Comparison of ultrafiltration and self-forming dynamic membranes in membrane bioreactors for municipal wastewater treatment

Konvensiyonel aktif çamur sistemleri, evsel atıksu arıtımında yıllardır kullanılmaktadır. Fakat bu sistemlerin geniş alan gereksinimi ve çıkış suyu kalitesinin düşük olması gibi önemli mahzurları vardır. Bu mahzurların önüne geçebilmek için membran prosesler kullanılmaya başlanmıştır. Membran prosesler katı-sıvı ayırma için biyolojik ve fiziksel arıtma uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaya başlanan proseslerdir. Membran kullanılarak tasarlanmış biyolojik sistemler membran biyoreaktör olarak adlandırılmaktadır. MBR sistemlerininaz yer kaplamaları, atık çamur oluşumunun minimize edilmesi, yüksek arıtım performansı sağlaması ve yüksek kalitede çıkış suyu eldesi gibi önemli avantajları vardır. Bu önemli avantajlara rağmen membranların maliyetli oluşu, işletmesırasındaki enerji ihtiyacı ve özellikle de tıkanma problemleri gibi dezavantajlara da sahiptir. Bunlara ek olarak MBR sistemlerde membranların kimyasal yıkamasısırasında gerçekleşen kimyasal madde tüketimi de önemli bir maliyet kalemiolabilmektedir. Bu dezavantajların önüne geçebilmek için dinamik membran teknolojisi ileri sürülmüştür. DM, düşük maliyetli ve gözenekli bir destek tabakası üzerinde organik ve/veyainorganik maddelerin birikmesi neticesinde oluşan ikincil tabakaya verilen isimdir. Oluşan bu tabaka, atıksuda bulunan katı maddelerin tutulmasını ve böylelikle çıkış suyu kalitesinin iyileştirilmesini sağlar. DM'ler dinamik tabakanın oluşummekanizmasına göre iki farklı şekilde sınıflandırılırlar. Bunlar kendiliğinden oluşanDM'ler ve ön kaplamalı DM'lerdir. Kendiliğinden oluşan DM'lerde dinamik tabaka, arıtılmak istenen atıksu içerisinde bulunan partiküllerin ve flokların gözenekli destek tabakası yüzeyinde birikmesi neticesinde oluşur. Ön kaplamalı DM'lerde ise dinamiktabaka, atıksu içerisinde bulunmayan bir maddeden oluşturulmuştur. Ön kaplamalıDM'lerde dinamik tabaka tekil bir malzeme olabileceği gibi birden fazla malzemeden oluşan kompozit bir tabaka da olabilir ve arıtma öncesinde destek tabakanın üzerininkullanılacak olan maddeye ait kolloidlerle kaplanması sonucu oluşturulur. DM oluşumu için destek tabakası olarak elek kullanılabileceği gibi, dokunmuş veya dokunmamış kumaş gibi düşük maliyetli tekstil materyalleri ve üzeri kaplanmamışmembran da kullanılabilmektedir. DM oluşumunu sağlamak amacıyla kullanılan destek malzemeleri kimyasal yıkama ihtiyacı göstermemekte, hava ile geri yıkama, su ile geri yıkama ve fırça ile temizleme gibi basit fiziksel yöntemler ile kolaycatemizlenebilmektedir. Ayrıca DM'ler yüksek basınç altında çalışmaya imkan verebilmektedir. Kendiliğinden oluşan DM'lerde dinamik tabaka atıksu bileşenindebulunan kolloidlerden ve floklardan oluşmaktadır. Bu bağlamda destek tabakası zarar görmediği sürece dinamik tabaka tekrar ve tekrar oluşturulabilir ve ticari membranlaraoranla çok daha uzun bir işletme ömrü görülebilir. Dinamik membran biyoreaktör sistemlerinin atıksu arıtımındakiuygulamalarına yönelik literatürde kısıtlı bilgi mevcuttur. Bununla birlikte, DM destek tabakası olarak ince boşluklu fiberin kullanıldığı bir çalışmaya literatürde rastlanılmamıştır. DM teknolojisi kaplanmamış membran veya farklı tekstil malzemeleri gibi kaplanmış membrandan daha düşük maliyetli materyaller kullanılarak uygulanmaktadır. Tekstil üretimi açısından önemli bir bilgi birikimine sahip olan ülkemizin DM ile ilgili bilgi düzeyinin artması neticesinde, DM oluşumu için gerekli destek tabakası üretimi hususunda yüksek bir potansiyele sahip olacağı düşünülmektedir. Bu tezin yapılmasındaki amaç, evsel atıksuların havalı DM teknolojisi ile arıtılmasındakirletici madde giderim verimi ve filtrasyon performansı ile ilgili bilgi birikimi oluşturmaktır. Böylece DM teknolojisinin laboratuvar ölçekten daha büyüksistemlerde uygulanabilmesi için önemli bir adım atılmış olacaktır. Yapılacak proje ileDMBR'ler ile atıksu arıtımında ulusal ve uluslararası bilgi birikimine önemli seviyedebilimsel katkıda bulunulması beklenmektedir. Bu çalışmada, orta kuvvetteki bir evsel atıksu karakteristiğine sahip sentetik atıksuyunultrafiltrasyon membranlar ile arıtılmasına düşük maliyetli bir alternatif olarak kendiliğinden oluşan DM teknolojisinin kullanılması hedeflenmiştir. Çalışmada kullanılan ticari UF membran GM olarak adlandırılmıştır. Dinamik membran tabakasıise DM olarak adlandırılmıştır. Sentetik atıksu kullanılmasının sebebi, gerçek atıksuyun karakteristiğindeki değişimlerin elimine edildiği bir çalışma gerçekleştirmektir. Sentetik atıksu ile sabit bir atıksu karakterizasyonu yakalanabilmişve bu sayede kararlı şartlar altında DM ve GM'in arıtma ve filtrasyon performanslarınet bir şekilde ortaya konulabilmiştir. DM tabakasının oluşması için destek tabakası olarak polyester kumaştan üretilmiş içi boş fiberler kullanılmıştır. DM teknolojisininarıtma ve filtrasyon verimlerinin net bir şekilde ortaya konulabilmesi için ticari bir içi boş fiber polivinilidin florür kaplama GM membran aynı reaktör içerisine, aynı işletme şartlarında paralel olarak çalıştırılmıştır. DM ve GM sistemlerinin avantaj ve dezavantajlarını belirleyebilmek için atıksu arıtım ve filtrasyon performansları karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. DM ve GM yaklaşık 5 L/m2/saat akıdafasılalı olarak çalıştırılmıştır. Çalışmanın sonunda DM tabakası ve GM yüzeyi için morfolojik analizler yapılmıştır. Yapılan morfolojik analizlerde; çevresel taramalı elektron mikroskobu enerji dağınıkX-ışını, fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi ve lazertaramalı konfokal mikroskop kullanılmıştır. DM çıkış suyu kalitesi incelendiğinde yüksek KOİ giderim verimine, yüksek askıda katı giderimine ve düşük bulanıklık değerlerine sahip olduğu tespit edilmiş olup elde edilen değerlerin GM'in çıkış suyu kalitesine yakın olduğu gözlenmiştir. DM ve GM'in toplam azot ve toplam fosfor giderim verimleri birbirine yakın olup, bu kirleticilerin arıtımı için özel bir sistem kurulmadığından giderim verimleridüşüktür. DM'in destek tabakası üzerinde oluşan kek tabakasından dolayı TMP ilk üç gündebüyük ölçüde artış göstermiş ve sonrasında ise çok az oranda sürekli bir artış göstermeye devam etmiştir. Kurulan sistem, DM'in fiziksel temizlenmesine ihtiyaç duyulmadan sabit akıda 85 gün boyunca başarıyla işletilebilmiştir. Morfolojik analizler kapsamında gerçekleştirilen FTIR ve EDX analizleri sonuçlarına göre DM tabakasında ve GM'in yüzeyinde hem organik hem de inorganik maddelererastlanmıştır. FTIR analizi sonucunda, DM tabakasında ve GM'in yüzeyinde aynıtürlere ait organik bileşiklerin biriktiği tespit edilmiştir. EDX analizi sonuçlarında isetıkanmaya sebep olan bazı elementlerin ağırlıkça yüzdesinin DM tabakasında daha fazla olduğu belirlenmiştir. DM destek tabakasının sahip olduğu boşlukların ve bu destek tabakasının yüzeyininatıksuda bulunan kolloidler ve floklar ile dolduğu ve bunun sonucunda da dinamiktabakanın geliştiği ESEM analizi neticesinde ortaya konmuştur. Sonuç olarak orta kuvvetteki evsel atıksuyun arıtılmasında, içi boş fiberlerin destek malzemesi olarak kullanıldığı havalı DMBR teknolojisinin uygulanabilir olduğu ve ticari UF membranlarla eş değerde yüksek giderim verimlerinin elde edildiği görülmüştür. Ayrıca DM membranın destek tabakasının ucuz olması ve kimyasal temizlik gerektirmemesi de göz önüne alındığında, DMBR sisteminin işletme ve bakım maliyetlerinin UF MBR sistemlerine göre daha az olduğu tespit edilmiştir.