydana gelmiştir. Mikrofiltrasyon ve nanofiltrasyon membranları sonrası RO membranından elde edilen süzüntü kaliteleri hemen hemen yakın değerlerde bulunmuştur.

Çalışmanın ikinci bölümünde; gri suyun koagülasyon prosesi ile arıtımı araştırılmıştır. Koagülant olarak alüminyum sülfat (Al2(SO4)3.18H2O), demir sülfat (Fe2(SO4)3.7H2O), demir klorür (FeCl3.6H2O) ve polialüminyum klorür (PAC) kullanılmıştır. Koagülasyon deneylerinde ilk olarak 250 mg/L sabit koagülant dozunda ve farklı pH değerlerinde (4; 6; 7,5; 8,5 ve 10) deneyler yapılmıştır. Belirlenen optimum pH değerlerinde farklı koagülant dozları ile yapılan çalışmalar sonucunda uygun koagülant dozu belirlenmiştir. Uygun pH ve koagülant dozunun belirlenmesinde, kirletici madde giderim verimleri, maliyet ve oluşan çamur miktarları esas alınmıştır. Belirlenen optimum pH ve koagülant dozlarında oluşan çamur miktarları; alüminyum sülfat, PAC, demir klorür ve demir sülfat için sırasıyla 24 mL/L, 25 mL/L, 13 mL/L ve 20 mL/L olarak bulunmuştur. En yüksek toplam maliyet demir sülfat ile yapılan deneyler sonunda bulunurken (32,07 TL/m3), en düşük toplam maliyet ise PAC koagülantı ile elde edilmiştir (0,47 TL/m3). Koagülasyon deneylerinin son adımını, koagülasyon deneyleri sonrası elde edilen süpernatantların kalitesinin Desal 5DL membranı ile iyileştirilmesi çalışması oluşturmuştur. Koagülasyon prosesinin toplam maliyeti ve Desal 5DL membranında kirlenme esas alınmış ve uygun koagülant olarak PAC seçilmiştir.

Tez çalışmasının üçüncü aşamasını elektrokoagülasyon deneyleri oluşturmuştur. Deneyler Al ve Fe elektrotlar ile yürütülmüştür. Her iki elektrot ile farklı pH değerlerinde (4; 6; 7,5, 8,5 ve 10) ve farklı akım yoğunluklarında (5, 10 ve 30 A/m2) deneyler yapılmıştır. Elektrot tüketimi, enerji tüketimi ve kimyasal madde kullanım maliyetleri ile oluşan çamur miktarları ve kirletici madde giderim verimleri esas alınarak uygun deney şartları belirlenmiştir.  Her iki elektrot için uygun pH değeri 7,5 ve uygun akım yoğunluğu 5 A/m2 olarak bulunmuştur. Fe ve Al elektrotların toplam işletme maliyeti sırasıyla       0,22 TL/m3 ve 0,45 TL/m3 olarak belirlenmiştir. En az çamur oluşumu Fe elektrotta elde edilmiştir (0,18 kg/m3). Elektrokoagülasyon sonrası arıtılmış atıksuyun kalitesi            Desal 5DL membranı kullanılarak iyileştirilmiştir. Her iki elektrot sonrası kullanılan Desal 5DL membranından elde edilen süzüntülerin karakterizasyonları çok yakın değerlerde bulunmuştur.  Elektrokoagülasyon prosesinde toplam maliyet değeri esas alınmış ve Fe uygun elektrot olarak seçilmiştir. 
 
Tez çalışmasının son bölümünde; gri suyun membran, koagülasyon ve elektrokoagülasyon prosesleri ile arıtımı sonrasında elde edilen suların tuvalet rezervuarlarında ve sulama suyu olarak tekrar kullanılabilirliği değerlendirilmiştir. Hibrit membran prosesi (FM MP005+BW 30 ve Desal 5DL+BW 30), hibrit koagülasyon/membran prosesi (PAC+Desal 5DL) ve hibrit elektrokoagülasyon/membran prosesi (Fe elektrot+Desal 5DL) deneyleri sonrasında elde edilen arıtılmış atıksular, tuvalet rezervuarlarında kullanıma uygun bulunmuştur.  Tüm bu hibrit prosesler ile            A sınıfı sulama suyu elde edilmiştir. Sulama suyunun kimyasal kalitesi esas alındığında, PAC+Desal 5DL ve Fe elektrot+Desal 5DL prosesleri ile damlatmalı sulamaya uygun    II. sınıf sulama suyu elde edilmiştir. Membran prosesleri ile edilen sular ise III. sınıf sulama suyu kalitesindedir.

Abstract:
In this thesis study, treatment of grey water with medium pollution belonging to a public building located in Istanbul by membrane, coagulation and electrocoagulation processes and it's reuse were investigated. As a result of the treatment, the most suitable single/hybrid treatment techonologies were determined for using in toilet reservoir and irrigation purpose.

In the first part of study, treatment of grey water by microfiltration membranes (FM MV02 ve FM MP005), ultrafiltration membranes (FM UP020 ve FM UP005) and nanofiltration membranes (Desal 5DL, FM NP010 ve FM NP030) were investigated and suitable membrane selection was performed. The performance and fouling of the membranes in the selection of membranes are evaluated together. The contact angle, AFM and SEM measurements were used to evaluate the membrane fouling mechanisms. The membrane fouling was also clarifed with the resistances-in-series model. The best permeat quality was obtained from Desal 5DL membrane. The lowest flux decline caused by fouling was occured for FM MP005 membrane (%19.5). The membranes which had the best permeate quality (Desal 5DL) and which had the lowest flux decline caused by fouling (FM MP005) were selected as suitable membranes. A RO membrane (BW 30) was used for improving the permeate quality of selected membranes. The flux decline was found as 44.3% and 19.8% in the BW 30 membranes used after the Desal 5DL and FM MP005 membranes, respectively. The quality of permeate which obtained from used RO membranes after MF and NF membranes were found very close.

In the second part of study, treatment of grey water by coagulation was investigated. Aluminium sulfate (Al2(SO4)3.18H2O), ferric sulfate (Fe2(SO4)3.7H2O), ferric chloride (FeCl3.6H2O) and polyaluminium chloride (PAC) were used as coagulant. Coagulation experiments were initially carried out at 250 mg/L constant coagulant dose and at different pH values (4; 6; 7,5; 8,5 and 10). Appropriate coagulant doses were determined at the optimum pH values. Pollutant removal efficiency, cost and amount of sludge formed are taken into consideration for determining appropriate pH and coagulant dosage. Amount of sludge in optimum pH and coagulant doses determined for aluminum sulfate, PAC, ferric chloride and ferric sulfate was found as 24 mL/L, 25 mL/L, 13 mL/L and 20 mL/L, respectively. The highest total cost was obtained at the end of the experiments with ferric sulfate (32,07 TL/m3), the lowest total cost was obtained at the end of the experiments with PAC (0,47 TL/m3). The quality of the supernatants obtained after coagulation experiments was improved with the Desal 5DL membrane. The total cost of the coagulation process and fouling in the Desal 5DL membrane were taken as the basis and PAC was selected as the appropriate coagulant.

In the third part of study, treatment of grey water by electrocoagulation was investigated. Fe electrodes and Al electrodes were used in electrocoagulation process. Experiments were performed with both electrodes at different pH values (4; 6; 7, 5; 8, 5 and 10) and at different current densities (5, 10 and 30 A/m2). Pollutant removal efficiency, total cost (electrode consumption, energy consumption and chemical usage), and amount of sludge formed are taken into consideration for determining optimum conditions. The appropriate pH value was determined 7,5 and the appropriate current density was determined 5 A/m2 for both electrodes. The total operating costs of Fe and Al electrodes were found              0,22 TL/m3 and 0,45 TL/m3 respectively. At least sludge was obtained on the Fe electrode (0,18 kg/m3). The quality of the treated wastewater after electrocoagulation was improved using Desal 5DL membrane. The quality of permeate which obtained from Desal 5DL membranes after Fe and Al electodes were found very close. In the electrocoagulation process, total cost value was taken as basis and Fe was selected as the suitable electrode.

In the last part of the thesis; reuse of grey water in toilet reservoir and irrigation purpose after treatment by membrane, coagulation and electrocoagulation processes was evaluated. The treated wastewater which treated by hybrid membrane process (FM MP005+BW 30 ve Desal 5DL+BW 30), hybrid coagulation/membrane process (PAC+Desal 5DL) and hybrid electrocoagulation/membrane process (Fe electrode+Desal 5DL) was found suitable for using in toilet reservoir. With all these hybrid processes, Class A irrigation water was obtained. Based on the chemical quality of the irrigation water, II. class drip irrigation water was obtained by PAC+Desal 5DL and Fe electrode+Desal 5DL processes. The treated waters by membrane processes were III. class irrigation water quality.