Anaerobik Membran Biyoreaktör Sistemlerinde Dinamik Membranların Uygulanması

Abstract

Anaerobik membran biyoreaktörler (AnMBR), membran filtrasyon prosesi sayesinde biyokütlenin fiziksel olarak reaktör içerisinde tutulmasını sağlamaktadır. Aerobik membran biyoreaktör (MBR) uygulamalarındaki artışla birlikte, özellikle enerji verimli atıksu arıtımı konusunda sağladığı avantajlar dikkate alındığında, membran ve anaerobik proseslerin bir arada kullanılması konsepti her geçen günü daha çok ilgi çekmekte ve fizibil hale gelmektedir. MBR prosesinde karşılaşılan en önemli zorluklar özellikle tam ölçekli sistemlerde öne çıkan membran maliyetleri, tıkanma ve düşük akı eldesidir. Dinamik membran (DM) teknolojisi MBR proseslerde görülen sorunların ortadan kaldırılmasını sağlayacak yenilikçi bir yaklaşım olarak kabul edilmektedir. DM teknolojisinin sağlayacağı en önemli faydalardan biri katı madde gideriminin uygun bir destek malzemesi üzerinde kendiliğinden oluşabilen ve ikincil membran olarak da adlandırılan DM tabakası ile gerçekleştirilmesi ve bunun sonucunda destek malzemesi olarak kullanılan membranın filtrasyonda rol almamasıdır. DM tabakasının oluşturulmasında destek malzemesi olarak mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon membranları yerine çeşitli tipte ve yapıda tel örgü şeklinde, dokunmuş veya dokunmamış kumaş malzemeler kullanılabilmektedir. Bu sayede, membran maliyetleri düşük seviyelere çekilebilecektir. Bununla birlikte biyogaz üretimi de dikkate alındığında, dinamik AnMBR (AnDMBR) prosesi atık(su) arıtımında cazip hale gelecektir. Bu çalışmanın temel amacı, AnMBR prosesinde DM teknolojisinin konsantre atıksu arıtımına uygulanabilirliğinin incelenmesidir. Ayrıca bu çalışma, DM tabakası oluşumunun ve farklı koşullar altındaki filtrasyon karakteristiklerinin değerlendirilmesi yoluyla DM teknolojisi hakkındaki bilgi birikimine önemli katkılar sağlayacaktır. Bu çalışmada, membran konfigürasyonunun giderim verimi ve DM filtrasyonu üzerindeki etkilerini belirleyebilmek amacıyla batık ve harici membran modülleri kullanılmıştır. Substrat olarak KOİ konsantrasyonu 20 g/L olan sentetik konsantre atıksu kullanılmıştır. Tekli filament (monofilament), çoklu filament (multifilament) ve kısa iplik (staple) yapısına sahip destek malzemesi (filtresi) kullanılarak, DM oluşumuna en uygun destek malzemesi ve bu malzemenin özellikleri bulunmuştur. Bunun yanı sıra, en iyi giderim veriminin ve süzüntü kalitesinin elde edilebileceği işletme koşullarının tespiti amacıyla düşük akıda ve mezofilik şartlarda farklı işletme koşulları test edilmiştir. Ayrıca, destek malzemesini maliyet değerleri de arıtılan atıksu hacmi başına hesaplanarak verimiştir. Bu çalışmada elde edilen sonuçlara göre destek malzemesinin özellikleri, fitre üzerinde etkili bir DM (kek) tabakasının oluşumu açısından kritik rol oynamaktadır. Staple ve monofilament filtreler kullanılarak multifilament malzemeye göre daha yüksek kritik akılar elde edilmiştir. Farklı destek malzemelerin kıyaslanması sonucunda staple filtrenin derin filtrasyona, monofilament filtrenin ise yüzeysel filtrasyona daha uygun olduğu tespit edilmiştir. Bu nedenle, monofilament filtre DM teknolojisinde kullanım açısından daha uygundur. Bu çalışma sonucunda DM filtrasyon teknolojinin MBR’ler için en önemli dezavantajlardan biri olan tıkanma problemini bir avantaja çevirebileceği görülmüştür. Mikrofiltrasyon veya ultrafiltrasyon membranlarına alternatif olarak, polipropilen monofilament filtre malzemesinin DM tabakası oluşumu vasıtasıyla filtrasyon amaçlı kullanılabileceği görülmüştür. AnDMBR ile % 99’un üzerinde organik madde giderimi ve partiküler madde tutulması gerçekleştirilmiştir. Bunun yanında, DM tabakasıyla % 66’nın üzerinde çözünmüş KOİ giderimi ve % 55-87 aralığında uçucu yağ asiti giderimi sağlanmıştır. Bu sonuçlar dikkate alındığında, AnDMBR’lerin uzun dönemde stabil olarak işletilebileceği ortaya konmuştur. Çamur bekletme zamanı (SRT), AnDMBR’lerin işletilmesinde önemli bir faktör olarak tespit edilmiştir. SRT, çözünmüş mikrobiyal ürünler (SMP) ve hücre dışı polimerik madde (EPS) konsantrasyonu, protein/karbonhidrat oranı, çamur partikül boyutu, DM tabakası oluşumu ve çamurun filtre edilebilirliği üzerinde önemli etkilere sahiptir. EPS; protein, polisakkarit, lipid, nükleik asit ve hümik asit gibi başlıca hücre yüzey maddelerinden oluşmakta ve membran yüzeyini kaplayarak çamur floklarının bir arada tutulmasını sağlamaktadır. EPS kompozisyonunun partikül flokülasyonu üzerinde önemli bir pozitif etkisi olduğu görülmüştür. Bu etki direkt olarak reaktör içindeki çamurun partikül boyut dağılımını belirlemektedir. Kısa SRT’lere kıyasla daha uzun SRT’lerde, biyoreaktör içinde daha düşük EPS konsantrasyonu beklenmektedir. Bu çalışmada, DM tabakasının kalınlığının kontrol edilmesi amacıyla geri yıkama ve biyogaz sıyırma yöntemleri birlikte kullanılmıştır. DM tabakasının kalınlığının kontrolü, stabil bir işletme ve yüksek süzüntü suyu kalitesi eldesi için hayati önem taşımaktadır. DM tabakasıyla gerçekleştirilen organik madde ve partiküler madde gideriminde, DM tabakasındaki biyokütle aktivitesinin ve DM tabakasının fiziksel tutma kapasitesinin birlikte rol aldığı düşünülmektedir. Mikrobiyal analiz sonuçları incelendiğinde, bakteri ve arkea için mikrobiyal çeşitlilik ve zenginliğin DM tabakasında yüksek olduğu ve DM’deki mikrobiyal popülasyonun biyoreaktör içerisindeki çamurdan farklı olduğu tespit edilmiştir. DM üzerinde yapılan morfolojik analizlerin sonuçları göz önünde tutulduğunda, DM tabakasının organik ve inorganik maddelerden oluştuğu görülmektedir. Bu maddelerin başlıcaları; çamur partikülleri, SMP, EPS, Ca, N, P ve Mg çökeltileridir. Ayrıca, kek tabakası altında kısmi bir jel tabakası oluşumu tespit edilmiştir. SMP ve bağlı EPS’nin DM tabakası içinde yüksek miktarda birikmesi, sıkı bir kek tabakası oluşumu ve yüksek giderim verimi sağlamaktadır. Organik madde birikimi, SRT gibi işletme koşulları ile yakından ilgilidir. Bu çalışma sonucunda batık ve harici AnDMBR sistemlerinde yüksek KOİ giderme verimleri elde edilmiştir. Bununla beraber, batık AnDMBR konfigürasyonu ile daha yüksek süzüntü suyu kalitesi elde edilmiştir. Membran konfigürasyonunun giderim verimi ve filtrasyon performansı üzerine etkisi incelendiğinde, stabil bir giderim verimi ve süzüntü suyunda düşük çözünmüş KOİ konsantrasyonu elde etmek amaçlı etkin bir DM tabakası oluşturmak için harici AnDMBR ile, batık AnDMBR’ye göre, daha uzun süreye ihtiyaç olduğu görülmüştür. Bu nedenle, sistemi devreye alma süresinin kısa tutulması gerektiği durumlarda batık AnDMBR uygulanması daha uygundur. Batık konfigürasyonda, harici konfigürasyona göre daha yüksek metan üretim hızı ve metan verimi elde edilmiştir. Bu durum harici AnDMBR sisteminde yapılan çamur sirkülasyonunun olumsuz etkisini göstermektedir. Buna karşın, DM kalınlığının ve dolayısıyla transmembran basıncının azaltılmasında, batık AnDMBR sisteminde tabandan uygulanan biyogaz sıyırma işlemine nazaran harici konfigürasyonda uygulanan çamur sirkülasyonunun daha etkili olduğu görülmüştür. Harici AnDMBR ile konsantre atıksu arıtımında farklı gaz sıyırma hızlarında (GSV) yapılan testler sonucunda, her ne kadar toplam filtrasyon direnci azalan GSV ile artsa da, GSV’den bağımsız olarak %99’un üzerinde organik madde giderim verimi elde edilmiştir. Toplam filtrasyon direnci başlıca DM direncinden kaynaklanmaktadır. Farklı organik yükleme hızlarında yapılan testler sonucunda, 3,6 kg KOİ/m3.d yükleme hızında AnDMBR ile yüksek KOİ giderim verimi elde edildiği görülmüştür. Bu tez kapsamında elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, DM teknolojisinin stabil ve yüksek kalitede süzüntü suyu kalitesi elde etmek amacıyla başarıyla kullanılabileceği görülmüştür. Konsantre atıksu arıtımında AnDMBR’ler güvenilir ve yeterli bir arıtım sağlama potansiyeline sahiptir. Destek malzemesi açısından düşük ilk yatırım maliyeti ve biyogaz yoluyla enerji üretimi dikkate alındığında, yüksek akı gerekmeyen durumlar için, örneğin çamur veya konsantre endüstriyel atıksu arıtımı gibi, AnDMBR’ler fizibil bir arıtma teknolojisi olarak kullanılabilecektir. Bu sonuçlara rağmen, AnDMBR’ler üzerine yapılmış olan çalışmalar halen sınırlıdır. DM teknolojisi için uzun dönemli uygulanabilirlik çalışmalarına daha fazla ihtiyaç vardır. Özellikle tam ölçekli sistemlerde sürdürülebilir bir filtrasyon eldesi için DM tabakası kontrol metotları ve biyoreaktör içi çamur özelliklerinin DM filtrasyon karakteristikleri üzerine etkileri konularında çalışmalar yapılması faydalı olacaktır.

Anaerobic membrane bioreactors (AnMBRs) physically ensure biomass retention by the application of a membrane filtration process. With growing application experiences from aerobic membrane bioreactors (MBRs), the combination of membrane and anaerobic processes has received much attention and become more attractive and feasible, due to advantages provided by the combination with regard to developments for energy-efficient wastewater treatment. The major drawbacks of MBR technology are related with membrane costs, especially for the full-scale applications, fouling and low flux. Dynamic membrane (DM) technology may be a promising approach to resolve the drawbacks encountered in MBR processes. One of the most important potential benefits of DMs is that the membrane itself may be no longer necessary, because solids rejection is accomplished by the secondary membrane layer that can be formed and re-formed as a self-forming DM in situ. Different kinds of materials such as mesh, woven or nonwoven fabric instead of microfiltration and ultrafiltration membranes can be used as the support layer for creating DM. In this way, the replacement of the membrane by a low cost filter material is possible. By decreasing membrane cost and generating energy, dynamic AnMBRs (AnDMBRs) would be attractive for waste(water) treatment. The main aim of this study was to investigate the applicability of DM technology for the treatment of concentrated wastewaters in AnMBRs. Moreover, this thesis provides additional information and understanding of DM technology, including assessment of DM formation and filtration characteristics under different conditions. Submerged and external membrane module configurations were used in order to determine the effect of the configuration on removal efficiency and DM filterability. Synthetic concentrated wastewater with an average COD concentration of 20 g/L was used as the substrate. Determination of an optimal support material and investigations about its structure were achieved by testing various types of support materials including monofilament, multifilament and staple yarn types. Besides, different operating conditions were tested at low fluxes under mesophilic conditions to determine the optimal operation conditions enabling the optimal removal efficiency and permeate quality. Moreover, cost estimation in terms of support material acquisition was also presented. The results show that support material properties were critical for the formation of an effective dynamic membrane (cake) layer over the filter surface. The critical fluxes obtained with the staple and monofilament filter cloths were higher than those obtained with multifilament material. The results indicate that staple filter cloth was more suitable for depth filtration, whereas mono-monofilament filter was more suitable for surface (cake) filtration. Thus, mono-monofilament filter was considered more appropriate for DM technology. The results presented in this thesis show that the DM filtration concept can turn one of the most important disadvantages of MBRs, membrane fouling, into an advantage. Polypropylene mono-monofilament filter cloth was used to form a dynamic membrane (cake) layer and to provide filtration by this self-forming layer as an alternative to microfiltration or ultrafiltration membranes. The AnDMBR achieved over 99% organic matter removal and particulate matter retention. Moreover, over 60% soluble COD removal and over 50% VFA removal were obtained by the DM layer. Considering the results of this research, it was shown that a stable operation with AnDMBRs could be possible for a long period. Sludge retention time (SRT) was found an important factor in AnDMBRs that had a significant effect on soluble microbial products (SMP) and extracellular polymeric substances (EPS) production, protein/carbohydrate ratio, particle size of the sludge, DM layer formation and bulk sludge filterability. Bound EPS is mainly composed of cell surface materials, including proteins, polysaccharides, lipids, nucleic acids and humic acids. EPS keeps the sludge flocs together on the membrane surface by surrounding them. EPS had a significant positive effect on particle flocculation and thus, particle size distribution in the bulk sludge. Prolonged SRT resulted in lower EPS concentrations in the bulk sludge compared to short SRTs. A combination of backwashing and biogas sparging enabled the control of DM layer thickness, which is of great importance to obtain a stable operation and high quality permeate. A combined effect of biomass activity and physical retention capacity through the cake layer might be responsible for the removal of organic matter and retention of particulate matter by the DM layer. Pyrosequencing analyses showed that diversity and richness of the microbial communities including bacteria and archaea in the DM layer were high and microbial population composition in the DM layer was different compared to the bulk sludge in the AnDMBR. Following the DM layer morphological analyses results, the DM layer was formed by both organic and inorganic materials, such as sludge particles, SMP, EPS, Ca, N, P, and Mg precipitates. Moreover, a partial gel layer formation under the cake layer was detected. Accumulation of SMP and bound EPS in the DM layer in high amounts led the formation of a dense cake layer and effective retention. Accumulation of organic matters is also related with operating conditions such as SRT. This research also showed that although slightly better permeate quality in terms of COD concentration was obtained by submerged AnDMBR, high COD removal efficiencies were achieved in both submerged and external AnDMBR configurations. Comparison of the effects of membrane configuration on treatment and filterability performance showed that more time was needed in the external AnDMBR in order to form an effective DM layer enabling a stable removal efficiency and low soluble COD concentration in the permeate. Therefore, submerged AnDMBR configuration appears more suitable when a short start-up period is necessary. Higher methane production rate and methane yield were obtained in the submerged configuration compared to the external configuration reflecting the negative effect of sludge recirculation in the external DM configuration. Conversely, sludge recirculation in the external configuration was more effective in decreasing DM thickness, thus transmembrane pressure, than the bottom biogas sparging in the submerged configuration. Considering the tested different gas sparging velocities (GSVs), over 99% organic removal was obtained with the external AnDMBR configuration for high strength wastewater treatment irrespective of the GSV, although total filtration resistance increased with decreasing GSV. Total filtration resistance mainly consisted of the resistance by the DM layer that provided effective and stable treatment. Following the organic loading rate study, the AnDMBR achieved high COD removal efficiency at 3.6 kg COD/m3.d. In conclusion, following the results obtained in this study, DM technology achieved a stable and high quality permeate. Thus, AnDMBRs can be used as a reliable and satisfactory treatment technology for treatment of high strength wastewaters. Low capital costs of support material and energy generation can make AnDMBRs feasible for those situations in which a high flux is not necessary, such as sludge and slurry treatment or highly concentrated industrial wastewater treatment. However, research on AnDMBRs is still very limited. Long-term applicability and reliability of the DM applications need further research, focusing on cake layer control methods to allow satisfactory DM layer formation as well as on the effect of sludge properties on DM filtration characteristics for large-scale applications.