Forward osmosis membrane bioreactor performance in wastewater treatment

Su sıkıntısı dünyamızın en kritik problemlerinden birisi olarak gün geçtikçe kendisini göstermektedir. Suya olan ihtiyaç gün geçtikçe artan nüfus ve azalan temiz su kaynaklarının azalması ile 21.nci yüzyılın en önemli problem olarak ortaya çıkmaktadır. Kullanılabilir yüzey sularının arıtımı ve tekrar kullanımı önemli hayati önem taşıyan konuların başında gelmektedir. Bu problem ilave olarak, suyun kontaminasyonu onun amacına uygun olarak kullanımında yeni problemler ve eksiklikler meydana getirmektedir. Bu problemin giderilmesi, suyun arıtılarak yeni teknolojilerin, metotların ve buluşların, örneğin ters osmoz ve membran biyoreaktör prosesleri gibi, su sıkıntısını gidermede kullanılması büyük önem taşımaktadır. Günümüzde membran teknolojilerdeki gelişmeler ile membranların atıksuyun tekrar kullanılmasında istenmeyen kirletici parametrelerin atıksudan uzaklaştırılmasında etkili ve verimli olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Bu yeni uygulamalar içerisinde ileri osmoz membran biyoreaktör (Forward Osmosis Membrane Bioreactor, FO-MBR) ileri osmoz (FO) ile membrane biyoreaktör (MBR) proseslerinin bir karışımıdır ve bu tez çalışmasında kullanılmıştır. İleri osmoz doğal bir proses olarak konvansiyonel ters osmoz membranbiyoreaktöre göre dahaaz enerji gereksinimi gösterir. Bu tez çalışmasında ozmotik basınç ile çalışan membran proses üzerine yoğunlaşılmıştır. İleri osmoz (FO) bir membran proses olup doğal osmozu kullanarak suyun az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama doğru oldukça seçici bir membrandan geçirerek taşınmasıdır. FO ile MBRproseslerinin bir karışımı olan FO-MBR prosesi daha az enerji ihtiyacı ve konvansiyonel ters osmoz membranlarına göre daha az tıkanma göstermesi bakımından bu çalışmada tercih edilmiştir. Ters osmoz suyu emme gücünü kullanarak taşımasına karşılık, FO-MBR suyu ileriye doğru osmozu kullanarak taşır ve membrandan geçirir. Suyun taşınması draw çözeltisinin (suyun taşındığı çözelti kısmı, çıkış suyu) konsantrasyonunun azalmasına neden olur. Draw çözeltisinin (çıkış suyunun) kalitesi istendiği seyrelme durumuna geldiğinde işlem amacına ulaşmış olmaktadır. Bu çalışmada ters osmoz çıktı çözeltisi FO sisteminde draw çözeltisinin yoğunlaştırılmasında kullanılmak aynı zamanda çıkış suyu çözeltisi içerisinde konsantrasyon azaltılarak istenilen kaliteye ulaşılmaktadır. Suyun yeniden kullanımında yeni uygulanan ileri ozmotik membrane biyoreaktör (FO-MBR) sisteminin taslak yapısı burada verilmektedir. Deneysel sonuçlar draw çözeltisinden aktif çamura doğru oldukça iyi kalitede çıkış suyuna ulaşılabildiğini ve katıların tersine difüzyonunun normal olarak sağlanmadığını göstermiştir. Bu çalışmada 50 mS/cm iletkenlik değerine sahip NaCl çözeltisi draw çözeltisi olarak, TFC-FO düz tabaka membranı FO bölümünde ve Filmtec Dow XLE 4440 RO membranı RO bölümünde kullanılmıştır. Laboratuvar ölçekli pilot FO-MBR sistemi 13 devir (cycle) işletilmiş ve her bir devirde 42 saat FO prosesi ve 2 saat RO prosesi olarak işletilmiştir. Burada herhangi bir atık veya süzüntü suyu çıkmaması önemli olup süzüntü suyu (permeate) tekrar RO sistemine döndürülerek sirküle edilmektedir. Burada amaç hem süzüntü suyu çıktısını önlemek hemde DS (draw solution) konsantreedilerek akının kendisine doğru osmoz ile yönlenmesi FO prosesinde tekrar kullanımı sağlanmakta ve böylece daha yüksek kalitede su temin edilmektedir. FO-MBR sistemi mikrobiyal çeşitliliği mikroskobik olarak izlenmiş ve tanımlanmıştır. Gram negatif ve gram pozitif bakterilerin sistemde baskın olduğu ve tuzlu ortamda hayatiyetlerini sürdürebildiği anlaşılmıştır. Aktif çamurda ayrıca ökaryotik hücrelerinde varlığı tespit edilmiş özellikle silli ve saplı protozoalar, nematodlar ve rotiferlerin sistemde bulunduğu izleme çalışmalarında görülmüşlerdir. Bu mikroorganizmaların 5-7 mS/cm iletkenlik değerlerinde yaşayabildiği, organik karbon, nitrat ve fosfatı yüksek verimlilikle arıtabildiği ölçülerek bulunmuştur. Bu organizmalara farklı ve geniş tuzluluk değerlerine dayanarak yaşayabildiklerinden geniş tuzluluk değerlerinde yaşayabilen mikroorganizmalar (euryhaline) denebilir. Aktif çamur içerisinde filamentli bakteriler ve filamentli mantar hücreleride tespit edilmiş özellikle Nostocoida limicola bakterisi ve bazı filamentli mantarlar seçici koşullarda sistemde gözlenmiştir. Aktif çamur floklarının yapısı oldukça düzgün, sıkı ve iyi çöken özelliklere sahip olduğu tespit edilmiştir. Yüksek iletkenlik değerlerinde flokların daha sıkı ve büyük olması membran porlarının üstüne bu flokların bir ağ gibi kapatması ve porların içinin biyolojik olarak tıkanmaya sebep olmamışlardır. Bu çalışma ile belirli seçilmiş koşullarda membran performansı FO çıkış suyu kalitesinin ölçülerek izlenmesi ve aynı zamanda biyoreaktördeki aktif çamur mikroorganizmaların yapısı, koşullara uyum ve adaptasyonu ve membranların tıkanmasına neden olan etkilerinin araştırılması hedeflenmiştir. Bu araştırma sonucunda FO-MBR sisteminin organik karbonun % 85'ini, fosfatın % 96'sını ve nitratın % 79'unu giderdiği bulunmuştur. Ayrıca FO membranının bu işletim koşullarında önemli bir biyolojik tıkanıklılık (biyofouling) belirtisi göstermediği yapılan membran analiz sonuçlarından anlaşılmıştır.