11 Ağustos 2016 | TEKNİK MAKALE 96. Sayı (Temmuz 2016)

Dr. Recep Kaan Dereli İTÜ İnşaat Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü Araştırma Görevlisi

Anaerobik arıtmanın verimi ve performansı, çok yavaş çoğalabilen anaerobik mikroorganizmaların reaktördeki kalış süresine bağlıdır. Biyoreaktördeki aktif biyokütle miktarının artırılabilmesi ancak çok uzun bekletme süreleri ya da hidrolik bekletme süresi (HBS) ile çamur yaşının birbirinden ayrılması ile mümkündür. Bu zamana kadar yüksek katı maddeli çamurların ya da düşük partiküler madde içerikli atıksuların arıtımında tam karışımlı (örneğin anaerobik çamur çürütücü) ve çamur yataklı anaerobik reaktörler (örneğin havasız çamur yataklı reaktör/HÇYR) başarıyla kullanılmıştır. Tam karışımlı reaktörlerde hidrolik bekletme süresi ile çamur yaşı (yani partiküllerin ve mikroorganizmaların reaktördeki kalış süresi) teorik olarak birbirine eşittir. Örneğin anaerobik çürütücüler genelde 20 gün çamur yaşı (ya da hidrolik bekletme süresi) ile işletilirler. HÇYR’lerde ise hidrolik bekletme süresi saatler mertebesinde iken, çamur yaşı 100 günler mertebesindedir. Bu durum mikroorganizmaların birleşerek çok hızlı bir şekilde çökelen granüller (iri ve yoğun floklar, taneler) (Şekil 1) oluşturması sayesinde gerçekleşir. Yani reaktöre beslenen su çok kısa sürede reaktörü terk ederken, biyokütle ve diğer partiküller oldukça uzun bir süre reaktör içerisinde kalabilir. Çamur yataklı reaktörlerde granül oluşumu, floküler biyokütlenin düşük HBS kullanılarak sistemden uzaklaştırılması ile gerçekleştirilebilir. Ancak, özellikle çok yüksek sıcaklık, tuzluluk, inhibitör, yağ-gres ve partiküler madde içeren endüstriyel atıksuların anaerobik arıtımında granül oluşumunun olumsuz etkilendiği ve arıtma veriminin düştüğü belirlenmiştir (Dereli ve diğ., 2012).


Şekil 1. Anaerobik granüler çamur

Mikroorganizmaların biyoreaktörlerdeki kalış sürelerinin artırılabilmesi için partiküler maddeleri fiziksel olarak tutabilen membran sistemleri de kullanılabilmektedir. Arıtılan su, membrandan geçerek reaktörü terk ederken, içerisindeki partiküller ve mikroorganizmalar reaktör içerisinde kalır. Anaerobik membran biyoreaktörler (AnMBR), anaerobik arıtma prosesleri ile membran sistemlerinin başarılı bir şekilde birarada kullanılması ile teşkil edilir (Şekil 2). Biyoreaktör olarak tam karışımlı ya da yukarı akışlı reaktörler kullanılabilir. Tübular, plaka ya da boşluklu fiber membranların kullanıldığı membran modülleri batık ya da çapraz akışlı olarak reaktöre bağlanırlar. Bu tip reaktörlerin düşük organik yüklü anaerobik çamur çürütücüler ile yüksek yüklü granüler çamur yataklı sistemler arasındaki boşluğu doldurması beklenmektedir. AnMBR’ler özellikle granül oluşumunun sağlanamadığı atıksu tipleri ve koşullar için oldukça uygundur. Bu tür durumlarda membranlar partiküler madde ve biyokütlenin reaktör içerisinde tutulması amacıyla kullanılabilir.


Şekil 2. Anaerobik membrane biyoreaktörler

AnMBR prosesesinin en önemli dezavantajı membran tıkanmasıdır. Membran tıkanması, zamanla membran porları ve membran üzerinde biriken maddelere bağlı olarak transmembran basıncının artması ya da akının azalması olarak tanımlanabilir. Membran tıkanmasının nedenleri ve azaltma yolları, bu zamana kadar birçok bilimsel araştırmanın konusu olmuştur. Ancak, bu konu oldukça karmaşık olması sebebiyle günümüzde de halen önemini korumaktadır. Bu bakımdan, substrat kompozisyonunun ve çamur yaşı gibi işletme parametrelerinin AnMBR sistemlerinde oluşan membran tıkanmasına etkilerinin incelenmesi önem arz etmektedir.


Şekil 3. Mısırdan biyoetanol üretimi ve peynir altı suları

Bu çalışmada, mısırdan biyo-etanol üretimi atıksuları ve peynir altı sularının AnMBR prosesi ile arıtımı incelenmiştir (Şekil 3). Biyo-etanol üretimi özellikle son yıllardaki petrol fiyatlarının dengesizliği, politik karmaşalar ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına olan ilgi nedeniyle oldukça artmıştır. Biyo-etanol endüstrilerinde proses sonucunda partiküler madde içeriği yüksek ve organik madde bakımından oldukça kirli bir atıksu oluşmaktadır. Bu atıksu genelde kurutularak, elde edilen ürün hayvan yemi olarak satılmaktadır. Ancak kurutma işlemi sırasında oldukça fazla enerji harcanmakta ve sistemin fizibilitesi olumsuz yönde etkilenmektedir. Bu bakımdan, biyo-etanol atıksularının hem biyogaz üretimi sağlayan hem de arıtılan atıksuyun endüstri içerisinde yeniden kullanımına olanak tanıyan AnMBR prosesi ile arıtımı oldukça avantajlıdır.
Peynir altı atıksuyu ise peynir üretimi sırasında açığa çıkan ve karbonhidrat (laktoz) içeriği çok yüksek, partiküler madde konsantrasyonu düşük atıksulardır. Günümüzde peynir altı atıksularından birçok yan ürün geri kazanımını sağlayan teknolojiler mevcut olmasına rağmen, özellikle küçük ve orta büyüklükteki işletmelerde genellikle bu teknolojilerin uygulanması tekno-ekonomik olarak fizibil olmamaktadır. Bu bakımdan, peynir altı sularının AnMBR ile arıtımı hem biyogaz/enerji geri kazanımı hem de deşarj standartlarının sağlanmasında büyük avantaj sağlamaktadır.


Şekil 4. Çapraz akışlı AnMBR sistemi akım şeması

Yapılan çalışmada, laboratuvar ölçekli çapraz akışlı AnMBR’lerde (Şekil 4) her iki atıksuda %95’in üzerinde kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderme verimi elde edilmiştir. Şekil 5’te biyo-etanol atıksuları için elde edilen reaktör performansı gösterilmektedir. Organik yükleme hızları her iki atıksu için de 6-8 kg KOİ/(m3.gün) aralığında gerçekleşmiştir. Ancak, özellikle biyo-etanol üretimi atıksularında bulunan yüksek konsantrasyonlu yağlar ve yağların hidroliz ürünleri uzun zincirli yağ asitleri (UZYA) biyolojik arıtma verimini olumsuz etkilemiştir (Dereli ve diğ., 2014a). UZYA mikroorganizma flokları üzerine adsorbe olarak inhibisyona neden olmaktadır. Bu nedenle biyokütle aktivitesi düşmektedir. Ancak, atıksu beslemesi durdurulduğunda biyokütle yavaş da olsa aktivitesini tamamen geri kazanabilmektedir. İşletme açısından oldukça zorlayıcı olan bu durum kesikli beslemeli paralel reaktörlerin kullanımı ile yönetilebilir.


Şekil 5. Biyo-etanol atıksuları için elde edilen reaktör performansı (Dereli ve diğ., 2014a)
Şekil 6. BUZYA’nın 2 değerlikli katyonlar ile oluşturduğu iri taneli çökelekler (Dereli ve diğ., 2014a)

Atıksu içerisindeki kalsiyum ve magnezyum gibi 2 değerlikli katyonların UZYA ile birleşerek onları sabunlaştırdığı ve iri taneli çökelekler oluşturduğu gözlemlenmiştir (Şekil 6). Bu sayede UZYA’lerinin mikroorganizma üzerindeki inhibisyonu azalmaktadır. Ancak, UZYA sabunları suda çok zor çözündüklerinden, metana dönüşümleri sınırlı olmakta ve metan üretimi azalmaktadır. UZYA’lerinin biyokütle üzerine adsorpsiyonu çamurun yüzey karakteristiklerini de değiştirdiğinden filtre edilebilirlik ve membran tıkanması üzerinde de etkili olmaktadır. UZYA’leri çamura adsorbe olduğunda flokların hidrofobik (suyu emmeyen, suyla birleşmeyen) özelliliği artmaktadır. Bu çalışmada, membran tıkanmasının çamurun hidrofobikliği ile ters orantılı olduğu gözlemlenmiştir (Dereli ve diğ., 2015a; Dereli ve diğ., 2014b).

Asidifiye olmamış ve çözünmüş karbonhidrat içeriği yüksek peynir altı atıksuların AnMBR ile arıtımında çamurun filtre edilebilirliğinin çok hızlı azaldığı gözlemlenmiştir (Dereli ve diğ., 2015b). Bu duruma özellikle çözünmüş karbonhidrat türü kolay ayrışabilen organik maddeleri kullanan asidojen bakteriler neden olmaktadır. Asidojen bakterilerin fazla çoğalması, çamurun partikül dağılımının daha düşük boyutlara kaymasına neden olmaktadır. Bu durum, çamurun özgül kek direncinin (ÖKD) artmasına neden olmaktadır. AnMBR’lerdeki en önemli tıkanma mekanizmasının kek oluşumu olduğu birçok çalışmada gözlenmiştir. ÖKD’nin artması memban üzerinde porozitesi düşük ve hızlı bir şekilde konsolide olan kompakt bir kek tabakasının oluşacağını göstermektedir. Buna ek olarak, substrat:biyokütle (S:B) oranının çamur filtre edilebilirliği için önemli bir parametre olduğu belirlenmiştir. Bu parametrenin artması durumunda çözünmüş mikrobiyal ürünlerin arttığı ve özellikle çamurun filtre edilebilirliğinin düştüğü gözlemlenmiştir.

Membran teknolojilerinin atıksu arıtma proseslerinde kullanılmaya başlanması birçok avantaj ve fırsat yaratmıştır. Bu çalışma kapsamında, AnMBR’lerin özellikle mikroorganizma granül oluşumunun sağlanamadığı endüstriyel atıksuların arıtımında hem biyogaz hem de partiküler madde içeriği çok düşük, yüksek kalitede arıtılmış su geri kazanımı sağlanabilen, yenilikçi bir proses olduğu gösterilmiştir.
Gelecekte, endüstrilerde su geri kazanımı ve yeniden kullanımının artacağı düşünüldüğünden, üretilen atıksuların karakterlerinin de değişmesi ve arıtımının zorlaşması beklenmektedir. Bu bakımdan AnMBR gibi yenilikçi arıtma teknolojilerine olan ihtiyaç artacaktır.

Kaynaklar
-     Dereli, R.K., Ersahin, M.E., Ozgun, H., Ozturk, I., Jeison, D., van der Zee, F., van Lier, J.B. (2012). Potentials of Anaerobic Membrane Bioreactors to Overcome Treatment Limitations Induced by Industrial Wastewaters. Bioresource Technology, 122, 160-170
-     Dereli, R.K., van der Zee, F.P., Heffernan, B., Grelot, A., van Lier, J.B. (2014a) Effect of Sludge Retention Time on the Biological Performance of Anaerobic Membrane Bioreactors Treating Corn-to-ethanol Thin Stillage with High Lipid Content. Water Research, 49, 453-464.
-     Dereli, R.K., Grelot, A., Heffernan, B., van der Zee, F.P., van Lier, J.B. (2014b). Implications of Changes in Solids Retention Time on Long Term Evolution of Sludge Filterability in Anaerobic Membrane Bioreactors Treating High Strength Industrial Wastewater. Water Research, 59, 11-22.
-     Dereli, R.K., Heffernan, B., Grelot, A., van der Zee, F.P., van Lier, J.B.  (2015a). Influence of High Lipid Containing Wastewater on Filtration Performance and Fouling in Anmbrs Operated at Different Solids Retention Times. Separation And Purification Technology, 139, 43-52.
-     Dereli, R.K., Loverdou, L., van der Zee, F.P., Van Lier, J.B. (2015b). A Systematic Study On The Effect of Substrate Acidification Degree and Acidogenic Biomass on Sludge Filterability. Water Research, 82, 94-103.