Gemilerden kaynaklanan petrol ve petrol türevli atık kabul tesislerinin atıksularının arıtılması
Treatment of wastewater from shipboard petroleum waste and derivatives reception plant
Yazar: ELİF SEKMAN
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET SİNAN BİLGİLİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmanın amacı, karakteristik özellikleri oldukça değişken olan gemilerden kaynaklanan petrol ve petrol türevli atık kabul tesislerinin atıksularının (sintine suyu) kapsamlı bir karakterizasyonunun gerçekleştirilmesi ve bu atıksuların membran proseslerle arıtılabilirliğinin araştırılmasıdır.
Çalışmanın 1. kısmında, 2010-2015 yılları arasında İSTAÇ A.Ş. tarafından işletilmekte olan Haydarpaşa Atık Kabul Tesisi'ne gelen 29 farklı ham sintine suyu örneğinde 31 parametrenin analizi ile karakterizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Ayrıca 7 farklı numunede partikül boyut dağılım analizleri gerçekleştirilmiştir. Karakterizasyon çalışmalarından elde edilen sonuçlara göre AKM konsantrasyonu ortalama 257 mg/L (13-936 mg/L); yağ-gres konsantrasyonu ortalama 147 mg/L (7-736 mg/L); KOİ konsantrasyonu ise ortalama 1.086 mg/L (240-2.783 mg/L) olarak belirlenmiştir. Çalışma kapsamında analiz edilen diğer parametrelerde de benzer şekilde çok geniş bir aralıkta değişimler gözlenmiştir.
Optimizasyon ve uygulanabilirlik çalışmaları, MF, UF ve NF proseslerinin ayrı ayrı uygulanabildiği laboratuvar ölçekli, paslanmaz çelik bir membran sisteminde gerçekleştirilmiştir. Optimizasyon ve uygulanabilirlik çalışmaları boyunca atıksu debisi 4,17 L/dk, sıcaklık 20oC, çapraz akış hızı 2,19 m/sn ve besleme hacmi 10 L olarak sabit tutulmuştur. Çalışmalarda PES malzemeden üretilmiş, farklı por çapına sahip 1 adet MF, 2 adet UF ve 2 adet NF plaka tipi membran kullanılmıştır.
Çalışmanın 2. kısmında, S1 sintine suyu numunesi kullanılarak iki farklı membran konfigürasyonuyla (kaba filtre+UF+NF ve MF+NF) optimizasyon çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Akı, tıkanma boyutları, geri kazanım, işletme süresi ve çıkış suyu kalitesi göz önünde bulundurularak her bir arıtım konfigürasyonu için membran türü, optimum basınç ve VRF değerleri belirlenmiştir. Buna göre kaba filtre+UF+NF kombinasyonunda UF membran için UP150P membran, 2 bar basınç ve VRF 5 değeri; NF membran için ise NP010P membran, 16 bar basınç ve VRF 5 değerleri optimum değerler olarak belirlenmiştir. MF+NF kombinasyonunda ise MP005P membran, 2 bar basınç ve VRF 5 değeri; NF membran için ise NP010P membran, 16 bar basınç ve VRF 5 değeri optimum değerler olarak belirlenmiştir.
Çalışmanın 3. aşamasında S1 sintine suyunun arıtımı ile elde edilen optimum değerler S2 sintine suyunun membranla arıtımında kullanılmış ve akı, yüzeysel kirlenme, çıkış suyu kalitesi, tıkanmanın türü ve boyutları, AFM görüntüsü, SEM-EDS ve dane boyut analizleri ile sintine suyunun membranlarla arıtımının uygulanabilirliği araştırılmıştır. Yapılan çalışmalar sonucunda bütün setler sonunda AKM giderim verimleri ortalama %93,0 olarak ölçülmüştür. Yağ ve gres konsantrasyonu bütün setler sonunda 10 mg/L'nin altında, KOİ konsantrasyonu ise 80 mg/L'nin altında ölçülmüştür.   Arıtım çalışmaları sonunda kirli membranlarda yapılan elementel analizlerde membranların yüzeylerinde magnezyum, alüminyum, vanadyum, demir, bakır, çinko, potasyum, fosfor ve silisyum elementlerine rastlanmıştır. Çıkış suyu kalitesinde büyük farklar görülmemesine karşın, ham sintine suyunun kaba filtre sonrasında UF+NF membran kombinasyonuyla arıtılmasının işletme süresini kısalttığı, membranın akısını yükselttiği, akı kaybını düşürdüğü, membran yüzeyindeki kirlilik birikimini azalttığı belirlenmiştir.
Deneysel çalışmalardan elde edilen tüm veriler göz önünde bulundurulduğunda, kaba filtreden sonra UF+NF membran kombinasyonunun gemi kaynaklı petrol ve petrol türevli atıksuların arıtımında etkili, verimli ve uygulanabilir bir arıtma metodu olduğu sonucuna varılmıştır.
Sonuç olarak, kaba filtre+UF+NF membran arıtım kombinasyonunun gemi kaynaklı petrol ve petrol türevli atıksularının arıtımında etkili, verimli ve uygulanabilir bir arıtma metodu olduğuna karar verilmiştir. Bu ve benzer membranlarla, daha ufak gözenek boyutuna sahip kaba filtreler kullanılarak ve/veya emülsiye yağın giderilebileceği farklı ön arıtım metotlarıyla akı, akı kaybı, membran kirlenmesi ve çalışma süresi gibi parametrelerde iyileşmeler elde edilebileceği sonucuna varılmıştır.

Abstract:
The purpose of this study is a detailed characterization of wastewater (bilge water) from shipboard petroleum waste and derivatives reception plant was performed and the treatability of wastewater by membrane processes and applicability of treatment method were investigated.
In the first part of the study, characterization studies with 31 parameters were performed on 29 raw bilge water samples, provided between 2010 and 2015 from ISTAC A.S. Haydarpasa Waste Reception Plant. Particle size distribution analyses were also performed in 7 different samples. According the results of characterization studies, average SS concentration was 257 mg/L (13-936 mg/L); average oil & grease concentration was 147 mg/L (7-736 mg/L); and average COD concentration was 1,086 mg/L (240-2,783 mg/L). Similar tendencies in other parameters was also observed and concentrations were varied in a wide range.
Wastewater flowrate, temperature, crossflow velocity, and feeding volume were constant as 4.17 L/min, 20oC, 2.19 m/s, and 10 L during optimization and applicability studies. In studies, 1 MF (MP005P), 2 UF (UP150P and UP020P), and 2 NF (NP010P and NP030P) PES flatsheet membranes with different pore sizes were used.
In the second part of the study, optimization studies were performed with two different membrane configurations (coarse filtration+UF+NF and MF+NF) using S1 bilge water. Membrane type, optimal pressure and VRF value were determined for each configuration while considering flux, flux loss, membrane fouling, recovery, process time and effluent quality. According to the results, UP150P membrane, 2 bars pressure and VRF 5 value for UF membrane; NP010P membrane, 16 bars pressure and VRF 5 value for NF membrane were determined as optimal conditions for coarse filtration+UF+NF configuration. MP005P membrane, 2 bars pressure and VRF 5 value for MF membrane; NP010P membrane, 16 bars pressure and VRF 5 value for NF membrane were determined as optimal conditions for the MF+NF configuration.
In the third part of the study, optimum conditions determined during the treatment of S1 bilge water were used to treat S2 bilge water and treatibility of bilge water by membrane processes were determined in the consideration of flux, surface fouling, effluent quality, fouling type and fouling magnitude, AFM images, SEM-EDS and particle size distribution analyses. The results of all treatment steps showed that average removal efficiency of SS was 93.0%. Oil & grease and COD were below 10 mg/L and 80 mg/L at the end of all treatment steps, respectively. Magnesium, aluminum, vanadium, iron, copper, zinc, potassium, phosphorus, and silicon elements were found on the surfaces of polluted membranes of each treatment step by elemental analyses. Even though no big differences were observed in effluent quality, coarse filtration afterwards UF+NF membrane treatment configuration shortened process time, increased flux, decreased flux loss and decreased pollution deposition on membrane surface.
As a conclusion, coarse membrane+UF+NF membrane treatment configuration is a viable, efficient and applicable membrane treatment method to treat wastewater from shipboard petroleum waste and derivatives. It is also concluded that it is possible to achieve better recovery in the parameters as flux, flux loss, membrane fouling and process time by using smaller pore sized coarse membranes and/or different pre-treatment methods to eliminate emulsified oil.