Anaerobic membrane bioreactors for cost-effective municipal water reuse

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. Ayrıca anaerobik membran biyoreaktörlerde biyokütle üzerinde yüksek kesme kuvveti söz konusu olmaktadır. Evsel atıksular birçok ülkede düşük kuvvetli ve hizmet edilen nüfusa bağlı olarak yüksek debide oluşmaktadır. Ancak su korunumu ve ayrık kanalizasyon sistemlerinin kurulması ile ilgili devam eden çalışmalar yakın gelecekte evsel atıksu karakterizasyonunda değişimlerin olabileceğini göstermektedir. 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. Bu çalışmanın 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 artışı sağlanacak ve anaerobik membran biyoreaktörlerin tam ölçekli evsel atıksu arıtımında kullanımına yönelik önemli bir adım atılmış olacaktır. 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 kullanılacaktır. 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 arttırma amaçlı oldukça düşük olacak şekilde 1.5 mm seçilmiştir. Membran öncesinde yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör kullanılması büyük katı maddelerin reaktörde tutularak sadece reaktör üst sıvısının membrana ulaşmasını sağlayacak; böylece modül girişinde tıkanma önlenmiş olacaktır. 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 genel amaç doğrultusunda tezin ilk aşamasında laboratuvar ölçekli yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörde çıkış akımında en yüksek filtre edilebilirliği sağlayacak optimum yukarı akış hızının belirlenmesi hedeflenmiştir. Yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör farklı yukarı akış hızlarında işletilmiş, bu hızların çıkış suyu üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Yukarı akış hızının membran performansı üzerindeki etkisinin incelenebilmesi için filtre edilebilirlik testleri gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar; yukarı akış hızının sistemin biyolojik performansı ve çıkış suyunun fizikokimyasal özellikleri üzerinde oldukça büyük etkisinin olduğunu göstermektedir. Yüksek yukarı akış hızı kolloidal maddelerin sistemden kaçısına neden olmaktadır. Yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörde çıkış suyu karakteristiği filtre edilebilirlik testleri ile parallel sonuçlar vermiştir. Sonuçlar çıkış suyunun filtre edilebilirliğinin 0.6 m/sa yukarı akış hızında, 1.2 m/sa yukarı akış hızına göre daha yüksek olduğunu göstermektedir. Yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkış suyunda farklı yukarı akış hızlarında protein/karbondidrat oranında ve partikül boyut dağılımnda gözlenen büyük değişimler yukarı akış hızının çıkış suyu filtre edilebilirliği açısından anaerobik membran biyoreaktörlerde oldukça kritik bir parametre olacağını göstermektedir. Çalışmanın ikinci aşamasında; membran yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktöre entegre edilmiş ve sistem bir önceki çalışmada seçilen 0.6 m/sa'lik yukarı akış hızında anaerobik membran biyoreaktör olarak işletilmiştir. Bu çalışmadaki amaç, membran ilavesinin sistemin biyolojik performansı ve çamur karakterizasyonu üzerindeki etkisini incelemektir. Membran ilavesi ile küçük partiküllerin sistemde birikmesi ve hücredışı polimerik maddelerin azalması sonucu çamurun partikül boyut dağılımında azalma gözlenmiştir. Çamurun partikül boyut dağılımında gözlenen azalma çamurun çökelme özelliğinin bozulmasına neden olmuştur. Çamurun çökelme özelliğinin bozulması ile üst suya biyokütle kaçısı gerçekleşmiş, buna bağlı olarak yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkış suyunda kimyasal oksijen ihtiyacı ve askıda katı madde konsantrasyonlarında artış gözlenmiştir. Çıkış suyunda gözlenen bu artışa rağmen membran süzüntü akımında kimyasal oksijen ihtiyacı konsantrasyonu 42 mg/L olup, süzüntü katı madde içermememektedir. Ayrıca çamurun çökelme özelliğindeki bozulmaya rağmen, membran ilavesi sonrası anaerobik membran biyoreaktörde transmembran basınç değeri 85 mbar civarında olmuş, ciddi bir membran tıkanma problemi ile karşılaşılmamıştır. Üçüncü aşamada anaerobik membran biyoreaktör sisteminin düşük sıcaklıkta evsel atıksu arıtımında uygulanabilirliği araştırılmıştır. Bu amaç doğrultusunda; sistem 15 °C'de işletilmeye başlanmıştır. Sonuçlar membran tıkanma potansiyelinde 15 °C'de, 25 °C'ye göre ciddi seviyede artış olduğunu göstermiştir. Düşük sıcaklıkta yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkış suyunda artan kimyasal oksijen ihtiyacı ve çözünmüş mikrobiyal ürün konsantrasyonu, düşük partikül boyutu ve yüksek bulanıklık değerleri membran tıkanmasında artışa neden olmuştur. Filtrasyon performansında gözlenen değişime rağmen, arıtma performansında düşük sıcaklığa bağlı herhangi bir değişim gözlenmemiştir. Bu durum membranın alıkoyma kapasitesi ile ilişkilendirilebilir. Her iki sıcaklıkta da keke bağlı membran direnci toplam direncin %40'ından fazlasını oluşturmuştur. Ancak düşük sıcaklıkta yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkış suyunda artan küçük partiküller gözenek tıkanmasına bağlı oluşan direncin toplam filtrasyon direncine oranında artışa neden olmuştur. Anaerobik membran biyoreaktörün 15 °C'de işletilmesi sırasında yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör boyunca çamur karakterizasyonunda değişim gözlenmiştir. Bu durum çürütücü ilave edildiğinde, reaktörler arası çamur transferinin gerçekleştirileceği noktanın belirlenmesi açısından önemlidir. Reaktör boyunca farklı yüksekliklerden alınan çamur numunelerinde gerçekleştirilen analizler toplam ve uçucu katı madde ve toplam ve uçucu askıda katı madde konsantrasyonlarının reaktör yüksekliğine bağlı azaldığını ve en yüksek kimyasal oksijen ihtiyacı konsantrasyonunun 46 g/L olacak şekilde reaktörün en alt seviyesinde ölçüldüğünü göstermektedir. Aktif biyokütle reaktör girişine yakın bölgelerde yer alırken, aktivitesi düşük gevşek askıda ve flok yapıda partiküller reaktörün üst kısmına doğru hareket etmiştir. Bu durum reaktör girişine yakın yerlerdeki yüksek spesifik kimyasal oksijen ihtiyacı tüketim hızı ve reaktörün geri kalan bölümlerindeki düşük kimyasal oksijen ihtiyacı parçalanma hızı ile desteklenmektedir. Sonuçlar, düşük sıcaklıkta dahi membran ilavesi sonrası gerçekleşen çamur çökelme özelliğinde gözlenen bozulmanın, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörü tam karışımlı reaktöre dönüştürmediğini göstermektedir. Düşük sıcaklık koşullarında reaktör boyunca farklı seviyeler arası değişim devam etmiştir. Dolayısıyla; çürütücüye transfer edilecek olan çamurun yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörün hangi seviyesinden alınacağı işletim açısından kritik bir karar haline gelmiştir. Çamur yatağı boyunca çamur stabilizasyonu ve katı madde konsantrasyonuna bağlı analizler gerçekleştirilmiş ve yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörden çürütücüye transfer edilecek olan çamurun stabilite değerinin en düşük olduğu noktadan transfer edilmesine karar verilmiştir. Düşük stabiliteye sahip çamur yüksek miktarda biyolojik olarak parçalanabilir organik madde içermektedir. Çalışmanın son aşamasında, çürütücü ilavesinin sistemin arıtma ve filtrasyon performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Çürütücü ilavesi sonrası, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkış suyunda çözünmüş ve toplam kimyasal oksijen ihtiyacı konsantrasyonlarında ve bulanıklık değerlerinde azalma, partikül boyut dağılım sonuçlarında ise artış gözlenmiştir. Bu değişimler toplam filtrasyon direncini önemli ölçüde azaltmıştır. Ayrıca çürütücü ilavesi sonrası yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörde çamurun stabilite ve spesifik metanojenik aktivite değerlerinde artış gözlenmiştir. Sistemin toplam biyogaz miktarında artış gerçekleşmiştir. En düşük stabiliteye sahip noktadan çamur transferinin yapılması sonucu sistemde katı madde giderim ve parçalanma potansiyelinde gözlenen olumlu yöndeki değişimler çamur transfer noktasının seçiminin özellikle filtrasyon performansı açısından oldukça kritik olduğunu göstermektedir. Genel olarak 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. Ayrıca sistemin ortalama transmembran basınç değeri 85 mbar olarak belirlenmiş, ciddi seviyelerde membran tıkanma problemi gözlenmemiştir. Ancak, sistem 15 °C'de işletildiğinde, arıtma performansı 25 °C'deki ile aynı olmakla birlikte, filtrasyon performansında ciddi seviyelerde bozulma gözlenmiştir. Bu durum sistemin mühendislik uygulamaları açısından kullanılmasını büyük ölçüde engellemektedir. Özetle, 15 °C'de sistemin filtrasyon performansında düşük sıcaklığa bağlı bozulmalar belirlenmiştir. Çürütücü ilavesi sonrası gerçekleşen olumlu değişimler anaerobik membran biyoreaktör ve çürütücü konfigürasyonunun atıksu arıtımı ve çamur stabilizasyonunu birlikte gerçekleştirerek, 15 °C'de dahi evsel atıksu arıtımı için yüksek bir potansiyeli olduğunu göstermektedir. Anaerobik membran biyoreaktör ve çürütücü konfigürasyonu optimum çamur transfer noktası seçilerek işletildiğinde, düşük sıcaklıklarda yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör ve membran entegre sistemlerde gerçekleşen ani membran tıkanma problemi önlenmektedir.