Treatment of industrial wastewaters by anaerobic membrane bioreactors: Implications of substrate characteristics

Anaerobik arıtmanın verimi ve performansı, çok yavaş çoğalabilen anaerobik mikroorganizmaların reaktördeki kalış süresine bağlıdır. Biyoreaktördeki aktif biyokütle miktarının arttırılabilmesi 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 (ör: anaerobik çamur çürütücü) ve çamur yataklı anaerobik reaktörler (ör: havasız çamur yataklı reaktör (HÇYR)) başarıyla kullanılmıştır. Özellikle çamur yataklı anaerobik reaktörlerde kullanılan ve katı-sıvı-gaz fazlarının ayrımını sağlayan deşarj yapıları çamur yaşı ile HBS'ni başarılı bir şekilde ayırarak mikroorganizmaların reaktördeki kalış süresini arttırabilmektedir. Katı-sıvı-gaz ayrımı yapan deşarj yapılanın mikroorganizmaları tutma verimi mikroorganizmaların bira araya gelerek çok hızlı çökebilen granüller oluşturmasına bağlıdır. Granül oluşumu birçok faktörün etkili olduğu (sübstrat kompozisyonu, 2 değerlikli katyonlar, hücre dışı polimerik maddeler, sıcaklık v.b.) çok karmaşık bir süreç olup günümüzde halen tam olarak anlaşılmamıştır. 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 atıksuların anaerobik arıtımında granülüzasyonun olumsuz etkilendiği ve arıtma veriminin düştüğü belirlenmiştir. HBS ve çamur yaşının birbirinden etkili bir şekilde ayrılmasını sağlayabilmek için partiküler maddeleri fiziksel olarak tutabilen membran sistemleri de kullanılabilmektedir. Anaerobik membran biyoreaktörler (AnMBR), anaerobik arıtma prosesleri ile membran sistemlerinin başarılı bir şekilde bir arada kullanılması ile teşkil edilir. Bu tip reaktörlerin düşük yüklü anaerobik çamur çürütücüler ile yüksek yüklü granüler çamur yataklı sistemler arasındaki boşluğu doldurması beklenmektedir. AnMBR'ler özellikle granülüzasyonun sağlanamadığı atıksu tipleri ve koşullar için oldukça uygundur. Bu tür durumlarda membranlar partiküler madde ve biyokütlenin reaktör içerisinde tutulması amacıyla kullanılabilir. 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, konu oldukça karmaşık olması sebebiyle günümüzde de halen önemini korumaktadır. Bu tezin amacı; sübstrat kompozisyonunun ve çamur yaşı gibi işletme parametrelerinin AnMBR sistemlerinde oluşan membran tıkanmasına etkilerinin incelenmesi ve bu konudaki bilgi birikiminin arttırılmasıdır. AnMBR'lerde membran tıkanmasının azaltılabilmesi için işletme şartlarının çamur filtre edilebilirliğine etkisinin belirlenmesi gereklidir. Bu amaçla, pratikte özellikle çamur susuzlaştırma işlemlerinde uzun zamandır kullanılan özgül kek direnci (ÖKD) ve kapiler emme süresi (KES) gibi standart parametreler kullanılmıştır. Aynı zamanda, yüksek yağ konsantrasyonunun, asidifiye edilmiş ve edilmemiş atıksuların ve düşük azot konsantrasyonlarının membran tıkanmasına etkileri sistematik olarak araştırılmıştır. AnMBR'lerde çamur yaşı hem biolojik giderim verimi hem de filtre edilebilirlik üzerinde ektili bir parametredir. Yüksek çamur yaşlarında yavaş ayrışan organik maddenin stabilizasyon derecesi ve biyolojik olarak metana dönüşüm verimi artmaktadır. Ancak, yüksek çamur yaşlarında kolloidlerin ve çözünmüş mikrobiyal ürünlerin (ÇMÜ) reaktörde birikimi artacağından çamurun filtre edilebilirliği azalmaktadır. Bu çalışmada, ÖKD ve KES gibi parametrelerin, işletme şartlarındaki değişimlerin çamur filtre edilebilirliğine etkisini objektif olarak karşılaştırabilmek için çok önemli araçlar olduğu anlaşılmıştır. Ancak gerek membran tıkanması prosesinin karmaşıklığı gerekse parametreler arasındaki non-lineer ilişkiler nedeniyle çamur filtre edilebilirliği ile membran tıkanması arasında net bir ilişki kurabilmek her durumda mümkün olmamıştır. Bu nedenle tek bir parametre üzerine yoğunlaşmak yerine çamur karakterizasyonu ve filre edilebilirliği ile ilgili parametrelerin guruplar halinde ele alınması ve membran tıkanması ile ilişkilendirilmesi daha çok tavsiye edilmektedir. Bu çalışmada, mısırdan biyo-etanol üretimi atıksuları ve peynir altı sularının AnMBR prosesi ile arıtımı incelenmiştir. Biyo-etanol üretimi özellikle son yıllardaki petrol fiyatlarının dengesizliği, politik karmaşalar ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına olan ilgi nedeniyle oldukça artmıştır. Biyo-etanol; mısır, buğday, kassava gibi bitkilerdeki 6 karbonlu şekerlerinin fermentasyon yolu ile etanole dönüştürülmesi ile üretilmektedir. Biyo-etanol endüstrilerinde bu proses sonucunda partiküler madde içeriği yüksek oldukça kirli bir atıksu oluşmakta olup, genelde kurutularak elde edilen ürün hayvan yemi olarak satılmaktadır. Ancak kurutma işlemi sırasında oldukça fazla enerji harcanmakta ve sistemin fizibilitesini olumsuz yönde etkilemektedir. 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 işletmeler de 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. Yapılan çalışmada, her iki atıksuda %95'in üzerinde kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderme verimi elde edilmiştir. Ancak özellikle biyo-etanol üretimi atıksularında bulunan yüksek konsantrasyonlu yağlar ve hidroliz ürünleri uzun zincirli yağ asitleri (UZYA) biyolojik arıtma verimini olumsuz etkilemiştir. UZYA mikroorganizma flokları üzerine adsorbe olarak etkileri geri döndürülebilir inhibisyona neden olmaktadır. Bu nedenle biyokütle aktivitesi düşmektedir. Ancak, atıksu beslemesi durdurulduğunda biyokütle yavaş da olsa aktivitesini tamamen geri kazanabilmektedir. Atıksu içerisindeki kalsiyum ve magnezyum gibi 2 değerlikli katyonların UZYA ile birleşerek onları sabunlaştırdığı ve iri taneli çökelekler oluşturduğu gözlemlenmiştir. Bu sayede UZYA'lerinin mikroorganizma üzerindeki inhibisyonu azaltılabilir. 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 hidrofobisitesi artmaktadır. Bu çalışmada, membran tıkanmasının çamurun hidrofobisitesi ile ters orantılı olduğu gözlemlenmiştir. Asidifiye olmamış ve çözünmüş karbonhidrat içeriği yüksek peynir altı atıksuların AnMBR ile arıtımında çamurun filtre edilebilirliğinin çok hızlı azaldığı gözlemlenmiştir. Bu durum 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 ÖKD'nin artmasına neden olmaktadır. AnMBR'lerdeki en önemli tıkanma mekanizmasının kek oluşumu olduğu bir çok çalışmada gözlenmiştir. ÖKD'nin artması memban üzerinde porozitesi düşük ve hızlı bir şekilde konsolide olan kompakt bir kek tabakasının oluşacağını göstermektedir. Buna ek olarak, sübstrat:biyokütle (S:B) oranının çamur filtre edilebilirliği için önemli bir parametre olduğu belirlenmiştir. Bu parametrenin artması durumunda ÇMÜ'lerin arttığı ve özellikle süpernetanın filtre edilebilirliğinin düştüğü gözlemlenmiştir. Peynir altı suyu ile yürütülen çalışmada, atıksuyun azot içeriğinin biyoreaktör stabilitesi ve çamur filtre edilebilirliği için çok önemli olduğu belirlenmiştir. Azot eksikliği mikroorganizma çoğalma hızını sınırlandırmış ve reaktörde özellikle propiyonik asit gibi uçucu yağ asitlerinin biriktiği gözlemlenmiştir. Öte yandan, laboratuvar ölçekli AnMBR yüksek azot içerikli (KOİ:TKN oranı 50) peynir altı suyu ile beslendiğinde çamur filtre edilebilirliği düşmektedir. Bunun nedeni yüksek azot konsantrasyonlarında asidojen bakterilerin çamur içerisinde aşırı çoğalması ve çamur partikül boyutunun düşmesi olarak belirlenmiştir. Membran teknolojilerinin atıksu arıtma proseslerinde kullanılmaya başlanması birçok avantaj ve fırsat yaratmıştır. Bu tez çalışması kapsamında AnMBR'lerin özellikle mikroorganizma granülüzasyonunun sağlanamadığı endüstriyel atıksuların arıtımında hem biyogaz hem de partiküler madde içeriği çok düşük, yüksek kalitede arıtılmış su gerikazanımı 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.