Membran biyoreaktörlerde (MBR) tıkanma kontrolü için titreşim uygulamaları
The vibration applications for fouling control of the membrane bioreactors (MBR)
Yazar: MERVE YILMAZ
Danışman: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2016
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Evsel atık su = Domestic sewage ; Mekanik titreşim = Mechanical vibration ; Ultrafiltrasyon = Ultrafiltration

Özet:
Dünyamızın % 70'inin su olduğu bilinen bir gerçektir. Bu şekilde bakıldığında suya ulaşımın çok zor olmayacağı kanısına varılabilir. Fakat, yeryüzü sularının yalnızca % 2,5'u tatlı su kaynaklarını oluşturmaktadır. Su kaynaklarının yanlış kullanımı ve bilinçsizce kirletilmesi, zaten yeterince az olan mevcut su oranının daha da azalmasına neden olmaktadır. Dünyada genel olarak varlığını ciddi bir konumda koruyan su sorunu, Ortadoğu ülkelerinde ciddi boyutlara ulaşmıştır. Yaşanılan bu sıkıntı, su ve atıksu arıtımına verilen önemi arttırmıştır. Son yıllarda, mevcut arıtma sistemlerinin zaman zaman suyu istenilen kaliteye ulaştırabilmek için yetersiz kalması, su ve atıksu arıtımı konusunda yeni teknoloji arayışlarının hızlanmasına ve bu konuda yapılan çalışmaların yaygınlaşmasına yol açmaktadır. Bu bağlamda çalışmalar yapılan teknolojilerden biri de membran proseslerdir. Membran, iki fazı birbirinden ayırmak için kullanılan geçirgen veya yarı geçirgen olarak farklılık gösterebilen seçici bir malzeme olarak tanımlanabilmektedir. Bahsedilen iki faz atıksuda, katı-sıvı fazdır.
Membran prosesler birçok özellik bakımından sınıflara ayrılabilir. Bunlardan biri por çapıdır. Por çapına göre membranlar; mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon ve ters osmoz olarak sınıflandırılabilir. Bu membranlar kullanım alanlarına göre; kolloidleri, yağ moleküllerini, büyük molekül ağırlığına sahip organikleri, şeker ve bazı multivalent tuzları, çözünmüş katıları hatta bakteri, virüs ve diğer mikropları tutabilmektedir. Özellikle bakteri, virüs ve mikropların tutulması içme suyu arıtımında çok önemli bir etmendir.
İlk etapta membran prosesler birçok açıdan pahalı olmasına rağmen, membran üretim firmalarının sayısının ve membran üzerinde yapılan çalışmaların artması membranın kullanım alanınını genişletmiştir. Böylece membranın çeşitli alanlarda özellikle su arıtımında uygulanabilirliğininin de önü açılmıştır.
Membran proseslerin kullanıldığı bir alan da membran biyoreaktör (MBR)'lerdir. Membran biyoreaktörler aktif çamur sistemlerinde ayrı tanklarda yapılan biyokimyasal oksidasyon ve su ile biyokütle ayrımını tek bir tank içerisinde gerçekleştirebilmektedir. Klasik aktif çamur sistemleriyle benzerlik gösteren MBR sistemleri, biyolojik arıtımın dışında ayrıca arıtılan suyun membrandan filtrasyon işlemi gerçekleştiği için daha kaliteli bir çıkış suyu elde edilebilmektedir. MBR'ler; yüksek MLSS' lerde çalışmaya uygunluk, son çökeltim havuzu ihtiyacını ortadan kaldırma, daha kaliteli su çıkışı sağlayabilme, alan ihtiyacından tasarruf edebilme gibi özellikleri nedeniyle aktif çamur sistemlerine kıyasla avantajlı bir prosetir.  Fakat, bütün bunların yanında tüm proseslerde olduğu gibi MBR^lerin de bazı dezavantajları mevcuttur. Bu dezavantajlardan en önemlisi ve maliyet açısından en çok öne çıkanı MBR'lerdeki tıkanma problemidir.
Membran tıkanmalarının giderilmesi için fiziksel ve kimyasal temizleme yöntemleri mevcuttur. Fiziksel temizleme yöntemleri olarak; membranların suyla yada su-hava karışımıyla geri yıkanması ve membran üzerindeki kirliliğin hava ile sıyrılması gösterilebilir. Fiziksel temizleme yöntemlerinin yetersiz kaldığı zamanlarda ise kimyasal temizleme uygulanır. Kimyasal temizleme ise, bazı belirli kimyasal çözeltileri ile membranın yıkanması olarak düşünülebilir. Bu temizleme periyotları sırasında sistemin durdurulması gerektiğinden, ayrıca temizleme sırasında uygulanan kimyasal sarfiyatı ve uygulanan havadan dolayı işletme maliyeti artmaktadır. 
Mevcut fiziksel ve kimyasal temizleme yöntemlerinin yanı sıra, yeni temizleme ve tıkanmayı önleme metodları aranmaktadır. Tıkanmayı önleyici ve/veya azaltıcı yeni yöntemlerden biri de titreşim uygulamalarıdır.
Bu bağlamda yeni bir teknoloji olan titreşimli kayma gerilimli sistemleri öne çıkan bir konu olmuştur. Partiküllerin porlardan filtrasyon solüsyonuna geri transferi sonucu daha yüksek kayma gerilimi gücü  daha düşük kirlenme oranına sebep olur.  Üstelik membran yüzeyinde oluşan hız kritik akıyı artırır ve kirlenmeyi azaltır. Bu sistemlerin rotasyonel, çaprazlama ve boylamasına motor sürücülü yada manyetik itme çekmeli sürücülü olan farklı türleri vardır. Tüm bu teknikler  membran yüzeyindeki kayma gerilimini geliştirme üzerine geliştirilmiştir.
Bu tez kapsamında, titreşimli kayma gerilimli sistemlerin MBR sistemleri içerisinde uygulaması denenmiştir. Literatürde bu uygulamaların denendiği bir çok çalışma vardır, fakat; kullanılan titreşim kaynağı, titreşim türü, izlenilen parametre (akı değişimi, kritik akı değişimi, genlik değişimi vb.) açısından farklılaştırılan bu çalışmalardan iki tanesi tez kapsamında yapılan çalışmayla parallellik göstermektedir. Yapılan çalışmalarda sadece bir titreşim kaynağının etkisi denenirken, bu çalışmada iki farklı titreşim kaynağı kullanılarak karşılaştırılması yapılmıştır.

Abstract:
It is a known fact that 70% of our water world. When viewed in this way, it is assumed access to water can be very easy. However, they constitute only 2.5% of the fresh water resources of surface water.  Misuse of water resources and pollution of it unconsciously cause a further reduction of current water rates which is already low enough. Water problem which is existence of serious position in the world has reached more serious proportions in the Middle Eastern countries. This problem led to increase of importance give to water and wastewater treatment. In recent years, inadequate the required quality of existing water treatment systems from time to time leads to accelerate the search for new technologies in water and wastewater treatments and became widespread of studies on this subject. One of the technologies which is studying this regard are membrane processes. The membrane can be defined as selective material which can be vary as permeable or semi-permeable for using to seperate two phases from each other. It said two phase the solid-liquid phase in wastewater.
Membrane processes are divided into classes in terms of many features. One of these is the pore diameter. According to pore diameter membranes can be classified.as; microfiltration, ultrafiltration, nanofiltration and reverse osmosis.  These membranes can hold colloids, fat molecules, with a large molecular weight organics, sugar and some multivalent salts, dissolved solids and even bacteria, viruses and other microbes according to usage areas. Especially, the holding of bacteria, virus and microbes is very important factor as drinking water treatment.
At the fisrt stage, although membrane processes expensive in many aspects, increasing number of studies on the membrane and also membrane production companies has expanded the membrane usage areas. Thus, the applicability of membranes on various fields especially water treatment is opened up.
One of the another area used as membrane processes is membrane bioreactors (MBR). Membrane bioreactors can be carried out biochemical oxidation and seperation of water and biomass which are carried out seperate tanks in activated sluge systems in the single tank. The MBR systems which are similar with conventional activated sludge systems can obtain more quality effluent because of that MBR systems can biological treatment also filtration of treatment water from membrane. MBR's are more advantage process compared to activated sludge systems in many aspects which are the suitability of high MLSS concentration, the eleminate of secondary clarifiers, suppying of more quality efflents and minimization of the area demand. However, MBR's have also some disadvantages like all other processes. The important one of these disadvantages is membrane fouling.
There are physical and chemical cleaning methods to remove membrane fouling. The backwashing of membranes with water or water-air mixture and air-stripping are examples of physical cleaning methods. When physical cleaning methods are inadequate, chemical cleaning methods are applied. Chemical cleaning methods can be defined as wahing membranes with some specific chemical solutions. At this cleaning periots, the system should be stoppped. Because of this and also the comsuption of chemical and air while cleaning of membranes operating cost increases.
As well as existing physical and chemical cleaning methods, new cleaning and  also fouling precaution methods are searched. One of the new method of fouling prevention and / or reduction is vibration applications.
In this context, vibration systems with shear stress has been a outstanding subject. With the back transfer to filtration solution from pores of particules, higher shear stress power causes a lower rate of contamination. Moreover, the velocity on membrane surface increases the critical flux and decreases fouling. There are different types systems; rotational, cross,  longitudinal and engine driving and magnetic driving. All of these techniques have been developed on development of the shear stress on the membrane surface.
This thesis has been tested application of vibration systems with shear stress in MBR systems. In the literature there are many studies that tested these applications, however; two of them which are made different in terms of  vibration source, vibration type, the parameter following (flux change, critical flux change, amplitude change, etc.) are similar to this thesis study. In studies has been tested the effect of a vibration sources, but,  in this study also it is compared using two different vibration source.