Comparison of ultrafiltration and self-forming dynamic membranes in membrane bioreactors for municipal wastewater treatment
Membran biyoreaktörler ile evsel atık su arıtımında ultrafiltrasyon ve kendiliğinden oluşan dinamik membranların karşılaştırılması
- Tez No: 512372
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 80
Özet
Konvensiyonel aktif çamur sistemleri, evsel atıksu arıtımında yıllardır kullanılmaktadır. Fakat bu sistemlerin geniş alan gereksinimi ve çıkış suyu kalitesinin düşük olması gibi önemli mahzurları vardır. Bu mahzurların önüne geçebilmek için membran prosesler kullanılmaya başlanmıştır. Membran prosesler katı-sıvı ayırma için biyolojik (aerobik ve anaerobik) ve fiziksel arıtma uygulamalarında yaygın olarak kullanılmaya başlanan proseslerdir. Membran kullanılarak tasarlanmış biyolojik sistemler membran biyoreaktör (MBR) olarak adlandırılmaktadır. MBR sistemlerinin az yer kaplamaları, atık çamur oluşumunun minimize edilmesi, yüksek arıtım performansı sağlaması ve yüksek kalitede çıkış suyu eldesi gibi önemli avantajları vardır. Bu önemli avantajlara rağmen membranların maliyetli oluşu, işletme sırasındaki enerji ihtiyacı ve özelliklede tıkanma problemleri gibi dezavantajlara da sahiptir. Bunlara ek olarak MBR sistemlerde membranların kimyasal yıkaması sırasında gerçekleşen kimyasal madde tüketimi de önemli bir maliyet kalemi olabilmektedir. Bu dezavantajların önüne geçebilmek için dinamik membran (DM) teknolojisi ileri sürülmüştür. DM, düşük maliyetli ve gözenekli bir destek tabakası üzerinde organik ve/veya inorganik maddelerin birikmesi neticesinde oluşan ikincil tabakaya verilen isimdir. Oluşan bu tabaka, atıksuda bulunan katı maddelerin tutulmasını ve böylelikle çıkış suyu kalitesinin iyileştirilmesini sağlar. DM'ler dinamik tabakanın oluşum mekanizmasına göre iki farklı şekilde sınıflandırılırlar. Bunlar kendiliğinden oluşan DM'ler ve ön kaplamalı DM'lerdir. Kendiliğinden oluşan DM'lerde dinamik tabaka, arıtılmak istenen atıksu içerisinde bulunan partiküllerin ve flokların gözenekli destek tabakası yüzeyinde birikmesi neticesinde oluşur. Ön kaplamalı DM'lerde ise dinamik tabaka, atıksu içerisinde bulunmayan bir maddeden oluşturulmuştur. Ön kaplamalı DM'lerde dinamik tabaka tekil bir malzeme olabileceği gibi birden fazla malzemeden oluşan kompozit bir tabaka da olabilir ve arıtma öncesinde destek tabakanın üzerinin kullanılacak olan maddeye ait kolloidlerle kaplanması sonucu oluşturulur. DM oluşumu için destek tabakası olarak elek kullanılabileceği gibi, dokunmuş veya dokunmamış kumaş gibi düşük maliyetli tekstil materyalleri ve üzeri kaplanmamış membran da kullanılabilmektedir. DM oluşumunu sağlamak amacıyla kullanılan destek malzemeleri kimyasal yıkama ihtiyacı göstermemekte, hava ile geri yıkama, su ile geri yıkama ve fırça ile temizleme gibi basit fiziksel yöntemler ile kolayca temizlenebilmektedir. Ayrıca DM'ler yüksek basınç altında çalışmaya imkan verebilmektedir. Kendiliğinden oluşan DM'lerde dinamik tabaka atıksu bileşeninde bulunan kolloidlerden ve floklardan oluşmaktadır. Bu bağlamda destek tabakası zarar görmediği sürece dinamik tabaka tekrar ve tekrar oluşturulabilir ve ticari membranlara oranla çok daha uzun bir işletme ömrü görülebilir.Dinamik membran biyoreaktör (DMBR) sistemlerinin atıksu arıtımındaki uygulamalarına yönelik literatürde kısıtlı bilgi mevcuttur. Bununla birlikte, DM destek tabakası olarak ince boşluklu fiberin kullanıldığı bir çalışmaya literatürde rastlanılmamıştır. DM teknolojisi kaplanmamış membran veya farklı tekstil malzemeleri gibi kaplanmış membrandan daha düşük maliyetli materyaller kullanılarak uygulanmaktadır. Tekstil üretimi açısından önemli bir bilgi birikimine sahip olan ülkemizin DM ile ilgili bilgi düzeyinin artması neticesinde, DM oluşumu için gerekli destek tabakası üretimi hususunda yüksek bir potansiyele sahip olacağı düşünülmektedir. Bu tezin yapılmasındaki amaç, evsel atıksuların havalı DM teknolojisi ile arıtılmasında kirletici madde giderim verimi ve filtrasyon performansı ile ilgili bilgi birikimi oluşturmaktır. Böylece DM teknolojisinin laboratuvar ölçekten daha büyük sistemlerde uygulanabilmesi için önemli bir adım atılmış olacaktır. Yapılacak proje ile DMBR'ler ile atıksu arıtımında ulusal ve uluslararası bilgi birikimine önemli seviyede bilimsel katkıda bulunulması beklenmektedir. Bu çalışmada, orta kuvvetteki bir evsel atıksu karakteristiğine sahip sentetik atıksuyun ultrafiltrasyon (UF) membranlar ile arıtılmasına düşük maliyetli bir alternatif olarak kendiliğinden oluşan DM teknolojisinin kullanılması hedeflenmiştir. Çalışmada kullanılan ticari UF membran GM olarak adlandırılmıştır. Dinamik membran tabakası ise DM olarak adlandırılmıştır. Sentetik atıksu kullanılmasının sebebi, gerçek atıksuyun karakteristiğindeki değişimlerin elimine edildiği bir çalışma gerçekleştirmektir. Sentetik atıksu ile sabit bir atıksu karakterizasyonu yakalanabilmiş ve bu sayede kararlı şartlar altında DM ve GM'in arıtma ve filtrasyon performansları net bir şekilde ortaya konulabilmiştir. DM tabakasının oluşması için destek tabakası olarak polyester kumaştan üretilmiş içi boş fiberler kullanılmıştır. DM teknolojisinin arıtma ve filtrasyon verimlerinin net bir şekilde ortaya konulabilmesi için ticari bir içi boş fiber polivinilidin florür (PVDF) kaplama GM membran aynı reaktör içerisine, aynı işletme şartlarında paralel olarak çalıştırılmıştır. DM ve GM sistemlerinin avantaj ve dezavantajlarını belirleyebilmek için atıksu arıtım ve filtrasyon performansları karşılaştırmalı olarak değerlendirilmiştir. DM ve GM yaklaşık 5 L/m2/saat akıda fasılalı (geri yıkamalı) olarak çalıştırılmıştır. Çalışmanın sonunda DM tabakası ve GM yüzeyi için morfolojik analizler yapılmıştır. Yapılan morfolojik analizlerde; çevresel taramalı elektron mikroskobu enerji dağınık X-ışını (ESEM-EDX), fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopisi (FTIR) ve lazer taramalı konfokal mikroskop kullanılmıştır. DM çıkış suyu kalitesi incelendiğinde yüksek KOİ giderim verimine, yüksek askıda katı giderimine ve düşük bulanıklık değerlerine sahip olduğu tespit edilmiş olup elde edilen değerlerin GM'in çıkış suyu kalitesine yakın olduğu gözlenmiştir. DM ve GM'in toplam azot (TN) ve toplam fosfor (TP) giderim verimleri birbirine yakın olup, bu kirleticilerin arıtımı için özel bir sistem kurulmadığından giderim verimleri düşüktür. DM'in destek tabakası üzerinde oluşan kek tabakasından dolayı TMP ilk üç günde büyük ölçüde artış göstermiş ve sonrasında ise çok az oranda sürekli bir artış göstermeye devam etmiştir. Kurulan sistem, DM'in fiziksel temizlenmesine ihtiyaç duyulmadan sabit akıda 85 gün boyunca başarıyla işletilebilmiştir. Morfolojik analizler kapsamında gerçekleştirilen FTIR ve EDX analizleri sonuçlarına göre DM tabakasında ve GM'in yüzeyinde hem organik hem de inorganik maddelere rastlanmıştır. FTIR analizi sonucunda, DM tabakasında ve GM'in yüzeyinde aynı türlere ait organik bileşiklerin biriktiği tespit edilmiştir. EDX analizi sonuçlarında ise tıkanmaya sebep olan bazı elementlerin ağırlıkça yüzdesinin DM tabakasında daha fazla olduğu belirlenmiştir. DM destek tabakasının sahip olduğu boşlukların ve bu destek tabakasının yüzeyinin atıksuda bulunan kolloidler ve floklar ile dolduğu ve bunun sonucunda da dinamik tabakanın geliştiği ESEM analizi neticesinde ortaya konmuştur. Sonuç olarak orta kuvvetteki evsel atıksuyun arıtılmasında, içi boş fiberlerin destek malzemesi olarak kullanıldığı havalı DMBR teknolojisinin uygulanabilir olduğu ve ticari UF membranlarla eş değerde yüksek giderim verimlerinin elde edildiği görülmüştür. Ayrıca DM membranın destek tabakasının ucuz olması ve kimyasal temizlik gerektirmemesi de göz önüne alındığında, DMBR sisteminin işletme ve bakım maliyetlerinin UF MBR sistemlerine göre daha az olduğu tespit edilmiştir.
Özet (Çeviri)
Membrane bioreactor (MBR) was used to be a solution of the drawbacks of the conventional activated sludge which are related with area limitation and high quality of effluent requirements. However, the cost of membrane modules and fouling control are still problems which facing the operation of MBRs. Dynamic membrane (DM) technology can be a promising solution to mitigate the previous drawbacks. DM is a secondary layer, organic or/and inorganic compounds, formed on a low-cost support porous material such as mesh. This layer is responsible for solids retention and improvement of permeate quality of the support material. The main aim of this thesis was to investigate the applicability of using tubular hollow fiber self-forming dynamic membrane as a low-cost alternative for ultrafiltration (UF) membrane for municipal wastewater treatment. A hollow fiber polyester fabric was used as a support material to form DM (cake) layer. Besides, a hollow fiber polyvinylidene fluoride UF membrane was used in parallel under the same operating conditions. Treatment and filtration performances of the DM and UF membrane were comparatively evaluated in order to determine the advantages and disadvantages of each system. The system was operated for 85 days at ambient temperature. Both membranes were operated at flux around 5 L/m2 /h. By the end of the experiment, morphological analysis had been done for UF membrane and DM surfaces, including environmental scanning electron microscopy, energy dispersive X-ray (EDX), Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), and Confocal Lase Scanning Microscopy analyses. High COD removal efficiency, high SS rejection and low turbidity were achieved in DM permeate which were comparable with UF membrane performance. Significantly higher TMP values were achieved during the operation of DM comparing with UF membrane, which was related with the formation of cake layer in DM technology. The DM layer played an important role in rejection of small particle, showing higher performance than the UF membrane. According to the FTIR and EDX analyses results, the DM layer was formed by both organic and inorganic materials.
Benzer Tezler
- Application of dynamic membranes in anaerobic membrane bioreactor systems
Anaerobik membran biyoreaktör sistemlerinde dinamik membranların uygulanması
MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
Doktora
İngilizce
2015
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK
- Impact of support material type on the performance of dynamic membrane bioreactors treating municipal wastewater
Dinamik membran biyoreaktörler ile evsel atıksu arıtımında farklı destek tabakası tiplerinin araştırılması
RIZA HUDAYARIZKA
Yüksek Lisans
İngilizce
2019
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HALE ÖZGÜN ERŞAHİN
- Siyanotik pediatrik hastalarda kardiyopulmoner bypass esnasında ultrafiltrasyon uygulanan ve uygulanmayan hastalar arasında preoperatif ve postoperatif dönemde karaciğer, böbrek fonksiyonları ve kan sayımı değerlerinin karşılaştırılması
Comparison of liver functions and blood count value in preoperative and postoperative period between ultrafiltration and non-influenced patients during cardiopulmonary bypass in cyanotic pediatric diseases
OĞUZ SOLAK
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Göğüs Kalp ve Damar Cerrahisiİstanbul Medipol ÜniversitesiPerfüzyon Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HALİL TÜRKOĞLU
- Life cycle assessment of package and ultrafiltration systems and four disinfection technologies for a full-scale water treatment plant
Tam ölçeklı̇ bı̇r su arıtma tesı̇sı̇ ı̇çı̇n paket ve ultrafı̇ltrasyon sı̇stemlerı̇ ı̇le dört dezenfeksı̇yon teknolojı̇sı̇nı̇n yaşam döngüsü değerlendı̇rmesı̇
MEHMET ZAHİD DEMİR
Doktora
İngilizce
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Modifiye ultrafiltrasyon uygulanan hastalarda akciğer basınçlarının preoperatif-postoperatif karşılaştırılması
Comparison of preoperative and postoperative lung pressure in patients applied with modified ultrafiltration
ZEYNEP AVERBEK ARSLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2023
Sağlık EğitimiÜsküdar ÜniversitesiPerfüzyon Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ KOCAİLİK