Süt endüstrisi atıksularının membran teknolojisi ile geri kazanımı ve deneysel tasarım uygulaması
Application of experimental design and reuse of dairy industry wastewater by membrane technology
Yazar: REYHAN HEPŞEN
Danışman: YRD. DOÇ. DR. YASEMİN KAYA
İstanbul Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2010
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Anova testi = Anova test ; Atık su = Waste water ; Deney tasarımı = Experimental design ; Membran sistemler = Membrane systems ; Membran teknolojileri = Membrane technologies ; Membranlar = Membranes ; Süt endüstrisi = Dairy industry ; Süt işletmeleri = Dairy farms ; Yeniden kazanma = Recycling ; İleri teknoloji = Advanced technology

Özet:
Bu çalışmada, süt ve süt ürünleri üreten bir fabrikanın biyolojik olarak arıtılmış deşarj atıksuyunun nanofiltrasyon ve ters ozmoz esaslı iki adımlı membran prosesi ile ileri arıtılarak geri kazanılması amaçlanmıştır. Membranların giderme verimlerinde ve meydana gelen akı kayıplarında filtrasyon şartlarının etkisi araştırılmıştır. Membranlarda meydana gelen kirlenmelerin mekanizmalarının yorumlanmasında temas açısı, ESEM ve AFM ölçümlerinden yararlanılmıştır.Deneylerin ilk adımında, 4 faktörlü ve 4 seviyeli L16 ortogonal dizinin seçildiği Taguchi deneysel tasarım yöntemi kullanılarak uygun nanofiltrayon membranı ve filtrasyon koşulları (pH, sıcaklık ve basınç) belirlenmiştir. Bu amaç doğrultusunda, membranların kirletici madde giderim verimlerinin ve kirlenme mekanizmalarının (akı kayıpları) etkileri de araştırılmıştır. Taguchi deneysel tasarımı yöntemi kullanılarak gerçekleştirilen deneylere ait sonuçların istatistiksel analizinde ANOVA yöntemi kullanılmıştır. ANOVA analizi sonucunda membran kirlenmesi parametresi olan kirlenmeden kaynaklanan akı kaybında en etkili faktörün atıksuyun pH değeri olduğu belirlenmiştir. Kirletici madde giderim verimi parametrelerinde ise; toplam sertlik, klorür ve sülfat gideriminde yalnızca membran faktörünün etkisi önemli iken, iletkenlik ve amonyak azotu faktörleri için membran ve pH faktörleri, SAK254 gideriminde ise membran, pH ve sıcaklık faktörlerinin etkisinin önemli olduğunu görülmüştür. Kirlenmeden kaynaklı akı kaybı esas alınarak bir değerlendirme yapıldığında, arıtımın ilk aşamasında kullanılacak olan nanofiltrasyon membranı Desal 5DL ve uygun filtrasyon koşulları pH=6; T=200C; ?P=12 bar olarak belirlenmiştir. Belirlenen bu deney şartlarında doğrulama deneyi yapılmıştır. Doğrulama deneyi sonrasında elde edilen toplam akı kaybı ve kirlenmeden kaynaklanan akı kaybı değerlerinin tahmini olarak hesaplanan değerlerle belli bir güven aralığı içinde uyumlu olup olmadığı belirlenmiştir. Deneylerin ikinci adımında, uygun deney koşullarında elde edilen kompozit süzüntü, proses suyu olarak kullanımına yönelik olarak, 20 ve 40 bar basınçlar altında bir ters ozmoz membranından geçirilmiştir. Ters ozmoz membranından elde edilen süzüntünün kalitesinin (T=200C; ?P=20 bar), atıksuyun temin edildiği fabrikada kullanılan proses suyunun kalitesinden daha iyi özellikte olduğu görülmüştür.Sonuç olarak, nanofiltrasyon ve ters ozmoz esaslı iki adımlı bir membran prosesi ile biyolojik olarak arıtılmış süt endüstrisi atıksuyundan proses suyu elde edilmesinin mümkün olduğu ortaya konulmuştur.

Abstract:
In this study, reuse of biologically treated dairy industry wastewater by using two-steps membrane process based on the nanofiltration and reverse osmosis advanced treatment scheme was aimed. The effect of filtration conditions on membrane removal efficiency and flux decline was investigated. Membrane fouling was also evaluated with contact angle, AFM and ESEM measurements.In the first step of treatment scheme, the suitable nanofiltration membrane type and the filtration conditions (pH, temperature and transmembrane pressure) were determined by using Taguchi experimental design. L16 orthogonal array which has four factors with four levels was selected. In addition, pollutant removal efficiencies of membranes and fouling mechanisms (flux declines) were evaluated in the first step of the treatment scheme. ANOVA method was applied for statistical analysis of the experimental results performed by using Taguchi experimental design method. As a result of ANOVA analysis, pH value of wastewater was found to be the most important factor on the flux decline caused by membrane fouling. Also, membrane, temperature and pH factors were found to be most important for SAK254 removal while membrane and pH factors were found to be most important for conductivity and ammonia nitrogen removal. In addition, membrane factor was found to be important on the total hardness, chloride and sulfate removal. The membrane type and optimum filtration conditions were determined as Desal 5DL, pH=6; T=200C; ?P=12 bar, respectively for the first step of treatment by considering flux decline caused by fouling. Confirmation experiment was performed with combination of the optimum levels. It was determined whether the observed flux decline results (total flux decline, flux decline caused by fouling) obtained from confirmation experiment are in good agreement with predicted results or not within the calculated confidence intervals. At the second step of the treatment, the composite permeate obtained from the first step was treated by using a reverse osmosis membrane under 20 and 40 bars transmembrane pressures. The permeate quality obtained from reverse osmosis membrane (T=200C; ?P = 20 bar) was found to be better than process water used in the factory that supplied wastewater.As a result, it was shown that process water could be obtained from biologically treated dairy industry wastewater by using two-steps membrane process based on the nanofiltration and reverse osmosis.