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
- Tez No: 555435
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HALE ÖZGÜN ERŞAHİN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- 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: 95
Özet
Klasik aktif çamur sistemleri atıksu arıtımında yıllardır kullanılmaktadır. Ancak iki önemli dezavantaja sahiptir. Bu dezavantajlar; geniş alan ihtiyacı ve çıkış suyu kalitesinin düşük olmasıdır. Bu sorunların önüne geçebilmek için membran biyoreaktör (MBR) sistemleri geliştirilmiştir. MBR sistemleri esas olarak membran teknolojisi ile biyolojik proseslerin kombinasyonu olup, havalı veya havasız biyolojik arıtım yapılan ünitelere mikrofiltrasyon veya ultrafiltrasyon membranların yerleştirilmesi ile elde edilir. MBR sistemlerinin yüksek çıkış suyu kalitesi, düşük alan ihtiyacı ve sistemin yüksek biyokütle konsantrasyonu ile işletilebilme olanağı gibi önemli avantajları vardır. MBR sistemlerinin klasik aktif çamur sistemlerine göre önemli üstünlükleri olsa da, yüksek modül maliyeti ve tıkanma sorunu bu sistemlerin en önemli problemleridir. Bu problemleri çözmek için laboratuvar ve pilot ölçekli çalışmalar yoğun olarak gerçekleştirilmektedir. MBR sistemlerindeki sorunların önüne geçmek için kullanılan yöntemlerden birisi de dinamik membran biyoreaktör (DMBR) teknolojisidir. DMBR teknolojisi, MBR sistemlerinin dezavantajlarını ortadan kaldırmak için geliştirilen MBR modifikasyonudur. DMBR teknolojisinde büyük gözenek çaplı destek tabakası ve bu tabaka üzerinde oluşan ikincil bir tabaka bulunur. Destek tabakasının görevi bu ikincil tabakanın oluşmasını sağlamaktır. Filtrasyon işlemini ikincil tabaka gerçekleştirir. Destek tabakası olarak dokuma veya dokuma olmayan düşük maliyetli tekstil malzemeleri kullanılabileceği, gibi özel olarak üretilen naylon veya çelik elekler de kullanılabilir. DMBR teknolojisinde kullanılan çeşitli malzemeler genel olarak; cam elyaf, polyester kumaş, naylon, seramik ve paslanmaz çelik malzemelerdir. Asıl fonksiyonu filtrasyon olan dinamik membran (ikincil tabaka) bu destek tabakalarının üzerinde oluşmaktadır. Dinamik membran (DM), tabaka oluşumuna bağlı olarak iki farklı gruba ayrılır. Kendiliğinden oluşan dinamik membranlar (SFDM) ve önceden kaplanmış dinamik membran (PDM). PDM membranlar destek tabakasının özel materyal veya materyaller ile kaplanarak dinamik tabaka oluşturulması esasına dayanır. SFDM sisteminde ise destek tabakası doğrudan aktif çamur sistemine yerleştirilir ve aktif çamurdaki organik ve inorganik askıda katı maddelerin destek tabakası üzerinde birikmesi sonucu DM oluşumu sağlanır. Aerobik ve anaerobik sistemlerde kullanılan DM'ler jel ve kek olmak üzere iki tabakadan oluşur. Jel tabakası protein ve polisakkarit ana bileşenlerinden oluşan hücre dışı polimerik maddelerden (EPS) ileri gelir. Jel tabakasının temel görevi, istenmeyen küçük partiküllerin destek tabakasından geçmesini önlemektir. Kek tabakası ise askıdaki organik ve inorganik partiküllerden oluşur. Kek tabakası, ikincil bir membran olarak katı parçacıkların tutulmasında önemli bir rol oynar. Özetle DM tabakaları katı-sıvı ayırma işleminde gerçek membranlar ile aynı performansı gösterebilen ama ilkyatırım ve işletme maliyetleri bakımından MBR sistemlerine kıyasla daha düşük maliyetli sistemlerdir. Bu çalışmanın amacı, aerobik dinamik membran biyoreaktör (DMBR) sistemi ile evsel atıksu arıtılmasında iki farklı destek tabakasının filtrasyon ve arıtma performanslarının ortaya konularak en uygun destek tabakasının belirlenmesidir. Bu çalışma iki aşamada gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada ince boşluklu fiber yapıda polyester destek tabakası kullanılarak yüksek akıda DM oluşumu incelenmiştir. Akı değeri olarak 25 L/m2.sa seçilmiştir. Bu yüksek akı değerinde sistem yaklaşık 30 gün işletilebilmiştir. İşletme süresinin sonuna doğru tıkanmaya bağlı olarak, membran transmembran basınç (TMP) değerinin ciddi bir artış gösterdiği ve akının da düştüğü gözlenmiştir. İlk çalışma neticesinde polyesterin daha düşük bir akıda çalıştırılması sonucuna varılmış ve ikinci çalışmanın işletme akısı olarak da 18 L/m2.sa seçilmiştir. Ayrıca ikinci çalışmada polyester destek tabakasının (DM-1) yanı sıra aynı gözenek çapına sahip cam elyaftan (DM-2) üretilmiş farklı bir destek tabakası da denenmiştir. DM-1 ve DM-2 destek tabakalarının yüzey yapıları birbirinden farklılık göstermekte olup, DM-2 destek tabakasındaki filamentler, DM-1'e kıyasla daha küçük çaplı ve adet olarak sayısı daha fazladır. Bu farklılık taramalı elektron mikroskobu (SEM) görüntüleri ile ortaya konulmuştur. Buna ek olarak DM-1 süper hidrofilik karaktere sahipken, DM-2 hidrofobik özellik göstermektedir. DM-1 ve DM-2 membranlarının performanslarını kıyaslamak için çeşitli analizler gerçekleştirilmiştir. Arıtma performanslarının ortaya konulmasına yönelik kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), çözünmüş KOİ, toplam askıda katı madde (AKM), uçucu askıda katı madde, toplam azot ve toplam fosfor gibi analizler gerçekleştirilirken, filtrasyon performanslarını kıyaslamak için her iki membranın TMP değerleri ve akıları çalışma boyunca takip edilmiştir. Çalışma sonunda fourier dönüşümlü kızılötesi spektroskopi (FTIR), SEM ve enerji ayrımlı X-ray analizi (EDX) spektroskopisi ve lazer konfokal mikroskobu (CLSM) morfolojik analizleri gerçekleştirilerek DM oluşumu ile bu oluşumda yer alan elementler ve organik maddeler hakkında bilgi elde edinilmiştir. Her iki çalışma sonucunda da oldukça yüksek KOİ ve çözünmüş KOİ giderimi gözlenmiş olup, giderim verimlerinin %95'in üzerinde olduğu saptanmıştır. Ayrıca her iki çalışmada da %99'un üzerinde AKM giderim verimi gözlenmiş olup, çıkış AKM konsantrasyonları 10 mg/L'nin altında ölçülmüştür. Yüksek AKM giderim verimleri çıkış suyunda gözlenen düşük bulanıklık değerleri (>1 NTU) ile desteklenmiştir. Toplam azot (TN) ve toplam fosfor (TP) giderim verimleri ise düşük olup, bu durum sadece aerobik arıtma yapılmasından kaynaklanan doğal bir sonuçtur. DM-1 ve DM-2 için benzer TN ve TP giderim verimleri gözlenmiş olup, çalışma boyunca elde edilen verilerden ortalama giderim verimlerinin TN için %25 ve TP için %10 olduğu tespit edilmiştir. Filtrasyon performansının ortaya konulması için TMP ve membran akıları çalışma boyunca takip edilmiştir. Sabit akı altında (18 L/m2.sa) DM-2'nin membran basıncının DM-1'e kıyasla yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Bu farkın DM oluşum mekanizmalarının farklılığından ileri geldiği sonucuna varılmıştır. SEM görüntülerinden elde edilen bilgiler neticesinde, katı parçacıkların DM-2'nin destek tabakasını oluşturan yoğun dizilimli ince boşluklu filamentlerin aralarına tutulduğu ve bu filamentleri tıkadığı sonucuna varılmıştır. Bu durum sonucunda da DM-2 için yüksek TMP değerleri ölçülmüştür. Diğer yandan, DM-1 destek tabakası yüzeyinde oluşan DM tabakasının homojen olarak dağıldığı SEM görüntüleri ile desteklenmiştir. Bu homojen dağılım sayesinde DM-1'de daha düşük TMP değerleri gözlenmiştir. Bu analizler neticesinde DM-1 ve DM-2 benzer arıtma performanslarına sahip olsalar daDM-1'in işletme basıncının DM-2'ye kısayla daha düşük ve stabil olduğu ve DM-1'nin filament yapısından dolayı homojen dağılımlı kek tabası oluşumu açısından daha uygun olduğu tespit edilmiştir. Sonuç itibariyle destek tabakası olarak polyesterin DMBR uygulamaları için oldukça elverişli olduğu görülmüştür. Bu çalışmanın sonuçlarını daha da ileriye taşımak için geleceğe yönelik bazı araştırmalara ihtiyaç vardır. Polyester destek tabakasının gerçek evsel atıksu kullanılarak laboratuvar ölçeğinde çalışılması ve gerçek atıksudaki arıtma ve filtrasyon performanslarının ortaya konulması gerekmektedir. Bu çalışmadan olumlu sonuçlar elde edilmesi durumunda, polyester pilot ölçekli ve sonrasında da gerçek ölçekli çalışmalarda kullanılabilir. Ayrıca TN ve TP giderim verimlerini arttırmak için de DMBR sistemi üzerinde çeşitli modifikasyonlar denenebilir. Ekonomik fizibilite çalışmaları ve yaşam döngüsü analizleri ile DM teknolojisinin uygulanabilirliği ile ilgili daha fazla bilgi elde edilebilir. Sonuç olarak, bahsi geçen çalışmalar neticesinde elde edilen bilgiler ile literatüre katkı sağlanırken, aynı zamanda pilot ölçekli ve tam ölçekli çalışmalar için zemin hazırlanmaktadır. Pilot ölçekli çalışmalardan verimli sonuçlar elde edilmesi halinde ise polyester destek tabakasının tam ölçekli DMBR uygulamaları açısından önü açılmış olacaktır.
Özet (Çeviri)
Membrane bioreactor (MBR) has been used for treating wastewater in the last few decades. The combination of membrane technology and biological processes is a solution for area limitation and high effluent quality requirements. Specific membrane types, such as microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF), are generally used in MBR technologies. Although MBR system provides several benefits in comparison to conventional activated sludge systems, the high cost of membrane modules and fouling problems are still the major weaknesses of MBR technology. Dynamic membrane bioreactor technology (DMBR) is a modification of the MBR system, which aims to eliminate weaknesses of MBR systems. By using low-cost support materials such as mesh, woven and non-woven, the DMBR system is expected to have the same performance as MBR systems. In addition, DMBR can also change the fouling problem to an advantage in the solid-liquid separation process. Various types of support materials commonly used in DM technology such as glass fiber, polyester fabric, nylon, ceramics, and stainless steel can create different impacts on DMBR performances. The dynamic membrane layer (DM) consists of organic and inorganic materials located on the surface of the support material. Based on the type of DM layer, DM technology is separated into two types such as: precoated dynamic membrane (PDM) and self-forming dynamic membrane (SFDM). PDM and SFDM are distinguished based on the covering material. In PDM technology, support materials are covered with special solutions to form the DM layer. On the other hand, SFDM uses suspended solid materials for the formation of DM layers. The DM layer itself consists of two sub layers, a gel layer and a cake layer. The gel layer consists of extracellular polymer substances (EPS), in which proteins and polysaccharides are the main components of EPS. The main function of the gel layer is to prevent unwanted small particles from passing through the membrane. The cake layer consists of flocs and suspended solids. The cake layer plays an important role as a secondary membrane in the rejection of solid particles and prevents direct interaction with the gel layer. It can be concluded that the DM layer plays the most important role in the solid-liquid separation process. The aim of this study was to investigate the impact of two different support materials on the filtration and treatment performance of DMBR system using synthetic municipal wastewater. Two stages were applied in this study. In the first stage, hollow fiber polyester fabric (DM-1) was used as a support material in DMBR system with filtration flux of 25 L/m2.h. The aim of the first stage of the study was to investigate the maximum operating flux of polyester support material. The results showed fluxes with 25 L/m2.h. could not last for a long operational period. Membrane fouling was observed from a sudden increase in the value of TMP coupled with a significant decrease in filtration flux after 30 days of the operational period. In the second stage, hollow fiber polyester fabric (DM-1) and glass fiber (DM-2) were used as two support materials submerged in the bioreactor. Operational flux of 18 L/m2.h was applied for DM-1 and DM-2. Each support material had the same characteristics in terms of pore size. However, the type of material and surface structure of the support materials differ from each other. Glass fiber was more hydrophobic than polyester shown by contact angle analyzers. In addition, diameter of the glass fiber filament was smaller than the polyester filaments, therefore the amount of filaments from the glass fiber was denser than the amount of filaments in the polyester fabrics, which could be observed based on the environment scanning electron microscopy (ESEM) images. Several experimental analyses were conducted to investigate the performance of both membranes in the DMBR system. Analyses such as COD, sCOD, TSS, VSS, TN and TP were carried out to investigate the treatment performance of both membranes in DMBR during the operational period. Transmembrane pressure (TMP) and flux were recorded to analyze the filtration performance of DM-1 and DM-2. In addition, fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), environmental scanning electron microscopy (ESEM), energy dispersive x-ray spectroscopy (EDX) confocal laser scanning microscopy (CLSM) are typical morphological analyses conducted at the end of the operational period. The aim was to investigate the surface structure of virgin support materials and dynamic membrane layers. The DM layer and the surface structure of the support materials are important to be examined to distinguish elemental composition in terms of organic and inorganic substances. The results of this study indicate the high treatment performances of DM-1 and DM-2, which could be observed in terms of COD, SCOD and TSS removal. The removal efficiencies of COD and sCOD were measured as more than 95% for each stage of the study. High solid rejection was also achieved during the operational period, more than 99% of TSS removal efficiency was observed from DM-1 and DM-2. High solid retention was also confirmed with the average turbidity values in the permeates of DM-1 and DM-2, which were below 1 NTU. Removal efficiencies of TN and TP for each membrane were measured as 25% and 10%, respectively. Low TN and TP removal efficiencies were expected in the aerobic DMBR system due to the absence of anoxic and anaerobic zones. TMP and flux were also measured throughout the study. Both DM-1 and DM-2 showed stable filtration flux; however, DM-2 showed higher TMP compared to DM-1. Higher TMP values obtained with DM-2 might be related to the hydrophobic characteristics of DM-2. The hydrophilic characteristics of DM-1 were found to enhance filtration performance during operational period, therefore it is expected that DM-1 can be operated with lower and more stable TMP compared to DM-2 at the same operational flux. DM-2 also consisted of denser filaments compared to DM-1. Based on the ESEM images, DM-2 showed solid particles stored between filaments. This resulted in the blockage of the filaments, which causes a high TMP in DM-2. On the other hand, homogeneous DM layers were observed on the surface of polyester fabrics (DM-1). Therefore, a lower TMP values were obtained compared to glass fiber (DM-2). Based on these analyses, it can be concluded that DM-1 and DM-2 showed the same treatment performance in terms of COD, sCOD and TSS removal efficiencies, but TMP of DM-1 appeared to be lower and stable compared to DM-2. Therefore, polyester fabric (DM-1) was selected as an appropriate type of support material for DMBR applications. Based on the results of this study, several aspects are needed to be investigated in future studies. The application of DM technology using real municipal wastewater with different support materials needs to be investigated. Modification of the DMBR system to improve TN and TP removal efficiencies can be a great improvement in the development of DM technology. Economic feasibility studies and life cycle assessment studies on the application of DM technology are needed for further improvement. Finally, after appropriate and sufficient information and data were obtained from the results of several lab scale studies, full-scale applications can be a major advance in the improvement of DM technology.
Benzer Tezler
- 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
- 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
- Estetik, hafif ve yeni nesil ağır hizmet tipi çelik köprü otokorkuluk sistemi geliştirilmesi
Development of an aesthetic, lightweight and new generation heavy containment level steel bridge rail
MEHMET ONUR ÖZTEPE
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
İnşaat Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ OSMAN ATAHAN
- Afetlerde yaralı taşıma sistemi tasarımı için benzetimle analiz ve stokastik programlama modeli: istanbul depremi için pilot uygulama
Simulation analysis and a stochastic programming model for casualty transportation in disasters: a pilot application for the istanbul earthquake
NADİDE ÇAĞLAYAN
Doktora
Türkçe
2021
Endüstri ve Endüstri Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiEndüstri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ŞULE ITIR SATOĞLU