Determination of the behaviour of a submerged membrane bioreactor operated at low sludge retention time

Membran Biyoreaktör teknolojisi, aktif çamur prosesi ile elde edilen biyolojik arıtımın ve membran filtrasyonunun bir arada kullanıldığı bir atıksu arıtma teknolojisidir. Sistemde oluşan biyokütlenin atıksudan ayrımı membran filtrasyonu ile sağlandığından konvansiyonel aktif çamur arıtma sistemlerindeki çöktürme işlemine gerek kalmamaktadır. Biyokütle ve askıda katı maddenin membran vasıtasıyla tutulması sağlanarak yüksek kalitede çıkış suyu elde edilmektedir. Evsel ve endüstriyel atıksu arıtımında deşarj standartlarının daha sıkı uygulanması ve geri kazanıma yönelik uygulamaların artması MBR uygulamalarının tercih edilmesine neden olmaktadır. MBR uygulamalarında genel yaklaşım, oluşan biyokütlenin sistemden uzaklaştırma problemi olmadığından reaktörde yüksek biyokütle konsantrasyonu sağlayacak, çoğalma hızları düşük mikroorganizmaların sistemde çoğalmasına izin verecek ve atılan çamur miktarını azaltacak şekilde uzun çamur yaşlarında işletilmesidir. Fakat bu yaklaşım ile konvansiyonel aktif çamur arıtma sistemlerinde halihazırda yürütülmekte olan uygulamalar devam ettirilmiş, MBR sistemleri yenilikçi bir arıtma yaklaşımı geliştirilmesinde kullanılamamıştır. Bu çalışmada sunulan işletme yaklaşımı ile MBR teknolojisinin atıksu arıtımında yenilikçi bir uygulama olarak performansı incelenerek, konvansiyonel atıksu arıtma yaklaşımına farklı ve çevresel açıdan daha gelişmiş ve ekonomik bir alternatif sunulmuştur. Konvansiyonel atıksu arıtma tesislerinde yüksek çamur yaşı uygulanarak elde edilen düşük biyokütle üretimi, her ne kadar işletme ve çamur bertarafı açısından avantajlı görünmekle birlikte yeni yaklaşımlar ve özellikle enerji açısından kendi kendine yetebilen arıtma tesislerine yönelik hedefler göz önüne alındığında, biyokütlenin aslında enerji üretimi açısından kıymetli bir alternatif yakıt olarak kullanılması gerektiğini ortaya koymaktadır. Bu çalışmanın amacı, düşük çamur yaşında işletilen batık membran konfigürasyonlu bir MBR sistemi ile atıksuda hızlı ayrışabilen/çözünmüş halde bulunan organik maddenin giderim performansının incelenmesidir. Bu bağlamda laboratuar ölçekli bMBR sistemi, 2 gün, 1 gün ve 0.5 gün olmak üzere üç farklı çamur yaşında ve hidrolik bekletme suresi 8 saat olacak şekilde işletilmiştir. Deneysel çalışmalarda atıksulardaki çözünmüş/ hızlı ayrışabilen substratı temsil eden karışım çözeltisi ve yalnızca asetatın substrat olarak kullanıldığı çözelti olmak üzere iki farklı sentetik besleme kompozisyonu kullanılmıştır. Deneysel çalışmalarda atıksudaki hızlı ayrışabilen/çözünmüş organik maddeyi temsil eden substrat karışımı ile 2 gün, 1 gün ve 0.5 gün çamur yaşlarında, asetat ile ise sadece 1 gün çamur yaşında 200 mg KOI/L ve 1000 mg KOI/L konsantrasyonlarında çalışılmıştır. Elde edilen bulgular; kararlı halde sistem performansı respirometrik testler substrat depolama ürünleri ve çamur susuzlaştırma özelliklerinin belirlenmesi doğrultusunda değerlendirilmiştir. Seçilen koşullarda isletilen bMBR sistemi ile elde edilen sonuçlar; öncelikle düşük çamur yaşlarında (0.5 ? 2.0 gün) oldukça yüksek kalitede çıkış suyu elde edilebileceğini ve tüm işletme koşullarında KOİ giderim veriminin % 90'nın üzerinde olduğunu göstermiştir. Atıksuda hızlı ayrışabilen/çözünmüşKOİ'yi temsil eden sentetik substrat karışımı ile sırasıyla 200 mg KOİ/L ve 1000 mg KOİ/L giriş besleme konsantrasyonları yürütülen deneysel çalışmalarda, membran çıkış suyunda KOİ konsantrasyonlarının 18 mg/L ile 56 mg/L arasında olduğu gözlenmiştir. Aynı şekilde yalnızca asetattan oluşan substrat ile sırasıyla 200 mg KOİ/L ve 1000 mg KOİ/L giriş besleme konsantrasyonları ile yürütülen çalışmada membran çıkış suyunda KOİ konsantrasyonlarının 20 mg/L ile 29 mg/L arasında olduğu gözlenmiştir. Deneysel çalışma süresince reaktör içi KOİ konsantrasyonunun membran çıkış suyunda ölçülen KOİ konsantrasyonundan yüksek olduğu gözlemlenmiş ve sisteme beslenen substrat bileşiminin de biyolojik olarak tamamıyla parçalanabilir olduğu dikkate alınarak, bu durumun sistem içerisinde gerçekleşen biyolojik faaliyetler sonucunda oluşan kalıcı çözünmüş mikrobiyal ürünlerin neden olduğu ileri sürülmüştür. Reaktör içinde tespit edilen ÇMÜ konsantrasyonlarının, artan çamur yaşı ile birlikte artış göstermesi bu sonucu destekler niteliktedir. Bu ölçümlere ilave olarak reaktör içerisindeki çamurda ÇMÜ ile ilişkili olduğu bilinen protein ve karbonhidrat analizleri yapilmis ve ölçülen protein ve karbonhidrat konsantrasyonlarının 2.59 ? 9.62 mg KOİ/L arasında değiştiği gözlenmiştir. Bu çalışma kapsamında ayrıca, uygulanan çamur yaşı ve test edilen substratlar özelinde mikrobiyal davranışın ve giderim kinetiklerinin gözlemlenmesi amacıyla respirometrik ölçümler yürütülmüştür. Respirometrik ölçümler, giriş besleme konsantrasyonları 200 mg KOİ/L ve 1000 mg KOİ/L olacak şekilde, kolay ayrışan çözünmüş organik maddeyi temsil eden sentetik atıksu çözeltisi ile beslenen, 2 gün, 1 gün ve 0.5 gün çamur yaşı ile işletilen ve sadece asetat içeren sentetik atıksu çözeltisi ile beslenen ve 1 gün çamur yaşı uygulanan setlerde yürütülmüştür. Kolay ayrışan çözünmüş organik maddeyi temsil eden sentetik atıksu çözeltisi beslenerek yürütülen setlerde, başlangıçta sisteme verilen organik maddenin tamamının tüketildiği ve respirometrik ölçümlerin içsel solunum fazı seviyesine düştüğü gözlenmiştir. Bu durum respirometrik ölçümlere paralel olarak yürütülen KOI giderimi ölçümleri ile de desteklenmiştir. ÇY'nın azalması ile birlikte respirometrik ölçümlerde organik madde gideriminin daha kısa sürede gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Bu da nispeten daha düşük çamur yaşlarında aktif biyokütlenin karışım içinde daha fazla olduğunun bir göstergesidir. Benzer sonuçlara asetat beslenen deneylerde de ulaşılmıştır. Her iki sentetik atıksu çözeltisinin, 1000 mg/L KOİ konsantrasyonuna sahip olacak şekilde beslenerek yürütülen respirometrik testler sırasında, çamurdan alınan örnekler üzerinde depolama ürünlerinin analizi yapılmış ve poly hydroxyl alkanoate, poly-b-hydroxybutyrate ve poly hydroxyvalerate depolama miktarları arasında substrat çeşidine ve bileşimine bağlı olarak büyük farklar olduğu görülmüştür. Yalnızca asetatın substrat olarak beslendiği sistemde oluşan çamur numunesinde yapılan depolama ürünleri analizi sonucunda hiç PHV'ye rastlanmamış, bununla birlikte eşit miktarda PHA ve PHB tespit edilmiştir. Kolay ayrışan çözünmüş KOİ'yi temsil eden substrat karışımının beslendiği sistemde oluşan çamur numunesinde yapılan depolama ürünleri analizi sonucunda ise, PHV, PHA ve PHB olacak şekilde, üç depolama ürünü de tespit edilmiştir. Çalışmada ileri sürülen MBR işletim yaklaşımı ile, sistemde oluşan çamurun alternatif bir yakıt olarak kullanılabilirliğini desteklemek ve membran tıkanma potansiyeli ile ilgili veri elde etmek üzere, çamur susuzlaştırma özellikleri Kapiler Emme Süresi parametresi üzerinden incelenmiştir. Tüm deney setlerinde biyokütle üzerinde KES tayini yapılmış, her iki sentetik atıksu çözeltisi için, ÇY artması ile birlikte KES'nin arttığı, yani çamur susuzlaştırma özelliğinin kötüleştiği görülmüştür. Elde edilen bulgular, aynı koşullarda ölçülen protein ve karbonhidrat seviyeleri ile birlikte değerlendirildiğinde çözünmüş mikrobiyal ürünler ile ilişkili olduğu bilinen çözünmüş protein ve karbonhidrat değerlerinin artan çamur yaşı ile yükseldiğini göstermektedir.