Geri Dön

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

PDF İndir

  1. Tez No: 732785
  2. Yazar: ALİ İZZET CENGİZ
  3. Danışmanlar: DOÇ. DR. MUSTAFA EVREN ERŞAHİN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 93

Özet

Su kıtlığı günümüzün en büyük sorunlarından biridir. 21. yüzyılda atıksuyun yeniden kullanımı maksadıyla uygulanan arıtma teknolojileri, su kıtlığı ile mücadele edilirken daha da ilgi çeker hale gelmiştir. Aktif çamur ve membran teknolojisinin entegre edildiği konvansiyonel membran biyoreaktörler (MBR), sulama suyu gibi faydalı amaçlar için yeniden kullanılabilen yüksek kalitede çıkış suyu sağlamaktadır. MBR sisteminde biyolojik arıtmanın yanı sıra yaygın olarak mikrofiltrasyon (MF) ve ultrafiltrasyon (UF) membranları kullanılır. Geleneksel aktif çamur (CAS) sistemi ile karşılaştırıldığında, MBR daha az alan gerektirir ve dolayısıyla daha küçük çevresel ayak izine sahiptir. Ayrıca daha az ekipman kullanıldığı için işletim kolaylığı sağlamaktadır. MBR sistemlerinin önemli avantajları olmasına rağmen membran tıkanma sorunu ve membran malzemesinin yüksek maliyeti günümüzde bu teknolojinin yaygın olarak uygulanmasını önleyen başlıca problemlerdir. Dinamik membran (DM) teknolojisi geleneksel MBR sistemlerinde karşılaşılan problemleri çözme potansiyeline sahiptir. DM, katı maddelerin düşük maliyetli destek tabakası üzerinde birikmesiyle oluşan bir ayırma tabakasıdır. DM, kendiliğinden oluşan dinamik membranlar (SFDM) ve önceden kaplanmış dinamik membranlar (PDM) olmak üzere iki gruba ayrılır. PDM toz haline getirilmiş aktif karbon gibi bir ön kaplama reaktifinin destek malzemesinden geçirilmesiyle oluşturulur. Öte yandan SFDM atıksu, çamur flokları ve mikrobiyal hücreler gibi filtrelenen çözeltide bulunan kolloidal partiküller ve organikler tarafından biyolojik bir ayırma tabakası formunda oluşturulur. Bu biyolojik ayırma tabakası kek katmanı ya da ikincil membran olarak da adlandırılmaktadır. DM'de kullanılan destek malzemesi geleneksel UF membranın polimerik malzemesine göre daha ucuz ve daha dayanıklıdır. DM'nin destek malzemesi olarak polyester kumaş, dokunmuş ve dokunmamış kumaş, filtre bezleri ve seramik malzemeler kullanılmaktadır. Destek malzemesinin gözenek boyutu literatürde 10-200 µm arasında değişmektedir. DM teknolojisinin geleneksel MBR'ye göre en önemli avantajlarından biri, DM oluşturulduktan sonra destek malzemesinin kendisinin artık önemli olmamasıdır. Membran geçirimliliği azaldığı durumlarda basit fiziksel temizleme yöntemleri uygulanabilmektedir. DM'nin biyolojik uygulamaları aerobik MBR (DMBR) veya anaerobik MBR (AnDMBR) olabilir. DM oluşum süreci dört farklı aşama ile açıklanmaktadır. Bu aşamalar; substrat tabakası oluşumu, ayırma tabakası oluşumu, tıkanma tabakası oluşumu ve kek tabakası oluşumudur. DM teknolojisinin en büyük dezavantajlarından biri geçirimliliğin azalması durumunda uygulanan fiziksel temizlik nedeniyle kek tabakasının yok edilmesi ve yeniden kek tabakası oluşumu arasındaki geçiş dönemidir. Bu süre zarfında destek tabakasının büyük gözenekleri dolayısıyla çıkış suyu kalitesinde belirgin bir düşüş ve biyokütle kaybı gözlemlenir. Stabil çıkış suyu bulanıklığına ve çıkış suyunda sıfıra yakın askıda katı maddeye (AKM) ulaşmak için gereken süre DM oluşum süresi olarak tanımlanmaktadır. Bu nedenle belirtilen geçiş sürecinin etkilerinin minimize edilebilmesi için daha kısa DM oluşum süresi gereklidir. DMBR performansı; destek malzemesi özellikleri, çamur özellikleri ve işletme koşulları gibi çeşitli faktörler tarafından belirlenir. Bu çalışmanın amacı, UF membranı ve DM'yi içeren MBR'lerin evsel atıksu arıtımında arıtma ve filtrasyon performansı üzerinde farklı aşı çamurlarının etkisini değerlendirmektir. Deneysel çalışma iki farklı aşamada gerçekleştirilmiştir. CAS ve yüksek yüklemeli aktif çamur (HRAS) sisteminden alınan çamurlar sırasıyla Aşama-1 ve Aşama-2'de aşı çamuru olarak kullanılmıştır. DM ve UF modülü 5,2 L kapasiteli biyoreaktöre yerleştirilmiştir. DM ve UF'nin evsel atıksu arıtımı için filtrasyon ve arıtma performansları her aşamada aynı işletme koşulları altında karşılaştırılmıştır. DM ve UF membranları 67 gün boyunca her iki aşama için de 8 LMH (L/m2.sa) işletme akısı altında işletilmiştir. İşletme boyunca deneysel çalışmalarda kullanılmak üzere alınan numuneler haricinde sistemden çamur atılmamıştır. Sistem 190 saniye filtrasyon ve 35 saniye geri yıkama döngülerinde çalıştırılmıştır. Tam ölçekli bir atıksu arıtma tesisinde bulunan havalandırmalı kum tutucu çıkışından alınan evsel atıksu çalışmada substrat olarak kullanılmıştır. Her iki aşı çamuru için de işletme süresindeki değişimleri tespit edebilmek maksadıyla işletme süreci öncesinde karakterizasyon çalışması gerçekleştirilmiştir. Ayrıca membranlar işletme öncesinde karakterize edilerek her iki aşama için de benzer özellikteki membanların kullanıldığından ve dolayısıyla salt olarak aşı çamuru etkisinin gözlemlenildiğinden emin olunması sağlanmıştır. Poliviniliden florür (PVDF) ve çok katmanlı poliester filtre, sırasıyla UF ve DM malzemesi olarak kullanılmıştır. UF ve DM'nin arıtma ve filtrasyon performanslarını gözlemlemek için deneysel analizler yapılmıştır. Ayrıca, membran üzerinde biriken kek (DM) tabakası yapısının gözlemlenmesi için çevresel taramalı elektron mikroskobu (ESEM) analizi yapılmıştır. Toplam katı madde (TKM), uçucu katı madde (UKM), AKM, uçucu askıda katı madde (UAKM), kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), çözünmüş kimyasal oksijen ihtiyacı (çKOİ), amonyum‑azotu (NH4+-N), toplam azot (TN), toplam fosfor (TP), bulanıklık gibi parametreler ölçülerek her iki aşamada da membranların arıtma performansı tespit edilmiştir. Çamurun susuzlaştırılabilirliği, kapiler emme süresi (KES) ile ölçülmüştür. Membranların filtrasyon performansını analiz etmek için her iki aşamada da işletme süresi boyunca membranların transmembran basıncı (TMB) kaydedilmiştir. Ayrıca, yine filtrelenebilirliği değerlendirmek için çamur numunelerinin filtrasyona karşı spesifik direnci (SRF) ölçülmüştür. Her iki aşamada membranların tıkanma davranışını anlamak için hücre dışı polimerik maddeler (EPS) ve çözünmüş mikrobiyal ürünler (SMP) ölçülmüştür. Çalışmanın her aşamasının işletimi sırasında yüksek KOİ giderim verimleri (>86%), çıkış suyunda düşük bulanıklık değerleri (yaklaşık 1 NTU) ve çok yüksek AKM giderim verimleri (>%99) elde edilmiştir. Öte yandan biyoreaktörde anoksik ve anaerobik bölge olmadığı için TN ve TP giderimleri çalışmanın her aşamasında da düşük olmuştur. NH4+-N giderim verimi her iki aşamada da >%99 olarak tespit edilmiştir, bu da NH4+-N'nin nitrifikasyon vasıtasıyla nitrata (NO3−) dönüştürüldüğünü göstermektedir. Aşı çamuruna kıyasla işletme sırasında alınan çamur numunesinde daha yüksek NO3− konsantrasyonu, bahsi geçen çıkarımı ispatlamaktadır. Bununla birlikte Aşama-1'de DM süzüntüsündeki bulanıklık Aşama-2'ye kıyasla daha hızlı azalmıştır. Bu nedenle kek tabakası oluşumu Aşama-1'de daha hızlı gerçekleşmiştir. Aynı zamanda DM oluşum süresinin Aşama-1'de Aşama-2'ye göre daha kısa olduğu sonucuna varılmıştır. Kararlı hale ulaşıldıktan sonra ortalama TMB, DM için Aşama-1'de 588±33 mbar, Aşama-2'de 422±3 mbar olarak tespit edilmiştir. Aşama-1'deki çamurun SRF değeri Aşama-2'dekine kıyasla daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Bunun yansıması olarak Aşama-1'deki DM, Aşama-2'ye göre daha yüksek TMB ile işletilmiştir. SMP ve bağlı EPS içeriği Aşama-1'de Aşama-2'ye göre daha yüksek olarak ölçülmüştür. Ayrıca Aşama-1'de çamur için ölçülen SRF, zeta potansiyeli ve çamur hacim indeksi (ÇHİ) değerlerinin Aşama-2'ye göre daha yüksek olması Aşama-1'deki DM için Aşama-2'deki DM'e göre daha yüksek işletme basınçları tespit edilmesine neden olmuştur. Buna rağmen UF membranı için her iki aşamada da benzer işletme basınçları tespit edilmiştir. Dolayısıyla bu çalışmada UF için TMB'nin aşı çamuru tipinden etkilenmediği sonucuna varılmıştır. ESEM görüntüleri değerlendirildiğinde Aşama-1'de kompakt ve yoğun bir kek tabakası, Aşama-2'de ise gözenekli ve parçalı bir kek tabakası gözlemlenmiştir. ESEM görüntülerine göre UF kek tabakası için Aşama-1 ve Aşama-2 arasında belirgin bir farklılık gözlemlenmemiştir. Her iki aşamada DM için TMB profilleri incelendiğinde Aşama-2'nin Aşama-1'e göre işletme sırasında daha stabil olduğu görülmüştür. Hem Aşama-2'de Aşama-1'e göre daha düşük basınçla işletim sağlandığı için hem de stabilite DMBR için önemli bir parametre olduğu için HRAS'ın aşı çamuru olarak kullanımının CAS aşı çamuruna göre daha avantajlı olduğu sonucuna varılmıştır. Ayrıca UF ve DM arıtma verimleri her iki aşamada da benzer olduğu için DMBR'ın konvensiyonel MBR için önemli bir alternatif olduğu tespit edilmiştir. Bu çalışmada elde edilen veriler ışığında pilot ölçekli DMBR çalışmaları yapılarak bu teknolojinin evsel atıksu arıtımında uygulanabilirliğinin ve büyük ölçeğe geçildiğinde oluşabilecek potansiyel risklerin tespit edilmesi tavsiye edilmiştir. Ayrıca gelecek için EPS/SMP parametrelerinin kontrol ve izlenmesi ile membran tıkanması ve dolayısıyla geçirimlilikte azalmanın önlenmesi potansiyel bir çalışma konusu olarak belirtilmiştir.

Özet (Çeviri)

Water scarcity is one of the major challenges of today. Treatment technologies that are used for wastewater reuse have become more attractive in 21th century while dealing with the water scarcity. Membrane bioreactors (MBRs) provide high quality effluent which can be re-used for the beneficial purposes such as irrigation. In the MBR technology, activated sludge and membrane separation are integrated. Generally, microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) membranes are used in conventional MBRs to remove solids from wastewater. Since solids retention time (SRT) and hydraulic retention time (HRT) are decoupled in MBR systems, solids can be retained within the bioreactor. Moreover, compared to conventional activated sludge (CAS) process, MBRs require less area, and thus have smaller environmental footprint. Although MBRs have several advantages, fouling problem and high capital cost of the membrane appear as prominent obstacles that prevent widespread applications of this technology. Dynamic membrane (DM) technology can be an alternative option to solve limitations faced in conventional MBRs. DM is a separation layer formed on a low-cost support material by the deposition of solid particles. DM can be either pre-coated or self-forming. Pre-coated DMs are formed by passing of a pre-coating reagent such as powdered activated carbon through support material. On the other hand, self-forming DM (SFDM) is generated as a biological separation layer by colloidal particles and organics which present in filtered solution such as wastewater. This biological separation layer is also called as cake layer or secondary membrane. Support material used in DM is cheaper and more durable compared to polymeric material of conventional UF membrane. Different materials such as polyester fabric, woven and non-woven fabrics, filter cloths and ceramic materials can be used as support material for DM formation. Pore size of support material can change in a wide range of 10-200 μm. One of the most significant advantages of DM technology over conventional MBR is once DM formed, support material itself is no longer important. Besides, simple physical cleaning methods are applied to recover permeability in DM technology. Biological applications of DM can be either aerobic MBR (DMBR) or anaerobic MBR (AnDMBR). DM formation process consists of four stages: substrate layer formation, separation layer formation, fouling layer formation and filtration cake layer formation. One of the major drawbacks of DM technology is transition period between the cake layer formation and removal of cake layer due to the physical cleaning applied in case of permeability reduction. During this transition period because of the large pore size of the support material, quality of permeate is decreased and biomass is lost. Time required to reach stable permeate turbidity and almost zero suspended solids concentration in the permeate is defined as DM formation time. Therefore, shorter DM formation time is generally required to prevent low quality permeate and biomass loss during the aforementioned transition period. DMBR performance is determined by several factors such as support material characteristics, sludge characteristics and operation conditions. The aim of this study was to evaluate the impact of different inoculum sources on the treatment and filtration performance of MBRs which include hollow-fiber conventional UF membrane and DM for municipal wastewater treatment. Experimental study was carried out in two stages. Excess sludge obtained from a CAS process and high rate activated sludge (HRAS) process were utilized as inoculum in Stage-1 and Stage-2, respectively. DM and UF modules were located into the same bioreactor which had a capacity of 5.2 L. Filtration and treatment performances of DM and UF for municipal wastewater treatment were compared under same operational conditions in each stage. DM and UF membranes were operated for 67 days at an operational flux of 8 LMH (L/m2.h). There was no sludge wasted apart from sampling during the operation. System was operated in cycles of 190 seconds filtration and 35 seconds backwash. Municipal wastewater taken from the outlet of an aerated grit chamber of a full-scale preliminary wastewater treatment plant (WWTP) was used as substrate. Both inoculums were characterized to observe the changes during the operational period. Moreover, membranes were characterized before the operation and ensured that similar membrane properties were provided for each stage. Polyvinylidene fluoride (PVDF) and multi-multifilament polyester filter were used for UF and DM, respectively. Different experimental analyses were conducted to observe treatment and filtration performances of UF and DM. Environmental scanning electron microscopy (ESEM) was used for the observation of cake layer structure that was accumulated on the surface of the UF and DM. Total solids (TS), volatile solids (VS), total suspended solids (TSS), volatile suspended solids (VSS), chemical oxygen demand (COD), soluble chemical oxygen demand (sCOD) ammonium‑nitrogen (NH4+-N), total nitrogen (TN), total phosphorus (TP) and turbidity were measured to observe treatment performance in each stage. Dewaterability of sludge was indicated by capillary suction time (CST). Transmembrane pressure (TMP) was recorded during the study to analyze the filtration performance. Specific resistance to filtration (SRF) of sludge samples were measured to evaluate filterability. Extracellular polymeric substances (EPS) and soluble microbial products (SMP) were measured to understand membrane fouling behavior in each stage. High COD removal efficiencies (>86%), low turbidity values in the permeate (around 1 NTU), and high TSS removal efficiencies (>99%) were obtained during the operation in each stage. On the other hand, since there was no anoxic and anaerobic zone in the bioreactor, TN and TP removal efficiencies were low in each stage. NH4+-N removal efficiency was >99% in each stage, which showed NH4+-N was converted to the nitrate (NO3−) via nitrification process. Higher NO3− concentration in the bulk sludge compared to inoculum sludge confirmed mentioned inference. In Stage-1, turbidity in the permeate of DM decreased faster compared to Stage-2. This result indicated that cake layer formed quicker in Stage-1 compared to Stage-2, which meant that DM formation time was shorter in Stage-1 compared to Stage-2. After stable condition was obtained, average TMP was 588±33 mbar in Stage-1, and 422±3 mbar in Stage-2. SRF of sludge used in Stage-1 was higher than that in Stage-2. As a consequence, DM was operated with higher TMP in Stage-1. SMP concentration and bound EPS content of sludge were higher in Stage-1 than those in Stage-2. Higher SRF, zeta potential, and sludge volume index (SVI) values for sludge obtained in Stage-1 compared to Stage-2 might be the reason of higher TMP values determined for DM in Stage-1. However, TMP of UF membrane was not affected by the inoculum type in this study. Considering ESEM images, compact and dense DM layer formed in Stage-1, while porous and fragmented cake layer was observed in Stage-2. ESEM images showed no difference between the cake layer formed on the surface of UF membrane in Stage-1 and Stage-2. Stage-2 showed more stable operation compared to Stage-1 in terms of TMP profiles of DM. Since treatment performances of each membrane were similar, it could be concluded that DMBRs can be a good alternative to conventional MBRs. More stable operation with lower TMP obtained for DMBR when HRAS inoculum used. Thus, it could be indicated that inoculating DMBRs with excess sludge from HRAS systems can be an effective solution to stabilize TMP at a reasonable level. Large scale applications should be performed in order to examine the applicability and uncertainties of DM technology on municipal wastewater treatment. Moreover, monitoring of EPS/SMP is important subject to prevent fouling and permeability loss in DMBRs.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    898518

    Unlocking sustainability in wastewater denitrification through waste-derived volatile fatty acids

    Atıktan kaynaklanan uçucu yağ asitleri yoluyla atıksu denitrifikasyonunda sürdürülebilirlik kilidinin açılması

    TUĞBA WIKSTRÖM

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2024

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DERYA YÜKSEL İMER

    PROF. DR. MOHAMMAD J TAHERZADEH

  2. Tez No

    573888

    Combined effect of water hyacinth and trichocladium canadense on biogas production during anaerobic treatment of wastewater with antibiotics mixture

    Antibiyotik karışımı içeren atıksuyun havasız arıtımı sırasında biyogaz üretimi üzerinde su sümbülü ve trichocladium canadense'ın birleşik etkisi

    ISMI KHAIRUNNISA ARIANI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ

    DOÇ. DR. SEVCAN AYDIN

  3. Tez No

    741363

    Anaerobic co-digestion of industrial wastewater sludges: An investigation on heavy metal contents and energy recovery

    Endüstriyel atıksu çamurlarının anaerobik şartlarda birlikte çürütülmesi: Ağır metal içerikleri ve enerji geri kazanımının araştırılması

    MELEK ŞEBNEM TEMEL

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ

  4. Tez No

    694393

    Biogas recovery during anaerobic treatment of lignocellulose-rich pollutants with high sulphate content: an investigation via innovative applications

    Yüksek sülfat içerikli lignoselüloz bakımından zengin kirleticilerin havasız arıtımı sırasında biyogaz geri kazanımı: yenilikçi uygulamalarla bir araştırma

    EDA YARSUR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ÇİĞDEM GÖMEÇ

  5. Tez No

    539998

    Energetic utilization of lignocellulose-rich agricultural wastes by enriched microorganisms from high performance natural and engineered systems

    Yüksek performanslı doğal ve mühendislik sistemlerinden zenginleştirilen mikroorganizmaların lignoselülozca zengin tarım atıklarından enerji üretiminde kullanımı

    EMİNE GÖZDE ÖZBAYRAM

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ORHAN İNCE

Geri Dön