Yukarı akışlı anaerobik çamur yataklı mikrofiltrasyon osmotik membran biyoreaktör ile mezbaha atıksularının arıtımı
Tezin Türü: Doktora
Tezin Yürütüldüğü Kurum: İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Türkiye
Tezin Onay Tarihi: 2024
Tezin Dili: Türkçe
Öğrenci: Sümeyye Hasanoğlu
Asıl Danışman (Eş Danışmanlı Tezler İçin): Zeren Beril Özçelep
Eş Danışman: İlda Vergili
Açık Arşiv Koleksiyonu: AVESİS Açık Erişim Koleksiyonu
Özet:Bu doktora tez çalışmasında, mezbaha atıksularının arıtılmasında yukarı akışlı anaerobik çamur yataklı mikrofiltrasyon osmotik membran biyoreaktör (UASB MF-OMBR) sisteminin performansının araştırılarak; elde edilen arıtma performansı, akı değişimi, mikrobiyal topluluk değişimleri ve membran kirlenmesi sonuçlarının bir anaerobik mikrofiltrasyon osmotik membran biyoreaktörü (AnMF-OMBR) ile karşılaştırılması amaçlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında sistemler farklı çekme çözeltisi (ÇÇ) konsantrasyonlarında (0,47 M, 1 M ve 1,5 M) işletilerek; artan ÇÇ konsantrasyonunun sistem performansı üzerindeki etkileri araştırılmış ve kritik ÇÇ konsantrasyonu belirlenmiştir. Farklı ÇÇ konsantrasyonlarında işletilen sistemlerde, artan ÇÇ konsantrasyonu ile arıtma performansının azalarak; kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderim veriminin 0,47 M, 1 M ve 1,5 M ÇÇ konsantrasyonları için AnMF-OMBR'de %41–23; UASB MF-OMBR'de %43–26 aralığında olduğu belirlenmiştir. 0,47 M, 1 M ve 1,5 M ÇÇ konsantrasyonu ile işletilen sistemlerde metan üretiminin de AnMF-OMBR'de 0,19–0,14 L CH4/g KOİgiderilen aralığında; UASB MF-OMBR'de 0,24–0,19 L CH4/g KOİgiderilen aralığında olmak üzere artan ÇÇ konsantrasyonu ile azaldığı görülmüştür. KOİ rejeksiyonunun her iki biyoreaktörde de ÇÇ konsantrasyonu artışından etkilenmediği belirlenmiş ve tüm işletim süresi boyunca yüksek KOİ rejeksiyonları (>%93) elde edilmiştir. NH4+-N rejeksiyonları artan ÇÇ konsantrasyonu ile azalış gösterirken (AnMF-OMBR'de %87–79; UASB MF-OMBR'de %91–81); PO4-3-P rejeksiyonu önemli bir değişim sergilememiştir (her iki sistem için de >%91). Farklı ÇÇ konsantrasyonlarında işletilen sistemlerde işletim sonunda sistemlerden çıkarılan kirli ileri osmoz (İO) membranlarında gerçekleştirilen Fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR), atomik kuvvet mikroskopisi (AFM), taramalı elektron mikroskobu-enerji yayılımlı X–Işını (SEM-EDX) ve konfokal lazer taramalı mikroskop (CLSM) analizleri sonucunda membran kirlenmesinin artan ÇÇ konsantrasyonu ile daha şiddetli hale geldiği belirlenmiştir. Farklı ÇÇ konsantrasyonlarında işletilen sistemlerde ÇÇ konsantrasyonunun akı değerlerine etkisi incelenmiştir. 0,47 M, 1 M ve 1,5 M ÇÇ ile işletilen sistemlerde başlangıç akı değerleri AnMF-OMBR'de sırasıyla 8,7 L/m².saat, 9,0 L/m².saat ve 10,6 L/m².saat; UASB MF-OMBR'de sırasıyla 10,63 L/m².saat, 11,20 L/m².saat ve 11,74 L/m².saat olarak belirlenmiştir. ÇÇ konsantrasyonu artışı ile sistemlerde başlangıç akı değerlerinin yükseldiği bununla birlikte işletim süresince akı düşüşünün daha fazla olduğu görülmüştür. İO performansı, anaerobik performans, su geri kazanımı, mikrobiyal inhibisyon ve işletim süresi parametreleri esas alınarak yapılan analitik hiyerarşi prosesi (AHP) analizi sonucuna göre, 0,47 M ÇÇ konsantrasyonu kritik ÇÇ konsantrasyonu olarak belirlenmiştir. Ayrıca, sistemlerdeki mikrobiyal topluluğun tuzluluk birikiminden, yüksek serbest amonyaktan ve düşük organik yükleme hızından (OYH) etkilendiği tespit edilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında, çalışmanın ilk aşamasında belirlenen 0,47 M ÇÇ konsantrasyonunda işletilen AnMF-OMBR ve UASB MF-OMBR sistemlerinde, KOİ konsantrasyonu artışının (5000 mg/L ve 7500 mg/L) sistemlerin performansları üzerindeki etkisi araştırılmıştır. KOİ konsantrasyonunun 5000 mg/L'den 7500 mg/L'ye çıkarılması ile atıksuda toplam Kjeldahl azotu (TKN) konsantrasyonunun 780 mg/L'den 1300 mg/L'ye yükseldiği tespit edilmiştir. Atıksuyun KOİ konsantrasyonunun artırılması ile artan NH4+-N ile özellikle AnMF-OMBR'de arıtma performansında azalma gözlenmiştir (%54–67). UASB MF-OMBR'de ise, proses performansının KOİ artışına bağlı NH4+-N artışından daha az etkilendiği tespit edilmiştir (%70). KOİ rejeksiyonu KOİ konsantrasyonu artışından etkilenmemiş ve her iki sistemde de >%92 olarak elde edilmiştir. Metan üretimi de artan NH4+-N konsantrasyonundan etkilenerek azalmış ve çalışma sonunda AnMF-OMBR'de 0,16 L CH4/g KOİgiderilen, UASB MF-OMBR'de 0,18 L CH4/g KOİgiderilen olarak belirlenmiştir. Artan KOİ konsantrasyonları ile süpernatant NH4+-N konsantrasyonları da artış göstermiş ve bu durum biyoreaktörlerde anaerobik aktivitede inhibisyona sebep olmuştur. NH4+-N rejeksiyonları 5000 mg/L ve 7500 mg/L KOİ konsantrasyonlarında AnMF-OMBR'de sırasıyla %66 ve %64; UASB MF-OMBR'de %69 ve %72 olarak elde edilmiştir. Her iki sistemde de benzer yüksek PO4-3-P rejeksiyonları (>%89) elde edilmiştir. Başlangıç akı değerleri, 5000 mg/L ve 7500 mg/L KOİ konsantrasyonları ile işletimde AnMF-OMBR'de 9,61–5,99 L/m2·saat; UASB MF-OMBR'de 9,96–6,79 L/m2·saat olarak tespit edilmiştir. Kirli İO membranlarında gerçekleştirilen otopsi analizleri (FTIR, AFM, SEM-EDX) sonucunda, daha iyi arıtım performansı ve akı eldesinin gerçekleştiği UASB MF-OMBR'de membran kirlenmesinin AnMF-OMBR'ye göre daha az olduğu belirlenmiştir. NGS analizi sonucunda, artan KOİ konsantrasyonları ile işletim koşullarından (düşük OYH ve yüksek NH4+-N konsantrasyonu) mikrobiyal topluluğun etkilenerek metan üretiminin hidrojen ve karbondioksitten çok asetat yoluyla üretildiği tespit edilmiştir. Ayrıca, hem farklı ÇÇ konsantrasyonlarında hem de farklı KOİ konsantrasyonlarında işletilen sistemlerde strüvit ve MgPO4- çökelmesi meydana gelmiştir. Sonuç olarak, bu doktora tezi çalışmasında, mezbaha endüstrisi atıksularının yenilikçi UASB MF-OMBR sistemi ile etkili bir şekilde arıtılabileceği belirlenmiştir. UASB MF-OMBR sistemi AnMF-OMBR ile karşılaştırıldığında, konfigürasyonu sebebiyle özellikle akı performansı ve membran kirlenmesi açısından daha iyi bir performans sergilediği, tuz ve amonyak inhibisyonlarına karşı daha az duyarlı olduğu belirlenmiştir.