Yüksek organik kirlilik içeren süt endüstrisi atıksularının farklı anaerobik reaktör konfigürasyonlarında arıtılması ve enerji üretilmesi
Treatment of high strength dairy industry wastewater and energy production in different anaerobic reactor configurations
Yazar: KAYA ÇAKMAK
Danışman: PROF. DR. NURİYE ALTINAY PERENDECİ
Akdeniz Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı, peynir üretimi sırasında oluşan peynir altı suyundan (PAS) laktoz üretim prosesinde açığa çıkan süt endüstrisi kaynaklı yüksek organik kirlilik içeren ve delaktoz olarak isimlendirilen atıksuyun mezofilik koşullarda anaerobik parçalanma prosesi ile tam karışımlı yarı sürekli beslemeli anaerobik reaktör sistemi (s-CSTR) ve anaerobik membran biyoreaktörde (AnMBR) arıtılması ve metan üretim potansiyelinin karşılaştırılmasıdır. Tez kapsamında, s-CSTR ve AnMBR sistemi olmak üzere farklı reaktör konfigürasyonlarında ve farklı organik yükleme hızlarında (OLR) proses çalışma koşullarının, delaktoz arıtma ve metan üretim performansına olan etkileri incelenmiştir. Ayrıca, AnMBR sisteminde farklı organik yükleme hızlarının membran tıkanma mekanizması üzerine etkileri de detaylı olarak araştırılmıştır.
Tez çalışmasında atıksu olarak kullanılan delaktoz temin edilmiş ve detaylı karakterizasyon analizleri yapılmıştır. Asidik (pH 5,12) bir sıvı olan delaktozun %22,5 katı madde ve %14,28 laktoz içerdiği tespit edilmiştir. Toplam ve çözünmüş KOİ değerleri sırasıyla 235±3,4 ve 213±1,1 g/L olarak belirlenmiştir. Yüksek kirlilik yüküne sahip delaktozun yüksek organik içeriği, delaktozun anaerobik arıtma için uygun bir substrat olduğunu ortaya çıkartmıştır.
s-CSTR sisteminde, atıksu giriş KOİ'si 2, 3, 4 ve 5 g/L olacak şekilde dört farklı konsantrasyon incelenmiştir. 110 gün çalıştırılan s-CSTR'de KOİ giderim verimleri sırasıyla %91,1, 90,9, 89,3 ve 87,6 olarak bulunmuştur. Artan atıksu KOİ konsantrasyonu ile KOİ giderim verimi düşmüştür. Ayrıca, sistemde KOİ birikimi tespit edilmiştir. Elde edilen metan üretim verimleri ise sırasıyla 86,6, 119,3, 89,0 ve 58,1 mL CH4/gKOİgiderilen olarak bulunmuştur. En yüksek metan üretim verimi 3 g/L KOİ konsantrasyonunda elde edilirken, 5 g/L KOİ konsantrasyonunda metan üretim verimi %50 düşmüştür. Metan üretim verimindeki düşüşün, yarı sürekli modda işletilen reaktörde delaktoz kaynaklı iyon birikmesi ve inhibisyon nedeniyle olduğu saptanmıştır. Sistemde biriken Cl- ve NH4+ iyonlarının anaerobik prosesi inhibe edebilecek miktarda olmadığı, ancak özellikle K+ (6704 ppm; yüksek miktarda biriken ) ve Na+ iyonlarının inhibisyona katkısı olduğu tespit edilmiştir.
AnMBR sistemi 1,6, 3,4, 4,3 ve 6,8 kg/m3gün olmak üzere dört farklı organik madde yükleme hızında (OLR), sabit atıksu arıtma proses parametrelerinde (Hidrolik alıkonma süresi-HRT: 3 gün, Akı: 5 LMH ve Çamur yaşı-SRT: ∞) toplam 169 gün çalıştırılmıştır. Metan üretim verimleri sırasıyla 299,4, 174,9, 305,2 ve 258,8 mLCH4/KOİgiderilen olarak tespit edilmiştir. En yüksek metan üretim verimi 4,3 OLR'de elde edilmiş ve teorik metan üretim veriminin %79'una ulaşılmıştır. AnMBR sisteminin KOİ giderme ve metan üretim verimi açısından s-CSTR sisteminden daha iyi performans sergilediği görülmüştür. KOİ giderim verimi s-CSTR sisteminin aksine, artan OLR ile artmış ve her OLR koşulunda %98,8'den yüksek KOİ giderim verimi elde edilmiştir.
AnMBR sisteminde, membran kirlenme mekanizmasının incelenmesi amacıyla çamur numunelerine EPS ve SMP, CST, SRF ve partikül boyutu dağılımı analizleri yapılmıştır. Farklı OLR'lerde işletilen membranlar, deneme bitiminde sistemden çıkarılarak yüzeyleri SEM ve FTIR ile incelenmiş ve ağır metal ile katyon analizleri yapılmıştır. AnMBR sisteminde artan OLR'nin membran tıkanma mekanizması üzerine etkileri incelendiğinde, kirlenme mekanizmasında önemli faktörden olan SMPc ve SMPp içeriğinin, artan OLR ile arttığı belirlenmiştir. Ayrıca, artan OLR ile CST ve normalize CST değerleri de artmıştır. Bu, anaerobik reaktör içeriğinin daha zor filtre edilebilir hale geldiğini göstermekte ve dolayısıyla daha sık membran tıkanması gerçekleşebileceğini ifade etmektedir. Bir diğer parametre SRF ise OLR artışı ile artan bir eğilim göstermiştir. SRF değerinin artması daha sıkı ve daha düşük gözenekli kek tabakası oluşumu anlamına gelmektedir. Membranın, 4,3 ve 6,8 kg /m3gün OLR'de 1,6 ve 3,4 OLR'den daha fazla tıkanması, işletim süresince artan SMPc, SMPp CST ve SRF parametreleri ile desteklenebilir niteliktedir. Anaerobik çamurun partikül boyutu analizlerinde, 3,4, 4,3 ve 6,8 kg/m3gün OLR'de ortalama partikül boyutlarının membran gözenek çapından yüksek olduğu tespit edilmiş ve membran tıkanma mekanizmasının kek tabakası oluşumu şeklinde olduğuna karar verilmiştir. En yüksek tıkama potansiyeli olan OLR'nin en küçük partikül boyutu dağılımına sahip olan 4,3 kg/m3gün OLR olduğu belirlenmiştir. 3,4, 4,3 ve 6,8 kg/m3gün OLR'lerde kullanılan membranların SEM görüntüleri incelendiğinde tüm OLR koşulları için kirlenme mekanizmasının kek tabakası şeklinde olduğu, kek tabakasının yoğun ve gözeneksiz yapıda olduğu sonucuna ulaşılmıştır. FTIR analizlerinde ise membran yüzeylerinin karbonhidrat ve protein yapıda organik kirleticilerle kaplandığı görülmüştür. Organik yapının dışında kek tabakasında K+ ve Ca+ iyonlarının inorganik yapıyı oluşturan temel elementler olduğu bulunmuştur.

Abstract:
The aim of this thesis is the treatment of delactosed whey permeate (DWP) by anaerobic digestion process at mesophilic conditions in two different reactor configurations, specifically semi-continuous stirred tank reactor (s-CSTR) and anaerobic membrane bioreactor (AnMBR), and comparison of methane production potential within systems. DWP is highly polluted dairy wastewater which is the remaining liquid of the lactose production process from the by-product of the cheese-making process, whey. The effect of different organic loading rates on the system response, DWP treatment efficiency, and methane production yields was evaluated in two different reactor configurations (s-CSTR and AnMBR). Moreover, the effect of OLR on membrane fouling mechanism in AnMBR was comprehensively examined.
The wastewater DWP used as substrate was provided from the manufacturer, and detailed characterization analyses were carried out. DWP is a moderately acidic liquid with a pH 5,12 and was found to have 22,5% total solids and 14,28% lactose. Total and soluble COD concentrations were determined as 235±3,4 and 213±1,1 g/L, respectively. It was concluded that DWP has a very high pollution load and was a suitable substrate for anaerobic treatment due to its high organic content.
Four different wastewater COD concentrations at 2,3,4 and 5 g/L were studied in s-CSTR for a total of 110 days of operation. The increasing wastewater COD concentration decreased COD removal yield, which was determined as 91,1; 90,9; 89,3 and 87,6%, respectively. Additionally, COD accumulation was observed. Methane production yield was obtained as 86,6; 119,3; 89,0 and 58,1 L CH4/gCODremoved, respectively. The highest methane yield was achieved at 3 g/L COD wastewater concentration while a 50% decrease in methane yield was observed at 5 g/L COD wastewater concentration. The high rate of decrease in the methane yield was shown to be due to the inhibition caused by DWP-induced ion accumulation in the semi-continuously operated reactor. It was concluded that the concentration of accumulated ions as Cl- and NH4+ were below inhibition concentration, whereas K+ (6704 ppm, highly accumulated) and Na+ contributed to the inhibition specifically.
AnMBR was operated at four different organic loading rates (OLRs) as 1,6, 3,4, 4,3 and 6,8 kg/m3day and constant process parameters (HRT 3 days, Flux 5 LMH and SRT ∞) for a total operation of 169 days. Methane yield was obtained as 299,4; 174,9; 305,2 and 258,8 mLCH4/gCODremoved for the OLRs 1,6, 3,4, 4,3 and 6,8 kg/m3day, respectively. The highest methane yield was achieved at 4,3 OLR, meeting 79% of the theoretical methane yield. The AnMBR system gave an outstanding performance compared to the s-CSTR in terms of methane yield. Unlike s-CSTR, COD removal yield increased with increasing OLR reaching above 98,8% removal yield at every OLR condition tested.
To evaluate membrane fouling mechanism in AnMBR; EPS and SMP, CST, particle size distribution analyses were performed on sludge samples. SEM, FTIR, and heavy metal and cation analysis were carried out on used membranes in different OLRs at the end of the operations. Examining the effect of OLR on membrane fouling mechanism in AnMBR revealed that the SMPc and SMPp contents increased with increasing OLR, both of which are crucial factors in the fouling mechanism. Additionally, both CST and normalized CST increased with increasing OLR, which means that the reactor medium became more difficult to filter, and therefore, more frequent membrane clogging may occur. Another fouling indicator, SRF, showed an increasing trend with the increasing OLR, which means forming a tighter and less porous cake layer, leading to an increase in resistance to filtration. Observing more frequent clogging in 4,3 and 6.8 kg/m3day OLR than 1,6 and 3,4 kg/m3day OLR was relatable with increased SMPc, SMPp, CST and SRF parameters during operation. PSD analysis revealed that the average particle size of anaerobic sludge was much larger than the size of membrane pores, so the membrane fouling mechanism was resolved as layer cake formation. 4,3 kg/m3day OLR was determined to have the highest clogging potential with the smallest PSD. SEM images of membranes were examined to reveal that the fouling mechanism was the formation of a dense and non-porous cake layer. FTIR analysis showed that the membrane surfaces were coated with organic pollutants in carbohydrate and protein structures. Heavy metal and cation analysis of the cake layer revealed K+ and Ca+ ions to be the most abundant elements of the inorganic composition.