Kombine anoksik hareketli yatak biyofilm reaktör ve aerobik membran biyoreaktör ile çöp sızıntı sularının arıtımı
Landfill leachate treatment with combined anoxic moving bed biofilm reactor and aerobicmembrane
Yazar: AHMET DUYAR
Danışman: PROF. DR. GÖKHAN CİVELEKOĞLU ; PROF. DR. KEVSER CIRIK
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Günümüzde gelişen toplumlarda ve endüstrilerde en önemli çevre sorunlarından biri kentsel katı atıkların yönetimidir. Gelişmekte olan ülkelerde depolama diğer metotlarla karşılaştırıldığında ekonomik avantajlarından dolayı, katı atıkların bertafında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Depolama sahasında yüksek miktarda sızıntı suyu oluşmaktadır. Çöp sızıntı suyu (ÇSS), bir depolama alanına düşen yağmur suyundan ve atığın düzenli depolama alanında parçalanması sonucu oluşan atıksulardır. ÇSS'deki temel kirleticiler; inorganik, organik, ağır metaller ve zenobiyotik maddelerdir. Yer altı ve yüzey sularına ÇSS'nin karışımı ciddi çevresel problemlere neden olmaktadır. Bu yüzden, birçok araştırmacı ÇSS'yi arıtmak için kimyasal, fiziksel ve biyolojik arıtım gibi farklı arıtım teknikleri üzerine odaklanmış durumdadır. Son yıllarda, biyolojik metotlar düşük işletme maliyetleri ve kolay uygulanabilirliğinden dolayı en etkili arıtım tekniği olarak kabul edilmektedir. Membran biyoreaktör (MBR) ve hareketli yatak biyofilm reaktör (HYBR) ÇSS gibi güçlü atıksuların arıtımında önemli çözümler sağlamaktadır. Literatürde MBR ve HYBR ile ÇSS'den makro kirleticilerin giderimi üzerine birçok çalışma olmasına rağmen mikro kirleticilerin giderimi üzerine çalışmalar sınırlıdır.

Bu tez kapsamında, farklı operasyonel koşullar altında anoksik hareketli yataklı biyoreaktör (AnoxHYBR) ve aerobik membran biyoreaktör (AeMBR) kullanılarak ÇSS'nin arıtımı incelenmiştir. Sistem performansı üç farklı aşamada değerlendirilmiştir. İlk iki fazda, anoksik ve aerobik biyoreaktörler, içsel azot geri devri olmaksızın ardışık bir şekilde işletilmiştir. Anoksik reaktörde elektron alıcı olarak dışarıdan nitrat (NO3-) ilave edilmiş ve atıksudaki mevcut organik karbon elektron verici kaynağı olarak kullanılmıştır. Daha sonra, son aşamada AnoxHYBR'ye NO3-, AeMBR'den içsel geri devir ile sağlanmıştır.

İlk fazda AnoxHYBR ve aerobik reaktör mikroorganizma adaptasyonu için kesikli (48 saat döngü süresi) ve sürekli (48 saat hidrolik bekletme süresi (HRT)) olarak çalıştırılmıştır. Ardışık sistemde, kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) ve amonyum azotu (NH4+-N) giderim verimi sırasıyla %75 ve %65 olarak gözlenmiştir. AnoxHYBR'de nitrat (NO3--N) giderim verimi yaklaşık %55 olarak tespit edilmiştir. Kısmi nitrifikasyon aerobik reaktörde başarıyla gerçekleştirilmiş ve 48 saatte nitrit azotu (NO2--N) birikimi yaklaşık 518 mg/L olarak bulunmuştur. Her iki reaktörün sürekli bir şekilde çalıştırıldığı koşulllarda, AnoxHYBR'deki NO3--N giderimi (%40), düşük KOİ giderimi (%20) veriminden dolayı sınırlanmıştır. Aerobik reaktörde %46 KOİ ve %71 NH4+-N giderim verimi elde edilmiştir. Ayrıca, aerobik reaktörde kısmi nitrifikasyon, yaklaşık 442 mg/L NO2--N birikimi ile sağlanmıştır. Daha sonra aerobik reaktöre membran eklenerek kritik akı belirlenmiş ve AeMBR olarak işletilmiştir. AeMBR'de kritik akı 4,3 LMH olarak gözlenmiştir. Daha sonraki fazlarda, AeMBR bu kritik akının altında işletilmiştir.

İkinci aşamada NO3--N konsantrasyonun (100-1000 mg/L), HRT'nin (24-48 saat), SRT'nin (30-60 gün) AnoxHYBR üzerine etkisi ve daha sonra HRT'nin (6-48 saat), SRT'nin (30 gün-sonsuz) AeMBR üzerine etkisi araştırılmıştır. En iyi sistem performansı AnoxHYBR'de 1000 mg NO3- -N/L konsantrasyon, 90 günlük SRT ve 48 saat HRT koşullarında ve AeMBR'de 60 günlük SRT ve 48 saatlik HRT koşullarında 
%74,2 KOİ, >%99 NH4+-N ve %89,1 NO3--N giderimi ile elde edilmiştir. AnoxHYBR'de seçilen ftalatik asit esterlerin (FAE) konsantrasyonlarında (dietil ftalat (DEP), di (2-Etilheksil) ftalat (DEHP), diisononil ftalat (DINP)) hafif bir artış tespit edimiştir ve FAE'lerin tamamen giderimi AeMBR'de gerçekleşmiştir. AeMBR, membran kirliliği gözlenmeden uzun bir süre (76 gün) yaklaşık 1 LMH'da başarıyla çalıştırılmıştır. AnoxHYBR'deki biyofilm konsantrasyonu 11 g/L'ye ulaşılmıştır. Mg, Al, Si, Na, Fe hem AnoxHYBR biyofilminde hem de AeMBR kek tabakasında SEM-EDS analizleri ile tespit edilmiştir.

Üçüncü fazda, AeMBR'den AnoxHYBR'ye geri dönüşüm oranının (%100-300) etkisi değerlendirilmiştir. %200 geri devir oranında etkili KOİ ve NH4+-N giderimi gözlenmiştir. Bu koşullar altında AeMBR süzüntüsünde 999 mg NO3--N/L tespit edilmiştir. Sistemin ağır metal giderim performansı Zn için %100, Pb için %100, Fe için %70, Cr için %53, Mn için %35 ve Ni için %16 olarak bulunmuştur. Ayrıca sıvı numunelerde tespit edilememesine rağmen kek tabakasında 1,424 mg/kg Cd birikimi gözlenmiştir Ardışık sistemde DEP ve DINP konsantrasyonları tespit (dedeksiyon) limitinin (limit of detection, LOD) altında olmasına rağmen, DEHP giderim verimi ise %98,74 olarak belirlenmiştir. Sistemdeki SMP konsantrasyonu, ÇSS'deki artan Fe konsantrasyonu nedeniyle önemli ölçüde artmıştır. AnoxHYBR'deki biyofilm konsantrasyonu 8 ile 10,5 g/L arasında gözlenmiştir. Kimyasal membran temizliğinin oldukça etkili olduğu görülmüştür.

Sonuç olarak gerçek ÇSS'nin arıtımında sürekli ardışık AnoxHYBR-AeMBR sisteminin etkin bir şekilde kullanılabileceği ortaya konumuştur. AnoxHYBR'den sonra, çıkış kalitesinin artırılması ve organik madde, azot, FAE'ler ve ağır metallerin etkili bir şekilde giderimi için bir AeMBR gerekli olduğu görülmektedir.

Abstract:
Nowadays, one of the major environmental issues in developing societies and industrialization is the management of municipal solid waste. Landfills in the disposal of municipal solid waste in developing countries are commonly used due to economic advantage compared to other methods. A high quantity of landfill leachate (LFL) in a landfill site, is generated. The leachate is made of rain that passes through a landfill site and liquids that are generated by the breakdown of the waste within the landfill. The main important pollutants in LFL are inorganic, organic, heavy metals, and xenobiotic matter. Contamination of groundwater and surface waters with LFL causes serious environmental problems. Therefore, many researchers have been focused on different treatment techniques such as chemical, physical and biological processes to treat LFL. In recent years, biological methods have been commonly considered to be the most effective applications since they presented lower operating costs and improved applicability.

Membrane bioreactor (MBR) and moving bed bioreactor (MBBR) provide an important solution in the biological treatment of the waste streams as LFL. Many studies have found the removal of macro pollutants from LFL using MBR and MBBR in literature, but the researches on the removal of micropollutants with these methods are limited.

In this thesis, the treatment of LFL under different operational conditions by anoxic moving bed bioreactor (AnoxMBBR) and aerobic membrane bioreactor (AeMBR) was studied. System performance was evaluated in three different phases. In the first two-phase, anoxic and aerobic bioreactors were sequentially operated without internal nitrogen recycling. Nitrate (NO3-) was supplied as the external electron acceptor and organic compounds present in the wastewater was served as the electron donor in the anoxic reactor. Then, NO3- to AnoxHYBR in the last phase was supplied by internal recirculation from AeMBR.
In the first phase, AnoxMBBR and the aerobic reactor were run intermittently (48 hours cycle time) and continuously (48 hours hydraulic retention time (HRT)) for microorganism adaptation. In the sequential system, the total removal efficiency of chemical oxygen demand (COD) and ammonium nitrogen (NH4+-N) was about 75% and 65%, respectively. In AnoxMBBR, also, nitrate-nitrogen (NO3--N) removal efficiency was about 55%. The partial nitrification successfully occurred in the aerobic reactor and the nitrite nitrogen (NO2--N) accumulation at 48 hours was about 518 mg/L. When both reactors operated continuously, NO3--N removal (40%) in AnoxMBBR was limited due to low COD removal (20%) efficiency. In the aerobic reactor, COD and NH4+-N removal efficiencies were obtained as 46% and 71%. Also, partial nitrification in the aerobic reactor was achieved with NO2--N accumulation of about 442 mg/L. Then the critical flux was then determined by adding the membrane to the aerobic reactor and operated as AeMBR. Critical flux in AeMBR was observed as 4.3 LMH. In later phases, AeMBR was operated below this critical flux.

During the second phase, the effect of NO3--N addition (100-1000 mg/L), HRT (24-48 hours), SRT (30-60 days) on AnoxMBBR, and effect of HRT (6-48 hours), SRT (30d-infinite) on AeMBR was investigated. Best system performance was obtained with 74.2% COD, >99% NH4+-N and 89.1% NO3--N removal at 1000 mg NO3--N/L concentration, 90 days SRT, and 48 hours HRT conditions in AnoxHYBR and at 60 days SRT and 48 hours HRT conditions in AeMBR. Heavy metals removal efficiency from LFL in the AnoxMBBR was in the range of 8%-22%, while it was above 80% in the AeMBR. A slight increase in selected phthalic acid ester (PAE) concentrations (diethyl phthalate (DEP), di (2-Ethylhexyl) phthalate (DEHP), diisononyl phthalate (DINP)) was detected in the AnoxMBR, and complete removal of PAEs took place at the AeMBR. The AeMBR was successfully operated without membrane fouling at about 1 LMH for a long time (76 days). The biofilm concentration in AnoxMBBR was reached up to 11 g/L. Mg, Al, Si, Na, Fe were detected in both AnoxMBBR biofilm and AeMBR cake layers by SEM-EDX analysis.

In the third phase, the effect of the recycling ratio (100-300%) from AeMBR to AnoxMBBR was evaluated. Effective COD and NH4+-N removal were observed under the conditions recycling ratio of 200%. Under these conditions, 999 mg NO3--N/L was detected in the AeMBR permeate. The heavy metal removal performance of the whole system was found to be 100% for Zn, 100% for Pb, 70% for Fe, 53% for Cr, 35% for Mn, and 16% for Ni. In addition, there is 1.424 mg/kg Cd accumulation in the cake layer, although it cannot be detected in liquid samples. Although DEP and DINP concentrations in the sequential system were below the limit of detection (LOD), the DEHP removal efficiency was determined to be 98.74%. The SMP concentration in the system increased significantly due to the increased Fe concentration in the LFL. The biofilm concentration in AnoxMBBR was between 8 and 10.5 g/L. Chemical membrane cleaning was very effective.

As a result, the continuous sequential AnoxHYBR-AeMBR system can be used effectively used in the treatment of real medium age LFL. After AnoxMBBR, an AeMBR is required for the increasing of AnoxMBBR effluent quality and for effectively the organic matter, nitrogen compounds, PAEs, and heavy metals removal.