Şekerleme endüstrisi atıksuyunun anaerobik membran biyoreaktörde arıtımı ve membran kirlenme mekanizmalarının incelenmesi
Treatment of confectionery industry wastewater using anaerobic membrane bioreactor and investigation of membrane fouling mechanism
Yazar: GÖKHAN BALCIOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. ZEREN BERİL ÖZÇELEP
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasında anaerobik membran biyoreaktör (AnMBR) sisteminde şekerleme atıksuyunun artımında çeşitli işletme parametrelerin (organik yükleme hızı, çamur yaşı, akı) arıtma ve filtrasyon performansı üzerindeki etkileri araştırılarak uygun arıtma koşullarının belirlenmesi ve GAK ilavesi ile membran kirlenmesinin azaltılması amaçlanmıştır. AnMBR prosesi ile belirlenen uygun işletme şartları altında elde edilen süzüntü suyunun tarımsal sulama suyu olarak kullanımı da değerlendirilmiştir. Çalışmada, farklı koşullar altında meydana gelen membran kirlenmesi membran otopsi analizleri ile detaylı şekilde incelenmiş ve kirlenmede etkili olan mekanizmalar açıklanmıştır. Çalışmanın ilk bölümünde biyometan potansiyeli denemeleri (BMP) ile şekerleme atıksuyunun metan üretim potansiyeli belirlenmiş ve atıksuyun AnMBR sistemi ile sonsuz çamur yaşında farklı organik yükleme hızlarındaki (OYH: 1.1, 2.2, 4.4, 6.6 ve 7.9 kg KOİ/m³•gün) arıtılabilirliği araştırılmıştır. Bu bölümde AnMBR sistemi pH 7 ve 35 ℃ sıcaklık değerinde 247 gün süre ile işletilmiştir. İşletme süresi sonunda membranda otopsi analizleri ile kirlenme mekanizmaları açıklanmaya çalışılmıştır. Ayrıca, bu bölümde kritik akı değeri belirlenerek AnMBR sistemi, belirlenen kritik akı değerinin altındaki farklı akı değerlerinde işletilerek akının AnMBR arıtma ve filtrasyon performansı üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Farklı OYH koşullarında işletilen AnMBR sisteminde artan OYH ile üretilen metan miktarı da artmıştır (1.2 L–6.8 L). OYH artışı ile birlikte basınç ve basınç artış hızlarında da artış tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar bir arada değerlendirilerek özellikle AnMBR filtrasyon performansı göz önüne alındığında OYH 4.4 kg KOİ/m³•gün koşulları altında AnMBR sisteminin işletiminin verimli olduğu belirlenmiştir. Farklı OYH değerlerinde AnMBR sisteminin işletimi sonunda sistemden çıkarılan kirli ve sıyrılmış membranlarda yapılan ESEM-EDX (Çevresel taramalı elektron mikroskobu), FTIR (Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi), AFM (Atomik kuvvet mikroskopisi) ve konfokal mikroskop analizleri neticesinde membranda kek tabakası kirlenmesinin baskın olduğu, kirlenmenin çoğunlukla organik kökenli olduğu ve kek tabakasının fiziksel olarak membran yüzeyinden tamamen giderilemediği belirlenmiştir. Bu aşamada gerçekleştirilen kritik akı denemelerinde kiritik akı 9 L/m²•saat olarak tespit edilmiştir. Kritik akı altındaki üç farklı akı değerinde (4.5, 6 ve 7.5 L/m²•saat) ve sabit OYH 4.4 kg KOİ/m³•gün koşulunda işletilen AnMBR sisteminde farklı akı değerlerinin arıtma ve membran filtrasyon performansına etkisi belirlenmiştir. Farklı akılarda KOİ giderimi süzüntüde %99 olarak gerçekleşmişken metan üretimleri 5300–5400 mL/gün aralığında seyretmiştir. Akı artışı ile birlikte TMP değerinin 500 mbar seviyesinden 650 mbar seviyesine yükseldiği ve por direncinin (Rp) de %25'ten %30'a yükseldiği belirlenmiştir. Membran filtrasyon performansı göz önüne alındığında 6 L/m²•saat akı koşulları altında AnMBR sisteminin işletiminin verimli olduğu belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde 4.4 kg KOİ/m³•gün OYH ve 6 L/m²•saat koşulları altında işletilen AnMBR sisteminde çamur yaşı (60 ve 30 gün) ve granül aktif karbon (GAK) ilavesinin AnMBR'nin arıtma ve filtrasyon performansı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Çamur yaşı değerinin azalması ile GAK ilavesiz ve GAK ilaveli koşullarda süzüntü ve reaktör KOİ konsantrasyonlarında artış, üretilen metan miktarlarında ise azalma meydana gelmiştir. ÇY değerinin 60 günden 30 güne düşürülmesi ile GAK ilavesiz ve GAK ilaveli koşullarda TMP değerleri sırası ile 535, 475, 450, 440 mbar olarak bulunmuştur. Çamur yaşının 60 günden 30 güne düşürülmesinin AnMBR sisteminde özellikle por direncinde artışa neden olduğu belirlenmiştir. Rp değeri GAK ilavesiz koşullarda %22'den %30'a, GAK ilaveli koşullarda ise %16'dan %19'a yükselmiştir. Aynı çamur yaşında GAK ilavesinin AnMBR sisteminin arıtma performansında (KOİ konsantrasyonunda azalma ve metan üretiminde artış) ve filtrasyon performansında iyileşmeye (TMP, toplam filtrasyon direnci ve por direnci yüzdesi, EPS ve SMP konsantrasyonunda azalma) neden olduğu belirlenmiştir. Daha iyi arıtma ve filtrasyon performansının elde edildiği 60 gün çamur yaşı değerlerinde GAK ilavesiz ve ilaveli koşullara ait membranlarda yapılan otopsi analizleri sonucunda (FTIR, konfokal mikroskopi, zeta potansiyeli, AFM, temas açısı) GAK ilavesi ile kirli membran yüzeyinde daha gevşek, sıyrılabilir özellikte ve daha düşük kalınlığına sahip bir kek tabakasının meydana geldiği belirlenmiştir. GAK ilavesinin membranda kek tabakası oluşumunu azalttığı ve GAK ilaveli kirli ve sıyrılmış membranın temiz membrana yakın özelliklere sahip olduğu tespit edilmiştir. Tez çalışmasında sonuç olarak şekerleme endüstrisi atıksularının AnMBR sistemi ile belirlenen uygun işletme şartları altında (OYH: 4.4 kg KOİ/m³•gün, akı: 6 L/m²•saat, ÇY: 60 gün) tarımsal sulamaya uygun süzüntü suyu kalitesi elde edilerek arıtılabileceği belirlenmiştir. Ayrıca, GAK ilavesinin arıtma performansını artırmada ve membranda oluşan kirlenmeyi azaltmada başarılı olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
The aim of the study is to investigate the effects of various operating parameters such as organic loading rate (OLR), solid retention time (SRT) and flux on the the confectionery wastewater treatment and filtration performance of anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) and to determine the appropriate treatment conditions and to mitigate membrane fouling by GAC addition. In addition, the use of permeate as a agricultural irrigation water under optimum operating conditions for AnMBR process was evaluated. In this study, membrane fouling occurred under different conditions was investigated by membrane autopsy analysis and the fouling mechanisms were identified. In the first part of the study, methane production potential of confectionery wastewater was determined by biomethane potential experiments (BMP). The treatability of confectionery wastewater by AnMBR system at different organic loading rates (OLRs) and infinite sludge retention time was investigated. In this part of the study, the AnMBR system was operated at pH 7 and 35 ℃ for 247 days. In addition, critical flux was determined by critical flux experiments and AnMBR system was operated at different flux values below the determined critical flux value. The effects of different flux values on the AnMBR treatment and filtration performance were determined. In the AnMBR system operated under different OLR conditions, at the OLR increased amount of the the methane increased (1.2 L–6.8 L). With the increase in OLR, trans membrane pressure (TMP) and fouling rate increased. As the results were evaluated, the operation of the AnMBR system was found to be efficient under OLR 4.4 kg COD/m3•day conditions considering AnMBR filtration performance. At the end of the operation of the AnMBR system, ESEM-EDX (Environmental scanning electron microscopy), FTIR (Fourier transform infrared spectroscopy), AFM (Atomic force microscopy) and confocal microscopy analyzes were performed on the fouled and stripped membranes. It was determined that cake layer formation was dominant on the membrane surface, the cake layer was consist of organic pollutant and it could not be completely removed from the membrane surface physically. After this part of the study, the critical flux was determined as 9 L/m2.h. The effect of different flux values below critical flux on wasteater treatment and membrane filtration performance was determined for three different flux values (4.5, 6 and 7.5 L/m².h) and at constant OLR (4.4 kg COD/m3•day). COD removal was 99% in the permeate and methane production was in the range of 5300–5400 mL/day. TMP value increased from 500 mbar to 650 mbar with increasing flux and the ratio of pore resistance (Rp) increased from 25% to 30%. Considering the membrane filtration performance, it was determined that the operation of AnMBR system was efficient under 6 L/m2.h flux conditions. In the second part of the study, the effects of SRT (60 and 30 days) and granular activated carbon (GAC) addition on the wastewater treatment and filtration performance of AnMBR were investigated at OLR 4.4 kg COD/m3•day and flux 6 L/m2•h. As the SRT decreased, permeate and reactor COD concentrations increased and the amount of methane decreased under without GAC and with GAC conditions. It was determined that reducing SRT from 60 days to 30 days caused an increase in pore resistance. The ratio of Rp increased from 22% to 30% at without GAC and from 16% to 19% at with GAC. The addition of GAC at the same SRT was found to cause an improvement in the wastewater treatment performance (decrease in COD concentration and increase in methane production) and filtration performance of the AnMBR system (decrease in TMP, total filtration resistance and pore resistance, EPS and SMP concentration). AnMBR system was operated more efficiently in SRT 60 days with GAC conditions. Considering autopsy analyzes performed on membranes (FTIR, confocal microscopy, zeta potential, AFM, contact angle) , GAC addition caused to looser and lower thickness cake layer. Also, the cake layer was found to be removable from membrane surface easily. It has been determined that the addition of GAC reduces the cake layer on the membrane and fouled and stripped membrane properties with GAC addition have close to the clean membrane. As a result, it was determined that the wastewater of the confectionery industry could be treated under optimum operating conditions by the AnMBR system (OLR: 4.4 kg COD/m3•day, flux: 6L/m2•h, SRT: 60 days). The permeate obtained at appropriate operating conditions was suitable for agricultural irrigation. The addition of GAC was found to be successful in improving the treatment performance and reducing the membrane fouling.