Anaerobik membran reaktörlerde akış hızı ve su sıcaklığının membran performansı üzerine etkilerinin sayısal olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effects of flow rate and water temperature on membrane performance in anaerobic membrane reactors
Yazar: BİRKUT GÜLER
Danışman: PROF. DR. MEHMET EMİN ARICI
Karadeniz Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Anaerobik membran biyoreaktörler (anMBR) atık su arıtmada kullanılan uygulamalardır. Bu reaktörler biyolojik arıtmanın gerçekleştiği tam karışımlı bir anaerobik reaktör ve bir ultrafiltrasyon (UF) membranından oluşur. Gözenekli yapıda olan bu membranlar plaka veya boru şeklindedirler ve atık su filtreleme aracı olarak işlev görürler. anMBR uygulamasında yaşanan en önemli sorunlardan biri, membran gözeneklerinden yeterli miktarda su geçişinin olmaması; yani su debisindeki azalmadır. 
Azalan akış hızı, işlemin kesintiye uğramasına ve arıtma kalitesinin düşmesine neden olabilmektedir. 
Mevcut çalışmada, düz plaka şeklindeki membranda akış hızlarının membrandaki su akısı ve çözelti birikimi üzerindeki etkisi sayısal olarak incelenmiştir. Bu amaçla açık kaynak kodlu bir CFD analiz programı olan OpenFOAM yazılımı kullanılmıştır. Analizde, ileri osmoz (FO) olarak bilinen, membranın besleme ve emiş tarafları arasındaki kimyasal potansiyelin neden olduğu itme kuvvetine dayanan yaklaşımdan yararlanılmıştır. Ortalama giriş hızlarının membran performansı üzerine etkileri, emiş ve besleme tarafında hem eşit hem de farklı olması durumlar için, hız dağılımı, su akısı ve membranda çözelti birikimi cinsinden gösterilmiştir. Ayrıca, emiş tarafı ile besleme taraflarının birbirleri ile ısıl dengede olması durumunda sıcaklığın su akısı üzerine etkisi incelenmiştir. 
Sayısal sonuçlar, ortalama giriş hızlarının membran performansı üzerinde etkili bir parametre olduğunu göstermektedir. Artan ortalama giriş hızı ile su akısı arasındaki oransal ilişkinin, ortalama hızın 0,1 m/s değerinden sonra önemli ölçüde değiştiği görülmüştür. Ortalama hızın bu değerinden sonra su akısının ortalama hıza oranı öncesine göre yaklaşık 10 kat azalmaktadır. Ortalama giriş hızlarının farklı olması durumunda yüksek emiş giriş hızının su akısında artışa neden olduğu görülmüştür. Son olarak, fiziksel özelliklerin değişmesi nedeniyle sıcaklıkla birlikte arıtma performansının düştüğü görülmüş, uygulamada halen geçerli olan 35 0C'nin en uygun arıtma sıcaklığı olduğu sonucuna varılmıştır.

Abstract:
Anaerobic membrane bioreactors (anMBR) are the applications that used in wastewater  treatment. These reactors consist of a fully mix anaerobic reactor where biological treatment occurs and  an ultrafiltration (UF) membrane. These porous membranes are in the form of plates or pipes and act as water filtering instrument. One of the important difficulties in anMBR application is the insufficient  amount of water passing through the membrane; so that is the decrement in water flow rate. The  decreased flow rate may cause the process interruption and results in poor treatment quality. 
In the present study, the effect of flow velocities on the water flux and on the solute deposits in the flat-plate membrane was numerically investigated. For this purpose, an open source CFD analysis program, the OpenFOAM software, was used. The analysis utilized the approach known as forward osmosis (FO), which relies on the repulsive force caused by the chemical potential between the feed and draw sides of the membrane. Effect of mean inlet velocities both for equal and different feed and draw side velocity values on the membrane performance were presented in terms of velocity distribution, water flux, and solute deposits on the membrane. In addition, for the case of thermal equilibrium between feed and drive side, effect of temperature on water flux was examined. 
Numerical fındings indicate that the mean inlet velocities are the effective parameters for the membrane performance. It was observed that the proportional relationship between the increasing mean inlet velocity and the water flux changed significantly after the mean velocity of 0.1 m/s. After this mean velocity, the ratio of water flux to mean velocity decreased approximately 10 times compared to before.As the inlet velocities precribed in diiferent manner it was observed that high draw inlet velocity causes to increase the water flux.Finally, it was observed that the treatment performance decreased with temperature due to the change in physical properties, and it was concluded that 35 0C, which is still valid in practice, is the most appropriate treatment temperature.