Anaerobik osmotik membran biyoreaktörde kullanılan çekme çözeltilerinin inhibisyon etkisinin araştırılması
Investigation of the inhibition effect of draw solutions used in anaerobic osmotic membrane bioreactor
Yazar: İLKNUR YALÇIN
Danışman: PROF. DR. YASEMİN KAYA ; PROF. DR. GÜLSÜM YILMAZ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Anaerobik = Anaerobic ; Analitik hiyerarşi süreci = Analytical hierarchy process ; Biyoreaktörler = Bioreactors ; Melez sistemler = Hybrid systems ; Mezbaha atığı = Slaughterhouse waste ; Osmoz = Osmosis

Özet:
Atıksulardan su, enerji ve nütrient geri kazanımı gün geçtikçe daha çok önem kazanmakta olup; bu kaynakların geri kazanım uygulamalarında ileri osmoz (İO) sisteminin anaerobik membran biyoreaktör (AnMBR) sistemiyle birlikte kullanıldığı yenilikçi hibrit sistemler dikkat çekmektedir. Bu tez çalışmasının amacı, anaerobik osmotik membran biyoreaktör (AnOMBR) sistemlerinde kullanılabilecek çekme çözeltilerinin (ÇÇ) anaerobik arıtmaya inhibisyon etkisinin araştırılarak, en uygun ÇÇ'nin belirlenmesidir. Bu amaçla çalışma kapsamında, kesikli İO ve biyokimyasal metan potansiyeli (BMP) testi çalışmaları gerçekleştirilmiştir. ÇÇ seçiminde, İO performansı ve ÇÇ'lerin anaerobik inhibisyona etkisi dikkate alınmıştır. Uygun ÇÇ seçimi kapsamında yapılan deneysel çalışma sonuçları analitik hiyerarşi prosesi (AHP) analizine tabii tutulmuş ve AnOMBR sistemi için en uygun ÇÇ seçimi gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, temiz İO membranı ve MgCl2 ile gerçekleştirilen kesikli İO çalışmaları sonucu elde edilen kirli İO membranlarında otopsi çalışmaları yapılmıştır. Membran otopsi çalışmaları kapsamında, membran yüzey ve gözeneklerindeki kirlenmeyi tespit etmek için taramalı elektron mikroskobu ve enerji dağılımlı X-ray dedektörü (SEM-EDX), membran yüzey pürüzlülüğünün tespit edilmesi için atomik kuvvet mikroskobu (AFM), membran yüzeyindeki kimyasal bağları incelemek amacıyla fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FT‒IR) ve membranın hidrofilik/hidrofobik özelliğini belirlemek için temas açısı ölçümleri gerçekleştirilmiştir.
AnOMBR sistemleri için kullanılabilecek uygun ÇÇ'ler için, literatürde İO çalışmalarında kullanılan çeşitli ÇÇ türleri araştırılmış ve bir ön eleme prosedürüne tabii tutulmuştur. Ön eleme sonucunda belirlenen 4 adet organik ve 14 adet inorganik ÇÇ ile yapılan AHP analizi; maliyet, osmotik basınç, İO performansı (RSFS-Ters tuz akısı seçiciliği (L/g)), inhibisyon ve maksimum çözünürlük parametreleri dikkate alınarak uygulanmıştır. Bu AHP analizine göre belirlenen ÇÇ'ler; sodyum klorür (NaCl), magnezyum klorür (MgCl_2), amonyum sülfat ((NH_4 )_2  SO_4), potasyum bikarbonat (KHCO_3), sodyum format (HCOONa), sodyum asetat (CH_3 COONa), magnezyum asetat (Mg(CH_3 COO)_2) ve etilentetradiamintetraasetik asit (EDTA) (C_10 H_14 N_2 Na_2 O_8)'dır. Seçilen 8 adet ÇÇ ve deniz suyunun farklı konsantrasyonları (30 bara karşılık gelen konsantrasyon, 0.75 M, 1 M, 1.5 M, 2 M) ile kesikli İO ve BMP testi çalışmaları gerçekleştirilmiştir. BMP testi, kesikli İO denemelerinde elde edilen CR değerleri dikkate alınarak gerçekleştirilmiş ve ÇÇ'lerin performansı kümülatif CH4 (mL) cinsinden belirlenmiştir. Kesikli İO çalışmaları, besleme çözeltisi (BÇ) olarak sentetik mezbaha atıksuyu ve saf su kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Farklı ÇÇ konsantrasyonlarında BÇ'nin saf su olarak kullanıldığı kesikli İO deneylerinde en yüksek RSFS değeri 0.3 M  C_10 H_14 N_2 Na_2 O_8 ile (24.8 L/g), en düşük RSFS değeri ise 2 M HCOONa ile (2.6 L/g) yapılan çalışmada gözlemlenmiştir. Farklı ÇÇ konsantrasyonlarında BÇ'nin sentetik mezbaha atıksuyu olarak kullanıldığı kesikli İO deneylerinde en yüksek RSFS değeri 0.3 M C_10 H_14 N_2 Na_2 O_8 ile (13.19 L/g), en düşük RSFS değeri ise 2 M ile (NH4)2SO4 ile (0.85 L/g) yapılan çalışmada gözlemlenmiştir. BMP testi çalışmaları dikkate alındığında, inorganik ÇÇ'lerden; NaCl'nin 0.75 M, MgCl2'nin 0.47 M, KHCO3'ün 0.65 M, deniz suyunun 1.5 M ve (NH4)2SO4'ün 1 M'dan sonra CH4 üretiminin azaldığı ve inhibisyon oluştuğu belirlenmiştir. Organik ÇÇ'lerin CH4 üretim miktarları dikkate alındığında HCOONa'nın 0.72 M ve CH3COONa'nın 1.5 M konsantrasyonundan sonra inhibisyon meydana gelmiştir. Kesikli İO çalışmalarından elde edilen RSFS değerleri ve BMP testinden elde edilen 〖CH〗_4 miktarları dikkate alınarak ikinci bir AHP analizi gerçekleştirilmiştir. AHP skorları dikkate alındığında en uygun ÇÇ'nin MgCl2 olduğu belirlenmiştir. Temiz ve kirli membranlarda gerçekleştirilen membran otopsisi çalışmaları sonucunda, kirlenmenin membran porlarında ve yüzeyde görüldüğü, artan ÇÇ konsantrasyonu ile inorganik kirlenmede artışın meydana geldiği fakat membran yapısının bozulmadığı sonucuna varılmıştır. Bu tez çalışmasından elde edilen sonuçlara göre, MgCl2'ün AnOMBR sistemi çalışmalarında kullanılabilecek bir ÇÇ olduğu, 6 saatlik kesikli İO çalışmaları sonucunda yoğun bir membran kirlenmesine sebep olmadığı ve anaerobik performansta CH4 üretimine olumlu etkiye sahip olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Water, energy and nutrient recovery from wastewater is becoming more and more important, and in recovery of these resources the innovative hybrid systems such as the combination of forward osmosis (FO) and anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) draw attention. The aims of this thesis are to investigate the inhibition effect of the draw solutions (DSs) used in anaerobic osmotic membrane bioreactor (AnOMBR) systems and to determine the optimal DSs for these systems. In this context, the batch FO and biochemical methane potential (BMP) test studies were carried out. In the selection of optimal DSs, the FO performances and the effect of DSs on anaerobic inhibition were taken into account. The results of the studies carried out within the scope of optimal DS selection were subjected to analytical hierarchy process (AHP) analysis, and the optimal DS was selected for the AnOMBR systems. In addition to that, membrane autopsy studies were performed on the clean FO membrane and the fouled membrane obtained as the result of FO studies with DS MgCl2. Membrane autopsy studies were performed as in atomic force microscopy (AFM) to detect membrane surface roughness, fourier transform infrared spectroscopy (FT‒IR) to examine chemical bonds on the membrane surface, and contact angle measurements to determine the hydrophilic/hydrophobic property of the membrane, scanning electron microscopy and energy dispersive X-ray detector (SEM-EDX) to detect contamination on the membrane surface and pores. In deciding procedure of optimal DSs that can be used for AnOMBR systems, various DS types used in FO studies were studied in the literature and subjected to a pre-screening procedure. AHP analysis were applied for 4 organic and 14 inorganic DSs determined as a result of pre-screening procedure considering the parameters of cost, osmotic pressure, FO performance (RSFS-reverse salt flux selectivity (L/g)), inhibition effect and maximum solubility. The DSs determined according to AHP results were sodium chloride (NaCl), magnesium chloride (MgCl2), ammonium sulfate ((NH4)2SO4), potassium bicarbonate (KHCO3), sodium formate (HCOONa), sodium acetate (CH3COONa), magnesium acetate (Mg(CH3COO)2) and ethylenetetradiaminetetraacetic acid (EDTA) (C10H14N2Na2O8). The batch FO and BMP test studies were carried out with 8 selected DSs and seasalt in different concentrations (concentrations corresponding to 30 bar, 0.75 M, 1 M, 1.5 M, 2 M). Overall anaerobic activity performances were determined in terms of cumulative CH4 (mL) in the BMP tests which were performed with CR values obtained from the batch FO studies. The batch FO experiments were carried out using synthetic slaughterhouse wastewater and distilled water as feed solution (FS). In the batch FO experiments which distilled water was used as FS in different DS concentrations,  the highest RSFS was obtained in 0.3 M  C_10 H_14 N_2 Na_2 O_8 (24.8 L/g), and the lowest RSFS was obtained in 2 M HCOONa (2.6 L/g). In the batch FO experiments which synthetic slaughterhause wastewater was used as FS in the different DS concentrations,  the highest RSFS was obtained in 0.3 M  C_10 H_14 N_2 Na_2 O_8 (13.19 L/g), and the lowest RSFS was obtained in 2 M ((NH4)2SO4) (0.85 L/g). According to the BMP test results, the inhibition effect of DSs was observed in the batch tests after 0.75 M for NaCl, 0.47 M for MgCl2, 0.65 M for KHCO3, 1.5 M for seasalt, 1 M for (NH4)2SO4 in which the cumulative CH4 production decreased. In the BMP batct tests with organic DSs, the inhibition effect was observed in the batch tests after 0.72 M for HCOONa and 1.5 M for CH3COONa. A second AHP analysis was performed considering the RSFS values obtained from the batch FO studies and the cumulative CH4 production obtained from the BMP tests. According to the AHP scores, it was determined that the optimal DS was MgCl2. As a result of the membrane autopsy studies performed on the clean and fouled membranes, it was observed that the fouling was observed in the membrane pores and on the surface, and an increase in inorganic scaling occurred with increasing DS concentration, but the membrane structure did not deteriorate. According to the results obtained from this thesis study, it was determined that MgCl2 did not cause an intense membrane fouling as a result of 6 hours batch FO studies and had a positive effect on the cumulative CH4 production in the anaerobic performance. As a conclusion, MgCl2 was determined as the optimal DS which could be used in an AnOMBR system.