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
- Tez No: 887568
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ HÜSEYİN GÜVEN
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2023
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 147
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)
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
Benzer Tezler
- High-rate activated sludge process for energy efficient wastewater treatment
Enerji verimli atıksu arıtımı için yüksek yüklemeli aktif çamur prosesi
HAZAL GÜLHAN
Doktora
İngilizce
2023
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
- Hidrokarbon içeren tuzlu atıksuların membran biyoreaktör (MBR) ile ön arıtma sonrası nanofiltrasyon (NF) ve ters osmoz (TO) membranları ile ileri arıtımının araştırılması
Investigation of treatment of saline hydrocarbons containing wastewaters by pretreatment with membrane bioreactor (MBR) and tertiary treatment of nanofiltration (NF) and reverse osmosis (RO) membranes
BURCU ATAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. İSMAİL KOYUNCU
- Yüksek ve düşük tuz konsantrasyonu içeren petrol üretim atıksuyu ile işletilen membran biyoreaktör sisteminin performansının ve mikroorganizma popülasyon değişiminin incelenmesi
Investigation of microorganisms populationchanging and performance of membran bio reactor system operated with high and low salinity contains oil wastewater
SELVİHAN ELİDÜZGÜN
Yüksek Lisans
Türkçe
2011
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Pilot ölçekli batık membran sistemleri ile içme suyu arıtımı
Treatment of drinking waters with submerged membranes on a pilot scale
MÜGE AKDAĞLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU