ŞEKERLEME ENDÜSTRİSİ ATIKSUYUNUN ANAEROBİK MEMBRAN BİYOREAKTÖRDE ARITIMI VE MEMBRAN KİRLENME MEKANİZMALARININ İNCELENMESİ
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2019
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: Gökhan Balcıoğlu
Danışman: Zeren Beril Özçelep
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Bu tez çalışmasında anaerobik membran biyoreaktör (AnMBR) sisteminde şekerleme atıksuyunun artımında çeşitli işletme parametrelerin (organik yükleme hızı, çamur yaşı, akı) arıtma ve filtrasyon performansı üzerindeki etkileri araştırılarak uygun arıtma koşullarının belirlenmesi ve GAK ilavesi ile membran kirlenmesinin azaltılması amaçlanmıştır. AnMBR prosesi ile belirlenen uygun işletme şartları altında elde edilen süzüntü suyunun tarımsal sulama suyu olarak kullanımı da değerlendirilmiştir. Çalışmada, farklı koşullar altında meydana gelen membran kirlenmesi membran otopsi analizleri ile detaylı şekilde incelenmiş ve kirlenmede etkili olan mekanizmalar açıklanmıştır. Çalışmanın ilk bölümünde biyometan potansiyeli denemeleri (BMP) ile şekerleme atıksuyunun metan üretim potansiyeli belirlenmiş ve atıksuyun AnMBR sistemi ile sonsuz çamur yaşında farklı organik yükleme hızlarındaki (OYH: 1.1, 2.2, 4.4, 6.6 ve 7.9 kg KOİ/m³•gün) arıtılabilirliği araştırılmıştır. Bu bölümde AnMBR sistemi pH 7 ve 35 ℃ sıcaklık değerinde 247 gün süre ile işletilmiştir. İşletme süresi sonunda membranda otopsi analizleri ile kirlenme mekanizmaları açıklanmaya çalışılmıştır. Ayrıca, bu bölümde kritik akı değeri belirlenerek AnMBR sistemi, belirlenen kritik akı değerinin altındaki farklı akı değerlerinde işletilerek akının AnMBR arıtma ve filtrasyon performansı üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Farklı OYH koşullarında işletilen AnMBR sisteminde artan OYH ile üretilen metan miktarı da artmıştır (1.2 L–6.8 L). OYH artışı ile birlikte basınç ve basınç artış hızlarında da artış tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlar bir arada değerlendirilerek özellikle AnMBR filtrasyon performansı göz önüne alındığında OYH 4.4 kg KOİ/m³•gün koşulları altında AnMBR sisteminin işletiminin verimli olduğu belirlenmiştir. Farklı OYH değerlerinde AnMBR sisteminin işletimi sonunda sistemden çıkarılan kirli ve sıyrılmış membranlarda yapılan ESEM-EDX (Çevresel taramalı elektron mikroskobu), FTIR (Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi), AFM (Atomik kuvvet mikroskopisi) ve konfokal mikroskop analizleri neticesinde membranda kek tabakası kirlenmesinin baskın olduğu, kirlenmenin çoğunlukla organik kökenli olduğu ve kek tabakasının fiziksel olarak membran yüzeyinden tamamen giderilemediği belirlenmiştir. Bu aşamada gerçekleştirilen kritik akı denemelerinde kiritik akı 9 L/m²•saat olarak tespit edilmiştir. Kritik akı altındaki üç farklı akı değerinde (4.5, 6 ve 7.5 L/m²•saat) ve sabit OYH 4.4 kg KOİ/m³•gün koşulunda işletilen AnMBR sisteminde farklı akı değerlerinin arıtma ve membran filtrasyon performansına etkisi belirlenmiştir. Farklı akılarda KOİ giderimi süzüntüde %99 olarak gerçekleşmişken metan üretimleri 5300–5400 mL/gün aralığında seyretmiştir. Akı artışı ile birlikte TMP değerinin 500 mbar seviyesinden 650 mbar seviyesine yükseldiği ve por direncinin (Rp) de %25'ten %30'a yükseldiği belirlenmiştir. Membran filtrasyon performansı göz önüne alındığında 6 L/m²•saat akı koşulları altında AnMBR sisteminin işletiminin verimli olduğu belirlenmiştir. Çalışmanın ikinci bölümünde 4.4 kg KOİ/m³•gün OYH ve 6 L/m²•saat koşulları altında işletilen AnMBR sisteminde çamur yaşı (60 ve 30 gün) ve granül aktif karbon (GAK) ilavesinin AnMBR'nin arıtma ve filtrasyon performansı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Çamur yaşı değerinin azalması ile GAK ilavesiz ve GAK ilaveli koşullarda süzüntü ve reaktör KOİ konsantrasyonlarında artış, üretilen metan miktarlarında ise azalma meydana gelmiştir. ÇY değerinin 60 günden 30 güne düşürülmesi ile GAK ilavesiz ve GAK ilaveli koşullarda TMP değerleri sırası ile 535, 475, 450, 440 mbar olarak bulunmuştur. Çamur yaşının 60 günden 30 güne düşürülmesinin AnMBR sisteminde özellikle por direncinde artışa neden olduğu belirlenmiştir. Rp değeri GAK ilavesiz koşullarda %22'den %30'a, GAK ilaveli koşullarda ise %16'dan %19'a yükselmiştir. Aynı çamur yaşında GAK ilavesinin AnMBR sisteminin arıtma performansında (KOİ konsantrasyonunda azalma ve metan üretiminde artış) ve filtrasyon performansında iyileşmeye (TMP, toplam filtrasyon direnci ve por direnci yüzdesi, EPS ve SMP konsantrasyonunda azalma) neden olduğu belirlenmiştir. Daha iyi arıtma ve filtrasyon performansının elde edildiği 60 gün çamur yaşı değerlerinde GAK ilavesiz ve ilaveli koşullara ait membranlarda yapılan otopsi analizleri sonucunda (FTIR, konfokal mikroskopi, zeta potansiyeli, AFM, temas açısı) GAK ilavesi ile kirli membran yüzeyinde daha gevşek, sıyrılabilir özellikte ve daha düşük kalınlığına sahip bir kek tabakasının meydana geldiği belirlenmiştir. GAK ilavesinin membranda kek tabakası oluşumunu azalttığı ve GAK ilaveli kirli ve sıyrılmış membranın temiz membrana yakın özelliklere sahip olduğu tespit edilmiştir. Tez çalışmasında sonuç olarak şekerleme endüstrisi atıksularının AnMBR sistemi ile belirlenen uygun işletme şartları altında (OYH: 4.4 kg KOİ/m³•gün, akı: 6 L/m²•saat, ÇY: 60 gün) tarımsal sulamaya uygun süzüntü suyu kalitesi elde edilerek arıtılabileceği belirlenmiştir. Ayrıca, GAK ilavesinin arıtma performansını artırmada ve membranda oluşan kirlenmeyi azaltmada başarılı olduğu belirlenmiştir.