Farklı İşletme Şartlarında Atıksu Arıtımında Membran Biyoreaktörlerin Kullanımının Değerlendirilmesi

Mustafa Turan / İstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü

Abdullah Zahid Turan / İstanbul Teknik Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü

Aslı Cabiri / İstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü
1. Giriş
Atıksuların arıtılmasında, membran biyoreaktörler (MBR), aktif çamur prosesi ve son çökeltme tankının yerini almıştır. Biyolojik bozulma ile membran filtrasyonunun kombinasyonu, kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), biyolojik oksijen ihtiyacı (BOİ5) ve amonyum azotunda (NH4 +-N) yüksek giderme sağlamaktadır. Membran biyoreaktör sistemi, aktif çamur prosesi ve daldırılmış ultrafiltrasyon (UF) membranları vasıtasıyla arıtılmış suyun ayrılması işleminin birleşimi olup (1), çökeltme/anaerobik tank ve (2) daldırılmış membran biyoreaktör (SMBR) tankından oluşmaktadır.
Membran biyoreaktörler (MBR), bir biyoreaktör ve bir filtrasyon ünitesinden (genellikle ultrafiltrasyon veya mikrofiltrasyon membranı) oluşan birleşik sistemlerdir. MBR’lar klasik aktif çamur proseslerine göre daha az yer kaplamakta, daha düşük çamur oluşumu ve yüksek kaliteli çıkış suyu sağlamaktadır (Ferrais vd., 2009). Daldırılmış membran reaktörlerin (SMBR) geliştirilmesi ile enerji harcanmasında önemli bir düşüş sağlanmış ve MBR’ların atıksu arıtımında kullanılması potansiyeli artmıştır. Membran kaset sisteminin tabanına yerleştirilen difüzörler ile hava/sıvı karışımını sağlanırken, aynı zamanda oluşturulan türbülans hareketi ile membran yüzeyleri temizlenmektedir (Ueda vd., 1997; Abegglena vd., 2008).
Küçük-ölçekli atıksu arıtma tesislerinin (WWTP), azot ve fosfor için arıtma kapasitesi ekseriya sınırlı mertebede kalmıştır. Nitrifikasyon ve denitrifikasyon, biyolojik sistemlerde tesisin yerleşimi ve işletme şartlarına bağlı olarak belli bir mertebede meydana gelir. Buna karşılık, fosfor ise kimyasal çökeltme yardımıyla bir yere kadar giderilir (Komesli vd., 2007). Merkezi sistemin dışındaki atıksuların arıtılmasında, küçük ölçekli MBR sistemlerinin nütrient gideriminde etkili olması üzerine birçok araştırıcı tarafından çalışmalar yapılmış ve olumlu sonuçlar alınmıştır (Bracklow vd., 2007; Zhang vd., 2009; Chae vd., 2007). Bu çalışmada sentetik evsel atıksu ile beslelenen bir daldırılmış membran biyoreaktörde (SMBR) yapılan arıtma işlemi, farklı işletme parametrelerine göre değerlendirilmiştir.

2. Materyal ve metod
Lab/pilot ölçekli daldırılmış membran biyoreaktör (SMBR) sistemi, İstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü Çevre Laboratuvarında kurulmuştur. Havalandırma tankı için 1000 L’lik polietilen tank kullanılmıştır (efektif hacmi yaklaşık 600 L’dir). MBR kaset sistemi içinde 9 adet plaka-çerçeve tipi ultrafiltrasyon membran modülü vardır (polyethersulfone (PES), por büyüklüğü 0,038 mm ve toplam alanı 3,6 m2) (MCB 1- Hans Huber Incorporated, Germany) ve havalandırma tankına düşey olarak yerleştirilmiştir. Tanka önce temiz su doldurularak, havalandırıcı çalıştırılmış ve kabarcıkların düzgün dağılımı kontrol edilmiştir. Daha sonra tank, membran modülün üstüne kadar bir evsel atıksu tesisinden alınan aktif çamur ile doldurulmuştur.
Membran biyoreaktörünün kontrol sisteminde, iki adet hava üfleyicisi körük (atıksu havalandırıcı-aeration blower ve membran sıyırıcı-scouring blower) bulunuyor. Membranda tıkanma (fouling) önemli bir problemdir (Turan, 2004). Bu bakımdan membran kasetinin altında bulunan sıyırıcı difüzörü ile sistemde oluşan çamurun sıyrılması sağlanır. Membrandan süzüntü akışı bir adet doğru akım pompası (PWM: Diyaframlı pompa) vasıtasıyla alınır. Herhangi bir arıza, ön levhadaki bir LED ışığı ile gösterilmektedir. Sistem, ön levhadaki üç anahtar ve bir LCD göstergesi ile yönetilmektedir. Deneylerde, MBR sistemi Tablo 1’de verilen sentetik atıksu ile beslenmiştir. Hazırlanan sentetik atıksu, sisteme verilmeden distile su ile 1/5 oranında seyreltilmiştir. Sentetik atıksu, peristaltik pompa ile sisteme verilmiş, tank içindeki membran kaseti bölümündeki membran modül ve hava difüzörlerinin bulunduğu kısımda arıtma işlemi gerçekleştirilmiştir. Süzüntü çıkış debisi bir debi ölçer vasıtasıyla ölçülmüştür. Arıtma süresince, havalandırma tankındaki AKM (toplam askıda biyokütle, MLSS), çözünmüş oksijen (ÇO), pH ve amonyum azotu (NH4 +-N) konsantrasyonları on-line olarak izlenmiştir (SC1000 Ekran Modül’lü sistem, Hach Lange, Almanya).

3. Değerlendirme

3.1. Süzüntü Akışının Basınçla Değişimi

Lab/pilot ölçekli MBR sisteminde transmembran basıncı (membran yüzeyinin iki tarafındaki basınç farkı) arttığında (Dp=300-825 mbar), süzüntü debisi (18-110 L/sa) ve dolayısıyla süzüntü akısı (5-30,6 L/(m2/sa)) arasında artmaktadır (Şekil 1). Sabit reaktör hacminde, hidrolik bekletme süresi (HRT), süzüntü debisindeki artışla (18-110 L/sa) beraber azalmıştır (HRT=33,3-5,5 saat).

3.2. SMBR Havalandırma Tankında AKM, ÇO, pH ve Amonyum Azotu (NH4 +-N) Değerlerinin İşletme Süresine Bağlı Değişimi
MBR sistemi sentetik atıksu ile beslenmiştir ve belirli aralıklarda tank içinde besleme tankına geri devir yapılmıştır. MBR sisteminin sentetik atıksuyu ile beslenmesi süresince, havalandırma tankındaki AKM (toplam askıda biyokütle, MLSS), çözünmüş oksijen (ÇO), pH, iletkenlik ve amonyum azotu (NH4 +-N) konsantrasyonları on-line olarak izlenmiştir (Hach Lange SC1000 Ekran Modül’lü sistem). Bu parametrelerin 50 gün süreli işletme süresine bağlı değişimleri Şekil 2’de verilmiştir. SMBR havalandırma tankı içindeki toplam AKM (askıda biyokütle) 1400-2000 mg/L arasında değişmiştir. Çözünmüş oksijen konsantrasyonu 7-8 mg/L arasında ve pH değerleri 6,5-8 arasında olarak değişim göstermiştir. İletkenlik ise 2000-3500 µS/cm değerleri arasında olmuştur. Havalandırma tankında çok iyi nitrifikasyon gözlenmiş, dolayısıyla amonyum azotu konsantrasyonu düşük değerlerde kalmıştır. Girişte sentetik atıksuyun Top azot (TN) konsantrasyonu 106 mg/L iken, MBR tankı içindeki NH4 +-N konsantrasyonu genellikle 0-15,2 mg/L değerleri arasında kalmıştır. Ancak KOİ/TN/TP oranı 436/106/15.5= 28.1/6.8/1 alınarak KOİ değeri azaltılıp, TN/TP oranı artırılan atıksu için (C/N= 4.1; TN/TP=6.8) MBR tankı içindeki NH4 +-N konsantrasyonunda yükselme gözlenmiştir (Şekil 2e)

3.3. SMBR sisteminin KOİ, TN ve TP giderim performansı
Membran biyoreaktörün efektif hacmı 600 L, sentetik atıksu besleme debisi Q= 50 L/saat, geridevir oranı R=%100 ve hidrolik bekletme süresi HRT=12 saat alınmıştır. MBR sisteminin değişik KOİ yüklemelerine ve KOİ/TN/TP oranına göre giderim verimleri araştırılmıştır. Tablo 1’de verilen sentetik atıksu kullanılmış (KOİ/TN/TP=1090 /106 / 31= 35,2 / 3,4 / 1; C / N= 10,3; TN / TP=3,4; Yıldız vd, 2005) ve Giriş KOİ konsantrasyonları sırasıyla 1090, 2180 ve 545 mg/L alınarak değişik KOİ değerleri için arıtma deneyleri yapılmıştır. MBR sisteminde yüksek KOİ giderim verimleri elde edilmiştir (%97,2-100) (Şekil 3). Diğer taraftan sistemin toplam azot (TN) giderimleri değişkenlik göstermiş ve genel olarak TN giderimi %26,4-71,7 arasında değişmiştir (Şekil 4). MBR tankı içindeki nitrifikasyon başarılı olmuş, amonyum azotu (NH4+-N) 0-15,2 mg/L arasında değişmiştir (Şekil 2e). Toplam fosfor (TP) giderimi ise düşük değerlerde kalmıştır. Genelde giderim verimleri % 9,7-51,6 arasında çok farklı değişiklik göstermiştir (Şekil 5).
Zhang ve diğerleri (2009) zayıf atıksularda sınırlı KOİ’nin, denitrifikasyon ve fosfor arasında rekabete yol açtığını, nitrifiye fosfor biriktiren organizmaların (DPAO) bulunuşu ile karbon kaynağı eksik atıksuların arıtımında büyük bir gelişme sağladığını ve fosfor biriktiren organizmalardan (PAO) farklı olarak, DPAO’ların, anoksik şartlar altında fosfat gideriminde elektron akseptörü olarak oksijen yerine nitrit veya nitratı kullanabildiğini belirtmiştir. Buna göre düşük karbon içeren zayıf atıksularla çalışarak azot ve fosfor giderimi araştırılmıştır.
Sentetik atıksuda Zhang vd. (2009)’nin çalışmasına benzer olarak C/N oranı 4 civarında alınmıştır (KOİ/TN/TP= 436/106/15.5= 28.1/6.8/1 için çalışma, C/N= 4.1; TN/TP= 6.8).
Yüksek KOİ verimleri bulunmuştur (Şekil 3). Ancak toplam azot ve toplam fosfor giderimlerinde önemli bir değişiklik olmamıştır. TN giderim değerleri %26,4-52,8 arasında değişirken (Şekil 4), fosfor giderimi %22,6-35,4 arasında düşük değerlerde kalmıştır (Şekil 5).
Ayrıca MBR havalandırma tankı içinde amonyum konsantrasyonu da artış göstermiştir (Şekil 2e).

4. Sonuçlar
Plak-çerçeve tipi daldırılmış membran biyoreaktörde (SMBR) sentetik atıksuların arıtılma performansı araştırılmıştır. MBR’da transmembran basıncı artarken (∆p= 300-825 mbar), süzüntü debisi (18-110 L/sa) ve süzüntü akısı da (5-30,6 L/(m2/sa)) artmıştır. Sabit reaktör hacminde, hidrolik bekletme süresi (HRT), süzüntü debisindeki artışla beraber azalmıştır.
(HRT= 33,3-5,5 saat). SMBR tankında toplam AKM (askıda biyokütle) 1400-2000 mg/L arasında değişmiştir. Çözünmüş oksijen konsantrasyonu 7-8 mg/L, pH 6,5-8 ve iletkenlik 2000-3500 µS/cm değerleri arasında değişmiştir.
Girişte atıksuyun Top azot (TN) konsantrasyonu 106 mg/L iken, MBR tankı içindeki NH4 +-N konsantrasyonu genellikle 0-15,2 mg/L arasında kalmıştır. Ancak KOİ/TN/TP oranı 436/106/15.5= 28.1/6.8/1 alınarak KOİ değeri azaltılıp TN/TP oranı arttırılan atıksu için (C/N=4.1; TN/TP=6.8) MBR tankı içindeki NH4 +-N konsantrasyonunda yükselme gözlenmiştir. SMBR sisteminde KOİ giderim verimleri %97,2-100 mertebesinde elde edilmiştir. Toplam azot (TN) giderimleri %26,4-71,7 arasında geniş bir aralıkta değişmiştir. Toplam fosfor (TP) giderimi ise %9,7-51,6 arasında düşük değerlerde kalmıştır.

Kaynaklar
  • Abegglena, C., Ospelt, M., and Siegrist, H. (2008). Biological Nutrient Removal in a Small-scale MBR Treating Household Wastewater, Water Research, 42, 338-346.
  • Bracklow, U., Drews, A., Vocks,M., and Kraume, M. (2007). Comparison of Nutrients Degradation in Small Scale Membrane Bioreactors Fed With Synthetic/Domestic Wastewater, Journal of Hazardous Materials, 144, 620-626.
  • Chae, S.R., and Shin, H.S. (2007). Characteristics of Simultaneous Organic andNutrient Removal in a     Pilot-Scale Vertical Submerged Membrane Bioreactor (VSMBR) Treating Municipal Wastewater at Various Temperatures, Process Biochemistry, 42,193-198.
  • Ferraris, M., Innella, C., and Spagni, A. (2009). Start-up of a Pilot-Scale Membrane Bioreactor to Treat Municipal Wastewater, Desalination, 237, 190-200.
  • Komesli, O.T., Teschner, K., Hegemann, W., and Gokcay, C.F. (2007). Vacuum Membrane Spplications in Domestic Wastewater Reuse,  Desalination, 215, 22-28.
  • Turan, M. (2004). Influence of Filtration Conditions on the Performance of Nanofiltration and Reverse Osmosis Membranes in Dairy Wastewater Treatment, Desalination, 170 (1), 83-90.
  • Ueda, T., Hata, K., Kikuoka, Y. and Seino, O. (1997).  Effects of Aeration on Suction Pressure in a Submerged     Membrane Bioreactor, Water Research., 31, 489-494.
  • Yıldız, E., Keskinler, B., Pekdemir, T., and Akay, G. (2005). High Strength Wastewater Treatment in a Jet Loop Membrane Bioreactor: Kinetics and Performance Evaluation. Chemical Engineering Science, 60,  1103-1116.
  • Zhang,H., Wang, X., Xiao, J., Yang, F., and Zhang, J. (2009). Enhanced Biological Nutrient Removal Using MUCT–MBR System, Bioresource Technology, 100, 1048-1054.

Geri