Düşük Çamur Yaşında İşletilen Batık Membran Biyoreaktörde Arıtma Performansının İncelenmesi

Abstract

Membran Biyoreaktör (MBR) teknolojisi, aktif çamur prosesi ile elde edilen biyolojik arıtımın ve membran filtrasyonunun bir arada kullanıldığı bir atıksu arıtma teknolojisidir. Sistemde oluşan biyokütlenin atıksudan ayrımı membran filtrasyonu ile sağlandığından konvansiyonel aktif çamur arıtma sistemlerindeki çöktürme işlemine gerek kalmamaktadır. Biyokütle ve askıda katı maddenin membran vasıtasıyla tutulması sağlanarak yüksek kalitede çıkış suyu elde edilmektedir. Evsel ve endüstriyel atıksu arıtımında deşarj standartlarının daha sıkı uygulanması ve geri kazanıma yönelik uygulamaların artması MBR uygulamalarının tercih edilmesine neden olmaktadır. MBR uygulamalarında genel yaklaşım, oluşan biyokütlenin sistemden uzaklaştırma problemi olmadığından reaktörde yüksek biyokütle konsantrasyonu sağlayacak, çoğalma hızları düşük (yavaş çoğalan) mikroorganizmaların sistemde çoğalmasına izin verecek ve atılan çamur miktarını azaltacak şekilde uzun çamur yaşlarında (ÇY) işletilmesidir. Fakat bu yaklaşım ile konvansiyonel aktif çamur arıtma sistemlerinde halihazırda yürütülmekte olan uygulamalar devam ettirilmiş, MBR sistemleri yenilikçi bir arıtma yaklaşımı geliştirilmesinde kullanılamamıştır. Bu çalışmada sunulan işletme yaklaşımı ile MBR teknolojisinin atıksu arıtımında yenilikçi bir uygulama olarak performansı incelenerek, konvansiyonel atıksu arıtma yaklaşımına farklı ve çevresel açıdan daha gelişmiş ve ekonomik bir alternatif sunulmuştur. Konvansiyonel atıksu arıtma tesislerinde yüksek çamur yaşı uygulanarak elde edilen düşük biyokütle üretimi, her ne kadar işletme ve çamur bertarafı açısından avantajlı görünmekle birlikte yeni yaklaşımlar ve özellikle enerji açısından kendi kendine yetebilen arıtma tesislerine yönelik hedefler göz önüne alındığında, biyokütlenin aslında enerji üretimi açısından kıymetli bir alternatif yakıt olarak kullanılması gerektiğini ortaya koymaktadır. Bu çalışmanın amacı,düşük çamur yaşında işletilen batık membran konfigürasyonlu bir MBR sistemi (bMBR) ile atıksuda hızlı ayrışabilen/çözünmüş halde bulunan organik maddenin giderim performansının incelenmesidir. Bu bağlamda laboratuar ölçekli bMBR sistemi, 2 gün, 1 gün ve 0.5 gün olmak üzere üç farklı çamur yaşında ve hidrolik bekletme suresi (HBS) 8 saat olacak şekilde işletilmiştir. Deneysel çalışmalarda (a) atıksulardaki çözünmüş/ hızlı ayrışabilen substratı temsil eden karışım çözeltisi ve (b) yalnızca asetatın substrat olarak kullanıldığı çözelti olmak üzere iki farklı sentetik besleme kompozisyonu kullanılmıştır. Deneysel çalışmalarda atıksudaki hızlı ayrışabilen/çözünmüş organik maddeyi temsil eden substrat karışımı ile 2 gün, 1 gün ve 0.5 gün çamur yaşlarında, asetat ile ise sadece 1 gün çamur yaşında 200 mg KOI/L ve 1000 mg KOI/L konsantrasyonlarında çalışılmıştır. Elde edilen bulgular; (i) kararlı halde sistem performansı (ii) respirometrik testler (iii) substrat depolama ürünleri ve (iv) çamur susuzlaştırma özelliklerinin belirlenmesi doğrultusunda değerlendirilmiştir. Seçilen koşullarda isletilen bMBR sistemi ile elde edilen sonuçlar; öncelikle düşük çamur yaşlarında (0.5 – 2.0 gün) oldukça yüksek kalitede çıkış suyu elde edilebileceğini ve tüm işletme koşullarında KOİ giderim veriminin % 90’nın üzerinde olduğunu göstermiştir. Atıksuda hızlı ayrışabilen/çözünmüşKOİ’yi temsil eden sentetik substrat karışımı ile sırasıyla 200 mg KOİ/L ve 1000 mg KOİ/L giriş besleme konsantrasyonları yürütülen deneysel çalışmalarda, membran çıkış suyunda KOİ konsantrasyonlarının 18 mg/L ile 56 mg/L arasında olduğu gözlenmiştir. Aynı şekilde yalnızca asetattan oluşan substrat ile sırasıyla 200 mg KOİ/L ve 1000 mg KOİ/L giriş besleme konsantrasyonları ile yürütülen çalışmada membran çıkış suyunda KOİ konsantrasyonlarının 20 mg/L ile 29 mg/L arasında olduğu gözlenmiştir. Deneysel çalışma süresince reaktör içi KOİ konsantrasyonunun membran çıkış suyunda ölçülen KOİ konsantrasyonundan yüksek olduğu gözlemlenmiş ve sisteme beslenen substrat bileşiminin de biyolojik olarak tamamıyla parçalanabilir olduğu dikkate alınarak, bu durumun sistem içerisinde gerçekleşen biyolojik faaliyetler sonucunda oluşan kalıcı çözünmüş mikrobiyal ürünlerin (ÇMÜ) neden olduğu ileri sürülmüştür. Reaktör içinde tespit edilen ÇMÜ konsantrasyonlarının, artan çamur yaşı ile birlikte artış göstermesi bu sonucu destekler niteliktedir. Bu ölçümlere ilave olarak reaktör içerisindeki çamurda ÇMÜ ile ilişkili olduğu bilinen protein ve karbonhidrat analizleri yapilmis ve ölçülen protein ve karbonhidrat konsantrasyonlarının 2.59 – 9.62 mg KOİ/L arasında değiştiği gözlenmiştir. Bu çalışma kapsamında ayrıca, uygulanan çamur yaşı ve test edilen substratlar özelinde mikrobiyal davranışın ve giderim kinetiklerinin gözlemlenmesi amacıyla respirometrik ölçümler yürütülmüştür. Respirometrik ölçümler, giriş besleme konsantrasyonları 200 mg KOİ/L ve 1000 mg KOİ/L olacak şekilde, kolay ayrışan çözünmüş organik maddeyi temsil eden sentetik atıksu çözeltisi ile beslenen, 2 gün, 1 gün ve 0.5 gün çamur yaşı ile işletilen ve sadece asetat içeren sentetik atıksu çözeltisi ile beslenen ve 1 gün çamur yaşı uygulanan setlerde yürütülmüştür. Kolay ayrışan çözünmüş organik maddeyi temsil eden sentetik atıksu çözeltisi beslenerek yürütülen setlerde, başlangıçta sisteme verilen organik maddenin tamamının tüketildiği ve respirometrik ölçümlerin içsel solunum fazı seviyesine düştüğü gözlenmiştir. Bu durum respirometrik ölçümlere paralel olarak yürütülen KOI giderimi ölçümleri ile de desteklenmiştir. ÇY’nın azalması ile birlikte respirometrik ölçümlerde organik madde gideriminin daha kısa sürede gerçekleştiği gözlemlenmiştir. Bu da nispeten daha düşük çamur yaşlarında aktif biyokütlenin karışım içinde daha fazla olduğunun bir göstergesidir. Benzer sonuçlara asetat beslenen deneylerde de ulaşılmıştır. Her iki sentetik atıksu çözeltisinin, 1000 mg/L KOİ konsantrasyonuna sahip olacak şekilde beslenerek yürütülen respirometrik testler sırasında, çamurdan alınan örnekler üzerinde depolama ürünlerinin analizi yapılmış ve poly hydroxyl alkanoate (PHA), poly-b-hydroxybutyrate (PHB) ve poly hydroxyvalerate (PHV) depolama miktarları arasında substrat çeşidine ve bileşimine bağlı olarak büyük farklar olduğu görülmüştür. Yalnızca asetatın substrat olarak beslendiği sistemde oluşan çamur numunesinde yapılan depolama ürünleri analizi sonucunda hiç PHV’ye rastlanmamış, bununla birlikte eşit miktarda PHA ve PHB tespit edilmiştir. Kolay ayrışan çözünmüş KOİ’yi temsil eden substrat karışımının beslendiği sistemde oluşan çamur numunesinde yapılan depolama ürünleri analizi sonucunda ise, PHV, PHA ve PHB olacak şekilde, üç depolama ürünü de tespit edilmiştir. Çalışmada ileri sürülen MBR işletim yaklaşımı ile, sistemde oluşan çamurun alternatif bir yakıt olarak kullanılabilirliğini desteklemek ve membran tıkanma potansiyeli ile ilgili veri elde etmek üzere, çamur susuzlaştırma özellikleri Kapiler Emme Süresi (KES) parametresi üzerinden incelenmiştir. Tüm deney setlerinde biyokütle üzerinde KES tayini yapılmış, her iki sentetik atıksu çözeltisi için, ÇY artması ile birlikte KES nin arttığı, yani çamur susuzlaştırma özelliğinin kötüleştiği görülmüştür. Elde edilen bulgular, aynı koşullarda ölçülen protein ve karbonhidrat seviyeleri ile birlikte değerlendirildiğinde çözünmüş mikrobiyal ürünler ile ilişkili olduğu bilinen çözünmüş protein ve karbonhidrat değerlerinin artan çamur yaşı ile yükseldiğini göstermektedir.

Membrane Bioreactor (MBR) technology is a wastewater treatment technology combining the biological treatment in the activated sludge process with membrane filtration. MBR system replaces the clarification tanks used in conventional activated sludge systems since the biomass separation is done by the membrane filtration. Effluents with high quality are obtained through retention of biomass and suspended solids by the membrane. MBR systems offer several operational advantages. Enforcement of municipal and industrial wastewater discharge standards and increasing number of recycle/reuse applications have resulted in preference of MBR system applications. The general approach in MBR applications is to operate these systems at longer sludge retention times (SRT) in order to have higher biomass concentrations in the bioreactor, to allow slowly-growing microorganism to grow in the system and to reduce the volume of sludge to be handled. Although the reduced amount of biomass production obtained at higher SRT may seem advantageous in terms of system operation and sludge handling, the new approaches in energy, especially the policies targeting self-sufficient treatment plants, are stating that the biomass is actually a valuable alternative fuel in terms of energy production. The purpose of this study is to investigate the performance of submerged MBR system operated at extremely low SRT in removing readily biodegradable/soluble COD from wastewater. In this respect, a laboratory scale submerged MBR was operated at three different SRT of 2.0, 1.0 and 0.5 days. For each level of the selected sludge age, hydraulic retention time (HRT) of the system was adjusted to 8 hours. Two different synthetic substrate feedings were tested; (a) soluble/readily biodegradable substrate mixture and (b) acetate. The synthetic mixture representing readily biodegradable COD in wastewater was tested at all SRTs, whereas synthetic feed constituting only acetate was tested only at SRT of 1.0 day. The synthetic feeds were adjusted to first 200 mg COD/L and than 1000 mg COD/L for the experimental runs. The experimental works covered (i) determination of the process performance sustained at steady-state, (ii) respirometric tests, (iii) evaluation of the substrate storage, (iv) evaluation of sludge dewaterability. Operation of the submerged MBR at selected operational conditions have shown that, high quality effluents could be achieved even at very low SRT, i.e. SRT = 0.5 – 2.0 days, where the COD removal performance was above 90 % under all conditions. In the case where synthetic substrate mixture representing the readily biodegradable soluble portion of the wastewater was used having 200 mg COD/L and 1000 mg COD/L; the effluent COD remained below 18 mg COD/L and 56 mg COD/L, respectively. Likewise for the synthetic substrate only constituting acetate having 200 mg COD/L and 1000 mg COD/L; the effluent COD remained below 20 mg COD/L and 29 mg COD/L, respectively. The soluble COD profiles monitored inside the bioreactors tended to be higher than the COD values observed in the effluent streams which was attributed to generation of SMPs during the biological processes as the influent COD was assumed to be totally biodegradable, which was supported with the finding that the SMP increased with the increasing SRT. The levels of proteins and carbohydrates were also measured in the reactor bulk liquid. The levels of these compounds, which are commonly associated with SMPs, were measured in the range of 2.59 – 9.62 mg COD/L, which constitute only a small fraction of the residual COD entrapped in the MBR. . The study also covered respirometric tests, which were implemented for the synthetic substrate mixture representing readily soluble COD in wastewater at SRT of 2.0, 1.0 and 0.5 d; and for synthetic substrate constituting only acetate with 200 mg/L and 1000 mg/L COD concentration, at SRT of only 1.0 d. In the respirometric studies run with synthetic substrate mixture, for both feeds adjusted to 200 mg COD/L and 1000 mg COD/L. It was observed that the time required to reduce the soluble COD in the batch reactor to its level at the endogeneous phase was decreased as the SRT was decreased. This was attributed to the dominance of active biomass in the case of operation at low SRT, compared to the relatively inactive biomass observed in reactors when long SRTs are employed. In the respirometric studies run with acetate, for both feeds adjusted to 200 mg COD/L and 1000 mg COD/L, it was again observed that all the COD introduced beginning of the test was reduced to its endogenous phase. Storage polymers were investigated in the samples taken from parallel batch tests, where the synthetic feeds were adjusted to 1000 mg COD/L. Analysis of storage polymers, namely, poly hydroxyl alkanoate (PHA), poly-b-hydroxybutyrate (PHB) and poly hydroxyvalerate (PHV) have shown significant difference between the two synthetic feeds. For the synthetic feed constituting only acetate, the results indicated that there was no PHV storage and the levels of PHA and PHB storage were almost equal. In the case where the readily biodegradable substrate mixture was tested, all three polymers could be detected. The results were consistent with the literature findings. In order to support the potential use of sludge generated in the suggested MBR operation approach, as an alternative fuel and to have data on its fouling propensity, it is important to determine the dewaterability of the sludge. The sludge samples obtained from all experimental runs were analyzed for their Capillary Suction Time (CST) values. The CST analysis indicated that, for both synthetic substrates tested, when the SRT was increased, the sludge dewaterability properties deteriorated. These experimental results were compatible with the protein and carbohydrate measurements, which also indicated that protein and carbohydrate concentrations associated with the fouling species, EPS and SMP, increased with increasing SRT.