Membran biyoreaktörlerde enerji ihtiyacının azaltılması ve membran yüzey temizleme işlemlerine değişik yaklaşımlar
Reduction of energy consumption in mbr systems and different aproaches of membrane surface cleaning systems
Yazar: SEDAT SOYBAY
Danışman: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Atık su arıtma tesisleri = Waste water treatment plants ; Biyoreaktörler = Bioreactors ; Endüstriyel atık su = Industrial waste water

Özet:
Su kaynaklarının azalması, sanayileşme, nüfus artışı, çevre yönetim ve denetim sistemlerinin daha hassas hale gelmesi gibi faktörler nedeniyle atıksuyun ileri arıtımı, geri kazanımı ve alternatif su kaynakları sağlayan teknolojiler günümüzde önemli hale gelmiştir.
Biyolojik arıtma tesislerinde neredeyse klasik hale gelmiş olan konvansiyonel aktif çamur proseslerinine, membran biyoreaktörler (MBR) alternatif olmaya başlamış, biyolojik arıtma prosesinin bir bölümünü teşkil eden biyokütlenin sudan ayrılması amacıyla kullanılan çökeltim tanklarının yerini biyomembranlar almaya başlamıştır. Gerek çökeltim tankına ihtiyaç kalmaması, gerekse yüksek aktif çamur konsantrasyonları ile çalışma avantajı, az yer tutan, yüksek verimli, membran biyoreaktör uygulamalarına olanak sağlamıştır. MBR'ler, mevcut konvansiyonel aktif çamur sistemlerinin, ileri teknoloji içerecek şekilde MBR sistemlerine modifikasyonuna da olanak sağlamıştır.
Polimer endüstrisindeki gelişmeler ile membran sistemleri günümüzde yaygın olarak kullanılmaya başlamıştır. MBR'lerin alan ihtiyacının az olması, yüksek oranda katı madde giderimi sağlaması, yüksek çamur yaşı nedeniyle daha az çamur üretimi olması, mevcut sistemlere adaptasyonun kolaylıkla yapılabilmesi ve dezenfeksiyon gerektirmeden mikroorganizma giderimi yapılabilmesi sebebiyle tercih sebeplerindendir. Ülkemiz su stresi altında ülkeler arasında olduğu için su geri kazanımı sağlayan membran sistemleri önem arz etmektedir. 
MBR kullanımın en önemli dezavantajı tıkanıklık problemidir. Tıkanıklık probleminin verimli bir şekilde çözülebilmesi ve düşük enerji ihtiyacı gerektiren yeni yöntemlerin ortaya çıkarılması MBR'lerin daha yaygın ve ekonomik bir şekilde kullanımını mümkün kılacaktır. Bu çalışmanın birinci bölümünde; membran yüzey temizleme amacıyla hava kabarcığı ile temizleme sistemi (MBR-1), ses dalgası ile temizleme sistemi (MBR-2), titreşim ile temizleme sistemi (MBR-3) ve kimyasal yıkama yöntemi ile temizleme sistemi (MBR-4) gibi yöntemlerin denenerek, her metodun birbiri ile karşılaştırması ve birkaç metodun aynı anda kullanılarak enerji ihtiyacının düşürülmesi amaçlanmış; işletme maliyetlerinin düşürülmesi için gerekli tespitler yapılmıştır.
Bu çalışma kapsamında kurulan pilot tesis,  bir yıl boyunca Gebze Organize Sanayi Bölgesi (GOSB)'nde bulunan Atıksu Arıtma tesisinde işletilmiştir. GOSB'de gıda, ilaç, boya, kozmetik, yapı kimyasalları gibi farklı sektörlerden 192 sanayi tesisi bulunduğu için endüstriyel atıksu karakteristiği değişkendir. MBR'lerin karışık ve değişken karakterli bu endüstriyel atıksudaki performansının da araştırılabilmesi için GOSB atıksu arıtma tesisi seçilmiştir. Pilot tesiste düz plakalı tip, batık PES membran modülleri kullanılmıştır. Ses dalgası ile temizleme sisteminde PES membran modülü zarar gördüğü ve etkili temizlik yapılamadığı için sesi yansıtan seramik membran ile kısa süreli çalışma yapılmıştır. Bu çalışma ile ses dalgasının PES membran modülünde etkili olmadığı, seramik membranda etkili olduğu görülmüştür. İleride ses dalgası ile temizleme sistemi için seramik membran kullanımı üzerine çalışmalar yapılması gerekmektedir.
Pilot tesis devreye alındığında köpük gibi problemlerle karşılaşılmış, bu duruma çözüm olarak PAC17 reaktöre eklenmiştir. PAC17 kullanımı ile birlikte karşılaşılan problemler ortadan kalkmıştır. Sistemde PAC17 kullanımı ile birlikte olumsuzlukların ortadan kalkması ile akı değerlerinde ciddi artışlar görülmüştür ve dolayısıyla enerji tüketimlerinde de azalma gözlenmiştir. Bu çalışmada endüstriyel atıksu arıtma tesislerinde MBR uygulamalarında koagulantın çok etkin problem çözücü ve işletme şartlarını rahatlatıcı olduğu tespit edilmiştir.
Pilot tesis çalışmasında 12.000-15.000 mg/L aralığında çeşitli MLSS konsantrasyonları denenmiş ve en etkin konsantrasyon olan 12.000 mg/l'de çalışılmaya devam edilmiştir. Bu çalışma ile MLSS konsantrasyonu arttıkça akının azaldığı görülmüştür.
Pilot tesis çalışmasında 45 dakika filtrasyon-15 dakika temizlik, 12 dakika filtrasyon- 3 dakika temizlik, 10 dakika filtrasyon- 5 dakika temizlik ve 15 dakika filtrasyon- 5 dakika temizlik olmak üzere çeşitli etkin temizlik süreleri denenmiş; en etkin temizlik süresinin 15 dakika filtrasyon ve 5 dakika etkin temizlik olarak bulunmuştur.
Pilot tesis çalışmasında etkin temizlik sürelerinin belirlenmesi, MLSS konsantrasyonlarının belirlenmesi, PAC kullanımı gibi çalışma koşullarının belirlenmesi ile seçilen dört metodun uzun süreli akı ve enerji mukayeseleri yapılmıştır. Hava kabarcığı, titreşim ve kimyasal geri yıkamanın beraber uygulandığı temizleme metodunun en etkili yöntem olduğu saptanmış, tıkanıklıkta kimyasal geri yıkamanın çok etkili olduğu kanıtlanmıştır.
Pilot tesis çalışması sonunda kullanılan MBR-1 ve MBR-4 membran modüllerine tıkanıklık sebeplerinin araştırılması için otopsi çalışmaları yapılmıştır. Bu çalışmalar sonucu en temel kirleticilerin karbon, alimünyum, silisyum ve fosfor; ikincil kirletici olarak da potasyum, azot, kalsiyum magnezyum ve titanyum olduğu bulunmuştur. Bu veriler değerlendirildiğinde bu kirleticilerin boya sektörü, kimya sektörü, kozmetik sektörü ve gıda sektörü kaynaklı olduğu bulunmuştur. 
Çalışmanın ikinci bölümünde; MBR pilot tesis çalışması süresince, değişken debi ve ham atıksu karakteristik özelliği bulunan tesiste çıkış suyu incelenmiştir. MBR pilot tesis çalışmasında PAC'ın etkisi, su sıcaklığı, oksijen, MLSS, MLVSS kontrolü yapılmış, su kalitesinin belirlenmesi için giriş ve çıkış suyunda analizler yapılmıştır. MBR pilot tesisi ve GOSB AAT'ne ait çıkış suyu kaliteleri mukayese edilmiştir.
Çalışmanın üçüncü bölümünde; suyun geri kazanımı çalışmaları yapılmıştır. MBR çıkış suyu kullanılarak, laboratuvar ölçekli ve pilot ölçekli ters osmoz (RO) geri kazanım çalışmaları yapılmıştır. Elde edilen verilere dayanarak GOSB AAT çıkış suyunun geri kazanılması amacıyla mevcut arıtma tesisi ile ilişkili, 2400 m3/gün kapasiteli MBR ve RO sistemlerinin kurulumuna karar verilmiştir. Çalışmada; deney sonuçları, kurulum ve işletme bilgilerine de yer almaktadır.

Abstract:
The technologies that enables advanced wastewater treatment, recovery of water and alternative water resources become important due to the such factors, reduction of fresh water resources, industrialization, population growth,  become more sensitive of environmental management and control systems.
Membrane bioreactor begin to take place of conventional activated sludge processes which has become almost classical in the biological treatment plant .
Biomembranes begin to take the place of sedimentation tanks that used for  the seperation of biomass from water in a part of biological treatment process. Thus the applications of high efficient membrane bioreactors which occupy less space are started with operating with high MLSS concentrations. Membrane bioreactors which include advanced technologies enable modifications of existing conventional activated sludge systems, too. 
Membrane systems are started to be widely used today with the development of polymer industry. Needed small footprint in the membrane systems, removal of high TSS, less sludge production due to the high sludge age, easy modularity to existing systems and removal of microorganisms without disinfections are the preferred reasons of using membranes bioreactors. Membrane bioreactors which enable recovery of water is important in our country that is among the countries under water stress.
Fouling problem is the most important disadvantages of using MBR. The using of membrane bioreactors will be more common and economic with the solving of fouling problems in an efficient manner and researching new cleaning methods that need low energy consumption. In the first section of this study, in air scouring (MBR-1), cleaning system with ultrasound (MBR-2), cleaning system with vibration (MBR-3) and chemically enchanced backwash cleaning system (MBR-4) are tried for the purpose of membrane surface cleaning systems, and investigate their effectiveness with each other and aimed to reduce energy consumption with using some methods together at the same time. Needed determinations are done to decrease of operating costs.
In the scope of this research, pilot plant is operated for one year at the industrial wastewater treatment plant which placed in Gebze industrial zone. Industrial wastewater characteristic is variable for the reason of 192 pieces factories from different sectors such as food, pharmaceutical, paint and cosmetics industries at the Gebze organized industrial zone.
GOSB wastewater treatment plant is selected to investigate the performance of membrane bioreactors in the mixed and variable characteristic of this industrial wastewater. 
PES flat-sheet submerged membrane modules are used at the pilot plant. Since ceramic is the one of the membrane materials having high-sound reflecting properties thus, high cleaning efficiency and tests indicated that ultrasounic cleaning system damages PES membrane, ceramic membrane is used for a while for ultrasound application. Future researches are needed for using ultrasonic cleaning system on ceramic membranes. 
To overcome problems such as foam in the pilot plant,  PAC17 is added to the reactor as a solution of this situation. With the using of PAC17 in the system, problems are eliminated and significant increase on flux is observed and  Correspondingly  unit energy consumption decreased. This research proved that coagulants are effective problem solver and relaxing of operating conditions in MBR applications at industrial wastewater treatment plants.
In the range of 12.000-15.000 mg/L several MLSS concentrations are tested in the pilot plant study and the study continue with 12.000 mg/l that is the most efficient concentration. This study showed that flux decrease with inceasing of MLSS concentration.
The respective filtration and cleaning durations of 45 min and 15 min; 12 min and 3 min; 10 min and 5 min; 15 min and 5 min are tested in the pilot plant study; it is found that most effective period is 10 min filtration and 5 min cleaning.
Comparison of long period flux and energy for selected four methods in the pilot plant study is done with the determination of operation conditions such  effective cleaning duration, MLSS concentrations and using PAC.
The most efficient cleaning method is found as chemically enchanced backwash together with constantly induced air and vibration. It is proved that chemically enchanced backwash is very effective for fouling.  
Autopsy studies are done to membrane modules that used at pilot plant to investigate the reasons of fouling reasons. It is found that predominantly contaminants are  carbon, aluminum, silicone and phosphorous and secondarily contaminants are potassium, nitrogen, calcium,manganese and titanium. When these date evaluated, it is found that the resources of this contaminants are paint sector, chemical sector, cosmetic sector and food sector.
In the second section of this study; effluent water is investigated at the MBR pilot plant that has variable flow and raw water characteristic property. Controls for effect of using PAC, water temperature, oxygen, MLSS, MLVSS are done in the MBR pilot plant study, analysis are performed to determine the influent and effluent water quality. Comparison of qualiy of effluent water is done for MBR pilot plant and GOSB wastewater treatment plant.
In the third section of this study; water recovery studies are done. With the using of effluent water of MBR pilot plant, laboratory-scale reverse osmosis (RO) and pilot-scale RO recovery studies are done. Based on recovery studies data obtained from established pilot plant, the aim of GOSB wastewater treatment plant effluent water recycling, it was decided that the installation MBR and RO system which will allow 2400 m3 / day water recovery in addition to the existing system. In this study, the test results, installation and operation information are also included .