Yukarı akışlı anaerobik çamur yataklı mikrofiltrasyon osmotik membran biyoreaktör ile mezbaha atıksularının arıtımı
Treatment of slaugtherhouse wastewater by upflow anaerobic sludge blanket microfiltration osmotic membrane bioreactor
Yazar: SÜMEYYE HASANOĞLU
Danışman: PROF. DR. ZEREN BERİL ÖZÇELEP ; PROF. DR. İLDA VERGİLİ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu doktora tez çalışmasında, mezbaha atıksularının arıtılmasında yukarı akışlı anaerobik çamur yataklı mikrofiltrasyon osmotik membran biyoreaktör (UASB MF-OMBR) sisteminin performansının araştırılarak; elde edilen arıtma performansı, akı değişimi, mikrobiyal topluluk değişimleri ve membran kirlenmesi sonuçlarının bir anaerobik mikrofiltrasyon osmotik membran biyoreaktörü (AnMF-OMBR) ile karşılaştırılması amaçlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında sistemler farklı çekme çözeltisi (ÇÇ) konsantrasyonlarında (0,47 M, 1 M ve 1,5 M) işletilerek; artan ÇÇ konsantrasyonunun sistem performansı üzerindeki etkileri araştırılmış ve kritik ÇÇ konsantrasyonu belirlenmiştir. Farklı ÇÇ konsantrasyonlarında işletilen sistemlerde, artan ÇÇ konsantrasyonu ile arıtma performansının azalarak; kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderim veriminin 0,47 M, 1 M ve 1,5 M ÇÇ konsantrasyonları için AnMF-OMBR'de %41–23; UASB MF-OMBR'de %43–26 aralığında olduğu belirlenmiştir. 0,47 M, 1 M ve 1,5 M ÇÇ konsantrasyonu ile işletilen sistemlerde metan üretiminin de AnMF-OMBR'de 0,19–0,14 L CH4/g KOİgiderilen aralığında; UASB MF-OMBR'de 0,24–0,19 L CH4/g KOİgiderilen aralığında olmak üzere artan ÇÇ konsantrasyonu ile azaldığı görülmüştür. KOİ rejeksiyonunun her iki biyoreaktörde de ÇÇ konsantrasyonu artışından etkilenmediği belirlenmiş ve tüm işletim süresi boyunca yüksek KOİ rejeksiyonları (>%93) elde edilmiştir. NH4+-N rejeksiyonları artan ÇÇ konsantrasyonu ile azalış gösterirken (AnMF-OMBR'de %87–79; UASB MF-OMBR'de %91–81); PO4-3-P rejeksiyonu önemli bir değişim sergilememiştir (her iki sistem için de >%91). Farklı ÇÇ konsantrasyonlarında işletilen sistemlerde işletim sonunda sistemlerden çıkarılan kirli ileri osmoz (İO) membranlarında gerçekleştirilen Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), atomik kuvvet mikroskopisi (AFM), taramalı elektron mikroskobu-enerji yayılımlı X–Işını (SEM-EDX) ve konfokal lazer taramalı mikroskop (CLSM) analizleri sonucunda membran kirlenmesinin artan ÇÇ konsantrasyonu ile daha şiddetli hale geldiği belirlenmiştir. Farklı ÇÇ konsantrasyonlarında işletilen sistemlerde ÇÇ konsantrasyonunun akı değerlerine etkisi incelenmiştir. 0,47 M, 1 M ve 1,5 M ÇÇ ile işletilen sistemlerde başlangıç akı değerleri AnMF-OMBR'de sırasıyla 8,7 L/m².saat, 9,0 L/m².saat ve 10,6 L/m².saat; UASB MF-OMBR'de sırasıyla 10,63 L/m².saat, 11,20 L/m².saat ve 11,74 L/m².saat olarak belirlenmiştir. ÇÇ konsantrasyonu artışı ile sistemlerde başlangıç akı değerlerinin yükseldiği bununla birlikte işletim süresince akı düşüşünün daha fazla olduğu görülmüştür. İO performansı, anaerobik performans, su geri kazanımı, mikrobiyal inhibisyon ve işletim süresi parametreleri esas alınarak yapılan analitik hiyerarşi prosesi (AHP) analizi sonucuna göre, 0,47 M ÇÇ konsantrasyonu kritik ÇÇ konsantrasyonu olarak belirlenmiştir. Ayrıca, sistemlerdeki mikrobiyal topluluğun tuzluluk birikiminden, yüksek serbest amonyaktan ve düşük organik yükleme hızından (OYH) etkilendiği tespit edilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, çalışmanın ilk aşamasında belirlenen 0,47 M ÇÇ konsantrasyonunda işletilen AnMF-OMBR ve UASB MF-OMBR sistemlerinde, KOİ konsantrasyonu artışının (5000 mg/L ve 7500 mg/L) sistemlerin performansları üzerindeki etkisi araştırılmıştır. KOİ konsantrasyonunun 5000 mg/L'den 7500 mg/L'ye çıkarılması ile atıksuda toplam Kjeldahl azotu (TKN) konsantrasyonunun 780 mg/L'den 1300 mg/L'ye yükseldiği tespit edilmiştir. Atıksuyun KOİ konsantrasyonunun artırılması ile artan NH4+-N ile özellikle AnMF-OMBR'de arıtma performansında azalma gözlenmiştir (%54–67). UASB MF-OMBR'de ise, proses performansının KOİ artışına bağlı NH4+-N artışından daha az etkilendiği tespit edilmiştir (%70). KOİ rejeksiyonu KOİ konsantrasyonu artışından etkilenmemiş ve her iki sistemde de >%92 olarak elde edilmiştir. Metan üretimi de artan NH4+-N konsantrasyonundan etkilenerek azalmış ve çalışma sonunda AnMF-OMBR'de 0,16 L CH4/g KOİgiderilen, UASB MF-OMBR'de 0,18 L CH4/g KOİgiderilen olarak belirlenmiştir. Artan KOİ konsantrasyonları ile süpernatant NH4+-N konsantrasyonları da artış göstermiş ve bu durum biyoreaktörlerde anaerobik aktivitede inhibisyona sebep olmuştur. NH4+-N rejeksiyonları 5000 mg/L ve 7500 mg/L KOİ konsantrasyonlarında AnMF-OMBR'de sırasıyla %66 ve %64; UASB MF-OMBR'de %69 ve %72 olarak elde edilmiştir. Her iki sistemde de benzer yüksek PO4-3-P rejeksiyonları (>%89) elde edilmiştir. Başlangıç akı değerleri, 5000 mg/L ve 7500 mg/L KOİ konsantrasyonları ile işletimde AnMF-OMBR'de 9,61–5,99 L/m2·saat; UASB MF-OMBR'de 9,96–6,79 L/m2·saat olarak tespit edilmiştir. Kirli İO membranlarında gerçekleştirilen otopsi analizleri (FTIR, AFM, SEM-EDX) sonucunda, daha iyi arıtım performansı ve akı eldesinin gerçekleştiği UASB MF-OMBR'de membran kirlenmesinin AnMF-OMBR'ye göre daha az olduğu belirlenmiştir. NGS analizi sonucunda, artan KOİ konsantrasyonları ile işletim koşullarından (düşük OYH ve yüksek NH4+-N konsantrasyonu) mikrobiyal topluluğun etkilenerek metan üretiminin hidrojen ve karbondioksitten çok asetat yoluyla üretildiği tespit edilmiştir. Ayrıca, hem farklı ÇÇ konsantrasyonlarında hem de farklı KOİ konsantrasyonlarında işletilen sistemlerde strüvit ve MgPO4- çökelmesi meydana gelmiştir. Sonuç olarak, bu doktora tezi çalışmasında, mezbaha endüstrisi atıksularının yenilikçi UASB MF-OMBR sistemi ile etkili bir şekilde arıtılabileceği belirlenmiştir. UASB MF-OMBR sistemi AnMF-OMBR ile karşılaştırıldığında, konfigürasyonu sebebiyle özellikle akı performansı ve membran kirlenmesi açısından daha iyi bir performans sergilediği, tuz ve amonyak inhibisyonlarına karşı daha az duyarlı olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
In this study, it was aimed to investigate the performance of the upflow anaerobic sludge blanket microfiltration osmotic membrane bioreactor (UASB MF-OMBR) system in the treatment of slaughterhouse wastewater and to compare the results of treatment performance, flux variation, microbial community shift, and membrane fouling with an anaerobic microfiltration osmotic membrane bioreactor (AnMF-OMBR). In the first stage of the study, the effects of increasing draw solution (DS) concentration on system performance were determined by operating the systems at different DS concentrations (0,47 M, 1 M, and 1,5 M) and the critical DS concentration was determined. In the systems operated at different DS concentrations, treatment performance decreased with increasing DS concentration, resulting in chemical oxygen demand (COD) removal efficiency of 41–23% in the AnMF-OMBR and 43–26% in the UASB MF-OMBR for 0,47 M, 1 M, and 1,5 M DS concentrations. In the systems operated at 0,47 M, 1 M, and 1,5 M DS concentration, the methane production decreased with increasing DS concentration and was in the range of 0,19–0,14 L CH4/g CODremoved in the AnMF-OMBR and 0,24–0,19 L CH4/g CODremoved in the UASB MF-OMBR. It was determined that COD rejection was not affected by the increasing DS concentration in both bioreactors and high COD rejections (>93%) were obtained throughout the entire operating period. While NH4+-N rejections decreased with increasing DS concentration (87–79% in the AnMF-OMBR; 91–81% in the UASB MF-OMBR), PO43--P rejections did not show a significant change (for both systems >91%). As a result of Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), atomic force microscopy (AFM), scanning electron microscopy-energy diffusive X-ray (SEM-EDX), and confocal laser scanning microscopy (CLSM) analyses performed on the fouled forward osmosis (FO) membranes operated at different DS concentrations, it was determined that the membrane fouling became more severe with increasing DS concentration. The effect of DS concentration on flux values was examined in the systems operated at different DS concentrations. Initial flux values (Jw) in the systems operated at 0,47 M, 1 M, and 1,5 M DS were 8,7 L/m².h, 9,0 L/m².h and 10,6 L/m²h in the AnMF-OMBR, respectively, and 10,63 L/m².h, 11,20 L/m².h and 11,74 L/m².h in the UASB MF-OMBR, respectively. It was observed that with the increasing DS concentration, JW values in the systems increased, but the flux decrease was greater during the operation. According to the results of the analytical hierarchy process (AHP) analysis based on FO performance, anaerobic performance, water recovery, microbial inhibition, and operation time parameters, 0,47 M DS concentration was determined as the critical DS concentration. Additionally, it was found that the microbial community in the systems was affected by salinity build-up, high free ammonia, and low organic loading rate (OLR). In the second stage of the study, the effect of COD concentration increase (5000 mg/L and 7500 mg/L) on the performance of the AnMF-OMBR and UASB MF-OMBR systems operated at 0.47 M DS concentration was investigated. It was determined that by increasing the COD concentration from 5000 mg/L to 7500 mg/L, the total Kjeldahl nitrogen (TKN) concentration in the wastewater increased from 780 mg/L to 1300 mg/L. It was observed that the treatment performance deteriorated (54–67%), especially in the AnMF-OMBR, by increasing NH4+-N due to the increasing COD concentration of wastewater. In the UASB MF-OMBR, it was determined that anaerobic activity was less affected (70%) by the increase in the COD. The COD rejection was not affected by the increase in the COD concentration and was >92% in both systems. Methane production also decreased as a result of the increasing NH4+-N concentration. It was determined as 0,16 L CH4/g CODremoved in the AnMF-OMBR and 0,18 L CH4/g CODremoved in the UASB MF-OMBR at the end of the study. With increasing COD concentrations, supernatant NH4+-N concentrations also increased, and this caused inhibition of anaerobic activity in the bioreactors. NH4+-N rejections were achieved as 66% and 64% in the AnMF-OMBR and 69% and 72% in the UASB MF-OMBR, respectively, at 5000 mg/L and 7500 mg/L COD concentrations. Similar high PO43--P rejections (>89%) were obtained in both systems. Initial flux values were determined as 9,61–5,99 L/m².h in the AnMF-OMBR and 9,96–6,79 L/m².h in the UASB MF-OMBR in operation with COD concentrations of 5000 mg/L and 7500 mg/L. As a result of autopsy analyses (FTIR, AFM, SEM-EDX) performed on the fouled FO membranes, it was determined that membrane fouling was less in the UASB MF-OMBR, where better treatment performance and flux were obtained than in the AnMF-OMBR. As a result of NGS analysis, it has been determined that the microbial community was affected by increasing COD concentrations and operating conditions (low OLR and high NH4+-N concentration), and the methane production was produced through acetate rather than hydrogen and carbon dioxide. Additionally, struvite and MgPO4- precipitation occurred in the systems operated at both different DS and COD concentrations. As a result, in this study, it was determined that slaughterhouse industry wastewater can be effectively treated with the innovative UASB MF-OMBR system. Compared to the AnMF-OMBR system, it was determined that the UASB MF-OMBR system showed better performance due to its configuration, especially in terms of flux performance and membrane fouling, and was less sensitive to salt and ammonia inhibitions.