Performance comparison of membrane bioreactor with dynamic membrane bioreactor
Membran biyoreaktör ve dinamik membran biyoreaktörün performans karşılaştırması
- Tez No: 528755
- Danışmanlar: PROF. DR. ÖZER ÇINAR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Yıldız Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Biyomühendislik Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Biyomühendislik Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 163
Özet
Atık su arıtımı amacıyla kullanılan membran biyoreaktörler (MBR) gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde son 10 yılda artan bir hızla kullanılmaya başlanmıştır. Önümüzdeki yıllarda birçok konvansiyonel atık su arıtma tesisinin teknolojilerini MBR'lara dönüştüreceği ve bunun sonucu olarak son çökeltim havuzlarının ortadan kalkacağı tahmin edilmektedir. MBR'ler membran teknolojileri sayesinde arıtılmış su ve biyokütlenin fiziksel olarak ayrıldığı süspansiyon büyüme modundaki biyolojik proseslerdir. Bununla birlikte, membran maliyetleri, artan enerji talebi, tıkanma kontrolü ve düşük akıda biyoreaktör işletme sorunları, membran biyoreaktör sistemlerinin karşılaşmış olduğu başlıca problemler arasındadır. Dinamik membran biyoreaktör sistemleri (DMBR), işletim maliyetinin düşük olması sebebiyle bu sorunların çözülmesinde umut verici bir yaklaşım olabilme ihtimalini getirmiştir. Bu çalışmanın amacı, iki farklı membran türünün, 0.45 µm gerçek membran ve non-woven dinamik membran, aynı aerobik membran biyoreaktör (AeMBR) içerisinde işletilerek, sentetik olarak verilen atıksuda beslenen reaktörde bulunan bulunan kirliliğin, membranlar tarafından filtrelenmesi sonucu, kirlilik giderim performanslarının ölçülmesidir. Reaktör işlerimi sırasında KOİ, bulanıklık, pH, sıcaklık, iletkenlik, TMP, SADm ve ORP parametreleri günlük olarak ölçülmüştür. En yüksek KOİ giderim değerleri, 0.45 µm ve non-woven dinamik membran olmak üzere sırasıyla, %99.47 ve %97.02 olarak, en düşük bulanıklık değerleri ise sırasıyla 0.12 NTU ve 1.23 NTU olarak bulunmuştur. Oda sıcaklığında işletilen AeMBR sisteminde, 0.45 µm gerçek ve non-woven dinamik membran olmak üzere, maximum ve minimum çıkış pH değerleri sırasıyla, 7.98-7.94 ve 7.37-7.43 olarak bulunmuştur. Elektriksel iletkenlik için maximum ve minimum değerler, 0.45 µm gerçek ve non-woven dinamik membran olmak üzere, sırasıyla, 574-577 µS ve 470-471 µS olarak ölçülmüştür. TMP ölçümleri sonucunda, basıncın 300 mbar üzerine çıkmasıyla, her iki membran materyali kimyasal yıkamaya (1 saat %0.5 NaOCl ve ardından 1 saat pH=2 ayarlanmış musluk suyu içerisinde bekletilerek) tabi tutulmuştur. Yıkama sonrası yapılan ölçümlerde membranların, işletmeye ilk alındıkları gibi basınç oluşturdukları kaydedilmiştir. Reaktör içerisinde yapılan ORP ölçümlerinde, maximum ve minimum olmak üzere sırasıyla 177.4 ve 114.2 olarak ölçülmüştür. Ayrıca çalışma kapsamında, çözünebilir mikrobiyal ürünler (SMP)/ hücredışı polimerik bileşenler (EPS), spesifik filtrasyon direnci (SRF)/süpernatant filtreedilebilirliği (SF), fourier dönüşümü kızılötesi spektroskopisi (FT-IR), kapiler emme zamanı (CST), taramalı elektron mikroskobu (SEM) ve denatürasyon gradient jel elektroforezi (DGGE) analizleri yapılmıştır. Yapılan çalışma üç deneysel aşamadan oluşmuş ve her deneysel çalışmanın ilk gününde modül içerisine yeni bir membran yerleştirilmiştir. İlk deneysel çalışma 10 LMH akıda başarılı bir şekilde işletilmiştir. Bu süre zarfında her iki membran türü için yaklaşık olarak %98 KOI giderimi ve 1 NTU bulanıklık değerleri ölçülmüştür. İşletme süresinde sadece fiziksel yıkama ile yüksek filtrasyon performansı gösteren membranlar, sadece bir kere, basıncın 300 mbar seviyesi ve üzerine ulaşmasıyla, kimyasal yıkamaya tabi tutulmuştur. İlk deneysel çalışma süresince haftada bir SMP/EPS ve çalışma süresince bir defa SEM, SRF/SF, CST, FT-IR ve DGGE analizleri yapılmıştır. Deneysel çalışmanın ikinci aşamasında, akı 15 LMH değerine çıkartılmış ve reaktör başarılı bir şekilde işletilmiştir. 0.45 µm gerçek ve non-woven dinamik membranın KOI giderimleri verimleri ortalaması sırasıyla %97 ve %90 olarak kaydedilmiştir. Bununla birlikte yüksek akıda çalışmadan kaynaklı gerçekleşen tıkanma problemlerine karşı, her iki membran türü için fiziksel ve kimyasal yıkama uygulanmıştır. Kimyasal yıkama sonucu her iki membran türünün tıkanıklıkları %97 oranında azalmıştır. Kimyasal yıkamadan sonra, 0.45 µm gerçek membran için bulanıklık değerleri çok değişmezken (yaklaşık olarak 0.2 NTU), non-woven dinamik membran bulanıklık değerleri ilk aşamada yükselmiş, ilerleyen aşamalarda ise 1-2 NTU aralığında seyretmiştir. İkinci deneysel çalışma süresince haftada bir SMP/EPS ve çalışma süresince bir defa SRF/SF ve CST analizleri yapılmış ve sonuçlar bir önceki deneysel faz ile kıyaslanmıştır. Deneysel çalışmanın son aşamasında, akı 20 LMH değerine yükseltilmiş, bu süre zarfında non-woven dinamik membranın çok hızlı bir şekilde tıkandığı ve dolayısıyla başarılı bir filtrasyon işlemi gerçekleştiremediği görülmüştür. Non-woven dinamik destek tabakasının bulanıklık değerleri yaklaşık olarak 8 NTU seviyelerine ulaşırken, 0.45 µm gerçek membranın bulanıklık değerleri ortalama 0.2 NTU seviyesinde kalmıştır. Her iki membranda da tıkanma %97 azalmış, kimyasal yıkama sonucunda basınç yaklaşık 10 mbar'lık bir TMP'ye ulaşmıştır. Üçüncü deneysel çalışma süresince, bir defa olmak üzere SMP/EPS, CST, SRF/SF, FT-IR ve DGGE analizleri yapılmış, sonuçlar diğer deneysel çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. FT-IR sonuçları neticesinde çamur üzerinde bulunan organik kirleticiler, grafiksel olarak tayin edilmiş, SEM analizi için ise, membran üzerinde bulunan organik materyallerin tayini yapılmış, kesit görüntüsü ile membran üzerinde oluşan kek tabakasının kalınlığı ölçülmüş ve tıkanmaya sebep olan mikro kirleticiler hakkında bilgi edinilmiştir. DGGE çalışması kapsamında, çamur içerisinde bulunan ve tıkanmaya sebep olan bakteri türlerinin sayıları tayin edilmiştir. Bu çalışmada elde edilen bulgular göstermiştir ki DMBR kullanımı MBR'lere kıyasla maliyet açısından oldukça düşük olmasının yanısıra işlevselliği açısından en az MBR'ler kadar başarılıdır. Bu bilgiler ışığında elde edilen bulgular, gelecekte yapılacak DMBR ve MBR çalışmalarına ışık tutacağı düşünülmektedir. Ayrıca gerçek ölçekli tesislerde de DMBR kullanımı konusunda fayda sağlaması düşünülmektedir.
Özet (Çeviri)
Membrane bioreactors (MBRs) used for wastewater treatment have begun to be used at an increasing rate in developed and developing countries in the last 10 years. It is anticipated that many conventional wastewater treatment plants will convert to the MBR technology in the coming years, and as a result, the final sedimentation basins will come to an end. MBRs are biological processes in suspension growth mode in which purified water and biomass are physically separated by membrane equipment. However, membrane costs, increased energy demand, clogging control and low flow bioreactor operating problems are among the major problems faced by membrane bioreactor systems. Dynamic membrane bioreactor systems (DMBR), due to its low operating cost, have provided a promising approach to solving these problems. The purpose of this study is to measure the pollution performance of two different membrane types, 0.45 μm and non-woven dynamic membranes, which are operated in the same aerobic membrane bioreactor (AeMBR) and fed with synthetic wastewater. During reactor operation, parameters of COD, turbidity, pH, temperature, electrical conductivity (EC), TMP, SADm and ORP were measured daily. The highest COD removal values were found to be 99.47% and 97.02% and the lowest turbidity values were found to be 0.12 NTU and 1.23 NTU for 0.45 µm real and non-woven dynamic membrane, respectively. The maximum and minimum permeate pH values of the AeMBR operated at room temperature, for 0.45 µm real and non-woven dynamic membrane, were found to be 7.98-7.94 and 7.37-7.43, respectively. The maximum and minimum values for electrical conductivity were measured as 574-577 μS and 470-471 μS, respectively, as 0.45 μm real and non-woven dynamic membrane. As a result of the TMP measurements, both membrane materials were subjected to chemical washing (1 hour 0.5% NaOCl and then 1 hour pH = 2 set in tap water) with the pressure rising 300 mbar or above. It is noted that in the measurements made after washing, the membranes acted as if they were used for the first time in operation. In the ORP measurements made in the reactor, the maximum and minimum values were measured as 177.4 and 114.2 for 0.45 µm real and non-woven dynamic membrane, respectively. Also, soluble microbial products (SMP) / extra polymeric substances (EPS), specific resistance to filterability (SRF) / supernatant filterability (SF), fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR), capillary suction time (CST), scanning electron microscopy (SEM) and denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) analysis were included in this study. The study consisted of three experimental periods and on the first day of each experimental period, a new membrane was placed in the module. The first experimental period was successfully operated at 10 LMH flux. During this time, approximately 98% COD removal and 1 NTU turbidity values were measured for both membrane types. During operation, the membranes exhibiting high filtration performance with only physical washing were subjected to chemical washing only once, with the pressure reaching 300 mbar and above. During the first experimental study, once in a week SMP / EPS and only once SEM, SRF / SF, CST, FT-IR and DGGE analysis were performed. In the second period of the experimental run, the flux was increased to 15 LMH and the reactor was run successfully. The average COD removal efficiencies in percentage for 0.45 µm real and non-woven dynamic membrane were recorded as 97% and 90%, respectively. However, physical and chemical washing was applied to both types of membranes against the fouling problems originating from the high flux. The chemical washout was reduced by 97% of the membrane flocking for both membrane types. After chemical washing, the turbidity values of the 0.45 µm real membrane did not change much (around 0.2 NTU) but the turbidity values of the non-woven dynamic membrane gave high values until the cake layer was formed after washing. Minimum turbidity values were found to be between 1-2 NTU for the non-woven dynamic membrane. During the second experimental period, once in a week SMP/EPS and only once SRF/SF and CST were performed and the results compared with the previous experimental period. In the last experimental period, the flux was increased to 20 LMH, during which time the non-woven dynamic membrane fouled swiftly and thus did not perform a successful filtration process. While the turbidity values of the non-woven dynamic membrane layer reached approximately 8 NTU levels, the turbidity values of the 0.45 µm real membrane remained at about 0.2 NTU. Both membranes reached a TMP of approximately 10 mbar as a result of chemical washing which means 97% of the fouling reduction. During the last experimental period, only once SMP/EPS, SRF/SF, CST, FT-IR and DGGE analyses were performed and the results were compared with the other analyses. As a result of FT-IR analysis, organic pollutants on the sludge have been assigned on the graph and for the SEM analysis, organic substances on the membrane were identified, thickness of the cake layer formed on the membrane was measured by cross-sectional image, and the types of micro-contamination causing the fouling were observed and significant information was obtained. Within the DGGE study, the numbers of bacterial species in the sludge that cause fouling were determined. Findings in this study showed that the use of DMBR is very low in terms of cost compared to MBRs and is at least as successful as MBRs in terms of functionality. Based on this information it is expected to shed light on DMBR and MBR studies to be made in the future and also benefit on the use of DMBR in real scale installations.
Benzer Tezler
- 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
AMR MUSTAFA ABDELRAHMAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
- 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
- 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