Fe ve Mn 'nin birlikte giderimine DOM etkisi ve batık membran filtrelerle ileri arıtımı

Demir ve mangan pek çok doğal su kaynağında yüksek konsantrasyonlarda bulunan ve içme suyu temini için belirli limitlere düşürülmesi gereken kirleticilerdir. İçme sularında demir giderimi için, oksidasyonda düşük pH gereksinimi dolayısıyla havalandırma yeterli olurken, mangan giderimi için ozon, klor, klor dioksit, permanganat, hidrojen peroksit gibi oksidanlar kullanılır. Bunun yanında içme sularının temin edildiği doğal su kaynaklarında çeşitli bozunma süreçleri sonucu oluşan ve yüksek konsantrasyonlara ulaşabilen doğal organik maddelere de rastlanmaktadır. Doğal organik maddeler, arıtmada kullanılan kimyasala bağlı olarak kanserojen dezenfeksiyon yan ürünleri oluşturma potansiyeli dolayısıyla insan sağlığına tehdit oluşturabilmektedirler. Doğal su kaynaklarında demir, mangan ve doğal organik maddelerin birlikte bulunuş mekanizması oldukça karmaşıktır ve doğal organik maddelerin, metallerin stabilitesine etkisi pek çok araştırmaya konu olmuştur. Konvansiyonel arıtma sistemlerinde karşılaşılan problemler sebebiyle, içme sularının arıtılmasında uzun yıllardır konvansiyonel yöntemlerin yerini alacak yeni yöntemler araştırılmaktadır. Bunlardan biri olan batık membran sistemler, halihazırda arıtma tesislerinde kullanılmakta olan arıtma birimlerine adapte edilebilmeleri, azalan ihtiyacı, yüksek arıtma verimleri dolayısıyla kullanım alanı bulmaya başlamıştır. Giderim verimini artırmak üzere batık membran sistemlerin havalandırma, koagülasyon, adsorpsiyon gibi diğer arıtma yöntemleri ile birlikte kullanıldığı hibrit sistemlerle ilgili çeşitli araştırmalar yürütülmektedir. Bu çalışmada Fe ve Mn 'nin, havalandırma ve havalandırma-batık membran sistemiyle giderimine doğal organik madde ve demir ve mangan hidroksitin etkilerinin araştırılması amaçlanmıştır. Doğal organik maddeyi temsilen, doğal organik maddelerin önemli bir yüzdesini oluşturan hümik asit seçilmiştir. Bu şekilde demir ve mangan hidroksitin adsorplayıcı ve oksidasyonu katalizleyici etkilerinden yararlanarak, hümik asit mevcudiyetinde Fe ve Mn giderimi araştırılmıştır. Birinci bölümü oluşturan Giriş kısmında, çalışmanın amaç ve kapsamı açıklanmış, İkinci bölümde, demir, mangan, doğal organik maddeler, demir ve mangan oksitler hakkında yapılan geniş literatür araştırması verilmiş, doğal organik maddeler ile Fe, Mn ve demir ve mangan oksitler arası etkileşimler tartışılmış, son olarak literatürde içme suyu arıtımında batık membran sistemlerin uygulandığı çalışmalardan örnekler verilmiştir. Üçüncü bölümde havalandırma ve batık membran deneylerinin yürütüldüğü sistemler ve kullanılan malzemeler hakkında ayrıntılı bilgi verilmiş ve uygulanan yöntemler açıklanmıştır. Çalışmada havalandırma ve membran deneylerinde elde edilen sonuçlar dördüncü bölümde ve elde edilen bulgular, havalandırma ve membran deneyleri için ayrı ayrı ve birlikte değerlendirilerek beşinci bölümde verilmiştir. Deneysel çalışmalar iki kısımda gerçekleştirilmiştir. Birinci kısımda, bir tanesi yüksek Mn konsantrasyonuna sahip yeraltı suyu ve diğeri nispeten yüksek doğal organik madde içeriğine sahip yüzeysel su kaynağı olmak üzere doğal su kaynakları seçilerek mevsimlere göre Fe, Mn ve TOK profilleri elde edilmiştir. Bu profiller doğrultusunda belirlenen konsantrasyonlar baz alınarak, çeşitli Fe -Mn -Hümik asit-Demir hidroksit ve Mangan hidroksit kombinasyonlarında sentetik çözeltiler hazırlanmış ve bu çözeltilere havalandırma uygulanması durumunda Fe ve Mn giderim verimlerinin belirlendiği havalandırma deneyleri yapılmıştır. Çalışmanın yürütüldüğü pH 8 .5'e ek olarak, Fe'nin hızlı oksidasyonu sebebiyle reaksiyonların yürüyüşünü gözlemleyebilmek açısından pH 6 ,7'de de deneyler yapılmıştır. İkinci kısımda ise, demir ve mangan hidroksit çökeltilerinin, doğal organik maddeyi temsilen seçilen hümik asit varlığında, Fe ve Mn giderimi amacıyla havalandırma-batık membran birleşik sisteminde uygulanması durumunda çeşitli kombinasyonlarda hazırlanan sentetik çözeltiler ve doğal sularda elde edilecek toplam demir, toplam mangan, TOK ve UV254 giderme verimleri araştırılmış, basınç artışına ve membrandaki kirlenmeye etki ortaya konmaya çalışılmıştır. Batık membran deneyleri, hollow fiber mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon membranları ile paralel yürütülmüş ve her iki membrandaki giderimler karşılaştırılmıştır. Kullanılmış membranlarda SEM görüntülemesi ile membran lifleri üzerinde oluşan kek tabakası karakterize edilmeye çalışılmış ve çeşitli Fe -Mn -Hümik asit ve demir ve mangan hidroksit kombinasyonlarının basınç artışı ve giderime etkisi değerlendirilmiştir. Havalandırma deneylerinde hümik asidin, Fe'nin havalandırma ile giderim veriminde artışa sebep olduğu belirlenmiştir. Bu etki, özellikle pH 6 ,7'de yürütülen çalışmalarda dikkate değer bulunmuştur. Buna ek olarak demir hidroksitin mevcut olduğu sentetik çözeltilerle yürütülen çalışmalarda, demir hidroksitin, Fe giderim veriminde oldukça önemli bir artışa sebep olduğu belirlenmiştir. Aynı etki, pH 8 .5'da tek başına havalandırma ile giderilemeyen Mn'nin gideriminde mangan hidroksit ile de elde edilmiştir. Fe ve Mn'nin birlikte bulunduğu çözeltilerle yürütülen havalandırma deneylerinde, Mn giderimine mangan hidroksitin etkisinin, demir hidroksitten daha fazla olduğu ve giderim verimini önemli ölçüde arttırdığı belirlenmiştir. Batık membran deneylerinde, demir hidroksitin basınçtaki artışı, dolayısıyla membran gözeneklerinde meydana gelen kirlenmeyi azalttığı belirlenmiştir. Demir hidroksit içeren sentetik çözeltilerle yürütülen deneylerde, demir hidroksitin, MF ve UF membranlar ile % 99'un üzerinde toplam demir ve mangan giderimi, aynı zamanda önemli TOK ve UV254 giderimleri sağladığı belirlenmiştir. Başlangıç konsantrasyonu olarak sadece 5 mg/l Fe ve 1 ve 7 mg/l hümik asit içeren sentetik çözeltilerde TOK ve UV254 giderim verimleri birbirine yakın olarak gerçekleşirken, demir hidroksitin mevcut olduğu kombinasyonlarda UV254 giderim verimi, TOK gideriminden fazla gerçekleşmiştir. Bu durum, demir hidroksit katkısı ile SUVA değerinde, dolayısıyla aromatik kısımda daha fazla giderim sağlandığını göstermektedir. SUVA'daki azalma, SUVA değerinin yüksek olduğu sularda dezenfeksiyon yan ürünü oluşumunun azaltılması bakımından özellikle önemlidir. Fe ile Mn'nin birlikte bulunduğu çözeltilerle elde edilen TOK ve UV254 giderim verimleri, Fe -HA kombinasyonları ile yürütülen deneylerdekine benzer olup, giderim veriminde bir miktar daha artış gözlenmiştir. UF membran, boşluk büyüklüğüne bağlı olarak, her durumda MF membrandan daha fazla toplam demir, toplam mangan, TOK ve UV254 giderimi sağlamıştır. Fakat, demir hidroksitin mevcut olduğu durumlarda MF ve UF membran için toplam demir ve mangan giderimleri ile TOK ve UV254 giderim verimleri birbirine yakın gerçekleşmiştir. Buna göre, çalışmada uygulanan demir hidroksitin, daha büyük boşluk büyüklüğüne sahip MF membranda, UF membranda elde edilen verimin yakalanmasını sağladığı sonucuna varılmıştır. Kullanılmış membranlara ait SEM görüntüleri incelendiğinde, demir hidroksitin olmadığı deneylerde kullanılan membranlara göre, demir hidroksitin mevcut olduğu deneylerde membran üzerinde daha kalın ve sıkı bir kek tabakası oluştuğu görülmektedir. Buna rağmen basınç artışının diğer kombinasyonlardan düşük gerçekleşmesi ve giderimin daha yüksek bulunması, membran porlarından ziyade membran yüzeyinde kirletici birikimi olduğunu göstermektedir. Bu durumun literatürdeki çeşitli çalışmalarda da belirtildiği üzere membran üzerinde oluşan ve aynı zamanda ikinci bir filtre tabakası görevi gören kek tabakasına bağlı olması olasıdır. SEM görüntüleri incelendiğinde bu tabakanın kopma/kırılma ile kolayca membran yüzeyinden ayrılabilir karakterde olduğu görülmektedir. Demiroksihidroksit mevcudiyetinde doğal sularla yürütülen deneylerde ise sentetik sularla elde edilen verimler kadar yüksek verimler elde edilememiştir. Doğal sulardaki organik maddelerin çeşitli biyojeokimyasal süreçler sonucu meydana gelmeleri dolayısıyla, deneysel çalışmalarda kullanılan sentetik hümik asit çözeltileri ile elde edilenden farklı sonuçlar elde edilmesi olağandır. Çalışmada kullanılan Aldrich hümik asidin, aromatikliğin bir göstergesi olarak 254 nanometrede elde edilen UV adsorbans ölçümünün, çözünmüş organik karbon değerine oranı olarak verilen SUVA değeri oldukça yüksektir. Demir hidroksitlerin aromatik karakterdeki organik maddelere olan eğiliminin yüksek olduğu bilindiğinden, sentetik sularla elde edilen yüksek TOK ve UV254 giderim verimleri, çalışmada hümik asit içeren sentetik çözeltilerin hazırlanmasında kullanılan Aldrich hümik asidin yüksek SUVA değeri ile açıklanmıştır. Doğal sularla yürütülen deneylerde kullanılan Ömerli Barajı ve özellikle Danamandıra su alma yapısından alınan örneklerde belirlenen SUVA değerleri ise sentetik çözeltiye göre oldukça düşüktür. Çalışmanın birinci kısmında Fe ve hümik asidin birlikte bulunduğu çözeltilerde elde edilen yüksek ve hızlı Fe giderim veriminin, membran deneylerinde ham su ve bir günlük havalandırma sonucu elde edilen toplam demir değerleri ile karşılaştırıldığında, Fe ile hızlı kompleks oluşumu ve bu kompleksin daha hızlı oksidasyonu ile Fe ve/veya Fe -Hümik asit kompleksi oluşumu ile açıklanması mümkündür. Nitekim, 5 mg/l Fe ile birlikte 7 mg/l hümik asit içeren sentetik çözelti ile yürütülen membran deneylerinde bir günlük havalandırma sonucu ham suda toplam demir ölçümü yapıldığında, suda nispeten yüksek toplam demir mevcudiyeti söz konusudur.