27 Mayıs 2010 | TEKNÄ°K MAKALE 32. Sayı (Mayıs-Haziran 2010)

Süleyman Uzuner Balıkesir Üniversitesi MMF, Çevre Mühendisliği Bölümü Burhanettin Farizoğlu Balıkesir Üniversitesi MMF, Çevre Mühendisliği Bölümü
1. Materyal ve Yöntem

1.1. Deney Sistemi
Çalışmalarda kullanılan jet-loop bioreaktör ve silindirik membran modülünün olduğu filtrasyon sisteminin şematik görünümü Şekil 1.1’de verilmektedir. Jet loop bioreaktörün toplam hacmi 18 L olarak ayarlanmıştır. Bioreaktör iç içe geçmiş iki adet silindirik borudan oluşmaktadır. ‹çteki daha küçük olana emme borusu adı verilir. Dıştaki boru 100 mm çapa ve 3 mm et kalınlığına; içteki ise 50 mm çapa ve 3 mm et kalınlığına sahip olup, şeffaf akrilik malzemeden imal edilmiştir. Reaktörün üst kısmında bulunan de-gazifikasyon tankı (300 mm çapa ve 3 mm et kalınlığa sahip) da akrilik şeffaf borudan imal edilmiştir. Bir sıvı sirkülasyon pompası tarafından basılan sıvı ve ayrı bir hattan gelen hava (kompresörden sağlanan) bir jet meme içerisinden geçerek emme borusunun içine püskürtülür. Emme borusunu geçerek ilerleyen iki fazlı akım, reaktörün tam altındaki çarpma levhasına çarparak yanlardan yukarı yönelir ve reaktörün üst bölgesine ulaşır. Emme borusu hizasına gelen ve hava kabarcıkları barındıran sıvının bir kısmı basınç farkından dolayı tekrar emme borusunun içine çekilir ve çevrime devam eder. Reaktörün en üstündeki daha geniş bölme ise gaz alma tankı olarak isimlendirilir ve sirkülasyon pompasının ürettiği aşırı ısının giderilebilmesi için bir adet çelik soğutucu ile donatılmıştır.

1.2. Kullanılan Aktif Çamurve Atıksu
Çalışmada Balıkesir Kenti Atıksu Arıtma Tesisi çöktürme havuzundan alınan aktif çamur çoğaltılmıştır. Daha sonra jet-loop reaktöre alınmış ve jet-loop reaktör şartlarına alışması beklenmiştir. Çalışmalarda atıksu olarak Onur Süt Sanayi Ticaret A.fi.’ye ait peynir üretim fabrikasından atılmakta olan deşarj suları kullanılmıştır. Fabrikaya ait arıtma tesisinin dengeleme havuzundan atıksu alınmıştır. Tesisten 2-4 günlük periyotlarda alınan yaklaşık 250 L atıksu laboratuvarda depolanarak kullanılmıştır. Alınan atıksuda KO‹, BO‹, TN, TP, AKM, UAKM analizleri yapılarak sisteme beslenmiştir.

1.3. Kullanılan Membran Ünitesi
Deneylerde 0.24 m2 yüzey alanına sahip silindirik seramik membran modülü kullanılmıştır. Seramik membranın por çapı 0,1 mm ve uzunluğu 1 m’dir.

1.4. KOİ Analizi
KO‹ analizi standart metotlarda belirtilen usullere uygun olarak kolorimetrik yapılmaktadır. Analizlerde WTW Marka Spectroflex 6600 model spektrofotometre kullanılmıştır. fiekil 1.2’de, kullanılan kalibrasyon eğrisi gösterilmiştir.

1.5. Askıda Katı Madde ve MLSS Konsantrasyonunun Ölçülmesi
AKM ve UAKM ölçümleri standart metotlarda verilen yöntemlerle yapılmıştır (Anon. 1986).

1.6. BOİ Ölçümleri
BOİ ölçümleri; WTW marka OxiTop model dijital BO‹ metre kullanılarak yapılmaktadır.
pH, ÇO ve İletkenlik
Reaktördeki pH ve ÇO sisteme online bağlı olan WTW Marka Multiline P4 350i model çoklu parametre ölçer cihazı yardımıyla sürekli olarak ölçülerek kaydedilmektedir.

2. Sonuçlar ve Tartışma

2.1. Atıksuyun Karakterizasyonu
Alınan her atıksuda kirlilik parametreleri ölçülmüştür. Parametrelerin analiz sonuçları Tablo 1’de verilmektedir. Gün içerisindeki konsantrasyon, içerik ve debi salınımlarından fazlaca etkilenmemek için fabrikanın arıtma tesisinin dengeleme havuzundan atıksu alınmıştır. Süt endüstrisi atıksuları genellikle ardışık proses ve işlemlerden, aralıklı bir yolla üretilirler. Buna ilaveten, üretilen ürün çeşidine ve işletme metoduna bağlı olarak fabrikadan fabrikaya değişiklik göstermektedir (Vidal et al. 2000).
Literatürde süt endüstrisi atıksularının karakterizasyonuna yer veren çalışmalarla kıyaslandığında, bu çalışmanın oldukça kapsamlı olduğu görülebilir.

2.2. Jet-Loop Membran Biyoreaktörün (JLMBR) Biyolojik Arıtıma Hazırlanması
Atıksuların biyolojik metotlarla arıtımında mikroorganizmaların iyi bir şekilde ortama alıştırılması son derece önemli ve de gerekli bir aşamadır. Çünkü ortama iyi uyum sağlayamamış mikroorganizmalar biyolojik arıtım ünitelerinin verimlerini olumsuz yönde etkilemektedirler. Özellikle jet-loop reaktörler gibi reaktör içerisinde son derece ekstrem akış şartlarının meydana geldiği biyoreaktörlerde bu koşullara uyum sağlayabilecek mikroorganizma popupülasyonlarının çoğaltılması, arıtımın verimi açısından son derece önemlidir. Yeterince çoğaltılan çamur daha sonra Şekil 1.1.’de gösterilmekte olan jet-loop bioreaktöre aktarılmıştır.

2.3. JLMBR’de MLSS Konsantrasyonunun KOİ Giderme Verimi ile İlişkisi
JLMBR sistemine aktif çamurun alıştırılmasını takiben sisteme sürekli atıksu beslemesine geçilmiştir. Yaklaşık 2-4 günde bir olacak şekilde periyotlarda alınan su 90 L hacimli besleme tankına doldurularak debi ayarlanabilir bir perilstatik pompa yardımıyla biyoreaktörün de-gazifikasyon haznesine basılmıştır. Sisteme yüksek konsantrasyonlarda veya yüksek debilerde atıksu basıldığı şartlarda köpürmeler gözlenmiştir. Özellikle, yüksek konsantrasyonlu atıksu rastladığı dönemlerde meydana gelen aşırı köpürmeler, sistemden aktif çamur kaçışlarına da sebep olmuştur. Biokütle kaybını önlemek amacıyla degazifikasyon ünitesi izole edilmiştir. Sistemde zamanla biyofilm oluşumu gözlenmiştir. Hatta belirli dönemlerde biyofilm oluşumu çok hızlı ve fazla miktarda meydana gelmiştir. Özellikle besleme, düşük konsantrasyonda KO‹ içerdiğinde ve/veya sisteme düşük debilerde atıksu verildiğinde, biyoreaktörde biyofilm oluşumunun çok fazlalaştığı gözlenmiştir. En yoğun biyofilm oluşumu de-gazifikasyon tankının cidarlarında ve soğutma ünitesinin spiral sarımında meydana gelmiştir. Yüksek yüklemelerde ve/veya besleme KO‹ konsantrasyonunun yüksek olduğu şartlarda biyofilm oluşumunun az olması dikkat çekmiştir. Bu sonuç iki nedene atfedilebilir: Birincisi; yüksek yüklemelerde ortamda fazlaca organik madde olması nedeniyle bakteriler besin bulabilmek için süspanse hale geçme eğiliminde olmaktadırlar. Düşük yüklemelerde ise ortamda az besin olması nedeniyle daha fazla hücre dışı polimer salgılamaktadırlar ve yapışkan özellikteki bu polimerler nedeniyle tutunma eğiliminde olmaktadırlar ve böylece de biyofilm kalınlığını artırmaktadırlar. ‹kinci neden ise düşük yüklemelerde sistemin hidroliği nedeniyle daha yüksek çamur yaşı sağlanmış olmaktadır. Bu da çamurun nispeten daha yaşlı olması anlamına gelmektedir. Yaşlı çamur ve yetersiz besin nedeniyle yapışkan özellikteki hücre dışı polimerlerin daha fazla salgılanmasının sonucunda aktif çamur tutunma ve biyofilm oluşturma eğiliminde olmaktadır.
Sistemde oluşan biyofilmler zamanla kalınlaşmakta ve belli kalınlığa geldiğinde ise tutunma yüzeyine yakın bölgelere besin ve ÇO ulaşamamaktadır. Böylece cidarda ve yakın mesafelerde önce anoksik, sonra da anaerobik koşullar meydana gelmekte ve bu bölgelerde hücreler ölmektedir. Zamanla belli kalınlığa ulaşan biyofilmler reaktördeki kesme kuvvetlerinin de etkisiyle kopmakta ve sistemde süspanse hale gelmektedir. fiekil 2.3’te biyofilm oluşumu verilmektedir. Bu yoğun biyofilm oluşumu nedeniyle jet-loop reaktörün hibrit (süspanse-biyofilm) bir sistem gibi davrandığı düşünülebilir. fiekil 2.4’te çalışma periyodu boyunca sistemde ölçülen MLSS konsantrasyonu ve KO‹ arıtma verimleri gösterilmektedir. ‹lk 50 günlük bölümde seramik membran sisteminden iyi akı alınabilmesi nedeniyle yüksek çamur yaşlarının sağlanması sonucunda yüksek çamur yaşları temin edilebilmiş ve MLSS konsantrasyonları yükseltilebilmiştir. Ancak ilerleyen periyotta membranın tıkanması ve yüklemelerin çok artırılması çamur yaşının düşmesine ve sistemde daha az çamur tutulmasına neden olmuştur.
Jet-loop biyoreaktörlerde püskürtme başlığından üretilen jet oldukça küçük, dağınık ve hareketli yapıda floklar oluşturmaktadır. Çökelme kabiliyeti zayıf bu flokların çıkıştan ayrılabilmesi membran ile mümkün olmaktadır. fiekil 2.4’te KO‹ giderme verimi ile MLSS arasında keskin bir ilişki görülememektedir. Bütün şartlarda sistemde son derece yüksek bir giderim elde edilmiştir. Biyokütle konsantrasyonunun artışıyla arıtma veriminin de artması beklenen bir sonuçtur. Bunun yanı sıra yüksek MLSS konsantrasyonu daha yaşlı hücrelerden meydana gelmektedir. Düşük MLSS konsantrasyonlarında ise daha genç ve daha aktif hücrelerin oranının yüksek olduğu düşünülmektedir. Dolayısıyla daha düşük biyokütle konsantrasyonlarında arıtma veriminde düşmeler belirgin olarak gözlenmemiştir.
Çalışma süresince reaktörden çözünmüş oksijen (ÇO) ölçümü yapılmıştır. Bütün süreçte ÇO değerleri 2,5-4 mg/L arasında ölçülmüştür. Yalnızca 4500 mg/L KO‹ konsantrasyonlu atıksuyun beslendiği periyotta ÇO’nin 1-1,5 mg/L değerine düştüğü gözlenmiştir. Ancak bu süreçte de arıtma veriminde düşüşler gözlenmemiştir.

2.4. JLMBR’de KOİ Giderme Performansı
fiekil 2.5’te çalışma periyodunda sistemden yüklemelere karşılık elde edilen arıtma verimleri gösterilmektedir. Her seferinde yaklaşık olarak 250 L atıksu alınmış ve tükeninceye kadar sisteme beslenmiştir. Çıkıştan günde 2-3 kez KOİ analizi yapılmış ve bunların ortalaması o güne ait değer olarak girilmiştir. Her şart reaktör hacminin 12-14 katı atıksu geçirilmek koşuluyla denenmiştir. 12-14 kat reaktör hacmine eşit atıksu devredilen sistemin dengeye rahatlıkla gelebileceği kanaatine varılmıştır. Sisteme beslenen yük miktarını, alınan atıksuyun konsantrasyonu belirlemiştir. Çünkü besleme debisi uzunca süreler sabit tutulmaya çalışılarak bekletme sürelerinin etkisi çalışılmıştır.
Sisteme verilen yüklemeler oldukça salınım göstermektedir. Bunun nedeni konsantrasyondaki salınımdır ve atıksu hiçbir zaman seyreltilme yoluna gidilmemiş, olduğu gibi sisteme verilmiştir. Yüklemeler 3-54 kg/m3/gün değerleri arasında değişmektedir. Yükteki büyük salınımlar olmasına karşın arıtma verimleri son derece yüksek elde edilmiştir. Bütün şartlarda %94’ün üzerinde KO‹ giderme verimi elde edilmiştir. Elde edilen sonuçlar literatüre önemli katkılar sağlayacak ölçüdedir ve oldukça heyecan vericidir.
fiekil 2.6’da bekletme süresinin arıtma verimine etkisi gösterilmektedir. Bekletme süreleri 2,4 ile 10,2 saat arasında değiştirilmiştir. Sistem, düşük bekletme sürelerinde dahi oldukça yüksek arıtma verimi sağlamaktadır.
Jet-loop biyoreaktörler, klasik aerobik sistemlerle (aktif çamur sistemleri gibi) karşılaştırıldıklarında havalandırma için mekanik gereçleri (pedal, türbin vb.) bulundurmayışı, yüksek H/D oranı (5-10/1) nedeniyle inşası için az arazi ihtiyacı ve daha etkili bir karışımın sağlanabilmesi gibi birçok avantaj sunmaktadır (Bloor et al. 1995). Püskürtme başlığı sayesinde meydana getirilen çift akımın hava kabarcıklarını küçük parçalara bölmesi ile etkili bir karışım ve yüksek etkin yüzey alanının oluştuğu jet-loop reaktörler, birçok ünitenin yaptığı işi tek başına yaptığı için büyük enerji tasarrufu sağlayarak, yüksek difüzyon katsayısı ve oksijenlenme temin etmektedir. Bu özellik JLMBR’lerin düşük bekletme sürelerinde yüksek yüklemelerde çok yüksek performans göstermelerinin en önemli nedenlerinden biridir. Ayrıca Jet-loop reaktörlerde üretilen bakteri popülasyonları üzerinde yapılan çalışmalarda, klasik sistemlerle karşılaştırıldığında aerobik bakterilerin anaerobik bakteri gruplarına oranının daha yüksek olduğu görülmüştür (Petruccioli, et.al 2002). Bilindiği gibi aerobik bakterilerin aktivitesi anaerobiklerden daha yüksektir. Dolayısıyla jet-loop reaktörlerin oldukça iyi performansını, yüksek aerobik bakteri oranı ve aerobik bakterilerin yüksek aktivitesi ile açıklamak mümkündür.

2.5. JLMBR Sisteminde Ölçülen Membran Akılarındaki Değişimler
Çalışmada kullanılan sistemin en önemli parçalarında birisi de seramik membran ünitesidir. Yüksek kesme kuvvetlerinin de etkisiyle çok küçük ve dağınık aktif çamurun klasik çöktürme işlemi ile ayrılması son derece zordur. Sistemden alınan membran akılarının, buna bağlı olarak da çamur yaşının zamanla değişimi Şekil 2.7’de verilmektedir. Membran ünitesinden 1-18 L/m2 saat arasında akı elde edilirken, sistemde temin edilen çamur yaşı (Qc) 2,5 saat ile 13 gün arasında gerçekleşmiştir.
Kullanılan membran sistemine ayrıca bir geri yıkama ünitesi bağlanmıştır. Bu sistem yardımıyla saf su kullanılarak geri yıkama yapılmıştır. Son dönemlerde ise geri yıkama işlemi hava ile yapılmıştır. Sistemin çamur yaşı değerleri membran yardımıyla ayarlanmaktadır. Besleme debisi ile membrandan çekilen debi arasındaki fark kadar bir debi ile de-gazifikasyon tankından çamur atılmaktadır. Atılan çamur debisi ile de çamur yaşı değerleri hesaplanmıştır. Bu nedenle membrandan çekilen debi artırıldığı oranda çamur yaşı da artırılabilmiştir. Hemen hemen her yeni yükleme şartıyla beraber membran da geri yıkanmıştır. fiekil 2.7’de görüldüğü üzere özellikle son dönemlerde sistem çok düşük Qc’lerde çalıştırılmıştır. Bunun nedeni membran modülünden yeterince akı alamamaktan kaynaklanmıştır. Besleme debisinin artışı ile membran debisinin aynı oranda artırılamamasından dolayı çamur atım hızı yüksek olmuştur. Bu da düşük çamur yaşlarında sistemin işletilmesi sonucunu doğurmuştur.

 

---

R E K L A M