24 Haziran 2016 | TEKNİK MAKALE 95. Sayı (Haziran 2016)

Dr. Hale Özgün İstanbul Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü Araştırma Görevlisi

Evsel atıksudan anaerobik membran biyoreaktör teknolojisi kullanılarak yüksek besi madde, düşük patojen içeriği olan ve katı madde içermeyen su eldesi, günümüzde yoğun olarak araştırılmaktadır. Anaerobik membran biyoreaktörler diğer teknolojilere göre daha az yer kaplamakta olup, sadece atıksu arıtma amaçlı değil, aynı zamanda besi madde içeriği yüksek su eldesi amacıyla da kullanılmaktadır. Böylece evsel atıksuların tarımsal sulama amaçlı yeniden kullanımına olanak sağlanmaktadır. Ayrıca anaerobik prosesler ile elde edilen biyogaz, anaerobik membran biyoreaktör işletiminde gerekli olan enerji ihtiyacını azaltmaktadır. Belirtilen avantajlarının dışında, anaerobik membran biyoreaktör teknolojisi tam ölçekli uygulamalarda membran tıkanma problemine yol açmaktadır.

Tıkanmaya bağlı olarak oluşan yüksek enerji gereksinimi ve yatırım maliyeti, bu teknolojinin dezavantajları arasında sıralanabilir. Evsel atıksular birçok ülkede düşük organik madde içerikli ve hizmet edilen nüfusa bağlı olarak yüksek miktarda oluşmaktadır. Ancak su korunumu ve ayrık kanalizasyon sistemlerinin kurulması ile ilgili devam eden çalışmalar, yakın gelecekte evsel atıksu karakterizasyonunda değişimlerin olabileceğini göstermektedir. Membranların ayırma özelliği sayesinde evsel atıksu karakterizasyonundaki değişimler, çıkış suyu kalitesini büyük ölçüde etkilemeyecektir.

Arıtma tesisi konfigürasyonu, membran özellikleri, çamur ve giriş atıksu karakterizasyonu ve işletme koşulları gibi tasarım ve işletme ile ilgili birçok faktör, anaerobik membran biyoreaktörlerde tıkanma potansiyeline etki etmektedir. Bunların arasında reaktör dizaynı, çamurun tıkama potansiyelini etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Özellikle son on yılda tam karışımlı reaktör, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör ve genleşmiş granüler çamur yataklı reaktörler gibi farklı birçok anaerobik reaktör tipinin farklı membran türleri ile birlikte kullanıldığı pek çok çalışma yapılmıştır. Bu alternatifler arasında yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörlerde çamur yerine reaktör üst suyu membrana ulaşmaktadır. Dolayısıyla tıkanma ile ilgili problemleri azaltması açısından bu kombinasyon avantajlı görülmektedir.

Doktora kapsamında yaptığım çalışmanın temel amacı, evsel atıksudan tarımsal sulamada kullanma amaçlı düşük patojen yüksek besi madde içeriği olan su eldesini ve enerji geri kazanımını sağlayacak yenilikçi bir anaerobik membran biyoreaktör konfigürasyonunun uygulanabilirliğinin araştırılmasıdır. Bu çalışmanın gerçekleştirilmesi ile membrana ulaşacak olan toplam katı madde yükü kontrol edilerek akı artışının sağlanması ve anaerobik membran biyoreaktörlerin tam ölçekli evsel atıksu arıtımında kullanılması hedeflenmiştir.  Çalışmada kullanılan deneysel sistem Şekil 1’de verilmiştir.


Şekil 1. Deneysel anaerobik membran biyoreaktör sistemi

Anaerobik membran biyoreaktör ve çürütücü içeren sistem, evsel atıksu arıtımında farklı sistemlerde karşılaşılabilecek birçok dezavantajı önleyebilecek potansiyeldedir. Önerilen sistemde; yan akım membran ünitesi, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör ve buna paralel olarak çalışacak çürütücü kullanılmıştır. Çürütücü 0 ile 40 °C arasında istenilen sıcaklıkta işletilebilir. Sistemde kullanılacak olan membran modülü tübüler olarak dizayn edilmiş olup, modül içerisinde 28 adet ince fiber membran bulunmaktadır. Membran fiberlerinin çapı, yüksek debili evsel atıksular için filtrasyon alanını artırma amaçlı oldukça düşük olacak şekilde 1.5 mm seçilmiştir (Şekil 2).


Şekil 2.  Sistemde kullanılan membran

Membran öncesinde yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör kullanılması ile büyük katı maddelerin reaktörde tutularak sadece reaktör üst sıvısının membrana ulaşması, böylece modül girişinde tıkanmanın önlenmesi hedeflenmiştir. Bunun yanısıra, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör ve çürütücü kombinasyonu düşük sıcaklıklarda evsel atıksu arıtımı ve çamur stabilizasyonu açısından ideal bir sistem olarak öne sürülmektedir. Bu kombinasyona membran ilavesinin yapılması ile özellikle ılıman iklimli bölgelerde evsel atıksuyun tarımsal sulama amaçlı yeniden kullanımı için yüksek kalitede besi madde içeriği yüksek su elde edilmesi hedeflenmektedir.

Bu çalışma kapsamında elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörlerin membran ile entegrasyonunun 25 °C için oldukça uygun olduğu görülmüştür. Çamur çökelme özelliğinde gözlenen bozulmaya rağmen, girişte 530±30 mg/L olan ortalama kimyasal oksijen ihtiyacı, membran çıkışında 42 mg/L’ye düşmüş ve katı madde içermeyen bir süzüntü elde edilmiştir (Şekil 3).


Şekil 3. Sistemde kimyasal oksijen ihtiyacı konsantrasyonlarının değişimi

Membran sistemlerde transmembran basınç değeri işletimde dikkate alınması gereken önemli bir parametredir. Transmembran basınç, membran filtrasyon işlemlerinde membranın her iki yüzeyinde oluşan basınç değişiminden belirlenen membran geçiş basıncıdır. Transmembran basınç membran tıkanması ile doğrudan ilişkilidir. Tıkanma; membran yüzeyinde, partiküller, kolloidal maddeler, makromoleküller, tuzlar vb. birikmesi sonucu oluşur. Deneysel çalışmalar sonucunda, sistemin ortalama transmembran basınç değeri 85 mbar olarak belirlenmiş olup (Şekil 4), elde edilen düşük transmembran basınç değerleri, membranda ciddi seviyelerde tıkanma probleminin olmadığını göstermiştir. 20. günde transmembran basınçta gözlenen ani artış, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkışında gözlenen ani kimyasal oksijen ihtiyacı konsantrasyonu artışı ile ilişkilendirilebilir.


Şekil 4. Sistemde transmembran basıncın değişimi

Yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkışındaki partiküler maddeler, membran modülünü oluşturan fiber membranların bazılarının girişini tıkayarak ani basınç artışına neden olmuştur. Fakat bu durum geri yıkama ile önlenmiştir. Sistem 15 °C’de işletildiğinde, arıtma performansı 25 °C’deki ile aynı olmakla birlikte, filtrasyon performansında ciddi seviyelerde bozulma gözlenmiştir. Düşük sıcaklıkta anaerobik sistemlerde gözlenen düşük hidroliz hızına bağlı olarak sistemde partiküler madde birikimi daha yüksek seviyede olmuştur. Bu durum da, sistemde yüksek transmembran basıncın gözlenmesine, dolayısıyla tıkanmanın artmasına neden olmuştur. Yüksek tıkanma potansiyeli de sistemin mühendislik uygulamaları açısından kullanılmasını büyük ölçüde engellemektedir. Özetle, 15 °C’de sistemin filtrasyon performansında düşük sıcaklığa bağlı bozulmalar belirlenmiştir. Ancak sistemin arıtma performansında membrana bağlı olarak herhangi bir düşüş gözlenmemiştir.

Bu çalışmada önerilen arıtma sistemi, sınırlı su kaynakları ve atıksu arıtımında yaşanan sıkıntılar dikkate alındığında, ülkemizde kolaylıkla uygulama alanı bulabilecektir. Özellikle son yıllarda yaşanan su kıtlığı nedeniyle yeni su kaynakları bulma konusunun önem kazandığı günümüzde bu çalışma, atıksu arıtımı ve atıksuyun yeniden kullanımı konusunda bilimsel olarak yüksek seviyede bilgi birikiminin literatüre kazandırılmasını sağlamıştır.

Kaynaklar
-     Liao, B., Kraemer, J. T. & Bagley, D. M. (2006). Anaerobic Membrane Bioreactors: Applications and Research Directions, Critical Reviews in Environmental Science and Technology, 36 (6), 489-530.
-     Ozgun, H., Dereli, R. K., Ersahin, M. E., Kinaci, C., Spanjers, H. & van Lier, J. B. (2013a). A Review of Anaerobic Membrane Bioreactors for Municipal Wastewater Treatment: Integration Options, Limitations and Expectations, Separation and Purification Technology, 118, 89-104.
-     Ozgun, H., Ersahin, M. E, Tao, Y., Spanjers, H. & van Lier, J. B. (2013b). Effect of Upflow Velocity on the Effluent Membrane Fouling Potential in Membrane Coupled Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors, Bioresource Technology, 147, 285-292.
-     Ozgun, H., Gimenez, J. B., Ersahin, M. E., Tao, Y., Spanjers, H. & van Lier, J. B. (2015a). Impact of Membrane Addition for Effluent Extraction on the Performance and Sludge Characteristics of Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactors Treating Municipal Wastewater, Journal of Membrane Science, 479, 95-104.
-     Ozgun, H., Tao, Y., Ersahin, M. E., Zhou, Z., Gimenez, J. B., Spanjers, H. & van Lier, J. B. (2015b). Impact of Temperature on Feed-flow Characteristics and Filtration performance of an Upflow Anaerobic Sludge Blanket Coupled Ultrafiltration Membrane Treating Municipal Wastewater, Water Research, 83, 71-83.