Hücre Dışı Polimerik Maddelerin Membran Kirliliğine Etkileri

Abstract

Atıksu arıtımında kullanılan membran biyoreaktör (MBR) teknolojisi geleneksel arıtma yöntemine göre pek çok avantaj sunmaktadır. Bunlar arasında arıtma prosesinin yoğunlaştırılarak gerekli tesis alanının önemli oranda azalması, biyokütlenin çıkış akımından tamamen ayrılarak iyi kalitede çıkış suyu ve dezenfeksiyon sağlanması gibi önemli avantajlar sayılabilir. Ancak bu teknolojinin membran kirlenmesi gibi önemli bir dezavantajı bulunmaktadır. Kullanılan membranlar çeşitli koşullara bağlı olarak kirlilikten dolayı bir süre sonra performanslarını kaybederler. Bu durum arıtılmış su üretiminin düşmesine, prosesin kesintiye uğramasına ve işletme maliyetinin artmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla membranların belirli periyotlarla fiziksel ve kimyasal olarak temizlenmesi gerekmektedir. Membran kirlenmesi üzerinde etkili ölçülebilen ve ölçülemeyen pek çok parametre rol oynadığından membran biyoreaktörlerindeki membran kirlenmesi olayı oldukça karmaşık bir olaydır. Literatürde membran kirlenmesinin sebepleri araştırıldığında ilk göze çarpan şey parametrelerin etkisi konusundaki birbiriyle çelişen bulgulardır. Olayın karmaşıklığından dolayı bu bir yere kadar normaldir. Ancak bunun bir kısmı da yanlış deney tasarımından ve kontrolsüz deney koşullarından ileri gelmektedir. Örneğin biyokütle konsantrasyonunu arttırıp hava sıyırmasını sabit tutmak, çözünmüş oksijen konsantrasyonu veya sıcaklıkta çok büyük değişimlere izin vermek vs. gibi kirlenmeyi etkileyebilecek diğer kontrol edilebilir parametreleri göz ardı etmek elde edilen sonuçların açıklayıcı olmasında bir hayli problem teşkil etmektedir. MBR’daki membran kirlenmesinin ana nedenleri üç başlık altında toplanabilir: Aktif çamur özellikleri, işletme koşulları ve membran özellikleri. Membran kirliliğini etkileyen aktif çamur özellikleri arasında biyokütle konsantrasyonu, susuzlaştırma özellikleri ve viskozite, mikrobiyolojik özellikler, mikrobiyal polimerik madde konsantrasyonu ve partikül boyut dağılımı sayılabilir. Membran kirlenmesinde etkili işletme koşulları çamur yaşı (SRT) (veya Besin/Mikroorganizma (F/M) oranı), hacimsel organik yükleme hızı (OLR), akı, hidrolik bekletme süresi (HRT), çözünmüş oksijen (DO), sıcaklık ve havalandırma hızı olarak sayılabilir. Pek çok çalışmada bir veya birkaç özelliği birbirinden farklı olan membranlar kullanılmıştır. Örneğin hem membran malzemesi hem de gözenek çapı birbirinden farklı membran aynı çalışmada kullanılıp kirlenme özellikleri birbiriyle karşılaştırılmıştır. Bu özellikleri birbirinden tamamen ayırıp değerlendirmek mümkün değildir. Ancak membran kirliliğini etkileyen membran özellikleri membran malzemesi, gözenek çapı ve hidrofobisite olarak sıralanabilir. Membran kirliliği konusunda üzerinde en çok çalışılan parametrelerden biri mikrobiyal polimerik maddelerdir. Hücredışı mikrobiyal polimerik maddeler (SMP ve EPS, kısaca MPS) polisakkarit, protein, nükleik asit, (phospho)lipid ve mikrobiyal kütlelerin (aggregates) boşluklarında bulunan diğer polimerik bileşiklerden oluşan mikrobiyal orjinli biyopolimerlerden oluşmaktadır. Bunlar mikrobiyal kütleleri bir arada tutan kohezif kuvvetleri meydana getirirler. Bunların diğer fonksiyonları arasında yüzeylere bağlanmayı (adhesion) sağlama, biyofilm yapısının stabilizasyonun korunması, biyosit ve diğer zararlı etkilere karşı koruma sağlayan koruyucu tabakanın oluşumu, suyun tutulması, besin biriktirmek için çevreden organik maddelerin alınması (sorption) ve dışardaki makromolekülleri parçalayan enzimatik aktivitelerin gerçekleştirilmesi sayılabilir. MPSler aktif çamur süspansiyonunda bulundukları yere, boyutlarına veya oluşum şartlarına göre soluble microbial products (SMP)/extracellular polymeric substances, (EPS), biopolymer clusters (BPC), utilization associated by-products (UAP)/biomass associated products (BAP) vb. alt kategorilere ayrılmıştır. MBR’lardaki membran kirlenmesinin mikrobiyal polimerik madde (MPS) ile ilişkisi araştırılırken daha çok MPS oluşum/giderimini etkileyen faktörler incelenmiştir. Bu faktörleri SRT (veya F/M oranı), HRT – flux – OLR, pH – sıcaklık – diğer stress koşulları, havalandırma yoğunluğu/DO konsantrasyonu, flokülasyon – koagülasyon – adsorpsiyon eklentileri, mikrobiyal yapı, giriş atıksu bileşimi, nütriyent seviyesi (büyüme fazı) ve reaktör tipi – konfigürasyonu şeklinde özetlenebilir. Bu çalışmada atıksu arıtımında kullanılan membran biyoreaktörlerdeki membran kirliliği konusunda üzerinde en çok tartışılan mikrobiyal polimerik maddelerin membran kirliliği üzerindeki etkisi incelenmiştir. Çalışma kapsamında laboratuvar ölçekli batık bir membran biyoreaktör düzeneği kurulmuştur. Sistem düz tabakalı 0.2 µm luk mikrofiltrasyon membranlardan oluşan ve sentetik evsel atıksu ile beslenen sürekli bir sistemdir. Literatürdeki membran kirliliği araştırmalarının çoğu aktif çamur süspansiyonunda yapılan gözlemler ile ilgilidir. Yapılan bu çalışmalarda membran kirliliği aktif çamur bileşimindeki değişiklere göre yorumlanmaya çalışılmıştır. Bu çalışmada ise daha çok membranın kendisi üzerine yoğunlaşılmıştır. Kontrollü şartlar altında membran biyoreaktöre daldırılan küçük membran modülleri farklı filtrasyon sürelerinde çalıştırılmıştır. Kirlenmiş membranlarda biriken MPSler üç aşamada ekstrakte edilmiştir. Birinci aşamada membran üzerinde biriken kek tabakası saf su ile sıyrılmıştır. İkinci aşamada membranların saf su ile geri yıkaması yapılmıştır. Üçüncü aşamada ise membranlar kimyasal olarak geri yıkama ile temizlenmiştir. Bu şekilde membran üzerinde biriken kek tabakası kirleticileri, membran gözeneklerine sıkı bağlı bulunan kirleticiler ve membran gözeneklerine gevşek bağlı kirleticiler ayrı ayrı toplanarak kirletici konsantrasyonu protein ve karbonhidrat cinsinden ölçülmüştür. Membranda biriken kirleticilerin ne kadar kirlenmeye sebep olduğu ekstrakte edilen kirleticilerin neden olduğu membran filtrasyon dirençleri ölçülerek belirlenmiştir. Çalışmadan elde edilen sonuçlara göre membran kirlenmesinin temel olarak membranda biriken kirleticilerden kaynaklandığı belirlenmiştir. Ekstrakte edilen toplam kirletici miktarı ile bunların oluşturduğu dirençler arasında kuvvetli bir fonksiyonel ilişki olduğu görülmüştür. Bu ilişki üstel bir fonksiyon ile ifade edildiğinde korelasyon katsayısı r2=0.92 çıkmaktadır. Membranda biriken kirleticilerin büyük çoğunluğu filtrasyonun erken devrelerinde oluşan kek tabakasında yer almaktadır. Kek tabakasının aynı zamanda membran filtrasyonundaki en büyük direnci oluşturduğu belirlenmiştir. Kek tabakası direncinin 2.6 x 1012 ile 3.1x1012 [1/m] arasında değiştiği ve toplam kirlenme direncine 72.1 % - 76.8 % oranları arasında katkı yaptığı hesaplanmıştır. Kek tabakası direncinden sonra en büyük ikinci direnç 11.8 – 15.6 % arasında değişen membran gözeneklerine sıkı bağlı polimerik maddelerin oluşturduğu geri dönüşümsüz dirençten kaynaklanmıştır. Bunu sırasıyla 6.0 – 9.9 % ve 2.4 – 5.3 % arasında değişen membran gözeneklerine gevşek bağlı polimerlerin oluşturduğu geri dönüşümlü direnç ve giderilemeyen direnç takip etmektedir. Membranda biriken polimerik madde miktarı büyüklük sıralamasının kek tabakası kirleticileri > gözeneklere sıkı bağlı kirleticiler > gözeneklere gevşek bağlı kirleticiler şeklinde sıralandığı görülmüştür. Membranda MPSnin protein bileşeninin karbonhidrat bileşeninden daha fazla biriktiği görülmüştür. Membran kirliliğinin modellenmesinde membranda biriken kirletici miktarlarının kullanılmasının, aktif çamur kirletici konsantrasyonlarının kullanımıyla hesaplanan toplam süzülen kirletici miktarının kullanılmasından daha iyi sonuç verdiği görülmüştür.

The membrane bioreactor (MBR) technology used for wastewater treatment presents many advantages when it is compared to conventional treatment. Substantial reduction in footprint by process intensification and providence of good-quality of effluent and disinfection by complete retention of biomass can be counted among advantages of MBRs. However, this technology has an important disadvantage which is membrane fouling. The membranes used for treatment lose their performance due to fouling as a result of many parameters. This causes reduction in treated water production, discontinuities of the treatment process and increase of operation costs. Therefore, membranes should be cleaned periodically by physical and chemical means. Membrane fouling is a complex phenomenon on which a lot of measurable and immeasurable parameters play roles. When the literature of membrane fouling is examined, it is noticeable that contradicting results were reported on the effects of the fouling parameters. Although this can be tolerated up to a point because of the complexity of the phenomenon, a part of these contradictions results from inappropriate experimental design and uncontrolled experimental conditions. Especially changing more than one parameter at a time can be said to be the main reason of these contradictions. For example, increasing biomass concentration leaving other controllable parameters such as air scouring efficiency, dissolved oxygen and temperature etc. out of control, which are also influential on fouling, causes considerable problems in obtaining conclusive results. In addition, majority of previous membrane fouling studies is related to the observations made in activated sludge mixed liquor. However, membrane fouling should be investigated directly by observing membrane itself. This is the only way of understanding the real reasons of membrane fouling. Based on this idea, it was concentrated on membrane itself in the current study. In this study the effect of microbial polymeric substances (SMP and EPS, or shortly MPS) on membrane fouling in a submerged MBR, which is the most speculated issue in this field, used for synthetic domestic wastewater was investigated. Small handmade membrane modules were submerged in MBR for different filtration durations. The study was performed under as controllable as possible conditions keeping other related parameters constant. MPSs accumulated in/on fouled membranes were extracted by three steps. While in the first step the cake layer formed on membranes was rinsed with pure water, membranes were backwashed physically with pure water in the second step. In third step membranes were cleaned by chemical backwashing. By this cleaning procedure, foulants accumulated on membrane surface, foulants loosely attached to pores and foulants tightly attached to pores were collected separately, and their concentration was measured in terms of protein and carbohydrate. The extent of fouling that accumulated foulants caused was determined by measuring membrane filtration resistances. It was concluded that membrane fouling was mainly resulted from the accumulated foulants in/on membranes. A strong functional relationship was observed between total extracted foulants and their respective resistances. The great majority of foulants occupied in the cake layer formed on the membrane surface at the very beginning of the filtration. Cake layer was also observed to constitute the greatest filtration resistance. The second greatest fouling source was resulted from MPSs tightly attached to pores, which was followed by MPSs loosely attached to pores and permanent (irrecoverable) foulants, respectively. It was observed that protein fraction of MPS accumulated more than carbohydrate fraction in/on membranes. According to the results of membrane fouling modeling, it was seen that calibration with extracted foulants actually accumulated in membrane gave better results than with cumulative foulant amounts calculated from foulant concentration of activated sludge in fouling prediction.