Bira endüstrisi atıksularının anaerobik osmotik membran biyoreaktörde arıtımı
Treatment of brewery industry wastewater by anaerobic osmotic membrane bioreactor
Yazar: AHMET MURAT BACAKSIZ
Danışman: DOÇ. DR. YASEMİN KAYA ; PROF. DR. COŞKUN AYDINER
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 osmotik membran biyoreaktör (AnOMBR) sistemi için uygun çekme çözeltisi (ÇÇ) türleri belirlenerek, seçilen ÇÇ türleri ile bir bira fabrikasından temin edilen bira endüstrisi atıksuyunun AnOMBR sisteminde arıtılabilirliği araştırılmıştır. AnOMBR'nin uzun süreli işletiminden elde edilen seyreltik çekme çözeltisi (SSÇ) çıkışlarının ve üst fazın ileri arıtma kademelerinde (ultrafiltrasyon (UF), nanofiltrasyon (NF), ters osmoz (TO)) arıtılabilirliği incelenmiştir. Ayrıca, SÇÇ çıkışlarının sıvı gübre olarak çim yetiştirmede kullanılması araştırılmıştır. Temiz ve kirli ileri osmoz (İO) membranlarında gerçekleştirilen otopsi çalışmaları ile membran kirlenmesi detaylı incelenmiştir. AnOMBR'de kullanılan aşı çamuru ve reaktörlerden işletim süreci sonunda alınan çamur numunelerinde bakteri ve arke türlerinin değişimi belirlenmiştir. 
AnOMBR sistemine uygun ÇÇ türlerinin belirlenmesi amacıyla literatürde yaygın olarak kullanılan ÇÇ türleri araştırılmış ve 29 adet ÇÇ seçilmiştir. Bu ÇÇ türlerinin kimyasal maliyetleri, İO performansları, osmotik basınç ve maksimum çözünürlük değerleri ile Analitik Hiyerarşi Prosesi (AHP) analizi yapılmıştır. AHP sonuçlarına göre en uygun ÇÇ türleri olarak, Kalsiyum klorür (CaCl2), Magnezyum klorür (MgCl2), Monoamonyum fosfat (NH4H2PO4), Sodyum format (HCOONa), Sodyum klorür (NaCl), Sodyum Asetat (CH3COONa) ve Sodyum nitrat (NaNO3) seçilmiştir. Seçilen 7 farklı ÇÇ türü ve Deniz Suyu ile kesikli çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Dahili ve harici kesikli çalışmalardan elde edilen Jw ve Js değerleri, Biyolojik Metan Potansiyeli (BMP) testinden elde edilen metan (CH4) miktarları ve piyasa araştırması ile belirlenen ÇÇ maliyeti verileri ile ikinci bir AHP analizi yapılmıştır. Toplam AHP skoru sonuçlarına göre seçilen HCOONa ve CaCl2 ÇÇ türleri ile uzun süreli AnOMBR çalışması yürütülmüştür. Çalışmada kullanılan AnOMBR 5 L hacimde olup, pH: 7, Sıcaklık: 35℃ ve sonsuz çamur yaşında işletilmiştir. ÇÇ olarak HCOONa kullanıldığında, kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderim veriminin %48‒90 aralığında değiştiği ve CH4 miktarının ortalama 0.35 LCH4/gKOİ olduğu belirlenmiştir. ÇÇ olarak CaCl2 kullanıldığında ise KOİ giderim verimi %31‒54 aralığında bulunmuş ve CH4 miktarı ortalama 0.25 LCH4/gKOİ olarak belirlenmiştir. Bakteriyel ve arkeal incelemede HCOONa ile işletilen AnOMBR sisteminde arkeal türlerin daha aktif olduğu belirlenmiştir. Her iki ÇÇ ile yürütülen çalışmalarda da artan tuz konsantrasyonun çamur partikül boyutunda azalmaya ve zeta potansiyelinde artışa neden olduğu görülmüştür. Membran otopsi analizlerinde, AnOMBR (ÇÇ: HCOONa) sisteminde biriken Na+ iyonlarının çamur flok yapısının dağılmasına neden olduğu ve dağılan flok yapılarının membran yüzeyini tamamen kaplayan biyofilm tabakası oluşumunu desteklediği belirlenmiştir. AnOMBR (ÇÇ: CaCl2) sisteminde ise İO membranının daha çok sarmal yapısının üst kısımlarında kirlilik biriktiği gözlenmiştir. AnOMBR sistemi (ÇÇ: HCOONa) düşük iletkenlik üst sınır değerinde (20 mS/cm) işletildiğinde anaerobik aktivitenin ve İO performansının iyileştirildiği belirlenmiştir. Ayrıca düşük iletkenlik üst sınır değerinde reaktör üst faz çıkışlarının AnOMBR sistemine geri devrettirilmesinin mümkün olduğu belirlenmiştir. İleri arıtma çalışmalarında SÇÇ çıkışlarının 5 ve 11 kat seyreltilerek tarımsal sulamada kullanılabileceği belirlenmiştir. ÇÇ: HCOONa'ya ait SÇÇ'nin NF membranından geçirilmesi ile tarımsal sulamaya uygun su elde edilememiştir. ÇÇ: CaCl2'ye ait NF süzüntüsünün ise A SınıfIII. Kalitede olduğu görülmüştür. SÇÇ'nin TO membranından geçirilmesi ile ÇÇ: HCOONa'ya ait TO süzüntüsüsünden A SınıfIII. Kalitede ve ÇÇ: CaCl2'ye ait TO süzüntüsünden A SınıfII. Kalitede su elde edilmiştir. Bununla birlikte TO konsantresinin stok ÇÇ olarak kullanılabileceği belirlenmiştir. Reaktör üst faz çıkışlarının UF membranından geçirilmesi ile kanal deşarj standartlarında süzüntü suyu elde edilmiştir. Ancak UF konsantresinin AnOMBR sistemine geri devrinin sistemin düşük iletkenlik üst sınır değerinde çalıştırıldığında mümkün olacağı belirlenmiştir. Sıvı gübre uygulamasında yapılan AHP analizi ile CaCl2 içerikli SÇÇ çıkışlarının en iyi sıvı gübre türü olduğu belirlenmiştir. Bu tez çalışmasından elde edilen sonuçlara göre, AnOMBR'nin bira endüstrisi gibi yüksek su tüketimine sahip endüstriyel atıksuların arıtımında yenilikçi bir teknoloji olarak kullanılabileceği ortaya konulmuştur. AnOMBR sisteminden elde edilen SÇÇ çıkışlarının sıvı gübre olarak kullanımı ile faydalı bir son ürüne dönüşümü mümkün olmuştur. AnOMBR sistemi SÇÇ çıkışlarının NF ve TO membranlarında arıtılması ile tarımsal sulamaya uygun kalitede su elde edilmiştir. AnOMBR sisteminin daha düşük reaktör içi iletkenlik üst sınır değerinde (20 mS/cm) işletildiğinde, sistemde yüksek anaerobik performans ve arıtma verimliliği sağlanacağı belirlenmiştir.

Abstract:
In this thesis, treatment of beer industry wastewater in the anaerobic osmotic membrane bioreactor (AnOMBR) system was investigated with selected suitable drawing solution (DS) types. The treatibility of diluted draw solutes (DDSs) and supernatants which are obtained from long‒term operation of AnOMBR were investigated with advanced treatment methods (ultrafiltration (UF), nanofiltration (NF) and reverse osmosis (TO)). Besides, the use of DDSs as liquid fertilizer for growing grass was investigated. Membrane fouling was examined in detail by membrane autopsy analyzes on clean and fouled forward osmosis (FO) membranes. The change of bacterial and archaeological species were determined in the sludge samples which were taken from AnOMBRs at the end of operational process.
In order to determine the suitable DS types for the AnOMBR system, frequently used DS types in literature was investigated and 29 DSs were selected. Chemical costs, FO performances, osmotic pressure and maximum solubility values of those DSs were determined. Calcium chloride (CaCl2), Magnesium chloride (MgCl2), Mono‒ammonium phosphate (NH4H2PO4), Sodium formate (HCOONa), Sodium chloride (NaCl), Sodium acetate (CH3COONa) and Sodium nitrate (NaNO3) were selected as most suitable DS types with analytical hierarchy process (AHP). Batch experiments carried out with selected 7 different type of DS and sea water. A second AHP analysis was performed with Jw and Js values obtained from internal and external experiments, methane (CH4) amounts obtained from Biological Methane Potential (BMP) test and DS cost which is determined by market research. According to total AHP score, HCOONa and CaCl2 were used in a longterm AnOMBR studies. AnOMBR used in the study was operated with 5 L volume, pH: 7, temperature: 35 ℃ and infinite sludge age. Chemical oxygen demand (COD) removal efficiency was varied between 48‒90% and average CH4 amount was achieved as 0.35 LCH4/gCOD while HCOONa was used as DS. When CaCl2 was used as DS, COD removal efficiency was found between 3154% and average CH4 amount was determined as 0.25 LCH4/gCOD. More active archeal species was determined in the AnOMBR system which was operated with HCOONa according to bacterial and archaeological examination. The studies which were carried out with both DSs showed that increasing of salt concentration was caused a sludge particle size decrease and zeta potential increase. Membrane autopsy analysis revealed that Na+ ions deposited in the AnOMBR (DS: HCOONa) system caused the dispertion of the sludge floc structure and supported the formation of biofilm layer on the membrane surface. In the AnOMBR (DS: CaCl2) system, it was observed that the contamination was effective at the upper part of FO membrane's spiral structure. It was determined that anaerobic activity and FO performance were improved when the AnOMBR system (DS: HCOONa) was operated at low conductivity upper limit (20 mS/cm). Besides, it has been determined that it is possible to recycle the reactor supernatant outputs to the AnOMBR system at low conductivity upper limit. In advanced treatment studies, it was determined that DDS can be used in agricultural irrigation by diluting the outputs 5 and 11 times. Agricultural irrigation water was not achieved by DS: HCOONa's using NF membrane. However, NF permeate of DS: CaCl2 was found as A ClassIII. Quality. In addition, A Class–III. and A Class–II. Water quality were achivied with RO permeate of DS: HCOONa and DS: CaCl2, respecively. On the other hand, it was determined that RO concentrate can be used as DS stock. The channel discharge standards was obtained when reactor supernatant was treated with UF membrane. However, it has been determined that the recycle of UF concentrate to AnOMBR system could be possible when system is operated at the low conductivity upper limit.  DDS containing CaCl2 were determined the as best liquid fertilizer type by AHP analysis of liquid fertilizer application. According to the results obtained from this thesis study, AnOMBR can be used as an innovative technology in brewey industry which has high water consumption for the treatment of industrial wastewater. The use of the DDS obtained from the AnOMBR system as a liquid fertilizer has made it possible to convert them to a useful end product. When DDS were treated with NF and TO membranes, suitable water quality for agricultural irrigation was obtained. High anaerobic performance and treatment efficiencies were achieved when AnOMBR system was operated at lower reactor conductivity limit (20 mS/cm).