Geri Dön

Using ultrafiltration/microfiltration membranes coupled with ultraviolet or reverse osmosis for water reuse in agricultural and industrial purposes

Tarımsal ve endüstriyel amaçlı suyun yeniden kullanımı için ultrafiltrasyon/mikrofiltrasyon membranlarının ultraviyole veya ters osmoz ile birlikte kullanımı

PDF İndir

  1. Tez No: 887568
  2. Yazar: AYA HASSOUN
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN GÜVEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2023
  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: Belirtilmemiş.

Özet

Dünya'yı etkileyen su krizi nedeniyle, su kullanımının azaltılması ve suyun yeniden kullanımı döngüsel ekonomi kapsamında giderek yaygınlaşmaktadır. Geri kazanılan suyun güvenli kullanımını sağlamak için, atıksuyun farklı yeniden kullanım amaçlarıyla uyumlu olacak şekilde arıtılması gerekmektedir. Geri kazanılan atıksu, alternatif bir su kaynağı görevi görerek doğal su kaynakları üzerindeki baskıyı azaltmaktadır. Atıksuyun yeniden kullanılması sayesinde arıtılmış atıksuların alıcı ortama deşarjı azalır ve böylece su kaynaklarındaki kirliliğin boyutu azaltılmış olur. Konvansiyonel arıtma teknolojilerinin suyun yeniden kullanımana yönelik yüksek kaliteli çıkış suyu üretmek için yeterli olmaması nedeniyle ileri arıtma teknolojileri uygulanmaktadır. Bu tür teknolojiler membran sistemlerini de içermektedir. Membran prosesi, yüksek kaliteli çıkış suyu üretmek için yarı geçirgen membranlar (bariyerler) kullanan fiziksel bir prosestir. Membran sistemleri az yer kaplarken geleneksel yöntemlere göre nispeten enerji verimi daha yüksek olup otomasyon ile kontrol edilebilmektedir. Ters osmoz (TO) gibi yüksek basınçlı membranlar, daha küçük gözenek boyutuna sahip olması sayesinde mikrofiltrasyon (MF) ve ultrafiltrasyon (UF) gibi düşük basınçlı membranlardan daha yüksek kaliteli çıkış suları üretmektedir. Ultraviyole (UV) arıtma, atıksu dezenfeksiyonu için yaygın olarak kullanılmaktadır ve düşük maliyeti, kısa temas süresi ve tehlikeli yan ürün oluşturmaması nedeniyle büyük ölçüde yaygınlaşmaktadır. Bu çalışmada, biyolojik olarak arıtılmış evsel atıksular MF ve UF ile ileri arıtmaya tabi tutulmuştur. Membran sistemi çıkış suları, UV dezenfeksiyonuna ve TO yoluyla daha ileri arıtmaya tabi tutulmuştur. UV sisteminin çıkış suyu tarımsal yeniden kullanım standartlarıyla karşılaştırılırken, TO sisteminin çıkış suyu ise endüstriyel yeniden kullanım standartlarıyla karşılaştırılmıştır. MF ve UF düşük basınçlı membranları, tıkanmayı en aza indirmek amacıyla TO öncesi ön arıtma amacıyla uygulanmıştır. Laboratuvar ölçekli MF sisteminde, gözenek boyutu 0,8 µm ve membran alanı 0,032 m2 olan içi boş fiber polisülfon (PSf) membranlar kullanılmıştır. UF sisteminde ise gözenek boyutu 0,06 µm ve membran alanı 0,032 m2 olan içi boş fiber poliviniliden florür (PVDF) membranlar kullanılmıştır. MF ve UF membranlarının çalışma akışı 20 L/m2.sa olarak seçilmiştir. UV sisteminde ışık yoğunluğu 50 mW/cm2 ve UV dozu 30.000 mWh/cm2 olan bir UV-C lambası yer almıştır. UV dezenfeksiyonu için temas süresi 1,5 dakika olarak seçilmiştir. Son olarak, TO sisteminde 0,014 m2 alana sahip ve 100-200 Da moleküler ağırlık engelleme sınırına (MWCO) sahip düz levha poliamid ince film kompozit membranlar kullanılmıştır. Sistem basıncı 15 bar iken geri kazanım oranı ise %25 olmuştur. Uygulanan prosesler sonucunda elde edilen çıkış suyunun kalitesi ulusal ve uluslararası yeniden kullanım standartları ile karşılaştırılmıştır. Çalışma kapsamında, ülkemizdeki Atıksu Arıtma Tesisleri Teknik Usuller Tebliği (AATTUT)“Ek 7 - Arıtılmış Atıksuların Sulama Suyu Olarak Yeniden Kullanım Kriterleri”(T.C. Çevre ve Orman Bakanlığı, 2010) ve“Atıksu Arıtma Tesisleri Teknik Usuller Tebliğinde Değişiklik Yapılmasına Dair Tebliğ”(T.C. Çevre, Şehircilik ve İklim Değişikliği, 2022) ile Amerika Birleşik Devletleri Çevre Koruma Ajansı (EPA)“Suyun Yeniden Kullanım Kılavuzu”(EPA, 2012) ve Avrupa Birliği (AB)“Suyun Yeniden Kullanımı Yönetmeliği için Minimum Gereklilikler”(Avrupa Komisyonu, 2020) dikkate alınmıştır. Laboratuvar ölçekli sistemlerin arıtma performanslarını izlemek amacıyla deneysel analizler gerçekleştirilmiştir. Çalışma sonunda membranların tıkanma özelliklerini ve tıkanmaya neden olan faktörleri ortaya çıkarmak için kullanılan membranlar üzerinde taramalı elektron mikroskobu (SEM) analizi yapılmıştır. Çalışma sonunda toplanan veriler ile arıtma performansı değerlendirilmiş ve elde edilen çıkış suları standartlar ile karşılaştırılarak yeniden kullanıma uygunluğu irdelenmiştir. MF ve UF sonrası çıkış suyunda askıda katı madde (AKM) değerleri 10 mg/L'nin altında kalmıştır. UF ile patojen gideriminde tam inaktivasyon sağlanırken, MF ile toplam koliform, fekal koliform ve E. coli için sırasıyla 3,7, 1,04 ve 1,0'lık log giderim verimleri elde edilmiştir. Genel itibarıyla UF sisteminin MF sisteminden daha iyi arıtma performansı gösterdiği belirlenmiştir. MF-UV ile UF-UV çıkış sularında patojen tespit edilmemiştir. Ortalama 5 günlük biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOİ5), UF-UV çıkış suyunda 15,3 mg/L iken MF-UV çıkış suyunda 18 mg/L olmuştur. MF-TO ve UF-TO sistemlerinin çıkış sularında patojen tespit edilememiş olup tam giderim sağlanmıştır. TO işleminden sonra pH'ta düşüş görülmüş ve TO giriş suyunda 7,8 olan pH değeri çıkışta 6,59 olmuştur. UV'den farklı olarak, TO sistemi ile toplam çözünmüş madde (TÇM) ve iletkenlikte (>%90 giderim) önemli bir azalma olduğu görülmüştür. TO ile yaklaşık %94 toplam azot (TN) ve %96 toplam fosfor (TP) giderimi sağlanmıştır. TO çıkış suyunda kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) <20 mg/L ve BOİ5 <10 mg/L olarak belirlenmiştir. TO sistemi ayrıca giriş suyundaki iyonların ve metallerin çoğunun gideriminde etkili olmuştur. Ayrıca TO için ön arıtma olarak MF ve UF kullanılması TO membranlarında minimum düzeyde kirlenme oluşmasını ve transmembran basıncı (TMP)'nda önemli bir artış görülmezken akıda ciddi bir azalma görülmemesini sağlamıştır. TO işletmesi esnasında MF-TO'daki akı 5-18 L/m2.sa arasında değişirken, UF-TO'daki akı ise 8-23 L/m2.sa arasında değişmiştir. UV çıkış suları tarımsal amaçlı yeniden kullanım için standartlar ile karşılaştırıldığında, UV çıkış suyunun BOİ5 değeri EPA ve AATTUT standartlarıyla uyumlu bulunurken, AB standardını (<10 mg/L) karşılamadığı tespit edilmiştir. Bununla birlikte, TÇM ve iletkenlik standartları karşılanamamıştır. Elde edilen sonuçlar, UV çıkış suyu kalitesinin tarımsal amaçlı yeniden kullanım için bu iki parametre açısından uygun olmadığını göstermiştir. UV'ye alternatif olarak tarımsal amaçlı yeniden kullanım için UV yerine yüksek basınçlı membranlar da kullanılabilir. Örneğin, bu çalışmada UV'ye alternatif olarak MF ve UF'den sonra nanofiltrasyon (NF) uygulanmıştır. NF ile arıtma sonrasında elde edilen sonuçlar tarımsal sulama amaçlı yeniden kullanım standartlarıyla karşılaştırılmıştır. NF sistemi ile BOİ5 konsantrasyonu 10 mg/L'nin altına indirilmiş ve ayrıca tarımsal sulama amaçlı yeniden kullanım için tüm kriterler sağlanmıştır. TÇM ve iletkenlik, NF sonrasında sulama suyu kriterleri ile uyumlu değerlere düşürülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre, geri kazanılan çıkış suyu Na+ ve Cl- iyonları açısından damla sulama için hafif veya orta derecedeki kısıtlamalar dahilinde uygulanabilirken yüzey sulamalarında ise ciddi kısıtlamalar dahilindedir. Bu çalışmada, kuşkonmaz gibi daha yüksek tuz toleranslı ürünler için NF çıkış suyunun sulamada kullanılmasının daha uygun olduğu bulunmuştur. Bunun nedeni, yüksek tuz toleranslı mahsullerin, sulama için hafif ila orta dereceli kısıtlamalar altında tam verim elde etme olasılığının daha yüksek olmasıdır. NF ile yapılan arıtmada çıkış suyunun diğer tüm parametreler açısından standartlar dahilinde olması NF'nin tarımsal amaçlı su geri kazanımı için uygun bir arıtma olduğunu göstermiştir. Öte yandan, MF-TO ve UF-TO çıkış suları endüstriyel yeniden kullanım standartları ile karşılaştırılmıştır. TO ile tam patojen giderimi sağlanmıştır. Çalışmada takip edilen ağır metallerden standartlar arasında yer alan Mn ve Fe'nin soğutma suyu olarak kullanım için gerekli standartları sağladığı ve elde edilen değerlerin uygun aralıkta olduğu tespit edilmiştir. Sertlik, alkalinite ve silika gibi ek parametreler de endüstriyel yeniden kullanım amacıyla değerlendirilmiştir. TO'nun MF yerine UF çıkış suyu ile işletilmesinde çıkış sertlik ve alkalinite değerleri daha düşük gerçekleşmiş ve UF-TO çıkışında sertlik ve alkalinite değerleri sırasıyla 4,0 CaCO3 mg/L ve 4,5 CaCO3 mg/L olarak gerçekleşmiştir. UV ve NF çıkış sularına kıyasla, TO ile çok daha yüksek iyon, TÇM ve iletkenlik giderimi sağlamıştır. Sonuç olarak, TO çıkış sularının soğutma suyu için verilen kalite kriterlerini sağladığı tespit edilmiştir.

Özet (Çeviri)

Due to the water crisis that affects every part of the globe, the concept of circular economy is increasingly being applied through the act of water saving and reuse. In order to safely reuse water, wastewater should be sufficiently treated to yield good quality effluents that are compatible with different reuse purposes. Reclaimed wastewater decreases the pressure on natural water sources by acting as an alternative water source. Moreover, pollution in water resources is mitigated because the treated wastewater is no longer discharged into water bodies. Due to the fact that conventional treatment technologies are not sufficient to produce high quality effluents intended for reuse, advanced treatment technologies are being applied. Such technologies also include membrane systems. Membrane treatment is a physical process that uses semi-permeable membranes to produce high quality effluents; moreover, membrane systems require little space, are relatively energy efficient to conventional methods and can be controlled with automation. High pressure membranes such as reverse osmosis (RO) produce higher quality effluents than low pressure membranes such as microfiltration (MF) and ultrafiltration (UF) by means of having smaller pore size. Ultraviolet (UV) treatment is widely used for wastewater disinfection and its use is becoming more widespread due to its effectiveness, low cost, short contact time and not forming hazardous by-product formation. In this study, biologically treated municipal wastewater was further treated with MF and UF. Next, the effluents of these membrane systems were subjected to further treatment, through UV disinfection and RO. The effluent of the UV system was to be compared to agricultural reuse standards, while that of the RO system was to be compared to industrial reuse standards. In this case, the low pressure membranes, MF and UF, were served as pre-treatment prior to RO with the purpose of minimizing fouling. The main objectives of this study include offering reclaimed wastewater as an alternative water source, obtaining reclaimed wastewater suitable for agricultural reuse by subjecting biologically treated wastewater to MF/UF + UV, producing reclaimed wastewater suitable for industrial reuse by subjecting biologically treated wastewater to MF/UF + RO, and assessing the quality of the RO and UV effluents and comparing them to reuse standards. A laboratory-scale MF system with hollow fiber polysulfone (PSf) membranes with a pore size of 0.8 µm and membrane area of 0.032 m2 was operated. As for the UF system, hollow fiber polyvinylidene fluoride (PVDF) membranes with a pore size of 0.06 µm and membrane area of 0.032 m2 was used. The operating flux of both MF and UF was 20 L/m2. h. Moreover, the UV system consisted of a UV-C lamp with a UV light intensity of 50 mW/cm2 and UV dose of 30,000 mWh/cm2; the disinfection period was 1.5 minutes. Lastly, the RO system contained flat sheet polyamide thin film composite membranes with an area of 0.014 m2 and molecular weight cut-off (MWCO) of 100-200 Da. The pressure was set at 15 bar and the recovery rate was 25%. Samples were analyzed in order to compare the effluent quality to national and international water reuse standards. Within the scope of the study, Turkey's Technical Procedures Notice on Wastewater Treatment Facilities (AATTUT)“Annex 7 - Reuse Criteria for Treated Wastewater as Irrigation Water”(Turkey Ministry of Environment and Forestry, 2010) and“Technical Procedures on Wastewater Treatment Facilities”(Turkey Ministry of Environment, Urbanization and Climate Change, 2022), the annexes of United States Environmental Protection Agency (EPA)“Water Reuse Guide”(EPA, 2012) and the European Union (EU)“Minimum Requirements for Water Reuse Regulation”(European Commission, 2020) were considered. Experimental analyses was carried out in order to monitor the treatment performances of the laboratory scale systems. At the end of the study, scanning electron microscope (SEM) analysis for the used membranes was performed to reveal the fouling properties of the membranes and the factors causing fouling. Data was processed at the end of the study and treatment performance was evaluated and then compared to standards. MF and UF yielded effluents with TSS values below 10 mg/L. UF treatment achieved complete pathogen removal while MF only achieved an average log removal efficiency of 3.7, 1.04, 1.0 for total coliform, fecal coliform, and E. coli, respectively. Moreover, the UF system had better overall treatment performance than the MF system. No pathogens were detected in the effluents of MF-UV and UF-UV. The average BOD5 in UF-UV effluent was 15.3 mg/L while it was 18 mg/L in MF-UV effluent. Both MF-RO and UF-RO effluents achieved complete pathogen removal. In addition, there was a decrease in pH after RO treatment, effluent had an average pH of 6.59, while the influent pH was around 7.8. Moreover, unlike UV, there was a significant decrease in total dissolved solids (TDS) and conductivity (>90% removal efficiency) in RO treatment, and around 94% and 96% removal of total nitrogen (TN) and total phosphorus (TP) were achieved, respectively. Chemical oxygen demand (COD) and biological oxygen demand (BOD5) of RO effluent were <20 mg/L and <10 mg/L, respectively. The RO system was also capable of removing most ions and metals that were analyzed. Moreover, using MF and UF as pre-treatment for RO ensured minimal fouling of RO membranes and no significant increase in TMP was observed with a drastic reduction in flux. Flux in MF-RO varied from 5-18 L/m2.hr and varied from 8-23 L/m2.hr in UF-RO during the RO operation. When compared to agricultural standards, BOD5 values of the UV effluent were within EPA and AATTUT standards but not within EU standards (<10 mg/L). Moreover, TDS and conductivity did not meet any of the standards and thus this indicates that UV was not sufficient to yield effluents that are high enough in quality for agricultural reuse in terms of these two parameters. Alternatively, high pressure membrane treatment could be applied instead of UV in the case of agricultural reuse. For instance, in this study, NF was applied after MF and UF as an alternative to UV. Following the NF treatment, the results were then compared to agricultural reuse standards. NF system yielded effluents with a BOD5 concentration of less than 10 mg/L and also all standards were met for agricultural reuse. In addition, TDS and conductivity were reduced by NF treatment to values that are within irrigation water standards. However, Na+ and Cl- ions can be applied for slight to moderate restrictions for drip irrigation; as for surface irrigations, the effluent values are within severe restrictions. In the study, the NF effluent was found to be more suitable for the irrigation of crops with higher salt tolerance such as asparagus. This is because highly salt-tolerant crops are more likely to achieve full yield under slight to moderate restrictions for irrigation. All the other parameters are within standards making NF treatment suitable for agricultural reuse. On the other hand, MF-RO and UF-RO effluents were compared to industrial reuse standards. Complete pathogen removal was achieved by RO. Only Mn and Fe from the heavy metals analyzed had standards for cooling water and the values achieved by this study were within the range. Additional parameters such as hardness, alkalinity and silica were compared in the case of industrial reuse studies. Hardness and alkalinity were lower when RO was pretreated with UF instead of MF with an average UF-RO value of 4.0 CaCO3 mg/L and 4.5 CaCO3 mg/L, respectively. In comparison to UV and NF effluents, RO achieved much higher ion, TDS and conductivity removal. Overall, it was found that the RO effluent met the criteria to be used for cooling water.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    850825

    High-rate activated sludge process for energy efficient wastewater treatment

    Enerji verimli atıksu arıtımı için yüksek yüklemeli aktif çamur prosesi

    HAZAL GÜLHAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. İZZET ÖZTÜRK

  2. Tez No

    555435

    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

    İngilizce

    2019

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. HALE ÖZGÜN ERŞAHİN

  3. Tez No

    654357

    Düz-panel hava kaldırmalı fotobiyoreaktörde büyütülen mikroalglerin çeşitli membranlar ile hasatlama etkisinin araştırılması

    Investigation of harvesting effect of microalgae grown in the flat-panel airlift photobioreactor by using various membranes

    ERDAL ERCAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2021

    Çevre MühendisliğiVan Yüzüncü Yıl Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ MELİH ONAY

    DR. ERDİNÇ ALADAĞ

  4. Tez No

    350612

    The recovery of fat, casein and whey proteins from cheese whey wastewater by membrane processes

    Peynir altı atık suyundan membran prosesler kullanılarak yağ, kazein ve serum proteinlerinin geri kazanımı

    CANER TORTOP

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2011

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. CUMALİ KINACI

  5. Tez No

    297025

    Sızıntı sularının membran proseslerle arıtılabilirliği: Odayeri örneği

    Treatment of landfill leachate with membrane processes: A case of Odayeri

    GÖKÇEN ACI

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Çevre MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET ÇAKMAKCI

Geri Dön