Fotokatalitik elektrodiyaliz membran reaktörü ile evsel atıksuların tuzsuzlaştırılması ve geri kullanılması
Desalination and reuse of domestic wastewater by photocatalytic electrodialysis membrane reactor
Yazar: DAMLA ÖZAKTAÇ
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN SELÇUK ; DR. ÖĞR. ÜYESİ BURAK YÜZER
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Son yıllarda tüm dünyada ve ülkemizde küresel iklim değişikliği etkisini oldukça yoğun olarak göstermektedir. Ülkemiz kuraklık ve buna bağlı olarak kıtlıkla karşı karşıya kalmıştır. Temiz su kaynaklarının hızla tüketimi, hızla artan nüfus ve sanayileşme nedeniyle kişi başına düşen su miktarı her geçen gün azalmaktadır. Ülkemizin su sorunu yaşamaması adına mevcut su kaynaklarının korunmasının yanı sıra alternatif su kaynaklarının üretilmesi bir zorunluluk haline gelmiştir. Bu noktada atıksuların arıtılarak tarımsal sulama alanında kullanılması önemli bir alternatif su kaynağı oluşturmaktadır. Su kaynağı oluşturmanın yanı sıra ülkelerin kalkınması için olmazsa olmaz şartlardan biri de yenilenebilir enerji kullanım miktarını arttırmak olacaktır. Atıksuların arıtılması için kullanılacak yöntem ise maliyet açısından uygulanabilir ve enerji verimli olmalıdır. Bu projenin amacı, arıtılmış kentsel atıksularının (KAS) yeniden kullanımında tarımsal sulama ihtiyacının karşılanması, verimli enerji açığa çıkaran üçüncül bir arıtma teknolojisi olarak yerinde enerji kaynakları (solar ve UV) kullanan yeni bir arıtma prosesi geliştirmek ve uygulanabilirliğini incelemektir. Çalışmada yukarıda belirtilen sorunlara çözüm aramak amacıyla fotokatalik elektrodiyaliz reaktörü (FKED) tasarlanarak, atıksuların biyolojik arıtma sonrasında tasarlanan reaktör ile arıtılabilirliği araştırılmıştır. Bu kapsamda iki farklı boyutta tasarlanan FKED reaktöründe anot olarak TiO2 nanopartikül kaplı titanyum plaka, katot olarak ise kaplamasız titanyum plaka kullanılmıştır. Reaktörde anot bölmesi güneş simülatörü kullanılarak aydınlatılmış ve aynı zamanda da sisteme 1,5V ve 3,0V potansiyel fark uygulanarak tuzsuzlaştırma işlemi uygulanmıştır. Ayrıca FKED reaktörü ile atıksu arıtımı sırasında ise katot bölmesinde H2 gazı oluşmaktadır ve bu çalışma kapsamında reaktörün H2 üretim kapasitesi incelenmiştir. Sonuç olarak reaktörde 1-1.5 mA/cm2 fotoakım üretilirken, en yüksek 8.3 mg/L/dk iyon transfer hızlarına ulaşılmıştır. Bunların yanı sıra reaktörde oluşan OH• radikalleri ve yüklü organik maddelerin iyon değiştirici membranlar üzerinden taşınımı sayesinde %52 oranında kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderimi sağlanmıştır. Son olarak elde edilen arıtılmış su ile domates ve marul yetiştirilerek arıtılmış atıksuyun hidroponik tarım alanında kullanılabilme alternatifi değerlendirilmiştir. Yetiştirilen tarım ürünleri, kontrol numuneleri ile karşılaştırıldığında arıtılmış atıksuyun tarım ürünleri üzerinde olumsuz bir etkisinin olmadığı görülmektedir. Elde edilen veriler ışığında FKED reaktörünün atıksuların tuzsuzlaştırılması ve KOİ giderimi kullanımının uygun olduğu, arıtım sırasında ortaya çıkan H2 gazı ile enerji geri kazanımı sağladığı ve arıtılan atıksuların tarım alanında yeniden kullanılabileceği sonucuna ulaşılmaktadır.

Abstract:
Recently, the impact of global climate change has been intensely seen all over the world and in our country. Our country has faced drought and related famine. Due to the rapid consumption of clean water resources, the rapidly increasing population and industrialization, the amount of water per person is decreasing day by day. In order to prevent our country from experiencing water problems, it has become a necessity to protect existing water resources as well as to produce alternative water resources. At this point, the treatment of wastewater and its use in agricultural irrigation constitute an important alternative water resource. In addition to finding new water resources, one of the compulsory requirements for the development of countries will be to increase the amount of renewable energy use. The method to be used for wastewater treatment should be cost-effective and energy efficient. The aim of this project is to meet the need for agricultural irrigation in the reuse of treated urban wastewater (UWW), to develop a new treatment process that uses in-situ energy sources (solar and UV) as a tertiary treatment technology that utilizes efficient energy, and to examine its applicability. In this study, photocatalytic electrodialysis reactor (PCED) was designed to find solutions to the above-mentioned problems, and the treatability of wastewater was investigated with the reactor designed after biological treatment. In this context, in the PCED reactor designed in two different sizes. Also TiO2 nanoparticle coated titanium plate was used as anode and uncoated titanium plate as cathode. In the reactor, the anode compartment was illuminated using a solar simulator and at the same time, desalination studies were conducted by applying 1,5V and 3,0V potential difference to the system. In addition, during wastewater treatment with the PCED reactor, H2 gas is generated in the cathode compartment and the H2 production capacity of the reactor was investigated within the scope of this study. As a result, around 1-1.5 mA/cm2 photocurrent was produced in the reactor, and the highest ion transfer rates of 8.3 mg /L/ min were achieved. In addition, 52% of chemical oxygen demand (COD) removal efficiency was achieved by the transport of OH• radicals and transfer of the charged organic substances to the concentrate compartment through ion-exchange membranes. Finally, the opportunity of using treated wastewater in the field of hydroponic agriculture by growing tomatoes and lettuce with the purified water obtained was evaluated. When the produced agricultural products are compared with the control samples, it is seen that the treated wastewater does not have a negative effect on the agricultural products. It can be concluded that the PCED reactor might be suitable treatment method for desalination of wastewaters and removal of COD. The reactor also provides energy recovery by generated H2 gas during treatment, and the treated wastewater can be reused in the agricultural activities.