Application of dynamic membranes in anaerobic membrane bioreactor systems

Anaerobik membran biyoreaktörler (AnMBR), membran filtrasyon prosesi sayesinde biyokütlenin fiziksel olarak reaktör içerisinde tutulmasını sağlamaktadır. Aerobik membran biyoreaktör (MBR) uygulamalarındaki artışla birlikte, özellikle enerji verimli atıksu arıtımı konusunda sağladığı avantajlar dikkate alındığında, membran ve anaerobik proseslerin bir arada kullanılması konsepti her geçen günü daha çok ilgi çekmekte ve fizibil hale gelmektedir. MBR prosesinde karşılaşılan en önemli zorluklar özellikle tam ölçekli sistemlerde öne çıkan membran maliyetleri, tıkanma ve düşük akı eldesidir. Dinamik membran (DM) teknolojisi MBR proseslerde görülen sorunların ortadan kaldırılmasını sağlayacak yenilikçi bir yaklaşım olarak kabul edilmektedir. DM teknolojisinin sağlayacağı en önemli faydalardan biri katı madde gideriminin uygun bir destek malzemesi üzerinde kendiliğinden oluşabilen ve ikincil membran olarak da adlandırılan DM tabakası ile gerçekleştirilmesi ve bunun sonucunda destek malzemesi olarak kullanılan membranın filtrasyonda rol almamasıdır. DM tabakasının oluşturulmasında destek malzemesi olarak mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon membranları yerine çeşitli tipte ve yapıda tel örgü şeklinde, dokunmuş veya dokunmamış kumaş malzemeler kullanılabilmektedir. Bu sayede, membran maliyetleri düşük seviyelere çekilebilecektir. Bununla birlikte biyogaz üretimi de dikkate alındığında, dinamik AnMBR (AnDMBR) prosesi atık(su) arıtımında cazip hale gelecektir. Bu çalışmanın temel amacı, AnMBR prosesinde DM teknolojisinin konsantre atıksu arıtımına uygulanabilirliğinin incelenmesidir. Ayrıca bu çalışma, DM tabakası oluşumunun ve farklı koşullar altındaki filtrasyon karakteristiklerinin değerlendirilmesi yoluyla DM teknolojisi hakkındaki bilgi birikimine önemli katkılar sağlayacaktır. Bu çalışmada, membran konfigürasyonunun giderim verimi ve DM filtrasyonu üzerindeki etkilerini belirleyebilmek amacıyla batık ve harici membran modülleri kullanılmıştır. Substrat olarak KOİ konsantrasyonu 20 g/L olan sentetik konsantre atıksu kullanılmıştır. Tekli filament (monofilament), çoklu filament (multifilament) ve kısa iplik (staple) yapısına sahip destek malzemesi (filtresi) kullanılarak, DM oluşumuna en uygun destek malzemesi ve bu malzemenin özellikleri bulunmuştur. Bunun yanı sıra, en iyi giderim veriminin ve süzüntü kalitesinin elde edilebileceği işletme koşullarının tespiti amacıyla düşük akıda ve mezofilik şartlarda farklı işletme koşulları test edilmiştir. Ayrıca, destek malzemesini maliyet değerleri de arıtılan atıksu hacmi başına hesaplanarak verimiştir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre destek malzemesinin özellikleri, fitre üzerinde etkili bir DM (kek) tabakasının oluşumu açısından kritik rol oynamaktadır. Staple ve monofilament filtreler kullanılarak multifilament malzemeye göre daha yüksek kritik akılar elde edilmiştir. Farklı destek malzemelerin kıyaslanması sonucunda staple filtrenin derin filtrasyona, monofilament filtrenin ise yüzeysel filtrasyona daha uygun olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle, monofilament filtre DM teknolojisinde kullanım açısından daha uygundur. Bu çalışma sonucunda DM filtrasyon teknolojinin MBR'ler için en önemli dezavantajlardan biri olan tıkanma problemini bir avantaja çevirebileceği görülmüştür. Mikrofiltrasyon veya ultrafiltrasyon membranlarına alternatif olarak, polipropilen monofilament filtre malzemesinin DM tabakası oluşumu vasıtasıyla filtrasyon amaçlı kullanılabileceği görülmüştür. AnDMBR ile % 99'un üzerinde organik madde giderimi ve partiküler madde tutulması gerçekleştirilmiştir. Bunun yanında, DM tabakasıyla % 66'nın üzerinde çözünmüş KOİ giderimi ve % 55-87 aralığında uçucu yağ asiti giderimi sağlanmıştır. Bu sonuçlar dikkate alındığında, AnDMBR'lerin uzun dönemde stabil olarak işletilebileceği ortaya konmuştur. Çamur bekletme zamanı (SRT), AnDMBR'lerin işletilmesinde önemli bir faktör olarak tespit edilmiştir. SRT, çözünmüş mikrobiyal ürünler (SMP) ve hücre dışı polimerik madde (EPS) konsantrasyonu, protein/karbonhidrat oranı, çamur partikül boyutu, DM tabakası oluşumu ve çamurun filtre edilebilirliği üzerinde önemli etkilere sahiptir. EPS; protein, polisakkarit, lipid, nükleik asit ve hümik asit gibi başlıca hücre yüzey maddelerinden oluşmakta ve membran yüzeyini kaplayarak çamur floklarının bir arada tutulmasını sağlamaktadır. EPS kompozisyonunun partikül flokülasyonu üzerinde önemli bir pozitif etkisi olduğu görülmüştür. Bu etki direkt olarak reaktör içindeki çamurun partikül boyut dağılımını belirlemektedir. Kısa SRT'lere kıyasla daha uzun SRT'lerde, biyoreaktör içinde daha düşük EPS konsantrasyonu beklenmektedir. Bu çalışmada, DM tabakasının kalınlığının kontrol edilmesi amacıyla geri yıkama ve biyogaz sıyırma yöntemleri birlikte kullanılmıştır. DM tabakasının kalınlığının kontrolü, stabil bir işletme ve yüksek süzüntü suyu kalitesi eldesi için hayati önem taşımaktadır. DM tabakasıyla gerçekleştirilen organik madde ve partiküler madde gideriminde, DM tabakasındaki biyokütle aktivitesinin ve DM tabakasının fiziksel tutma kapasitesinin birlikte rol aldığı düşünülmektedir. Mikrobiyal analiz sonuçları incelendiğinde, bakteri ve arkea için mikrobiyal çeşitlilik ve zenginliğin DM tabakasında yüksek olduğu ve DM'deki mikrobiyal popülasyonun biyoreaktör içerisindeki çamurdan farklı olduğu tespit edilmiştir. DM üzerinde yapılan morfolojik analizlerin sonuçları göz önünde tutulduğunda, DM tabakasının organik ve inorganik maddelerden oluştuğu görülmektedir. Bu maddelerin başlıcaları; çamur partikülleri, SMP, EPS, Ca, N, P ve Mg çökeltileridir. Ayrıca, kek tabakası altında kısmi bir jel tabakası oluşumu tespit edilmiştir. SMP ve bağlı EPS'nin DM tabakası içinde yüksek miktarda birikmesi, sıkı bir kek tabakası oluşumu ve yüksek giderim verimi sağlamaktadır. Organik madde birikimi, SRT gibi işletme koşulları ile yakından ilgilidir. Bu çalışma sonucunda batık ve harici AnDMBR sistemlerinde yüksek KOİ giderme verimleri elde edilmiştir. Bununla beraber, batık AnDMBR konfigürasyonu ile daha yüksek süzüntü suyu kalitesi elde edilmiştir. Membran konfigürasyonunun giderim verimi ve filtrasyon performansı üzerine etkisi incelendiğinde, stabil bir giderim verimi ve süzüntü suyunda düşük çözünmüş KOİ konsantrasyonu elde etmek amaçlı etkin bir DM tabakası oluşturmak için harici AnDMBR ile, batık AnDMBR'ye göre, daha uzun süreye ihtiyaç olduğu görülmüştür. Bu nedenle, sistemi devreye alma süresinin kısa tutulması gerektiği durumlarda batık AnDMBR uygulanması daha uygundur. Batık konfigürasyonda, harici konfigürasyona göre daha yüksek metan üretim hızı ve metan verimi elde edilmiştir. Bu durum harici AnDMBR sisteminde yapılan çamur sirkülasyonunun olumsuz etkisini göstermektedir. Buna karşın, DM kalınlığının ve dolayısıyla transmembran basıncının azaltılmasında, batık AnDMBR sisteminde tabandan uygulanan biyogaz sıyırma işlemine nazaran harici konfigürasyonda uygulanan çamur sirkülasyonunun daha etkili olduğu görülmüştür. Harici AnDMBR ile konsantre atıksu arıtımında farklı gaz sıyırma hızlarında (GSV) yapılan testler sonucunda, her ne kadar toplam filtrasyon direnci azalan GSV ile artsa da, GSV'den bağımsız olarak %99'un üzerinde organik madde giderim verimi elde edilmiştir. Toplam filtrasyon direnci başlıca DM direncinden kaynaklanmaktadır. Farklı organik yükleme hızlarında yapılan testler sonucunda, 3,6 kg KOİ/m3.d yükleme hızında AnDMBR ile yüksek KOİ giderim verimi elde edildiği görülmüştür. Bu tez kapsamında elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, DM teknolojisinin stabil ve yüksek kalitede süzüntü suyu kalitesi elde etmek amacıyla başarıyla kullanılabileceği görülmüştür. Konsantre atıksu arıtımında AnDMBR'ler güvenilir ve yeterli bir arıtım sağlama potansiyeline sahiptir. Destek malzemesi açısından düşük ilk yatırım maliyeti ve biyogaz yoluyla enerji üretimi dikkate alındığında, yüksek akı gerekmeyen durumlar için, örneğin çamur veya konsantre endüstriyel atıksu arıtımı gibi, AnDMBR'ler fizibil bir arıtma teknolojisi olarak kullanılabilecektir. Bu sonuçlara rağmen, AnDMBR'ler üzerine yapılmış olan çalışmalar halen sınırlıdır. DM teknolojisi için uzun dönemli uygulanabilirlik çalışmalarına daha fazla ihtiyaç vardır. Özellikle tam ölçekli sistemlerde sürdürülebilir bir filtrasyon eldesi için DM tabakası kontrol metotları ve biyoreaktör içi çamur özelliklerinin DM filtrasyon karakteristikleri üzerine etkileri konularında çalışmalar yapılması faydalı olacaktır.