Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/12360
Title: Evsel Atıksuların Anaerobik Membran Biyoreaktörler İle Maliyet Etkin Olarak Yeniden Kullanımı
Other Titles: Anaerobic Membrane Bioreactors For Cost-effective Municipal Water Reuse
Authors: Kınacı, Cumali
Özgün, Hale
10092864
Çevre Mühendisliği
Environmental Engineering
Keywords: anaerobik membran biyoreaktör; evsel atıksu; membranlarda tıkanma; çürütücü; yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör
anaerobic membrane bioreactor; municipal wastewater; membrane fouling; digester; upflow anaerobic sludge blanket reactor
Issue Date: 19-Nov-2015
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Abstract: Evsel atıksudan anaerobik membran biyoreaktör teknolojisi kullanılarak yüksek besi madde, düşük patojen içeriği olan ve katı madde içermeyen su eldesi günümüzde yoğun olarak araştırılmaktadır. Anaerobik membran biyoreaktörler diğer teknolojilere göre daha az yer kaplamakta olup, sadece atıksu arıtma amaçlı değil, aynı zamanda besi madde içeriği yüksek su eldesi amacıyla da kullanılmaktadır. Böylece evsel atıksuların tarımsal sulama amaçlı yeniden kullanımına olanak sağlanmaktadır. Ayrıca anaerobik prosesler ile elde edilen biyogaz anaerobik membran biyoreaktör işletiminde gerekli olan enerji ihtiyacını +azaltmaktadır. Belirtilen avantajlarının dışında, anaerobik membran biyoreaktör teknolojisi tam ölçekli uygulamalarda membran tıkanma problemine yol açmaktadır. Tıkanmaya bağlı olarak oluşan yüksek enerji gereksinimi ve yatırım maliyeti bu teknolojinin dezavantajları arasında sıralanabilir. Ayrıca anaerobik membran biyoreaktörlerde biyokütle üzerinde yüksek kesme kuvveti söz konusu olmaktadır. Evsel atıksular birçok ülkede düşük kuvvetli ve hizmet edilen nüfusa bağlı olarak yüksek debide oluşmaktadır. Ancak su korunumu ve ayrık kanalizasyon sistemlerinin kurulması ile ilgili devam eden çalışmalar yakın gelecekte evsel atıksu karakterizasyonunda değişimlerin olabileceğini göstermektedir. Arıtma tesisi konfigürasyonu, membran özellikleri, çamur ve giriş atıksu karakterizasyonu ve işletme koşulları gibi tasarım ve işletme ile ilgili birçok faktör anaerobik membran biyoreaktörlerde tıkanma potansiyeline etki etmektedir. Bunların arasında, reaktör dizaynı çamurun tıkama potansiyelini etkileyen en önemli faktörlerden biridir. Özellikle son on yılda tam karışımlı reaktör, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör ve genleşmiş granüler çamur yataklı reaktörler gibi farklı birçok anaerobik reaktör tipinin farklı membran türleri ile birlikte kullanıldığı pek çok çalışma yapılmıştır. Bu alternatifler arasında yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörlerde çamur yerine reaktör üst suyu membrana ulaşmaktadır. Dolayısıyla, tıkanma ile ilgili problemleri azaltması açısından bu kombinasyon avantajlı görülmektedir. Bu çalışmanın amacı evsel atıksudan tarımsal sulamada kullanma amaçlı düşük patojen yüksek besi madde içeriği olan su eldesini ve enerji geri kazanımını sağlayacak yenilikçi bir anaerobik membran biyoreaktör konfigürasyonunun uygulanabilirliğinin araştırılmasıdır. Bu çalışmanın gerçekleştirilmesi ile membrana ulaşacak olan toplam katı madde yükü kontrol edilerek akı artışı sağlanacak ve anaerobik membran biyoreaktörlerin tam ölçekli evsel atıksu arıtımında kullanımına yönelik önemli bir adım atılmış olacaktır. Anaerobik membran biyoreaktör ve çürütücü içeren sistem evsel atıksu arıtımında farklı sistemlerde karşılaşılabilecek birçok dezavantajı önleyebilecek potansiyeldedir. Önerilen sistemde; yan akım membran ünitesi, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör ve buna paralel olarak çalışacak çürütücü kullanılacaktır. Çürütücü 0 ile 40 °C arasında istenilen sıcaklıkta işletilebilir. Sistemde kullanılacak olan membran modülü tübüler olarak dizayn edilmiş olup, modül içerisinde 28 adet ince fiber membran bulunmaktadır. Membran fiberlerinin çapı yüksek debili evsel atıksular için filtrasyon alanını arttırma amaçlı oldukça düşük olacak şekilde 1.5 mm seçilmiştir. Membran öncesinde yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör kullanılması büyük katı maddelerin reaktörde tutularak sadece reaktör üst sıvısının membrana ulaşmasını sağlayacak; böylece modül girişinde tıkanma önlenmiş olacaktır. Bunun yanısıra, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör ve çürütücü kombinasyonu düşük sıcaklıklarda evsel atıksu arıtımı ve çamur stabilizasyonu açısından ideal bir sistem olarak öne sürülmektedir. Bu kombinasyona membran ilavesinin yapılması ile özellikle ılıman iklimli bölgelerde evsel atıksuyun tarımsal sulama amaçlı yeniden kullanımı için yüksek kalitede besi madde içeriği yüksek su elde edilmesi hedeflenmektedir. Bu genel amaç doğrultusunda tezin ilk aşamasında laboratuvar ölçekli yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörde çıkış akımında en yüksek filtre edilebilirliği sağlayacak optimum yukarı akış hızının belirlenmesi hedeflenmiştir. Yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör farklı yukarı akış hızlarında işletilmiş, bu hızların çıkış suyu üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Yukarı akış hızının membran performansı üzerindeki etkisinin incelenebilmesi için filtre edilebilirlik testleri gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar; yukarı akış hızının sistemin biyolojik performansı ve çıkış suyunun fizikokimyasal özellikleri üzerinde oldukça büyük etkisinin olduğunu göstermektedir. Yüksek yukarı akış hızı kolloidal maddelerin sistemden kaçısına neden olmaktadır. Yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörde çıkış suyu karakteristiği filtre edilebilirlik testleri ile parallel sonuçlar vermiştir. Sonuçlar çıkış suyunun filtre edilebilirliğinin 0.6 m/sa yukarı akış hızında, 1.2 m/sa yukarı akış hızına göre daha yüksek olduğunu göstermektedir. Yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkış suyunda farklı yukarı akış hızlarında protein/karbondidrat oranında ve partikül boyut dağılımnda gözlenen büyük değişimler yukarı akış hızının çıkış suyu filtre edilebilirliği açısından anaerobik membran biyoreaktörlerde oldukça kritik bir parametre olacağını göstermektedir. Çalışmanın ikinci aşamasında; membran yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktöre entegre edilmiş ve sistem bir önceki çalışmada seçilen 0.6 m/sa’lik yukarı akış hızında anaerobik membran biyoreaktör olarak işletilmiştir. Bu çalışmadaki amaç, membran ilavesinin sistemin biyolojik performansı ve çamur karakterizasyonu üzerindeki etkisini incelemektir. Membran ilavesi ile küçük partiküllerin sistemde birikmesi ve hücredışı polimerik maddelerin azalması sonucu çamurun partikül boyut dağılımında azalma gözlenmiştir. Çamurun partikül boyut dağılımında gözlenen azalma çamurun çökelme özelliğinin bozulmasına neden olmuştur. Çamurun çökelme özelliğinin bozulması ile üst suya biyokütle kaçısı gerçekleşmiş, buna bağlı olarak yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkış suyunda kimyasal oksijen ihtiyacı ve askıda katı madde konsantrasyonlarında artış gözlenmiştir. Çıkış suyunda gözlenen bu artışa rağmen membran süzüntü akımında kimyasal oksijen ihtiyacı konsantrasyonu 42 mg/L olup, süzüntü katı madde içermememektedir. Ayrıca çamurun çökelme özelliğindeki bozulmaya rağmen, membran ilavesi sonrası anaerobik membran biyoreaktörde transmembran basınç değeri 85 mbar civarında olmuş, ciddi bir membran tıkanma problemi ile karşılaşılmamıştır. Üçüncü aşamada anaerobik membran biyoreaktör sisteminin düşük sıcaklıkta evsel atıksu arıtımında uygulanabilirliği araştırılmıştır. Bu amaç doğrultusunda; sistem 15 °C’de işletilmeye başlanmıştır. Sonuçlar membran tıkanma potansiyelinde 15 °C’de, 25 °C’ye göre ciddi seviyede artış olduğunu göstermiştir. Düşük sıcaklıkta yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkış suyunda artan kimyasal oksijen ihtiyacı ve çözünmüş mikrobiyal ürün konsantrasyonu, düşük partikül boyutu ve yüksek bulanıklık değerleri membran tıkanmasında artışa neden olmuştur. Filtrasyon performansında gözlenen değişime rağmen, arıtma performansında düşük sıcaklığa bağlı herhangi bir değişim gözlenmemiştir. Bu durum membranın alıkoyma kapasitesi ile ilişkilendirilebilir. Her iki sıcaklıkta da keke bağlı membran direnci toplam direncin %40’ından fazlasını oluşturmuştur. Ancak düşük sıcaklıkta yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkış suyunda artan küçük partiküller gözenek tıkanmasına bağlı oluşan direncin toplam filtrasyon direncine oranında artışa neden olmuştur. Anaerobik membran biyoreaktörün 15 °C’de işletilmesi sırasında yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör boyunca çamur karakterizasyonunda değişim gözlenmiştir. Bu durum çürütücü ilave edildiğinde, reaktörler arası çamur transferinin gerçekleştirileceği noktanın belirlenmesi açısından önemlidir. Reaktör boyunca farklı yüksekliklerden alınan çamur numunelerinde gerçekleştirilen analizler toplam ve uçucu katı madde ve toplam ve uçucu askıda katı madde konsantrasyonlarının reaktör yüksekliğine bağlı azaldığını ve en yüksek kimyasal oksijen ihtiyacı konsantrasyonunun 46 g/L olacak şekilde reaktörün en alt seviyesinde ölçüldüğünü göstermektedir. Aktif biyokütle reaktör girişine yakın bölgelerde yer alırken, aktivitesi düşük gevşek askıda ve flok yapıda partiküller reaktörün üst kısmına doğru hareket etmiştir. Bu durum reaktör girişine yakın yerlerdeki yüksek spesifik kimyasal oksijen ihtiyacı tüketim hızı ve reaktörün geri kalan bölümlerindeki düşük kimyasal oksijen ihtiyacı parçalanma hızı ile desteklenmektedir. Sonuçlar, düşük sıcaklıkta dahi membran ilavesi sonrası gerçekleşen çamur çökelme özelliğinde gözlenen bozulmanın, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörü tam karışımlı reaktöre dönüştürmediğini göstermektedir. Düşük sıcaklık koşullarında reaktör boyunca farklı seviyeler arası değişim devam etmiştir. Dolayısıyla; çürütücüye transfer edilecek olan çamurun yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörün hangi seviyesinden alınacağı işletim açısından kritik bir karar haline gelmiştir. Çamur yatağı boyunca çamur stabilizasyonu ve katı madde konsantrasyonuna bağlı analizler gerçekleştirilmiş ve yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörden çürütücüye transfer edilecek olan çamurun stabilite değerinin en düşük olduğu noktadan transfer edilmesine karar verilmiştir. Düşük stabiliteye sahip çamur yüksek miktarda biyolojik olarak parçalanabilir organik madde içermektedir. Çalışmanın son aşamasında, çürütücü ilavesinin sistemin arıtma ve filtrasyon performansı üzerindeki etkisi araştırılmıştır. Çürütücü ilavesi sonrası, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkış suyunda çözünmüş ve toplam kimyasal oksijen ihtiyacı konsantrasyonlarında ve bulanıklık değerlerinde azalma, partikül boyut dağılım sonuçlarında ise artış gözlenmiştir. Bu değişimler toplam filtrasyon direncini önemli ölçüde azaltmıştır. Ayrıca çürütücü ilavesi sonrası yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörde çamurun stabilite ve spesifik metanojenik aktivite değerlerinde artış gözlenmiştir. Sistemin toplam biyogaz miktarında artış gerçekleşmiştir. En düşük stabiliteye sahip noktadan çamur transferinin yapılması sonucu sistemde katı madde giderim ve parçalanma potansiyelinde gözlenen olumlu yöndeki değişimler çamur transfer noktasının seçiminin özellikle filtrasyon performansı açısından oldukça kritik olduğunu göstermektedir. Genel olarak sonuçlar değerlendirildiğinde; yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörlerin membran ile entegrasyonunun 25 °C için oldukça uygun olduğu görülmüştür. Çamur çökelme özelliğinde gözlenen bozulmaya rağmen, girişte 530±30 mg/L olan ortalama kimyasal oksijen ihtiyacı, membran çıkışında 42 mg/L’ye düşmüş ve katı madde içermeyen bir süzüntü elde edilmiştir. Ayrıca sistemin ortalama transmembran basınç değeri 85 mbar olarak belirlenmiş, ciddi seviyelerde membran tıkanma problemi gözlenmemiştir. Ancak, sistem 15 °C’de işletildiğinde, arıtma performansı 25 °C’deki ile aynı olmakla birlikte, filtrasyon performansında ciddi seviyelerde bozulma gözlenmiştir. Bu durum sistemin mühendislik uygulamaları açısından kullanılmasını büyük ölçüde engellemektedir. Özetle, 15 °C’de sistemin filtrasyon performansında düşük sıcaklığa bağlı bozulmalar belirlenmiştir. Çürütücü ilavesi sonrası gerçekleşen olumlu değişimler anaerobik membran biyoreaktör ve çürütücü konfigürasyonunun atıksu arıtımı ve çamur stabilizasyonunu birlikte gerçekleştirerek, 15 °C’de dahi evsel atıksu arıtımı için yüksek bir potansiyeli olduğunu göstermektedir. Anaerobik membran biyoreaktör ve çürütücü konfigürasyonu optimum çamur transfer noktası seçilerek işletildiğinde, düşük sıcaklıklarda yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör ve membran entegre sistemlerde gerçekleşen ani membran tıkanma problemi önlenmektedir.
In recent years, anaerobic membrane bioreactor (AnMBR) technology has been increasingly researched for municipal wastewater treatment as a means to produce nutrient-rich, solids free effluents with low levels of pathogens, while occupying a small footprint. An AnMBR can be used not only for on-site wastewater treatment, but also for the generation of nutrient-rich irrigation water leading to reuse and recycling possibility for agricultural applications as well. Furthermore, biogas produced in the anaerobic process could potentially be used for minimising the energy requirements of AnMBR operation. Despite the mentioned advantages, the current state-of-the-art AnMBR technology for potential full-scale application raises some concerns related to energy requirements and investment costs for membrane fouling control, as well as the impact of high shear stress on biomass activity. Municipal wastewater in many countries can be characterised as low strength and is generated at high flows rates, related to the population served. However, ongoing efforts in water conservation and the implementation of source separated sewer systems may possibly change municipal wastewater characteristics in the near future. Several factors involved in design and operation of AnMBR systems may influence membrane fouling, such as treatment plant configuration and membrane characteristics, feeding and biomass properties and operational conditions. Among them, reactor design is proposed as an important factor that can change the AnMBR sludge fouling propensity. To date, especially in the last decade, many studies have been conducted in which various types of anaerobic reactors, including completely stirred tank reactor (CSTR), upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor, expanded granular sludge bed reactor (EGSB), were used in combination with various types of membranes. Among them, a membrane coupled UASB reactor may be a promising approach to overcome problems related with fouling since the membrane is only subjected to supernatant filtration and not by bulk sludge. The purpose of this thesis was to investigate the applicability of an innovative AnMBR configuration in order to produce a pathogen-free but nutrient-rich effluent for use in agricultural irrigation, concomitantly enabling energy recovery. With the realization of this study, flux enhancement by controlling the total solids (TS) load to the membrane was the major starting point, bringing AnMBR technology for full-scale sewage treatment one step closer to realisation. The AnMBR-Digester system as developed in this study may offer a solution for the mentioned challenges. The system consisted of a membrane integrated UASB reactor coupled to a parallel operating digester that can be operated at any required process temperature between 0-40 °C. The external cross-flow tubular membrane module contained 28 membrane fibers with a very small internal tube diameter of 1.5 mm in order to increase the filtration area for accommodating large sewage flows. Blocking of the membrane module lumens is minimised by the preceding UASB reactor, which scavenges the large part of suspended solids (SS), having only the supernatant subjected to membrane filtration. Besides that, the combination of a UASB reactor and a sludge digester, the so-called UASB-Digester system, has been shown to be successful for mutual sewage treatment at low temperature and sludge stabilization. Therefore, membrane integration to the UASB-Digester system can be attractive for producing high quality and nutrient-rich effluents for reuse purposes under moderate climate conditions. Based on this general aim, the optimum upflow velocity that will result in an effluent with good filterability is determined in a laboratory-scale UASB reactor for the case of membrane coupled UASB reactor systems. Filterability tests were carried out in order to assess the effect of upflow velocity on subsequent membrane performance. Results indicated a significant impact of upflow velocity on both biological performance and physicochemical effluent characteristics. Operation at a higher upflow velocity caused the washout of colloidal particles. Effluent characterization results coincided with filterability tests. Results showed that filterability of the effluent during the operation at 0.6 m/h was better than that during the operation at 1.2 m/h. The observed differences in protein/carbohydrate ratio (P/C) and particle size distribution (PSD), which play important roles in membrane fouling, lead to the hypothesis that upflow velocity is a critical parameter for effluent filterability in membrane coupled UASB reactors. In subsequent experiments, the membrane was integrated into the UASB reactor and the system was operated as an AnMBR system with an upflow velocity of 0.6 m/h in order to understand the impact of membrane addition on both the biological performance and sludge characteristics. Membrane incorporation induced an accumulation of fine particles and a decrease in extracellular polymeric substances (EPS), resulting in a decrease in PSD and thus, a drop in sludge settleability. Deterioration of sludge settleability led to an increase in sludge washout, with a resultant increase in chemical oxygen demand (COD) and total suspended solids (TSS) concentrations in the UASB effluent. However, SS-free permeate with an average COD of 42 mg/L was obtained and despite the sludge bed deterioration, the average transmembrane pressure (TMP) value was 85 mbar during reactor operation, indicating that no severe membrane fouling occurred in the AnMBR. Following that investigation, the AnMBR was operated at 15 °C in order to investigate whether the membrane coupled UASB is a technically feasible alternative in the treatment of municipal wastewater at lower temperatures. The results showed that membrane fouling at 15 °C was more severe than at 25 °C. Increased COD and soluble microbial products (SMP) concentrations, reduced particle’s diameter, and higher turbidity in the UASB reactor effluent at lower temperature aggravated membrane fouling. However, treatment performance was not considerably affected by temperature possibly due to the retention capacity of membrane. Cake resistance was found responsible for over 40% of the total fouling at both temperatures. However, an increase was observed in the contribution of irreversible fouling resistance to the total filtration resistance (RT) at lower temperature, related to the larger amount of fine particles in the UASB reactor effluent. During the operation at 15 °C, differences were observed in sludge characteristics at different heights along the UASB reactor. The best location in the sludge bed for conveying the sludge from the UASB reactor to the digester needed to be determined. Analysis over the height of the reactor with time showed that TS, volatile solids (VS), TSS and volatile suspended solids (VSS) concentrations in the reactor decreased with height, and highest COD concentration of 46 g/L was observed at the bottom of the reactor. The active biomass remained near the inlet of the reactor; whereas, non-active biomass consisted of loose, suspended particles and flocculents moved towards the top. This was confirmed by the high specific COD consumption rate near the inlet and the poor specific COD biodegradation in the remaining portions of the bioreactor. Apparently, the assumption of a completely mixed sludge bed behavior for the UASB reactor, being part of an AnMBR system, does not hold for this type of reactor systems even at low temperatures, which makes the location in the sludge bed from where the sludge is to be conveyed to the digester of operational importance. Considering the observed sludge bed stratification with regard to sludge stability and solids concentration, the sludge to be recirculated from the UASB reactor to the digester is recommended to be extracted from the sampling point where the sludge has the lowest stability. A low value of stability coincides with a high amount of anaerobic biodegradable organic compounds present in the sludge. Finally, the impact of digester coupling on removal efficiency and filtration performance of the AnMBR was investigated. Digester incorporation remarkably influenced the characteristics of the UASB reactor effluent, resulting in a decrease in turbidity, soluble and total COD and an increase in median particle size (D50), which led to a substantial decrease in the RT. Improved stability and specific methanogenic activity (SMA) of the sludge were achieved in the UASB reactor with an increase in total biogas production of the AnMBR-Digester system. The sludge recirculation from the sampling point having the lowest stability in the AnMBR-Digester system improved both the solids physical removal and the conversion, which confirms the importance of sludge transfer point selection, especially for the filtration performance of AnMBR-Digester systems. Overall, it can be concluded that the UASB reactor is a suitable alternative for coupling membranes in AnMBR systems at 25 °C. Despite the sludge bed deterioration, SS-free permeate with an average COD of 42 mg/L was obtained and the average TMP of 85 mbar was maintained during the operation period, indicating no severe membrane fouling. However, this configuration is not found technically feasible at 15 °C, considering the deterioration of the filtration performance, which would be a bottleneck to the practical engineering application of AnMBRs. Thus, the filtration performance of the investigated single stage AnMBR was limited by the low temperature. In that situation, the results revealed the high potential of the new AnMBR-Digester configuration for treating municipal wastewater at 15 °C, as it couples wastewater treatment and sludge stabilization. Under optimized sludge recirculation conditions, the integrated AnMBR-Digester system represents an efficient technology to mitigate rapid membrane fouling for the low temperature applications of membrane coupled UASB reactors.
Description: Tez (Doktora) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2015
Thesis (PhD) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2015
URI: http://hdl.handle.net/11527/12360
Appears in Collections:Çevre Mühendisliği Lisansüstü Programı - Doktora

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
10092864.pdf3.82 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.