Katı atık sızıntı sularının batık elektro-membran biyoreaktör sistemi ile arıtılabilirliğinin araştırılması
Investigation of solid waste leachate treatability by submerged membrane electro-bioreactor system
Yazar: GÜLİZAR KURTOĞLU AKKAYA
Danışman: PROF. DR. MEHMET SİNAN BİLGİLİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu tez çalışması ile, katı atık depo sahalarından oluşan sızıntı sularının, yeni bir sistem olan ve biyolojik proses, membran filtrasyon prosesi ve elektrokinetik prosesin birleşiminden oluşan batık elektro-membran biyoreaktör sistemi (bEMBR) ile arıtım etkinliğinin araştırılması hedeflenmiştir. Bu amaç doğrultusunda, çalışmalar üç kademe de gerçekleştirilmiştir.
Çalışmanın ilk kademesinde; İSTAÇ A.Ş. Odayeri Katı Atık Depolama Tesisi'nden alınan sızıntı suyunun kapsamlı karakterizasyonu gerçekleştirilmiştir.
İkinci kademede uygun akım ve sürenin belirlenmesi için İSTAÇ Odayeri Katı Atık Depolama Sahası'ndaki sızıntı suyu biyolojik arıtma tesisi havalandırma havuzundan alınan çamur kullanılarak optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Farklı akım ve sürelerde gerçekleştirilen elektrokinetik çalışmaların sonucunda optimum akım 2A (akım yoğunluğu 24 mA/cm2) ve süre 15 dakika olarak belirlenmiştir.
Üçüncü ve son aşamada reaktörlerin kurulumu, işletmeye alınması ve optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Elektrik akımının biyolojik arıtım üzerindeki etkilerinin araştırılabilmesi için çalışmalar konvansiyonel batık membran biyoreaktör (bMBR) sistemi ile paralel yürütülmüştür. Bu amaçla İSTAÇ Odayeri Katı Atık Depolama Sahası'ndaki sızıntı suyu arıtma tesisinin havalandırma havuzundan aşı çamuru getirilmiştir. Reaktörler kararlı hale geldikten sonra, bEMBR sistemine farklı boşluk oranlarına sahip alüminyum elektrotlar yerleştirilmiştir. 24 mA/cm2 AY ve 15 dakikalık maruziyet süresi kararlı halde belirlenen 5 günlük hidrolik bekletme süresine (HRT) bölünmüştür. bEMBR sistemine iki farklı kombinasyon ile akım verilmiştir: Periyot I'de 24 mA/cm2 akım yoğunluğunda günde 3 dakika, Periyot II'de 24 mA/cm2 akım yoğunluğunda günde 6 dakika akım uygulanmıştır. bEMBR sistemi her iki periyotta 25 gün, toplam 50 gün boyunca işletilmiştir. Sıcaklık, pH, iletkenlik, çözünmüş oksijen (ÇO), renk, kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), toplam organik karbon (TOK), amonyak azotu (NH3-N), toplam azot (TN) ve ağır metal giderimi parametreleri ile bEMBR sisteminin düzenli depo sahalarından oluşan sızıntı sularının arıtımdaki performansı hem iki periyot birbiriyle, hem de bMBR sistemiyle mukayese edilerek değerlendirilmiştir. 
Periyot I ve II'de verilen elektrik akımı bakterilerin faaliyetlerini olumsuz etkileyecek hiçbir fiziksel sonuç doğurmamakla birlikte sistemin etkinliği sızıntı suyundaki kirletici giderim parametreleri, çamurun karakteristiğindeki değişiklikler (EPS, SMP, CST, Partikül Boyutu, Zeta Potansiyeli) ve membran akı sonuçları değerlendirilerek belirlenmiştir. 50 gün süren çalışma sonucunda kirlilik giderim parametrelerinde dalgalanmalar olmakla birlikte genel trend, her iki periyotta da Periyot II daha etkin olmakla birlikte bEMBR ile arıtımın konvansiyonel bMBR'ye göre daha etkin olduğu görülmüştür. Çamurda gerçekleştirilen EPS analizleri, elektrik akımına maruz kalan bakterilerin stres altında kaldığını ve biyolojik sistemlerde membran tıkanmasına neden olan EPS değerinde konvansiyonel sisteme göre hafif bir artış olduğunu göstermiştir. Konvansiyonel bMBR ile karşılaştırıldığında bEMBR'de membran tıkanması daha geç gerçekleşmiştir. bEMBR ve bMBR'de, EPS sonuçları arasında büyük bir fark gözlenmemiştir. Ancak, bMBR'e göre bEMBR'de SMPp değeri daha düşük bulunmuştur. Elektrik akımı sayesinde bEMBR'de çamurun filtre edilebilirliği artmış ve Zeta Potansiyeli değerleri iki sistemde, birbirine yakın ve -50 mV ila -10 mV arasında değişiklik göstermiştir.
bEMBR ve bMBR membranlarının yüzeyindeki kimyasal özellikler FTIR spektroskopisiyle karakterize edilmiştir. Her iki sistemde benzer FTIR spektrumları gözlenmiştir. 
İşletme süresince elektrotlarda pasivasyon veya presipitasyon meydana gelmiştir. bEMBR'de çözünen Al elektrotun, atık çamurda günlük birikimi değerlendirilmiştir. Ayrıca, sızıntı suyunun bEMBR ile arıtılmasında maliyet analizi yapılmış, Periyot II'de bEMBR ve bMBR'ye göre yaklaşık 4000 mg/L'lik daha fazla KOİ giderimi elde edilmiş ve bunun için toplam maliyet 0,175 €/m3 olmuştur.
	bEMBR çıkış suyu, İSKİ ve SKKY'deki Deşarj Standartları ile karşılaştırılmış ve KOİ dışında tüm parametreler, her iki deşarj standartlarına uygun ve bu değerlerden oldukça düşük bulunmuştur. Yapılan tüm deneysel çalışmalar değerlendirildiğinde, yeni bir sistem olan bEMBR ile sızıntı sularının verimli bir şekilde arıtılabildiği ortaya konmuştur.

Abstract:
Membrane electro-bioreactor system (SMEBR) is a new system composed of biological process, membrane filtration process and electrokinetic process for the treatment of leachate from landfill. The main purpose of this thesis is to investigate this new technology which was carried out in three stages. 
In the first stage of work; an extensive characterization of leachate from the Sanitary Landfill "ISTAC" in Istanbul - Turkey has been carried ouAt the second stage, optimization studies were carried out to determine the appropriate currents and exposure time. For this purpose, different currents and exposure time was run in the activated sludge where the optimum current is determined as 2A (current density is 24 mA/cm2) and exposure time is 15 minutes. Activated sludge was provided from taken  the aerobic tank of the leachate biological treatment plant at the ISTAC Odayeri Sanitary Landfill. As a result of the studies carried out at.
In the last stage, the installation, operation and optimization of the reactors have been carried out. In order to investigate the effects of the electric current on the biological treatment, the studies were performed in parallel with the conventional submerged membrane bioreactor (SMBR) systemwas inoculated with the same activated sludge mentioned above. After the reactors reach the steady-state condition, aluminum electrodes with different perforated rates were placed in the SMEBR system. 24 mA/cm2 CD and the 15-minute exposure time divided by the steady-state 5-day hydraulic retention time (HRT). The SMEBR system was supplied with two different combinations. Period I; 3 minutes per day at a current density of 24 mA/cm2, Period II; 6 minutes per day at a current density of 24 mA/cm2. The SMEBR system was operated for 25 days in both periods for a total of 50 days.  The performance of SMEBR system for  leachate treatment was evaluated by comparing the performance of the two periods with each other and with the SMBR system, following parameters such as temperature, pH, conductivity, dissolved oxygen (DO), color, chemical oxygen demand (COD), total organic carbon (TOC), ammonia nitrogen (NH3-N), total nitrogen (TN).
The electric current applied in Periods I and II didn't show any negative effect on the bacterial life. In addition, system efficiency was evaluated based on pollutants removal parameters in the effluent water such as the changes in the activated sludge characteristics (EPS, SMP, CST, Particle Size, Zeta Potential) and the membrane flux results. The general trend of the pollutantsremoval parameters efficiency was variable during all the 50 days of study.  However, SMEBR was found to be more effective than the conventional SMBR treatment especially with the application of Period II conditions.  EPS analysis in sludge showed that electrical current expose bacteria to  stress and induce a slight increase in EPS value resulting in membrane fouling in comparison to the conventional system. Compared with conventional SMBR, membrane fouling occurred in SMEBR later. There was no significant difference between SMEBR and SMBR regarding EPS results. However, according to the SMBR, the SMPP value was lower in SMEBR. During the electric current, the sludge filterability in the SMEBR was increased and zeta potential values varied from -50 mV to -10 mV in close proximity to each other in the two systems.
The chemical properties of surfaces of the SMEBR and SMBR membranes were characterized by FTIR spectroscopy. The FTIR of both systems showed similar FTIR spectra.
Passivation or precipitation occurred on the electrodes during operation. The SMEBR dissolved Al electrode was used to assess the daily accumulation in waste sludge. In addition, a cost analysis was carried out for the treatment of leachate with SMEBR. In Period II, SMEBR system  COD removal  efficiency was higher than SMBR for for  about 4000 mg/L which is equal to a  total cost of  0,175 €/m3.
SMEBR effluent quality was evaluated based on the discharge standards in ISKI and SKKY. All parameters except COD were found to be in accordance with the discharge standards noting that study results were considerably lower than these values. The evaluation of the xperimental work shows that the new system SMEBR is able to treat leachate from landfill.