508 KB - Çevre Mühendisleri Odası

TMMOB
Çevre Mühendisleri Odası
V. ULUSAL
ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ
ATIKSU ARITIMI VE GERİ KAZANIMINDA MEMBRAN
BİOREAKTÖRLERİ
Yrd.Doç.Dr. Mehmet Kitis1, Hasan Köseoğlu1, Nazmiye Gül1,
Yrd.Doç.Dr. Fatma Yeşim Ekinci2
(1) Süleyman Demirel Üniversitesi, Müh. Mim. Fakültesi, Çevre Mühendisliği, Isparta
[email protected]
(2) Süleyman Demirel Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Gıda Mühendisliği, Isparta
ÖZET
Membran bioreaktörleri (MBR) atıksu arıtımında sıvı/katı ayrımının düşük-basınçlı membran
filtrasyon konseptiyle yapıldığı askıda büyümeli biyolojik arıtma sistemleridir. Son 5-10 yıl
içinde polimer endüstrisindeki hızlı gelişmeler ve membran maliyetlerindeki azalmalar
neticesinde, MBR’lar gelişmiş batı ülkelerinde artan bir hızla atıksu arıtımı ve geri
kazanımında uygulanmaya başlanmıştır. MBR’ların konvansiyonel aktif çamura göre birçok
avantajı mevcuttur.
MBR’lardaki yüksek biyokütle konsantrasyonundan dolayı gerekli hidrolik bekleme süresi
azdır; bu da küçük reaktör hacmi ve ilk yatırım maliyetinde azalma anlamına gelir. Biyokütle
ayrımı mikro- veya ultrafiltrasyon ile gerçekleştiği için aktif çamurun çökelebilme özelliğinden
bağımsızdır; diğer bir deyimle son çökeltime ihtiyaç olmayıp çamur şişmesi, filamentli
büyüme gibi çökeltim problemleri söz konusu olamaz. Yüksek biyokütle
konsantrasyonlarından dolayı sisteme fazla organik yükleme yapılabilir. MBR’larda
nitrifikasyon veya toksik organikler bağlamındaki işletme problemleriyle daha az karşılaşılır
çünkü MBR’larda konvansiyonel aktif çamura göre daha fazla çamur yaşı (SRT) ile
çalışılabilir. Yüksek SRT değerleri oluşan biyokütle miktarını da azaltır. MBR’lar mükemmel
bir fiziksel dezenfeksiyon sağlar. Çünkü biyolojik olarak arıtılmış su aynı tank içinde batık
mikrofiltrasyon (gözenek çapı yaklaşık 0.1-1 µm) veya ultrafiltrasyon (gözenek çapı yaklaşık
0.01-0.1 µm) membranlarıyla vakum ile çekilip hemen hemen tüm protozoa ve bakteri (5-6 log
giderim), ve 1-2 log virüs giderimi sağlanır.
Bahsedilen avantajlar ve özellikle mikrofiltrasyon/ultrafiltrasyondan dolayı MBR’larda çıkış
suyu kalitesi konvansiyonel aktif çamur sistemlerinden çok daha iyidir. MBR’larda elde edilen
tipik çıkış suyu değerleri: BOI < 2.0 mg/L; AKM < 2.0 mg/L; NH3-N < 1.0 mg/L (nitrifiye
eden MBR’larda); toplam fosfor < 0.1 mg/L (anaerobik zon eklenmesi ile); toplam azot < 3-10
mg/L (anoksik zon eklenmesi ile: denitrifikasyon); bulanıklık < 0.5 NTU.
ANAHTAR KELİMELER: Membran bioreaktör, atıksu, arıtma, atıksu geri kazanım,
mikrofiltrasyon.
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
THE MEMBRANE BIOREACTORS IN WASTEWATER TREATMENT AND
RECLAMATION
ABSTRACT
Membrane bioreactors (MBRs) are suspended growth activated sludge treatment systems that
rely upon low-pressure membrane equipment for liquids/solids separation prior to discharge of
the effluent. With the advances in polymer industry and reductions in membrane costs, MBRs
have been employed exponentially in the last few years for wastewater reclamation and reuse,
particularly in developed countries. MBRs have many advantages over conventional activated
sludge systems.
Due to high MLSS concentrations in the MBRs, lower hydraulic retention times (HRTs), thus
smaller aeration tank volumes are required resulting in significant reductions in construction
costs. Since the biomass separation is achieved via microfiltration or ultrafiltration, it is
independent of the settling characteristics of activated sludge. There is no need for secondary
clarification. Therefore, no settling problems such as sludge bulking or filamentous growth
may occur. High organic loadings may be allowed due to high MLSS in aeration tanks.
Because of elevated sludge retention times (SRTs) compared with activated sludge systems,
MBRs are less susceptible to operational upsets associated with nitrification and toxic organics.
Furthermore, biomass yield is lower. MBRs provide a perfect physical disinfection since the
separation of the biologically treated water is accomplished through microfiltration (with pores
of about 0.1-1 µm) or ultrafiltration (0.01-0.1 µm) membranes immersed in the aeration tank.
There is essentially complete removal of protoza, and 5-6 log and 1-2 log removals for bacteria
and viruses, respectively.
Due to above-mentioned advantages, and micro- and ultrafiltration, the effluent quality is
superior in MBRs compared with conventional activated sludge systems. Typical effluent
quality for MBRs: BOD < 2.0 mg/L; TSS < 2.0 mg/L; NH3-N < 1.0 mg/L (with nitrifying
MBRs); total phosphorus < 0.1 mg/L (with inclusion of anaerobic zone); total nitrogen < 3-10
mg/L (with inclusion of anoxic zone: denitrification); turbidity < 0.5 NTU.
KEY WORDS : Membrane bioreactor, wastewater, treatment, wastewater reclamation and
reuse, microfiltration.
1.
GİRİŞ
Hızlı nüfus artışı, aşırı sanayileşme, artan kuraklık ve aşırı tüketim ile birlikte tatlı su
kaynakları global ölçekte hızla tükenmektedir. Bu problem özellikle ülkemizin de
coğrafyasında bulunduğu Balkanlar ve Orta Doğu’da son yıllarda daha da önemli hale
gelmekte, ve artık sahip olunan su kaynakları ülkeler arasındaki stratejik ilişkiler ve
pazarlıkların ana unsurlarından biri olmaktadır. Artan talebe karşılık tatlı su kaynaklarını
yenileyip artırmak teknik ve ekonomik açıdan sınırlayıcı olduğu için sürdürülebilir
kalkınmayı sağlayabilecek değişik pratik çözümlere ihtiyaç vardır. Bu bağlamda “temiz su
kaynaklarını korumanın ilk yolu atıksuları geri kazanma ile başlar” düşüncesi ile arıtılmış
atıksuların geri kazanımı ve birçok değişik amaçlı geri kullanımı için son yıllarda çalışmalar
ve uygulamalar artırılmıştır. Atıksuların geri kullanımı ile hem tatlı su kaynaklarının tüketimi
azaltılmakta hem de deşarj edilen arıtılmış atıksuların çevresel etkileri en aza
indirilebilmektedir.
Arıtılmış atıksuların geri kullanım alanları ana hatlarıyla aşağıdaki gibi sıralanabilir:
•
Kentsel kullanım
-
464
Parklar, rekreasyon alanları, spor tesisleri, otoyol kenarları
Uydu kentlerde yeşil sahalar
Ticari ve endüstriyel gelişme alanları
Golf merkezleri
Yangın söndürme
Ticari ve endüstriyel alanlarda tuvalet pisuvarları
İnşaat projelerinde toz kontrol ve beton üretimi
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
•
Emre TOKCAER
Araç yıkama tesisleri
Endüstriyel kullanım
-
Soğutma suyu
Proses suları
Kazan besleme
Tesis yeşil alan sulaması
Yangın söndürme
•
Zirai sulama
•
Habitat, yüzeysel suların, rekreasyon alanların beslenmesi
•
Yeraltı suyu beslenmesi/enjeksiyonu
-
Sahil bölgelerinde tuzlu suyun yeraltı tatlı su kaynaklarına girişiminin
engellenmesi
Toprak-yeraltı suyu sisteminde daha ileri arıtım
İçme suyu veya kullanma suyu kalitesindeki akiferlerin beslenmesi
Geri kazanılmış atıksuyun depolanması
Aşırı yeraltı suyu pompalanması sonucu oluşabilecek göçüklerin engellenmesi.
Ülkemizde olduğu gibi su talebinin çok olduğu sektörlerden birisi tarımdır. Dolayısıyla
arıtılmış atıksuların zirai sulamada geri kullanımı tatlı su talebini düşürme açısından
önemlidir. Bu bağlamda zirai sulamada kullanılabilecek nitelikte, güvenilir arıtılmış su
üretebilecek, ilk yatırım ve işletme maliyeti açısından rekabet edebilecek, ileri arıtma
teknolojilerine ihtiyaç vardır. Bu teknolojiye tipik ve çok iyi bir örnek son 10 yıl içinde
geliştirilen membran bioreaktör (MBR) sistemleridir. Ürettiği içme suyu kalitesine yakın
arıtılmış su ile MBR lar sadece zirai sulama için değil yukarıda sayılan diğer geri kullanım
alanları için de uygulanabilir. Bildirinin müteakip kısmında MBR lar detaylı olarak
tartışılacaktır.
2.
MEMBRAN BİYOREAKTÖRLER
Son yıllarda polimer ve dolayısıyla membran teknolojisindeki çok hızlı gelişmeler ve üretim
maliyetinin azaltılması sebebiyle gerek içme suyu gerekse de atıksu arıtma alanlarında
membran prosesleri (özellikle mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon) konvansiyonel sistemlerle
maliyet açısından rekabet edebilir hale gelmiş ve geniş çapta uygulanmaya başlanmıştır.
Dolayısıyla, atıksu arıtmada uygulanan MBRlar da gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde
(örneğin ABD, Fransa, Singapur, Almanya, Çin, Brezilya, vs) son on yılda artan bir hızla
arıtma tesislerinde devreye alınmıştır (Stephenson ve diğerleri, 2000; Water Environment
Federation, 2001; Van der Roest ve diğerleri, 2002). Önümüzdeki yıllarda birçok
konvansiyonel atıksu arıtma tesislerinin teknolojilerini MBR’lara dönüştüreceği ve özellikle
de son çökeltim havuzlarının ortadan kalkacağı ABD ve Avrupa’daki uzmanlar tarafından
tahmin edilmektedir.
MBR’lar, membran ekipmanı sayesinde arıtılmış su ve biyokütlenin fiziksel olarak filtrasyon
ile ayrıldığı süspansiyon büyüme modundaki biyokimyasal oksidasyon (aktif çamur gibi)
prosesidir (Adham ve Gagliardo, 1998; Crawford ve diğerleri, 2000; Stephenson ve diğerleri,
2000). Konvansiyonel aktif çamur prosesinde iki ayrı tankda gerçekleşen biyokimyasal
oksidasyon (havalandırma tankında) ve su/biyokütle ayrımı (sedimantasyon ile çökeltim
tankında), MBR’larda tek tankda gerçekleşmektedir. Bu tank içinde havalandırma suretiyle
aktif çamur oluşturulmakta ve de tankın içinde suda gömülü olan membran kasetlerindeki
fiberlerin çok küçük gözeneklerinden vakum uygulanarak arıtılmış su çekilmekte ve
biyooksidasyon ile karbon giderimini yapan biyokütle tank içerisinde kalmaktadır. Şekil 1’de
membran fiberlerini içeren bir kaset ya da modül gösterilmiştir. Şekil 2’de ise bir membran
kasetinin tankın üstündeki sabit vinç yardımı ile tankın içine konumlanırken çekilen fotoğrafı
465
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
gösterilmiştir. Genellikle mikrofiltrasyon (yaklaşık 0.2 μm gözenek büyüklüğü) ya da
ultrafiltrasyon (yaklaşık 0.01 μm gözenek büyüklüğü) membran üniteleri MBR’larda
kullanılmaktadır. Arıtma sırasında zamanla fiberler üzerinde oluşan kek/kirlenme tabakası
(foulant layer) bu gözenekleri daha da küçültmekte ve su/biyokütle ayrımını, askıda katı
madde ve mikroorganizma giderme verimini artırmaktadır.
Şekil 1. Bir MBR membran kaseti (ZENON Env. Inc., 2002).
Şekil 2. Bir membran kaseti tankın içine konumlanırken.
Tipik bir MBR ünitesi akım şeması Şekil 3’de gösterilmiştir. Şekil 4’deki fotoğraf ise
ABD’de bir arıtma tesisinde hizmete alınan MBR ünitesinin üstten görünüşüdür. Atıksudaki
membranları tıkayabilecek büyük çaplı materyalleri (bez, plastik, kağıt parçaları gibi) ayırmak
için mekanik ızgaradan (1-2 mm çaplı) geçen atıksu direk olarak ön çökeltime gerek olmadan
MBR tankına girmektedir (Şekil 3). Ancak giriş askıda katı madde içeriği nispeten fazla olan
atıksularda MBR ünitesinden önce ön çökeltim de uygulanabilmektedir. Daha küçük çaplı
(≈0.1-1 mm) ve daha yüksek tutma kapasitesi olan döner tambur ızgaralar genellikle MBR
sistemlerinde konvansiyonel ızgaralara tercih edilmektedir. MBR tankının giriş bölümü kapalı
ve havalandırmasız yapılarak anoksik şartlar sağlanıp denitrifikasyon uygulanabilir. Bunun
için havalandırma tankında nitrifikasyon ile oluşan nitrat biyokütle geri döngüsü ile anoksik
tanka geri pompalanır. Böylece isteğe bağlı olarak organik karbon gideriminin yanında
466
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
amonyak-azotu giderimi de sağlanır. Eğer fosfor giderimi de amaçlanıyorsa tankın ilk giriş
kısmına bir anaerobik bölüm eklenip fosfor da biyolojik olarak atıksudan giderilebilir.
Dolayısıyla MBR prosesi biyolojik nutriyent giderimi için de uygundur. Bazı sentetik toksik
organik maddelerin, fosforun (kimyasal olarak giderim için) veya ağır metallerin (her ne
kadar evsel atıksularda genellikle sorun olmasa da) giderimi istenirse opsiyonel olarak
koagülasyon/flokülasyon işlemi için bazı metalik koagülantlar suya eklenebilir. Tüm bu
özellikler MBR’ları çok esnek bir arıtma prosesi haline getirir. Vakum ile membran fiber
gözeneklerinden çekilen arıtılmış su konvansiyonel sistemlere göre çok daha yüksek
kalitededir. Oluşan atık çamur diğer konvansiyonel sistemlerde olduğu gibi nihai bertaraf için
proses edilir, ve gübre olarak tarım, rekreasyon arazilerinde kullanılabilir.
Metal
eklenmesi
(opsiyonel)
Anoksik bölüm
Aerobik bölüm
(havalandırma)
Atıksu
Giriş
Izgara
Membran
ekipmanı
Arıtılmış
Çıkış
MLSS geridönüşümü
(denitrifikasyon için)
Atık Çamur
Şekil 3. Tipik bir MBR ünitesi akım şeması.
Şekil 4. Bir MBR ünitesinin üstten görünüşü.
MBR’lar kompak sistemler olduğu için konvansiyonel sistemlere göre çok daha az arazi
gereksinimi vardır. Dahili sistem MBR’larda tüm arıtma aşamaları (havalandırma,
sıvı/biyokütle ayrımı ve fiziksel dezenfeksiyon) tek bir tankda gerçekleşir. MBR’ların belki
de en heyecan verici özelliği halihazır işletimde olan konvansiyonel aktif çamur sistemlerinin
467
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
kolaylıkla MBR sistemlerine dönüştürülebilmesidir. Halihazır havalandırma tankına batık
membranlar yerleştirerek bu işlem gerçekleştirilir.
2.1
Tasarım ve İşletim Parametreleri
Bu kısımda MBR sistemlerinin tasarım ve işletiminde kullanılan parametreler tanımlanıp
tartışılacaktır.
Besleme suyu: MBR sistemine gelen giriş suyu.
Süzüntü: MBR sisteminden elde edilen temiz çıkış suyu.
Süzüntü akısı: Membran toplam yüzey alanına bölünmüş permeyt debisi:
Jt =
Qp
S
(1)
2
Jt=
t zamanındaki süzüntü akısı (galon/ft -gün; gfd)
Qp=
t zamanındaki süzüntü debisi (galon/gün; gpd)
S=
toplam membran yüzey alanı (ft2).
Spesifik akı: Transmembran basıncına göre normalize edilmiş süzüntü akısı:
J tm =
Jt
Ptm
(2)
2
Jtm=
t zamanındaki spesifik akı (gfd/psi; psi=libre/inch )
Jt=
t zamanındaki süzüntü akısı (galon/ft2-gün; gfd)
Ptm=transmembran basıncı (psi).
Ortalama transmembran basıncı aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır:
Ptm =
(Pi + Po )
− Pp
2
(3)
Ptm=transmembran basıncı (psi)
Pi=
membran modülü girişindeki basınç (psi)
Po=
membran modülü çıkışındaki basınç (psi)
Pp=
süzüntü basıncı (psi).
Sıcaklığa göre normalize edilmiş akı hesaplaması: sıcaklığa bağlı su vizkositesindeki
varyasyonları dikkate almak için 20 oC deki süzüntü akısı şöyle hesaplanabilir (ZENON Env.
Inc, 2002):
J tm (20°C ) =
Q p * e −0.0239 * (T − 20)
S
(4)
Jtm=
468
t zamanındaki anlık spesifik akı (gfd)
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Qp=
t zamanındaki süzüntü debisi (gpd)
T=
sıcaklık (°C)
S=
toplam membran yüzey alanı (ft2).
Emre TOKCAER
Sistem su geri kazanımı: giriş suyu debisine göre geri kazanılan temiz su debisinin yüzdesi
sistem su geri kazanımı olarak ifade edilir:
Qp 
% System Recovery = 100 x  
 Qf 
(5)
Qp=
permeyt debisi
Qf=
giriş suyu debisi
2.2
MBR Konfigürasyonları
Uygulanmakta olan MBR sistemleri harici (sıvı/biyokütle ayrımının çapraz akışlı membran
filtrasyonu ile ayrı bir ünitede gerçekleştiği) ve dahili-entegre (sıvı/biyokütle ayrımının
bioreaktör içinde batık membranlar ile gerçeklestiği) olmak üzere 2 ana konfigürasyondadır
(Şekil 5).
Bioreaktör
Pompa
Permeyt
Harici MBR
Vakum pompa
Dahili (entegre) MBR
Çapraz akışlı
membran
filtrasyonu
Permeyt
Batık membranlı bioreaktör filtrasyonu
Şekil 5. MBR konfigürasyonları.
Dahili MBR’larda farklı amaçlar için genellikle iki tür havalandırma uygulanır. Reaktör
tabanındaki difüzörlerden verilen kaba hava kabarcıklı havalandırma ile biyokütlenin oksijen
ihtiyacı hedeflenir. Öte yandan membran yüzeyine uygulanan ince hava kabarcıklı
havalandırma ile membran yüzeyine maddelerin birikip akıyı azaltması engellenmeye
çalışılır. Yükselen hava kabarcıkları membran yüzeyinde türbülanslı karşı akım yaratıp
(yaklaşık 1 m/s), membran yüzeyinde materyallerin birikmesini azaltır, böylece sistem daha
etkin çalışır. Reaktördeki türbulanslı karışım ve reaktör hidroliğinden dolayı iki havalandırma
türü de pratikde hem temizleme hem de oksijen ihtiyacı taleplerini karşılayabilir. Diğer bir
deyimle uygulamada iki havalandırmanın da sonuçlarını ayırt etmesi zordur.
Konfigürasyon seçeneğine karar vermek spesifik uygulamaya bağlı olsa da genellikle dahili
MBR lar daha sık uygulamadadır. İki konfigürasyonun karşılaştırılması Tablo 1’de
sunulmuştur.
469
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
Tablo 1. Dahili ve harici MBR’ların karşılaştırılması.
Dahili/Entegre MBR
Yüksek havalandırma masrafı
Düşük pompaj masrafı
Düşük akı (büyük alan gereksinimi)
Daha nadir temizleme ihtiyacı
Düşük işletme maliyeti
Yüksek ilk yatırım maliyeti
Harici MBR
Düşük havalandırma masrafı
Yüksek pompaj masrafı
Yüksek akı (küçük alan gereksinimi)
Daha sık temizleme ihtiyacı
Yüksek işletme maliyeti
Düşük ilk yatırım maliyeti
Dahili batık MBR’lar daha düşük işletme akılarında çalıştırıldıkları için daha fazla
geçirimliliğe dolayısıyla da daha fazla hidrolik verimliliğe sahiptirler. Düşük akı ile çalışmak
batık MBR’larda önemlidir çünkü bu uygulama membran kirlenmesini veya tıkanmasını
minimize eder. İleriki bölümlerde tartışılacağı gibi membran tıkanması MBR’ların en önemli
dezavantajlarından birisi olup, maliyeti artırıcı ve işletmeyi zorlaştırıcı temizleme
mekanizmalarını gerektirir. Dahili batık MBR’lar harici MBR’lara gore daha düşük pompaj
masrafları gerektirse de daha yoğun havalandırma ihtiyacı arz ederler. Bunun nedeni
havalandırmanın membran tıkanmasını engelleyici ana yöntem olmasıdır. Ayrıca, batık
MBR’larda düşük akı ile çalışılması sabit permeyt debisi üretimi baz alındığında daha fazla
membran yüzey alanı (dolayısıyla daha fazla ilk yatırım maliyeti) gerektirir. Ancak, orta ve
büyük ölçekli kentsel atıksu arıtımları için genellikle seçilen ve uygulanan konfigürasyon
dahili batık MBR’lardır (Judd, 2002a).
Tablo 2’de değişik MBR sistemi üreticilerinin ürünlerinin teknik özellikleri ve
karşılaştırılmaları verilmiştir. Değişik ürünlerin teknik avantajları hakkında tartışmalar olsa da
temel hususlar membran maliyetleri, sistem bütünlüğü ve işlerliği, ve de tıkanma kontrolü ve
müteakip temizleme mekanizmasıdır. Membran üretim maliyetlerinin gittikce düşmesi ve
MBR uygulamalarının gittikce artmasına rağmen bu yeni teknoloji alanında üzerinde daha
çok çalışılan konu ve dikkate alınması gereken husus membranların tıkanmasıdır. Çünkü
membranların tıkanması pompaj ve havalandırma gereksinimlerini direk etkileyip dolayısıyla
da sistem maliyetini önemli ölçüde etkiler. Daha az tıkanan veya ucuz maliyetle daha kolay
temizlenebilen membranların geliştirilmesi için yoğun araştırma-geliştirme çalışmaları
yapılmaktadır.
Tablo 2. MBR sistemi üreticilerinin ürünlerinin teknik özellikleri (Judd, 2002a).
Membran geometrisi
Mitsubushi
Rayon
Zenon
Düz tabakalı
(flat plate)
Dahili (batık)
0.05
0.5*
Gözenekli fiber
(hollow fiber)
Dahili (batık)
0.03
---
Gözenekli fiber
(hollow fiber)
Dahili (batık)
0.1
---
0.1-0.5
0.1-0.5
2-5
20-50
100-200
40-70
150-400
70-130
25-35
Proses konfigürasyonu
Ortalama hava hızı (m/s)
Ortalama sıvı hızı (m/s)
Transmembran basıncı
0.05-0.15
(bar)
Akı (L/m-saat:LMH)
15-35
Permeabilite (LMH/bar)
250-500
*Üretici tarafından önerilen.
2.3
Orelis
veya
Wehrle
Kubota
Parametre
Tüp
Harici
--1-3
MBR’ların Gelişimi
Tasarım yaklaşımları açısından MBR’ların günümüze gelinceye dek 3 temel nesli ortaya
çıkmıştır ve 4. nesil de gelişme aşamasındadır (Crawford ve diğerleri, 2000). Tablo 3’de
MBR’ların tasarım kriterlerine göre gelişimi özetlenmiştir.
470
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
Tablo 3. Tasarım kriterlerine göre MBR’ların gelişimi (Crawford ve diğerleri, 2000).
SRT (gün)
MLSS (mg/L)
NH3 giderimi
Toplam azot giderimi
Fosfor giderimi
1. Nesil
50+
20,000+
Var
Yok
Yok
2. Nesil
20+
20,000
Var
Var
Var
3. Nesil
<10 - 15
10,000
Var
Var
Var
Kentsel veya evsel atıksu arıtımı için kullanılan 1. nesil MBR’lar daha çok küçük debiler,
kanalizasyona bağlı olmayan bölgeler, ve atıksu geri kazanım ve kullanımı için
uygulanmışlardı. Örneğin, karavan parkları, uydu yerleşimleri, kayak merkezleri, ve ofis
kompleksleri kullanım alanlarıydı. Bunlar işletim kolaylığının ve değişken yüklerin
karşılanabilirliliğinin önemli olduğu tesislerdi. Birinci nesil MBR’larda 15000-25000 mg/L
biyokütle ve 50 gün veya daha fazla SRT uygulandı. Çok yüksek SRT’den dolayı bu sistemler
biyolojik arıtım açısından oldukca kararlı ve nispeten problemsizdi. Yüksek kalitede çıkış
suyu, tam nitrifikasyon, az çamur miktarları ve seyrek çamur atımı, ve az değişkenlikteki çıkış
suyu kalitesi bu neslin avantajlarıydı (Crawford ve diğerleri, 2000).
Birinci nesil uygulamaların artması ve teknolojik gelişimler sonucu 2. nesil MRB’lar devreye
girmiştir. İkinci nesil MBR’ların en önemli iki özelliği MBR’lara biyolojik nutriyent (azot ve
fosfor) giderimi özelliğinin eklenmesidir. Tam nitrifiye eden bir tesisde, azot giderimi aerobik
bölümde oluşan nitratın biyokütle ile anoksik bölüme geri döndürülmesi, ve anoksik bölümde
de denitrifikasyon sonucu nitratın azota indirgenmesi ile gerçekleşmektedir. Denitrifikasyon
ile aynı zamanda alkalinite geri kazanımı da elde edilir. 2. neslin diğer bir özelliği de kimyasal
fosfor giderimi için MBR’lara metal tuzlarının eklenmisidir. Tesislerde elde edilen sonuçlara
göre çıkış fosfat konsantrasyonları 0.1 mg/L’den azdır (Crawford ve diğerleri, 2000). İlk
uygulamalarda, metal tuzlarının eklenmesi ile MBR biyokütle konsantrasyonları sabit SRT’de
25,000 mg/L gibi yüksek değerlere çıkmıştır. Dolayısıyla, müteakip uygulama veya işletme
peryotlarında SRT azaltılmıştır. Bunun nedeni ise yüksek biyokütle konsantrasyonlarının
membran kapasitesine olumsuz etkilerini azaltabilmektir. 2. nesil MBR’larda bundan dolayı
biyokütle ve SRT sırasıyla 15,000-20,000 mg/L ve minimum 20 gün olmuştur.
Üçüncü nesil MBR’lardaki ana hedefler membran akısını ve kapasitesini artırabilmek, sistem
SRT ve biyokütleyi azaltabilmek, ve toplam maliyeti optimize edebilmek olmuştur. Artık
üçüncü nesil MBR’larda sadece üretici firmaların değil, arıtma tesisi işletmecileri ve
mühendislik-danışmanlık firmalarının da rolleri artmaya başlamıştır. Daha düşük biyokütle
konsantrasyonları (10,000 mg/L civarı) ile çalışılması permeyt akısını da artırmıştır (Crawford
ve diğerleri, 2000). Azaltılan biyokütle ve SRT (gerekli biyolojik proses kinetiğinin
yakalanması açısından) 3. nesil MRB’ların temel özelliğidir. Ancak bu olumlu değişiklikler
diğer yandan bazı proses ve tasarım olumsuzlukları da meydana getirmiştir. Azaltılan SRT
uzun süreli iç solunum ihtiyacı için gereken enerjiyi (havalandırma bağlamında) gerektirmese
de, daha yakın ve etkin proses kontrolü gerektirip, günlük yük varyasyonlarının etkisi
açısından problemler çıkarabilmektedir. Daha düşük biyokütle ile çalışmak membran ekipman
maliyetini azaltmakta ve pik debileri karşılayabilme kapasitesini artırmaktadır. Ancak aynı
zamanda da gerekli reaktör hacmini ve üretilen atık çamurun hacmini artırmaktadır.
Günümüzde, uygulanan sistem kapasiteleri bağlamında düşündüğümüzde artık 4. nesile
giriyoruz diyebiliriz. Son birkaç yıl içinde inşa edilen veya tasarımı yapılmakta olan
MBR’lara bakıldığında sadece toplam sayının değil, aynı zamanda çok daha büyük skalada
büyük debileri arıtacak MBR’ların oranının da arttığını görmekteyiz. Bunun sonucu olarak
satış pazarının artan bir hızla genişlemesi üretici firma sayısını artırmış ve rekabeti de
geliştirmiştir (Crawford ve diğerleri, 2000).
Tasarım yaklaşımı açısından günümüzdeki tecrübenin geliştirilmesi gereken temel husus
küçük-veya orta-ölçekteki uygulama tecrübelerinden büyük-ölçeğe geçiştir. Örneğin, 3000
471
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
m3/gün debisindeki bir MBR makul sayıda modüler ünitelerle tasarlanabilir. Öte yandan
büyük debiler için tasarımda benzer büyüklükte daha fazla modüler ünite mi, yoksa daha
büyük modüllerin mi kullanılacağı seçilmek zorundadır. Büyük tesisler için şu anda az
tecrübe olmasından dolayı bu seçim kriterleri halen optimize edilmektedir. Etkili temizlik için
sınırlı sayıda büyük modüller tercih edilir. Öte yandan, etkili geri yıkama ve dengeli debi
tasarımı açısından her modülün etkin büyüklüğünde sınırlamalar olabilir. Büyük tesislerdeki
diğer potansiyel bir zorluk da sürekli ve peryodik temizleme mekanizmalarının tasarımıdır.
Küçük tesislerde membran modüllerinin tankdan çıkartılıp, harici olarak temizlenip, tekrar
tanka konumlanması etkili olsa da bu yöntem büyük tesislerde pratik olmayabilir. Dolayısıyla,
büyük tesislerde temizleme yönteminin etkinliği üretici firmalar arasındaki temel rekabet
noktalarından bir tanesidir.
MBR’larda tecrübenin az olduğu diğer bir husus da çamur işleme prosesleriyle ilgilidir. Şu
ana kadarki çoğu küçük ölçekli MBR uygulamaları atık çamurları için aerobik çamur
stabilizasyonu, susuzlaştırma veya stabilizasyon sonrası direk araziye serme işlemini
uygulamıştır. Büyük tesislerde ise fazla miktarlardaki çamurdan dolayı önce çamur
yoğunlaştırma, sonra aerobik veya anaerobik çürütme ve susuzlaştırma kademeleri
gerekmektedir. Şu ana kadar az uygulamadan dolayı MBR çamurlarının yoğunlaştırılabilirliği
ve çamurların aerobik veya anaerobik olarak hızlı stabilizasyonu hakkında yeterli araştırma
çalışması yoktur. MBR çamurları yönetimi için araştırma geliştirme faaliyetleri şu an 4. nesil
MBR’ların temel hususlarından birisidir.
Büyük ölçekli tesislerde diğer önemli tasarım hususu da membran ekipmanı tasarımının yanı
sıra etkin bir biyolojik proses tasarımının da beraber yapılabilmesidir. Bu gereksinim tasarım
kompleksliğini bir miktar daha artırır. Bu açıdan 4. nesil MBR’larda membran üreticilerinin
yanı sıra proje hazırlayıcılarının ve proje sahiplerinin de biyolojik proses tasarımındaki rolü
ve sorumluluğu artacaktır.
2.4
MBR’ların Konvansiyonel Sistemlere Göre Avantajları
MBR’larda biyolojik askıda katı madde (mixed liquor suspended solids, MLSS)
konsantrasyonları 12,000-15,000 mg/L değerlerine kadar ulaştırılabildiği için (konvansiyonel
aktif çamurda MLSS yaklaşık 2,000-4,000 mg/L) arıtma için gerekli hidrolik bekleme süresi
(HRT) konvansiyonel sistemlere göre azdır. Havalandırma havuzlarının hacim dizaynında
HRT temel parametre olduğu için düşük HRT gereksinimi gerekli havuz hacmini düşürüp, ilk
yatırım maliyetini azaltıp, işletme kolaylığı da sağlar. Buna ek olarak arazi gereksinimi de
azalır. Yine konvansiyonel aktif çamur sistemlerine göre MBR’larda son çökeltme tankına
ihtiyaç olmadığı için bu da ilk yatırım ve işletme maliyetini azaltıcı bir etmendir.
MBR’larda yüksek MLSS konsantrasyonlarından dolayı fazla çamur yaşı (SRT) ile işletim
yapılabilir. Yirmi günden fazla SRT ile çalışıldığında çeşitli avantajlar ortaya çıkar.
Bunlardan birincisi artırılmış iç solunumdan dolayı oluşan yeni biyokütle azalır ve bertaraf
edilmesi gereken atık biyokütle miktarının azalması maliyeti düşürür. İkinci olarak, yüksek
SRT değerlerinde nitrifikasyon daha verimli gerçekleşir, ve nitrifikasyonun çeşitli ortam
şartlarından olumsuz etkilenme şansı azalır. Üçüncü avantaj sentetik toksik organik
maddelerin biyolojik ayrişmasını sağlayan özel mikroorganizmaların yüksek SRT
değerlerinde daha etkin çalışmalarıdır. Yine yüksek MLSS konsantrasyonlarında
çalışıldığında sisteme fazla organik yükleme de yapılabilir. Bu yüksek biyokütle
konsantrasyonu aynı zamanda şok toksik yüklemelere karşı da daha dayanıklıdır.
MBR’ların en önemli avantajlarından birisi biyokütle/su ayrımı biyokütlenin çökelebilme
özelliğinden bağımsızdır. Bunun nedeni bu ayrım prosesinin çökeltim prensibi ile değil
fiziksel filtrasyon ile yapılmasıdır. Dolayısıyla, konvansiyonel sistemlerin son çökeltme
havuzu işletiminde çok problem arz eden çökelemeyen biyokütle (filamentli flokların veya
Nocardia türü mikroorganizmaların oluşmasından dolayı) durumu MBR’larda yoktur. Aynı
zamanda, MBR’larda mikrofiltrasyon veya ultrafiltrasyon ile çok küçük gözeneklerle ayrım
yapıldığı için biyokütlenin tamamı tutulur. Buna bağlı olarak deşarj standartlarından birisi
olan toplam askıda katı madde (TSS) MBR’larda genelde çok düşük olur (yaklaşık 1-3 mg/L).
472
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
İyi işletilen konvansiyonel sistemlerde ise bu rakam 10-30 mg/L arasıdır. Filtrasyon sonucu
bulanıklık da MBR’larda düşük değerlere düşer (<0.5 NTU) ve çıkış suyu çok berrak bir
görünüm alır. Bu kaliteli su üretiminden dolayı özellikle ABD’de bu proses ile arıtılan
atıksular geri kazanılmakta ve sulamada (tarımsal, rekreasyon, inşaat alanları, vs), endüstriyel
ve diğer alanlarda (proses suları, yangın söndürme, tuvalet pisuarları, vs) kullanılmaktadır.
Böylece, hem içme suyu kaynakları az kullanılıp korunmuş, hem de arıtılmış atıksular
değerlendirilmiş olur.
MBR’larda işletim sırasında SRT konvansiyonel sistemlere göre çok daha rahat kontrol edilir.
Çünkü son çökeltim tanklarında biyokütlenin bazı durumlarda iyi çökelmemesinden dolayı
savaklardan TSS kaçma durumu MBR’da yoktur. MBR’da biyokütlenin sistemden tek çıkma
noktası nihai bertaraf için atılan atık çamurdur.
MBR’larda fiziksel biyokütle ayrımı yanında aynı zamanda da çok kaliteli bir fiziksel
dezenfeksiyon sağlanmış olur. ABD’de gerek pilot gerekse de gerçek tesislerde MBR’ların
yaklaşık tüm protozoaları giderdiği, 5-6 log (logaritmik, ya da %99.999-%99.9999) bakteri,
ve 1-2 log virüs giderimi sağladığı gözlenmiştir. Klorla dezenfeksiyona dayanıklı olan
patojenik protozoalardan Cryptosporidium ve Giardia da MBR’da rahatlıkla tutulur. Bu
rakamlar yaklaşık membrandaki 0.1 μm gözenek büyüklüğü dikkate alındığında beklenen
rakamlardır. Bu bağlamda düşük bulanıklık yanında çok düşük patojen içerikli arıtılmış su
rahatlıkla zirai sulama amaçlı kullanılabilir. Konvansiyonel sistemlere göre MBR’la arıtılmış
atıksu çevre sağlığı ve mikrobiyal içerik yönünden çok daha güvenlidir. ABD’deki
standartlara göre MBR’la arıtılmış atıksular son bir dezenfeksiyon yapmak koşuluyla (geri
kalan virüsleri bertaraf etmek ve sonradan oluşabilecek mikrobiyal büyümeyi engellemek
için) direk tarımsal sulamada kullanılabilir. Bu standartlar değişik tarım ürünleri ve kullanım
alanları için farklı olarak hazırlanmıştır (USEPA, 1992; California DHS, 2000).
2.5
MBR’ların Genel Dezavantajları
MBR’da arıtma prosesi tek bir havuzda gerçekleştiği için sistem mekanik ve kontrol açıdan
konvansiyonel sistemlere göre daha kompleksdir. Ancak %100 otomasyon sayesinde işletim
kolaylaşır.
İşletim sırasında zamanla membran gözenekleri tıkanır ve arıtılmış su akışı azalır, bunu
engellemek için belirli aralıklarda basınçlı hava/su ve kimyasallarla (sitrik asit ve sodyum
hipoklorür) gözenekler temizlenir. Tüm bu temizlik işlemi otomatik yapılır. Ancak bu
kimyasallar için az hacimlerde de olsa biriktirme amacıyla depolama tankları gerekir.
Membranların tıkanması ve temizleme metodları ileride ayrı bir kısımda tartışılmıştır.
2.6
MBR’larda Çıkış Suyu Kalitesi
Tablo 4’de evsel atıksular için tipik MBR çıkış suyu kaliteleri verilmiştir.
Görüleceği üzere çıkış suyu kalitesi konvansiyonel biyolojik arıtım sistemlerinden çok daha
üstündür. Elde edilen bulanıklık değerlerinin 0.5 NTU’dan düşük olduğu düşünüldüğünde
üretilen suyun ne kadar berrrak olduğu tasavvur edilebilir. Yine konvansiyonel sistemlerde
30-50 mg/L’den az elde edilemeyen BOI and TSS, MBR çıkış sularında 2.0 mg/L’den
düşüktür. Bu da üretilen suyun organik stabilite ve partiküller açısından ne kadar kaliteli
olduğunu gösterir. Önceden bahsedildiği gibi MBR’larda fiziksel biyokütle ayrımı yanında
aynı zamanda da çok kaliteli bir fiziksel dezenfeksiyon sağlanmış olur. ABD’de gerek pilot
gerekse de gerçek tesislerde MBR’ların yaklaşık tüm protozoaları giderdiği, 5-6 log
(logaritmik, ya da %99.999-%99.9999) bakteri, ve 1-2 log virüs giderimi sağladığı
gözlenmiştir. Klorla dezenfeksiyona dayanıklı olan patojenik protozoalardan Cryptosporidium
ve Giardia da MBR’da rahatlıkla tutulur. Bu rakamlar yaklaşık membrandaki 0.1 μm gözenek
büyüklüğü dikkate alındığında beklenen rakamlardır.
473
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
Tablo 4. Evsel atıksuları arıtan MBR’larda tipik çıkış suyu kaliteleri.
Parametre
Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOI)
Toplam askıda katı madde (TSS)
NH3-N
Toplam fosfor (TP)
Toplam azot (TN)
Toplam azot (TN)
Silt yoğunluk indeksi (SDI)
Bulanıklık
Mikrobiyolojik:
Bakteriler
Virüsler
Protozoalar (Cryptosporidium ve
Giardia)
2.7
Tipik Değerler
< 2.0 mg/L
< 2.0 mg/L
< 1.0 mg/L (nitrifiye eden tesislerde)
< 0.1 mg/L (biyolojik olarak ya da kimyasal
olarak alum katkısıyla)
< 10 mg/L (orta sıcaklıktaki iklimlerde)
< 3.0 mg/L (sıcak iklimlerde)
< 3.0
< 0.5 NTU
5-6 log giderim
1-2 log giderim
tam giderim
MBR ve Konvansiyonel Sistemlerde İşletim Parametrelerinin Karşılaştırılması
Organik yükleme hızları ve giderim verimleri açısından MBR ve diğer konvansiyonel
sistemlerin karşılaştırılması Tablo 5’de verilmiştir. Tablodan görüleceği üzere MBR’lar diğer
sistemlerle etkili bir şekilde rekabet edebilmektedir. MBR’larda organik yükleme hızları
genellikle damlatmalı filtrelerden, kademeli kesikli ve konvansiyonel aktif çamurdan düşük
HRT’lerden dolayı daha fazladır. Diğer yandan MBR’larda organik yükleme hızları biyolojik
havalandırmalı filtrelerden, tam karışımlı ve yüksek hızlı havalandırmalı aktif çamur
proseslerinden daha azdır.
Tablo 5. Değişik arıtma prosesleri için organik yükleme hızları (Gander ve diğerleri, 2000).
Organik Yükleme Hızı
(kg BOD5/m3-gün)
HRT
(saat)
Giderim
Yüzdesi
BAF:
Aşağı akışlı
Aşağı akışlı
Yukarı akımlı
1.5 (COD)
7.5
4
1.3
-
93
75
>93
TF:
Düşük hızlı
Orta hızlı
Yüksek hızlı
0.08-0.4
0.24-0.48
0.48-0.96
-
80-90
50-70
65-85
0.08-0.24
0.32-0.64
0.8-1.92
1.6-16
12-50
4-8
3-5
2-4
85-95
85-95
85-95
75-90
Reaktör
ASP:
Kademeli kesikli
Konvansiyonel
Tam karışımlı
Yüksek hızlı
havalandırmalı
474
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
MBR:
Batık: Düz tabakalı
(Kubota)
Gözenekli fiber
(Tech Sep)
Düz tabakalı
Gözenekli fiber
0.39-0.7
0.03-0.06
0.005-0.11
1.5 (COD)
0.18
0.45-1.5 (COD)
Emre TOKCAER
7.6
1
8
0.5
24-95
8
99
98-99
98
87-95
88-95
BAF: Biyolojik havalandırmalı filtre; TF: Damlatmalı filtre; ASP: Aktif çamur prosesi.
Tablo 6’da MBR ve diğer biyolojik sistemlerde tipik çamur üretimleri karşılaştırılmıştır.
MBR’lar yüksek SRT değerlerine ulaşabildiklerinden çamur üretimleri konvansiyonel aktif
çamura göre ciddi derecede azdır (Mayhew and Stephenson, 1997). Çamur işleme ve bertarafı
toplam arıtma işletim maliyetinin önemli bir kısmını oluşturduğu için bu yönden az çamur
üretimi MBR’lar açısından avantajdır.
Tablo 6. Değişik arıtma prosesleri için çamur üretimleri (Mayhew ve Stephenson,1997).
Arıtma prosesi
Çamur üretimi (kg/kgBOI)
Batık tip MBR
Düzenli medya biyolojik havalandırmalı filtre
Damlatmalı filtre
Konvansiyonel aktif çamur
Granüler medya biyolojik havalandırmalı filtre
0.0-0.3
0.15-0.25
0.3-0.5
0.6
0.63-1.06
2.8
Membran Kirlenmesi/Tıkanması
MBR’larda membranların işletim sırasında tıkanması MBR’ların hem kentsel hem de
endüstriyel atıksu arıtımında daha yaygın uygulanmalarındaki en önemli engellerden biri
olarak karşımıza çıkmaktadır. Membranlardaki tıkanma membran permeabilitesini
sınırlandırır. Diğer bir deyimle, birim transmembran basıncına karşılık membrandan geçen
akının, dolayısıyla da, birim membran alanı başına sistem arıtılmış temiz su üretiminin
azalmasına neden olur (Chang ve diğerleri, 2001; Cho ve Fane, 2002; Judd, 2001; Stephenson
ve diğerleri, 2002; Water Environment Federation, 2001). Partiküler madde veya mikrobiyal
giderim için tasarlanmış membranlarda tıkanma materyallerin membran yüzeyinde veya
membrane porlarında birikimi sonucu oluşur. Azalmış permeyt akısının mekanik veya
kimyasal yöntemlerle tekrar artırılabildiği türdeki tıkanmalar ‘geri dönüşümlü’ tıkanmalar
olarak adlandırılır. Öte yandan, ‘geri dönüşümsüz’ tıkanmalarda ise azalan permeyt akısı
tekrar orjinal miktarlara yükseltilemez (ZENON Env. Inc, 2002).
MBR’lardaki membran tıkanmaları fiziksel, inorganik, organik, veya biyolojik kökenli
olabilir. Fiziksel tıkanma membran gözeneklerinin kolloidal taneciklerle tıkanması ile
ilgilidir. Böylece membran yüzeyinin belli bir kısmı kaplanıp etkisiz hale gelir. İnorganik ve
organik tıkanma genellikle sırasıyla tortu oluşturuculara ve makromoleküllere bağlıdır.
Literatürde tortu oluşturucular yüzünden meydana gelen inorganik tıkanma üzerine birkaç
bilimsel çalışma olsa da, genelde, MBR’larda tortu oluşumunun ancak bazı endüstriyel
atıksuların arıtımında önemli olabileceği düşünülebilir (Judd, 2001). MBR’lardaki inorganik
tıkanmanın daha çok anaerobik sistemlerde (sütrivitden dolayı) söz konusu olduğu tespit
edilmiştir (Choo ve Lee, 1996; Yoon ve diğerleri, 1999; Judd, 2001). Konvansiyonel aerobik
proseslerde mikrofiltrasyon membranlarının kalsiyum karbonat tortusu ile tıkanması, hem düz
tabakalı hem de gözenekli fiber MBR’larda gözlenmiştir. Bu tür tortuların kontrolü ve
giderimi oldukça zordur. Tortu kontrolü için asit dozlama çok tercih edilmeyebilir, çünkü pH
ayarlaması sistem mikrobiyolojisine zarar verip, hücre dışı polimerik makromoleküllerin
oluşmasını artırabilir. Presipitasyon yöntemi de problemlidir çünkü atıksu karakteristiğindeki
475
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
varyasyonlar, kimyasal heterojenlik, ve kalsiyum karbonat tortusunun kompleks kimyasal
doğası hepsi birden kimyasal dozlama kontrolünü ve optimizasyonunu zorlaştırır. Aslında
tortu tıkanmaları için kabul edilmiş stratejiler henüz yoktur. Pratik çözümler membranların
sistemden çıkartılıp harici olarak asitle temizlenmesi, ya da giriş suyundaki tortu oluşturma
potansiyelini tespit edip önceki arıtma prosesleriyle bu problemin çözülmesidir.
MBR’lardaki organik ve biyolojik tıkanma inorganik tıkanmanın aksine daha fazla çalışılıp
karakterize edilmiştir. Membran sistemlerinde gerçekleşen tıkanmaların hemen hemen
yarısının biyofilmlerden kaynaklandığı tahmin edilmektedir. Aslında biyofilmlerin canlı
kalabilmeleri için çok az miktarlarda nutriyente ihtiyaç duymaları sonucu bunlar ultra saf su
sistemlerinde bile varlıklarını sürdürebilirler. Biyofilmler membranların 8-18 g/L’lik
biyokütle konsantrasyonları ile temas halinde olduğu yüzeylerinde kolayca oluşabilirler
(Chang ve diğerleri, 2001; Judd, 2001). Diğer taraftan ise membran yüzeylerinde oluşan
biyofilmler özellikle batık proseslerde membranları koruyabilirler. Bunun nedeni biyofilmler
membranın kendisine göre daha çok seçici olup daha geniş bir spektrumdaki kirleticilerin
membrandan geçişini engellerler.
Mikroorganizmalar tarafından üretilen hücre dışı polimerik makromoleküllerin (EPS)
membranların organik tıkanmasından sorumlu olduğu genel olarak kabul edilir. EPS’ler
membranı hem yüzeyden hem de içeriden tıkayabilen çözünebilir ve kolloidal
makromolekülerden oluşur.
Tıkanma üzerine etkili olan dört ana faktör vardır (Judd, 2001; Chang ve diğerleri,
2001,2002):
•
•
•
•
proses konfigürasyonu
membran materyali ve konfigürasyonu (geometrisi)
proses işletimi (sistem hidrodinamiği)
biyokütle konsantrasyonu ve kompozisyonu
Şekil 6’da MBR’larda tıkanmayı etkileyen faktörler şematik olarak gösterilmiştir. Genel
olarak proses performansı ana kirleticilerin giderimi ve enerji talebi ile belirlenir. Tıkanma,
membranın hidrolik performansını (permeabilite) düşürerek enerji masraflarını direk olarak
etkiler. Ana kirleticilerin gideriminde ise fazla etkisi yoktur.
T ı k a n m a y ı E t k ile y e n F a k t ö r le r
M em b ran
B i y o k ü t le
İ ş le t m e Ş a r t l a r ı
K o n fi g ü r a s y o n
M LSS
M a te rya l
EPS
Ç a p r a z a k ış h ı z ı
H id r o f o b is it e
F l o k y a p ıs ı
H a v a l a n d ır m a
P o r o z i te
Ç özünm üş
m a d d e le r
H R T /S R T
P o r b ü y ü k lü ğ ü
F lo k b ü y ü k lü ğ ü
TM P
K o n fi g ü r a s y o n
Şekil 6. MBR’larda tıkanmayı etkileyen faktörler (Chang ve diğerleri, 2002; Judd, 2001).
476
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
Birçok diğer membranlarda olduğu gibi, MBR’larda kullanılan membranlardaki polimerlerin
yüzeyleri yeterli derecede hidrofilik olacak şekilde üretilir. Bu da hidrofobik maddelerin
(proteinler gibi) yüzeyde birikip tıkanma yapmasını azaltır. Gerçek tesis verilerine göre farklı
konfigürasyondaki MBR’larda tıkanma eğilimi de farklıdır (Judd, 2001). Bu farklılık daha
çok sistem hidrodinamiğine bağlıdır. Örneğin, gözenekli fiber tip MBR’larda yaklaşık her 10
dakikada bir periyodik geri yıkama gerekip, aynı zamanda da düz tabakalı tiplere göre daha
sık kimyasal temizleme uygulanır.
Tüm membran proseslerinde olduğu gibi MBR’larda da tıkanma akı arttıkça artar. Dolayısıyla
uygun bir işletim akısı seçerken, gerekli membran yüzey alanını minimize etmek ile (diğer bir
deyimle ilk yatırım maliyetini) geri yıkama ve temizleme için sistemin devre dışı bırakılması
(işletim maliyetini artırır) arasında hassas bir denge vardır. Bunun nedeni fazla akı ile
çalışıldığında daha az membran alanı gerekir, öte yandan tıkanma daha çabuk olup, daha sık
geri yıkama ve temizleme gerekir. Bu da birim zamanda üretilen arıtılmış su miktarını azaltır.
Bazı batık MBR’lar, özellikle düz tabakalı ve tübular tipdekiler, geri yıkamayı
gerektirmeyecek derecede düşük akılarda çalışabilirler. Bu operasyona ‘sub-kritik akı’ denir.
Kritik akı ise sürdürülebilir membran permeabilitesindeki (sabit akı ve transmembran basıncı,
TMP) operasyon limitini temsil eder. Kritik akının üzerindeki operasyonlar TMP’yi artırıp,
peryodik geri yıkama ve/veya temizleme gerektirir. Geri yıkanabilir gözenekli fiber tipler için,
kritik akının üzerinde nispeten kısa devirlerde çalışmak daha ekonomiktir. Geri yıkanamayan
düz tabakalı tipler için ise kritik akının altında çalışmak zaruridir. Her tip için kritik akıyı
artırabilmek maliyet açısından yararlıdır. Buna da sadece sistem hidrodinamiği iyileştirilerek
ulaşılır (Judd, 2001,2002b).
Biyokütledeki hem partiküller hem de çözünmüş polimerler tıkanmaya sebep olurlar.
Biyokütle miktarının permeabiliteye olan etkisine göre genelde resistans (1/permeabilite) ile
MLSS arasında doğrusal veya doğrusala yakın ilişki vardır (Shimizu ve diğerleri, 1993;
Chang ve diğerleri, 2001). Harici MBR’larda pompajın partikül büyüklük dağılımına (Çiçek
ve diğerleri, 1999a,b; Wisniewski ve diğerleri, 2000; Kim ve diğerleri, 2001) ve EPS
miktarlarına (Chang ve diğerleri, 2002) olan etkileri tespit edilmiştir. Pompaj sırasında
yırtma-sürtünme kuvvetlerinden dolayı flokların kırılmasıyla ortama salınan EPS’lerin daha
da fazla tıkanmaya sebep olmasıyla, harici MBR’lardaki düşük permeabilite daha da fazla
düşebilir. Ancak EPS miktarları ve permeabilite arasında yeteri kadar ya da tutarlı bağıntılar
ya da empirik korelasyonlar literatürde mevcut değildir.
Atıksudaki çözünmüş maddeler kısmının tıkanmaya ciddi oranda yardım ettiği ortaya
çıkmaktadır (Wisniewski ve Grasmik, 1998; Defrance ve diğerleri, 2000). Belki de bu tür
maddeler kalıcı sub-kritik adsorptif tıkanmadan sorumlu olabilir.
2.9
Membranların Temizliği
MBR sistemi üretici ve tasarımcıları rutin membran bakımını ve tıkanmayı önleyici ve kontrol
edici metodları tasarımda dikkate almak zorundadırlar. Batık MBR’larda tıkanmayı önleyici
birçok metod kullanılır. Bazı sistemlerde membranlar otomatik düzende, üretilen süzüntü
kullanılarak, her 10-15 dakikada bir, düzenli olarak geri yıkanırlar. Bu işlemle tıkanan porlar
temizlenmeye çalışılır. Buradaki hedef kirlilik membranlara gevşek olarak tutunmuş
materyallerdir. Geri yıkama prosesinde, önce yıkanacak modüldeki arıtım durdurulur, sonra
basınçla bu sefer dıştan içe doğru (diğer bir deyimle akış yönü değiştirilir) membranlara
saniyeler mertebesinde (yaklaşık 10-20 sn) kademeli olarak su basılır. Burada kullanılan su
ayrı tanklarda bu amaç için biriktirilen sistem süzüntüdür. Dolayısıyla, birinci temizleme
metodu olan bu geri yıkamada her 10-15 dakikada bir üretim durdurulup, toplam yaklaşık 1
dakikalık bir geri yıkama ile zaman kaybı olur. Her üretici firmanın kendine özgü geri yıkama
metodu olsa da ana hatlarıyla metodlar benzerdir.
Birinci temizleme metodunun yanı sıra, tıkanma derecesinin artıp sabit akı üretimi için
gereken TMP’nin arttığı durumlarda, ikinci temizleme metodu olarak (genellikle 3-7 gün’de
bir) kimyasalların eklendiği basınçlı süzüntü ile geri yıkama yapılır. Sitrik asit (pH düşürüp
tortuları çözmek için) ve sodyum hipoklorür (organik veya mikrobiyolojik filmleri
477
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
parçalamak için) bu amaç için kullanılır. Bu temizlik yine otomatik gerçekleşip, birinci tur
geri yıkamaya göre daha uzun sürede uygulanır (yaklaşık 30 saniyelik pulslardan 5-10 tane
uygulanır ve membranlar bu pulslar arasında 1-2 dakika dinlendirilir). Kullanılan dozlar
yaklaşık 250 mg/L klor ve 2,000 mg/L sitrik asit şeklindedir. Bu temizleme peryotu boyunca
temizlenen membran modülü 30-45 dakika servis dışı kalır.
İkinci temizleme metodu da yetersiz kalıp sabit akı süzüntü üretimi için gerekli TMP artmaya
devam ederse üçüncü tür temizleme metodu uygulanır. Bu uygulamada membran tankı servis
dışına alınıp tank boşaltılır, membranlar ikinci temizlemede uygulanan kimyasal dozlardan
daha yüksek dozlar içeren sitrik asitli ve sodyum hipoklorürlü süzüntü pulslarıyla yıkanır,
daha sonra tank bu yüksek dozlu kimyasalları içeren süzüntü ile doldurulup membranlar batık
halde 10 saat civarı beklenir. Bekleme sonunda düşük pH’lı bu temizleme suyunu nötralize
etmek için sodyum hidroksit tanka basılır, tank boşaltılır, ve bu su nihai bertaraf için atılır,
veya tesis girişine geri gönderilir. Bu en yoğun temizleme metodudur ve prosese ve atıksu
karakterine bağlı olarak yılda birkaç kez tekrarlanabilir. Küçük tesislerde, membranları kendi
tankında bu kimyasallara batırmak yerine, membran kasetleri tankın üzerindeki hareketli vinç
ile kaldırılıp, ayrı bir küçük bir tanka konulup, burada bu kimyasallara temizleme yapılabilir.
Ancak büyük tesislerde bu işlem işletme ve personel açısından pratik olmayıp orjinal tankda
temizleme daha uygundur.
Büyük tesislerde bakım ve temizleme yapılsa bile tesis sürekli devrede kalabilmelidirler. Bu
gereksinimi sağlamak için tanklar konvansiyonel hızlı kum filtre yapılarına benzer biçimde
bir dizi hücrelere bölünebilir. Her tankı hücrelere bölmekle membranları tankdan çıkarmadan
yerlerinde temizlemek, ve tüm tankı servis dışına çıkarmadan temizlik işlemini yapmak
mümkün olur. Böyle bir düzenleme yararlı olabilirken, sistem tasarımı karmaşıklaşır.
Örneğin, boru ve ekipman tesisatları tanklardaki farklı hücrelerin kontrolüne ve işletimine
uygun olmalıdır ve hücrelerin izolasyonu, boşaltımı, ve tekrar doldurulması için gerekli
mekanik tasarımların yapılması gerekir.
2.10 Maliyet
ABD’de inşa edilen MBR proseslerindeki maliyet hesabı tecrübelerine dayanarak yaklaşık 1
milyon galon-günlük (MGD, veya 3,780 m3/gün) debi için ilk yatırım maliyeti (tüm elektrik
ve mekanik aksam ve tank inşaası dahil) yaklaşık 1,700,000 US$’dır (Referans: City of
Redlands, California, ABD, Water Reclamation Facility Construction, designed by Carollo
Engineers and CH2MHILL, ABD). Membran üretici firmaları membran kasetleri için 5 yıl
civarı garanti vermektedirler. Temel işletim ve bakım masrafları elektrik ve kimyasallardır.
3.
SONUÇLAR
Membran bioreaktörleri atıksu arıtımında sıvı/katı ayrımının düşük-basınçlı membran
filtrasyon konseptiyle yapıldığı askıda büyümeli biyolojik arıtma sistemleridir. Son 5-10 yıl
içinde polimer endüstrisindeki hızlı gelişmeler ve membran maliyetlerindeki azalmalar
neticesinde, MBR’lar ekponansiyel bir artışla özellikle gelişmiş batı ülkelerinde atıksu arıtımı
ve geri kazanımında uygulanmaya başlanmıştır. Atıksuların geri kullanımı ile hem tatlı su
kaynaklarının tüketimi azaltılmakta hem de deşarj edilen arıtılmış atıksuların çevresel etkileri
en aza indirilebilmektedir. Ürettiği içme suyu kalitesine yakın arıtılmış su ile MBR’lar sadece
zirai sulama için değil diğer birçok geri kullanım alanları için de uygulanabilir.
MBR’ların konvansiyonel aktif çamura göre birçok avantajı mevcuttur. MBR’lardaki yüksek
MLSS konsantrasyonundan dolayı gerekli hidrolik bekleme süresi azdır; bu da küçük reaktör
hacmi ve ilk yatırım maliyetinde azalma anlamına gelir. Biyokütle ayrımı mikro- veya
ultrafiltrasyon ile gerçekleştiği için aktif çamurun çökelebilme özelliğinden bağımsızdır; diğer
bir deyimle son çökeltime ihtiyaç olmayıp çamur şişmesi, filamentli büyüme gibi çökeltim
problemleri söz konusu olamaz. Yüksek MLSS konsantrasyonlarından dolayı sisteme fazla
organik yükleme yapılabilir. MBR’larda nitrifikasyon veya toksik organikler bağlamındaki
işletme problemleriyle daha az karşılaşılır çünkü MBR’larda konvansiyonel aktif çamura göre
478
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
daha fazla çamur yaşı (SRT) ile çalışılabilir. Yüksek SRT değerleri oluşan biyokütle miktarını
da azaltır. MBR’lar mükemmel bir fiziksel dezenfeksiyon sağlar. Çünkü biyolojik olarak
arıtılmış su aynı tank içinde batık mikrofiltrasyon (gözenek çapı yaklaşık 0.1-1 µm) veya
ultrafiltrasyon (gözenek çapı yaklaşık 0.01-0.1 µm) membranlarıyla vakum ile çekilip hemen
hemen tüm protozoa ve bakteri (5-6 log giderim), ve 1-2 log virüs giderimi sağlanır. MBR
prosesi biyolojik nutriyent giderimi için de uygundur.
Bahsedilen avantajlar ve özellikle mikrofiltrasyon/ultrafiltrasyondan dolayı MBR’larda çıkış
suyu kalitesi konvansiyonel aktif çamur sistemlerinden çok daha iyidir. MBR’larda elde
edilen tipik çıkış suyu değerleri: BOİ < 2.0 mg/L; AKM < 2.0 mg/L; NH3-N < 1.0 mg/L
(nitrifiye eden MBR’larda); toplam fosfor < 0.1 mg/L (anaerobik zon eklenmesi ile); toplam
azot < 3-10 mg/L (anoksik zon eklenmesi ile: denitrifikasyon); bulanıklık < 0.5 NTU.
MBR’da arıtma prosesi tek bir havuzda gerçekleştiği için sistem mekanik ve kontrol açıdan
konvansiyonel sistemlere göre daha kompleksdir. Ancak, %100 otomasyon sayesinde işletim
kolaylaşır. İşletim sırasında zamanla membran gözenekleri tıkanır ve arıtılmış su çekimi (akı)
azalır, bunu engellemek için belirli aralıklarda basınçlı hava/su ve kimyasallarla gözenekler
temizlenir. Tüm bu temizlik işlemi otomatik yapılır.
ABD’de inşa edilen MBR proseslerindeki maliyet hesabı tecrübelerine dayanarak yaklaşık 1
milyon galon-günlük (MGD, veya 3,780 m3/gün) debi için ilk yatırım maliyeti (tüm elektrik
ve mekanik aksam ve tank inşaası dahil) yaklaşık 1,700,000 US$’dır. Membran üretici
firmaları membran kasetleri için 5 yıl civarı garanti vermektedirler. Temel işletim ve bakım
masrafları elektrik ve kimyasallardır.
4.
REFERANSLAR
Adham, S. and Gagliardo, P. (1998) Membrane Bioreactors for Water Repurification – Phase
I. Desalination Research and Development Program Report No. 34, U.S Department of
Interior, Bureau of Reclamation, USA.
California Department of Health Services (2000) Title 22 of the California Code of
Regulations, www.dhs.ca.gov, USA.
Chang, I.S., Bag, S.O. and Lee, C.H. (2001) “Effects of Membrane Fouling on Solute
Rejection during Membrane Filtration of Activated Sludge”, Process Biochemistry, 36/89:855-860.
Chang, I.S., Le-Clech, P., Jefferson, B., and Judd, S.J. (2002) “Membrane Fouling in
Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment”, Environ. Eng. Sci., 128/11:1018-1029.
Cho, B.D. and Fane, A.G. (2002) “Fouling Transients in Nominally Sub-critical Flux
Operation of a Membrane Bioreactor”, J. of Membrane Science, 209:391-403.
Choo, K.H. and Lee, C.H. (1996) “Effect of Anaerobic Digestion Broth Composition on
Membrane Permeability”, Water Science and Technology, 34:173-179.
Cicek, N., Franco, J.P., Suidan, M.T., Urbain, V., and Manem, J. (1999a) “Characterization
and Comparison of a Membrane Bioreactor and a Conventional Activated Sludge System in
the Treatment of Wastewater Containing High Molecular Weight Compounds”, Water
Environment Research, 71:64-70.
Cicek, N., Dionysiou, D., Suidan, M.T., Ginestet, P., Audic, J.M. (1999b) “Performance
Deterioration and Structural Changes of a Ceramic Membrane Bioreactor due to Inorganic
Abrasion”, J. of Membrane Science, 163:19-28.
Crawford, G., Thompson, D., Lozier, J., Daigger, G., and Fleischer, E. (2000) “Membrane
Bioreactors – A Designer’s Perspective”, Proceedings of the Water Environment Federation
Technical Symposia, Anaheim, California, USA.
479
Anaerobik Çürütme Çamuru ile Pb(II) Giderimi
Emre TOKCAER
Defrance, L., Jaffrin, M.Y., Gupta, B., Paullier, P., and Geaugey V. (2000) “Contribution of
Various Constituents of Activated Sludge to Membrane Bioreactor Fouling”, Bioresource
Technology, 73:105-112.
Gander, M., Jefferson, B. and Judd, S. (2000) “Aerobic MBRs for Domestic Wastewater
Treatment: A Review with Cost Considerations”, Separation and Purification, 18:119-130.
Judd S.J. (2001) “A Review of Fouling of Membrane Bioreactors in Sewage Treatment”,
School of Water Sciences, Cranfield University, UK.
Judd S.J. (2002a) “The Development of the Membrane Bioreactor Technology for Sewage
Treatment in the UK”, School of Water Sciences, Cranfield University, UK.
Judd S.J. (2002b) “Submerged Membrane Bioreactors: Flat Plate or Hollow Fibre?”,
Filtration and Separation, 39/5:30-31.
Kim, J.S., Lee, C.H. and Chang, I.S. (2001) “Effect of Pump Shear on the Performance of a
Crossflow Membrane Bioreactor”, Water Research, 35/9:2137-2144.
Mayhew, M. and Stephenson, T. (1997) “Low Biomass Yield Activated Sludge: A Review”,
Environmental Technology, 18:883-886.
Shimizu Y., Shimodera, K.I. and Watanabe, A. (1993) “Crossflow Microfiltration of Bacterial
Cells”, J. Fermentation and Bioengineering, 76:493-500.
Stephenson, T., Brindle, K., Judd, S., and Jefferson, B. (2000) Membrane Bioreactors for
Wastewater Treatment, ISBN 1-900222-07-8, IWA Publishing, UK.
U.S. Environmental Protection Agency (USEPA) (1992) Guidelines for Water Reuse,
Washington, DC, USA.
Van der Roest, H.F., Lawrence, D.P., and Van Bentem, A.G.N. (2002) Membrane Bioreactors
for Municipal Wastewater Treatment, ISBN 1843390116, IWA Publishing, UK.
Water Environment Federation (2001) Membrane Bioreactors: Feasibility and Use in Water
Reclamation, ISBN 1-893664-36-8, Water Environment Research Foundation (WERF), USA.
Wisniewski, C. and Grasmick, A. (1998) “Floc Size Distribution in a Membrane Bioreactor
and Consequences for Membrane Fouling”, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and
Engineering Aspects, 138:403-411.
Wisniewski, C., Grasmick, A. and Leon Cruz, A. (2000) “Critical Particle Size in Membrane
Bioreactors- Case of a Denitrifying Bacterial Suspension” J. of Membrane Science, 178:141150.
Yoon, S.H., Kang, I.J. and Lee, C.H. (1999) “Fouling of Inorganic Membrane and Flux
Enhancement in Membrane- Coupled Anaerobic Reactor”, Separation Science and
Technology, 35/5:709-724.
ZENON Environmental Inc. (2002) www.zenon.com, Oakville, Ontario, Kanada.
480