Performance comparison of membrane bioreactor with dynamic membrane bioreactor

Atıksu arıtımı amacıyla kullanılan membran biyoreaktörler gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde son 10 yılda artan bir hızla kullanılmaya başlanmıştır. Önümüzdeki yıllarda birçok konvansiyonel atıksu arıtma tesisinin teknolojilerini MBR'lara dönüştüreceği ve bunun sonucu olarak son çökeltim havuzlarının ortadan kalkacağı tahmin edilmektedir. MBR'ler membran teknolojileri sayesinde arıtılmış su ve biyokütlenin fiziksel olarak ayrıldığı süspansiyon büyüme modundaki biyolojik proseslerdir. Bununla birlikte, membran maliyetleri, artan enerji talebi, tıkanma kontrolü ve düşük akıda biyoreaktör işletme sorunları, membran biyoreaktör sistemlerinin karşılaşmış olduğu başlıca problemler arasındadır. Dinamik membran biyoreaktör sistemleri, işletim maliyetinin düşük olması sebebiyle bu sorunların çözülmesinde umut verici bir yaklaşım olabilme ihtimalini getirmiştir. Bu çalışmanın amacı, iki farklı membran türünün, 0.45 m gerçek membran ve non-woven dinamik membran, aynı aerobik membran biyoreaktör içerisinde işletilerek, sentetik olarak verilen atıksuda beslenen reaktörde bulunan bulunan kirliliğin, membranlar tarafından filtrelenmesi sonucu, kirlilik giderim performanslarının ölçülmesidir. Reaktör işlerimi sırasında KOİ, bulanıklık, pH, sıcaklık, iletkenlik, TMP, SADm ve ORP parametreleri günlük olarak ölçülmüştür. En yüksek KOİ giderim değerleri, 0.45 m ve non-woven dinamik membran olmak üzere sırasıyla, %99. 47 ve %97. 02 olarak, en düşük bulanıklık değerleri ise sırasıyla 0.12 NTU ve 1.23 NTU olarak bulunmuştur. Oda sıcaklığında işletilen AeMBR sisteminde, 0.45 m gerçek ve non-woven dinamik membran olmak üzere, maximum ve minimum çıkış pH değerleri sırasıyla, 7.98-7. 94 ve 7.37-7. 43 olarak bulunmuştur. Elektriksel iletkenlik için maximum ve minimum değerler, 0.45 m gerçek ve non-woven dinamik membran olmak üzere, sırasıyla, 574- 577 S ve 470- 471 S olarak ölçülmüştür. TMP ölçümleri sonucunda, basıncın 300 mbar üzerine çıkmasıyla, her iki membran materyali kimyasal yıkamaya (1 saat %0.5 NaOCl ve ardından 1 saat pH=2 ayarlanmış musluk suyu içerisinde bekletilerek) tabi tutulmuştur. Yıkama sonrası yapılan ölçümlerde membranların, işletmeye ilk alındıkları gibi basınç oluşturdukları kaydedilmiştir. Reaktör içerisinde yapılan ORP ölçümlerinde, maximum ve minimum olmak üzere sırasıyla 177. 4 ve 114. 2 olarak ölçülmüştür. Ayrıca çalışma kapsamında, çözünebilir mikrobiyal ürünler / hücre dışı polimerik bileşenler, spesifik filtrasyon direnci /süpernatant filtreedilebilirliği, fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi, kapiler emme zamanı, taramalı elektron mikroskobu ve denatürasyon gradient jel elektroforezi analizleri yapılmıştır. Yapılan çalışma üç deneysel aşamadan oluşmuş ve her deneysel çalışmanın ilk gününde modül içerisine yeni bir membran yerleştirilmiştir. İlk deneysel çalışma 10 LMH akıda başarılı bir şekilde işletilmiştir. Bu süre zarfında her iki membran türü için yaklaşık olarak %98 KOI giderimi ve 1 NTU bulanıklık değerleri ölçülmüştür. İşletme süresinde sadece fiziksel yıkama ile yüksek filtrasyon performansı gösteren membranlar, sadece bir kere, basıncın 300 mbar seviyesi ve üzerine ulaşmasıyla, kimyasal yıkamaya tabi tutulmuştur. İlk deneysel çalışma süresince haftada bir SMP/EPS ve çalışma süresince bir defa SEM, SRF/SF, CST, FT-IR ve DGGE analizleri yapılmıştır. Deneysel çalışmanın ikinci aşamasında, akı 15 LMH değerine çıkartılmış ve reaktör başarılı bir şekilde işletilmiştir. 0.45 m gerçek ve non-woven dinamik membranın KOI giderimleri verimleri ortalaması sırasıyla %97 ve %90 olarak kaydedilmiştir. Bununla birlikte yüksek akıda çalışmadan kaynaklı gerçekleşen tıkanma problemlerine karşı, her iki membran türü için fiziksel ve kimyasal yıkama uygulanmıştır. Kimyasal yıkama sonucu her iki membran türünün tıkanıklıkları %97 oranında azalmıştır. Kimyasal yıkamadan sonra, 0.45 m gerçek membran için bulanıklık değerleri çok değişmezken (yaklaşık olarak 0.2 NTU), non-woven dinamik membran bulanıklık değerleri ilk aşamada yükselmiş, ilerleyen aşamalarda ise 1-2 NTU aralığında seyretmiştir. İkinci deneysel çalışma süresince haftada bir SMP/EPS ve çalışma süresince bir defa SRF/SF ve CST analizleri yapılmış ve sonuçlar bir önceki deneysel faz ile kıyaslanmıştır. Deneysel çalışmanın son aşamasında, akı 20 LMH değerine yükseltilmiş, bu süre zarfında non-woven dinamik membranın çok hızlı bir şekilde tıkandığı ve dolayısıyla başarılı bir filtrasyon işlemi gerçekleştiremediği görülmüştür. Non-woven dinamik destek tabakasının bulanıklık değerleri yaklaşık olarak 8 NTU seviyelerine ulaşırken, 0.45 m gerçek membranın bulanıklık değerleri ortalama 0.2 NTU seviyesinde kalmıştır. Her iki membranda da tıkanma %97 azalmış, kimyasal yıkama sonucunda basınç yaklaşık 10 mbar'lık bir TMP'ye ulaşmıştır. Üçüncü deneysel çalışma süresince, bir defa olmak üzere SMP/EPS, CST, SRF/SF, FT-IR ve DGGE analizleri yapılmış, sonuçlar diğer deneysel çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. FT-IR sonuçları neticesinde çamur üzerinde bulunan organik kirleticiler, grafiksel olarak tayin edilmiş, SEM analizi için ise, membran üzerinde bulunan organik materyallerin tayini yapılmış, kesit görüntüsü ile membran üzerinde oluşan kek tabakasının kalınlığı ölçülmüş ve tıkanmaya sebep olan mikrokirleticiler hakkında bilgi edinilmiştir. DGGE çalışması kapsamında, çamur içerisinde bulunan ve tıkanmaya sebep olan bakteri türlerinin sayıları tayin edilmiştir. Bu çalışmada elde edilen bulgular göstermiştir ki DMBR kullanımı MBR'lere kıyasla maliyet açısından oldukça düşük olmasının yanı sıra işlevselliği açısından en az MBR'ler kadar başarılıdır. Bu bilgiler ışığında elde edilen bulgular, gelecekte yapılacak DMBR ve MBR çalışmalarına ışık tutacağı düşünülmektedir. Ayrıca gerçek ölçekli tesislerde de DMBR kullanımı konusunda fayda sağlaması düşünülmektedir.