Membran biyoreaktörler ile evsel atık su arıtımında ultrafiltrasyon ve kendiliğinden oluşan dinamik membranların karşılaştırılması

Konvensiyonel aktif çamur sistemleri, evsel atıksu arıtımında yıllardır kullanılmaktadır. Fakat bu sistemlerin geniş alan gereksinimi ve çıkış suyu kalitesinin düşük olması gibi önemli mahzurları vardır. Bu mahzurların önüne geçebilmek için membran prosesler kullanılmaya başlanmıştır. Membran prosesler katı-sıvı ayırma için biyolojik (aerobik ve anaerobik) ve fiziksel arıtma uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaya başlanan proseslerdir. Membran kullanılarak tasarlanmış biyolojik sistemler membran biyoreaktör (MBR) olarak adlandırılmaktadır. MBR sistemlerinin az yer kaplamaları, atık çamur oluşumunun minimize edilmesi, yüksek arıtım performansı sağlaması ve yüksek kalitede çıkış suyu eldesi gibi önemli avantajları vardır. Bu önemli avantajlara rağmen membranların maliyetli oluşu, işletme sırasındaki enerji ihtiyacı ve özelliklede tıkanma problemleri gibi dezavantajlara da sahiptir. Bunlara ek olarak MBR sistemlerde membranların kimyasal yıkaması sırasında gerçekleşen kimyasal madde tüketimi de önemli bir maliyet kalemi olabilmektedir. Bu dezavantajların önüne geçebilmek için dinamik membran (DM) teknolojisi ileri sürülmüştür. DM, düşük maliyetli ve gözenekli bir destek tabakası üzerinde organik ve/veya inorganik maddelerin birikmesi neticesinde oluşan ikincil tabakaya verilen isimdir. Oluşan bu tabaka, atıksuda bulunan katı maddelerin tutulmasını ve böylelikle çıkış suyu kalitesinin iyileştirilmesini sağlar. DM'ler dinamik tabakanın oluşum mekanizmasına göre iki farklı şekilde sınıflandırılırlar. Bunlar kendiliğinden oluşan DM'ler ve ön kaplamalı DM'lerdir. Kendiliğinden oluşan DM'lerde dinamik tabaka, arıtılmak istenen atıksu içerisinde bulunan partiküllerin ve flokların gözenekli destek tabakası yüzeyinde birikmesi neticesinde oluşur. Ön kaplamalı DM'lerde ise dinamik tabaka, atıksu içerisinde bulunmayan bir maddeden oluşturulmuştur. Ön kaplamalı DM'lerde dinamik tabaka tekil bir malzeme olabileceği gibi birden fazla malzemeden oluşan kompozit bir tabaka da olabilir ve arıtma öncesinde destek tabakanın üzerinin kullanılacak olan maddeye ait kolloidlerle kaplanması sonucu oluşturulur. DM oluşumu için destek tabakası olarak elek kullanılabileceği gibi, dokunmuş veya dokunmamış kumaş gibi düşük maliyetli tekstil materyalleri ve üzeri kaplanmamış membran da kullanılabilmektedir. DM oluşumunu sağlamak amacıyla kullanılan destek malzemeleri kimyasal yıkama ihtiyacı göstermemekte, hava ile geri yıkama, su ile geri yıkama ve fırça ile temizleme gibi basit fiziksel yöntemler ile kolayca temizlenebilmektedir. Ayrıca DM'ler yüksek basınç altında çalışmaya imkan verebilmektedir. Kendiliğinden oluşan DM'lerde dinamik tabaka atıksu bileşeninde bulunan kolloidlerden ve floklardan oluşmaktadır. Bu bağlamda destek tabakası zarar görmediği sürece dinamik tabaka tekrar ve tekrar oluşturulabilir ve ticari membranlara oranla çok daha uzun bir işletme ömrü görülebilir.Dinamik membran biyoreaktör (DMBR) sistemlerinin atıksu arıtımındaki uygulamalarına yönelik literatürde kısıtlı bilgi mevcuttur. Bununla birlikte, DM destek tabakası olarak ince boşluklu fiberin kullanıldığı bir çalışmaya literatürde rastlanılmamıştır. DM teknolojisi kaplanmamış membran veya farklı tekstil malzemeleri gibi kaplanmış membrandan daha düşük maliyetli materyaller kullanılarak uygulanmaktadır. Tekstil üretimi açısından önemli bir bilgi birikimine sahip olan ülkemizin DM ile ilgili bilgi düzeyinin artması neticesinde, DM oluşumu için gerekli destek tabakası üretimi hususunda yüksek bir potansiyele sahip olacağı düşünülmektedir. Bu tezin yapılmasındaki amaç, evsel atıksuların havalı DM teknolojisi ile arıtılmasında kirletici madde giderim verimi ve filtrasyon performansı ile ilgili bilgi birikimi oluşturmaktır. Böylece DM teknolojisinin laboratuvar ölçekten daha büyük sistemlerde uygulanabilmesi için önemli bir adım atılmış olacaktır. Yapılacak proje ile DMBR'ler ile atıksu arıtımında ulusal ve uluslararası bilgi birikimine önemli seviyede bilimsel katkıda bulunulması beklenmektedir. Bu çalışmada, orta kuvvetteki bir evsel atıksu karakteristiğine sahip sentetik atıksuyun ultrafiltrasyon (UF) membranlar ile arıtılmasına düşük maliyetli bir alternatif olarak kendiliğinden oluşan DM teknolojisinin kullanılması hedeflenmiştir. Çalışmada kullanılan ticari UF membran GM olarak adlandırılmıştır. Dinamik membran tabakası ise DM olarak adlandırılmıştır. Sentetik atıksu kullanılmasının sebebi, gerçek atıksuyun karakteristiğindeki değişimlerin elimine edildiği bir çalışma gerçekleştirmektir. Sentetik atıksu ile sabit bir atıksu karakterizasyonu yakalanabilmiş ve bu sayede kararlı şartlar altında DM ve GM'in arıtma ve filtrasyon performansları net bir şekilde ortaya konulabilmiştir. DM tabakasının oluşması için destek tabakası olarak polyester kumaştan üretilmiş içi boş fiberler kullanılmıştır. DM teknolojisinin arıtma ve filtrasyon verimlerinin net bir şekilde ortaya konulabilmesi için ticari bir içi boş fiber polivinilidin florür (PVDF) kaplama GM membran aynı reaktör içerisine, aynı işletme şartlarında paralel olarak çalıştırılmıştır. DM ve GM sistemlerinin avantaj ve dezavantajlarını belirleyebilmek için atıksu arıtım ve filtrasyon performansları karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. DM ve GM yaklaşık 5 L/m2/saat akıda fasılalı (geri yıkamalı) olarak çalıştırılmıştır. Çalışmanın sonunda DM tabakası ve GM yüzeyi için morfolojik analizler yapılmıştır. Yapılan morfolojik analizlerde; çevresel taramalı elektron mikroskobu enerji dağınık X-ışını (ESEM-EDX), fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve lazer taramalı konfokal mikroskop kullanılmıştır. DM çıkış suyu kalitesi incelendiğinde yüksek KOİ giderim verimine, yüksek askıda katı giderimine ve düşük bulanıklık değerlerine sahip olduğu tespit edilmiş olup elde edilen değerlerin GM'in çıkış suyu kalitesine yakın olduğu gözlenmiştir. DM ve GM'in toplam azot (TN) ve toplam fosfor (TP) giderim verimleri birbirine yakın olup, bu kirleticilerin arıtımı için özel bir sistem kurulmadığından giderim verimleri düşüktür. DM'in destek tabakası üzerinde oluşan kek tabakasından dolayı TMP ilk üç günde büyük ölçüde artış göstermiş ve sonrasında ise çok az oranda sürekli bir artış göstermeye devam etmiştir. Kurulan sistem, DM'in fiziksel temizlenmesine ihtiyaç duyulmadan sabit akıda 85 gün boyunca başarıyla işletilebilmiştir. Morfolojik analizler kapsamında gerçekleştirilen FTIR ve EDX analizleri sonuçlarına göre DM tabakasında ve GM'in yüzeyinde hem organik hem de inorganik maddelere rastlanmıştır. FTIR analizi sonucunda, DM tabakasında ve GM'in yüzeyinde aynı türlere ait organik bileşiklerin biriktiği tespit edilmiştir. EDX analizi sonuçlarında ise tıkanmaya sebep olan bazı elementlerin ağırlıkça yüzdesinin DM tabakasında daha fazla olduğu belirlenmiştir. DM destek tabakasının sahip olduğu boşlukların ve bu destek tabakasının yüzeyinin atıksuda bulunan kolloidler ve floklar ile dolduğu ve bunun sonucunda da dinamik tabakanın geliştiği ESEM analizi neticesinde ortaya konmuştur. Sonuç olarak orta kuvvetteki evsel atıksuyun arıtılmasında, içi boş fiberlerin destek malzemesi olarak kullanıldığı havalı DMBR teknolojisinin uygulanabilir olduğu ve ticari UF membranlarla eş değerde yüksek giderim verimlerinin elde edildiği görülmüştür. Ayrıca DM membranın destek tabakasının ucuz olması ve kimyasal temizlik gerektirmemesi de göz önüne alındığında, DMBR sisteminin işletme ve bakım maliyetlerinin UF MBR sistemlerine göre daha az olduğu tespit edilmiştir.