Membran biyoreaktörü (MBR) ile evsel atıksu arıtımı
Domestic wastewater treatment with membrane bioreactor (MBR)
- Tez No: 213361
- Danışmanlar: DOÇ.DR. MEHMET KİTİŞ, DOÇ.DR. ÖZER ÇINAR
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Aktif çamur, atıksu arıtımı, atıksu geri kazanımı, çözünmüş hücre ürünleri, (SMP), geri yıkama, hücre dışı polimerik maddeler (EPS), membran biyoreaktör (MBR), ÖFD, polimer, susuzlaştırma, tıkanma, Atık su arıtma, Membran reaktör, Activated sludge, backwash, dewaterability, extracellular polymeric substances (EPS), fouling, membrane bioreactor (MBR), polymer, recovery, soluble microbial product (SMP), specific cake resistance (SCR), wastewater treatment, Waste water treatment, Membrane reactor, Dewatering
- Yıl: 2007
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Süleyman Demirel Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Yapılan doktora tez çalışmasında; 1) Membran biyoreaktör (MBR) sisteminin değişken karakterli evsel atıksulardaki arıtma performansı, 2) Farklı biyokütle ve işletim şartlarında işletilen MBR sisteminde membran tıkanmalarının belirlenmesi, 3) MBR sisteminin geri yıkama süreleri ve sıklıklarının optimize edilmesi ve 4) MBR sisteminde oluşan çamurun susuzlaştırılması konularını içeren 4 fazda deneysel ve teorik araştırmalar yapılmıştır. Söz konusu 4 faz çalışmasında da pilot ölçekli batık MBR sistemi olarak ZW-10® (Zenon Environmental Inc., GE Water&Process Technologies) ünitesi kullanılmıştır. Batık sistem, gözenekli fiber membran modülüne sahip ünite sürekli akışlı besleme ile 19 ay boyunca çalıştırılmıştır. Aerobik biyolojik oksidasyon ve ultrafiltrasyon kademeleri tek proses tankı içinde gerçekleştirilmiştir. MBR ünitesinde aerobik organik karbon giderimi ve nitrifikasyon hedeflenmiştir. MBR sistemi ilk 3 ayda sadece izleme, kontrol ve biyolojik aklimasyona ulaşılması için çalıştırılmıştır. Bu süreden sonraki 8 ayda SDÜ kampüsü öğrenci yurtlarından kaynaklanan günlük ve dönemsel olarak değişken karakterli evsel atıksuların MBR sistemiyle arıtılabilirliği araştırılmıştır. Son 8 aylık dönemde ise ikinci, üçüncü ve dördüncü faz çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Birinci faz arıtılabilirlik çalışmaları kapsamında MBR sistemi 3 farklı işletim aşamasında çalıştırılmıştır: 1) sonsuz çamur yaşı (SRT), normal akı değeri: 25 L/m2-saat; 2) SRT: 20 gün, normal akı değeri: 25 L/m2-saat; 3) SRT: 20 gün, yüksek akı değeri: 39 L/m2-saat. MBR sisteminin işletildiği 8 ay boyunca giriş atıksuyu karakterleri aşırı salınımlar göstermiştir. Bu salınımlara ve özellikle 1. aşamadaki çok düşük atıksu sıcaklıkları (6 ?C) ve giriş suyundaki ani tuzluluk artışlarına rağmen MBR sistemi tüm işletim boyunca çok yüksek arıtma performansı sergilemiştir. Arıtma performansı F/M (substrat/biyomas oranı), organik yükleme hızı, spesifik substrat giderim hızı ve çözünmüş oksijen gibi diğer parametrelerdeki salınımlardan da olumsuz etkilenmemiştir. Üç işletim aşamasında da arıtma veriminin, test edilen SRT, MLSS ve işletim akılarından bağımsız olduğu bulunmuştur. Normal ve yüksek akı aşamalarında 8 aylık işletim boyunca membranlarda geri dönüşümsüz tıkanma olmamıştır. Ayrıca, normal akıda 6 aylık işletim süresince, süzüntü suyu ile rutin geri yıkama dışında kimyasal membran temizliğine ihtiyaç duyulmamıştır. 2 ay boyunca 39 L/m2-saat gibi çok yüksek akı işletiminde bile, 2 defa kimyasal temizlik yapılmıştır. Genel itibariyle, 8 ay süreyle işletilen pilot ölçek MBR sistemi ile tıkanma ve permeabilite azalması gibi işletim zorlukları ile karşılaşılmadan, giriş atıksuyu karakterlerindeki aşırı salınımlara rağmen, MBR prosesi ile sorunsuz bir şekilde çok yüksek kalitede arıtılmış su elde edilebileceğini göstermiştir. Doktora çalışması ikinci fazında değişken karakterli evsel atıksuların arıtımını yapan pilot ölçek batık MBR sisteminde çeşitli biyokütle karakterleri (MLSS, MLVSS, hücre dışı polimerik maddeler (EPS), çözünmüş mikrobiyal ürünler (SMP), partikül boyutu dağılımı) ve işletim iv şartlarında (havalandırma hızı (UG), işletim akısı) tıkanma eğilimlerinin ve kritik akıların tayin edilmesi amaçlanmıştır. Kritik akı ve tıkanmalar deneysel olarak kademeli akı metoduyla tespit edilmiştir. Tıkanma davranışları 5 farklı MLSS konsantrasyonunda ve dört UG değerinde incelenmiştir. MBR sisteminin farklı MLSS konsantrasyonlarındaki biyokütle karakterizasyonu, EPS ve SMP nin hem protein hem de karbonhidrat fraksiyon konsantrasyonlarının MLSS konsantrasyonlarının artışıyla arttığını göstermiştir. Diğer taraftan MLSS konsantrasyonlarının artmasıyla partikül boyut dağılımı değişmiş ve ortalama partikül boyutu küçülmüştür. EPS ve SMP nin karbonhidrat fraksiyonlarının protein fraksiyonlarından daha fazla tıkamaya sebep olduğu görülmüştür. Tüm MLSS seviyelerinde artan havalandırma hızları tıkanma kontrolünde pozitif bir etki sergilemiştir; ancak artan MLSS seviyelerinde etki derecesi azalmıştır. MBR sisteminin işletim akısı kritik akı değerinden küçük ise akının tıkanma hızına etkisi küçüktür ve bu trend MLSS konsantrasyonundan bağımsızdır. Artan MLSS konsantrasyonu tıkanma hızını arttırmış ve dolayısıyla permeabilite değerlerini önemli oranda düşürmüştür. Sonuç olarak işletim akısı değeri kritik akı değerinin üzerinde olması durumu, artan MLSS konsantrasyonlarına bağlı olarak EPS'in hem protein hem de karbonhidrat konsantrasyonlarının yüksek olması, biyokütle içerisindeki partiküllerin boyutlarının küçülmesi ile birlikte membran tıkanmaları artmıştır. Doktora çalışmasının üçüncü fazında MBR sisteminde farklı geri yıkama şartlarının/ senaryolarının membran tıkanmalarına olan etkilerinin tayini ve optimum geri yıkama senaryosunun belirlenmesi amaçlanmıştır. Yedi farklı geri yıkama senaryosunun, tıkanma kontrolü üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Deneysel çalışmalar 6600-6800 mg/L MLSS konsantrasyonu ve 0,101 m/s UG değerinde yürütülmüştür. Yüksek tıkanma hızı değerleri her senaryoda kritik akı üzerindeki akı (>25-30 L/m2-saat) değerlerinde gözlenmiştir. Kritik akının altındaki akılarda, benzer filtrasyon ve geri yıkama frekansları olan senaryolarda tıkanma hızları devamlı ve tutarlı bir şekilde (<1 mbar/dakika) düşük değerlerde bulunmuştur. Filtrasyon ve geri yıkama sürelerinin her ikisinin de ortalama toplam membran direnci ile doğrusal olarak ilişkili olduğu bulunmuştur. Geri yıkama süresinin artırılması, her kademe akısı için toplam membran direncini azaltırken, sabit geri yıkama sürelerinde filtrasyon süresinin artması dirençleri önemli ölçüde artırmıştır. Ancak, toplam dirençlere filtrasyon sürelerinin negatif etkileri geri yıkama sürelerinin pozitif etkilerinden daha belirgindir. Filtrasyon/geri yıkama süresi oranı ve toplam membran direnci arasında bulunan güçlü korelasyon (R2: 0,96) rutin geri yıkama uygulanan batık MBR'larda tıkanma kontrolü optimizasyonunda bu oranın etkili bir araç olabileceğini göstermektedir. Senaryo 4 (9 dakika 55 saniye filtrasyonu takiben 5 saniye geri yıkama) ve 5 (9 dakika 45 saniye filtrasyonu takiben 15 saniye geri yıkama), tıkanma kontrolü ve net günlük süzüntü suyu üretim hacmine dayanarak optimum senaryolar olarak bulunmuştur. Doktora tezinin dördüncü fazında MBR çamurunun ve konvansiyonel aktif çamurla (KAS) karıştırılmış MBR çamurunun (karışık çamur) susuzlaştırılabilirliğinin araştırılması amaçlanmıştır. Ayrıca değişik polimer çeşitleri ve dozlarının, çamur özelliklerinin, filtre kağıdı çeşidinin hem MBR çamurunun hem de karışık çamurun susuzlaştırılabilirliği üzerindeki etkileri belirlenmiştir. Susuzlaştırılabilirliğin göstergesi Buchner hunisi yöntemi kullanılarak, özgül filtre direnci (ÖFD) parametresiyle ölçülmüştür. Filtre kağıdı türünün susuzlaştırılabilirlik testlerinin sonuçları üzerinde çok büyük bir etkisinin olduğu bulunmuştur. ÖFD değerleri ve optimum polimer dozları artan MLSS konsantrasyonu ile artmıştır. Çünkü yükselen MLSS konsantrasyonunun beraberinde getirdiği yüksek EPS ve SMP konsantrasyonları ve küçülen partikül boyut dağılımı çamur susuzlaştırmanın zorlaşmasına sebep olmuşlardır. KAS ve MBR çamurlarının farklı oranlarda karıştırılması KAS çamurlarının susuzlaştırılabilirliğini iyileştirmiştir. Katyonik polimerler anyonik ve iyonik olmayan polimerlere nazaran tüm çamur tipleri için (MBR, KAS ve karışık çamurlar) daha iyi susuzlaştırma performansı göstermişlerdir.
Özet (Çeviri)
This doctoral thesis work mainly contained lab- and pilot-scale research and was conducted in four major phases: 1) The treatability of domestic wastewater with diurnally and seasonally variable characteristics using a pilot-scale membrane bioreactor (MBR), 2) Determination of the membrane fouling in MBR system operated with different biomass and operating conditions, 3) Optimization of the backwash durations and frequencies of the MBR system, 4) Dewaterability studies of the MBR sludge. A pilot-scale MBR unit (ZW-10®, Zenon Environmental Inc., GE Water&Process Technologies) was used during the study. The single-tank unit, containing an immersed hollow fiber ultrafiltration (UF) membrane module, was continuously operated aerobically for 19 months for carbon removal and nitrification, and the aerobic biological oxidation and ultrafiltration for biomass separation were performed in this single tank. MBR system was operated for monitoring, controlling and biological acclimation during the first 3 months. During the following 8 months, treatability of domestic wastewater from university student dormitories with diurnally and seasonally variable characteristics was investigated. In the last 8 months, second, third and fourth phases of the study were completed. A total of three major operational stages were tested during the first-phase of the study: 1) no sludge wastage, flux: 25 L/m2-h; 2) solids retention time (SRT): 20 d, flux: 25 L/m2-h; and 3) SRT: 20 d, flux: 39 L/m2-h (high flux conditions). The characteristics of raw wastewater exhibited both diurnal and seasonal variations during operation. Although the influent characteristics were highly variable including sudden increases in total dissolved solids (TDS) and the wastewater temperatures were as low as 6 oC during winter months, the MBR system performed well throughout its eight months of operation. The treatment performance was not negatively influenced by variations in operational parameters including F/M ratio, organic loading rate, specific substrate removal rate, and dissolved oxygen concentrations. The performance was independent of tested SRT, mixed liquor suspended solids (MLSS) concentrations and flux values in 3 operational stages. In both normal and high flux stages, irreversible fouling of membranes did not occur during the eight months of operation. Furthermore, no chemical cleaning was performed during the six months of operation at normal flux, except routine back-pulses with permeate. Even for the high flux operation (39 L/m2-h) continued for two months, chemical maintenance cleaning was only employed two times. Overall, eight months of pilot-scale tests indicated the robustness of MBR process in terms of achieving very high quality of treated water without any operational limitations including fouling and permeability reduction problems. The main objective of the second phase of the study was to determine the impacts of various operational conditions (aeration velocity (UG), operating flux) and biomass characteristics (MLSS, MLVSS, extracellular polymeric substances (EPS), soluble microbial products (SMP), particle size distribution) on membrane fouling and critical flux in the pilot-scale, submerged MBR,. Critical flux and levels of fouling was determined by the flux step method. Fouling behavior was studied at five different MLSS concentrations and four different aeration velocities at each MLSS concentration. Concentrations of both protein and carbohydrate fractions of EPS and SMP increased with increasing MLSS concentrations. Also, the distribution of particle sizes shifted toward smaller particles and the mean particle size decreased as the MLSS concentrations increased. Carbohydrate fractions of both EPS and SMP contributed to fouling more than protein fractions. Aeration velocity exhibited positive impacts on fouling control at all MLSS concentrations; however, the degree of this impact decreased significantly with increasing MLSS concentrations. The impact of flux on fouling rate was small as long as the operating flux was less than critical flux, a trend found independent of MLSS concentration. Increasing MLSS concentration significantly decreased permeability values and increased fouling rates. It was concluded that membrane fouling was increased by increasing operating flux (beyond the critical flux), increasing MLSS concentration (thus the concentrations of both carbohydrate and protein fractions of EPS) and smaller particle sizes. In the third phase of the study, the impacts of various backwash scenarios on fouling and optimum backwash scenario in a MBR were determined. The effects of seven different backwash scenarios on fouling control were tested. Experimental studies were conducted at the MLSS values in the range of 6600-6800 mg/L and UG value of 0.101 m/s. A higher rate of fouling was observed above critical flux (>25-30 L/m2-h) for all scenarios. For scenarios with the similar filtration and backwash frequencies at the fluxes under the critical flux, fouling rates were always found lower (<1 mbar/minute). It was found that filtration and backwash durations both correlated with the average total membrane resistances. While increasing backwash duration decreased total membrane resistances for all the flux-steps, increasing filtration duration at constant backwash duration significantly increased resistances. However, the negative impacts of filtration duration on resistances were more pronounced than the positive impacts of backwash duration, i.e., as the ratio of filtration/backwash duration increased resistances also increased linearly. The strong correlation found among this ratio and the total membrane resistance suggests that the use of this ratio may be an effective tool in the optimization of fouling control in submerged MBRs employing routine backwashing. Scenarios 4 (9 min 55 s of filtration followed by 5 s of backwash) and 5 (9 min 45 s of filtration followed by 15 s of backwash) were found to be optimum based on fouling control and net daily volume of permeate production. In the fourth phase of the study, the dewaterability of MBR sludge and its mixture with conventional activated sludge (CAS) was investigated. In addition, the impacts of type and dose of various polymers, filter type and sludge properties on the dewaterability of both MBR and mixed sludges were determined. Specific cake resistance (SCR) measured by the Buchner funnel filtration test was used to assess the dewaterability of tested sludges. The type of filter paper used in dewaterability tests strongly affected dewaterability. SCR values and optimum polyelectrolyte doses increased with increasing MLSS concentrations in the MBR, which suggested that increase in MLSS concentrations accompanied by increases in EPS and SMP concentrations and a shift toward smaller particles caused poorer dewaterability of the MBR sludge. Combining CAS and MBR sludges at different proportions generally improved the dewaterability of CAS sludge. Better dewaterability performance was achieved with cationic polymers compared to anionic and non-ionic ones for all sludge types tested.
Benzer Tezler
- Investigation of elevated process temperature on nitrification efficiency in leachate MBR plant using simulation tools
Simülasyon araçları kullanarak sızıntı suyu MBR tesisinde yüksek proses sıcaklığının nitrifikasyon verimliliği üzerindeki etkisinin araştırılması
SERAP TÜRK
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
- Dynamic membranes in aerobic membrane bioreactor systems for municipal wastewater treatment
Dinamik membranların kullanıldığı havalı membran biyoreaktör sistemleri ile kentsel atıksu arıtımı
ONUR IŞIK
Doktora
İngilizce
2021
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İBRAHİM DEMİR
DOÇ. DR. HALE ÖZGÜN ERŞAHİN
- Membran biyoreaktörler ile evsel atıksu arıtımında mikrokirletici gideriminin incelenmesi
Investigation of micropollutant removal from municipal wastewater by membrane bioreactors
MELEK ÇAĞLA ERBİL
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALE ÖZGÜN ERŞAHİN
- Impact of different inoculum sources on performance of MBRs for municipal wastewater treatment: Dynamic membrane versus ultrafiltration membrane
Evsel atıksu arıtımında farklı aşı çamurlarının MBR'lerin performansı üzerindeki etkisi: Dinamik membran ve ultrafiltrasyon membran kıyaslaması
ALİ İZZET CENGİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Pilot tests with mbr system for wastewater treatment and production of process water from wastewater with integrated MBR-NF, MBR-RO processes
Atıksu arıtımı için mbr sistemiyle yapılan pilot çalışmalar ve bütünleşik MBR-NF, MBR-RO prosesleri ile atıksudan proses suyu üretimi
İLKER PARLAR
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Kimya MühendisliğiEge ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NALAN KABAY