İleri Osmoz Membran Biyoreaktörün Atıksu Arıtım Performansı

Abstract

Su sıkıntısı dünyamızın en kritik problemlerinden birisi olarak gün geçtikçe kendisini göstermektedir. Suya olan ihtiyaç gün geçtikçe artan nüfus ve azalan temiz su kaynaklarının azalması ile 21.nci yüzyılın en önemli problem olarak ortaya çıkmaktadır. Kullanılabilir yüzey sularının arıtımı ve tekrar kullanımı önemli hayati önem taşıyan konuların başında gelmektedir. Bu problem ilave olarak, suyun kontaminasyonu onun amacına uygun olarak kullanımında yeni problemler ve eksiklikler meydana getirmektedir. Bu problemin giderilmesi, suyun arıtılarak yeni teknolojilerin, metotların ve buluşların, örneğin ters osmoz ve membran biyoreaktör prosesleri gibi, su sıkıntısını gidermede kullanılması büyük önem taşımaktadır. Günümüzde membran teknolojilerdeki gelişmeler ile membranların atıksuyun tekrar kullanılmasında istenmeyen kirletici parametrelerin atıksudan uzaklaştırılmasında etkili ve verimli olarak kullanılabileceğini göstermektedir. Bu yeni uygulamalar içerisinde ileri osmoz membran biyoreaktör (Forward Osmosis Membrane Bioreactor, FO-MBR) ileri osmoz (FO) ile membrane biyoreaktör (MBR) proseslerinin bir karışımıdır ve bu tez çalışmasında kullanılmıştır. İleri osmoz doğal bir proses olarak konvansiyonel ters osmoz membran biyoreaktöre göre daha az enerji gereksinimi gösterir. Bu tez çalışmasında ozmotik basınç ile çalışan membran proses üzerine yoğunlaşılmıştır. İleri osmoz (FO) bir membran proses olup doğal osmozu kullanarak suyun az yoğun bir ortamdan daha yoğun bir ortama doğru oldukça seçici bir membrandan geçirerek taşınmasıdır. FO ile MBR proseslerinin bir karışımı olan FO-MBR prosesi daha az enerji ihtiyacı ve konvansiyonel ters osmoz membranlarına göre daha az tıkanma göstermesi bakımından bu çalışmada tercih edilmiştir. Ters osmoz suyu emme gücünü kullanarak taşımasına karşılık, FO-MBR suyu ileriye doğru osmozu kullanarak taşır ve membrandan geçirir. Suyun taşınması draw çözeltisinin (suyun taşındığı çözelti kısmı, çıkış suyu) konsantrasyonunun azalmasına neden olur. Draw çözeltisinin (çıkış suyunun) kalitesi istendiği seyrelme durumuna geldiğinde işlem amacına ulaşmış olmaktadır. Bu çalışmada ters osmoz çıktı çözeltisi FO sisteminde draw çözeltisinin yoğunlaştırılmasında kullanılmak aynı zamanda çıkış suyu çözeltisi içerisinde konsantrasyon azaltılarak istenilen kaliteye ulaşılmaktadır. Suyun yeniden kullanımında yeni uygulanan ileri ozmotik membrane biyoreaktör (FO-MBR) sisteminin taslak yapısı burada verilmektedir. Deneysel sonuçlar draw çözeltisinden aktif çamura doğru oldukça iyi kalitede çıkış suyuna ulaşılabildiğini ve katıların tersine difüzyonunun normal olarak sağlanmadığını göstermiştir. Bu çalışmada 50 mS/cm iletkenlik değerine sahip NaCl çözeltisi draw çözeltisi olarak, TFC-FO düz tabaka membranı FO bölümünde ve Filmtec Dow XLE 4440 RO membranı RO bölümünde kullanılmıştır. Laboratuvar ölçekli pilot FO-MBR sistemi 13 devir (cycle) işletilmiş ve her bir devirde 42 saat FO prosesi ve 2 saat RO prosesi olarak işletilmiştir. Burada herhangi bir atık veya süzüntü suyu çıkmaması önemli olup süzüntü suyu (permeate) tekrar RO sistemine döndürülerek sirküle edilmektedir. Burada amaç hem süzüntü suyu çıktısını önlemek hemde DS (draw solution) konsantre edilerek akının kendisine doğru osmoz ile yönlenmesi FO prosesinde tekrar kullanımı sağlanmakta ve böylece daha yüksek kalitede su temin edilmektedir. FO-MBR sistemi mikrobiyal çeşitliliği mikroskobik olarak izlenmiş ve tanımlanmıştır. Gram negatif ve gram pozitif bakterilerin sistemde baskın olduğu ve tuzlu ortamda hayatiyetlerini sürdürebildiği anlaşılmıştır. Aktif çamurda ayrıca ökaryotik hücrelerinde varlığı tespit edilmiş özellikle silli ve saplı protozoalar, nematodlar ve rotiferlerin sistemde bulunduğu izleme çalışmalarında görülmüşlerdir. Bu mikroorganizmaların 5-7 mS/cm iletkenlik değerlerinde yaşayabildiği, organik karbon, nitrat ve fosfatı yüksek verimlilikle arıtabildiği ölçülerek bulunmuştur. Bu organizmalara farklı ve geniş tuzluluk değerlerine dayanarak yaşayabildiklerinden geniş tuzluluk değerlerinde yaşayabilen mikroorganizmalar (euryhaline) denebilir. Aktif çamur içerisinde filamentli bakteriler ve filamentli mantar hücreleride tespit edilmiş özellikle Nostocoida limicola bakterisi ve bazı filamentli mantarlar seçici koşullarda sistemde gözlenmiştir. Aktif çamur floklarının yapısı oldukça düzgün, sıkı ve iyi çöken özelliklere sahip olduğu tespit edilmiştir. Yüksek iletkenlik değerlerinde flokların daha sıkı ve büyük olması membran porlarının üstüne bu flokların bir ağ gibi kapatması ve porların içinin biyolojik olarak tıkanmaya sebep olmamışlardır. Bu çalışma ile belirli seçilmiş koşullarda membran performansı FO çıkış suyu kalitesinin ölçülerek izlenmesi ve aynı zamanda biyoreaktördeki aktif çamur mikroorganizmaların yapısı, koşullara uyum ve adaptasyonu ve membranların tıkanmasına neden olan etkilerinin araştırılması hedeflenmiştir. Bu araştırma sonucunda FO-MBR sisteminin organik karbonun % 85’ini, fosfatın % 96’sını ve nitratın % 79’unu giderdiği bulunmuştur. Ayrıca FO membranının bu işletim koşullarında önemli bir biyolojik tıkanıklılık (biyofouling) belirtisi göstermediği yapılan membran analiz sonuçlarından anlaşılmıştır.

Water shortage is a most critical issues in our world. In 21st century, interest of water is getting higher step by step in light of expanding population and constrained supplies. Treatment and reuse of accessible water is a vital issue. Likewise, treatment and reuse of available water is an important issue for providing water. Subsequently, it is important to recover water from utilized water or wastewater to beat the water lack issue through cutting edge innovations, for example, reverse osmosis process and membrane bioreactor. At present, membrane innovation is favored for wastewater recovery as a result of its high contaminant dismissal and water efficiency. Forward osmosis membrane bioreactor (FO-MBR) is a blend of forward osmosis (FO) and membrane bioreactor (MBR) to treat wastewater. It requires lower energy when compared to the conventional MBR, because of using natural process. This work concentrated on imaginative utilizations of osmotically-driven membrane process. The forward osmosis (FO) procedure is a membrane process that uses the natural osmosis process for water transport from a dilute solution to a concentrated solution over an exceptionally high selective membrane. Forward osmosis membrane bioreactor (FO-MBR) which is the blend of FO and MBR procedure is as of late examined and proposed as an option strategy to treat wastewater as a result of its lower energy necessity and lower membrane fouling with the ordinary MBR. While MBR uses suction power to create effluent, FO-MBR uses an osmotic driving power produced by the draw solution, transporting water through the FO membrane. The transportation of water dilutes the draw solution. At the point when the draw solution is adequately diluted, a post-treatment process, in current study reverse osmosis (RO) is using, could be utilized to reconcentrate the draw solution for reuse in the FO process and at the same time deliver high quality water. It has been reported that both reversible and irreversible membrane fouling were not severe in FO process (Cornelissen et al., 2008). The novel forward osmotic membrane bioreactor (FOMBR) framework for water reuse was displayed. Test results exhibited high reasonable flux and moderately low reverse diffusion of solutes from the draw solution into the activated sludge. In current frstudy, according to (Achilli et all., 2009) draw solution is selected NaCl with the conductivity of 50 ms/cm, by using the flatsheet polyamide TFC-FO membrane for FO section and using the Filmtec Dow XLE 4440 RO membrane for RO pocess. The lab scale FOMBR has been operated in 13 cycles, each cycle contain 42 hour for FO process, 2 hour for RO process. It is nice to mention that there is not any waste it this system, because of the circulation in RO system, which is cuse to reconcentrate the draw solution for reuse in the FO process and at the same time produce high quality water. In this study focused on membrane performance in selective condition, analysis the FO effluent water and also investigate the microorganisms and membrane characterization. Microbial diversity of the FO-MBR system has been very microscopically monitored and defined. It has been found that gram negative and gram positive bacteria were dominant and survived in the system. There were also some eukaryotic cells such as ciliated and attached protozoa, some nematodes and rotifers in the system. They were used to resist 5-7 mS/cm concuctivity values and very effective removing organic carbon, nitrate and phosphate. It can be said that microorganisms in the activated sludge were euryhaline resisting broad range of conductivity (salinity) concentrations. Filamentous microorganisms, Nostocoida limicola and some fungi filamentous forms have been observed under the selective conditions. The floc structure of the activated sludge was very compact, dense and settling very well. Because of the high salinity values, we may conclude as flocs have got bigger and made net structures on the membrane as a blanket so they have not caused pore fouling. As a result the FO-MBR system was found to remove greater than 85% of organic carbon, 96% phosphate removals and 79% nitrate. Also FO membrane characterization analysis did not express significantly fouling during the operation in FO membrane.