Impact of support material type on the performance of dynamic membrane bioreactors treating municipal wastewater

Klasik aktif çamur sistemleri atıksu arıtımında yıllardır kullanılmaktadır. Ancak iki önemli dezavantaja sahiptir. Bu dezavantajlar; geniş alan ihtiyacı ve çıkış suyu kalitesinin du şu k olmasıdır. Bu sorunların önu ne geçebilmek için membran biyoreaktör sistemleri geliştirilmiştir. MBR sistemleri esas olarak membran teknolojisi ile biyolojik proseslerin kombinasyonu olup, havalı veya havasız biyolojik arıtım yapılan u nitelere mikrofiltrasyon veya ultrafiltrasyon membranların yerleştirilmesi ile elde edilir. MBR sistemlerinin yu ksek çıkış suyu kalitesi, du şu k alan ihtiyacı ve sistemin yu ksek biyoku tle konsantrasyonu ile işletilebilme olanağı gibi önemli avantajları vardır. MBR sistemlerinin klasik aktif çamur sistemlerine göre önemli u stu nlu kleri olsa da, yu ksek modu l maliyeti ve tıkanma sorunu bu sistemlerin en önemli problemleridir. Bu problemleri çözmek için laboratuvar ve pilot ölçekli çalışmalar yoğun olarak gerçekleştirilmektedir. MBR sistemlerindeki sorunların önu ne geçmek için kullanılan yöntemlerden birisi de dinamik membran biyoreaktör teknolojisidir. DMBR teknolojisi, MBR sistemlerinin dezavantajlarını ortadan kaldırmak için geliştirilen MBR modifikasyonudur. DMBR teknolojisinde bu yu k gözenek çaplı destek tabakası ve bu tabaka u zerinde oluşan ikincil bir tabaka bulunur. Destek tabakasının görevi bu ikincil tabakanın oluşmasını sağlamaktır. Filtrasyon işlemini ikincil tabaka gerçekleştirir. Destek tabakası olarak dokuma veya dokuma olmayan du şu k maliyetli tekstil malzemeleri kullanılabileceği, gibi özel olarak u retilen naylon veya çelik elekler de kullanılabilir. DMBR teknolojisinde kullanılan çeşitli malzemeler genel olarak; cam elyaf, polyester kumaş, naylon, seramik ve paslanmaz çelik malzemelerdir. Asıl fonksiyonu filtrasyon olan dinamik membran bu destek tabakalarının u zerinde oluşmaktadır. Dinamik membran, tabaka oluşumuna bağlı olarak iki farklı gruba ayrılır. Kendiliğinden oluşan dinamik membranlar ve önceden kaplanmış dinamik membran. PDM membranlar destek tabakasının özel materyal veya materyaller ile kaplanarak dinamik tabaka oluşturulması esasına dayanır. SFDM sisteminde ise destek tabakası doğrudan aktif çamur sistemine yerleştirilir ve aktif çamurdaki organik ve inorganik askıda katı maddelerin destek tabakası u zerinde birikmesi sonucu DM oluşumu sağlanır. Aerobik ve anaerobik sistemlerde kullanılan DM'ler jel ve kek olmak u zere iki tabakadan oluşur. Jel tabakası protein ve polisakkarit ana bileşenlerinden oluşan hu cre dışı polimerik maddelerden ileri gelir. Jel tabakasının temel görevi, istenmeyen ku çu k partiku llerin destek tabakasından geçmesini önlemektir. Kek tabakası ise askıdaki organik ve inorganik partiku llerden oluşur. Kek tabakası, ikincil bir membran olarak katı parçacıkların tutulmasında önemli bir rol oynar. Özetle DM tabakaları katı-sıvı ayırma işleminde gerçek membranlar ile aynı performansı gösterebilen ama ilk yatırım ve işletme maliyetleri bakımından MBR sistemlerine kıyasla daha du şu k maliyetli sistemlerdir. Bu çalışmanın amacı, aerobik dinamik membran biyoreaktör sistemi ile evsel atıksu arıtılmasında iki farklı destek tabakasının filtrasyon ve arıtma performanslarının ortaya konularak en uygun destek tabakasının belirlenmesidir. Bu çalışma iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada ince boşluklu fiber yapıda polyester destek tabakası kullanılarak yu ksek akıda DM oluşumu incelenmiştir. Akı değeri olarak 25 L/m2. sa seçilmiştir. Bu yu ksek akı değerinde sistem yaklaşık 30 gu n işletilebilmiştir. İşletme su resinin sonuna doğru tıkanmaya bağlı olarak, membran transmembran basınç değerinin ciddi bir artış gösterdiği ve akının da du ştu ğu gözlenmiştir. İlk çalışma neticesinde polyesterin daha du şu k bir akıda çalıştırılması sonucuna varılmış ve ikinci çalışmanın işletme akısı olarak da 18 L/m2. sa seçilmiştir. Ayrıca ikinci çalışmada polyester destek tabakasının (DM-1) yanı sıra aynı gözenek çapına sahip cam elyaftan (DM-2) u retilmiş farklı bir destek tabakası da denenmiştir. DM-1 ve DM-2 destek tabakalarının yu zey yapıları birbirinden farklılık göstermekte olup, DM-2 destek tabakasındaki filamentler, DM-1'e kıyasla daha ku çu k çaplı ve adet olarak sayısı daha fazladır. Bu farklılık taramalı elektron mikroskobu göru ntu leri ile ortaya konulmuştur. Buna ek olarak DM-1 su per hidrofilik karaktere sahipken, DM-2 hidrofobik özellik göstermektedir. DM-1 ve DM-2 membranlarının performanslarını kıyaslamak için çeşitli analizler gerçekleştirilmiştir. Arıtma performanslarının ortaya konulmasına yönelik kimyasal oksijen ihtiyacı, çözu nmu ş KOİ, toplam askıda katı madde, uçucu askıda katı madde, toplam azot ve toplam fosfor gibi analizler gerçekleştirilirken, filtrasyon performanslarını kıyaslamak için her iki membranın TMP değerleri ve akıları çalışma boyunca takip edilmiştir. Çalışma sonunda fourier dönu şu mlu kızılötesi spektroskopi, SEM ve enerji ayrımlı X-ray analizi spektroskopisi ve lazer konfokal mikroskobu morfolojik analizleri gerçekleştirilerek DM oluşumu ile bu oluşumda yer alan elementler ve organik maddeler hakkında bilgi elde edinilmiştir. Her iki çalışma sonucunda da oldukça yu ksek KOİ ve çözu nmu ş KOİ giderimi gözlenmiş olup, giderim verimlerinin %95'in u zerinde olduğu saptanmıştır. Ayrıca her iki çalışmada da %99'un u zerinde AKM giderim verimi gözlenmiş olup, çıkış AKM konsantrasyonları 10 mg/L'nin altında ölçu lmu ştu r. Yu ksek AKM giderim verimleri çıkış suyunda gözlenen du şu k bulanıklık değerleri (>1 NTU) ile desteklenmiştir. Toplam azot ve toplam fosfor giderim verimleri ise du şu k olup, bu durum sadece aerobik arıtma yapılmasından kaynaklanan doğal bir sonuçtur. DM-1 ve DM-2 için benzer TN ve TP giderim verimleri gözlenmiş olup, çalışma boyunca elde edilen verilerden ortalama giderim verimlerinin TN için %25 ve TP için %10 olduğu tespit edilmiştir. Filtrasyon performansının ortaya konulması için TMP ve membran akıları çalışma boyunca takip edilmiştir. Sabit akı altında (18 L/m2. sa) DM-2'nin membran basıncının DM-1'e kıyasla yu ksek olduğu gözlemlenmiştir. Bu farkın DM oluşum mekanizmalarının farklılığından ileri geldiği sonucuna varılmıştır. SEM göru ntu lerinden elde edilen bilgiler neticesinde, katı parçacıkların DM-2'nin destek tabakasını oluşturan yoğun dizilimli ince boşluklu filamentlerin aralarına tutulduğu ve bu filamentleri tıkadığı sonucuna varılmıştır. Bu durum sonucunda da DM-2 için yu ksek TMP değerleri ölçu lmu ştu r. Diğer yandan, DM-1 destek tabakası yu zeyinde oluşan DM tabakasının homojen olarak dağıldığı SEM göru ntu leri ile desteklenmiştir. Bu homojen dağılım sayesinde DM-1'de daha du şu k TMP değerleri gözlenmiştir. Bu analizler neticesinde DM-1 ve DM-2 benzer arıtma performanslarına sahip olsalar daDM-1'in işletme basıncının DM-2'ye kısayla daha du şu k ve stabil olduğu ve DM-1'nin filament yapısından dolayı homojen dağılımlı kek tabası oluşumu açısından daha uygun olduğu tespit edilmiştir. Sonuç itibariyle destek tabakası olarak polyesterin DMBR uygulamaları için oldukça elverişli olduğu göru lmu ştu r. Bu çalışmanın sonuçlarını daha da ileriye taşımak için geleceğe yönelik bazı araştırmalara ihtiyaç vardır. Polyester destek tabakasının gerçek evsel atıksu kullanılarak laboratuvar ölçeğinde çalışılması ve gerçek atıksudaki arıtma ve filtrasyon performanslarının ortaya konulması gerekmektedir. Bu çalışmadan olumlu sonuçlar elde edilmesi durumunda, polyester pilot ölçekli ve sonrasında da gerçek ölçekli çalışmalarda kullanılabilir. Ayrıca TN ve TP giderim verimlerini arttırmak için de DMBR sistemi u zerinde çeşitli modifikasyonlar denenebilir. Ekonomik fizibilite çalışmaları ve yaşam döngu su analizleri ile DM teknolojisinin uygulanabilirliği ile ilgili daha fazla bilgi elde edilebilir. Sonuç olarak, bahsi geçen çalışmalar neticesinde elde edilen bilgiler ile literatu re katkı sağlanırken, aynı zamanda pilot ölçekli ve tam ölçekli çalışmalar için zemin hazırlanmaktadır. Pilot ölçekli çalışmalardan verimli sonuçlar elde edilmesi halinde ise polyester destek tabakasının tam ölçekli DMBR uygulamaları açısından önu açılmış olacaktır.