Membran biyoreaktörler ile evsel atıksu arıtımında mikrokirletici gideriminin incelenmesi

Abstract

Doğadaki su, sınırlı bir kaynak olarak bilinmektedir. Dünya üzerinde her geçen gün artan tüketim alışkanlıkları, insanlığı su kıtlığı tehlikesiyle karşı karşıya getirmektedir. Öte yandan devam eden küresel iklim değişiklikleri, mevcut su döngüsünü değiştirmekte olup yeryüzündeki yaşamı risk altına almaktadır. Bu durumu önlemek veya olabildiğince azaltmak adına, kirlenmiş su kaynaklarını mümkün olan en yüksek seviyelerde arıtmak ve hatta yeniden kullanılabilir hale getirmek, gelecek nesiller ve çevre için oldukça önemlidir. Evsel atıksuların alıcı ortam üzerindeki etkisi açısından dikkat edilmesi gereken en önemli bileşenlerden biri mikrokirleticilerdir. Mikrokirleticiler, atıksularda oldukça düşük konsantrasyonlarda yer almalarına rağmen oldukça önemli etkiler oluştururlar. Bunlar, doğaları gereği biyolojik olarak zor parçalanabilmekte veya hiç parçalanmadan kalıcı olabilmektedir. Ayrıca, mikro boyuttaki bu kirleticiler sucul yaşamdaki canlıların üreme sağlığını olumsuz etkileyen ciddi problemlere neden olurlar. Bu kirleticilerin ana kaynakları ise günlük hayatta sıkça kullanılan kozmetik ürünler, ilaçlar, pestisitler, deterjanlar, endokrin bozucu kimyasallar (EBK), ağır metaller ve hidrokarbonlardır. Bahsi geçen mikrokirleticiler, yoğun kullanımlarından ötürü atıksulara devamlı olarak karışmakta olup canlılarda toksik ve kansorejen etkilere neden olurlar. Dolayısıyla, bu kirleticilerin ve zararlı ara ürünlerinin atıksu arıtma tesislerindeki akıbetlerinin izlenmesi son derece önemlidir. Mikrokirleticilerin atıksularda çok düşük konsantrasyonlarda bulunmaları, tespitlerini daha zor kılmaktadır. Bununla birlikte, kimyasal yapılarına bağlı olarak kalıcı, dirençli ve taşınabilir özellikler gösterirler. Suların geri kazanımının önem kazandığı son günlerde, mikrokirleticilerin atıksulardan istenen verimlerde uzaklaştırılmaları güçleşmektedir. Günümüzde var olan konvansiyonel atıksu arıtma tesisleri mikrokiletici giderimi konusunda etkin değildir. Mikrokirleticileri daha yüksek verimde gidermek için aktif karbon (AC) adsorpsiyonu, ileri oksidasyon, membran prosesler ve membran biyorektörler gibi ileri arıtma proseslerine ihtiyaç vardır. Evsel atıksuları arıtmak için uzun yıllardan beri yaygın olarak konvansiyonel aktif çamur sistemleri (AÇS) kullanılmaktadır. Ancak, bu sistemlerin, daha fazla alan kaplama, daha yüksek hacimde çamur oluşumu, sıkı deşarj standartlarını karşılamada yetersizlik gibi zayıf yönleri bulunmaktadır. Günümüzde, zayıf kalan bu yönlerin üstesinden gelebilmek için biyolojik sistemler ile membran proseslerin birleştirildiği membran biyoreaktör (MBR)'ler kullanılmaktadır. MBR'ler, yüksek kalitede su üretme potansiyeline sahip olup, suyun geri kazanımını sağlamak için uygundur. Bu entegre sistem sayesinde çamur yaşı (ÇY) ve hidrolik bekletme süreleri (HRT) bağımsız olarak kontrol edilebilmekte ve daha esnek koşullarda işletim sağlanabilmektedir. Daha uzun ÇY'lerde işletilen MBR'lerde, mikrokirleticiler ve diğer dirençli bileşikler yüksek verimde giderilebilmektedir. Ayrıca, konvansiyonel sistemlerle karşılaştırıldığında, bu teknolojinin az çamur oluşumu, alan tasarrufu gibi üstünlükleri mevcuttur. MBR sistemlerin uygulamalarında bazı engellerle de karşılaşılmaktadır. Bunların başlıcaları tıkanma sorunu ve değişkenlik gösterebilen yüksek işletme maliyetleridir. Membranların kimyasallar ile yıkama ihtiyacı ve kullanılan kimyasal kaynaklı ortaya çıkan atıklar ilave maliyet kalemlerini oluşturmaktadır. Bu sorunların önüne geçebilecek bir çözüm alternatifi olarak dinamik membran (DM) teknolojisi ortaya çıkmıştır. DM'lerde klasik membranlara kıyasla daha uygun maliyetli metal veya plastik elekler, dokunmuş veya dokunmamış kumaşlar destek tabakası olarak kullanılır. Bu tabaka üzerinde çeşitli organik ve inorganik maddelerin birikmesiyle kendiliğinden bir kek tabakası oluşur. Birikmeye bağlı olarak oluşan bu gözenekli yapı, aslında ikincil bir membran görevi yapar. Kek tabakasının gözenek boyutu zamanla destek tabakasının gözenek boyutundan daha küçük bir hal alır ve klasik ticari membranlara eş kalitede çıkış suyu elde edilir. Ayrıca, DM teknolojisinde kimyasal yıkama ihtiyacı bulunmadığından pratik olarak membran temizliği mümkündür ve şok yüklere karşı dayanıklılığı yüksektir. Bununla birlikte, kek tabakası kısa sürede tekrar oluşabildiğinden daha uzun işletme ömrü sunar. Söz konusu teknoloji, daha düşük maliyetli destek tabakası kullanımı ve kimyasal olmaksızın membran temizleme imkanları sağlar. Bu imkanlar, tıkanma ve beraberinde gelen ilave maliyetlerin ortadan kalkması açısından oldukça önemlidir. DM'lerin biyolojik sistemlere entegre edilmesiyle oluşan sistemler dinamik membran biyoreaktör (DMBR)'ler olarak adlandırılır. Literatürde MBR uygulamaları ile evsel atıksulardaki mikrokirleticilerin arıtılması üzerine çeşitli çalışmalar mevcuttur. Bununla birlikte, literatür DMBR çalışmaları yönünden incelendiğinde, çalışmaların önemli bir bölümü evsel atıksu arıtımı üzerinedir. Ancak literatürde, evsel atıksularda mikrokirletici giderimiyle ilgili olarak uygulanmış DMBR çalışmaları oldukça sınırlı sayıdadır. Bu çalışma kapsamında, evsel atıksuların arıtılması için DM ve ultrafiltrasyon (UF) membran içeren bir MBR'de mikrokirleticilerin giderimi araştırılmıştır. Öncelikle, Dünya ve Türkiye genelinde yapılan araştırmalar sonucunda evsel atıksularda sıkça rastlanan 27 adet mikrokirletici türü belirlenmiştir. Bu mikrokirleticiler, steroidal hormonlar, ilaçlar, kişisel bakım ürünleri (PPCP), pestisitler gibi farklı gruplardan oluşmaktadır. Çalışmada kullanılan evsel atıksu içerisinde seçilen mikrokirleticilerden sülfametoksazol (SMX), siprofloksasin (CPFX), trimetoprim (TRM), kafein (CAF) ve asetaminofen (APAP) olmak üzere yalnızca 5 tanesi tespit edilmiştir. Çalışma kapsamında, DM oluşumu için destek tabakası olarak polyester filtre kullanılmıştır. Ayrıca, ticari bir polivinilidenflorit (PVDF) UF membranı kullanılmıştır. Konfigürasyon olarak, ince boşluklu membran seçilmiştir. Her iki membran da aynı koşullar altında 10 L/m2.sa akıda işletilmiş olup, aynı reaktöre daldırılmıştır. Aerobik DMBR'de DM ve UF membran arıtma ve filtrasyon performansları açısından birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Çalışma soucunda, her iki membranda %91'in üzerinde kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderim verimi gözlenmiştir. Benzer şekilde, her iki membranda askıda katı madde (AKM) giderim verimi %99'un üzerinde bulunmuştur. Mikrokirletici giderim verimleri incelendiğinde, SMX ortalama giderim verimleri DM ve UF membran için sırasıyla %68,3 ve %68,9 olarak belirlenmiştir. Ortalama CPFX giderim verimi DM için %71,4 civarında iken, UF için %72,2 olarak bulunmuştur. Ayrıca her iki membran için de ortalama TRM giderim verimi %65,2 olarak elde edilmiştir. Benzer şekilde, CAF ve APAP ortalama giderim verimleri DM ve UF membranı için sırasıyla %99,6 ve %99,7 olarak tespit edilmiştir. Ağır metal giderim verimleri karşılaştırıldığında; alüminyumun (Al) ortalama giderim verimi DM ve UF membran için sırasıyla %94,9 ve %95,5 olarak bulunmuştur. Krom (Cr) giderim verimleri ise DM ve UF membranı için sırasıyla ortalama %37,5 ve %38,1 olarak hesaplanmıştır. Demir (Fe) için DM ile elde edilen ortalama giderim verimi %80,1 iken, UF membranda ortalama giderim verimi %78,2 olarak belirlenmiştir. Ayrıca mangan (Mn) giderim verimi her iki membran için ortalama %78 civarında bulunmuştur. Silisyum (Si) giderim verimleri incelediğinde; DM ve UF membran için sırasıyla ortalama %7,3 ve %10,4 değerleri elde edilmiştir. Bununla birlikte, destek malzemesi üzerinde kek tabakası oluşumuna bağlı olarak DM'nin transmembran basıncı UF'ye göre çok daha yüksek bulunmuştur. Çalışma sonuçları değerlendirildiğinde, DM'nin konvansiyonel sistemlerin eksikliklerini tamamlayabilecek nitelikte alternatif bir teknoloji olabileceği sonucuna varılmıştır. Sonuçlar, evsel atıksularda mikrokirletici gideriminde bu teknolojinin uygulanabilirliğini ortaya koymuştur.