Geri Dön

Performance tests of hybrid membrane bioreactor (IFAS MBR) system in different sludge and hydraulic retention time

Hibrit membran biyoreaktor (IFAS MBR) sisteminin farklı çamur yaşı (SRT) ve hidrolik bekletme (HRT) sürelerinde performans testlerinin yapılması

PDF İndir

  1. Tez No: 887817
  2. Yazar: ELİF CEREN ESEN
  3. Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ TÜRKER TÜRKEN
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  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: 131

Özet

Su arıtımı ihtiyacının artmasıyla birlikte, son dönemlerde, daha az yer kaplayan, ekonomik ve yüksek kalitede temiz su sağlayan inovatif arıtma yöntemleri üzerine yapılan araştırmalar yoğunlaşmıştır. Bu alandaki lider teknolojilerden biri olan membran teknolojileri, özellikle evsel atıksu arıtma tesislerindeki konvansiyonel arıtma sistemlerinin yerine tercih edilmeye başladı. Membran Biyoreaktör (MBR) sistemleri, ekonomik ve işletmesi kolay olduğundan dolayı geniş bir araştırma alanına olanak sağlamıştır. Membran biyoreaktör sistemleri (MBR), evsel ve endüstriyel atıksuların arıtımında yaygın olarak kullanılan, aktif çamur sistemi ile biyolojik arıtmanın, membran filtrasyonu ile katı-sıvı ayrımının gerçekleştirildiği kombine arıtma sistemleridir. MBR prosesi, temelde arıtılmış su ile aktif çamurun fiziksel olarak membran ile ayrılmasına dayanır. Yüksek ayrım verimleri sağladığı için, MBR sistemi, geleneksel evsel atıksu arıtma tesislerinde bulunan son çökeltim havuzunun yerine fiziksel ayrım sağlayan bir membran modülünün prosese dâhil edilmesiyle oluşturulan bir işlemdir. Araştırmacılar, Marmara Havzasından günde yaklaşık 5 milyon m3 kanalizasyonun salındığını tespit etti. Bu atık suyun yaklaşık 1,5 milyon m3'ü Çevre ve Orman Bakanlığı verilerine göre ön arıtmadan hemen sonra deşarj edilmektedir. Hızlı nüfus artışı ve sanayileşmeyle birlikte kaçak atıksu deşarjlarının önümüzdeki yıllarda daha da artması bekleniyor. İstanbul'da, yerleşim sorunları nedeniyle atık sular sadece ön arıtma işlemine tabi tutularak Marmara Denizi'ne derin deniz deşarjı yapılmaktadır. Diğer yandan, tekstil gibi endüstrilerdeki yoğun atık su oluşumu, Marmara Denizi'nde noktasal kirlilik kaynağı oluşturmaktadır. Son dönemde ortaya çıkan müsilaj sorununun azot ve fosfor kaynaklı olduğu düşünülse de Marmara'ya giden besin yükünün azaltılması gerekiyor. Su sorunlarını çözmek ve geri dönüşümü sağlamak için, mevcut sistemlerin ileri biyolojik arıtma sistemlerine dönüştürülmesi gerekiyor. Bu bağlamda, tez atık deşarjını azaltarak ve deniz kirliliğini önleyerek olumlu etkilere sahip olabilir. Günümüzde, mevcut durumda klasik atıksu arıtma tesislerinin nitrat, fosfat giderimini sağlayacak şekilde yenilenmesi ve su tüketimini azaltan endüstrilerde atıksu geri kazanımının yapılacak seviyeye yükseltilmesi gerekmektedir. Bu amaçla, yeni teknolojilerin kullanılması ve yerli kaynaklardan mümkün olduğunca faydalanılarak tesis tasarımlarının ve ekipman seçimlerinin yapılması önemlidir. Bu sayede, çevre sektöründe dışa bağımlılığın azaltılması gerekmektedir. Entegre sabit film aktif çamur (IFAS), geleneksel aktif çamur teknolojilerine göre çeşitli avantajlar sunan nispeten yeni bir atıksu arıtma teknolojisidir. Biyokütle büyümesini kolaylaştırmak ve arıtma sürecini güçlendirmek için aktif çamur tankına bağlı bir büyüme ortamı eklenir. Eklenen ortam sabit veya serbest yüzer olabilir. Teknoloji nispeten yenidir ve mevcut bir tesise yükseltme olarak kurulabilir veya yeni inşa edilebilir. IFAS arıtma işlemi, geleneksel aktif çamur ve biyofilm teknolojilerini tek bir reaktörde birleştirir. Mevcut sistemlere yeni havalandırma tankı eklemeye gerek kalmadan yaklaşık %40'a dayanan bir performans artışı sunar. IFAS, aktif çamur havuzuna yüksek yüzey alanı ekler. Bu ortam/yüzey alanı, ek biyokütle sağlar ve büyüyen mikroorganizma oranını arttırır. Bu, çamur yaşını arttırdığı gibi, arıtma veriminin de yüksek performanslı olmasını sağlar. Tez kapsamında MBR sistemi ile IFAS sistemi tek bir sistem içerisinde birleştirilerek membran sisteminin veriminin arttırılması planlanmıştır. Mikroorganizmaların IFAS'ın sunduğu film sabitleme özelliği kullanılarak membran tankında düşük AKM ile filtrasyon yapılarak akıların artırılması ve transmembran basıncının düşürülmesi sağlanmıştır. IFAS taşıyıcı medyaya yüksek oranda tutunmasından dolayı az alanda bile verimi yüksek ve fazla miktarda atıksu arıtımı yapılabilmektedir. Yer problemi bulunan yerlerde konvansiyonel arıtma sistemlerinin ileri biyolojik arıtma tesislerine revizyonunda, kapasite arttırılmasında, aynı hacimde daha yüksek hacimde ve miktarda atık su arıtımı yapmak için birçok avantajı bulunur. Tez kapsamında membran sistemlerle entegre yenilikçi sistemlerin kullanılarak özellikle yer problemi olan bölgelerde küçük hacimde fazla miktarda atıksu arıtımı gerçekleştirmek (azot fosfor giderimi dahil) amaçlanmıştır. Yerli membran teknolojileri kullanılarak su geri kazanımı yapacak şekilde klasik arıtma sistemlerinin revizyon olanaklarının belirlenmesi hedeflenmiştir. Entegre Sabit Aktif Çamur Sistemi (IFAS) sisteminin membran sistemlerle entegre edilerek hibrit IFAS MBR sistemi oluşturulması ve arıtma veriminin artırılması amaçlanmıştır. IFAS-MBR sisteminde, hem askıda hem de sabit yatak üzerinde büyüyen mikroorganizmaların konsantrasyonu artırılarak, MBR sistemlerinin gerektirdiği hacimden daha düşük hacimlerde arıtma sağlanmıştır. Klasik bir aktif çamur sisteminde biyolojik havuz içindeki mikroorganizma konsantrasyonu 4000 mg/L seviyesinde tutulabilirken, MBR sistemlerinde bu değer 10.000 mg/L'ye kadar çıkabilir. IFAS-MBR arıtma konseptinde ise sabit yatak üzerinde 10.000-15.000 mg/L, askıda ise 10.000 mg/L mikroorganizma konsantrasyonu sağlanabilir. Bu durum, arıtma sisteminin ihtiyaç duyduğu alanı MBR sistemlerine kıyasla yarıya kadar azaltabilir. Tez kapsamında 500 L/gün kapasiteli IFAS MBR sistemi tasarlanmıştır. Sistemlerin tasarımı 3 boyutlu çizim programında yararlanılarak tasarlanmıştır. Atık su beslemesi IFAS MBR sisteminde biyolojik havuz içerisine yerleştirilecek sabitleme materyallerinin altından beslenmiştir ve homojen dağılım sağlanmıştır. Sistemde sabit tip IFAS taşıyıcı medyalardan yararlanılmıştır. Hareketli medyaların su içerisindeki hareketi, aerobik reaktörlerde difüzörler, anaerobik ve anoksik reaktörlerde ise karıştırıcılar kullanılarak sağlanır. Bu sayede suyun sirkülasyonu ile reaktör içinde hareket eden taşıyıcılar, mekanik veya hidrodinamik olarak karıştırılmış olur. Sirkülasyonla oluşan yüksek kayma gerilmesi ve taşıyıcıların çarpışması, biyofilm gelişiminin kontrolüne yardımcı olarak reaktör sisteminin stabilizasyonunu sağlar. Sistem gerçek atıksu ile beslenmiş; hidrolik olarak besleme kademeli olarak arttırılmıştır. Bu şekilde her bir sistem için organik ve hidrolik yükleme oranları belirlenerek maksimum arıtılabilecek atıksu miktarları belirlenmiştir. Ayrıca, farklı çamur yaşlarında yapılan çalışmalarda, IFAS MBR prosesinde nitrifikasyon oranının daha yüksek olduğu gözlemlenmiştir. Bu fark, özellikle düşük çamur yaşlarında IFAS MBR hibrit prosesinin daha verimli çalıştığını göstermiştir. Yüksek mikroorganizma tutunması sayesinde, küçük alanlarda yüksek verimle daha fazla miktarda atık suyun hidrolik olarak arıtılması sağlanmıştır. Tez kapsamında IFAS MBR sistemi farklı çamur yaşlarında işletilmiştir. Farklı çamur yaşlarında işletilen IFAS MBR sisteminde SRT 5 gün kadar düşük çamur yaşı değerlerinde de nitrifikasyon oranının yüksek olduğu gözlemlenmiştir. IFAS MBR sisteminin vaat ettiği bir diğer özellik ise düşük çamur yaşında bile yüksek nitrifikasyon oranları ve yüksek toplam azot giderimi gerçekleştirebilmesidir. Marmara denizine en fazla deşarj evsel nitelikle atıksu olduğundan dolayı IFAS MBR sistemi İTÜ Ayazağa Kampüsü içerisinde evsel nitelikli atıksu arıtımında kullanılacaktır. Bu sistem daha sonra spesifik olarak her türlü endüstriyel atıksu arıtımı içinde kullanılabilecektir. Tez doğrultusunda, MBR sistemi ile IFAS sistemi tek bir sistem içerisinde birleştirilerek membran sisteminin verimi artırılmıştır. IFAS biyofilm sabitlenmesi sağlar. Bu sebeple membran tankında daha düşük membran basıncı elde edilirken; elde edilen temiz su akısı artar. IFAS sistemi ile MBR sisteminin entegre olarak kullanımı literatürde yaygın değildir. Bu yönüyle literatüre yararlı bilgilerle katkıda bulunacaktır. Proje kapsamında işletilen hibrit IFAS MBR sistemi ile atıksu arıtma tesisleri alan ihtiyacını azaltmakla mevcut sistemlerin revizyonları kolaylaşacaktır. Yani mevcut klasik sistemler kullanılarak çok daha yüksek kapasitede ileri biyolojik arıtma gerçekleştirilebilecektir. IFAS ve MBR sistemlerinin entegre kullanımı literatürde yaygın değildir ve bu çalışma bu alanda önemli bilgiler sağlayarak literatüre katkıda bulunacaktır. Alan ihtiyacının %10 oranında azaltılması bile, arazi fiyatlarının yüksek olduğu bu dönemde atık su arıtma tesislerinin yapım maliyetlerini önemli ölçüde düşürecektir. Bu durum, birçok yerde kapasite artırılamamasının ve sistemlerin ileri biyolojik arıtma sistemlerine dönüştürülememesinin başlıca nedenlerinden biridir. Sistemin yerli imkanlarla üretilmesi, membran filtre ve diğer kritik ekipmanlar açısından yurtdışına bağımlılığı ortadan kaldırarak tam ekonomik güvenlik sağlamaktadır.

Özet (Çeviri)

In recent years, research has intensified on new treatment processes that occupy less space, are cost-effective, and provide highly efficient treated effluent quality due to the increasing volumes of water requiring treatment. Membrane technologies are at the forefront of these technologies. Particularly, Membrane Bioreactor (MBR) systems, which can be used as alternatives to conventional treatment systems in domestic wastewater treatment plants, have created a wide range of research opportunities due to their economic and easy operability. Membrane Bioreactor (MBR) systems are widely used in the treatment of domestic and industrial wastewaters. They are combined treatment systems where biological treatment using activated sludge is integrated with membrane filtration for solid-liquid separation. The MBR process primarily relies on the physical separation of treated water and activated sludge by membranes. Due to its high separation efficiencies, it involves the incorporation of a membrane module providing physical separation instead of the final sedimentation tank found in conventional domestic wastewater treatment plants, either submerged or externally integrated into the process. According to research, wastewater discharge from the Marmara Basin is approximately 5 million m3. According to data from the Ministry of Environment and Forestry, approximately 1.5 million m3 of this wastewater is discharged directly after preliminary treatment. With rapid population growth and industrialization, it is anticipated that this wastewater discharge will increase further in the coming years. In Istanbul specifically, due to spatial constraints, wastewater is only subjected to preliminary treatment before being discharged into the Sea of Marmara through deep-sea outfalls. Additionally, industries such as textiles, which generate a significant amount of wastewater, contribute to point source pollution in the Sea of Marmara. While the recent emergence of mucilage is believed to be nitrogen and phosphorus-related, efforts are needed to reduce the nutrient load entering the Marmara Sea. Action is required to address both water scarcity issues and promote resource recovery, as well as to upgrade existing systems to advanced biological treatment. In this context, the thesis in question has implications for reducing wastewater discharge and preventing marine pollution. At the current stage, it is imperative to upgrade conventional wastewater treatment plants to ensure the removal of nitrogen and phosphorus and to achieve treatment efficiencies sufficient for wastewater recovery in water intensive industries. In this regard, new technologies should be employed, and whenever possible, facility designs and equipment selections should leverage local resources. This approach aims to eliminate dependence on foreign sources in the environmental sector. Integrated Fixed-film Activated Sludge (IFAS) is a relatively new wastewater treatment technology that offers various advantages over traditional activated sludge technologies. It involves the addition of a growth media to the activated sludge tank to facilitate biomass growth and enhance the treatment process. The added media can be fixed or free-floating. The technology is relatively new and can be installed as an upgrade to an existing facility or built anew. The IFAS treatment process combines traditional activated sludge and biofilm technologies in a single reactor. It offers a performance increase of up to about 40% without the need to add new aeration tanks to existing systems. IFAS adds a high surface area to the activated sludge tank, providing additional biomass and increasing the rate of microbial growth.This not only increases the sludge age but also ensures high-performance wastewater treatment. Within the scope of the thesis, the combination of MBR (Membrane Bioreactor) and IFAS (Integrated Fixed-film Activated Sludge) systems within a single system is planned to enhance the efficiency of the membrane system. In this regard, utilizing the film attachment feature offered by IFAS, low F/M (Food to Microorganism) ratio filtration is conducted in the membrane tank, thereby increasing flux rates and reducing transmembrane pressure. Additionally, due to the high microbial attachment, high-efficiency wastewater treatment can be achieved in small footprint areas hydraulically. This situation will provide numerous advantages, especially in areas with spatial constraints, during the revision of conventional wastewater treatment plants to advanced biological wastewater treatment plants and in capacity expansions, enabling much more wastewater treatment in the same volume. Within the scope of the thesis, a 500 L/day capacity IFAS MBR system was designed and constructed. The designs of the systems were created using a 3D drawing program. Wastewater feed to the IFAS MBR system was introduced from beneath the fixation materials placed within the biological pool, ensuring homogeneous distribution. The system was fed with real wastewater, with hydraulic feed gradually increased. In this way, organic and hydraulic loading rates were determined for each system, identifying the maximum wastewater quantities that could be treated. Additionally, within the thesis scope, the IFAS MBR system was operated at different sludge ages. It was observed that even at low sludge ages, as low as 5 days, the nitrification rate was high in the IFAS MBR system operated at different sludge ages. Another promising feature of the IFAS MBR system is its ability to achieve high nitrification rates and total nitrogen removal even at low sludge ages. Since the majority of discharges into the Sea of Marmara consist of domestic wastewater, the IFAS MBR system will be utilized for domestic wastewater treatment within the ITU Ayazaga Campus. Subsequently, this system can be adapted for the treatment of various types of industrial wastewater as well. Within the project scope, the efficiency of the membrane system was enhanced by combining the MBR system with the IFAS system within a single system. In this regard, low F/M ratio filtration was achieved in the membrane tank using the film attachment feature offered by IFAS, thereby increasing flux rates. The integrated use of the IFAS system with the MBR system is not widely documented in the literature, thus contributing valuable information to the field. Operating the hybrid IFAS MBR system within the project will reduce the footprint of wastewater treatment facilities, facilitating the revision of existing systems. This means that advanced biological treatment can be achieved at much higher capacities using existing conventional systems.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    767367

    Yenilikçi üretim şekilleri ile ileri osmoz membranı yapısında yüksek performanslı membranların üretimi ve basınç destekli ileri osmoz hibrid prosesi ile membran biyoreaktörlerde dâhili olarak işletilmesi

    Manufacturing of high-performance membranes with forward osmosis membrane structure through innovative manufacturing methods and its operation internally in membrane bioreactors with pressure-assisted forward osmosis hybrid process

    SERKAN ARSLAN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Çevre MühendisliğiGebze Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EBUBEKİR YÜKSEL

  2. Tez No

    709206

    Anaerobik osmotik membran biyoreaktörde kullanılan çekme çözeltilerinin inhibisyon etkisinin araştırılması

    Investigation of the inhibition effect of draw solutions used in anaerobic osmotic membrane bioreactor

    İLKNUR YALÇIN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. YASEMİN KAYA

    PROF. DR. GÜLSÜM YILMAZ

  3. Tez No

    812772

    Metal organik kafes yapı katkılı hibrit polimerik membranlar ile pervaporatif desalinasyon uygulaması

    Pervaporative desalination application with metal organic framework structure doped hybrid polymeric membranes

    ZEYNEP ÖZBÜĞRÜ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2023

    Kimya MühendisliğiBursa Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. DERYA ÜNLÜ

  4. Tez No

    547730

    Polimerik/modifiye seramik hibrit membran prosesi ile endüstriyel atık sudan bakır giderimi ve geri kazanımı

    Copper removal and recovery from industrial wastewater with polymeric/modified ceramic hybrid membrane process

    NİYAZİ ERDEM DELİKANLI

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2019

    Kimya MühendisliğiSüleyman Demirel Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NEVZAT ÖZGÜ YİĞİT

    DOÇ. DR. HASAN KÖSEOĞLU

  5. Tez No

    636966

    İç ortamdaki inorganik ve organik kirleticilerin yeni teknolojiler ile giderilmesi

    Removal of inorganic and organic pollutants in the indoor air by new technologies

    BİLGE BETÜL ÖZÇELİK

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2020

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MELEK MÜMİNE EROL TAYGUN

Geri Dön