Membran Teknolojileri Ve Uygulamaları. Sempozyumu

Transkript

1 Membran Teknolojileri Ve Uygulamaları Sempozyumu Bildiriler Kitabı Editörler Bülent Keskinler İsmail Koyuncu Cumali Kınacı Mustafa S. Yazgan Hale Özgün Necati Kayaalp Evren Erşahin Recep Kaan Dereli 2 3 KASIM 2009, İSTANBUL i

2 ii

3 Önsöz iii

4 4

5 Destekleyen Kuruluşlar v

6 vi

7 Kurullar Onur Kurulu Prof. Dr. Veysel Eroğlu Prof. Dr. Muhammed Şahin Prof. Dr. Ali Nur Büyükaksoy Prof. Dr. Hasan Z. Sarıkaya Prof.Dr. Adem Baştürk Prof. Dr. Gaye Onursal Denli Prof. Dr. Lütfi Akça Osman Akgül Prof. Dr. Cumali Kınacı Doç. Dr. İbrahim Demir DanıĢma Kurulu Prof. Dr. Bülent Keskinler Prof. Dr. Cumali Kınacı Prof. Dr. Ülkü Yetiş Doç. Dr. İsmail Koyuncu Doç. Dr. Halil Hasar Doç. Dr. Mehmet Kitiş Doç. Dr. Ergün Yıldız Bilim Kurulu * Prof. Dr. Avni Çakıcı Prof. Dr. Ahmet Demir Prof. Dr. Cumali Kınacı Prof. Dr. Bülent Keskinler Prof. Dr. İzzet Öztürk Prof. Dr. Ahmet Mete Saatçı Prof. Dr. Ülkü Yetiş Doç. Dr. Mehmet Çakmakcı Doç. Dr. Halil Hasar Doç. Dr. Mehmet Kitiş Doç. Dr. İsmail Koyuncu Doç. Dr. Vedat Uyak Doç. Dr. Ergün Yıldız Yrd. Doç. Dr. Eyüp Debik Çevre Yük. Müh. Şenol Yıldız * Soyadı sırasına göre düzenlenmiştir. Çevre ve Orman Bakanı İstanbul Teknik Üniversitesi Rektörü GYTE Rektörü Çevre ve Orman Bakanlığı Müsteşarı İBB Genel Sekreteri İTÜ İnşaat Fakültesi Dekanı Çevre Yönetimi Genel Müdürü İSTAÇ A.Ş. Genel Müdürü İTÜ Çevre Mühendisliği Bölüm Başkanı İBB Çevre Koruma Daire Başkanı GYTE Çevre Müh. Böl. İTÜ Çevre Müh. Böl. ODTÜ Çevre Müh. Böl. İTÜ Çevre Müh. Böl. FÜ Çevre Müh. Böl. SDÜ Çevre Müh. Böl. AÜ Çevre Müh. Böl. AÜ Çevre Müh. Böl. YTÜ Çevre Müh. Böl. İTÜ Çevre Müh. Böl. (Bilim Kurulu Başkanı) GYTE Çevre Müh. Böl. İTÜ Çevre Müh. Böl. MÜ Çevre Müh. Böl. ODTÜ Çevre Müh. Böl. ZKÜ Çevre Müh. Böl. FÜ Çevre Müh. Böl. SDÜ Çevre Müh. Böl. İTÜ Çevre Müh. Böl. PAÜ Çevre Müh. Böl. AÜ Çevre Müh. Böl. YTÜ Çevre Müh. Böl. İSTAÇ vii

8 Düzenleme Kurulu Prof. Dr. Bülent Keskinler Doç. Dr. İsmail Koyuncu Çevre Yük. Müh. Şenol Yıldız Çevre Müh. Esra Ölmez Doç. Dr. Mustafa Sait Yazgan Doç. Dr. Elif Erhan Doç. Dr. Ahmet Karagündüz Yrd. Doç. Dr. Mahmut Altınbaş Dr. Coşkun Aydıner Araş. Gör. Hale Özgün Araş. Gör. Necati Kayaalp Araş. Gör. Evren Erşahin Araş. Gör. R. Kaan Dereli GYTE Çevre Müh.Böl.(Semp. Eş Başkanı) İTÜ Çevre Müh. Böl. (Semp. Eş Başkanı) İSTAÇ İSTAÇ İTÜ Çevre Müh. Böl. GYTE Çevre Müh. Böl. GYTE Çevre Müh. Böl. İTÜ Çevre Müh. Böl. GYTE Çevre Müh.Böl.(Semp. Sekreteryası) İTÜ Çevre Müh. Böl. (Semp. Sekreteryası) İTÜ Çevre Müh. Böl. İTÜ Çevre Müh. Böl. İTÜ Çevre Müh. Böl. viii

9 İçindekiler Önsöz... iii İçindekiler... ix Avşa (Balıkesir) Belediyesine İçme-Kullanma Suyu Temini Amaçlı Denizsuyundan Ters Ozmoz Yöntemi İle Arıtma Tesisi Projelendirilmesi Ve Yapımı... 1 Ferdağ Oruç Babuçcu, Sevtap Çağlar Çöp Sızıntı Sularının Membran Sistemleriyle Arıtımı: İstanbul Örneği... 5 Şenol Yıldız,Vahit Balahorli Membran Sistemleri ile Su Arıtımının Maliyeti... 9 Pasa Hüseyin Arı, Hale Özgün, M. Evren Erşahin Ve İsmail Koyuncu Büyük Ölçekli Şehir İçme Suyu Temininde Membran Teknolojileri Uygulamaları (Kırıkkale, Bafra Ve Bala (Kesikköprü)İçme Suyu Arıtma Tesisleri) Mahmut Paputçu, Birdal Bozdağ, Seda Demir, Coşar Aydın İndigo Boyama Atıksularının Membran Teknolojisi İle Geri Kazanımı Niğmet Uzal, Levent Yılmaz, Ülkü Yetiş Tekstil Boyama Atıksularından Su Ve Tuz Geri Kazanımında Farklı Membran Proseslerin Kullanımı Coşkun Aydıner, Yasemin Kaya, Z.Beril Gönder, İlda Vergili Tekstil Endüstrisinde Farklı Proses Atıksularının Arıtımında ve Geri Kazanılmasında Membran Uygulamaları Hacer Arslan, Hale Özgün, Mehmet Çakmakçı, İsmail Koyuncu Tekstil Endüstrisinde Membran Teknolojisi ile Proses Suyu Geri Kazanımı Gökşen Çapar, Niğmet Uzal, Meltem Ünlü, Cihangir Varol, Levent Yılmaz, Ülkü Yetiş Kasar Yıkama Atıksularının Geri Kullanımının Araştırılması Kenan Güney, Ralf Minke, Heidrun Steinmetz Sürekli Aktif Çamur ve Jet-Loop Sistemlerinde Mikrofiltrasyon Membranların Kirlenme Özelliklerinin İncelenmesi Derya Y.Köseoğlu İmer, Seçil Bayar, Nadir Dizge, Ahmet Karagündüz, Bülent Keskinler Membran Biyoreaktör (Mbr) Proseslerinde Yeni Tıkanma Kontrolü Stratejileri Hasan Köseoğlu, B. İlker Harman, Nevzat Özgü Yiğit, Mehmet Kitis Hücre Dışı Polimerik Maddelerin Mikrofiltrasyon Membranlarının Kirlenme Özelliklerine Etkisi N. Kayaalp, C. Kınacı ve I. Koyuncu Membran Biyoreaktör (MBR) Prosesleri- Genel Değerlendirme Mehmet Kitis, Nevzat Özgü Yiğit, Hasan Köseoğlu, B. İlker Harman, Gökhan Civelekoğlu, Emine Sayılgan, Ş. Şule Bekaroğlu, Evrim Çelik Membran Biyolojik Arıtma Sistemlerinin Modellenmesi Ahmet Codal, Umay Gökçe Özkan Yücel, Okan Tarık Komesli, Celal Ferdi Gökçay Anaerobik Membran Biyoreaktörünün Çöp Sızıntı Sularının Arıtımında Kullanılması Ergin Taşkan ve Halil Hasar Membran Prosesleri İle İlaç ve Tekstil Endüstrisi Atıksularının İleri Arıtımı Burcu Kaleli Öztürk, Yasemin Kaya, Z. Beril Gönder, İlda Vergili, Hulusi Barlas Membran Teknolojisi ile İpek İşleme Atıksularından Serisin Geri Kazanımı Gökşen Çapar, S. Seylan Aygün, M. Ruşen Geçit ix

10 İçme ve Kullanma Suyu Temininde Alternatif Yöntemler: Desalinasyon ve Atıksu Geri Kazanımı İsmail Koyuncu, Hale Özgün, M. Evren Erşahin, R. Kaan Dereli ve Necati Kayaalp Nanofiltrasyon Prosesi ile Deterjan Üretimi Yıkama Sularının Geri Kazanımı Yasemin Kaya, Hulusi Barlas, Semiha Arayıcı Membran Biyoreaktörlerin (MBR) Çamur Minimizasyonundaki Rolü Özlem Demir, Ayşe Filibeli Batık Membran Biyoreaktörde Farklı Mikrofiltrasyon Membranların Kirlenme Özelliklerinin İncelenmesi Nadir Dizge, Ahmet Karagündüz, Bülent Keskinler Tübüler Membran Biyoreaktör Sistemi ile Kentsel Atıksuyun İleri Arıtımı: Pilot Tesis Deney ve İşletme Çalışmaları Duygu Topaloğlu, Turgay Dere, Recep İleri Pilot-Ölçek Membran Biyoreaktöründe Aktif Çamur Reolojik Karakterizasyonunun Tayini Fatih Can Kalkan, Metin Günaydın, Gökhan Civelekoğlu Nanolif Membranların Sıvı Filtrasyon Özellikleri Ali Demir, Tuncay Gümüş Hidrojene Dayalı Membran Biyofilm Reaktör ile İçme Sularında Yüksek Hızlı Denitrifikasyon Serdar Karataş, Ergin Taşkan, Halil Hasar Batık Membran Sistemleri ile İçme Suyu Arıtımı Müge Akdağlı, Selin Taşıyıcı, Elif Soyer, Esra Erdim, Mehmet Çakmakcı, Vedat Uyak,İsmail Koyuncu Amonyum Ve Fosfatın Sulu Ortamdan Mağnezyum Amonyum Fosfat (Map) Şeklinde Mikrofiltrasyonla Ayrılması Ergün Yıldız, Abdullah Duman İleri Osmoz Prosesi Bülent Keskinler Su ve Atıksu Arıtımında Kabarcıksız Gaz-Difüzyon Membranları Halil Hasar Krom Tabaklama Atıksularından Nanofiltrasyon Membranı İle Cr (III) Gideriminin Araştırılması Berna Kırıl Mert, Kadir Kestioğlu Sulu Çözeltilerden Cu(Iı) İyonlarının Elektrodeionizasyon (EDI) Yöntemi İle Giderilmesine Besleme Çözeltisindeki Cu(II) İle Elektrot Bölmesindeki Sülfürik Asit Derişiminin Etkisi Ö. Arar, Ü. Yüksel, M. Yüksel, N. Kabay Kağıt Endüstrisi Atıksularının Membran Prosesleri İle Arıtım Alternatiflerinin Araştırılması Z.Beril Gönder, Semiha Arayıcı, Hulusi Barlas Hidrokarbon ve Tuz içeren Petrol ve Doğal Gaz Üretim Atıksularının Membran Biyoreaktör (MBR) ile Arıtımı B. Atay, T. Kıratlı, S. Erdem, E.B. Gençsoy, H. Özgün,M. E. Erşahin, N. Kayaal, M. Altınbaş, S. Sayılı, P. Hoşhan, D. Atay, E. Eren, C. Kınacı, İ. Koyuncu ODTÜ-VRM Membran Biyoreaktör Sisteminin Enerji Kullanım Analizi Okan Tarık Komesli, Celal Ferdi Gökçay Metanojenik Fazdaki Katı Atık Depolama Sahası Sızıntı Sularının Açık Kanal Ters Ozmoz Membran Modülleri İle Arıtımı Vahdi Can Gürsoy ve Refah Özdemir x

11 Su Ve Atıksu Arıtımında Kullanılan Polimerik Ve Seramik Membran Proseslerinin Karşılaştırılması B. İlker Harman, Hasan Köseoğlu, Nevzat Özgü Yiğit, Mehmet Beyhan, Mehmet Kitis * Atıksuların Arıtılmasında Anaerobik Membran Biyoreaktörler Mustafa Aslan, Halil Hasar, Yusuf Saatçi Pervaporasyon Membran Tekniğinin Solvent Susuzlaştırmada Kullanılması Vedat Uyak Doğal Organik Maddelerin Membran Filtrasyon ile Giderimi Nuray Ateş, Levent Yılmaz, Mehmet Kitiş, Ülkü Yetiş Kesikli Aktif Çamur (Kaç) Sisteminde Membranların Biyolojik Olarak Kirlenmesinin İncelenmesi Seçil Bayar, Derya Y.Köseoğlu İmer, Nadir Dizge, Ahmet Karagündüz, Bülent Keskinler Deniz Suyundan Kullanım Suyu Üretiminde Ters Ozmos Yöntemi-Doğal Deniz Suyu Ortamında Ters Ozmos Membranlarının Performans Karşılaştırması E. Güler, E. Yavuz, S. Solak, G. Sert, M. Arda, M. Yüksel, Ü. Yüksel, V. Gündoğdu, N. Kabay Döner Vakumlu Membran Tesisi Ve Uv Dezenfeksiyonu Ünitelerinde Faj Uzaklaştırma Verimliliklerinin Belirlenmesi Ceren Bayören, Okan T. Komesli, Celal F. Gökçay Türkiye deki Membran Biyoreaktör (Mbr) Uygulamalarının İncelenmesi M. Taner Şahin, İlda Vergili, Yasemin Kaya, Z. Beril Gönder, Hulusi Barlas Çapraz Akışlı-Düz Tabakalı Ters Ozmos Membran Sisteminde FilmTec TM BW30 Membranı ile Jeotermal Sudan Bor Giderilmesi-Basınç Etkisi Ş.G. Öner, E.Güler, H.Köseoğlu, M.Kitiş, M.Yüksel, N.Kabay Jeotermal Sudan Borun Fonksiyonel Fiber Adsorbentlerle Adsorbsiyon Ultrafiltrasyon (UF) Hibrit Yöntemi Kullanılarak Ayrılması P.Bilgin, S.Yavuz, Ü.Yüksel, H. Parschova, M.Yüksel, N.Kabay Jeotermal Sulardan Bor Giderimi İçin Yeni Entegre Sistem: Sorpsiyon-Membran Filtrasyon Hibrit Yöntemi P.Köseoğlu, E.Güler, İ.Yılmaz-İpek, Ü.Yüksel, M.Yüksel, N.Ö.Yiğit, M.Kitiş, N.Kabay Mini-Pilot Ölçek Spiral Sarım Ters Ozmos Sistemiyle Jeotermal Sulardan Bor Giderilmesi E.Yavuz, E.Güler, G.Sert, Ö.Arar, M.Yüksel, Ü.Yüksel, M.Kitiş, N.Kabay İzobutil Asetatın Eldesine Yönelik Esterleşme Reaksiyonunun Amberlyst 15 Katalizörü Varlığında Pervaporasyon Membran Reaktörde İncelenmesi Sevinç Korkmaz, Salih Dinçer Konvansiyonel Aktif Çamur Sistemleri ile MBR Sistemlerinin Tasarımı ve Maliyetlerinin Karşılaştırılması Börte Köse ve İsmail Koyuncu Çay Özü Atıksularının Membran Teknolojisi ile Arıtılması Kenan Güney ve Andreas Neft Hibrit Mikrofiltrasyon Prosesiyle Nikel Gideriminde Membran Kirlenmesi Ve Akı Azalması Mekanizmalarının Proses Değişkenleri Etkisi Altında Değerlendirilmesi Coşkun Aydıner, Bülent Keskinler, Orhan İnce İndex xi

12

13 Sözlü Sunumlar

14

15 Avşa (Balıkesir) Belediyesine İçme-Kullanma Suyu Temini Amaçlı Denizsuyundan Ters Ozmoz Yöntemi İle Arıtma Tesisi Projelendirilmesi Ve Yapımı Çevre Y. Müh. Ferdağ Oruç Babuçcu, Çevre Müh. Sevtap Çağlar Ġller Bankası Genel Müdürlüğü, Etüd Plan ve Yol Dairesi BaĢkanlığı, Ankara Dünyada hızla artan nüfus artışı nedeniyle içme kullanma suyu ihtiyacının karşılanmasına yönelik doğrudan veya klasik arıtma sistemleri ile arıtılarak kullanılabilecek yer altı ve yüzey sularımızın yetersiz kalması nedeniyle deniz suyu ve iletkenliği yüksek yer altı ve diğer yüzey sularımızın membran teknolojileri ile arıtılarak içme-kullanma suyu temin edilebilmesi mümkün ve ekonomik olabilmektedir. Deniz suları yüksek değerde tuzluluk içeren sular olup membran teknolojilerinden ters ozmoz yöntemi ile arıtılarak, işletme maliyeti fizibıl olan içme kullanma suyu temin edilebilmektedir. Bu arıtma yönteminde denizden su alma yapıları ve ön arıtma üniteleri de önemli bir yer teşkil etmektedir. Bu çalışmada, Avşa Belediyesinin içmesuyu ihtiyaç açığının deniz suyundan ters ozmoz arıtma sistemi ile karşılanmasına yönelik İller Bankasınca yapılan fizibilite, ihale, proje ve yapım çalışmaları hakkında farklı Belediyelerin ve Kuruluşlarında faydalanabileceği özet bilgi oluşturulmuştur. Avşa (Balıkesir) Belediyesi nin içmesuyu ihtiyaç açığını karşılayabilmek için yeterli miktarda yer altı ve yer üstü su kaynağının bulunmaması nedeniyle içmesuyu ihtiyacının karşılanmasına yönelik deniz suyunun ters ozmoz arıtma yöntemi ile arıtılarak içmesuyu temin edilmesi uygun görülmüştür. Beldenin turistik özelliği nedeni ile nüfus projeksiyonu yapılırken turistik nüfus da dikkate alınmış ve tesis kapasitesi belirlenmiştir. 1. aşama debisi 46 l/s, 2 aşama debisi 92 l/s ve hedef yılı ihtiyaç debisi ise 122 l/s olarak hesaplanmıştır. Avşa Belediyesi nin içme suyu ihtiyacı göz önüne alınarak 1. kademe 46 lt/sn (4000 m3/gün) tesisin yapılması planlanmıştır. Ters ozmoz membranlarından beklenen minimum %50 geri kazanım oranı göz önüne alındığında tesisin denizsuyu ile besleme (hamsu) debisi 92 lt/sn olacaktır. Deniz suyunun kuyu açılarak temin edilmesi yönünde ön etütler yapılmış, ancak kuyulardan yeterli miktarda su alınamadığı için deniz suyu doğrudan denizden temin edilmektedir. Denizde yapılan batimetrik, oşinografik ve jeoteknik çalışmaların sonuçlarına göre deniz içinde yapılacak su alma yapısının yeri, deniz içi hamsu iletim hattı güzergahı ve konsantre su deşarj hattı güzergahı belirlenmiştir. Denizden alınacak hamsu (deniz suyu) yaklaşık 465 m uzunlukta HDPE 560mm PN10 hamsu iletim hattı ile arıtma tesisine iletilmektedir. Arıtma tesisi aşağıdaki ünitelerden oluşacaktır. Ön Æöktürme ve Izgara Sistemi Hamsu Besleme Deposu ve Besleme Pompaları Otomatik Æok Katmanlı Kum Filtreleri Kartuş Filtreler 1

16 Yüksek Basınç Pompaları, Resirkülasyon Pompaları ve Basınç Eşanjör Ünitesi Ters Ozmos Ünitesi Remineralizasyon Ünitesi Temiz Su Deposu Trafo ve Jeneratör Ön Çöktürme ve Izgara Sistemi; Ham deniz suyu, karada yapılan tesis girişindeki vanadan sonra ön çöktürme haznesine alınmaktadır. Bu haznede ham su içerisinde denizden gelebilecek olan kum gibi malzemelerin çökeltilmesi sağlanmaktadır. Ön çöktürme haznesinden sonra ham su giriş kanalına girmektedir. Giriş kanalı iki gözlü ızgara kanalına açılmaktadır. Kanal girişinde bulunan ızgara kanal kapakları yardımı ile ızgara kanalına su girişi sağlanabilmektir. Kaba ızgarada açıklık 15 mm ve ince ızgarada ise 1 mm dir. Hamsu Besleme Deposu ve Pompaları; Hamsu besleme deposu denizden cazibe ile gelen suyun ön filtrasyondan sonra bir depoda depolanması ve sisteme pompalar ile kontrollü bir şekilde beslenmesi için kullanılmaktadır. Bu depo aynı zamanda, su alma yapısı ağzının hemen sonrasında dozlanan klor dozajın su ile temas süresini de sağlamaktadır. Depo betonarme olarak inşa edilecek ve denizsuyunun depoya vereceği muhtemel zararları önlemek üzere, içeriden ve dışarıdan izolasyon malzemesi ile kaplanmaktadır. Basınçlı çalışacak olan filtrasyon sistemini beslemek için tesiste 3 asil, arıza ve bakım durumu için de 1 yedek deniz suyuna uygun duplex paslanmaz çelik malzemeli hamsu besleme pompası kullanılmaktadır. Otomatik çok katmanlı kum filtreleri; Ham suda bulunan 20 mikron ve daha büyük partikülleri tutup, bulanıklığı gidererek zaman ve fark basınca bağlı olarak gerekli ters yıkama işlemini otomatik olarak yapabilmektedir. Bu sayede suda bulunan askıda katı madde, bulanıklık gibi fiziksel kirliliklerin giderilmesi sağlanmaktadır. Filtre öncesinde suda kalan askıda katı madde ve kolloidal maddelerin floklaştırılarak filtrede tutulabilir hale getirilmesi amacı ile koagülant (FeCl3) dozlaması yapılmaktadır. Deniz suyu ters ozmoz sistemi öncesinde kullanılan filtrasyon sisteminde önerilen filtrasyon kesit hızı <14 m/h dir. Bu hız dikkate alınarak yapılan hesaplamalar doğrultusunda tesiste 7 adet basınçlı kum filtresi kullanılmaktadır. Filtreler farklı kalınlıklarda, farklı granül boyut ve özgül ağırlıktaki minerallerden oluşan filtre yatağında arıtım sağlayan çok katmanlı olarak planlanmıştır. Filtre yatak malzemesi büyük çaptan küçüğe doğru çakıl, kum ve en üst tabakada antrasit olacak şekilde aşağıdan yukarıya doğru dizilmiştir. Deniz suyunun korozif özellikte olması nedeniyle filtre tank malzemesi yüksek mukavemetli korozyona karşı dirençli Fiber Takviyeli Plastik (FRP) malzemeden yapılması planlanmıştır. Kartuş Filtreler; Filtrelenmiş ve kimyasallar dozlanmış su, yüksek basınç pompaları ve membranları korumak amacıyla 5 mikron filtrasyon hassasiyetine sahip kartuş filtrelerden geçirilmektedir. Her ters osmoz hattında 1 adet kartuş filtre kullanılmaktadır. Kartuşların filtre kılıf gövdesi korozyona dayanıklı FRP malzeme olarak planlanmış olup, içerisine 5 mikronluk polipropilen (PP) malzemeden yapılmış kartuşlar yerleştirilmektedir. Yüksek Basınç Pompaları, Resirkülasyon Pompaları ve Basınç Eşanjör Ünitesi; Yüksek basınç pompaları membranların ihtiyaç duyduğu işletme basıncını ve debiyi sağlayacak şekilde her hatta bir adet olmak üzere deniz suyuna dayanıklı duplex paslanmaz çelik malzemeden imal edilmiş 3 adet pompa kullanılması planlanmıştır. Ters Ozmoz ünitesinden çıkan konsantre suyun sahip olduğu yüksek basınç, enerji geri kazanım ünitesi yardımıyla sisteme geri kazandırılmaktadır. Enerji geri kazanım ünitesi her 2

17 hatta bir adet olmak üzere toplam 3 adet deniz suyuna dayanıklı malzemeden imal edilmiş PX (Pressure Excahger) kullanılmaktadır. Yüksek basınç sistemi için 904L malzemeden üretilmiş (3 asil, 1 yedek) resirkülasyon (booster) pompası kullanılmaktadır. Ters ozmoz ünitesi; 1. aşamada kurulacak toplam 4000 m3/gün ürün suyu kapasitesine sahip tesis 3 paralel Ters Ozmoz hattından oluşmaktadır. Her bir hat 20 adet membran kılıfı ve 120 adet membrandan oluşmakta olup, 4000 m3/gün ürün suyu üretebilmek için toplamda 60 adet kılıf ve 360 adet membran kullanılmaktadır. Ters osmoz sisteminde, yüksek düzeyde tuz giderme kapasitesi ve denizsuyu arıtmada yüksek performansı olan, ince film kompozit (TFC) spiral sarımlı 8 inç çaplı, 40 inç uzunlukta denizsuyu membranları (Hydranautics SWC5) seçilmiştir. Ters osmoz sistemi tasarımı; 15 ºC su sıcaklığı, mg/l TDS ve % 50 geri kazanım oranına göre yapılmıştır. Ancak Sistem tasarımında deniz suyunun min. 10 C ve max. 25 C olacağı da dikkate alınarak Basınç ve TDS değişim aralığı kontrol edilmiştir. Ters Ozmoz membranlarının ömrü; kullanıma ve kimyasal yıkama sıklığına bağlı olarak değişebilmekle beraber min. 3 yıl olarak öngörülmektedir. Tasarım yapılırken membran ömrü 3 yıl olduğu dikkate alınmıştır. En önemli tasarım parametrelerinden birisi olan flux değeri 12,5 l/m 2 /h olarak seçilmiştir. Ters Ozmoz sistemi belli bir süre için çalışmadığı durumlarda ve kimyasal yıkama işleminden sonra durulama ünitesi yardımıyla durulanmaktadır (flushing). Durulama işlemi için ters ozmoz sisteminden elde edilen ürün suyu kullanılmaktadır. Ters Ozmoz ünitesi membranlarının yüzeyinde biriken inorganik kirleticileri gidermek için kimyasal yıkama yapılmaktadır. Kimyasal yıkama işleminin sıklığı ham suyun fiziksel ve kimyasal özelliklerine ve sistemin verimine göre belirlenecektir. Remineralizasyon Ünitesi; Membranlardan elde edilen ürün suyu dağıtım sisteminde korozyon problemine neden olabileceğinden; remineralizasyon işleminden geçirilmesi düşünülmüş olup, bu amaçla içerisinde remineralizasyon medyası (dolamit) bulunan filtreler kullanılmaktadır. Kimyasallar; Ön ve Son Klorlama; Ham suda bulunması muhtemel olan demir ve mangan ihtivasını oksitlemek ve olası mikroorganizmalara karşı dezenfeksiyon sağlamak amacıyla klor dozaj ünitesi kullanılmaktadır. Klor, oksidasyonu ve dezenfeksiyonu sağlamak için ham su deposu öncesinde (su alma yapısı krepin ağzından sonra) gerektiği zaman dozlanması yapılacak şekilde planlanmıştır. Remineralizasyon ünitesi çıkışında dezenfeksiyon amacıyla son klorlama yapılmaktadır. Koagülant; Ham suda bulunan askıda katı madde ve organik madde giderim veriminin arttırılabilmesi için ön arıtımda kullanılacak kum filtreleri öncesinde kolagülant (FeCl 3 ) dozlanmaktadır. Antiskalant; Membran sistemi öncesinde filtrelenmiş suya, membranlarda iyonların çökelmesinden kaynaklanabilecek kabuklaşmayı ve tıkanmayı önlemek amacıyla antiskalant dozlanmaktadır. Sodyum MetaBisülfit; Suda bulunan bakiye klorun, ters ozmoz membranlarına vereceği zararı önlemek amacı ile bakiye klor ile hızla reaksiyona girerek indirgeyen sodyum meta bisülfit dozlanmaktadır. Ters Ozmoz membranlarının girişindeki klor konsantrasyonu ORP online olarak kontrol edilmektedir. Tesis girişinde ön klorlama yapılmaması halinde sodyum bisülfit dozlamasına ihtiyaç olmayacaktır. Asit; Ters Ozmoz sisteminin girişinde gerekmesi halinde ham suyun ph değeri düşürülerek membranlarda kireç çökelme riski minimuma indirmek amacıyla düşünülmüştür Asit dozajı ham su giriş debisine ve belirlenmiş ph değerine göre otomatik kontrollü olarak yapılmaktadır. 3

18 Ürün Suyu Deposu; Dolamit filtrasyon sisteminden geçirilmiş sular ürün suyu deposunda toplanmaktadır. Arıtılmış su kalitesi İnsani Tüketim Amaçlı Sular Hakkında Yönetmelik te içme-kullanma suyu için belirlenen parametre değerlerini sağlamaktadır. Konsantre Su Deşarj Hattı; Ters Osmoz sisteminden çıkan konsantre su 275 m uzunluğunda HDPE 400mm PN10 boru ile denize deşarj edilmektedir. Konsantre su, yüksek yoğunlukta tuzluluk içermesi nedeniyle seyrelmenin sağlanması amacıyla Boru hattında difüzör yardımıyla suyun seyreltilerek deşarjı sağlanmaktadır. Enerji Tüketimi Belirlenen prosese göre yapılan değerlendirmelerde tesisten üretilen 1 m 3 su için gerekli elektrik tüketimi 3,1 kwh/m 3, işletme maliyeti ise 0,40 $/m 3 olarak belirlenmiştir. 4

19 Çöp Sızıntı Sularının Membran Sistemleriyle Arıtımı: İstanbul Örneği Şenol Yıldız,Vahit Balahorli ĠSTAÇ A.ġ. Katı Atık Düzenli Depolama Sahalarında kontrol edilmesi gereken en önemli parametrelerden biri çöp sızıntı suyudur. Katı atıkların içinden süzülen çöp sızıntı suyu, katı atıkların ana bileşenlerinden kaynaklanan çok sayıdaki element ve bileşiği ihtiva etmektedir. Sızıntı suları yüksek kirlilik ihtiva etmesi sebebi ile mevcut şartlar göz önüne alınarak ön arıtma veya nihai arıtma sistemleri ile tatbik edilmek suretiyle arıtılarak deşarj edilmelidir. Sızıntı suyu arıtımı ile ilgili yapılan çalışmalarda fiziksel kimyasal,ve biyolojik arıtma metodları uygulanmış ancak son yıllarda dünyada giderek yaygınlaşan Membran teknolojisi kullanılmaya başlanmışıtır. Æöp sızıntı sularının membran teknolojisi ile arıtımında öncelikle, sızıntı suyu kalitesi, miktarı, membran konsantrasyon faktörü, membran modül tipi, malzemesi, temizleme sistemi, işletme parametreleri vb. bilgilere ihtiyaç vardır. İstanbul Katı Atık Düzenli Depolama Sahaları nda oluşan sızıntı sularının arıtımı amacıyla sıznıt suyu arıtma tesisleri inşa edilmiş ve bu tesislerde MBR (Membranbiyoreaktör) + NF (Nanofiltrasyon) teknolojisi kullanılmış ve tüm parametreler incelendiğinde, alıcı ortam deşarj limitlerine uygun bir çıkış suyu elde edildiği görülmüştür. Bu çalışmada, sızıntı sularının nihai olarak arıtımı için kurulan çöp sızıntı suyu arıtma tesislerinde uygulanan membranla arıtma prosesine ilişkin bilgiler yer almaktadır. Sızıntı suları evsel atıksulara nazaran KOİ Azot, Fosfor ve AKM parametreleri açısından oldukça yüksek ve arıtımı zor bir atıksu türüdür. Daha önce ön arıtıma tabi tutulan sızıntı suyunda, bu yöntemle belirli oranlarda arıtma verimi elde edilmiş, ancak bu verim deşarj limitlerini sağlamada yeterli olmamıştır. Membran teknolojisi, atıksu arıtımı ve geri kazanımında, özellikle yüzey ve yeraltı suyu arıtımında dünyada gittikçe yaygınlaşan ileri bir arıtma metodudur. Bu nedenle İstanbul daki çöp sızıntı suyu arıtma tesislerinde, Membranbiyoreaktör ve Nanofiltrasyon Sistemi tercih edilmiştir. Yaklaşık 14 milyon nüfusa sahip İstanbul da, 2009 yılında elde edilen verilere göre günlük ton evsel atık depolama alanlarında bertaraf edilmekte ve bu atıklardan oluşan sızıntı suyu miktarı ise, Odayeri depolama sahasında m 3 /gün, Kömürcüoda m 3 /gün dür. Kömürcüoda arıtma tesisi çıkış suyu alıcı ortama deşarj edilmekte, Odayeri arıtma tesisinde ise kanala deşarj yapılmaktadır. 5

20 % Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 Biyolojik arıtım kısmı, aerobik ve anoksik olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Aerobik kısımda KOI oksijenle birlikte, CO 2 ve çamura dönüştürülürken, organik azot oksijenin yardımıyla NH 3 e dönüştürülür. Yeterli oksijen varlığında da amonyak NO - 2 ve NO - 3 ye dönüştürülmektedir. - Anoksik kısımda ise, NO 2 ve NO - 3, BOI yardımıyla N 2, CO 2 ve çamura dönüştürülmektedir. Biyolojik arıtma sonrasında sızıntı suyu iki membran ünitesinden geçirilmektedir. İlk kademe çıkış suyunda çamur ayrıştırmayı temin eden ultrafiltrasyon kademesidir. Ultrafiltrasyonla elde edilen konsantre kısım biyoreaktöre geri devrettirilmektedir. Æıkış suyu ise nanofiltrasyon ünitesine gönderilmektedir. Ultrafiltrasyon sistemi biyoreaktörün dışına yerleştirilmiş çapraz akış sistemli tüp membranlardan oluşmaktadır. Æapraz akış sistemiyle tıkanmanın önüne geçilmekte ve yüksek debi geçişine izin verilmektedir. İkinci adım ise, geriye kalan KOI nin büyük bir kısmını ve diğer bileşikleri(hümik asitler, renk) giderecek olan nanofiltrasyon ünitesidir. Nanofiltrasyon sistemi kapiler membranlardan teşkil edilmiştir. Bu tür membranlar az konsantre kısım bırakırlar (%10 dan az). Nanofiltrasyon sonrası çıkış suyu ise yüzeysel sulara deşarj edilebilir. COD removal % 100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 03.Oca 12.Nis 21.Tem 29.Eki 06.Şub B+UF COD removal NF COD removal Total COD removal N Removal % 100,0 95,0 90,0 85,0 80,0 75,0 03.Oca 22.Şub 12.Nis 01.Haz 21.Tem 09.Eyl 29.Eki 18.Ara 06.Şub Şekil 1: KOİ ve Azot Giderimleri B NH4-N removal Nitrification Genel olarak, yüzey sularının arıtımında, membran kullanımı etkili olmasına rağmen, çöp sızıntı suyu arıtımında biyolojik arıtım sağlanmadan membran kullanımı yapılmamaktadır. Yüksek kirliliğe sahip sızıntı suyunda öncelikle biyolojik arıtma sağlanmalı, sonrasında ise çıkış suyu kalitesi deşarj standartlarına göre membran kullanımına geçilmelidir. Bu tür atıksuların deşarjı için öncelikle denitrifikasyon ve fosfor giderimi gereklidir. Bir sonraki aşamada ise renk giderimi, ağır metal ve organik mikrokirleticilerin oksidasyonu, aktif karbon, koagülasyon ya da nanofiltrasyon sistemlerine ihtiyaç duyulur. 6

21 İstanbul daki Æöp Sızıntı Suyu Arıtma Tesisleri biyolojik arıtım parametrelerine bakıldığında, KOİ gideriminde % 90 ve üzeri, Azot gideriminde ise % 99 seviyelerinde arıtma verimi elde edildiği görülmektedir. Bununla birlikte, Nanofiltrasyon membranları ile çıkış suyu kalitesinin iyileştirilebildiği, KOİ, renk, ağır metal ve organik mikrokirleticilerin giderildiği görülmüştür. Kaynaklar 1) Woelders, H.,Yıldız,Ş.,Schonewille,H.(2007). Full sacale leachate treatment by nanofiltrasion in Turkey-Sardinia,İtalya 2) Balahorli,V.,Yıldız,Ş.,(2008). Kömürcüoda Depolama Sahası Æöp Sızıntı Sularının MBR+NF Sistemiyle Alıcı Ortama Deşarj Standartlarında Arıtımı-Kent Yönetimi, İnsan ve Æevre Sorunları Sempozyumu İstanbul, Türkiye 7

22

23 Membran Sistemleri ile Su Arıtımının Maliyeti Pasa Hüseyin Arı 1, Hale Özgün 2, M. Evren Erşahin 2 Ve İsmail Koyuncu 2 1 MPE Mühendislik MüĢavirlik A. ġ., Ġstanbul 2 Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 34469, Maslak, Ġstanbul Günümüzde faaliyette olan farklı kapasitelerde ve farklı ham su özelliklerine sahip membran teknolojisini kullanan birçok içme suyu üretim tesisi bulunmaktadır. Ters osmoz (TO), nanofiltrasyon (NF), ultrafiltrasyon (UF) ve mikrofiltrasyon (MF) en çok kullanılan membran proseslerdir. Gelişen teknolojiyle beraber birim su üretim maliyetlerinde azalma görülmektedir. Membran sistemlerle içme suyu üretiminde enerji ihtiyacının ve birim su maliyetlerinde azalmanın birçok nedeni vardır. Bunlar, membranların günümüzde daha yüksek akılarda çalışabilmesi, daha yüksek tuz giderim oranının sağlanması, düşük hidrostatik basınç gereksinimi ve düşük malzeme fiyatlarıdır. Ters osmoz ile tuz gideriminin maliyeti, termal yöntemlere göre daha düşüktür. Günümüzde membran prosesli içme suyu arıtma tesislerinin enerji ihtiyaçları, elektrik ve fosil yakıtlarından karşılanırken, gelecekte yenilenebilir enerji ve nükleer enerjiyle çalışan sistemler tasarlanarak birim su maliyetlerinin düşürülmesi hedeflenmektedir. Sistemlerin ekonomik değerlendirilmesinde ilk yatırım ve işletme maliyetleri dikkate alınmaktadır. İlk yatırım maliyetleri inşaat, pompa, ekipmanlar, otomasyon, membran malzemeleri, tesis tasarımı ve montajı içermekte olup, membran alanı ile doğru orantılı olarak artmaktadır. İşletme maliyeti ise ünitelerin işletme koşullarının kontrolü ve ekipman değişimlerini içermektedir. TO sistemlerinde ön arıtmanın tesis ilk yatırım maliyetine etkisi oldukça yüksektir. Konvansiyonel ön arıtmanın membran prosesli ön arıtma sistemlerine göre maliyeti yaklaşık % 30 daha düşüktür. Ön arıtma olarak mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon prosesleri kullanılabilmektedir. MF ve UF sistemleri, TO membranlarının kullanım sürelerini uzatarak, membran değişim maliyetini düşürmektedir. Türkiye'de geçmişi az olan membran sistemler hakkında detaylı bir maliyet analizi çalışması yapılmamıştır. Bu çalışmanın amacı, özellikle kuyu, deniz ve yüzeysel su arıtımında kullanılan membran sistemleri ile ilgili maliyet analizi yapılmasıdır. Tuzlu kuyu sularının, yüzeysel sularının ve Türkiye denizlerinin membran sistemlerle arıtılmasının birim su maliyetleri hesaplanıp karşılaştırılmıştır. Bütün tasarımlar 1000 m³/gün, 5000 m³/gün, m³/gün, m³/gün ve m³/gün kapasiteli sistemlere göre ayrı ayrı yapılmıştır. Kuyu sularında, 4 farklı tuzluluktaki ham suyun arıtılmasının maliyet analizi yapılmıştır. Membran öncesi, ön arıtma olarak mekanik ve kum filtre kullanılması durumları, ürün suyu tuzluluk değerlerinin 3 farklı değerde elde edilmesi ve derin kuyu pompalarının maliyete dahil edilip edilmemesi durumları incelenmiştir. Yüzeysel sularda 3 farklı bulanıklıkta, ön arıtmanın konvansiyonel bir sistem olan çöktürme ve kum filtresi veya yine bir membran proses olan ultrafiltrasyon sistemi olması durumlarına göre maliyet analizleri yapılmıştır. Marmara, Akdeniz ve Ege denizlerinin tuzluluğunun içilebilir değerlere getirilmesinin maliyet analizleri yapılırken deniz suyu arıtımında maliyetle doğrudan ilgili olan membran akıları 3 farklı değer seçilerek hesaplanmıştır. Elde edilen verilerle, farklı kimyasal ve fiziksel yapıdaki suların birbirleriyle kıyaslanması ve bu sistemlerin kendi içlerinde farklı tasarımlarının maliyete etkisi incelenmiştir 9

24 Bu çalışmada, ters osmoz ve nanofiltrasyon sistemlerinin tasarımı için IMS Design (Hydranautics) bilgisayar programı kullanılmıştır ppm TÆM değerine sahip kuyu suyunun ham su olarak kullanılacağı sistemlerde TO da düşük basınçlı Hydranutics ESPA4 membranları, NF de ESNA LF2 tip membranları kullanılmıştır. Deniz suyu için ise deniz suyu membranları kullanılmıştır. Derin kuyu pompalarının birim su maliyetlerine olan etkisi, 1000 mg/l TÆM konsantrasyonda TO ile arıtılan ham su tasarımları için, farklı debilere göre incelenmiştir. Bu pompaların basma yüksekliği 200 metre su yüksekliği (mss) olarak seçilmiştir. Kuyu suyunun işletme maliyetleri değerlendirildiğinde, enerji tüketimi NF membranlarda TO membranlara göre daha düşüktür. Buna karşın TO membranların NF membranlara göre daha yüksek maliyete sahip olması TO membranların membran değişim maliyetini yükseltmektedir. Fakat son yıllarda geliştirilen düşük basınçlı TO membranlar işletme maliyetleri bakımından NF membranlara yaklaşmıştır m³/gün debiye sahip sistemler için işletme maliyeti NF membranlarda 0,071 $/m³ iken, TO membranlarda bu değer 0,072 $/m³; ilk yatırım maliyeti ise NF membranlarda 0,066 $/m³ iken, TO membranlarda 0,061 $/m³ tür. İlk yatırım maliyetleri değerlendirildiğinde, TO membranlar NF membranlara göre daha ucuzdur. Toplam üretim maliyetlerinde ise, debiye bağlı olarak % 2 5 arası değişen farklılıklar görülmektedir. Debideki artışla birlikte her iki membran türü arasındaki maliyet farkı düşük seviyelerde artış göstermektedir ppm TÆM konsantrasyonuna sahip kuyu sularının, toplam maliyetin daha düşük olduğu TO sistemler ile arıtılmasında ön arıtmanın kum filtreli veya mekanik filtreli olma durumları karşılaştırılmıştır m³/gün den küçük debi için basınçlı, m³/gün den büyük debiler için ise betonarme kum filtreler tasarlanmıştır. Yüksek kapasiteli sistemlerde betonarme kum filtre ile ön arıtma yapılması maliyet açısından % daha avantajlı olmaktadır. 200, 300 ve 400 ppm TÆM konsantrasyonları içeren çıkış sularının elde edilmesi durumlarına göre debiye bağlı işletme maliyeti değerleri karşılaştırılmıştır. Buna göre, çıkış suyunda iletkenlik değeri arttıkça işletme maliyetlerinin düştüğü görülmektedir ppm TÆM konsantrasyonuna sahip kuyu sularının arıtımında derin kuyu pompalı ve pompasız sistemlerin işletme maliyeti arasında m³/gün debi için % 70 ve m³/gün debi için ise % 35 fark olduğu tespit edilmiştir. İlk yatırım maliyetinde bu fark % 7 10 arasında değişmektedir m³/gün debi için derin kuyu pompalı işletme maliyeti 0,085 $/m³ iken, derin kuyu pompasız sistemlerde 0,069 $/m³ tür. Kuyu sularının ters osmoz yöntemiyle arıtılmasında kuyuların derinliğine bağlı olarak da işletme ve ilk yatırım maliyetleri arasında büyük farklılıklar görülmektedir. Yüzeysel su kaynakları ters osmoz yöntemiyle arıtılırken konvansiyonel ön arıtma sistemleri kullanılması durumunda bütün bulanık değerlerinde (5, 10 ve 15 NTU) en düşük kapasite deki (1000 m³/ gün) sistemin, en yüksek kapasitedeki ( m³/gün) sisteme oranla işletme maliyetinin % 30, ilk yatırım maliyetinin % 40 daha pahalı olduğu görülmüştür. Ön arıtmada UF kullanılması, konvansiyonel ön arıtma yöntemlerinin kullanılmasına göre toplam üretim maliyetini % 30 civarında artırmaktadır. Özellikle ham su kalitesinin kötü olduğu durumlarda membran tıkanma riskini minimuma indirgemek için konvansiyonel sistemlere göre çok daha güvenilir olan UF prosesleri tercih edilebilir. Yüzeysel suların ters osmozla sistemiyle arıtımının işletme maliyetleri nanofiltrasyon sistemiyle bütün bulanıklık değerlerinde hemen hemen aynı olduğu belirlenmiştir. Deniz suyu arıtımının maliyeti incelendiğinde, ters osmoz sistemiyle en yüksek su üretim maliyetleri, en yüksek tuzluluğa sahip olan Akdeniz dedir. Bütün deniz suyu arıtım proseslerinde yüksek basınç pompasının kapasitesi sınırlayıcı etken olmuştur m³/gün den büyük kapasitelerde sistem tek ünite halinde tasarlanamamaktadır. Bundan dolayı, birim su maliyetlerinin bu kapasiteden sonra düşmediği görülmüştür (Şekil 1). Ayrıca, Akdeniz in arıtılmasının işletme maliyeti, Karadeniz e göre % 56 daha pahalı olmaktadır. 10

25 Toplam üretim maliyeti ($/m 3 ) Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 İşletme maliyetlerinin oranlarına bakıldığında, enerji maliyet oranı ön plana çıkmaktadır. Tuzluluk arttıkça, enerjinin işletme maliyeti içerisindeki oranı da artmaktadır (Şekil 2.). Enerji tüketiminden sonra gelen en önemli maliyetler, membran yenileme ve kimyasal tüketim maliyetleridir. 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 AKDENİZ MARMARA KARADENİZ 0, Kapasite (m3/gün) Şekil 1. Deniz suyu arıtımının maliyeti AKDENİZ Ters Osmoz Sistemi İşletme Maliyeti 5000 m3/gün - 11,7 l/m2/sa Akı 11% 2% Enerji Kimyasal Kartuş Yenileme Membran Yenileme 77% Şekil 2. İşletme maliyetlerinin dağılımı Kaynaklar Arı, PH. (2009) Türkiye de içme suyu amaçlı büyük kapasiteli membran sistemlerinin maliyet analizi, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, İstanbul. 11

26 12

27 Büyük Ölçekli Şehir İçme Suyu Temininde Membran Teknolojileri Uygulamaları (Kırıkkale, Bafra Ve Bala (Kesikköprü)İçme Suyu Arıtma Tesisleri) Mahmut Paputçu a, Birdal Bozdağ b, Seda Demir c, Coşar Aydın d a Kimya Yüksek Mühendisi (Genel Müdür - MPE) b Æevre Mühendisi (Proje Koordinatörü - MPE) c Æevre Mühendisi (Proje - Dizayn Yöneticisi - MPE) d Æevre Mühendisi (Kırıkkale UF-RO Tesisi İşletme Müdürü - MPE) Sunumumuzda Kırıkkale, Bafra (Samsun) ve Bala da (Kesikköprü) uygulanan Membran Teknolojili içme suyu arıtma tesislerinin ; - hamsu karakterizasyonu, - dizayn parametreleri, - proses tanıtımı, - işletme süreçleri gibi konular hakkında bilgiler sunulacaktır. 1. Kırıkkale (Grup) İçme Suyu Arıtma Tesisi Tanıtımı Kırıkkale (Grup) İçme Suyu Arıtma Tesisi, Kırıkkale nin 15 km güneydoğusunda Hasandede Kasabası civarında 20 hektar alan üzerinde kurulmuş olup Kırıkkale, Keskin, Hasandede, Hacılar, Bahşılı, Yahşihan, Æerikli ve Sungurlu(Æorum) nun içme, kullanma ve endüstri suyu ihtiyacını karşılamaktadır. Tesiste arıtılan ham su, Kapulukaya Barajı ndan Ø1600 mm çapında 2 adet çelik boru hattı vasıtasıyla cazibe ile arıtma tesisine getirilmektedir yılında kurulan Mevcut (ESKİ) Su Arıtma Tesisi ana hatları ile aşağıdaki kısımlardan oluşmaktadır. 1. Giriş ve havalandırma yapısı (Alanı=850m², Hacmi=1500m³, 2 m serbest düşü, 4 basamak) 2. Durultucu ünitesi 3. Filtre Ünitesi (Alanı=3473m², Hacmi=6500m³, 28 adet filtre) 4. Kimya ünitesi 5. Klorlama ünitesi 6. Geri yıkama ünitesi 7. Temiz su tankı ( m3) 8. Terfi ünitesi MPE MÜHENDİSLİK tarafından, mevcut tesisin Filtre Ünitesi çıkışından itibaren yeni kurulan İleri Su Arıtma Sisteminin ürün suyu kapasitesi lt/sn ( m3/gün) olup tesisin ana kademeleri şunlardır : - Ön Arıtma (Havalandırma - Filtrasyon) - Ultrafiltrasyon (UF) - Ters Ozmoz (Reverse Osmosis) 13

28 - Son Arıtma (Remineralizasyon) Eski tesis revize edilerek ön arıtma yapması sağlanmıştır. Bu tesiste fiziki bir arıtma gerçekleştirilmektedir. Eski tesisin girişindeki Kaskat Havalandırma ünitesinde tabii olarak havalandırılan ham sudaki oksitlenebilir organik bileşikler giderilmekte ve ham suya ön klorlama yapılmaktadır. Bunun devamında ham su, Durultucu Ünitesinde herhangi bir muameleye uğramadan Kum Filtre Ünitesine geçmektedir. Burada kaba partiküller süzülmekte ve bu ünite çıkışından itibaren ham su yeni kurulan ünitelere alınmaktadır. Buradan alınan su Ters Ozmoz tesisinin daha uzun ömürlü ve sıhhatli çalışmasına sağlayacak olan Ultrafiltrasyon ünitesine verilmektedir. Ultrafiltrasyon ünitesi, eski tesisten geçebilen ve çapları 0,01 mikrona kadar olan partikülleri tutmaktadır. Bu sayede sudaki bulanıklık, SDI ( gizli bulanıklık) bakteri, virüs, mikro organizmalar, kolloid maddeleri, askıdaki maddeleri, v.b. maddeler giderilmektedir. Bu durum Ters Ozmoz ünitesinin yüksek verimlilikle çalışmasına yardımcı olduğu gibi aynı zamanda Ters Ozmoz membranlarının daha uzun ömürlü çalışmasına da fayda sağlamaktadır. Ultrafiltrasyon ünitesi 800 m 2 alana sahip bina içerisinde 960 adet membrandan oluşmaktadır. Burada ikinci ön arıtmadan geçen su m 3 lük besleme deposuna alınmaktadır. Besleme deposundan 3 adet 1890m 3 /saat su verebilen alçak basınç pompaları ile alınan su, 5 adet jumbo tip kartuş filtrede bulunan 75 adet kartuş filtrelere verilmekte ve Ters Ozmoz öncesi üçüncü ön arıtma yapılmaktadır. Kartuş filtrelerden geçen su 5 adet yüksek basınç pompası ile toplam m 3 /gün kapasiteli 5 üniteden oluşan ve 800 adet vessel içerisinde 4800 adet membrandan oluşan Ters Ozmoz ünitesine verilmektedir. Ters Ozmoz ünitesi membranlarının gözenek aralıkları 0,0001mikrondan daha küçüktür. Bu gözenek aralığında bir ve iki değerlikli iyonlar tutulmakta, su içerdiği kirleticilerden arınarak geçebilmektedir. Bu sistemde, Æözünmüş İyonlar (Sülfat, Klorür vs), Ağır Metaller, Sertlik, Tat, Koku ve diğer kirleticiler tam olarak arıtılmakta hiçbir kirletici madde Ters Ozmoz membranlarından geçememektedir. Ters Ozmoz tesisinden geçen suyun korozotifliğini almak için Ters Ozmoz çıkışında son arıtmaya tabi tutulan suya, karbondioksit ve kalsiyum oksit mineralleri eklenmektedir. Bu şekilde son arıtma yapılan su şehre verilmektedir. Tesisten çıkan konsantre atıksular (yaklaşık bin m3/gün) Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği Tablo 20.7 de (Su Yumuşatma, Demineralizasyon ve Rejenerasyon, Aktif Karbon Yıkama ve Rejenerasyon Tesisleri) belirtilen limitlerin çok altında olarak nehre verilmektedir. 2.Bafra (Samsun) İçme Suyu Arıtma Tesisi Tanıtımı Bafra İçme Suyu Arıtma Tesisi, Bafra şehir merkezi ve çevresindeki köy ve kasabaların içme ve kullanma suyu ihtiyacını karşılamak üzere kurulmuştur. Tesisin ham su beslemesi Kızılırmak nehri kenarındaki 13 adet derin kuyudan sağlanmaktadır. Tesisin ürün suyu kapasitesi 460 lt/sn ( m3/gün) dir. Tesis aşağıdaki ana kademelerden oluşmaktadır; - Ön Arıtma (Havalandırma-Æökeltme-Filtrasyon) - Ultrafiltrasyon (UF) - Ters Ozmoz (Reverse Osmosis) - Son Arıtma (Remineralizasyon) 14

29 Bafra da kurulu bulunan mevcut arıtma sistemi Kızılırmak suyunun başlıca problemi olan Sülfat, Klorür, Sertlik ve zaman zaman görülen ağır metalleri arıtmaya uygun değildir. Mevcut üniteler rehabilite edilerek ön arıtma amaçlı kullanılacaktır. Ham su, Dedeli Köyü Mevkiinde Kızılırmak Nehri yatağında bulunan 13 adet derin kuyudan temin edilmektedir. Derin kuyulardan düşey milli pompa ve dalgıç pompalar vasıtası ile çekilen sular ana kolektörde toplanarak tesise girmektedir. Burada klorlama ünitesi vasıtasıyla içme suyu klorlanmaktadır. Klorlanan su 4 kademeli seri olarak çalışan giriş havalandırma-karıştırma ünitesine alınmaktadır. Burada havalandırılan suya koagülant dozlanmakta ve ünite çıkışında statik mikser vasıtasıyla koagülantın suyla tam karışımı sağlanmaktadır. Daha sonra 2 adet paralel çalışan çöktürme havuzuna alınmaktadır. Æöktürme havuzunda çökelen maddeler çamur tahliye sistemi vasıtasıyla çamur rögarına oradan da çamur kurutma yataklarına iletilmektedir. Æöktürme havuzundan savaklanan duru su ise filtre besleme tankına alınmakta, buradan pompalar vasıtasıyla 6 adet yatay multimedya filtreye besleme yapılmaktadır. Filtrelerde suda bulunan demir, mangan sudan ayrılmaktadır. Filtre edilmiş su, ULTRAFİLTRASYON ÜNİTESİNE verilmektedir. UF ünitesinde bulanıklık, SDI (gizli bulanıklık) bakteri, virüs, mikro organizmalar, kolloid maddeleri, askıdaki maddeleri, v.b. 0,01 mikrondan büyük boyutlarındaki partiküller tutulacaktır. Aynı zamanda suyun SDI değeri 3 ün altına indirilerek Ters Ozmoz membranlarının etkinliği ve kullanım artırılmış olacaktır. UF ünitesinden çıkan su Ters Ozmoz besleme deposuna (2.500 m3) geçmekte buradan da besleme pompaları Ters Ozmoz ünitelerine yüksek basınçla iletilmektedir. Ters Ozmoz sisteminden çıkan su, tesis içinde bulunan 500 m 3 kapasiteli temiz su deposuna iletilmektedir. Buradan da terfi istasyonundaki pompalar vasıtası ile Fevzi Æakmak Mah. bulunan m3 kapasiteli içme suyu deposuna iletilmektedir. 3.Bala (Kesikköprü) İçme Suyu Arıtma Tesisi Tanıtımı Bala (Kesikköprü) İçme Suyu Arıtma Tesisi, Bala ve Şereflikoçhisar a bağlı 21 köy ve kasabanın içme ve kullanma suyu ihtiyacını karşılamak üzere kurulmuştur. Tesisin ham su beslemesi Kızılırmak nehrinden (Kesikköprü Baraj Rezervuarı) sağlanmaktadır. Tesisin ürün suyu kapasitesi 48,6 lt/sn (4.200 m3/gün) dir. Tesis aşağıdaki ana kademelerden oluşmaktadır; - Su Alma Yapısı - Mekanik Filtrasyon - Ultrafiltrasyon (UF) - Ters Ozmoz (Reverse Osmosis) - Son Arıtma (Remineralizasyon) Kurulmakta olan su arıtma sisteminin özet tanıtımı aşağıdadır: Kızılırmak suyunun başlıca problemi olan Sülfat, Klorür, Sertlik ve zaman zaman görülen ağır metaller bu projede de en önemli kirleticiler olarak ele alınmaktadır. Arıtılacak ham su, Tepeköy mevkiinde Kesikköprü Baraj rezervuarı kenarından alınmaktadır. Ham suyun karakterini belirleyen başlıca parametreler ve değerleri aşağıdadır: Baraj rezervuarından su alma yapısındaki dalgıç pompalar vasıtası ile çekilen sular depoya alınmakta buradan besleme pompaları vasıtasıyla ULTRAFİLTRASYON besleme deposuna iletilmektedir. Buradan ULTRAFİLTRASYON ünitesine alınan sudaki Bulanıklık, SDI (gizli bulanıklık), bakteri, virüs, mikro organizmalar, kolloid maddeleri, askıdaki maddeleri, v.b. 0,01 mikrondan büyük boyutlarındaki partiküller bu ünitede tutulacaktır. Aynı zamanda suyun 15

30 SDI değeri 3 ün altına indirilerek Ters Ozmoz membranlarının etkinliği ve kullanım artırılmış olacaktır UF ünitesinden çıkan ön arıtması yapılmış su Ters Ozmoz besleme deposuna geçmekte buradan da besleme pompaları Ters Ozmoz ünitelerine yüksek basınçla iletilmektedir. Ters Ozmoz sisteminden çıkan su, temiz su deposuna iletilmektedir. Buradan da terfi pompalar vasıtası ile Bolkar tepesinde bulunan dağıtım deposuna iletilmektedir. Not: Tesislerin Ham Su Değerleri Ve Æıkış Suyu Değerlerine İlişkin Verileri İçeren Tablolar Oturum Esnasında Katılımcılara Sunulacaktır. 16

31 İndigo Boyama Atıksularının Membran Teknolojisi İle Geri Kazanımı Niğmet Uzal a, Levent Yılmaz b, Ülkü Yetiş c* a Niğde Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 51100, Niğde b Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 06531, Ankara c * Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 06531, Ankara uyetis@metu.edu.tr Günümüzde hızla artan su fiyatları ve deşarj sınırlamaları nedeniyle tekstil endüstrisi gibi yüksek hacimlerde su tüketimi olan endüstrilerde atıksuların yeniden kullanılması gereği her geçen gün daha büyük önem kazanmaktadır. Tekstil atıksularının arıtımı ve geri kazanımında membran teknolojisi suyun ve/veya kimyasalların geri kazanımı avantajlarından dolayı geleneksel arıtma metotlarına karşı tek alternatif olarak gözükmektedir. Bu çalışmada, denim üretiminde yaygın olarak uygulanan indigo boyama sonrası arka yıkama prosesinden çıkan ve yüksek miktarda boya ve tuz içeren atıksuların yeniden kullanımı hedefi ile membran esaslı bir arıtma süreci geliştirilmesi hedeflenmiştir. Deneysel çalışmalar; bir indigo boyama prosesinin en çok kirlilik yüküne sahip ilk arka yıkama teknesi çıkışından alınan, ortalama 1590 mg/l kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), 4900 Pt-Co renk ve 11,2 ms/cm iletkenlik değerlerine sahip atıksu örnekleri üzerinde yürütülmüştür. Bu amaçla, bir denim kumaş boyama tesisinden alınan gerçek atıksu örnekleri ile nanofiltrasyon (NF) ve ters ozmoz(ro) membran testleri gerçekleştirilmiş; ayrıca, tıkanmayı azaltma ve bu şekilde NF ve RO proseslerin performansını artırma hedefleri ile ön-arıtım alternatifleri değerlendirilmiştir. Bu alternatifler; tek aşamalı (sonlu) 5 µm mikrofiltrasyon (MF) ve ardışık olarak (sonlu) 5 µm MF ve (çapraz akışlı) 100 kda ultrafiltrasyon (UF) uygulanmasıdır. MF deneyleri, sonlu filtrasyon düzeneğinde klasik vakum filtrasyon sistemi kullanılarak yürütülmüş, toplanan süzüntü ph sı 7,2±0,4 ye ayarlanarak UF, ve/veya NF ve RO aşamalarına verilmiştir. MF ve UF proseslerinin performansları KOİ, renk ve iletkenlik giderim verimleri ve permeat akısı açısından karşılaştırılmıştır. İlk ön arıtım alternatifi olan 5 µm MF sonrası uygulanan NF ile, durağan koşullarda %93 renk giderimi ve %92 KOİ giderimi elde edilmiş ve permeat akısı 31 L/m 2 h olarak ölçülmüştür. Ön arıtımın performansını artırmak amacıyla 5 µm MF ardından, 100 kda UF uygulandığında, NF performansı, %96 renk ve %87 KOİ giderimi olarak gerçekleşmiş, permeat akısı da 37 L/m 2 h olarak ölçülmüştür. Bu sonuçlar; 5 µm MF ardından 100 kda UF eklenmesinin, arıtma verimi açısınan ciddi bir iyileştirme sağlamadığını göstermiştir. Bu nedenle, izleyen NF ve RO testleri, 100 kda UF kullanılmadan yalnızca 5 µm MF ön filtrasyon ile yürütülmüştür. Ön arıtım deneylerinin ardından, üç farklı NF (NF 270, NF 90, Dow Filmtec, ABD ve NF 99, Alfa Laval, Danimarka) ve iki farklı RO (HR 98 PP ve CA 995 PE, Alfa Laval, Danimarka) membranları, yeniden kullanılabilir su elde etme hedefi ile karşılaştırılmıştır. Yeniden kullanım su kalite kriteri olarak, pamuklu kumaş boyama sularının yeniden kullanımına ilişkin olarak Goodman ve Porter (1980) tarafından verilen 220 mg/l KOİ, 2,2 ms/cm iletkenlik ve 30 Pt-Co renk sınır değerleri kullanılmıştır (1). NF ve RO deneyleri, çapraz akış düzeninde DSS Labstak M20 membran modülü ile gerçekleştirilmiştir. Deneylerde düz (flat sheet) yapıda net filtrasyon alanı 0,036 m 2 olan 17

32 membranlar kullanılmıştır. NF ve RO deneyleri, konsantre ve süzüntü suyu akıntıları besleme tankına geri döndürülerek (total recycle mode of operation), 5,07 bar transmembran basıncında ve 0,62 m/s çapraz akış hızında gerçekleştirilmiştir. Test edilen üç NF ve iki RO membranı için birbirinden çok farklı olmayan ve oldukça yüksek renk ve KOİ giderim değerleri elde edilmiş, tüm NF ve RO membranları ile yeniden kullanım sınır değerlerini sağlayan su üretilmiştir (Tablo 1). En yüksek renk ve KOİ giderimi HR 98 PP membranı için sırasıyla %97 ve %96 olarak, en düşük renk ve KOİ giderimi ise sırasıyla %91 ve %88 olarak NF 99 membranı için tespit edilmiştir. NF 99 ve NF 270 membranları permeat iletkenlik değerleri; birbirine oldukça yakın, NF 90 membranı ile elde edilenden daha yüksek, sırasıyla 4,9 ms/cm ve 4,3 ms/cm olarak belirlenmiştir. En düşük ve birbirine yakın permeat iletkenlik değerleri NF 90 ve HR98PP membranları için sırasıyla 1,0 ms/cm ve 0,9 ms/cm olarak ölçülmüş, bu değerler söz konusu permeatların yeniden kullanılabilir nitelikte olduğunu göstermiştir. Tablo 1. NF ve RO membran performanslarının karşılaştırılması Membran Permeat Kalitesi Toplam Giderim Verimi (%) Akı (L/m 2 KOİ Renk İletkenlik h) KOİ Renk (mg/l) (Pt-Co) (ms/cm) İletkenlik NF , NF , NF , CA 995 PE , HR 98 PP , NF 270+NF * , İkinci aşama için akı değeridir. Permeat akı değerleri açısından NF ve RO membranları karşılaştırıldığında en yüksek permeat akı değerinin NF 270 membranı için 31 L/m 2 h bunu takip eden en yüksek akı değerinin ise NF 90 membranı için sadece 8 L/m 2 h olduğu belirlenmiştir. En düşük akı değeri ise NF 99 membranı için 2 L/m 2 h olarak ölçülmüştür. Bu değerler, NF 270 membranının, permeat akı değeri açısından alternatif membranlara göre çok üstün olduğunu açıkça ortaya koymaktadır. Bu bulgular; kümülatif renk, KOİ ve iletkenlik giderimleri sırasıyla %92, %93, ve %60 olan NF 270 membranının, diğer membranlara göre üstün bir giderim performansı sağladığını göstermiştir. Ancak, bu membranın permeat iletkenlik değeri 4,3 ms/cm olup yeniden kullanım kriterini sağlamamaktadır. Bu nedenle, bir sonraki aşama olarak, NF 270 membranından atıksuyun iki kez geçirilmesi alternatifi denemiş ve Tablo 1 de görüldüğü üzere yeniden kullanım kriteri tam olarak sağlanamamakla birlikte, permeat iletkenlik değerinde bir miktar iyileşme sağlanmıştır. Bu durum, NF 270 membranının söz konusu atıksuların geri kazanımında en uygun alternatif olduğunu göstermiştir. Elde edilen suyun, en son yıkama teknesi için olmasa dahi, daha önceki yıkama teknelerinde kullanılabileceği düşünülmüştür. Æalışmanın son kısmında atıksu ph ve kirlilik yükündeki değişikliklerin, NF 270 membranının performansına etkisini incelemek amacıyla ek çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Bu aşamada ph 7,2±0,4 ve 9,7±0,2 alternatifleri değerlendirilmiştir. Her iki ph değerinde de benzer KOİ ve renk giderim verimleri elde edilmekle birlikte, atıksu ph değerinin 9,7±0,2 olduğu koşulda, 7,2±0,4 ye göre daha düşük permeat iletkenlik değerine (2,9 ms/cm) ulaşılmıştır. Ancak bu ph değerinde de iletkenlik parametresi açısından yeniden kullanım kriteri sağlanamamıştır. 18

33 İndigo boyama atıksularının kompozisyonunun değişken niteliği göz önünde bulundurularak, ilk yıkama teknesi suyu için elde edilen NF deney sonuçlarının, genel olarak indigo boyama yıkama sularının arıtımında kullanılabilirliğini göstermek amacıyla daha az konsantre olan atıksu örnekleri ile de deneyler gerçekleştirilmiştir. Daha önceki deneylerde en konsantre atıksu için belirlenen 5 µm MF sonrası NF (NF 270 ile) arıtımının performansı, tüm arka yıkama tekneleri atıksularının karışımından oluşan daha az kirlilik yüküne sahip kompozit atıksu için de denenmiştir. Burada beklenildiği üzere NF permeat iletkenlik değeri, konsantre olan atıksu için kompozit atıksuya göre daha yüksek olarak tespit edilmiştir (Tablo 2). Toplam giderim verimleri açısından bakıldığında çok büyük bir farklılık gözlenmemiştir. Tablo 2. NF 270 membranı performansının kompozit atıksu ve ilk yıkama teknesi atıksuyu arıtımında karşılaştırılması İlk yıkama teknesi atıksuyu Kompozit atıksu Akı (L/m 2 h) Permeat Kalitesi Toplam Giderim Verimi (%) KOİ Renk İletkenlik KOİ Renk İletkenlik (mg/l) (Pt-Co) (ms/cm) (mg/l) (Pt-Co) , , Permeat akıları açısından sonuçlar değerlendirildiğinde de, kirlilik yükü arttığında ölçülen akı değerinin kirlilik yükü azalan suyun akı değerinden %23 daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Geliştirilen proses zincirinin (5µm MF + NF 270) seyreltik indigo boyama atıksuyu için de test edildiğinde, bu sürecin benzer performans gösterdiği ve indigo boyama atıksularının yeniden kullanımını sağlayan bir arıtma süreci olduğu bulunmuştur. Kaynaklar 1. Goodman G, A, and Porter J, J, (1980) Water quality requirements for reuse in textile dyeing processes, American Dyestuff Reporter, Vol. 69, pp

34 20

35 Tekstil Boyama Atıksularından Su Ve Tuz Geri Kazanımında Farklı Membran Proseslerin Kullanımı Coşkun Aydıner*,, Yasemin Kaya, Z.Beril Gönder, İlda Vergili Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Çevre Mühendisliği Bölümü, Gebze, 41400, Kocaeli Ġstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü, Avcılar, 34320, Ġstanbul İleri su ve atıksu arıtım sistemleri grubunda yer alan membran prosesler; teknolojik olarak istenilen çıkış suyu kalitesini sağlayabilmekte, farklı mahiyetlerdeki ayırma problemlerine getirdikleri yenilikçi çözümler ile son yıllarda geniş bir kullanım alanı oluşturmaktadırlar. Uygulama alanlarının başında da, endüstriyel proses atıksularının değerlendirilmesi gelmektedir. Endüstriyel atıksuların geri kazanımı ve yeniden kullanımı, bir yandan arıtılmış atıksuların proseste veya farklı su kullanım alanlarında yeniden kullanılmasını, diğer yandan da sudaki değerli atık malzemelerin sudan geri kazanılarak ekonomiye yeniden kazandırılmasını esas almaktadır. Bu tür atık değerlendirme uygulamalarının yaygın olarak amaçlandığı sektörlerin başında da tekstil endüstrisi gelmektedir. Türkiye de tekstil endüstrisi, Haziran 2009 itibariyle 8.1 milyar dolarlık ihracat büyüklüğüne sahip öncü sektörlerden biri konumundadır [1]. Sektörde yüksek miktarlarda su sarfiyatı söz konusu olup, üretim faaliyetlerine göre büyük hacimlerde ve farklı karakteristiklere sahip çeşitli atıksular üretilmektedir. Literatürde tekstil endüstrisi atıksularının membran prosesler ile arıtılması üzerine birçok çalışma bulunmasına karşın bu proseslerle geri kazanım üzerine yapılmış çalışma sayısı göreceli olarak çok daha azdır [2, 3]. Tekstil endüstrisinde geri kazanım uygulamaları dikkate alındığında, boyama prosesi, diğer proseslere nazaran daha ön plana çıkmaktadır. Fazla miktarlarda su tüketimine sahip bu proseste, kaliteli bir boyama işlemi için yüksek miktarlarda proses kimyasallarına da ihtiyaç duyulmaktadır. Bu sebeplerle tekstil boyama banyosu atıksuları, geri kazanma ve yeniden kullanma esasları çerçevesinde su ve değerli atık malzeme içeriği bakımından önemli bir potansiyele sahip bulunmaktadır. Boyamada kullanılan hidrolize boya ile birlikte tuz, soda, asitler, iyon tutucu ve kırık önleyici gibi yardımcı kimyasallar da ihtiva eden bu sular, oldukça yüksek seviyelerde renk ve kısmen yüksek seviyelerde organik kirlilik içermektedir. Bu bakımdan tekstil boyama atıksuları, membran proseslerin kullanıldığı endüstriyel geri kazanım amaçlı uygulamalar için ideal bir tercih alanı oluşturmaktadır. Bu çalışmanın amacı, bir tekstil endüstrisine ait boya banyosu atıksuyunun tekli ve farklı kombinasyonlarda membran prosesler ile arıtılabilirliğini araştırmak, proses performanslarını belirlemek ve akı azalmalarını tespit etmek suretiyle arıtım alternatiflerinin verimliliğini ortaya koymaktır. Bunun neticesinde de, arıtılmış atıksuyun ve içerdiği tuzun geri kazanılarak boya banyosunda yeniden kullanılabilme imkânlarını değerlendirmektir. Deneysel çalışmalar, mikrofiltrasyon (MF), ultrafiltrasyon (UF), nanofiltrasyon(nf) ve ters osmoz (RO) proseslerinin ayrı ayrı uygulanabildiği, laboratuvar ölçekli membran sistemi (Osmota) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Membran modül 250 mm 98 mm 24 mm boyutlarındaki paslanmaz çelikten yapılmış iki simetrik kapaktan oluşmakta olup bu kapaklar içerisine yerleştirilen membran plaka 200 mm 40 mm en kesitlidir. 10 litre su 21

36 kapasitesine sahip sistem, üç fazlı yüksek akım pompası ile donatılmış olup, 64 bar a kadar basınç altında çalışabilmektedir. Deneyler, UF, NF ve RO membranlar kullanılarak çapraz akış düzeninde ve süzüntü ayrı bir kapta toplanırken konsantrenin besleme tankına geri devir ettirilerek beslemenin zamanla konsantre edildiği konsantrasyon modunda gerçekleştirilmiştir. UF ve NF membranlar hidrofilik polietersülfon malzemeden yapılmış olup; UF membranı olarak FM UP005 (MWCO: 5000 Da), NF membranları olarak ise FM NP010 (MWCO: 1000 Da) ve FM NP030 (MWCO: 400 Da) kullanılmıştır. RO deneyleri, ince film kompozit RO membranı (MWCO: 300 Da) ile yürütülmüştür. Deneylerin tamamında, filtrasyon süresi, sıcaklık ve çapraz akış hızı değerleri sırasıyla 120 dk, 25 0 C ve 3 L/dk değerlerinde sabit tutularak çalışmalar gerçekleştirilmiştir. Æalışmalar, 3 adet tekli ve 3 adet kombine uygulamalı olmak üzere 6 farklı seçenek üzerinden yürütülmüştür. Bunlar; tekli prosesler olarak UF, NF1 (FM NP010 membranı) ve NF2 (FM NP030 membranı), kombine prosesler olarak ise (I) UF+NF2, (II) NF1+RO, (III) UF+NF2+RO uygulamalarıdır. UF, NF ve RO prosesleri sırasıyla, 8, 12 ve 40 bar lık membran geçiş basıncı altında çalıştırılmıştır. Besleme hacmi ve VRF (hacim azaltma faktörü) değerleri, tekli UF ve NF uygulamalarında 5 L ve 5 olarak sabit değerlerde uygulanmıştır. Kombine uygulamalarda bu değerler I., II. ve III. kombineler için sırasıyla, 4 L ve 2.5, 4 L ve 1.75; 2.4 L ve 1.5 olarak gerçekleşmiştir. Æalıştırıldıkları geçiş basıncı değerlerinde membranların temiz su akıları, ayrı deneysel çalışmalar ile belirlenmiştir. Temiz su akısı FM UP005 için 244, FM NP010 için 137, FM NP030 için 32 ve RO membranı için 85 L/m 2 sa olarak tespit edilmiştir. Deneylerde kullanılan atıksular, tekstil sektöründe faaliyet gösteren bir işletmedeki pamuklu kumaş boyama prosesi çıkış hattından alınmış ve karakterize edilmiştir (ph=10.8, KOİ=2700 mg/l, Cl =18000 mg/l, iletkenlik=56.2 ms/cm, alkalinite=18000 mg/l, renk (436 nm de)=480 m 1 ). Tek adımlı ve kombine uygulamalı membran proseslerin performansları, her bir izlenen arıtılmış su kalite parametresi için her bir membran proses çıkışındaki değerler üzerinden belirlenmiş; değerlendirmeler, giderme verimleri ve akı kayıpları üzerinden yapılmıştır. Membranların temiz su akısı değerlerinden hareketle, deney sonundaki akı azalma yüzdeleri belirlenmiştir. Deneylerin sonundaki kirlenmiş membranlardan tekrardan saf su geçirilerek, membranlarda meydana gelen akı kayıplarının, kirlenmeden ve konsantrasyon polarizasyonundan kaynaklanan kısımları hesaplanmıştır. Sonuç olarak, membranlar ve kombinasyonları için elde edilen farklı performanslar dikkate alınarak, arıtılmış atıksuyun ve tuzun geri kazanım ve proseste yeniden kullanım imkânları değerlendirilmiştir. UF ile tek adımda gerçekleştirilen atıksu arıtım uygulamasında, KOİ giderimi % 14.8 gibi düşük bir değerde kalmış, buna karşın % 99.3 gibi yüksek bir renk giderim verimine ulaşılmıştır. Alkalinitede % 41.1 lik giderim elde edilmişken, iletkenlik parametresinde verim % 4.7 de kalmıştır. Cl parametresinde % 2.7 lik negatif bir giderme verimi görülmüştür. Proseste temiz su akısına kıyasla, % 84.6 akı kaybı meydana geldiği ve toplam kaybın kirlenmeden ve konsantrasyon polarizasyonundan kaynaklanan kısımlarının sırasıyla, % 59.4 ve 25.2 olduğu tespit edilmiştir Da MWCO değerine sahip NF membranı (FM NP010) ile tek adımda gerçekleştirilen arıtım çalışmasında, KOİ ve renk giderimlerinin sırasıyla % 64.8 ve 99.6 ya çıktığı belirlenmiştir. Alkalinite giderimi % 60 elde edilmiş iken hiç Cl giderimi sağlanamamış, iletkenlikteki azalma ise ancak % 8 de kalmıştır. Sırasıyla % 37.2 ve 34.3 lük kirlenme ve konsantrasyon polarizasyonu kaynaklı akı kayıpları ile proses süresi sonunda toplamda % 71.5 lik bir akı kaybı oluştuğu tespit edilmiştir. 400 Da MWCO değerine sahip NF membranı (FM NP030) ile yapılan çalışmada ise, membrandan atıksu geçirilmeye başlanmasından yaklaşık 10 dakika sonra akı ciddi seviyelerde azalmış ve sonrasında membranın tıkandığı gözlemlenmiştir. Bu sonuç, ön 22

37 arıtım uygulanmaksızın atıksuyun doğrudan FM NP030 ile filtre edilmesinin uygun olmadığını göstermektedir. Tek adımlı uygulamalarda, süzüntüde yüksek tuz miktarı elde edilebildiği tespit edilmiş ve yüksek renk gideriminin sağlandığı belirlenmiştir. Ancak yüksek KOİ giderimine ulaşılamamıştır. I. arıtım kombinasyonunda (UF+NF2), FM UP005 membranından elde edilen süzüntünün FM NP030 dan geçirilmesiyle KOİ ve renk giderimleri sırasıyla % 78.3 (toplamda % 81.5) ve % 20.0 (toplamda % 99.5) olarak elde edilmiştir. Alkalinitede % 48.1 (toplamda % 69.4) ve iletkenlikte % 7.9 (toplamda % 12.3) giderim verimleri saptanmıştır. Bu kombinasyonda en dikkat çekici sonuç, tekli proseslere nazaran arttırılmış KOİ gideriminin yanı sıra % 8 ile düşük klorür giderim verimi olmuştur. Proseste % 48.3 toplam akı kaybı meydana gelmiş olup, bunun % 18.8 i kirlenmeden ve % 29.5 i konsantrasyon polarizasyonundan kaynaklanmıştır. II. arıtım kombinasyonunda (NF1+RO), NF membranından elde edilen süzüntünün RO membranından geçirilmesiyle KOİ ve renk giderimleri sırasıyla % 97.9 (toplamda % 99.3) ve % 100 olarak elde edilmiştir. Alkalinite ve iletkenlik için sırasıyla % 90.3 ve 85.2 (toplamda % 96.1 ve 86.4) giderim gözlenmiştir. Bu kombinasyon çıkışında renk tamamen gideriliyor ve KOİ 20 mg/l ye düşürülebiliyor olmasına karşılık, Cl gideriminin % 87.2 değerine yükseldiği görülmüştür. % 95.3 lük toplam akı kaybının % 23.5 inin kirlenmeden, % 71.7 sinin ise konsantrasyon polarizasyonundan kaynaklandığı tespit edilmiştir. III. arıtım kombinasyonunda (UF+NF2+RO), FM UP005+ FM NP030 membranından elde edilen süzüntünün RO dan geçirilmesi suretiyle >% 98 (toplamda >% 99.6) KOİ ve % 100 lük renk giderimleri sağlanmıştır. Proseste % 93.6, 91.2 ve 92.9 (toplamda % 98.1, 92.3 ve 93.3) luk, sırasıyla toplam alkalinite, iletkenlik ve Cl giderim verimleri gözlenmiştir. Son adım olarak RO uygulaması içeren diğer kombinasyondaki gibi bu kombinasyonun çıkışında da renk tamamıyla giderilmiştir. Farklı olarak bu kombinasyonda daha iyi giderim verimi ile KOİ, 10 mg/l değerinin altına indirilmiştir. Proseste % 85.7 toplam akı kaybı meydana gelmiş, bunun % 15.3 ünün kirlenmeden ve % 70.4 ünün ise konsantrasyon polarizasyonundan kaynaklandığı tespit edilmiştir. Tek adımlı membran prosesler (UF ve NF) ile tekstil boyama atıksularının arıtımında, suyun yeniden kullanımına imkân verecek düzeyde renk giderimi sağlanmış ve yüksek miktarlarda tuz miktarının süzüntüden doğrudan geri kazanılabileceği görülmüştür. Ancak, yeniden kullanılacak proses suyundaki KOİ değerinin boyama kalitesini bozmayacak kadar düşük olması gereği ve tekli uygulamalarla yüksek KOİ giderimi sağlanamamış olduğu hususları dikkate alındığında; tek adımlı membran proses uygulamaları ile tekstil atıksularından su ve tuz geri kazanımının, tam anlamıyla teknolojik olarak uygulanabilir olacağını söylemek pek mümkün gözükmemektedir. RO içermeyen kombinasyonda, % 99 un üzerinde elde edilmiş renk giderimine karşılık arzu edilir düzeyde KOİ giderimi sağlanamamıştır. Buna karşılık arıtılmış sudaki yüksek tuz miktarı dikkat çekici bir sonuç ortaya koymuştur. Buna göre, UF ve NF ten oluşacak kombinasyonların yanı sıra, sadece NF proseslerinin kombine olarak kullanılacağı arıtım alternatifleri ile gerçekleştirilecek arıtım uygulamaları üzerinde detaylıca çalışılmasının yerinde olacağı düşünülmektedir. Böylece tüm membran alternatiflerinin ışığında, en yüksek fayda ve en düşük maliyet ile geri kazanıma yönelik uygulanabilecek proses ya da prosesler arasında RO içeren ve içermeyen kombine uygulamalardan hangilerinin ne seviyelerde daha ekonomik veya uygulanabilir olabileceğinin tespiti mümkün olabilecektir. RO içeren kombinasyonlarda, % 99 un üzerinde KOİ ve tamamıyla renk giderimleri sağlanmış, proseste yeniden kullanılabilir kalitede arıtılmış atıksu elde edilmiştir. Ancak bu sudaki tuz içeriği, besleme atıksuyundaki miktara göre çok düşük olup, tuzun geri kazanılan su ile proseste yeniden kullanımına imkan sağlayacak bir düzeyde bulunmamaktadır. Buna karşılık, konsantre edilen çözeltinin buharlaştırma havuzlarına 23

38 verilerek içerdikleri tuzun bu suretle dolaylı bir geri kazanıma tabi tutulması ve ekonomiye kazandırılması mümkün olabilir [4]. Buna göre proses kombinasyonları için yapılacak ekonomik değerlendirmelerde, tuz için sadece süzüntüden değil aynı zamanda konsantreden tuz geri kazanım alternatiflerinin de bu hesaba dahil edilmesi gerekecektir. Boya banyosu atıksularının tekli ve kombine uygulamalarla arıtımında, konsantrasyon polarizasyon direncine dayalı kirlenme etkisinin prosesteki toplam membran kirlenmesi veya akı azalması içerisindeki payının, membran gözenek boyutunun azalması ile arttığı tespit edilmiştir. Buna göre, özellikle son adımda uygulanacak membran proseste, konsantrasyon polarizasyon tabakası oluşumunu önleyici veya bu tabakanın etkisini azaltıcı (çapraz akış hızının arttırılması, türbülans oluşturucular yerleştirilmesi, akım kararsızlıklarının oluşturulması, ses dalgaları ve manyetik alan uygulamaları ile membran yükünün kimyasal işlemlerle değiştirilmesi gibi) işletme tedbirlerinin alınması suretiyle proseste daha yüksek miktarda su geri kazanımı sağlanabileceği sonucuna varılmıştır. Bunun yanı sıra, sudaki düşük moleküler ağırlıklı organiklerin varlığı da dikkate alındığında, etkili KOİ veya çözünmüş organik gideriminin sağlanabileceği hibrit membran proses uygulamaları ile suyun ve tuzun daha düşük maliyetlerle geri kazanılabileceği ihtimali üzerinde de durulması önerilir. Kaynaklar 1. TÜTSİS (Türkiye Tekstil Sanayi İşverenleri Sendikası). Ayın konusu: ekonomideki tarihi küçülme yerini umutlu bekleyişe bıraktı. Tekstil ĠĢveren Dergisi. Ağustos 2009, 353: CAPAR, G., YILMAZ, L., YETIS, U. Reclamation of acid dye bath wastewater: Effect of ph on nanofiltration performance, J. Membr. Sci. 2006, 281: KOYUNCU, I. Direct filtration of Procion dye bath wastewaters by nanofiltration membranes: flux and removal characteristics, J. Chem. Technol. Biotechnol. 2003, 78: JEPPESEN, T., SHU, L., KEIR, G., JEGATHEESAN, V., Metal recovery from reverse osmosis concentrate, J. Clean. Prod. 2009, 17:

39 Tekstil Endüstrisinde Farklı Proses Atıksularının Arıtımında ve Geri Kazanılmasında Membran Uygulamaları Hacer Arslan 1, Hale Özgün 1, Mehmet Çakmakçı 2, İsmail Koyuncu 1 1 Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Maslak, 34469, Ġstanbul. E-posta: hcrsln@gmail.com; ozgunha@itu.edu.tr; koyuncu@itu.edu.tr 2 Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Ġncivez, 67100, Zonguldak. E-posta: mehmetcakmakci@yahoo.com Tekstil endüstrisi özellikle istihdam ve ihracat göz önüne alındığında Türkiye için çok önemli bir sektördür. Tekstil endüstrisinde çok farklı üretim prosesleri olması sebebiyle oluşan birim atıksu miktarları, atıksuda bulunan kirletici tür ve konsantrasyonları da farklılık göstermektedir. Tekstil endüstrisi atıksuları kompleks yapılarının yanısıra yüksek hacimleri ile de problem yaratmaktadır. Su tüketimi açısından ilk sıralarda yer alan bu endüstri dünyanın giderek azalan su kaynaklarının korunması amacıyla son yıllarda hız kazanan atıksu geri kazanımı çalışmalarına en fazla konu olan endüstrilerden birisi olmuştur. Tekstil endüstrisinde değişken yapı ve hacimlerde atıksu üretilmesi arıtma yöntemlerinin seçimini zorlaştırmakta ve her üretim tesisinin ayrı bir örnek olarak ele alınmasını zorunlu kılmaktadır. Tekstil endüstrisi atıksularının arıtımında kullanılan konvansiyonel yöntemler arasında, biyolojik arıtma, fiziko-kimyasal prosesler, adsorbsiyon ve kimyasal oksidasyon yer almaktadır. En yaygın olarak kullanılan biyolojik arıtmada genellikle boyaların aromatik yapıları ve toksisiteleri nedeniyle etkin bir renk giderimi sağlanamamaktadır. Fiziko-kimyasal proseslerde yüksek kimyasal dozlarında çalışılması ve büyük miktarlarda çamur üretimi, adsorbsiyonda sınırlı kapasitede çalışılması, kimyasal oksidasyonda ise toksik ara ürünlerin oluşması bu yöntemlerin uygulanmasındaki başlıca engellerdir. Günümüzde mevcut yöntemlerin etkin bir arıtma sağlayamaması ve deşarj standartlarının giderek sıkılaşması nedeniyle ozonlama, fotokataliz ve membran prosesler gibi ileri arıtma yöntemlerine de ihtiyaç duyulmaktadır. Membran prosesler, atıksuda bulunan değerli maddelerin ve suyun geri kazanımı söz konusu olduğunda üstün arıtma performansları ile büyük ölçüde tercih edilmektedir. Ters osmoz, nanofiltrasyon ve ultrafiltrasyon ile yapılan çalışmalarda, boya giderimi ve elde edilen akı miktarı açısından, en verimli membranların nanofiltrasyon membranları olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Bu çalışma kapsamında, tekstil endüstrisinde oluşan farklı proses atıksuları için laboratuvar ölçekli bir membran ünitesinde farklı membran türleri kullanılarak basınca bağlı akı değişimlerinin ve çıkış suyu kalite parametrelerinin karşılaştırmalı olarak değerlendirilmesi planlanmaktadır. Tekstil endüstrisine ait kasar, yıkama ve boya prosesi atıksuları ile arıtılabilirlik çalışmaları yapılmıştır. Deneylerde endüstrinin farklı proses çıkışlarından alınan ham sular için kartuş filtreyi takiben, ultrafiltrasyon (UF) ön arıtmalı ve ön arıtmasız olarak farklı nanofiltrasyon (NF) membranları (NP010, NP030, NF90, NF270) ve farklı ters osmoz (RO) membranları (BW30 ve XLE) kullanılmıştır. Kullanılan UF membranı UC010T membranıdır. Ön arıtmalı deneylerde bu membran ile 1 barda gerçekleştirilen çalışma sonrası elde edilen süzüntü akımı NF ve RO membranlardan geçirilmiştir. Deneylerde kullanılan NF ve RO membranları, dört farklı basınç altında çalıştırılmıştır. NF membranları için bu basınç değerleri 3, 6, 9 ve 12 bar, RO membranları için ise 5, 10, 15, 20 bar olarak belirlenmiştir. 25

40 Sistem belirlenen bu basınç değerlerinde 1 saat süreyle çalıştırılmış, 1 saat sonunda elde edilen süzüntü akımından numuneler alınmıştır. Deneylerde kullanılan laboratuar ölçekli membran tesisi üç fazlı akım ile çalışan bir yüksek basınç pompasına sahiptir. Tesisin maksimum debisi yaklaşık olarak 1000 l/saat civarındadır. Tesis yüksek basınç pompası, kartuş filtre, hidrofor, membranın yerleştirildiği membran hücresi, membran hücre muhafazası, membrana girişte ve çıkışta olmak üzere iki adet manometre, yüksek basınç ayar vanası, soğutma sistemi, hidrolik el pompası ve 15 L lik bir besleme tankından oluşmaktadır. Membran hücresi üstten basınç uygulanarak sıkıştırılmakta ve bu şekilde, uygulanan besleme akımındaki basınca dayanıklı olması sağlanmaktadır. Tesis, besleme tankı içerisine yerleştirilen bir soğutma tertibatına da sahiptir. Soğutma suyu olarak çeşme suyu kullanılmıştır. Besleme tankı içerisinde spiral olarak teşkil edilen ince borular içerisinden, çeşme suyu geçirilmiş ve tanktaki sıcaklık 25 o C de sabit tutulmaya çalışılmıştır. Ham sularda ve arıtılan numunelerin hepsinde izlenen parametreler, akı, sıcaklık, iletkenlik ve renktir. Renk parametresi, UV spektrofotometre (UV/VIS) ile 525 nm dalga boyunda ölçülmüştür. Bu parametreler hem besleme suyunda hem de süzüntü akımında izlenmiştir. Akı ölçümü PRECISA 6200D marka terazi aracılığı ile yapılmıştır. İletkenlik ve sıcaklık analizleri, Hach Sension model cihazda gerçekleştirilmiştir. Tablo 1 de membran türlerine göre farklı proses atıksuları için elde edilen akı, iletkenlik ve renk değerleri karşılaştırmalı olarak verilmektedir. Tablo 1. Analiz sonuçlarının karşılaştırılması Çıkış Suyu Değerleri (İşletme koşulları: NF için 12 bar, RO için 15 bar basınç) AKI (l/m 2 st) Membran Türleri Yıkama Yıkama (UF ön arıtmalı) Kasar Kasar (UF ön arıtmalı) Boyama Boyama (UF arıtmalı) ön NP010 NP030 NF90 NF270 BW30 XLE NP010 NP030 NF90 NF270 BW30 XLE NP010 NP030 NF90 NF270 BW30 XLE ,033 0,035 0,033 0,033 0,032 0, ,03 0,032 0,03 0,032 0, İLETKENLİK (µs/cm) RENK (abs 525 nm) 0,031 0,095 0,032 0,032 0, ,106 0,05 0,032 0,031 0, ,131 0, ,106 0,084 Deney sonuçları incelendiğinde 12 bar basınçta yıkama atıksuyu için en yüksek akı değeri NF270 membranı ile ve UF ön arıtmadan geçtikten sonra ise NP010 membran ile elde edilmiştir. Kasar prosesi atıksularında ise UF ile ön arıtmalı ve ön arıtmasız sistemlerin her ikisi için de en yüksek akı değerleri NF270 membranı ile elde edilmiştir. UF ile ön arıtma yapılan 26

41 durumda akı değeri ön arıtmanın olmadığı duruma göre %29 daha fazla elde edilmiştir. Ters osmoz membranlarda akı değerleri oldukça küçüktür. Boyama atıksuyunda ise NF270 ve NF90 nanofiltrasyon membranlarda ve ters osmoz membranlarda tüm basınç değerlerinde, UF ile ön arıtmalı ve ön arıtmasız olarak gerçekleştirilen çalışmalarda süzüntü akımı elde edilememiştir. NP010 ve NP030 membranlarda ise sadece 12 bar basınçta gerçekleştirilebilen çalışmada NP010 membranda NP030 membrana göre daha yüksek akı değerleri elde edilmiştir. Tüm basınç değerlerinde gerçekleştirilen çalışmalar değerlendirildiğinde membranlarda basınçtaki artışa paralel olarak akıda da artış olduğu görülmektedir. Atıksular birbiriyle kıyaslandığında ise en yüksek akı değeri elde edilen atıksular yıkama prosesi atıksuyudur. İletkenlik parametresine bağlı sonuçlar incelendiğinde, ön arıtmasız yıkama ve kasar ve ön arıtmalı kasar atıksuları için en yüksek giderim verimi elde edilen membran türünün BW30, ön arıtmalı yıkama atıksuyu için ise XLE ters osmoz membranı olduğu görülmektedir. Boyama prosesi atıksuyu için çalışmanın gerçekleştirilebildiği iki NF membranı arasında büyük farklılık olmadığı gözlenmiştir. Atıksu cinsi proses bazlı incelendiğinde ise iletkenliği en düşük olan ve dolayısıyla iletkenlik gideriminin en fazla gerçekleştiği atıksu yıkama atıksuyu olarak belirlenmiştir. Renk parametresine ait sonuçlar incelendiğinde ise boyama prosesi atıksuyu dışında tüm atıksular için renk giderimi yaklaşık olarak aynıdır. Sağlanan değerler membranlar arası değişim göstermemektedir. Renk parametresi genel bir ifadeyle 0,033-0,03 abs değerleri arasında seyretmektedir. Boyama atıksuyu yüksek renk içerdiğinden renk giderim verimi bu atıksu için düşük değerlerde kalmıştır. Tablo 2. de parametreler bazında atıksu prosesleri göz önüne alınarak seçilen en uygun membran türleri verilmektedir. Tablo 2. Atıksu bazlı en uygun membran türü Atıksu Türü Parametre Yıkama Kasar Boyama Akı (l/m 2 st) UC010T+NP010 UC010T+NF270 UC010T+NP010 İletkenlik (µs/cm) BW30 UC010T+BW30 NP030 Renk (abs 525 nm) UC010T+NP010 UC010T+NF90 UC010T+XLE XLE UC010T+NP030 Analiz sonuçlarından alınan değerler kullanılan atıksuyun cinsine göre de farklılık göstermektedir. Boyama suyu yüksek renk ve iletkenliğe sahip bir atıksu olması dolayısıyla giderme verimleri de bu ölçüde sınırlı değerlerde kalmıştır. Yıkama suyundaki renk giderimi gözle görülür biçimde giderilmiştir. Kasar prosesinden gelen atıksu ise renksiz fakat iletkenliği yüksek bir atıksudur. Atıksuyun öncelikle bir kartuş filtreden geçirildikten sonra UF ön arıtmalı olarak yapılan deneylerde, UF ön arıtma yapılmaksızın direkt olarak NF veya RO ile arıtılmasına göre daha yüksek bir arıtma performansı göstermiştir. Teşekkür Bu çalışma Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından 108Y243 nolu proje ile desteklenmiştir. 27

42 28

43 Tekstil Endüstrisinde Membran Teknolojisi ile Proses Suyu Geri Kazanımı Gökşen Çapar 1, Niğmet Uzal 1, Meltem Ünlü 1, Cihangir Varol 2, Levent Yılmaz 2, Ülkü Yetiş 2 1 Çevre Mühendisliği Bölümü, 2 Kimya Mühendisliği Bölümü Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Ankara Pek çok alt sektör içeren tekstil sanayinde yün, pamuk ve ipek gibi doğal malzemelerle naylon, polyester, akrilik gibi sentetik malzemeler kullanılarak çeşitli ürünler elde edilmektedir. Uygulanan başlıca işlemler iplik üretimi, dokuma, boyama ve sonlandırmadır. Bu süreçlerde oldukça fazla türde boyar madde, yardımcı kimyasal ve yüksek hacimlerde temiz su kullanılmaktadır. Dolayısıyla tekstil, hem hammadde tüketimi hem de çevre kirliliği açısından ciddi boyutta olumsuz etkileri olan bir sanayi dalıdır. Tekstil endüstrisindeki üretim çeşitliliği nedeniyle ortaya çıkan atıksuların özellikleri de belirgin farklılıklar göstermektedir. Tek bir üretim hattı için dahi yüzlerce reçete bulunabilmekte, bu da atıksu karakterizasyonunu ve genelleme yapmayı zorlaştırmaktadır. Ancak tekstil atıksularının ortak özelliği; yüksek hacimlerde üretilmeleri, organik madde (KOİ), renk, bulanıklık, toplam katı madde (TKM) içeriklerinin yüksek olması ve ph larının çoğunlukla nötr olmamasıdır. Tekstil atıksularının arıtılması için en yaygın olarak kullanılan yöntem biyolojik arıtmadır. İyi tasarlanmış bir aktif çamur (AÆ) sistemi ile KOİ deşarj limitleri sağlanabilir. Ancak renk giderim verimi çoğunlukla yetersiz kalmakta, ileri arıtma yöntemlerine gerek duyulmaktadır. Deşarj limitlerinin sağlanması zorunluluğuna ek olarak, su kaynaklarının giderek azalması nedeniyle tekstil endüstrisinde proses suyu geri kazanımı sürdürülebilir gelişme yaklaşımı doğrultusunda artık bir zorunluluk haline gelmiştir. İleri arıtma yöntemleri bu bağlamda önem kazanmış, özellikle membran teknolojisi son yıllarda endüstriyel su geri kazanımı konusunda başarıyla uygulanan bir yöntem olmuştur. Bu çalışmada, tekstil endüstrisinin çeşitli alt sektörlerinde membran teknolojisi ile proses suyu geri kazanımı uygulamaları araştırılmıştır. Ülkemiz için önem taşıyan alt sektörlerden, halı ve kot üretimi ele alınmıştır. Halı alt sektöründe naylon iplikten dokunan halılar asit boyalar ve metal-kompleks boyalar kullanılarak baskı ve boya teknesi yöntemleriyle renklendirilmektedir. Burada iki tip atıksu açığa çıkmaktadır; baskı boyama atıksuları (BBA) ve asit boya banyosu atıksuları (ABBA). Halı üretimi atıksularında boyar maddelere ek olarak halının daha iyi ıslanmasını ve daha iyi boyanmasını sağlayan yüzey aktif maddeler de bulunmaktadır. Kot üretiminde ise pamuk ipliğinden üretilen kotlar indigo boyası ile renklendirilmektedir. Burada birden fazla durulama işlemi tekrarlanmakta, dolayısıyla fazla kirlilik içermeyen ancak yüksek hacimlerde atıksular ortaya çıkmaktadır. Kot üretiminde sonlandırma işlemlerinden birisi olan merserizasyon sırasında, pamuğa dayanıklılık kazandırmak amacıyla ürün konsantre kostik banyosunda bekletilmektedir. Bu işlemde yüksek derişimde kullanılan kostiğin geri kazanımı da önemli bir ihtiyaç olmaktadır. Görüldüğü üzere, tekstil ana başlığı altında birbirine hiç benzemeyen özelliklerde yüzlerce atıksu tipi olabilmektedir. Dolayısıyla her tip atıksu için farklı arıtma süreçleri gerekmektedir. Bu çalışmada, yukarıda bahsedilen halı ve kot üretimi atıksularından proses suyu kalitesinde su üretimi ve ayrıca terbiye atıksularından 29

44 kostik geri kazanımı için geliştirilen membran-esaslı süreçler anlatılmıştır. Ön-arıtma aşamalarında kimyasal çöktürme(kæ), AÆ, mikrofiltrasyon(mf), ultrafiltrasyon(uf) ve santrifüj yöntemlerinden en uygun olanları tek başına veya birlikte kullanılmıştır. Arıtma aşamalarında ise UF, nanofiltrasyon(nf) ve ters ozmoz(ro) alternatifleri değerlendirilmiştir. Her bir atıksu için denenen ön-arıtma ve arıtma alternatifleri Tablo 1 de verilmiştir. Bütün laboratuvar ölçekli çalışmalarda DSS firması (Danimarka) üretimi olan LabStak M20 model membran modülü kullanılmıştır. Akılar zamana karşı izlenmiş ve süzüntü suyu akıları ile giderim verimleri sabitlendiğinde örnekleme yapılmıştır. Örneklerde KOİ, renk, bulanıklık, ph, toplam katı madde(tkm), toplam sertlik(ts) ve iletkenlik parametreleri ölçülmüştür. Bütün analizler standart yöntemlerle (APHA, 1995) yapılmış, KOİ ise USEPA onaylı HACH Metot 8000 e göre HACH DR-2000 Model spektrofotometre kullanılarak 620 nm dalga boyunda okunmuştur. Akı azalması hesaplaması ise, temiz membranların saf su akıları ile kirlenmiş membranların atıksu akılarının karşılaştırılması ile yapılmıştır. Tablo 1 de deneysel koşullar ve membran özellikleri verilmiştir. Her bir atıksu için en uygun bulunan ön-arıtma ve arıtma süreçlerinin giderim performansları ile proses suyu geri kazanım kriterleri ise Tablo 2 de yer almaktadır. Tablo 2 de görüldüğü üzere, membran teknolojisi tek başına veya diğer arıtma yöntemleriyle birlikte kullanıldığında tekstil atıksuyundan başarıyla proses suyu üretebilmektedir. Doğal olarak arzu edilen, mümkün olan en az işlemle en iyi kalitede suyu üretmektir. Ancak kullanılacak işlem sayısı, atıksu özelliğine göre değişmektedir. Membranlarda akı azalması problemi yaşandığından, bir ön-arıtma yönteminin kullanılması akı kontrolü için gereklidir. Bu nedenle, gereken işlem sayısı çoğunlukla birden fazladır. Halı üretiminde ortaya çıkan baskı boyama atıksuları için en uygun su geri kazanım yöntemi kimyasal çöktürme (alum ile)+nf dur. Bu süreç uygulandığında 2 mg/l KOİ, 51 mg/l TKM, 9 mg/l sertlik ve 80 S/cm iletkenlik içeren, renksiz, berrak (bulanıklık 0,3 NTU) bir proses suyu elde edilmiştir. Asit boya banyosu atıksuları için ise MF (1 m)+ph nötralizasyonu+nf yeterli olmuş; 42 mg/l KOİ, 55 mg/l TKM, 70 S/cm iletkenlik içeren, renksiz, berrak ve yumuşak bir proses suyu elde edilmiştir. Akı azalması yüksek olmamış, %19-20 civarında seyretmiştir. Bu da önerilen sürecin çok sık kimyasal yıkama gerektirmeyeceğini işaret etmektedir. Üretilen her iki tip proses suyu da en açık renklerin boyanmasında dahi uygun görünmektedir. Tablo 1. Proses Alternatifleri (Seçilen en uygun prosesler koyu renkle gösterilmiştir) Atıksu Proses Alternatifleri Deneysel Koşullar/Membran Özellikleri Halı-Baskı Boyama Atıksuyu (BBA) Halı-Asit Boya Ön-arıtma MF (11 m; 2,5 m; 1 m) MF: Whatman 1 (11 m, selüloz); Whatman 42 (2,5 m, selülüz), Whatman GF/B (1 m, fiberglas); P=0,73 bar; Etkin alan=0,0014 m 2 ; Sıcaklık=18-20 C KÇ KÆ: Alum dozları: mg/l (Optimum doz KÆ+MF (1 m) KÆ+UF (50 kda) Arıtma UF (1 kda; 2 kda; 20 kda; 50 kda) NF UF (20 kda)+nf UF (1 kda)+nf Ön-arıtma MF (2.5 m; 1 m; 0.45 m; 0.2 mg/l); Karıştırma hızı: 100 rpm de 1dak hızlı + 30 rpm de 30 dak yavaş; Dinlendirme:1 saat; Sıcaklık=18-20 C UF: Alfa Laval GR51PP (50 kda, PES); GR61PP (20 kda, PES); GR95PP (2 kda, PES); ETNA01PP (1 kda, kompozit floro polimer); P=1,9 bar; Etkin alan=0,036 m 2 ; Sıcaklık=18-20 C NF: Alfa Laval NFT-50 (Polyester üzerine ince film kompozit); P=5,9 bar; Etkin alan=0,036 m 2; Sıcaklık=18-20 C MF: Whatman GF/B (1 m, fiberglas); Millipore (0,45 m, 30

45 Atıksu Proses Alternatifleri Deneysel Koşullar/Membran Özellikleri Banyosu Atıksuyu (ABBA) Kot Üretimi Atıksuyu (KÜA) Kot Durulama Atıksuyu1 (KDA-1) Kot Durulama Atıksuyu2 (KDA-2) m) selüloz asetat); Sartorius (0,20 m, selüloz asetat); P=0,73 MF (2.5 m +1 m) bar; Etkin alan=0,0014 m 2 MF (2.5 m+1 m+0.45 m) MF(2.5 m+1 m+0.45 m+0.2 m) MF (0.45 m+0.2 m) UF (50 kda) UF: Osmonics HZ15 (50 kda, PES); DSS GR51PP (50 kda, PES); GR61PP (20 kda, PES); GR95PP (2 kda, PES); ETNA01PP (1 kda, kompozit floro polimer); P=1,9 bar; Etkin alan=0,036 m 2 ; Sıcaklık=18-20 C Arıtma NF NF+NF NF+N+NF ph ayarı+nf Ön-arıtma AÆ AÇ+MF (5 m) Arıtma NF: Alfa Laval NFT-50 (Polyester üzerine ince film kompozit); P=5,9 bar; Etkin alan=0,036 m 2 ; Sıcaklık=18-20 C AÆ: Reaktör hacmi=10 L; Hidrolik bekletme süresi=8 gün; Sıcaklık=25 C; Oksijen=5 mg/l MF: SMWP04700 (5 m, nitroselüloz); P=0,73 bar; Etkin alan=0,0014 m 2 NF NF: Dow Filmtec NFT-270 ( Da, piperazin ve benzenetrikarbonil triklorür); P=5,07 bar; Etkin alan=0,036 m 2 ; Sıcaklık=18 C Ön-arıtma MF (5 m) MF: SMWP04700 (5 m, nitroselüloz); FSM045PP (0,45 MF (5 m+0.45 m) m, kompozit floro polimer); P=0,85-1,02 bar; Æapraz akış hızı=1,06 m/s Etkin alan=0,0017-0,036 m 2 ; Sıcaklık=18-20 C. MF (5 m)+uf (100 kda) MF (5 m)+uf (50 kda) MF (5 m)+uf (20 kda) MF (5 m)+uf (2 kda) MF (5 m)+uf (1 kda) Arıtma NF UF: Alfa Laval GR40PP(100 kda, PES); GR51PP (50 kda, PES); GR61PP (20 kda, PES); GR95PP (2 kda, PES); ETNA01PP (1 kda, kompozit floro polimer); P=1,87-3,07 bar; Æapraz akış hızı=1,29-0,98 m/s; Etkin alan=0,036 m 2 ; Sıcaklık=18-20 C NF: Dow Filmtec NFT-270 ( Da, piperazin ve benzenetrikarbonil triklorür); NF90 (100 Da); Alfa Laval NF99 (159 Da, polyester üzerine polyamid); P=5,07 bar; Æapraz akış hızı=0,62 m/s; Etkin alan=0,036 m 2 ; Sıcaklık=20 C RO RO: Alfa Laval CA995PE (NaCl tutulumu %95, polyester üzerine selüloz triasetat/diasetat karşımı); HR98PP (NaCl tutulumu %85, polipropilen üzerine ince film kompozit); P=5,07 bar; Æapraz akış hızı=0,62 m/s; Etkin alan=0,036 m 2 ; Sıcaklık=20 C Ön-arıtma KÆ MF (8 m) MF (2.5 m) MF (0.45 m) MF (0.45 m)+uf (100 kda) MF (0.45 m)+uf (50 kda) MF (0.45 m)+uf (10 kda) MF (0.45 m)+uf (5 kda) KÆ: Alum ve Demir klorür dozları: mg/l; Karıştırma hızı: 120 rpm de 2 dak hızlı + 30 rpm de 30 dak yavaş; Dinlendirme: 1 saat; Sıcaklık=18-20 C MF: (8 m, 2,5 m, 0,45 m, Selüloz ester); P=0,7-3,0 bar UF: (100 kda, 50 kda, 10 kda, 5 kda, PES); P=4 bar 31

46 Atıksu Proses Alternatifleri Deneysel Koşullar/Membran Özellikleri Kot- Kostik Banyosu Atıksuyu (KKBA) Arıtma NF Ön-arıtma MF (20-25 m; 10 m; 8 m; 5 m; 1,2 m; 1-11 m) Yumaklaştırma Santrifüj Arıtma UF (2 kda) NF NF: Dow Filmtec NFT-270 ( Da, piperazin ve benzenetrikarbonil triklorür); P=5,02 bar; Æapraz akış hızı=0,62 m/s; Etkin alan=0,036 m 2 ; Sıcaklık=20 C MF: Whatman 41 (20-25 m, selüloz asetat); SCWP04700 (8 m, nitroselüloz); RAWP04700 (1,2 m, nitroselüloz); LCWP04700 (10 µm, desteksiz PTFE); SVLP04700 (5 µm, PVDF); S50WP320F5 (5 µm, PES); S99WP320F5 (10 µm, PES); MF-45 (1-11 µm, floro polimer); P=0,85 bar; Sıcaklık=18-20 C Karıştırma hızı: 30 rpm de 45 dak; Sıcaklık=18-20 C 2500 rpm de 30 dak UF: Alfa Laval GR95PP (2 kda, PES); P=2,38-6,23 bar; Æapraz akış hızı=0,79-1,40 m/s; Etkin alan=0,036 m 2 ; Sıcaklık=20 C NF: NP010 (1000 Da, PES); NP030 (500 Da, PES); Koch SelRO MPT-34/MFT-34 Pilot tesis (300 Da, PES); P=4,03-6,23 bar; Æapraz akış hızı=0,40-1,40 m/s; Etkin alan=0,036 m 2 ; Sıcaklık=20-40 C Kot üretimi ve durulama suları da membran teknolojisi ile başarıyla arıtılmıştır. Bütün hatlardan gelen kot üretimi atıksularının karışımı, aktif çamur+mf(5 m)+nf sürecinde oldukça yüksek verimle arıtılmış; 43 mg/l KOİ, 5 Pt-Co renk ve 2000 S/cm iletkenlik içeren bir proses suyu elde edilmiştir. Akı azalması ise %43 olarak gerçekleşmiştir. Kot durulama suları için iki farklı reçete suyu çalışılmıştır. KDA-1 için en uygun membranlı süreç, MF(5 m)+nf, KDA-2 için ise MF(0,45 m)+nf olmuştur. KDA-1 den elde edilen proses suyu 87 mg/l KOİ, 8 Pt-Co renk ve 4300 S/cm iletkenlik içerirken; KDA-2 den elde edilen proses suyu 24 mg/l KOİ, 15 Pt-Co renk ve 1100 S/cm iletkenlik içermiştir. Görüldüğü üzere, kot üretimi atıksularının başlangıçtaki iletkenlik değerleri oldukça yüksektir. Bu nedenle NF çıkış kaliteleri de geri kazanım kriteri olan 1000 S/cm den yüksek olmuştur. Ayrıca çıkış ph değerleri de geri kazanım kriteri olan 6-8 den yüksektir. Bu durumda kullanım öncesinde ph ayarlaması gerekecektir. Üretilen proses sularının tesis içinde boyama dışındaki işlemlerde (durulama, tank yıkama gibi) ya da boyamayi izleyen ilk yıkama teknelerinde kullanılabileceği düşünülmektedir. Bir diğer seçenek de üretilen proses sularının temiz sular ile ihtiyaç duyulan oranlarda karıştırılmasıdır. Tekstilin her alt sektörüne yönelik geri kazanım kriterleri Literatür de mevcut olmadığından, Tablo 2 de verilen ve genel olarak tekstil sektörü proses suyu kalitesine yönelik olan geri kazanım kriterleri, tüm atıksular için temel kriter olarak alınmıştır. Tablo 2. Geri kazanım kriterlerini sağlayan en uygun ön-arıtma ve arıtma süreçlerinin performansları (Parantez içinde verilen değerler % giderim değerleridir) Proses Suyu/Atıksu Parametre KOİ Renk Bulanıklık TKM Sertlik İletkenlik ph (mg/l) (Pt-Co) (NTU) (mg/l) (mg/l CaCO 3 ) (ms/cm) Proses Suyu Geri Kazanım Kriterleri Halı-BBA Ham atıksu ,7 7,6 KP ( mg/l) 301 (23) 29 (90) 3,8 (91) 575 (5) 18 (10) 0,7 (0) çıkışı NF çıkışı 2 (99,5) 0 (100) 0,3 (99) 51 (92) 9 (55) 0,08 (89) 8,0 Akı azalması (%) 19,4 32

47 Halı-ABBA Ham atıksu , ,73 4,7 MF(1 m) çıkışı 1394 (1) 19 (82) 0,9 (77) 909 (5) 44 (0) 0,73 (0) 4,7 ph ayarı+nf çıkışı 42 (97) 0 (100) 0,1 (97) 55 (94) 0 (100) 0,07 (90) 7,2 Akı azalması (%) 20 Kot-KÜA Ham atıksu ,0 11,0 AÆ+MF(5 m) çıkışı 191 (92) 266 (89) - 6,0 (0,3) 7,0 NF çıkışı 43 (98) 5 (99,8) - 2,0 (78) 5,7 Akı azalması (%) 43 Kot-KDA-1 Ham atıksu ,5 11,3 MF (5 m) 1213 (15) 256 (93) 12,4 (1) NF çıkışı 87 (94) 8 (99,8) 4,3 (66) Akı azalması (%) 52 Kot-KDA-2 Alkalinite (mg/l CaCO 3 ) Ham atıksu ,3 10,4 MF(0,45 m) (3 bar) 778 (29) 3352 (44) - çıkışı NF çıkışı 24 (98) 15 (99,7) 1,1 (83) 10,2 43 Kot-KKBA NaOH (g/l) Ham atıksu ,2 NF (NP010) çıkışı 1229 (92) 176 (98) 32 (0) Pilot uygulama Ham atıksu MF (1-11 m) çıkışı 2350 (80) 1288 (83) 24 (0) NF (MPT-34) çıkışı 210 (95) 14 (99) 24 (0) Kot durulama atıksularından kostik geri kazanımı ise hem laboratuvar hem de pilot ölçekte çalışılmıştır. Kostik geri kazanımı sağlayan en uygun membranlı süreç, laboratuvar çalışmalarında NF olarak bulunmuştur. Elde edilen proses suyunda, %92 KOİ ve %98 renk giderimi sağlanmıştır. NF giriş ve çıkış NaOH değerinin aynı (32 g/l) olması, tüm NaOH ın süzüntü suyuna geçtiğini göstermiştir. Pilot ölçekte ise MF (1-11 m)+nf uygulanmış, ancak hızlı tıkanma meydana gelmesinden dolayı laboratuvar sonuçları tam olarak doğrulanamamıştır. Kostik geri kazanımı değerlendirmesi için daha kapsamlı çalışmalar yürütülmelidir. Genel olarak; tekstil atıksularından su geri kazanımında, NF in mutlak bir gereklilik olduğu, öncesinde uygulanacak ön arıtmanın ise, atıksu niteliğine bağlı olarak değiştiği sonucuna ulaşılmıştır. Membran performansının; atıksu içeriği, operasyonel koşullar ve sistem konfigürasyonundan etkileniyor olması nedeniyle, herhangi bir atıksu için en uygun membranlı sürecin bulunması için kapsamlı deneysel çalışmalar yapılması gereği ortaya çıkmıştır. Bununla birlikte, laboratuvarda üretilen verilerin, gerçek durumu ne kadar yansıtacağı hususunun da üzerinde önemle durulması gereken bir diğer konu olduğu anlaşılmıştır. 33

48 34

49 Kasar Yıkama Atıksularının Geri Kullanımının Araştırılması Kenan Güney*, Ralf Minke, Heidrun Steinmetz Stuttgart Üniversitesi * Tekstil endüstrisi su tüketimi çok yüksek olan endüstrilerden biridir. Tekstil endüstrisi bir ton tekstil üretimi için m 3 suya ihtiyaç duymaktadır [1,2]. Tekstil atıksuyu yüksek kirlilikte, renkli ve yüksek miktarda toplam çözünmüş katı madde içeren bir atıksudur. Tekstil atıksuyu çok yüksek KOİ (175 kg KOİ/ton ürün) [2] ve çok yüksek iletkenlik değerlerine sahiptir. Dolayısıyla tekstil endüstrisi atıksularının geri kazanımı ekonomik ve ekolojik bir değer kazanmaktadır. Yüksek KOİ ve iletkenlik giderimi sadece nanofiltrasyon ve ters ozmoz gibi membran teknolojilerinin uygulaması ile mümkün olabilir. Konvansiyonel tekstil endustrisi atıksuyu arıtımında boyama, ağartma, yıkama gibi proseslerde oluşan değişik kimyasal içerik ve değişik kirlilik seviyesine sahip olan atıksular birleştikten sonra aktif çamur arıtımı yada anaerobik arıtım metodları ile arıtıldıktan sonra elde edilen ikincil atıksu membran teknolojisi ile arıtılıp düşük oranlarda atıksu geri kullanımı mümkün olmaktadır. Tekstil endüstrisi için sürdürülebilir ve ekonomik su kullanımı atıksu geri kazanım miktarının arttırılması ile mümkün olabilir. Bu amaçla öncelikle tekstil atıksuları arasında en az kirliliğe sahip olan yıkama atıksularının ayrı ayrı ele alınıp incelenmesi gerekmektedir. Bu bağlamda, çalışmamızda kasar yıkama atıksuyu ele alınmış ve membran teknolojisi ile elde edilebilecek maksimum atıksu geri kullanim potansiyeli incelenmiştir. Kasar - ağartma prosesi yüksek miktarda ağartıcı ve ek kimyasal kullanılan bir ağartma prosesidir. Kasar atıksuyu tekstil atıksuları arasında en yüksek KOİ ve iletkenlik değerlerine sahip atıksulardan biridir. Bu proses sonrası yapılan yıkama prosesinde kasar isleminden ürün üzerinde kalan ağartıcılar, ek kimyasallar, ve tekstil lifleri de su ile temizlenmektedir. Bu çalışmanın amacı: kağıt filtre ve ultrafiltrasyon ön arıtımından elde edilmiş olan kasar yıkama atıksuyunun değişik nanofiltrasyon membranları ve düşük enerjili ters ozmoz membranı ile arıtılarak atıksu geri kullanım potansiyelinin arttırılmasını sağlamaktır. Æalışmamızda Almanya nın Baden Württemberg eyaletinde yer alan bir tekstil firmasının birinci kasar yıkama atıksuyu kullanılmıştır. Firma kendine ait olan kuyu suyu ile belediye hattından temin ettiği içme suyunun karışımı ile oluşturulan bir suyu kasar yıkama prosesinde kullanmaktadır. Firmaya ait kuyu suyunun iletkenliği 650 µs/cm dir. 100 L kasar yıkama atıksuyu kirlilik oranı en yüksek olan ilk yıkama ünitesinden alınmıştır. Atıksu biraz bulanık ve çok açık sarı bir renge sahiptir. Atıksu 4-7µm delik aralıklı Whatman 597 filtresi ile filtrelenmiş ve sonrasında Microdyn Nadir firmasina ait 5 µm delik aralıklı UP005 ultrafiltrasyon membranı ile 25 C sıcaklıkta ve 7 bar basınç altında ön arıtıma tabi tutulmuştur. Kasar yıkama atıksuyunun, kağıt filtreden ve ultrafiltrasyondan elde edilmiş ön arıtma atıksularının ana özellikleri Tablo 1`de gösterilmiştir. 35

50 Tablo 1: Kasar yıkama atıksuyunun ve ön arıtım uygulanmış atıksuların ana özellikleri Kasar Yıkama Kağıt Filtre Ultrafiltrasyon KOİ (mg/l) İletkenlik (µs/cm) ph Kağıt filtre ile % 9 KOİ ve % 9 iletkenlik giderimi, UP005 ultrafiltrasyonu ile yüzde 71 KOİ ve yüzde 24 iletkenlik giderimi elde edilmiştir. Ultrafiltrasyon sonucunda elde edilen permeat tamamen renksizdir. Bu araştırmada kullanılan deney düzeneği OSMOTA GmbH firmasi tarafından üretilmiş bir adet laboratuar ölçekli membran ünitesinden (Figür 1) oluşmaktadır. Membran ünitesi 80 cm 2 (20 cm x 4 cm) membran alanına sahip bir membran hücresine ve 7,2 litrelik bir atıksu tankına sahiptir. Permeat akısı elektronik olarak Endress Hauser Promag 50+H cihazı ile ölçülmüştür. Sıcaklık ayarlayıcı ile atıksu sıcaklığı tüm uygulamalarda 25 C de sabit tutulmuştur. Atıksu Tankı Akı Ölçer Sıcaklık Ayarlayıcısı Valf Manometre Retentat Elektronik Akı Ölçer Pompa Membran Hücresi Permeat Şekil1: Membran ünitesi Ön arıtım uygulanmış kasar yıkama atıksuyunun geri kullanılabilirliği DOW-Filmtec firmasına ait olan NF90, NF270 ve Microdyn Nadir firmasına ait olan NP010 nanofiltrasyon membranları ve DOW-Filmtec firmasına ait olan XLE düşük enerjili ters ozmoz membranı ile test edilmiştir. DOW-Filmtec membranlarında 28 mil spacer, Microdyn Nadir membranlarında ise 44 mil spacer kullanılmıştır. NP010 ve NF90 membranları 7 bar ve 10 bar basınç altında incelenmiş ve alınan sonuçlar doğrultusunda NF270 ve XLE membranlarının da 10 bar basınç altında incelenmesine karar verilmiştir. Yapılan deneylerde KOİ giderimi, iletkenlik giderimi ve permeat akı miktarına önem verilmiş; geri kullanım için gerekli olan KOİ miktarının 100 mg/l den, iletkenlik miktarının ise firmanın kullanmış olduğu kaynak suyu iletkenliğinin çok altında olan 250 µs/cm nin altında olması, ve permeat geri kazanımının en az % 40 olması hedeflenmiştir. Tüm deneyler % 90 permeat geri kazanımı eldesine kadar yapılmıştır. Elde edilen KOİ ve iletkenlik giderimleri Tablo 2`de gösterilmiştir. 36

51 Tablo 2: KOİ ve iletkenlik giderimleri KOİ Giderimi (%) İletkenlik Giderimi (%) Permeat Kazanımı (%) NP010-7 bar NP bar NF90-7 bar NF90-10 bar XLE-10 bar NF270-10bar KOİ giderimi, NP010 membranında % 60 ı NF270 membranında ise % 85 i geçememiştir. İletkenlik giderimi ise NP010 membranında % 30 un altında NF270 membranında ise % 70 in altında elde edilmiştir. NP010 membranı istenilen KOİ ve iletkenlik limitlerini sağlayamamıştır. NF270 membranı ise % 80 permeat kazanımına kadar KOİ limitini sağlamasına rağmen iletkenlik limitini sağlayamamıştır. Bu da hedeflenen minimum % 40 permeat geri kazanımını sağlayamamaktadır. NF90 ve XLE membranlarında KOİ giderimi % 97 nin üstünde, iletkenlik giderimi ise % 96 nın üstünde elde edilmiştir. XLE ve NF90 membranları yüzde 90 permeat kazanımında dahi hedeflenen KOİ ve iletkenlik limitlerini sağlamıştır. Yüzde 90 permeat kazanımında: NF90 membranı 7 bar basınç altında 30 mg/l KOİ ve 250 µs/cm iletkenlik değerleri, 10 bar basınç altında ise 35 mg/l KOİ ve 130 µs/cm iletkenlik değerleri; XLE membranı ise 10 bar basınç altında 20 mg/l KOİ ve 110 µs/cm iletkenlik değerleri sunmuştur. NF90 ve XLE membranları ön arıtım sonrasında kasar yıkama atıksularının geri kullanılması amacı ile uygulanabilir. Her ne kadar XLE membranı 10 bar basınç altında NF90 membranından daha fazla akı sunmakta ise de membran seçimini tamamlamak amacı ile her iki membranın pilot ölçekli uzun süreli performanslarının araştırılması gerekmektedir. Kaynaklar 1. Ranganathan, K., Karunagaran, K. and Sharma, D.C., "Recycling of wastewaters of textile dyeing industries using advanced treatment technology and cost analysis-case studies", Resources Conservation and Recycling 50, 2007, page Rosia, O.l., Casarcia, M., Mattiolib, D. and Floriob, L.D., "Best available technique for water reuse in textile SMEs (BATTLE LIFE Project)", Desalination 206, 2007, page

52 38

53 Sürekli Aktif Çamur ve Jet-Loop Sistemlerinde Mikrofiltrasyon Membranların Kirlenme Özelliklerinin İncelenmesi Derya Y.Köseoğlu İmer 1, Seçil Bayar 1, Nadir Dizge 1, Ahmet Karagündüz 1, Bülent Keskinler 1 1 Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Çevre Mühendisliği Bölümü akaragunduz@gyte.edu.tr, Tel: , Fax: Bir katı-sıvı ayırma tekniği olan membran prosesler, özellikle son yıllarda gittikçe artan bir öneme ve ilgiye sahip olmuştur. Bu ilginin nedenleri arasında membran proseslerin yüksek verimde arıtılmış su kalitesi, küçük alan ihtiyacı gereksinimleri, kolay işletilebilirlik, düşük çamur üretimi ve enerji sarfiyatı, kolay kurulum ve patojen giderimi gibi önemli avantajlar sayılabilir. Bu avantajlarının yanı sıra membranların tıkanmasına bağlı olarak gerçekleşen süzüntü akısının azalması membran proseslerin en büyük dezavantajları arasındadır. Özellikle biyolojik arıtım proseslerinde membran filtrasyonunun kullanımını kısıtlayan en önemli faktör, çözünmüş ve bağlı hücre dışı biyomateryallerdir (SMP ve EPS). Biyomateryallere ilave olarak aktif çamurun flok boyutu, MLSS konsantrasyonu, çamur hidrofobisitesi ve yüzey yükü kirlenme mekanizmasını etkileyen dinamik parametreler arasında sayılabilir. Bu çalışmada 10 ve 3 günlük çamur yaşına ayarlanmış sürekli modda işletilen aktif çamur ve jet-loop membran biyoreaktör sistemlerinde denge durumuna ulaşıldığında oluşan karışım sıvısının membran tipine bağlı olarak biyolojik kirlenmesinin hem klasik filtrasyon (dead-end) hem de çapraz akışlı (cross-flow) mikrofiltrasyon ünitelerinde filtre edilebilirlik özelliklerinin incelenmesi amaçlanmıştır. Deneylerde laboratuar ölçekli 100 L ve 30 L hacimlere sahip klasik aktif çamur (KAÆ) ve jet-loop membran biyoreaktör (JLMBR) sistemlerinin denge durumundaki çamuru kullanılmıştır. Her iki sisteme ait filtrasyon deneylerinin yapıldığı andaki sistem parametreleri belirlenmiştir. KAÆ ve JLMBR sistemlerinin çamur yaşı sırasıyla 10 ve 3 güne ayarlanmış ve sentetik atıksu ile beslenmiştir. Membran deneyleri için 0.5 L hacminde cm 2 lik membran alanına sahip klasik filtrasyon ve 8 L hacminde 28 cm 2 lik membran alanına sahip çapraz akışlı filtrasyon sistemleri kullanılmıştır. Klasik filtrasyon için çalışma basıncı azot gazı ile 1.2 bar a, çapraz akışlı filtrasyon için de 1 bar a ayarlanmıştır. Deneylerde 0.45 ve 0.22 µm por boyutuna sahip selüloz asetat (SA) membran kullanılmıştır. Membran kirlenmesi seri direnç modeli temel alınarak incelenmiştir. Bu amaçla filtrasyon çalışmalarında kullanılan seri direnç ifadeleri Şekil 1 de verilmiştir. Deneysel olarak ilk önce membranların Rm lerin bulunması için destile suyun filtrasyonu gerçekleştirilmiş, daha sonra aktif çamurun filtrasyonundan Rt, membran yüzeyinin fiziksel temizlenmesinden sonra destile suyun filtrasyonundan Rp ve hesap yoluyla da Rc bulunmuştur. Hesaplamalarda denge durumundaki akı değerlerinin ortalamaları kullanılmıştır. Membran yüzeyindeki biyofilmde ve süzüntüde biyolojik analizler yapılmıştır. SMP ve EPS içerikleri formaldehit ekstraksiyon yöntemi ile tespit edilmiştir [1], göreceli hidrofobisite MATH (microbial adhesion to hydrocarbons) yöntemi ile [2], viskozite ise Brooksfield cihazı ile ölçülmüştür. SMP ve EPS nin protein içeriği Bradford [3], karbonhidrat içeriği Dubois [4] yöntemleri ile analizlenmiştir. 39

54 R t P J T AS R t : Toplam filtrasyon direnci (m -1 ) P T : TMP, Basınç (Pa) η: Süzüntünün viskozitesi (Pa.s) J AS : Aktif çamurun denge durumundaki akı değeri (m 3 /m 2 sn) R t R m R c R R m : Membran direnci (m -1 ) R c : Kek tabakasının yarattığı direnç (m -1 ) R p : Por tıkanmasının sebep olduğu direnç (m -1 ) R R m PT J w PT R ' J p p m w J w : Destile suyun denge durumundaki akı değeri (m 3 /m 2 sn) J' w : Kek tabakasının musluk suyu ile yıkanmasından sonra destile suyun filtrasyonundan elde edilen denge akısı. R c R t R m R Şekil 1. Seri direnç modelinde kullanılan eşitlikler p Klasik Filtrasyon (Kf) Sistemi KF deneylerinde hem KAÆ hem de JLMBR sistemlerinde membranların kirlenme mekanizmalarının açıklanmasına çalışılmıştır. Hem ÆAF deneyleri hem de KF deneyleri çamurun karakterizasyonunun değişmemesi için aynı günde yapılmıştır. JLMBR ün KF deneyleri sonucunda iki membran içinde (SA 0.45 ve 0.22 µm) akı değerleri birbirlerine çok yakın çıkmış süzüntüdeki sonuçlardan ÆAF sisteminden farklı olarak çok az da olsa süzüntüde SMPp değerleri ölçülmüştür. KOİ değerleri ÆAF sistemine göre çok daha yüksektir. SA 0.45 membranı için süzüntüde SMPc değerleri ÆAF ve KF sistemlerinde hemen hemen aynı çıkmıştır. Fakat SA 0.22 membranı için KF sisteminde SMPc değerleri daha düşük çıkmıştır. Süzüntüdeki bütün parametreler iki membranda da zamanla azalma göstermiştir. KF sisteminde kirlenme mekanizması için iki sistemde hesaplanmış olan direnç değerleri Tablo 2 de gösterilmiştir. 40

55 Tablo 1. Membran Kirlenme Deneylerinin sonuçları Membran tipi Rm (%) Rt (%) Rp (%) Rc (%) JLMBR SA x10 10 (%0.05) 6.82x x10 12 (%4.82) 6.49 x10 13 (%95.13) SA x10 10 (%0.08) 7.47 x x10 12 (%3.41) 7.21 x10 13 (%96.51) KAÇ SA 0.453,57x10 10 (%0.12) 2,98x ,07x10 12 (%3.59) 2,87 x10 13 (%96.31) SA 0.225,88x10 10 (%0.19) 3,07 x ,67 x10 12 (%0.12) 3,06 x10 13 (%99.67) Hesaplamış olan direnç değerlerinden membran direncinin toplam dirence katkısı iki membran içinde ihmal edilebilir seviyelerdedir. JLMBR deki direnç değerleri KAÆ sisteminden daha yüksek çıkmıştır. Bu, JLMBR de oluşan çamurun partikül boyutunun küçük ve disperse olmasından kaynaklanır. JLMBR için çıkan direnç sonuçlarından iki membran içinde gözenek kirlenmesi olduğu fakat SA 0.45 te biraz daha fazla olduğu söylenebilir. Bu, membranların gözenek boyutlarının büyüdükçe küçük partiküllerin membranın iç duvarlarında adsorbe olması nedeniyle por kirlenmesinin daha yüksek çıkması beklenen bir durumdur. Daha küçük gözenek boyutuna sahip membranlarda da kek kirlenmesi daha fazla olacaktır. JLMBR nin süzüntü analizleri ile bu mekanizma karşılaştırıldığında, gözenek kirlenmesinin daha fazla gözlendiği membranda süzüntüde kirletici parametrelerinin daha düşük çıkması beklenir. JLMBR süzüntülerinde SMPc, SMPp ve KOİ değerleri SA 0.45 te SA 0.22 ye göre daha düşük çıkmıştır. Dirençlere bakıldığında, SA 0.45 por direnci SA 0.22 ye göre daha yüksek çıkmıştır. Yani sonuç olarak SA 0.45 te kirletici parametreler gözeneklerin tıkanmasına sebep olmuştur. Aktif Æamur sisteminin KF deneylerinin sonuçlarına bakıldığında ilk akı değerlerinin iki membran içinde ÆAF sistemine göre çok daha yüksek çıkmıştır. KF sistemi için deneyin ilerleyen dakikalarında iki membranın akı değerleri birbirlerine çok yakın çıkmıştır. Süzüntü analizlerine bakıldığında KOİ değerleri SMPc değerlerinden daha yüksek çıkmıştır. SA 0.45 membranına bakıldığında KOİ ve SMPc değerlerinin değişimi birbirleriyle orantılı olmuştur. Aktif Æamur sisteminin direnç değerlerine bakıldığında da SA045 te Rp nin Rt içerisindeki oranının SA02 den daha yüksek olduğu bulunmuştur. Çapraz Akış Filtrasyon (Çaf) Sistemi JLMBR ve Sürekli Aktif Æamur sistemlerinin havalandırma tanklarından çekilmiş olan 8 L çamur, toplam membran alanı 28 cm 2 olan ÆAF tankına alınmıştır. Deneylerde 1 bar basınç uygulanmıştır. JLMBR de SA 0.45 membranın ilk akı değeri SA 0.22 membranından daha yüksek çıkmıştır. Filtrasyonun 2. dakikasında akı değerleri eşitlenmiş, akı değerlerinin dengelendiği aşamada SA 0.45 in akı değeri SA 0.22 nin akı değerinden daha düşük olmuştur. Filtrasyonun son 20 dakikasındaki ortalama akılar SA 0.45 te 76.5 L/m 2 sa, SA 0.22 de 90 L/m 2 sa değerlerine ulaşmıştır. Deneyin süzüntü analizlerinden SA 0.45 in KOİ değerleri SA 0.22 den yüksek, SMPc değerleri daha düşük çıkmıştır. SA 0.45 in por boyutu daha büyük olduğu için membrandan geçen bakteri hücreleri yüksek KOİ ye sebep olmuştur, SMPc nin düşük olmasının sebebi de SMPc nin SA 0.45 in iç porlarında tutunmuş olmasındandır. Süzüntüde SMPp parametresi ölçülememiştir. Bunun nedeni JLMBR çamur süspansiyonunun SMPp değerlerinin çok düşük olmasıdır. SA 0.22 nin 41

56 KOİ ve SMPc değerlerinin değişimleri birbirleriyle orantılı olmuştur. SA 0.45 te bu korelasyon gözlenmemiştir. Aktif çamur sistemi için SA 0.45 membranın ilk akı değeri SA 0.22 membranından daha düşük çıkmış, filtrasyonun hiçbir aşamasında eşit akılara ulaşılmamıştır. Denge halindeki akı değerleri de birbirinden farklı çıkmıştır. Filtrasyonun son 10 dakikasındaki ortalama akılar SA 0.45 te 80 L/m 2 sa, SA 0.22 de 110 L/m 2 sa değerlerine ulaşmıştır. Süzüntü sonuçlarına bakıldığında iki membran için KOİ değerleri aynı, SMPc değerleri SA 0.22 de daha yüksek çıkmıştır. ÆAF sistemindeki filtrasyon deneylerinde JLMBR ile KAÆ ın akı değerleri birbirinden çok farklı çıkmamıştır. Akı-zaman grafiklerinden JLMBR nin akı değerlerinin çok hızlı bir şekilde, aktif çamurun ise daha yavaş bir şekilde azaldığı görülebilir. JLMBR deki yüksek hızların ve türbülansın bakteri hücrelerini parçalayıp çamur süspansiyonunda daha küçük partiküllere sebep olması ve bu partiküllerinde filtrasyonun başında membranların porlarına hızlıca adsorbe olup akı değerlerini düşürdüğü düşünülebilir. Aktif çamur sistemindeki işletme şartları daha normal olduğu için tıkanma mekanizmasının daha yavaş ilerlediği sonucuna varılabilir. İki sistem birbirinden özellikle bu aşamada farklılık göstermektedir. Kaynaklar 1.Li, T., Baic, R., Liua, J., Distribution and composition of extracellular polymeric substances in membraneaerated biofilm, Journal of Biotechnology, 35,52 57, Sanin, S., Sanin, D.F., Bryers, J.D., Effect of starvation on the adhesive properties of xenobiotic degrading bacteria, Process Biochemistry, 38, , Bradford, M.M., A rapid and sensitive method for the quantification of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical. Biochemistry. 72, , Duboıs, M., Gılles, K.A., Hamılton, J.K., Rebers, P.A., Smıth, F., Colorimetric Method for Determination of Sugars and Related Substances, Analytical Chemistry, 28-3,

57 Membran Biyoreaktör (Mbr) Proseslerinde Yeni Tıkanma Kontrolü Stratejileri Hasan Köseoğlu, B. İlker Harman, Nevzat Özgü Yiğit, Mehmet Kitis * Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Isparta * mkitis@mmf.sdu.edu.tr Membran biyoreaktör (MBR) prosesleri, son çökeltim aşaması yerine düşük basınçlı membran filtrasyonunun entegre edildiği bir biyolojik arıtma konseptidir. Ülkemizin kişi başına düşen yıllık kullanılabilir su miktarının yaklaşık m 3 olduğu ve 2023 yılı için bu değerin m 3 e düşmesinin beklendiği göz önüne alındığında, atıksu arıtma işlemlerinin mutlaka su geri kazanımı ayağını da içermesi gerektiği anlaşılmaktadır. MBR prosesleri sağladığı yüksek kalitede çıkış suyu ile bu sorunların çözümü noktasında alternatif bir çıkış yolu sağlayabilmekte ve mevcut su bütçesinin etkin kullanımına imkan vermektedir. MBR ve diğer birçok membran prosesinin fizibilitesini olumlu yönde etkileyen en önemli noktalar; sektördeki rekabet ve elde edilen ürünün (yüksek kalitede çıkış suyu) geçmişe oranla günümüzde çok daha kıymetli olmasıdır. Ancak membranlardaki tıkanma fenomeni tüm bu avantajları bazı uygulamalarda kısmen gölgeleyebilmektedir. Tıkanma mevcut MBR proseslerinin halen yaşadığı en önemli sorun olarak kabul edilmektedir. Tıkanmanın MBR proseslerinin yaygınlaşmasının önüne koyduğu en önemli bariyerler; düşük akı ile çalışma, yoğun fiziksel ve kimyasal temizleme prosedürleri ve düşük membran ömrü olarak özetlenebilir. Sıralanan bu olumsuzluklar ilk yatırım, işletme ve membran değişim maliyetlerine doğrudan etkimektedir. Tüm bu nedenlerle son yıllarda MBR tıkanması ile ilgili yapılan çalışma sayısında önemli artış gözlenmektedir. Tıkanma ile ilgili yapılan çalışmaları genel olarak tıkanma tanımlanması ve tıkanma kontrolü çalışmaları olarak ikiye ayırmak mümkündür. Bu bildiride son dönemde öne çıkan tıkanma kontrolü çalışmalarının özetlenmesi ve son eğilimlerin hangi yönde olduğunun tanımlanmasına çalışılmıştır. Son yıllarda öne çıkan tıkanma kontrolü stratejilerinden biri kimyasal eklentiler ile biyokütle/mlss modifikasyonudur. Kimyasal eklentiler ile yapılan çalışmalarda iki ana mekanizma üzerinden tıkanma kontrolü gerçekleşir. Bunlardan ilki genellikle metal tuzları ve polimerlerin kullanıldığı flokülasyon mekanizması, diğeri ise genellikle toz aktif karbonun kullanıldığı adsorpsiyon mekanizmasıdır. Bu çalışmalarda öne çıkan hedef çözünmüş mikrobiyal ürünler (SMP) gibi tıkanmaya neden olan organik maddelerin floklar içinde tutulması veya adsorban bir madde üzerine adsorplanarak sucul ortamdan uzaklaştırılması yolu ile membran porları içerisinde neden olacakları tıkanmayı azaltmaktır (Yoon vd., 2005; Ji vd., 2008; Koseoglu vd., 2008; Arabi ve Nakhla, 2009; Malamis vd., 2009; Ngo ve Guo, 2009; Remy vd., 2009). Farklı hava kabarcığı ve nozül seçeneklerinin yanında döngüsel havalandırma, gözenekli fiber membran konfigürasyonlarında artırılmış fiber hareketliliği ve etkin hava sıyırma mekanizmaları ile hidrodinamik koşulların geliştirilmesine dayalı tıkanma kontrolü stratejileri de son yıllarda MBR tıkanmasının azaltılmasında kullanılmaktadır (Wicaksana vd., 2006; Lu vd., 2008; Nywening ve Zhou, 2009). Bunların yanında farklı filtrasyon 43

58 modları ve temizlik seçeneklerini içeren MBR işletme koşullarının optimizasyonu da ilgi çeken çalışmalar arasındadır (Metzger vd., 2007; Zhang vd., 2007; Wu vd., 2008a). Membran üzerinde oluşan kek tabakasının tıkanma üzerinde etkisi olduğu konusunda literatürde bir görüş birliği bulunmaktadır. Ancak bu etkinin öneminin hangi boyutta olduğu halen bir tartışma konusudur. Kek tabakasının farklı işletim koşulları altındaki özelliklerinin hem düz tabakalı hem de gözenekli fiber membranlar için belirlenmesi de bu bağlamda tıkanma çalışmalarına önemli katkılar sağlamaktadır (Wang vd., 2007; Aryal vd., 2009; Bjorkoy ve Fiksdal, 2009; Marselina vd., 2009). Membran-çözünen ilişkisi filtrasyon prosesinin dinamiklerini etkileyen ana parametrelerden biridir. Bu ilişkiye bağlı olarak membran yüzeyinde gerçekleşen sorpsiyon ve/veya birikim mekanizmalarının optimizasyonu için gerçekleştirilen membran yüzey modifikasyonları da önem kazanmıştır. Bu çalışmalar; membran yüzeyinin plazma (Yu vd., 2005) ve aşılama (Yu vd., 2008) gibi metotlar ile modifikasyonu ve membran yapısına Al 2 O 3, SiO 2, TiO 2 gibi inorganik maddelerin veya hidrofilik özellikteki polimerlerin eklenmesi olarak özetlenebilir (Damodar vd., 2009; Maximous vd., 2009). Membran yüzeyindeki bakteriyel adsorpsiyonun tıkanma üzerindeki önemini belirten çalışmalar da literatürde yer almaya başlamıştır. Bakteriyel adsorpsiyonun özellikle tıkanmanın ilk aşamalarında etkin rol oynadığı açıklanmıştır (Feng vd., 2009). Hücre dışı polimerik maddelerin (EPS) ve SMP nin tıkanma üzerindeki etkileri artık bilinir hale gelmiştir. Son zamanlarda bu maddelerin biyo-tıkayıcı özelliklerini belirleyen bileşenlerinin tanımlanması çalışmaları yapılmaktadır (Okamura vd., 2009). Bu tip araştırmalar tıkanma çalışmalarının geniş yelpazede açılım göstermeye devam ettiğini ve giderek spesifik konuların öne çıktığını vurgulamaktadır. Yoğun araştırma geliştirme çalışmaları sonucu ortaya çıkarılan yeni membran konfigürasyonlarının test edilmesi de tıkanma çalışmalarının bir başka boyutu olarak öne çıkmaktadır. Bunlardan; çift katlı düz tabakalı modül (Grelot vd., 2009), boşluk kanalı (spacer) ile donatılmış gözenekli fiber modül (Ibney Hai vd., 2008), membran modülünün tank içinde farklı konumlandırılması (Kim vd., 2008), reaktör içine askıda medya eklenerek tıkanmanın azaltılması (Ngo vd., 2008) ve hareketli döner düz tabakalı membranlardan oluşan MBR konfigürasyonları (Wu vd., 2008b) oldukça ilgi çekici çalışmalar olarak literatürde yerlerini almışlardır. Tıkanma çalışmalarının son yıllarda önem kazanmaya başlayan bir diğer başlığı ise, tıkanma potansiyelini tesis içinde eşzamanlı takip etmeyi sağlayacak tıkanma sensörleridir (Huyskens vd., 2008). Bu sensörler sayesinde proaktif fiziksel ve kimyasal temizlik stratejileri oluşturulabilecek ve gerektiğinde tıkanma belli bir aşamada iken gerekli hidrodinamik önlemler alınabilecektir. MBR tıkanmasının kontrolü için hem akademik hem de ticari kuruluşların çok yoğun çalışma içinde oldukları vurgulanmalıdır. İlk batık MBR prosesinin ortaya çıkışının (Yamamoto vd., 1989) üzerinden 20 yıl geçmesine ve proses verimliliğinde çok önemli virajlar dönülmesine rağmen tıkanma kontrolü konusunda çığır açıcı olarak tanımlanabilecek ekipmanlar/protokoller henüz uygulamaya konamamıştır. Standart tıkanma testlerinin oluşturulamaması, membran ve modül konfigürasyonu farklılıkları, besleme suyu özelliklerinin hayli değişken olması, pilot ölçekli çalışmaların masraf-emekzaman üçgeninde çok zorlayıcı olması bu durumun başlıca sebepleri olarak sıralanabilir. Öte yandan, tıkanma kontrolü çalışmalarında pilot ölçek testlerin yararı çoktur. Dolayısıyla, tıkanma çalışmalarında her zaman tartışma konusu olan laboratuar ölçekli çalışmaların pilot ölçekli çalışmalar ile doğrudan karşılaştırmaları da yapılmaya başlanmıştır (Iversen vd., 2009; Kraume vd., 2009). Teşekkür Bu çalışma 1629-D-08 no lu proje kapsamında Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) Birimi tarafından desteklenmiştir. 44

59 Kaynaklar Arabi, S., Nakhla, G., Impact of magnesium on membrane fouling in membranje bioreactors, Sep. Purif. Technol., 67, Aryal, R., Lebegue, J., Vigneswaran, S., Kandasamy, J., Grasmick, A., Identification and characterisation of biofilm formed on membrane bio-reactor, Sep. Purif. Technol., 67, Bjorkoy, A., Fiksdal, L., Characterization of biofouling on hollow fiber membranes using confocal laser scanning microcscopy and image analysis, Desalination, 245, Damodar, R. A., You, S.-J., Chou, H.-H., Study the Self Cleaning, Antibacterial and Photocatalytic properties of TiO2 entrapped PVDF membranes, J. Hazard. Mater., in press. Feng, L., Li, X., Du, G., Chen, J., Adsorption and fouling characterization of Klebsiella oxytoca to microfiltration membranes, Process Biochem., in press. Grelot, A., Tazi-Pain, A., Weinrich, L., Lesjean, B., Grasmick, A., Evaluation of a novel flat sheet MBR filtration system, Desalination, 236, Huyskens, C., Brauns, E., Van Hoof, E., DeWever, H., A new method for the evaluation of the reversible and irreversible fouling propensity of MBR mixed liquor, J. Membrane Sci., 323, Ibney Hai, F., Yamamoto, K., Fukushi, K., Nakajima, F., Fouling resistant compact hollow-fiber module with spacer for submerged membrane bioreactor treating high strength industrial wastewater, J. Membrane Sci., 317, Iversen, V., Mehrez, R., Horng, R.Y., Chen, C.H., Meng, F., Drews, A., Lesjean, B., Ernst, M., Jekel, M., Kraume, M., Fouling mitigation through flocculants and adsorbents addition in membrane bioreactors: comparing lab and pilot studies, J. Membrane Sci., in press. Ji, J., Qiu, J., Wong, F.-S., Li, Y., Enhancement of filterability in MBR achieved by improvement of supernatant and floc characteristics via filter aids addition, Water Res., 42, Kim, J.-Y., Chang, I.-S., Shin, D.-H., Park, H.-H., Membrane fouling control through the change of the depth of a membrane module in a submerged membrane bioreactor for advanced wastewater treatment, Desalination, 231, Koseoglu, H., Yigit, N.O., Iversen, V., Drews, A., Kitis, M., Lesjean, B., Kraume, M., Effects of several different flux enhancing chemicals on filterability and fouling reduction of membrane bioreactor (MBR) mixed liquors, J. Membrane Sci., 320, Kraume, M., Wedi, D., Schaller, J., Iversen, V., Drews, A., Fouling in MBR: What use are lab investigations for full scale operation?, Desalination, 236, Lu, Y., Ding, Z., Liu, L., Wang, Z., Ma, R., The influence of bubble characteristics on the performance of submerged hollow fiber membrane module used in microfiltration, Sep. Purif. Technol., 61, Malamis, S., Katsou, E., Chazilias, D., Loizidou, M., Investigation of Cr(III) removal from wastewater with the use of MBR combined with low-cost additives, J. Membrane Sci., 333, Marselina, Y., Le-Clech, P., Stuetz, R., Chen, V., Characterisation of membrane fouling deposition and removal by direct observation technique, J. Membrane Sci., 341, Maximous, N., Nakhla, G., Wan, W., Wong, K., Preparation, characterization and performance of Al 2 O 3 /PES membrane for wastewater filtration, J. Membrane Sci., 341, Metzger, U., Le-Clech, P., Stuetz, R.M., Frimmel, F.H., Chen, V., Characterisation of polymeric fouling in membrane bioreactors and the effect of different filtration modes, J. Membrane Sci., 301, Ngo, H.-H., Guo, W., Xing, W., Evaluation of a novel sponge-submerged membrane bioreactor (SSMBR) for sustainable water reclamation, Bioresource Technol., 99, Ngo, H.-H., Guo, W., Membrane fouling control and enhanced phosphorus removal in an aerated submerged membrane bioreactor using modified green bioflocculant, Bioresource Technol., 100, Nywening, J.P., Zhou, H., Influence of filtration conditions on membrane fouling and scouring aeration effectiveness in submerged membrane bioreactors to treat municipal wastewater, Water Res., 43, Okamura, D., Mori, Y., Hashimoto, T., Hori, K., Identification of biofoulant of membrane bioreactors in soluble microbial products, Water Res., in press. Remy, M., Van der Marel, P., Zwijnenburg, A., Rulkens, W., Temmink, H., Low dose powdered activated carbon addition at high sludge retention times to reduce fouling in membrane bioreactors, Water Res., 43, Wang, X.-M., Li, X.-Y., Huang, X., Membrane fouling in a submerged membrane bioreactor (SMBR): Characterisation of the sludge cake and its high filtration resistance, Sep. Purif. Technol., 52, Wicaksana, F., Fane, A.G., Chen, V., Fibre movement induced by bubbling using submerged hollow fibre membranes, J. Membrane Sci., 271,

60 Wu, J., Le-Clech, P., Stuetz, R.M., Fane, A.G., Chen, V., 2008a. Effects of relaxation and backwashing conditions on fouling in membrane bioreactor, J. Membrane Sci., 324, Wu, G., Cui, L., Xu, Y., 2008b. A novel submerged rotating membrane bioreactor and reversible membrane fouling control, Desalination, 228, Yamamoto, K., Hiasa, M., Mahmood, T., Matsuo, T., Direct solid-liquid separation using hollow fiber membrane in an activated sludge aeration tank, Wat. Sci. Tech., 21, Yoon, S.-H., Collins, J.H., Musale, D., Sundararajan, S., Tsai, S.-P., Hallsby, G. A., Kong, J. F., Koppes, J., Cachia, P., Effects of flux enhancing polymer on the characteristics of sludge in membrane bioreactor process, Wat. Sci., Technol., 51, Yu, H.-Y., Liu, L.-Q., Tang, Z.-Q., Yan, M.-G., Gu, J.-S., Wei, X.-W., Mitigated membrane fouling in an SMBR by surface modification, J. Membrane Sci., 310, Yu, H.-Y., Xie, Y.-J., Hu, M.-X., Wang, J.-L., Wang, S.-Y., Xu, Z.-K., Surface modification of polypropylene microporous membrane to improve its antifouling property in MBR: CO2 plasma treatment, J. Membrane Sci., 254, Zhang, J., Padmasiri, S.I., Fitch, M., Norddahl, B., Raskin, L., Morgenroth, E., Influence of cleaning frequency and membrane history on fouling in an anaerobic membrane bioreactor, Desalination, 207,

61 Hücre Dışı Polimerik Maddelerin Mikrofiltrasyon Membranlarının Kirlenme Özelliklerine Etkisi N. Kayaalp*, C. Kınacı ve I. Koyuncu Ġstanbul Teknik Üniversitesi ĠnĢaat Fak. Çevre Mühendisliği Bölümü Maslak Ġstanbul Membran biyoreaktörlerde kullanılan membranların kirlenme nedenleri ile ilgili yapılan literatür araştırması sonucunda, aktif çamur bileşenlerinin her birinin membran kirlenmesindeki rolünün araştırma/araştırmacıya bağlı olarak değişiklik gösterdiği belirlenmiştir. Bunlardan bazıları çözünmüş ve kolloidal kısmın etkisinin daha büyük olduğunu, bazıları ise partiküler kısmın etkisinin daha fazla olduğunu deneyler neticesinde beyan etmişlerdir. Bu durum hem deney ve atıksu özelliklerinden hem de işletme koşullarının farklılığından kaynaklanmaktadır. Bununla birlikte son on yıldır membran biyoreaktörlerdeki membran kirleticileri arasında hücre dışı polimerik maddelere (EPS/SMP) oldukça önem verilmekte ve çalışmalar bu yönde yoğunlaştırılmaktadır. Hücre dışı polimerik maddeler (EPS) biyofilmler, floklar ve aktif çamur süspansiyonu gibi mikrobiyal toplulukların yapı maddeleridir. EPS terimi polisakkarit, protein, nükleik asit, (fosfor-)lipidler ve hücrenin dış yüzeyinde ile mikrobiyal toplulukların hücre arası boşluklarında bulunan diğer polimerik bileşiklerinden oluşan değişik makromolekül sınıflarının adlandırmada kullanılan genel ve kapsamlı bir kavramdır. Æözünmüş mikrobiyal maddeler (SMP) hücre ölümü nedeniyle salıverilen, hücre membranından yayılan, sentez sırasında kullanılan veya çeşitli amaçlarla ortama salınan çözünmüş hücre bileşenleridir. MBR sistemlerinde giriş substratından da kaynaklanabilirler. Bu çalışmada 0.2 μm lik PVDF ve 0.05 μm lik PES mikrofiltrasyon membranlarının kirlenme özellikleri incelenmiştir. Bu membranlardan PVDF hidrofobik, PES ise hidrofilik bir özelliğe sahiptir. Membranlarda aynı TMP altında akı değişimi zamana bağlı olarak takip edilmiş ve akı değişimi analiz edilerek ne tür bir kirlenme meydana geldiği saptanmıştır. Bunun yanısıra membranların SMP tutma kapasiteleri ve hangi membranda ne kadar SMP (protein ve karbonhidrat cinsinden) biriktiği belirlenmiştir. Æözünmüş mikrobiyal maddeler, toplam protein ve karbonhidrat cinsinden ölçülmüştür. Membran biyoreaktördeki SMP ölçümü için, reaktörden alınan 50 ml MLSS örneği önce 5000 g de 5 dak. santrifüj edilerek elde edilen üst faz 1.2 µm den süzülmüştür (Le-Clech vd., 2006). Bu süzüntüde SMP yi oluşturan protein ve karbonhirat miktarları ölçülmüştür. Test membranlarından süzülen atıksuda direkt olarak SMP ölçülmüştür. Protein ve karbonhidrat ölçümünde her örnekten 5 tekrar ölçümü yapılmıştır. Protein ölçümünde Lowry (1951) metodu esas alınmıştır. Ancak humik maddelerden kaynaklanan girişim için Frolund vd. (1995) tarafından önerilen şekilde düzeltme yapılmıştır. Karbonhidrat ölçümünde Dreywood (1946) metodu kullanılmıştır. Her iki membran, biyoreaktörde 2.5 saat boyunca 0.1 bar transmembran basıncı altında filtrasyona tabi tutulmuştur. PDVF membranının ilk akısı daha yüksek olmasına rağmen filtrasyon süresi boyunca akısında %81 düşüş meydana gelirken, gözenek boyutu daha küçük olan PES membranında sadece %33 akı azalması meydana gelmiştir. Gözenek çapının daha büyük olmasına rağmen PVDF membranındaki bu hızlı akı azalmasının 47

62 nedeni hidrofobik olmasından kaynaklanmaktadır. Membranların zamana bağlı akı değişiminin analiz edilmesi sonucunda PES membranının tıkanma mekanizmasının, standart gözenek tıkanması ile kek oluşumu arasında kalan, geçiş hali tıkanması olduğu görülmüştür. PVDF membranının, tıkanma mekanizmasının ise standart gözenek tıkanması mekanizmasına daha uygun olduğu görülmüştür. Kaynaklar Le-Clech Pierre, Chen V., Fane Tony A.G. (2006) Fouling in membrane bioreactors used in wastewater treatment, Journal of Membrane Science,Review, Dreywood R. (1946) Qualitative test for carbohydrate material, Ind. Eng. Chem. Anal. Ed., 18 (8), Frolund B., Griebe T., Nielsen P.H. (1995) Enzymatic activity in the activated-sludge floc matrix, Appl. Microbiol. Biotechnology, 43, Lowry O.H., Rosebourgh N.J., Farr A.R., Randall R.J. (1951) Protein measurement with the folin phenol reagent, J. Biol. Chem. 193,

63 Membran Biyoreaktör (MBR) Prosesleri- Genel Değerlendirme Mehmet Kitis *, Nevzat Özgü Yiğit, Hasan Köseoğlu, B. İlker Harman, Gökhan Civelekoğlu, Emine Sayılgan, Ş. Şule Bekaroğlu, Evrim Çelik Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Isparta * Membran biyoreaktör (MBR) teknolojisi 1990 lı yılların başında yeni bir arıtma prosesi olarak kabul edilmekteydi. Son 15 yıl içerisinde polimer teknolojilerindeki baş döndürücü gelişmeler ve etkin rekabet neticesinde, MBR teknolojisi gelişimi bağlamında artık doygunluğa ulaşma noktasındadır. Bu hızla gelişme ve MBR uygulamalarındaki hem logaritmik artış hem de uygulama yelpazesinin iyice genişlemesiyle artık MBR prosesleri yeni bir teknoloji değil, konvansiyonel teknoloji sınıfına girmeye başlamıştır yıl öncesinde global olarak onlarla ifade edilebilen MBR tesisi sayıları 2009 yılı itibariyle on binlere yaklaşmaktadır. Uygulama sayısındaki artışın yanı sıra MBR prosesleri artık >300,000 m 3 /gün gibi yüksek debili tesislerde de kullanılmaktadır. Bu trend, küçük debili evsel atıksu arıtma uygulamalarına ilaveten, MBR prosesinin büyük arıtma tesisleri için de konvansiyonel sistemlerle maliyet açılarından rekabet edebilir hale geldiğinin bir ispatıdır. MBR ve konvansiyonel biyolojik arıtma proseslerini özellikle maliyetler bağlamında karşılaştırırken çıkış suları kalitelerindeki büyük fark unutulmamalıdır. Ayrıca, MBR ve konvansiyonel teknoloji birim maliyet karşılaştırmaları genelleştirilmemeli, mutlaka spesifik proje/uygulama bazında karşılaştırma yapılmalıdır. Bunun temel nedeni MBR teknolojisinin konvansiyonel biyolojik arıtmaya göre bir çok farklı avantajının bulunmasıdır. Örneğin, tipik evsel ve birçok farklı endüstriyel atıksuların arıtımında, MBR prosesleri konvansiyonel proseslere göre %40-70 arası daha az arazi gereksinimi ortaya koymaktadır. Tesisin kurulacağı arazinin çok değerli olduğu bir projede, MBR prosesi daha ilk baştan avantajlı konuma geçebilmektedir. MBR teknolojisinin maliyet açısından en avantajlı konumda olabileceği durum, mevcut konvansiyonel aktif çamur tesislerinin hidrolik kapasiteyi artırmak ve/veya çıkış suyu kalitesini iyileştirmek için MBR teknolojisine dönüştürülmesidir. Bu tür tesis dönüşümlerinde çoğu zaman ilave inşaat yapılmamakta, mevcut havuzlar kullanılarak hidrolik kapasite % arası artırılabilmektedir. Atıksu arıtımında MBR proseslerinin konvansiyonel sistemlere göre bazı avantajları şu şekilde özetlenebilir. MBR lardaki yüksek askıda katı madde (MLSS) konsantrasyonundan dolayı gerekli hidrolik bekleme süresi azdır; bu da küçük reaktör hacmi ve ilk yatırım maliyetinde azalma anlamına gelir. Biyokütle ayrımı mikrofiltrasyon (MF) veya ultrafiltrasyon (UF) ile gerçekleştiği için aktif çamurun çökelebilme özelliğinden bağımsızdır; diğer bir deyimle son çökeltim tankına ihtiyaç olmayıp, çamur şişmesi, filamentli büyümeden kaynaklanan çökeltim problemleri söz konusu olamaz. Yüksek MLSS konsantrasyonlarından dolayı sisteme fazla organik yükleme yapılabilir. MBR larda nitrifikasyonun olumsuz etkilenmesi veya toksik organiklerin engelleyici etkileri bağlamındaki işletme problemleriyle daha az karşılaşılır. Æünkü MBR larda konvansiyonel aktif çamura göre daha fazla çamur yaşı (SRT) ile çalışılabilir. Yüksek SRT değerleri, oluşan biyokütle miktarını dolayısıyla da atık çamur miktarını azaltır. MBR lar mükemmel bir fiziksel dezenfeksiyon sağlar çünkü sıvı-katı ayrımı 0,01 0,1 m gibi küçük gözenek 49

64 çaplarına sahip membran filtrasyonuyla yapılmaktadır. MBR proseslerinde yaklaşık >6 log (logaritmik giderim) protozoa, 5-6 log bakteri ve 1-3 log virüs giderimi rahatlıkla sağlanır. MBR proseslerinin belki de çoğu zaman göz ardı edilen avantajlarından birisi de mikrobiyolojik hususlardır. MBR larda mikron-altı filtrasyondan dolayı biyokütle kaçışı engellenip tüm biyokütle tutulduğu için mevcut biyokütle zor şartlara mecburen adapte olma zorunluluğunda kalmaktadır. Ayrıca, yüksek tuz konsantrasyonlarını tolere edebilen halofilik bakteriler, spesifik zenobiyotikleri parçalayabilen mikroorganizma türleri gibi özelleşmiş bakteriler de reaktörde sürekli tutulur. MBR lardaki özelleşmiş bakteriler ani yüksek organik yüklemeler, çeşitli stres veya toksik madde girişi durumlarında da sisteme ekstra avantaj sağlar. Diğer bir deyimle, MBR lardaki mevcut biyokütle spektrumu konvansiyonel aktif çamur proseslerine göre daha geniş olup, sistem varyasyonlarını daha tolere edicidir. Yukarıda bahsedilen avantajlar ve özellikle mikrofiltrasyon/ultrafiltrasyondan dolayı MBR larda çıkış suyu kalitesi konvansiyonel aktif çamur sistemlerinden çok daha iyidir. Yukarıda bahsedilen avantajlardan dolayı MBR prosesleri son 10 yıl içerisinde çok farklı endüstriyel atıksuların arıtımında da kullanılmaya başlanmıştır. Gıda, kimya, ilaç, tekstil, petrol ve ürünleri, metal, otomotiv, vs gibi bir çok endüstriyel sektör atıksularını arıtmak ve geri kullanmak için MBR prosesini kullanmaktadır. Æok yüksek KOİ (kimyasal oksijen ihtiyacı) konsantrasyonlarına (>30,000 mg/l) ve birçok zenobiyotik mikrokirleticilere sahip çeşitli ilaç-kozmetik endüstrileri atıksularının MBR prosesleriyle arıtımı gerçek tesis boyutlarında mevcuttur. Kısaca, salt evsel atıksu arıtımında değil, birçok endüstriyel atıksularının arıtımında da MBR uygulamaları hızla artmaktadır. Biyolojik arıtma sonrası tersiyer filtrasyon amacıyla da MF-UF membranları kullanılmaktadır. MBR proseslerine benzer olarak, basınçlı veya vakumlu MF-UF prosesleri de içme suyu arıtımında çok sık uygulanmaktadır. Sentetik organik kimyasallarla kirlenmiş yeraltı sularının arıtımında, içme sularından organik madde ve azotlu bileşiklerin gideriminde bile MBR teknolojisi kullanılmaya başlanmıştır. Mevcut hiçbir mühendislik teknolojisi mükemmel değildir. Mükemmelliğin tanımı da göreceli olup, mühendislik uygulamasına ve sonuçlarına hangi kriterleri baz alarak bakıldığına bağlıdır. MBR teknolojisinin de bazı dezavantajları proje-spesifik olarak ortaya çıkabilir. Bunlardan en önemlisi işletim sırasında problemli olabilecek tıkanma kontrol stratejileridir. Yeni ve daha hidrofilik yüzeyli membranların kullanılması, etkili geri yıkama ve kimyasal temizleme protokollerinin geliştirilmesi, kritik ve sürdürülebilir akılar bağlamında işletim sırasında akı optimizasyonun yapılması, daha etkin ön arıtmaların uygulanması, MLSS konsantrasyonlarının yeni nesil MBR uygulamalarında daha da düşürülmesi, biyoreaktör ve seperasyon tankları arasındaki geri döngü debisinin optimizasyonu, havalandırma ve kek sıyırma tekniklerinin iyileştirilmesi, tıkanma kontrolü için çeşitli kimyasalların eklenmesi, vs gibi bir çok teknik yaklaşım MBR prosesleri için araştırılmakta ve/veya uygulanmaktadır. Bu tıkanma kontrol stratejileri çoğu tesisler için çok başarılı olmaktadır. Yetersiz ön arıtım uygulayan bazı tesislerde ise tıkanma kontrolleri başarılı olamayabilmektedir. Ancak, MBR proseslerinde membranlar hemen tıkanmaktadır gibi genellemeler ve söylemler mevcut tesis verileri dikkate alındığında yanlış ve eksik değerlendirmeler olmaktadır. Tıkanma kontrol stratejilerinin başarılı olup olmadığının göstergesi için çeşitli kriterler mevcuttur: 1) tasarımda öngörülen akıların (dolayısıyla tesis çıkış debilerinin) sürdürülebilir bir şekilde yine tasarımda öngörülen transmembran basınç değerlerine göre membran ömrünün sonuna kadar sağlanması, 2) geri dönüşümlü tıkanmaların geri yıkamalarla giderilmesi, 3) geri yıkamalarla giderilemeyen geri dönüşümsüz tıkanmaların kimyasal temizliklerle giderilmesi. Æoğu arıtma proseslerinin çeşitli ekipmanlarında olduğu gibi MBR larda kullanılan membran modüllerinin de kullanım ömürleri mevcuttur. Bu ömür genellikle 5-8 yıl arası olarak öngörülmektedir. 50

65 Membran Biyolojik Arıtma Sistemlerinin Modellenmesi Ahmet Codal, Umay Gökçe Özkan Yücel, Okan Tarık Komesli, Celal Ferdi Gökçay* Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Ankara Arıtma tesislerinin modelleme çalışmaları sistem optimizasyonu ve tasarımda önemli katkı sağlamaktadır. Bu çalışma kapsamında, ODTÜ Ankara yerleşkesinde kurulu gerçek ölçekli plaka tipli vakum döner membran biyoreaktör (VRM) ünitesinde biyolojik azot arıtımı ve MLSS değişimi bir model yardımıyla incelenmiştir. Æalışmada Aktif Æamur Modeli No 1 (ASM1) AQUASIM benzeşim programına yazılarak sistem benzeşimi sağlanmaya çalışılmıştır. Program kullanılarak model parametrelerinin hassasiyetleri analiz edilmiş ve eldeki veriler kullanılarak model kalibre edilmeye çalışılmıştır. Ayrıca model farklı veri setleri kullanılarak teyit (verification) / test edilmiştir. Her ne kadar ASM1 modeli aktif çamur prosesinde biyolojik karbon ve azot arıtımı modellemesinde kullanılıyorsa da [1-3] MBR prosessi bunun bir özel hali kabul edilerek burada da kullanılmıştır. Tesis Æalışmada, ODTÜ yerleşkesinde kurulu 200 m 3 /gün kapasiteli HUBER-VRM ünitesinden elde edilen veriler sistem modellemesinde kullanılmıştır. Arıtma tesisine gelen atıksu tamamen evsel nitelikli olup üniversite lojmanlarından ve öğrenci yurtlarından gelmektedir. ODTÜ-VRM atıksu arıtma tesisi havalandırma ve membran ünitesi olmak üzere iki havuzdan oluşmaktadır. Ham atıksu 3 mm ince ön ızgaradan geçtikten sonra havalandırma havuzuna, daha sonra da batık vanalar yardımı ile membran havuzuna geçmektedir. Arıtma tesisinin özellikleri Tablo-1 de, akım şeması Şekil 1 de gösterilmiştir. Tablo 1: ODTÜ-MBR arıtma tesisinin özellikleri Havalandırma havuzu hacmi 85 m 3 Membran havuzu hacmi 23 m 3 Membran Tipi plaka Toplam membran alanı 540 m 2 Por çapı μm MLSS ( havalandırma havuzu) g/l MLSS (membran havuzu) 6-21 g/l Hidrolik bekleme süresi h Sıcaklık 17 ± 4 0 C Maksimum membrane basıncı -320 mbar Veri Setleri Modelleme çalışmasında üç değişik veri seti kullanılmıştır. Veri setlerinde giriş çıkış KOİ değerleri + - çıkış NH 4 -N, NO 3 -N değerleri ve debi değerleri bulunmaktadır. MLSS Her iki tank da ölçülmüştür. Veriler haftada 2 kez toplanmıştır. 51

66 Şekil 1: ODTÜ-VRM Tesisi akım şeması SET yılında toplanan 146 günlük işletim verisidir. Bu sette ortalama debi 144 m 3 olup giriş KOİ konsantrasyonu mg/l arasında değişmiştir. Æıkış KOİ değeri 20 mg/l civarında sabittir. Giriş NH + 4 -N konsantrasyonu mg/l arasında değişmiştir. Æıkış ise 0.13 to mg/l arasında değişmiştir. Æıkış NO - 3 konsantrasyonu ise 0-35 mg/l arasında değişmiştir. SET yılında toplanan 120 günlük işletim verisini içermektedir. Bu sette ortalama debi 120 m 3. civarında seyretmiş olup giriş KOİ değeri mg/l, çıkışta ise 15 mg/l civarında seyretmiştir. Giriş NH + 4 -N değeri mg/l çıkışta ise 2-26 mg/l arasında seyretmiştir. - Æıkış NO 3 konsantrasyonu ise havalandırma tankı oksijen derişimine bağlı olarak mg/l arasında değişmiştir. SET 3 ise 2008 yılında toplanan 12 günlük veri setini içermektedir. Buradaki veriler günlük veriler olup süreklilik arzetmektedir. Bu sette ortalama debi 156 m 3 olup giriş KOİ değeri mg/l ve ortalama çıkış KOİ değeri ise 9 mg/l olarak seyretmiştir. Yine bu sette giriş NH + 4 -N konsantrasyonu 42 ve 87 mg/l arasında değişirken çıkış değeri 0 12 mg/l arasında değişmiştir. - Æıkış NO 3 değeri mg/l arasında değişmiştir. Bu veri setinde diğerlerinden farklı olarak giriş ve çıkış parametre ölçümlerinin yanı sıra havalandırma tankından da ölçüm alınmıģtır Bilgisayar Modeli Matematiksel model olan ASM1 deki diferansiyel denklemler genel amaçlı AQUASIM bilgisayar modelinin içersine yazılarak çözülmüştür. Hassas parametreler belirlendikten sonra AQUASIM ile optimize edilerek model kalibre edilmiştir. Daha sonra ölçülen değerler ile model çıktı değerleri karşılaştırılarak teyit / test edilmiştir. Æalışma iki grupda yürütülmüştür. Birinci grupta 146 günlük I. veri seti kullanılarak model kalibrasyonu yapıldıktan sonra II. veri setinin 67 günlük verisi ile teyit/test yapılmıştır. Bu veriler sadece tesis giriģ ve çıkıģ parametre değerlerinden ibarettir. İkinci grup çalışma ise III. veri setinin 12 günlük verisi ile kalibre edilmiş model ile II. veri setinin 67 günlük verisi ile yapılan teyit/test çalışmalarını göstermektedir. Bu sette kalibrasyon için kullanılan verilerde tesis giriş ve çıkış değerlerinin yanı sıra havalandırma tankı değerleri de bulunmaktadır. Yapılan ön çalışmalarda MLSS konsantrasyonu belirlemede en hassas ve optimize edilmesi gereken parametreler olarak b_a20, Y_A, Y_H, b_h20, k_h20, K_O2H, k_a20, η_h ve f_p bulunmuştur. Bundan sonraki parametre kestirim ve kalibrasyon (optimizasyon) çalışmalarında bu parametreler kullanılmıştır. Birinci grup çalışmalarda veri set I in tamamı (146 günlük süre) kalibrasyon için kullanılmış ve veri seti II nin 67 günlük aralığına giren veriler kullanılarak model teyit/test edilmiştir. Kullanılan veri setlerinin yaklaşık aynı sezonlara rastlamasına dikkat edilmiştir. Şekil 2 de parametreler optimize edildikten sonra elde edilen kestirim değerleri gösterilmektedir. Nitrifikasyon ile ilgili hassasiyet çalışmalarından b_a 20, K_O 2 A, μ_a 20, K_O 2 H ve η_g kinetik parametrelerin en hassas oldukları ve optimize edilmelerinin gerekliliği ortaya çıkmıştır. Şekil 3 de parametre optimizasyonundan sonra çıkış toplam-n kestiririmi değerleri verilmektedir. İkinci grup çalışmalarda veri SET III ün 12 günlük veri seti ile kalibre edilen model SET II nin 67 günlük verisi ile test edilmiştir. Şekil 4 de SET III ile kalibre edilen modelin bir kısım SET II dataları ile elde edilen teyit/test sonuçları gösterilmektedir. 52

67 İki grup çalışma sonucunda yapılan t-test analizinden Tablo 2 de gösterilen veri set I ile kalibre edilmiş ve veri set II ile test edilen model sonuçlarından Toplam-N, MLSS_vrm ve çıkış NH4-N değerlerinin testi geçemediği anlaşılmaktadır. Havalandırma tankından alınan ölçümlerin de kalibrasyonda kullanıldığı ikinci grup deneylerin ise t-testini geçtiği görülmektedir. Şekil 2: Parametre optimizasyonundan sonra havalandırma tankında elde edilen model MLSS benzeşimi Şekil 3: Parametre optimizasyonundan sonra tesis çıkışında elde edilen Toplam-N değerleri 53

68 Şekil 4: Havalandırma tankında MLSS konsantrasyonu kestrimi Tablo 2: Veri seti I ile kalibre edilmiş ve veri seti II ile test edilmiş model sonuçlarından elde edilen t-test sonuçları Set I MDM 95% Güvenlik aralığı t değeri Goodness of Fit MLSS_bio Geçer MLSS_vrm geçmez NH4-N geçmez NO3-N Geçer Total Nitrogen geçmez COD Geçer Tablo 3: Veri seti III ile kalibre edilmiş ve veri seti II ile test edilmiş model sonuçlarında elde edilen t-test sonuçları Partial Set II MDM 95% Güvenlik aralığı t değeri Goodness of Fit MLSS_bio Geçer MLSS_vrm Geçer NH4-N Geçer NO3-N Geçer Total Nitrogen Geçer COD Geçer Yukarıda gösterilen benzeşim sonuçlarından her iki grup çalışmada da görsel olarak yeterince iyi sistem benzeşimi elde edildiği anlaşılmaktadır. Ancak istatistiksel olarak ikinci grup çalışmanın daha başarılı olduğu ortadadır. Her iki grup çalışma sonucunda model kalibrasyonunu için sadece tesis giriş ve çıkış verilerinin yeterli olmadığı ve iyi bir benzeşim için giriş ve çıkışa ilave olarak havalandırma tankı verilerine de gereksinim duyulacağı anlaşılmaktadır. Yine verilerden tesisin zaman zaman azot arıtabildiği ve çıkışta azotun sıfıra yaklaştığı anlaşılmaktadır. Modelin bu olguyu yakalayabildiği de sonuçlardan anlaşılmaktadır. Teşekkür Æalışma sırasında katkılarından dolayı ODTÜ-TEKNOKENT e teşekkür ederiz. 54

69 Referanslar 1.Liu R., Huang X, Sun Y. F., and Qian Y., Hydrodynamic effect on sludge accumulation over membrane surfaces in a submerged membrane bioreactor, Process Biochemistry, Vol. 39, No. 2, pp Winnen H, Suidan M.T., Scarpino P. V., Wrenn B., Cicek N., Urbain, V., and Manem, J Effectiveness of the membrane bioreactor in the biodegradation of high molecular weight compounds, Water Science and Technology, Vol. 34, pp Yoona S., Kimb H., Yeomb I., The Optimum Operational Condition of Membrane Bioreactor (MBR): Cost Estimation of Aeration and Sludge Treatment, Water Research, Vol. 38, No. 1, pp U. Jeppsson (1996). Modelling aspects of wastewater treatment processes, Ph. D Thesis, Lund Institute of Technology, ISBN

70 56

71 Anaerobik Membran Biyoreaktörünün Çöp Sızıntı Sularının Arıtımında Kullanılması Ergin Taşkan ve Halil Hasar Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Elazığ Günümüzde, hızlı kentleşme oldukça yoğun bir şekilde çevresel problemlere neden olmaktadır. Bu problemler arasında çöp depolama alanlarından kaynaklanan sızıntı suları önemli bir yer tutmaktadır. Æöp sızıntı sularının kirletici içeriğinin çok geniş olması ve özellikle biyolojik arıtım için inhibisyon etkisine sahip kirleticiler içermesi, bu atıksuların arıtımını güçleştirmektedir. Yaklaşık olarak 1000 mg/l amonyak konsantrasyonuna sahip sızıntı suları mikroorganizma için direk toksik olabilir (Robinson ve diğ. 1992). Koster ve Lettinga (2003), mg/l arasındaki amonyum konsantrasyonunun artışı ile metan oluşumu arasından negatif bir ilişki olduğu belirtmişlerdir. Bu çalışmada amonyak toksisitesine daha dirençli olan anaerobik arıtma yöntemi membran sistemine uyarlanarak kullanılmıştır. Membran biyoreaktör sistemi klasik biyolojik sistemlere nazaran birçok avantaja sahiptir. MBR ile yüksek çamur yaşında çalışılabildiğinden dolayı çöp sızıntı suları gibi hem yüksek organik yüke hem de yüksek nütriente sahip atıksuların arıtılabilmesi için iyi bir alternatif olarak görülmektedir (Metcalf and Eddy, 2003). Bu çalışmada çöp sızıntı sularının anaerobik membran biyoreaktöründe (An-MBR) arıtımı farklı işletim şartlarında araştırılmıştır. Bu amaçla, farklı çöp sızıntı suyu/asetat oranlarında besleme yapılarak An-MBR ün KOİ giderim performansı, biyogaz üretme kapasitesi ve sülfatın elektron alıcı olarak kullanılmasının biyogaz oluşumu üzerindeki etkisi incelenmiştir. Æöp sızıntı suyunun KOİ/asetat KOİ oranları %10, 25, 50, 75 ve %100 ayarlanarak An-MBR sabit bir KOİ değeri (5000 mg/l) ile işletilmiştir. Anaerobik sistemdeki çamur yaşı çalışma süresi boyunca 100 gün olarak muhafaza edilmiştir. An- MBR deki hidrolik bekleme süresi membran akısına bağlı olarak değişmiştir ve ortalama 10 gün seviyesinde tutulmaya çalışılmıştır. Æalışmada amonyak toksiditesine daha dirençli olan anaerobik arıtma yöntemi kullanılmıştır ml hacmindeki anaerobik biyoreaktöre membran modülü daldırılmıştır. Æöp sızıntı suyu An-MBR a alınmadan önce içerisindeki kaba ve killi maddelerin giderilmesi için filtrelendikten sonra yukarda belirtilen oranlarda asetat ilave edilmiştir. Reaktörde mezofilik şartların sağlanması amacıyla reaktör sıcaklığı ısıtıcı vasıtası ile 37 ºC ye ayarlanmıştır. Reaktörün karışımı peristaltik pompa vasıtasıyla sağlanmıştır. Peristaltik pompa ile yapılan sirkülasyon hemen membranın üst kısmına yapılmış ve bu sayede membran yüzeyinde meydana gelebilecek kek tabakasının oluşumu da sınırlandırılmaya çalışılmıştır. Katı/sıvı ayrımını sağlamak amacıyla peristaltik pompa vakum yapmak amacıyla kullanılmış. İstenilen çamur yaşı süresine ulaşmak amacıyla reaktördeki fazla çamur belirli zaman aralıkları ile sistemden uzaklaştırılmıştır. Reaktörde oluşan biyogaz reaktörün üst kısmında bulunan gaz çıkış hortumundan geçerek bir mezür içerisinde birikmesi sağlanarak günlük oluşan biyogaz miktarının tespit edilmesi amaçlanmıştır. Biyoreaktörde ortalama 0.1 mikrometre gözenek çapına ve toplam 227 cm 2 yüzey alanına sahip hallow-fiber membranlar kullanılmıştır. İstenilen hidrolik bekleme süresine ulaşmak amacıyla genellikle trans-membran basıncı arttırılarak akı yükseltilmeye çalışılmıştır. Her bir işletme periyodunun değişimi aşamasında membran modülü musluk 57

72 suyu ile fiziksel olarak yıkanarak temizlenmiştir. İşletme süresi boyunca bütün periyotlarda An-MBR da giriş ve çıkış KOİ, NH 4 -N, SO 4-2 gibi performans parametreleri biyoreaktör içerisindeki askıda katı madde (MLSS) ve uçucu askıda katı madde (MLVSS) değerleri ve giriş-çıkış alkalinite değerleri ölçülmüştür. Besleme suyu sızıntı suyunun %10, 25, 50, 75 oranlarında musluk suyuna ilave edilip asetat kullanılarak KOİ si 5000 mg/l olacak şekilde ayarlanmış ve son periyotta yalnızca çöp sızıntı suyu ve musluk suyu kullanılarak istenilen giriş KOİ değerine ulaşılmıştır. Şekil: Sistemin şematik gösterimi İlk deneysel periyotta, sızıntı suyu/asetat KOİ oranının 1/10 olacak şekilde tutulmuştur (besleme suyunun KOİ yükünün %10 u çöp sızıntı suyundan ve %90 ı ise asetat ilavesinden). Bu periyotta besleme suyunda ve çıkış suyundaki amonyum konsantrasyonu sızıntı suyunda yapılan seyreltmeye bağlı olarak mg/l olarak tespit edilmiştir. Sistemdeki MLSS konsantrasyonu mg/l ve MLVSS konsantrasyonu ortalama 2000 mg/l civarında tutulmuştur. MLSS ve MLVSS konsantrasyonları anaerobik sistemin performansı üzerinde doğrudan etkili parametrelerdir. An-MBR da çıkış suyu reaktörden membran modülü kullanılarak uzaklaştırıldığı için reaktördeki MLSS ve MLVSS konsantrasyonları An-MBR için sınırlayıcı bir faktör değildir. Fakat reaktördeki katı madde konsantrasyonun artışı membran tıkanıklılığını arttırması nedeni ile reaktör işletimini olumsuz yönde etkilemektedir. İşletme süresi boyunca sisteme verilen organik yük ortalama 0,490 kg/m 3.gün seviyesinde tutulmuştur. Bu süreçte KOİ giderme verimi ise %85 civarında seyretmiştir. Sisteme verilen organik yük zamanla azaltılmış ve buna karşılık KOİ giderme verimi artarak %90 a kadar ulaşmıştır. Bohdziewicza ve diğ. (2008), çöp sızıntı suyunu %10-20 oranında seyrelterek %95 in üzerinde KOİ giderme verimi elde etmişlerdir. Æalışmada besleme yapılan organik yük ile giderilen organik yük miktarları belirlenmiş ve elde edilen veriler değerlendirildiğinde organik yük miktarı arttığı zaman organik madde gideriminin azaldığı, sisteme verilen organik yükün azalması ile birlikte besleme yapılan organik maddenin neredeyse tamamının giderildiği belirlenmiştir. İşletme süresi boyunca 58

73 elde edilen akı miktarı, ilk 7 günde ortalama 0,40 l/m 2.saat, ikinci 7 günde 0,30 l/m 2.saat ve son 7 günde ortalama 0,17 l/m 2.saat akı elde edilmiştir. Akı miktarı basınç arttırılması ve azaltılması ile değişmiştir. Sistemde üretilen biyogazın içerdiği metan miktarının giderilen KOİ ye oranı 0,34 ile 0,56 l CH 4 / giderilen KOİ aralığında değişmiş ve ortalama olarak 0,39 l/ch 4 giderilen KOİ değerinde olduğu belirlenmiştir. Æalışmanın ikinci periyodunda, sızıntı suyu/asetat oranı 1/4 olarak tutulmuştur (Besleme suyunun KOİ sinin %25 çöp sızıntı suyundan ve %75 i ise asetat ilavesinden). Bu periyotta sisteme verilen besleme suyundaki amonyum konsantrasyonu ortalama olarak mg/l arasında değişmiştir. Sistemdeki MLSS konsantrasyonu mg/l arasında ve MLVSS konsantrasyonu mg/l civarında seyretmiştir. Bu periyotta KOİ giderme verimi ise ortalama %89 oranında seyretmiş ve sistemin adaptasyonunun tam olarak gerçekleşmesi ile %90 ın üzerinde seyretmiştir. İşletim süresi boyunca sisteme verilen organik yük ortalama 0,89 kg/m 3.gün seviyesinde tutulmuştur. Bu periyotta membrandan çıkış suyu kesikli olarak çekilmiştir. Pompanın kesikli olarak çalıştırıldığı bu süreçte pampanın sürekli olarak çalıştırıldığı diğer periyotlar ile karşılaştırıldığında elde edilen akı miktarının oldukça yüksek olduğu tespit edilmiştir. Akı miktarı işletme süresi boyunca ortalama 2,18 l/m 2.saat olarak tespit edilmiştir. Akı miktarı membranda oluşan tıkanıklığa bağlı olarak zamanla azalmış ve ortalama 2 l/m 2.saat civarında dengelenmiştir. Bu sonuçlar emme pompasının kesikli olarak çalıştırılması ile akıda ciddi miktarda artış meydana gelebileceğini göstermektedir. Sistemde üretilen biyogazın içerdiği metan miktarının giderilen KOİ ye oranı 0,45 ile 0,57 l CH 4 /g giderilen KOİ aralığında değişmiş ve ortalama olarak 0,50 l CH 4 /g giderilen KOİ değerinde olduğu tespit edilmiştir. Æalışmanın üçüncü periyodunda, sızıntı suyu/asetat KOİ oranı 1/1 olarak tutulmuştur (Besleme suyunun KOİ sinin %50 sızıntı suyundan ve %50 si ise asetat ilavesinden). Bu periyotta besleme suyundaki amonyum konsantrasyonu mg/l arasında değişmiştir. İşletim süresi boyunca reaktördeki MLSS konsantrasyonu mg/l ve MLVSS konsantrasyonu 4000 mg/l civarında seyretmiştir. Bu işleteme süresinde sistemin KOİ giderme verimi ortalama %85 civarında gerçekleşmiştir. İşletim periyodunun başında 0,86 l/m 2.saat olarak elde edilen akı 20. günde 0,39 l/m 2.saat değerine düşmüştür. 20. günde peristaltik pompa kesikli çalıştırılıp basınç arttırıldığında akı miktarının önemli düzeyde artış gösterdiği belirlenmiştir. Membrandan çıkış suyunun kesikli olarak emilmesi, membran üzerindeki kek oluşumunu azaltmış ve elde edilen akı miktarı ortalama 2,60 l/m 2.saat değerine ulaşmıştır. Sistemde üretilen biyogazın içerdiği metan miktarının giderilen KOİ ye oranı 0,43 ile 0,54 l CH 4 /g giderilen KOİ arasında değişmiş ve ortalama 0,49 l CH 4 /g giderilen KOİ değerinde olduğu belirlenmiştir. Elde edilen bu değerlerden oluşan biyogazın metan muhtevasının iyi olduğu anlaşılmaktadır (Öztürk, İ 1999). Sistemde giriş-çıkış sülfat tayini yapılmış ve sülfat gideriminin artışına bağlı olarak üretilen biyogaz miktarının azaldığı tespit edilmiştir. Bu durum sülfatın sülfat indirgeyen bakteriler tarafından elektron alıcı olarak kullanıldığını ve metan bakterilerine üstünlük sağladığını kanıtlamaktadır. Æalışmanın dördüncü periyodunda sızıntı Suyu/asetat KOİ oranı 3/4 olarak tutulmuştur (Besleme suyunun KOİ değeri %75 sızıntı suyundan, %25 oranında asetat ilavesinden). Sisteme verilen amonyum konsantrasyonu mg/l arasında değişmiştir. An-MBR da MLSS konsantrasyonu ortalama mg/l ve MLVSS konsantrasyonu 6700 mg/l olarak izlenmiştir. Bu deney sürecinde sistemin KOİ giderme verimi ortalama %79 civarında gerçekleşmiştir. Bu işletme süresinde membrandan çıkış suyu sürekli olarak çekilmiştir. İşletme süresi boyunca elde edilen akı ortalama 0.33 l/m 2.saat olmuştur. Elde edilen biyogazın içerdiği metan miktarı giderilen KOİ ye oranı 0,46 ile 0,62 l CH 4 /g giderilen KOİ arasında değişmiştir ve ortalama 0,50 l CH 4 /g giderilen KOİ değerinde olduğu tespit edilmiştir. Elde edilen değerlerden sistemde giderilen organik madde miktarı ile oluşan biyogaz miktarı arasında doğrusal bir orantı olduğu belirlenmiştir. Timur ve öztürk (1999), 59

74 çöp sızıntı suyunun arıtımında organik yükleme oranına bağlı olarak oluşan metan miktarının arttığını tespit etmişlerdir. Æalışmanın son periyodunda besleme suyu KOİ si tamamen çöp sızıntı suyundan 5000 mg/l düzeylerinde ayarlanmıştır. Bu periyotta sudaki amonyum konsantrasyonu mg/l arasında değişmiştir. Reaktördeki MLSS konsantrasyonu mg/l ve MLVSS konsantrasyonu ortalama mg/l arasında değişmiştir. Bu süreçte KOİ giderme verimi ortalama %75 seviyesinde gerçekleşmiştir. Bu işletme süresince çıkış suyu membrandan sürekli olarak çekilmiş ve akı miktarı ortalama 0,39 l/m 2.saat olarak gerçekleşmiştir. Hasar ve diğ (2009), aynı membran modülünü aerobik MBR da kullanmışlar ve yüksek MLSS konsantrasyonlarında membran modülünü günlük yıkama yaparak sistemin akısının 3 l /m 2.saat değerinde kararlı hale geçtiğini belirlemişlerdir. Sistemde üretilen biyogazın içerdiği metan miktarı ortalama 0,43 l CH 4 /g giderilen KOİ olarak tespit edilmiştir. Bütün işletme periyotlarında elde edilen sonuçlar dikkate alındığında sızıntı suyunun genç sızıntı suyu olması ve çoğunlukla parçalanabilir KOİ içermesinden dolayı, asetata göre değerlendirildiğinde KOİ giderme veriminde çok önemli bir düşüş gözlenmemiştir. Sistemden elde edilen akı miktarı emme pompasının kesikli veya sürekli olarak çalıştırılmasına bağlı olarak değişiklik göstermiş, pompanın kesikli olarak çalıştırılması sonucu akı miktarında önemli düzeyde artış olduğu tespit edilmiştir. Sistemde giderilen sülfat miktarına bağlı olarak oluşan biyogaz miktarında azalma meydana geldiği belirlenmiştir. Ayrıca, reaktördeki MLSS-MLVSS konsantrasyonlarının artışı ile elde edilen akı miktarı arasında ters orantı olduğu tespit edilmiştir. Kaynaklar 1- Bohdziewicza, J, Neczajb, E, 2008, Anna Kwarciakb, Landfill leachate treatment by means of anaerobic membrane bioreactor-desalination Hasar,H, Ünsal,S.A., İpek,U., Karataş,S, Æınar,Ö., Yaman,C., Kınacı,C., 2009, Stripping/flocculation/membrane bioreactor /reverse osmosis treatment of municipal landfill leachate. Journal of Hazardous Material, DOİ: 3- Koster I. W. and Lettinga G., 2003, The influence of ammonium-nitrogen on the specific activity of pelletized methanogenic sludge, 4- Metcalf and Eddy, 2003, Wastewater Enginnering: Treatment and reuse, McGrav Hill, Fourth Edition, USA 5- Öztürk İ, Anaerobik biyoteknoloji ve atık arıtımındaki uygulamaları, Su Vakfı Yayınları. 6- Robinson, HD Barr, MJ., Last, SD., 1992, Leachate collection, treatment and disposal. J of The Institution of Water and Env. Management, 6(3) Timur H, Ozturk I, Altinbas M, Arikan O, Tuyluoglu BS. 2006, Anaerobic treatability of leachate: a comparative evaluation for three different reactor systems, Wat. Sci. & Tech. 42 (1-2): (2000). 60

75 Membran Prosesleri İle İlaç ve Tekstil Endüstrisi Atıksularının İleri Arıtımı Burcu Kaleli Öztürk 1, Yasemin Kaya 1, Z. Beril Gönder 1, İlda Vergili 1, Hulusi Barlas 1 1 Ġstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü Avcılar Ġstanbul Türkiye Son yıllarda endüstrileşmenin ve nüfus artışının büyük hız kazanmasıyla su kaynakları giderek azalmakta ve kirlenmektedir. Æevrenin korunmasına yönelik getirilen yasal düzenlemeler ve işletmelerde su ihtiyacının giderek artmasından dolayı teknolojilerin iyileştirilmesi ve işletme içi madde çevrimleri öne çıkmakta, atıksu oluşumunun en aza indirilmesi, değerli maddelerin kazanılması ve suların tekrar kullanımı gündeme gelmektedir. Æevre kirliliğini oluşturan en büyük potansiyel endüstrilerdir. Endüstriyel üretim esnasında ve sonrasında çevre kirliliğine neden olan değişik özellikte atıklar oluşmaktadır. Endüstriyel gelişme ve üretime paralel olarak, oluşacak atıkların en aza indirilmesi için yeni teknolojilere ve ileri arıtım tekniklerine başvurulması gerekmektedir. Atıksuların ileri arıtılması amacıyla membran teknolojileri diğer arıtma proseslerine tercih edilmektedir. Bunun en önemli nedenleri, membran proseslerinin diğer ayırma teknikleriyle karşılaştırıldığında düşük enerji ihtiyacı gerektirmeleri, kesikli ve sürekli işletilebilmeleri, yüksek saflıkta ürün elde edilebilmesi, sıcaklık değişimlerinden fazla etkilenmemeleri, modüler olarak tasarımlarının yapılabilmesi ve fazla yer kaplamaması, kimyasal katkı ihtiyacının olmamasıdır [1]. Bu çalışmada, kimyasal ve/veya biyolojik arıtma uygulanan tekstil ve ilaç endüstrisi atıksularına sistem çıkışında mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon prosesleri tek tek uygulanarak veya kombine edilerek, bu atıksuların ileri arıtılabilirliği araştırılmıştır. Æalışmada kullanılan toplam alanı 80 cm 2 olan plaka tipi (flat sheet) mikrofiltrasyon (MF) membranı (FM MP005P), ultrafiltrasyon (UF) membranı (FM UP005), nanofiltrasyon (NF) membranı (FM NP010) Microdyn-Nadir GmbH dan temin edilmiştir [2]. Deneylerde OSMOTA GmbH (Almanya) firmasından temin edilen laboratuvar ölçekli membran sistemi kullanılmıştır. Sistem, yüksek basınç pompası (60 bar), membran hücresi, membran hücresine girişte ve çıkışta olmak üzere iki adet manometre, süzüntü ve konsantre miktarının ölçüldüğü iki adet debimetre, soğutma sistemi ve 10 L lik besleme tankı ünitelerinden meydana gelmektedir. Sistemde kullanılan plaka tipi membranların uzunluğu 200 mm, genişliği 40 mm olup, etkili membran alanı 80 cm 2 dir. Deneyler çapraz akış düzeninde gerçekleştirilmiş ve süzüntü ayrı bir kapta toplanırken, konsantre besleme tankına geri devir ettirilmiştir. Akının belirlenmesi için bilgisayara bağlı Precisa 320 XB 1200 C model terazi ile süzüntü miktarı dakikada bir ağırlık cinsinden ölçülmüştür. Æalışmada mikrofiltrasyon (MF), ultrafiltrasyon (UF) ve nanofiltrasyon (NF) prosesleri, tek tek uygulanarak veya kombine edilerek, ilaç ve tekstil endüstrisi atıksularının ileri arıtımı araştırılmıştır. Deneylerde, İstanbul da bulunan bir ilaç fabrikasının kimyasal ve biyolojik arıtma tesisleri çıkışından ve ayrıca Æerkezköy de bulunan bir tekstil fabrikasının biyolojik atıksu arıtma tesisi çıkışından alınan arıtılmış atıksular kullanılmıştır. 61

76 Deneysel çalışmalar üç aşamada gerçekleştirilmiştir. Birinci aşamada, deneylerde kullanılan membranların farklı sıcaklık ve basınçlardaki saf su akıları belirlenmiştir. İkinci aşamada ilaç endüstrisi atıksuyu öncelikle MF membranından geçirilmiştir. MF çıkışında toplanan süzüntü ise ayrı ayrı UF ve NF membranlarına verilmiştir. Üçüncü aşamada ise tekstil endüstrisi atıksuyu önce MF membranından, süzüntüsü de NF membranından geçirilmiştir. Ham tekstil atıksuyu bu aşamada ayrıca sadece NF membranından da geçirilmiştir. Deneyler esnasında akı değerleri ve süzüntüden alınan anlık numunelerin Renklilik Sayısı (RES) değişimleri izlenmiştir [3]. Toplam süzüntülerde ise ek olarak Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ), Askıda Katı Madde (AKM) ve ph ölçümleri yapılarak, her bir membran prosesinin giderim verimleri belirlenmiştir. İlaç ve tekstil endüstrisi atıksularıyla yapılan her iki çalışmada da en yüksek giderim verimleri MF + NF kombinasyonu ile elde edilmiştir. İlaç endüstrisi atıksuyunda 436 nm, 525 nm ve 620 nm de ölçülen RES parametresine göre girişte sırasıyla 10 m -1, 2 m -1, 0,4 m -1 olan değerler süzüntüde 1,3 m -1, 0,3 m -1 ve 0 değerlerine; ayrıca girişte sırasıyla 678 mg/l ve 293 mg/l olan KOİ ve AKM değerleri, süzüntüde 48 mg/l ve 11 mg/l ye düşürülmüştür. Tekstil endüstrisi atıksuyunda yukarıdaki RES dalga boylarında 25 m -1, 25,6 m -1 ve 9,2 m -1 olarak ölçülen değerler, süzüntüde 1 m -1, 0,8 m -1 ve 0,1 m -1 e; girişte sırasıyla 180 mg/l ve 157 mg/l olan KOİ ve AKM değerleri ise süzüntüde 72 mg/l ve 60 mg/l ye düşürülmüştür. İlaç endüstrisi atıksularının MF ile 210 dakika süresince ön arıtma işleminde akı değeri % 44 oranında azalmıştır. Æalışmada kullanılan atıksuyun AKM değeri 293 mg/l iken, süzüntüde 23 mg/l değerine düşmüştür. Akı değerindeki bu yüksek düşüş, girişteki yüksek AKM konsantrasyonunun bir sonucudur. Böylesi durumlarda literatürde MF nin verimini artırmak için MF öncesi ham atıksuya alum ilavesi veya MF öncesinde kartuş filtre kullanılması gibi farklı ön arıtma seçeneklerinin uygulandığı çalışmalar mevcuttur [4]. İlaç endüstrisi atıksuyunda, MF ve MF+ UF kombinasyonundan elde edilen renk giderim verimleri yakın değerlerde bulunmuştur. Bu durum atıksuda renk veren makromoleküllerin oranının yüksek olduğunu göstermektedir. İlaç endüstrisi atıksuyunun MF membranından sonra NF membranından geçirilmesi ile elde edilen süzüntüde KOİ ve AKM giderim verimleri MF+UF kombinasyonuna göre daha yüksek bulunmuştur. UF ve NF membranlarıyla aynı atıksu kullanılarak yapılan çalışmada KOİ giderim verimleri arasındaki fark, atıksuda bulunan ve KOİ ye neden olan organik maddelerin yoğun olarak küçük molekül ağırlığına sahip olduklarını göstermektedir. Tekstil endüstrisi atıksuyunun MF ile ön arıtma işleminde akı 90 dakikada % 48 oranında azalmıştır. İlaç endüstrisi atıksuyunda olduğu gibi burada da ek bir ön arıtma yapılması akı azalmasını önlemekte yararlı olacaktır. Tekstil endüstrisi atıksuyu MF membranından geçirilerek atıksudaki kolloidal maddeler uzaklaştırılmış, bu sayede 436 nm, 525 nm ve 620 nm de ölçülen RES parametrelerinde sırasıyla % 44, % 47 ve % 52 oranlarında renk giderimi sağlanmıştır. Ancak toplanan süzüntüdeki RES değerleri 14 m -1, 13,5 m -1 ve 4,4 m -1 olup, bu değerler limitlerin üzerindedir. Bu nedenle ek arıtmaya ihtiyaç duyulmuştur ve MF çıkışında toplanan süzüntü NF den geçirilmiştir. Tekstil endüstrisi atıksuyunda, MF ile ön arıtma yapılarak NF ye beslenen deneyde 90 dakika sonunda akı % 22, sadece NF nin kullanıldığı deneyde ise % 31 oranında azalmıştır. 90. dakikada akılar karşılaştırıldığında ise sadece NF nin kullanıldığı deneydeki akı değeri, MF + NF nin kullanıldığı deneyin akısına göre % 15 daha düşüktür. Beklendiği gibi, MF ile ön arıtma yapılarak atıksudaki kolloidal maddelerin uzaklaştırılmasıyla, NF veriminin arttığı görülmektedir. Gerek MF + NF kombinasyonu ve gerekse sadece NF çıkışında hemen hemen aynı RES değerlerine ulaşılmıştır. Her iki çalışmada da RES parametresi açısından limitlerin altına inilmiştir. 62

77 Tekstil endüstrisi atıksuyunda yapılan iki deney, KOİ giderim verimleri açısından karşılaştırıldığında ise MF + NF deneyinde daha iyi giderim sağlanmıştır. Her iki deneyde de renk giderim verimlerinin % 90 ın üzerinde olmasına rağmen, KOİ giderim verimlerinin % 36 % 41 oranlarında olması, atıksuda renk veren ancak organik olmayan maddelerin varlığını düşündürmektedir. İlaç endüstrisi atıksuyuyla yapılan deneyler sonucunda MF membranının tek başına kullanımı durumunda bile rengin yüksek oranda giderildiği ve RES parametresinde Avrupa Normunda belirtilen limitlerin altına inilebildiği belirlenmiştir. Æalışmada kullanılan atıksuyun alındığı fabrika İSKİ kanalına deşarj yapmaktadır. İSKİ nin KOİ için deşarj limiti ise 800 mg/l dir. Ancak söz konusu fabrikanın alıcı ortama deşarj yapması durumunda Su Kirliliği Kontrol Yönetmeliği Tablo 14.6 ya göre KOİ parametresini 150 mg/l değerinin altına çekmesi gerekmektedir. Bu durum MF + NF kombinasyonu ile sağlanabilmektedir. İlaç endüstrisinde var olan üretim normları nedeniyle, geri kazanılan arıtılmış atıksuyun üretimde kullanım olasılığı çok düşüktür. Deneylerde kullanılan, biyolojik atıksu arıtma tesisi çıkışından alınan arıtılmış tekstil atıksuyu için, sadece NF çıkışındaki süzüntüde ve MF + NF çıkışında toplanan süzüntüde giderilemeyen renk miktarları açısından çok büyük bir fark görünmese de MF nin NF öncesi ön arıtma olarak uygulanmasının son derece yararlı olduğu görülmüştür. Tekstil işletmesi örneğinde görüldüğü gibi işletme alıcı ortam deşarj kritelerini sağlasa bile, gerek Dünya Bankası gibi uluslararası kredi veren kurumların gerekse özellikle AB ülkelerindeki ithalatçı firmaların daha düşük deşarj kriterlerini ön şart olarak ileri sürmeleri nedeniyle, hem bu şartların yerine getirilmesi hem de alıcı ortamın korunması amacıyla membran proseslerinin kullanılmasının uygun olduğu görülmektedir. Kaynaklar 1- KAYA, Y. ve BARLAS, H., 2003, Kimya endüstrisinde atık yönetimi amaçlı membran uygulamaları, XVII. Ulusal Kimya Kongresi, 8-11 Eylül, İstanbul, BARLAS, H., 1999, Endüstriyel atıksular için renk parametresi önerisi, Türkiye de Çevre Kirlenmesi Öncelikleri Sempozyumu III, Ekim Tübitak Gebze YTE., KOYUNCU, İ. ve TOPACIK, D., 2002, Tekstil endüstrisi atıksularının arıtılmasında membran teknolojisi uygulamalamaları ve ekonomik değerlendirme, SKKD, Cilt 12 sayı 2,

78 64

79 Membran Teknolojisi ile İpek İşleme Atıksularından Serisin Geri Kazanımı Gökşen Çapar, S. Seylan Aygün, M. Ruşen Geçit Mühendislik Bilimleri Bölümü, Orta Doğu Teknik Üniversitesi Ġnönü Bulvarı Ankara Tekstil endüstrisinin bir alt dalı olan ipek üretimi işlemlerinde oluşan atıksular yüksek organik madde (KOİ 5-60 g/l), bulanıklık ve toplam katı madde (TKM) içermektedir. Organik madde kirliliğine neden olan en önemli madde serisin proteinidir. İpekböceğinin iplikçikleri birbirine yapıştırmak amacıyla salgıladığı bu protein, boyama işlemi öncesinde iplikten ayrılmaktadır. Bunun için uygulanan koza pişirme işleminde ortaya çıkan atıksuların, alıcı ortama deşarj edilmeden önce uygun yöntemlerle, çıkış KOİ değeri mg/l (SKKY, 2004) olacak şekilde arıtılmaları gerekmektedir. Serisin, ipek üretimi sanayinde bir atıkken; ilaç, kozmetik ve gıda gibi sanayilerde değerli bir hammaddedir. Biyomedikal alanda ve film/membran yapımında da kullanılabilmektedir. Serisin oldukça ilginç özelliklere sahiptir; yüksek nem tutma özelliğinin yanısıra, antioksidan, antibakteriyel ve biyo-uyumludur. Bu nedenle ticari değeri de yüksektir (80-90 AVRO/gram). Dolayısıyla, atılan serisin çevresel kirliliğin yanısıra ekonomik kayba da neden olmaktadır. Bu nedenle, son yıllarda serisin geri kazanımı konusu ilgi çekmektedir (Fabiani vd., 1996; Vaithanomsat ve Kitpreechavanich, 2008; Wu vd., 2007). Dünyanın yıllık serisin geri kazanım potansiyeli ton dur (Zhang, 2002). Ülkemizde ise ipek üretimi 1980 li yıllardan günümüze oldukça gerilemiştir. Yine de Türkiye nin yıllık serisin geri kazanım potansiyeli ton civarında olup, önemli bir ekonomik kazanç kaynağıdır (Æapar vd., 2009). Literatürde serisin geri kazanımı konusunda az sayıda çalışma mevcuttur (Fabiani vd., 1996; Vaithanomsat ve Kitpreechavanich, 2008; Wu vd., 2007; Æapar vd., 2008, 2009). Ugulanan yöntemler; kurutma, membran prosesleri, alkolde çöktürme ve enzimli hidrolizdir. Alkolde çöktürme yöntemi, serisin için %90 etanol derişimi ile %71 ekstraksiyon verimi sağlamıştır (Wu vd., 2007). Vaithanomsat ve Kitpreechavanich (2008) ise UF (20-30 kda) ile %94 oranında serisin geri kazanımı sağlanmıştır. Ardından enzimli hidroliz uygulanarak kozmetik uygulamalara yönelik kısa-zincirli serisin peptidleri elde edilmiştir. Yalnızca serisin içeren bir atıksuda Fabiani vd. (1996) UF (15-20 kda) ile %94-97 oranında serisin geri kazanmıştır. Ancak, proteinlerin yapısı itibariyle membran kirlenmesi oldukça ciddi olmuş ve %90 civarında akı azalması gözlenmiştir. Æapar vd. (2008, 2009) ise, Türkiye deki ipek işleme atıksularından serisin geri kazanımı için en uygun membran esaslı prosesleri belirlemiştir. Koza pişirme atıksularında (KPA) serisine ek olarak diğer protein(ler) de mevcuttur. Dolayısıyla bu çalışmanın birinci amacı ülkemizin koza pişirme atıksularından membran teknolojisi ile serisin geri kazanmak; ikincisi ise ipek üretimi işlemlerinden kaynaklanan çevresel kirliliği azaltmaktır. Atıksu örnekleri Bilecik ilinin Söğüt ilçesinden temin edimiştir (Tablo 1). Berghof BHT-2 model membran sistemi ile toplam dolaşım düzeninde yürütülen deneylerde üç adet UF ve iki adet nanofiltrasyon (NF) membranı kullanılmıştır (Tablo 2). Atıksu debisi 30 L/saat olarak uygulanmıştır. Saf su ve atıksu akıları zamanla sabitlendiğinde süzüntü suları toplanmış ve analiz edilmiştir. Kirlenen membranlar NaOH ve klor karışımı ile 65

80 yıkanmıştır. Serisini saflaştırmak için uygulanan diyaliz işleminde MAAS ı 3,5 kda olan diyaliz torbası (Serva) kullanılmış, içine serisin çözeltisi eklenen torbalar saf suyla dolu beherlere yerleştirilerek 37 ºC de 1-2 gün çalkalanmıştır. Serisinin kantitatif analizi ve molekül ağırlık (MA) dağılımı HPLC ile yapılmıştır (Shimadzu Prominence). Bütün analizler standart yöntemlerle yapılmış; KOİ ise USEPA onaylı HACH Metot 8000 e göre HACH DR-2000 Model spektrofotometre kullanılarak 620 nm dalgaboyunda okunmuştur. Örnek Tablo 1. Atıksu özellikleri Atıksu kalitesi KOİ (mg/l) Renk (Pt-Co) Bulanıklık (NTU) TKM (mg/l) Serisin (mg/l) ph KPA-A KPA-B KPA-C KPA-D KPA-E Tablo 2. Kullanılan membranların özellikleri Filtre Tür Malzeme MAAS Etkin alan Giriş basıncı (Da) (m2) (bar) GE Osmonics PW UF Polietersülfon , GE Osmonics PT UF Polietersülfon , GE Osmonics GH UF TFC a , GE Osmonics DK NF TFC a 190 b 0, Dow Filmtec NF-90 NF TFC a 100 c 0, a İnce film kompozit, b %98 MgSO 4 giderimi sağlar, c %97 MgSO 4 giderimi sağlar. Serisin kda kadar geniş bir MA aralığına sahiptir (Zhang, 2002). Bunun nedeni, serisinin bir protein ailesi olması ve MA nın proses süresi, sıcaklık, ph gibi faktörlerden etkilenmesidir. En uygun membran prosesinin seçimi serisin peptidlerinin büyüklüğü ile ilgili olduğundan, KPA nda bulunan serisinin MA dağılımları çıkarılmış, dört farklı büyüklükte serisin peptidleri bulunmuştur; Serisin-1 ( kda, oranı %3-23), Serisin- 2 (70-80 kda, oranı %52-63), Serisin-3 (30-40 kda, oranı %9-10) ve Serisin-4 (10-25 kda, oranı %16-24). Atıksudaki serisinin %76-84 ünün 20 kda dan daha büyük olduğu, dolayısıyla yüksek molekül ağırlıklı serisin olarak sınıflandırılabileceği ve biyomalzeme üretiminde kullanılmaya uygun olduğu (Zhang, 2002) anlaşılmıştır. Atıksuda serisin haricinde bir protein daha gözlenmiş, MALDI-TOF analizi ve SWISS- PROT ExPASy veritabanı ile yapılan uyumluluk çalışması sonucunda ipekböceğinden kaynaklanan Actin, muscle type A1 (P07836, 41,8 kda), Antitrypsin (P22922, 43.5 kda), Bombyxin B-2 (P26734, 10 kda), 5-hydroxytryptamine (Q17239, 48,6 kda), protein zeta (Q2F637, 28,1 kda) ve Bursicon (Q566B1, 17,9 kda) proteinlerinden biri olduğu bulunmuştur. Atıksuya ilk olarak santrifüj ve mikrofiltrasyon (1 m) dan oluşan iki aşamalı bir önarıtma süreci uygulanmıştır (Æapar vd., 2008). Membranlar, atıksuyun doğal ph değeri olan 5,8-6,2 de test edilmiştir. UF da oldukça düşük tutma verimleri elde edilmiş; MAAS 20 kda dan 1 kda a düşürüldüğünde, serisin tutma verimi %36 dan %60 a çıkmıştır (Tablo 3). Bu değerler, Fabiani vd. nin (1996) UF (20-30 kda) membranları ile elde ettikleri %97 lik verime göre oldukça düşüktür. Bunun bir sebebi, farklı atıksuların kullanılması ve serisinin MA dağılımının farklılık göstermesi olabilir. Koza pişirme 66

81 işleminde serisin suda uzun süre bekletildiğinden, küçük molekül ağırlıklı polipeptidlerine bölünmüş olabilir. Bu da küçük moleküllerin membrandan daha kolaylıkla geçmesine neden olmaktadır. Bir diğer olası sebep ise, membranların ve süzme sistemlerinin farklı olmasıdır. Serisinin izo-elektrik noktası (pi) 5-6 olarak bulunmuştur. Membran deneyleri de ph 5,8-6,2 de yürütüldüğünden, serisin peptidlerinin bu ortamda yüksüz olmaları beklenmiştir. Kullanılan UF membranları ise bütün ph spektrumunda nötrdür (Bernat vd., 2009). Dolayısıyla, serisinin düşük oranlarda tutulması, protein ve membran yüzeyi arasında elektrostatik itme mekanizmasının muhtemelen eksik/zayıf olması ile kısmen ilişkilendirilebilir. NF un serisin tutma verimi %94-95 kadar yüksek olmuştur (Tablo 3). Kullanılan NF membranlarının MAAS ı ( kda), UF membranları ile kıyaslandığında serisinin moleküler büyüklüğüne daha yakındır. Bu nedenle, NF ile çok daha yüksek tutma verimi elde edilmiştir. MAAS, tek başına protein tutma verimini açıklamaya yetmemektedir. Ortamın kimyasal özellikleri (ph, iyonik güç, vb.), membran-protein etkileşimi, diğer operasyonel koşullar ve membran yüzeyinde/gözeneklerinde oluşan kirlenme/tıkanma gibi faktörler de etki etmektedir. Bu sonuçlar, UF kullanıldığında, serisinin %40 ının süzüntü suyu ile birlikte atılacağını göstermektedir. Bu durumda, serisin geri kazanımı için UF un uygun olmadığı açıktır. UF, serisinin farklı büyüklükteki polipeptidlerini ayırmada kullanılabilir. Diğer yandan, membranların hiç birisi serisin ile diğer proteini tamamen ayıramamıştır. UF, kirlilik parametrelerinin gideriminde de düşük performans göstermiştir. UF (20 kda) ve UF (5 kda) un KOİ, TKM, renk ve bulanıklık giderim verimleri sırasıyla %41-43, %36-44, %64-64 ve %42-43 olarak bulunmuştur (Tablo 3). UF (1 kda) ise belirgin olmayan bir artış sağlamış; aynı parametreler için giderim verimleri %52, %51, %83 ve %53 e yükselmiştir. Diğer yandan, NF ile oldukça yüksek giderim sağlanmış; NF-DK ve NF- 90 ın giderim verimleri sırasıyla %90-99, %90-98, % ve %93-98 olmuştur. UF çıkış KOİ değeri mg/l olarak ölçülmüştür. Bu değerler, mg/l olan deşarj limitinin oldukça üzerindedir. Diğer taraftan, NF-DK çıkışında KOİ 1020 mg/l, NF-90 çıkışında ise 109 mg/l dir (Tablo 3). Görüldüğü üzere NF-DK süzüntü suyu kalitesi deşarj limitine oldukça yakındır. NF-90 süzüntü suyu kalitesi ise deşarj limitini sağlamıştır. Tablo 3. Serisin geri kazanımı ve kirlilik parametreleri giderimi için UF ve NF performansları Süzüntü suyu kalitesi (Tutma/Giderim Verimi, %) Parametre UF (20 kda) (Örnek A) UF (5 kda) (Örnek B) UF (1 kda) (Örnek C) NF-DK (Örnek D) NF-90 (Örnek E) Serisin (mg/l) 3669 (36) 4621(52) 3488 (60) 392 (94) 296 (95) KOİ (mg/l) 5980 (43) 6210 (41) 5040 (52) 1020 (90) 109 (99) TKM (mg/l) 6850 (36) 5975 (44) 5175 (51) 1125 (90) 167 (98) Renk (Pt-Co) 890 (64) 790 (64) 370 (83) 62 (97) 12 (100) Bulanıklık (NTU) 21 (42) 10 (43) 7 (53) 2 (93) 0,7 (98) ph 5,7 5,6 6,1 6,0 6,6 Akı azalması, bütün membranlarda yüksek olmuştur (Şekil 1). Normalize akılar, dak sonunda UF (20 kda) için 0,12, UF (5 kda) için 0,17, UF (1 kda) için 0,42 olmuştur. Yani akı azalması sırasıyla %88, %83 ve %58 dir (Tablo 4). En yüksek akı azalması, en büyük MAAS için gerçekleşmiştir. Bu da UF (20 kda) yüzeyinde hızlı bir protein tabakası oluştuğunu ve/veya gözeneklerinde tıkanma meydana geldiğine işaret etmektedir. Başlangıçtaki akı azalması, çoğunlukla konsantrasyon polarizasyonuna, zamanla oluşan akı azalması ise farklı kirlenme türlerine (yüzeyde jel tabaka oluşumu, gözenek daralması veya 67

82 Normalize akı (J W / J I ) Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 tıkanması vb.) bağlanmaktadır. UF için elde edilen bulgular, akı azalmasında ciddi oranda konsantrasyon polarizasyonu (KP) etkisi olduğuna işaret edebilir. KP etkisi %69 ile en yüksek derecede UF (20 kda) da meydana gelmiştir (Tablo 4). UF (5 kda) ve UF (1 kda) da ise bu etki %30 ve %38 e düşmüştür. Kirlenme etkisi ise UF (20 kda) da %59, UF (5 kda) da %75 olarak hesaplanmıştır ki bunun %71 i geri döndürülebilen, %15 i ise geri döndürülemeyen etkidir. Diğer bir deyişle, saf su akısının %15 i kimyasal yıkama ile geri kazanılamamıştır. UF (1 kda) da ise, kirlenme etkisi %33 olmuş, bunun %20 si geri döndürülmüş, %17 si ise geri döndürülememiştir. Bu veriler, UF membranlarının yüzeyinde jel oluşumunun gözenek tıkanmasına kıyasla dominant olduğuna işaret edebilir. Akıların bu kadar ciddi seviyede düşmesi, beklenmeyen bir sonuç değildir. Proteinlerin membran yüzeyine yapışması ve gözenekleri tıkaması, akılarda azalmaya sebep olmaktadır. Nitekim, UF (5 kda) üzerinde oluşan jel tabakanın membranda ciddi bir kirlenmeye yol açtığı Şekil 2 deki SEM fotoğrafında açıkça görülmektedir. Buna rağmen, kimyasal yıkama oldukça iyi sonuç vermiş ve akılar % oranında geri kazanılmıştır (Tablo 4). NF-DK ve NF-90 için akı azalması %43 ve %73 ile başlamış ve zaman içinde %70 ile %75 e ulaşmıştır (Tablo 4). Bu farklılıkların, NF yüzey özelliklerinden kaynaklandığı düşünülmektedir. NF-DK nın ortalama yüzey pürüzlülüğü NF-90 dan çok daha düşüktür (Norberg vd., 2006; Li ve Elimelech, 2004). NF-90 ın ilk anda daha yüksek bir akı azalması göstermesi, yüksek yüzey pürüzlülüğüne sahip olması nedeniyle protein jel tabakasının daha hızlı oluşmasına bağlanabilir. NF-DK ve NF-90 için KP etkisi %63, kirlenme etkisi ise %20 ve %30 olmuştur. NF-90 da geri döndürülemeyen kirlenme %5 olarak bulunmuştur. Kimyasal yıkama işlemiyle NF-DK için %127, NF-90 içinse %95 oranında akı geri kazanımı sağlanmıştır. Bu sonuçlar, kirlenme ve akı geri kazanımı konusunda NF in UF ten daha iyi performansa sahip olduğunu göstermektedir UF(20-kDa) UF(5-kDa) UF(1-kDa) NF-DK NF Süre (dak) Şekil 1. Zamana karşı izlenen normalize akılar 68

83 Akı (L/m 2 /saat) (T=19-21 ºC) Tablo 4. Akı analizi ve geri kazanımı Membran UF (20kDa) UF (5kDa) UF (1kDa) NF-DK NF-90 Saf su (I) 59,7 54,3 8,1 20,4 27,2 Atıksu (W) 7,5 9,5 3,4 6,1 6,8 Temizlik öncesi saf su (F) 24,4 13,6 5,4 16,3 19,0 Temizlik sonrası saf su (C) 62,4 46,2 6,8 25,8 25,8 Akı Azalması (%) Konsantrasyon Polarizasyonu Toplam Kirlenme Geri Döndürülebilen Kirlenme * * 26 Geri Döndürülemeyen Kirlenme * * 5 Akı Geri Kazanımı (%) Konsantrasyon polarizasyonu: [(F-W)/F], Toplam kirlenme: [(I-F)/I], Geri döndürülebilen kirlenme: [(C- F)/C] Geri döndürülemeyen kirlenme: [(I-C)/I], Akı geri kazanımı: [(C/I], * C değeri I değerinden büyük olduğu için hesaplanamamıştır. Şekil 2. Kirlenmiş UF (5 kda) membrana ait SEM fotoğrafları Serisin geri kazanımı, kirlilik giderimi ve akı performansı açısından en iyi proses NF dur. Ancak serisin ile diğer protein tam olarak ayrılamamış, bu nedenle diyaliz yapılmıştır. Diyaliz öncesinde serisinin MA ı 90 kda (%100), sonrasında ise 85 kda (%80) ve 44 kda (%20) olarak ölçülmüştür. Bunun olası nedeni, diyaliz işlemi sırasında serisinin sıcaklıktan etkilenerek farklı molekül ağırlığına sahip peptidlerine ayrılmış olmasıdır. Bütün bulgular dikkate alınarak, koza pişirme atıksuyundan serisin geri kazanımı için iki alternatif süreç önerilmiştir: 1. NF, 2. NF + diyaliz. Bu süreçlerde iki tür serisin ürün olarak elde edilebilir: 1. Düşük kaliteli serisin/ipekböceği proteini karışımı (Serisin MA 90 kda), 2. Yüksek kaliteli saf serisin (MA 85 kda (%80 oranında). Düşük kaliteli serisinde safsızlık olarak ipekböceği proteini bulunduğundan, bu ürünün son kullanım alanı hayvan maması üretimi veya iplik mukavemetini artırmak olabilir. Yüksek kaliteli serisinin ise tıp, kozmetik, ilaç ve gıda sanayilerinde kullanılabileceği düşünülmektedir. Teşekkür Bu projeye 106 M 062 no lu proje kapsamında TÜBİTAK tarafından maddi destek sağlanmıştır. Yazarlar, TÜBİTAK a ve laboratuvar olanakları için Orta Doğu Teknik Üniversitesi Æevre Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi Prof. Dr. Ülkü Yetiş ile Kimya Mühendisliği Bölümü öğretim üyesi Prof. Dr. Levent Yılmaz a teşekkür ederler. 69

84 Kaynaklar 1. Zhang Y.Q., Applications of natural silk protein sericin in biomaterials, Biotechnol. Adv. 20 (2002) Fabiani C., Pizzichini M., Spadoni M., Zeddita G., Treatment of waste water from silk degumming processes for protein recovery and water reuse, Desalination 105 (1996) Vaithanomsat P., Kitpreechavanich V., Sericin separation from silk degumming wastewater, Sep. Purif. Technol. 59 (2008) Wu J. H., Wang Z., Xu S. Y., Preparation and characterization of sericin powder extracted from silk industry wastewater, Food Chem. 103 (2007) Capar G., Aygun S. S., Gecit M. R., Treatment of silk production wastewaters by membrane processes for sericin recovery, J. Membr. Sci. 325 (2008) Capar G., Aygun S. S., Gecit M. R., Separation of sericin from fatty acids towards its recovery from silk degumming wastewaters, J. Membr. Sci. 342 (2009) Bernat X., Pihlajamäki A., Fortuny A., Bengoa C., Stüber F., Fabregat A., Nyström M., Font J., Nonenhanced ultrafiltration of iron(iii) with commercial ceramic membranes, J. Membr. Sci. 334 (2009) Li Q., Elimelech M., Natural organic matter fouling and chemical cleaning of nanofiltration membranes, Water Sci. Technol. Water Supply, 4 (5-6) (2004) Norberg D., Hong S., Taylor J., Zhao Y., Surface characterization and performance evaluation of commercial fouling resistant low-pressure RO membranes, Desalination, 202 (2006)

85 İçme ve Kullanma Suyu Temininde Alternatif Yöntemler: Desalinasyon ve Atıksu Geri Kazanımı İsmail Koyuncu, Hale Özgün, M. Evren Erşahin, R. Kaan Dereli ve Necati Kayaalp Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 34469, Maslak, Ġstanbul Artan dünya nüfusu ve su talebiyle birlikte su kaynakları, miktar ve kalite açısından oldukça ciddi sorunlarla karşı karşıyadır. Bu durum küresel bir su krizini gündeme getirmiştir. Dünya da kişi başına su tüketimi yılda ortalama 800 m 3 civarındadır. Dünya nüfusunun yaklaşık % 20 sine karşılık gelen 1.4 milyar kişi yeterli içme suyuna, 2.3 milyar kişi ise sağlıklı suya ulaşamamaktadır. Bazı tahminler, 2025 yılından itibaren 3 milyardan fazla insanın su kıtlığı ile yüz yüze geleceğini göstermektedir. Dünya Gıda ve Tarım Teşkilatı (FAO-Food and Agriculture Organization) göre, 1995 yılında su kıtlığı ve su stresi yaşayan nüfusun dünya nüfusuna oranı sırası ile % 29 ve % 12 iken, 2025 yılında bu oranların % 34 ve % 15 e yükselmesi beklenmektedir (WWF-Türkiye, 2008, Koyuncu ve Özturk, 2008) yılı itibari ile 18 ülke su kıtlığı problemi ile karşı karşıya kalmıştır. Bunlar, Ortadoğu ve Kuzey Afrika ülkeleri ile bazı Avrupa ve Asya ülkeleridir yılında bu sayının 29 ve 2050 yılında 54 e, bu şartlarda yaşamak zorunda kalan nüfusun da 3.76 milyara yükselmesi beklenmektedir. Bu duruma göre, 2050 de 9.4 milyar olması beklenen dünya nüfusunun % 40 ı su sıkıntısı çekecektir. Tablo 1 de 1995 ve 2025 te Dünya da kişi başına kullanılabilir su potansiyeli için detaylı bilgiler verilmiştir (WWF-Türkiye, 2008, Koyuncu ve Özturk, 2008). Tablo ve 2025 te Dünya da Kişi Başına Kullanılabilir Su Potansiyeli (WWF-Türkiye, 2008) Durum Su Kaynağı (m 3 /kişi/yıl) Nüfus (milyon) Dünya Nüfusuna Oranı (%) Nüfus (milyon) Dünya Nüfusuna Oranı (%) Su Kıtlığı Var < Su Stresi Var Su Yeterli > Sınıflandırma Dışı Toplam Meydana gelen su kıtlığı ile birlikte, içme ve kullanma suyu temininde yeni alternatif yöntemler de gündeme gelmeye başlamıştır. Bu alternatif yöntemler arasında, tuzluluğu yüksek kuyu suyu arıtımı, kirli yüzeysel suların arıtımı, deniz sularının arıtımı ve hatta atıksuların arıtılarak içme ve kullanma suyu olarak geri kullanımı sayılabilir. Su tasarrufu da önemle gözönüne alınması gereken bir husustur. Tuzlu suyun arıtımı için uygulanan başlıca teknolojiler, ters osmoz, distilasyon ve elektrodiyaliz sistemleridir. Bu sistemler içerisinde deniz suyu arıtımı için dünya ölçeğinde kabul görmüş teknoloji ters osmoz teknolojisidir. Dünya da yaşanan bu kuraklıklar ve beraberinde su kıtlığı ile birlikte, kentsel atıksuların arıtılıp yeniden kullanımı büyük bir önem kazanmıştır. Son yıllarda Dünya da bu konuda 71

86 yapılan çalışmalara hız verilmiştir. Arıtılmış atıksu doğrudan ve dolaylı olmak üzere iki şekilde geri kullanılabilmektedir. Dolaylı kullanım, planlı ve plansız olmak üzere iki şekilde olmaktadır. Geri kazanılan atıksu, tarımsal sulamada, park ve bahçe sulamada, endüstriyel soğutma veya proses suyu olarak, yeraltı suyunun suni beslenmesi, reakreasyonal (göller ve havuzlar, nehir debilerinin artırılması, balıkçılık), kullanma suyu (yangın suyu, tuvaletler vb.) ve içme suyu maksatlı olarak kullanılabilir. Membran sistemleri, atıksuların arıtılıp tekrar kullanımında ön plana çıkan en önemli arıtım proseslerinden birisidir. Dünya da geri kazanılan atıksu miktarı, 2005 yılında 19.4 milyon m 3 olmuş ve 2010 yılında bu değerin 33.7 milyon m 3 ve 2015 yılında ise 54.5 milyon m 3 çıkması beklenmektedir. Atıksu geri kazanım endüstrisi, desalinasyona göre daha hızlı gelişmektedir. Bunun sebepleri, ABD, Avrupa ve Avustralya nın geri kazanımı desteklemesi, Æin, Ortadoğu ve Kuzey Afrika ülkelerinde atıksu alt yapının tamamlanmaya başlaması ve atıksu arıtma (daha çok membran teknolojilerinde) maliyetinin azalmasıdır. Atıksu geri kazanımının maliyeti, 30 US cent/m 3 civarında değişirken, desalinasyon maliyeti, tuzluluğa ve ön arıtmaya bağlı olmakla birlikte US cent/m 3 aralığında değişmektedir (Koyuncu ve Özturk, 2008). Gelecekte maliyetlerin daha da aşağıya çekilmesi (düşük basınçta çalışan yeni membran üretimi vb) ile birlikte membran sistemleri, içme ve kullanma suyu temininde daha etkin rol üstlenecektir. Kaynaklar 1. Koyuncu, İ ve Öztürk, İ. (2008) Arıtılmış Kentsel Atıksuların Sulama ve Kullanım Suyu Olarak Geri Kazanımı, Kent Yönetimi, İnsan ve Æevre Sorunları Sempozyumu, 2-6 Kasım 2008, İstanbul. 2. WWF-Türkiye (2008) 72

87 Nanofiltrasyon Prosesi ile Deterjan Üretimi Yıkama Sularının Geri Kazanımı Yasemin Kaya, Hulusi Barlas, Semiha Arayıcı Ġstanbul Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Avcılar, Ġstanbul 34320, Türkiye Endüstrileşmenin ve nüfus artışının büyük bir hız kazandığı dünyamızda, su kaynakları giderek azalmakta ve kirlenmektedir. Pek çok işletme son 10 yılda dünya gündemine gelen sürdürülebilir kalkınma, atıkların kaynağında önlenmesi, ISO ve son olarak da IPPC-Direktifi kavramlarının etkisiyle atıksularını oluşturmamaya, en aza indirmeye ve oluşanı da tekrar kullanmaya çalışmaktadırlar. Bu çerçevede su arıtımı ve atık geri kazanımının gün geçtikçe önem kazanması ile birçok endüstride membran teknolojilerinin kullanımı gündeme gelmektedir. Kesikli işletilen tesislerde her üretim sonrasında, kirlilik oluşumunu engellemek için üretimin yapıldığı tanklar temizlenmek zorundadır. Yapılan bu temizleme işlemine Cleaning-in-Place (CIP)-Yerinde Yıkama adı verilmektedir. Deterjan üretimi yapılan kesikli sistemlerde de üretim yapılan tanklar her ürün değişiminden sonra temizlenmektedir. Şampuan, sıvı bulaşık deterjanı, duş jeli, sıvı sabun gibi ürünlerin üretildiği tankların yıkanması sonucu yüksek miktarda yüzey aktif madde içeren proses atıksuları oluşmaktadır. Bu tip atıksularda üretilen ürünün bileşimine bağlı olarak tuz, boyarmadde, parfüm, koruyucu maddeler ve nemlendirici maddeler de bulunabilmektedir. Deterjan ürünlerinin üretiminde CIP temizleme işlemi, üretim tesisine entegre edilen yıkama tertibatı yardımıyla yarı otomatik olarak yapılmaktadır. Tanklarda CIP işlemi iki kademeli olarak gerçekleşmektedir. 1. adımda tank sıcak suyla yıkanmakta ve ürün kalıntıları 60-70ºC sıcak musluk suyu ile çözülmektedir. Bu işlemin arkasından yapılan 2. adımda ise tank, tesisi steril tutmak için deiyonize su ile yıkanmaktadır. Her iki temizleme adımında da su ve ürün kaybı ortaya çıkmaktadır. Özellikle 1. yıkama adımında ortaya çıkan aşırı kirlenmiş atıksular yüksek miktarda KOİ ( mg/l) içermektedir. Ekonomik olarak değerli olan bu atıksuların arıtma maliyetleri de oldukça yüksektir. Tesisteki toplam arıtma maliyetinde bir azalma sağlamak için öncelikle CIP işleminin 1. adımında ortaya çıkan atıksuyun geri kazanımı gerekmektedir. CIP işleminin 2. adımında ortaya çıkan atıksu ise nispeten düşük KOİ yükü ( mg/l) nedeniyle, 1. adımda yıkama suyu amaçlı olarak kullanılmaktadır. Deterjan üretimi sonrası oluşan CIP proses atıksuları ayrı toplanarak depolanıyorsa, membran prosesleri kullanılarak konsantre halde ürün kazanımı mümkün olabilmektedir. Membranlardan elde edilen süzüntü ise üretimde ya da tankların yıkanmasında kullanılabilmektedir. Literatürde, deterjan üretimi sonrası ortaya çıkan CIP atıksuyunun geri kazanımı ile ilgili sayılı araştırma bulunmakta ve öncelikli olarak bu çalışmalarda ultrafiltrasyon prosesinin kullanıldığı dikkati çekmektedir. Söz konusu bu proses ile elde edilen konsantrede, ürün geri kazanımının sağlandığı fakat yüzey aktif maddeler kritik misel konsantrasyonu değerlerinin üzerinde bulunduklarından monomerlerin membrandan geçmesiyle iyi kalitede süzüntüler elde edilemediği, yüzey aktif maddeler dışında atıksuda bulunan boyarmadde ve tuz gibi diğer maddelerin ise dikkate alınmadığı görülmüştür [1 73

88 4]. Yapılmış olan çalışmalar ışığında eksiklikleri gidermek ve ultrafiltrasyon prosesine alternatif olmak üzere; bu çalışmada sıvı bulaşık deterjanı üretimi yapılan tankların yerinde yıkanması sonucu oluşan CIP atıksularından, nanofiltrasyon prosesi ile, hem üretimde kullanılan maddelerin ve hem de iyi kaliteye sahip proses suyunun geri kazanılması amaçlanmıştır [5]. Æalışma için deterjan, sabun ve kişisel bakım ürünleri üreten bir fabrikadan, sıvı bulaşık deterjanı üretimi yapılan tanklara uygulanan CIP işleminin 1. adımı sonrası oluşan atıksudan numunesi alınmış ve bu atıksuda anyonik yüzey aktif madde (lineer alkil benzen sülfonik asit-labs ve sodyum lauril eter sülfat-sles), nonyonik yüzey aktif madde (nonil fenol etoksilat-npe), boyarmadde (Tartrazin) ve tuz (NaCl) ölçümü yapılmıştır. Fabrikadan alınan bilgiler doğrultusunda son ürün sıvı bulaşık deterjanı örneğindeki değerler ile atıksuda ölçülen değerler oranlanarak CIP işleminden sonra tankta kalan maddelerin 10 kat seyreldiği belirlenmiştir. Sıvı bulaşık deterjan üretiminde kullanılan maddelerin CIP işlemi sonrasında farklı oranlarda (5, 10 ve 20 kat) seyrelebilmesi durumu da göz önüne alınmış ve CIP5, CIP 10 ve CIP20 adı verilen model atıksular ile deneyler yapılmıştır. Æalışmanın amacına yönelik olarak yüksek konsantrasyonlarda yüzey aktif madde içeren CIP atıksuyunun membranda oluşturacağı akı kayıplarının nedenleri de araştırılmıştır. Bunun için membranlarda Kirlenme den ve Konsantrasyon Polarizasyonu ndan kaynaklanan akı kayıpları ayrı ayrı hesaplanmıştır. Membranlarda meydana gelen kirlenme Temas Açısı ve Atomik Kuvvet Mikroskopisi (AFM) ölçümleri ile değerlendirilmiştir. Æalışmada kullanılan toplam alanı 80 cm 2 olan plaka tipi polietersülfon (PES) malzemeden üretilmiş nanofiltrasyon membranları FM NP010 (MWCO:1000 Da) ve FM NP030 (MWCO: 400 Da) Microdyn-Nadir GmbH dan, temin edilmiştir. Æalışmada kullanılan laboratuvar ölçekli membran sistemi, OSMOTA firmasından temin edilmiş olup, deneyler çapraz akış düzeninde gerçekleştirilmiş ve süzüntü ayrı bir kapta toplanırken, konsantre besleme tankına geri devir ettirilmiştir (konsantrasyon modu). Deneylerde elde edilen süzüntü ve konsantrede anyonik ve nonyonik yüzey aktif madde, boyar madde, klorür ve KOİ ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Æalışmanın ilk bölümünde CIP5, CIP10 ve CIP20 model atıksuları 4 farklı basınç değerinde (8, 12, 16 ve 20 bar) FM NP010 membranından geçirilerek atıksuda bulunan maddelerin konsantre edilmesi amaçlanmıştır. Sıcaklık (T) 25 o C, ph 5, debi (Q) 3 L/dak, çapraz akış hızı (υ) 0,16 m/sn, deney süresi 4 saat ve besleme hacmi (V) 7 litre olarak sabit alınmıştır. Æalışmanın son bölümünde model atıksular için en iyi kalitede süzüntünün ve geri kazanım oranının sağlandığı basınç değerinde elde edilen kompozit süzüntüler beş farklı basınç değerinde (12, 16, 20, 30 ve 40) FM NP030 membranından geçirilerek süzüntü kalitesinin iyileştirilmesi amaçlanmıştır (Sıcaklık (T) 25 o C, ph 5, debi (Q) 3 L/dak, çapraz akış hızı (υ) 0,16 m/sn). Bu membranda deney süresi esas alınmamıştır. Sabit bir VRF (Volume Reduction Factor-Hacim Azalma Faktörü) değeri göz önüne alınmış ve bütün membranlardan eşit miktarda atıksu geçirilerek deneyler VRF değeri 5 olana kadar devam ettirilmiştir. Yapılan deneylerin sonuna CIP5 atıksuyunun CIP10 atıksuyuna göre membranda daha yüksek akı kayıplarına neden olduğu görülmüştür. CIP10 atıksuyu ise CIP20 atıksuyuna oranla membranda daha yüksek akı kayıpları meydana getirmiştir. Dolayısıyla CIP atıksuyunun içerdiği maddelerin konsantrasyonu arttıkça membranda meydana gelen akı kaybı da artmıştır. Membranda 8, 12, 16 ve 20 bar için CIP atıksuyunda meydana gelen akı kaybı sıralaması CIP5>CIP10>CIP20 şeklinde olmuştur. CIP5, CIP10 ve CIP20 atıksularının geçirildiği membranlarda yapılan temas açısı ölçümlerinden ve AFM görüntülerinde de, membranda meydana gelen kirlenmenin atıksuyun konsantrasyonuna bağlı olarak arttığı anlaşılmaktadır. Oldukça yüksek KOİ değerlerine sahip CIP 5, CIP 10 ve CIP 20 atıksularında % 100 e yakın KOİ giderimi sağlanabilmiştir. 74

89 Süzüntü kalitesinin iyileştirildiği FM NP030 membranı ile yapılan deneyler sonrasında da en yüksek akı kayıplarına CIP5 kompozit süzüntüsünün neden olduğu görülmüştür. Üç kompozit süzüntü için de, basınç arttığında membranda meydana gelen akı kaybı azalmıştır. Özellikle 30 ve 40 barda, membranda çok fazla kirlenmeden kaynaklanan akı kayıpları görülmemiştir. 40 barda yapılan deneyler sonrasında FM NP030 membranında daha iyi kalitede kompozit süzüntüler elde edilmiştir. 5 farklı basınçta elde edilen kompozit süzüntüler tamamen renksiz ve boyarmadde konsantrasyonu 0 mg/l olarak bulunmuştur. FM NP030 membranında yapılan temas açısı ve AFM ölçümlerinden membranın çok fazla kirlenmeye maruz kalmadığı görülmüştür. Deneysel çalışmalar sonunda, yüksek konsantrasyonlarda yüzey aktif madde içeren CIP atıksuyunun nanofiltrasyon membranında ciddi kirlenmelere neden olmadığı görülmüştür. Tam aksine, elde edilen sonuçlar yüzey aktif maddelerin membran üzerinde temizleyici bir etki yapabileceklerini göstermektedir. Nanofiltrasyon prosesi ile CIP atıksuyunda bulunan maddelerin kantitatif olarak geri kazanımı sağlanabilmiştir. Bu atıksudan 1. adım nanofiltrasyon prosesi ile elde edilen konsantre çözeltiler üretimde tekrar değerlendirilebilir duruma getirilmiştir. CIP atıksuyunda bulunan yüzey aktif maddeler ve boyarmaddenin geri kazanılmasının yanı sıra ikinci adımda kullanılan membrandan elde edilen süzüntüler doğrudan yıkama suyu olarak kullanılabileceği gibi ikincil bir nanofiltrasyon işlemi ile tesisin diğer üretimlerinde proses suyu olarak da kullanılabilecektir. Kaynaklar 1. GOERS, B., MEY, J., WOZNY, G., 2000, Optimised product and water recovery from batch-production rinsing waters, Waste Management, 20, WENDLER, B., GOERS, B., WOZNY, G., 2002, Regeneration of process water containing surfactants by nanofiltration-investigation and modelling of mass transport, Water Science and Technology, 46 (4), XIARCHOS, I., DOULIA, D., GEKAS, V., TRÄGÅRDH, G., 2003, Polymeric ultrafiltration membranes and surfactants, Separation and Purification Reviews, 32 (2), KAYA, Y., AYDINER., BARLAS, H., KESKİNLER, B., 2006, Nanofiltration of single and mixture solutions containing anionics and nonionic surfactants below their critical micelle concentrations (CMCs), J. Membr. Sci. 282, KAYA, Y., 2007, Nanofiltrasyon İle Proses Sularından Organik Maddelerin Geri Kazanımının Araştırılması, Doktora Tezi, İ.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü. 75

90 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım

91 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 Membran Biyoreaktörlerin (MBR) Çamur Minimizasyonundaki Rolü Özlem Demir, Ayşe Filibeli * Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi,Çevre Mühendisliği Bölümü, Kaynaklar Kampüsü, 35160, Buca, Ġzmir ayse.filibeli@deu.edu.tr Yasal sınırlamalar, çamur işleme ve uzaklaştırma maliyetindeki artışlar gibi sebepler, arıtma tesislerinde oluşan çamur miktarının azaltılmasına yönelik yeni stratejilerin araştırılmasını gündeme getirmektedir. Son yıllarda arıtma proseslerinde daha az çamur üretimi sağlamak için yapılan çalışmalar giderek hız kazanmıştır. Æamurun uzaklaştırılması ile ilgili yaşanan sorunları ortadan kaldırmaya yönelik, kaynakta çözüm arayışları gündeme gelmiştir. Æamurla ilgili problemleri çözmek için en ideal yol, üretilen çamurun sonradan arıtılması yerine atıksu arıtma tesisinde çamur üretimini azaltmaktır. Æamur miktarının kaynağında azaltılması, arıtma tesislerinde çamur işleme ünitlerinin yatırım ve işletme maliyetinin azaltılması, taşıma maliyetinin minimize edilmesi ve bertaraf etme işlemlerinin kolaylaşması açısından oldukça önemlidir. Evsel/kentsel atıksuların arıtılmasında en yaygın kullanılan metot olan aktif çamur prosesinde çözünmüş ve askıda organik kirleticilerin biyokütleye dönüşümü sonucunda aşırı çamur adı verilen büyük miktarlarda katı madde üretilmektedir. Üretilen bu çamurun belli bir arıtımdan geçmesi gerektiği için ilave birçok prosese ihtiyaç duyulmaktadır. Bu da büyük yatırım maliyetleri gerektiren büyük tesisler demektir. Daha da önemlisi çoğu durumda bu tesislerin inşaası için yeterli alan mevcut değildir. Bu gibi durumlarda hem üretilen çamuru, hem de gerekli alan ihtiyacını minimize eden kompakt bir sistem olan membran biyoreaktörlerin kullanımı doğru bir yaklaşım olacaktır. Membran biyoreaktörler (MBR), klasik aktif çamur proseslerine göre daha az çamur üretimi, mükemmel çıkış suyu kalitesi, az alan kaplaması ve işletiminin esnekliği gibi avantajları vardır. Bu nedenle, son yıllarda atıksu arıtımı için alternatif bir biyolojik arıtım prosesi haline gelmiştir. Biyolojik arıtma ile birleşik membran teknolojisi, büyük bir kısmı biyolojik olarak parçalanabilir organik atıklara uygulanabilmektedir. Uzun bir çamur yaşında işletilen tipik bir membran biyoreaktör aşırı çamur üretimini azaltabilir. Bir membran biyoreaktör yüksek bir organik yüklemede bile çıkış suyu kalitesini bozmadan her zaman yüksek çamur konsantrasyonunu sağlayan uzun bir çamur yaşını kolaylıkla sağlayabilir. Membran teknolojisi, membran filtrasyon ile atıksudaki kirleticilerin biyolojik olarak parçalanmasını birleştiren bir teknolojidir. Membran filtrasyon, organik ve inorganik kirleticilerin, evsel ve endüstriyel atıksulardan gelen biyolojik materyallerin etkin bir şekilde giderimini sağlar. Bir membran biyoreaktörde, membran gözeneğinden daha büyük biyokütleye ait tüm bileşenler tutulur. Klasik aktif çamur prosesinde son çöktürme tankında sadece aktif çamurun flok formunun bir kısmı çöker ve alıkonabilir. Membran filtrasyon ile membran gözeneğinden daha büyük boyuttaki katı partiküllerin ayrılması, aktif çamurun çökelme kalitesinden bağımsızdır, sadece membrana bağlıdır. Bir membran biyoreaktörde, biyokütle kompozisyonu ve yapısı bir klasik aktif çamur prosesinden gözle 77

92 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 görülür derecede farklıdır. MBR de hem flok yapıdaki hem de kolloidal haldeki mikroorganizmalar alıkonurken, aktif çamurda flok halinde olmayan mikroorganizmalar alıkonamaz. Membran biyoreaktörlerin performansı membran materyali, modülün konfigürasyonu, membran işletim şartları (akış, transmembran basınç, yıkama ), biyolojik işletim şartları (sıcaklık, çamur yaşı) ve aktif çamurun özelliklerinden etkilenebilir. Aktif çamur askıdaki partikülleri çeşitli organizmalar, kolloidler ve çözünen maddelerden oluşur Membran biyoreaktörde MLSS konsantrasyonu, atıksu özellikleri ve diğer tasarım parametrelerine uygun konsantrasyona kadar arttırılabilir. Daha yüksek çamur biyokütlesi, organik yüklemelerdeki dalgalanmalardan bağımsız olarak atıksu arıtımının stabil olmasına imkan verir ve tesis boyutunda bir azalma mümkün olabilir. Biyokütleyi çıkış suyundan ayırmak için membranların kullanılması aynı zamanda biyokütleyi çöktürmek için büyük çöktürme tanklarına olan ihtiyacı da elimine eder ve böylece de sistem daha az yer kaplamış olur. Bir başka deyişle, membran biyoreaktörler çamur yaşı ve hidrolik alıkonma süresi (HRT) üzerinde daha büyük bir kontrole sahiptir, çünkü biyokütleyi ayırmak için graviteli çökelme yerine membran filtrasyon kullanılır. Bu da, daha az çamur üretimine neden olan daha yüksek çamur yaşı ve daha yüksek yükleme hızında işletime imkan tanır ve gerekli hidrolik alıkonma süresini kısaltır. Aerobik sistemlerde, çamur verimini azaltmanın yollarından biri çamur yaşını artırmaktır. Mikroorganizmalar, organik substratı iki amaçla kullanırlar: daha fazla biyokütle sentezi ve hücre bakımı. Mikroorganizmalar, enerjilerinin bir kısmını yaşamsal faaliyetlerini devam ettirmek için kullanırlar. Æamur üretimi, bu metabolizmanın aktivitesi ile ters orantılıdır. Bu metabolizma ne kadar çok çalışırsa o kadar az çamur üretilmiş olacaktır. Yaşamsal faaliyetleri devam ettiren bu metabolizmada substrat yeni hücresel kütlelere dönüşmez. Substrat aerobik parçalanmanın son ürünleri olan karbondioksit ve suya dönüşmektedir Hücre bakımı için gereken bu enerji içsel metabolizma ile sağlanabilmektedir. İçsel metabolizmanın en büyük avantajı daha az biyokütle üretmesidir. İçsel metabolizmada, hücre bileşenlerinin bir kısmı yaşamsal fonksiyonlara enerji üretmek için okside edilir. İçsel metabolizma, çamur yaşının kontrolünü sağlayarak çamur üretiminin minimizasyonunu gerçekleştiren bir metottur. Gözlenen verim (Y obs ), içsel solunuma bağlı olarak gerçek verimden (Y) düşüktür. Bu işletim şeklinde, gelen tüm substratın büyüme yerine hücre bakımı için kullanılması ve böylece hiç veya çok az çamurun üretilmesi söz konusudur ve bu işletim, reaktör içinde düşük F/M oranına neden olan yüksek çamur yaşının meydana getirdiği substrat sınırlamasının olduğu şartları gerektirir. Æamur yaşını arttırma yoluyla çamur üretimini azaltmayı sağlamak için membran biyoreaktörler, alternatif bir yaklaşımdır. Membran biyoreaktörlerde, yüksek çamur yaşı ve düşük F/M oranına neden olan yüksek MLSS konsantrasyonunun sağlanması mümkün olmaktadır. Membran biyoreaktörlerde yüksek çamur yaşı, besin zincirindeki bakteriyel hücreleri yiyerek aşırı biyokütle üretimini azaltan daha yüksek seviyedeki mikroorganizmaların çoğalmasına müsaade eder. Yüksek çamur yaşı ile işletilen membran biyoreaktörlerde düşük F/M oranı ile yüksek MLSS, hücre lizizini ve kriptik büyümeyi destekleyerek, sonuç olarak az çamur üretimini sağlar. Æamur üretiminin azaltılması amacına yönelik kriptik büyümenin uygulanabilir bir yaklaşım olduğu zaten bilinmektedir. Hücre lizizi ortama hücre içeriklerini salar, böylece organik yüklemeye katkısı olan bir substrat üretilmiş olur. Bu organik substrat mikrobiyal metabolizmada tekrar kullanılır ve karbonun bir kısmı solunumun ürünü olarak serbest bırakılır ve indirgenmiş biyokütle üretilir. Bu substrat üzerinde oluşan biyokütle büyümesi orijinal organik substrattaki büyümeden ayrılamaz ve bu yüzden kriptik (gizli) büyüme olarak tanımlanır. Liziz-kriptik büyümede iki kademe vardır: liziz ve biyodegredasyon. 78

93 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 Liziz-kriptik büyümenin hız sınırlayıcı basamağı liziz basamağıdır ve liziz veriminin artması çamur üretiminin azalmasına yol açar. Son zamanlarda membran biyoreaktörler, yüksek biyokütle konsantrasyonunu sağlamak, çamur üretimini azaltmak ve reaktör hacmini minimize etmek için yüksek çamur yaşlarında (SRT) ( gün) işletilmektedir. Kısacası, membran biyoreaktörlerde, çamur katı maddeleri ve çıkış suyunun ayrılması için çökeltim tanklarının yerine membranların kullanılması, çamur yaşının hidrolik alıkonma süresinden bağımsız olarak kontrol edilmesini sağlamaktadır. Uzun alıkonma süresi membran biyoreaktörlerin daha yüksek çamur konsantrasyonlarında işletimine imkan tanır. Daha yüksek çamur konsantrasyonu daha az çamur yükleme hızı demektir. Mikroorganizmalar, besini, yaşamsal fonksiyonları için kullanırlar, sonuçta büyümek için daha az besin kalır. Æamur yükleme hızı yeterince düşük hale geldiği zaman az çamur üretilir veya hiç çamur üretilmez. Membran biyoreaktörlerle ilgili literatürdeki birçok çalışma işletim sırasında hiç çamur çekilmediğini göstermektedir. Birçok araştırmacı çamur alıkonmasının tam olarak sağlandığını onaylamıştır. Bu işletim modeli, sınırlı çamur üretimi veya sıfır net büyüme ile karakterize edilir. Sınırlı çamur üretimi işletim maliyetinin azaltılması yönüyle caziptir. Bu bildiri kapsamında, membran biyoreaktörlerin çamur üretiminin azaltılmasındaki rolü ve diğer biyolojik arıtma sistemlerine göre avantajları değerlendirilerek tartışılmaktadır. 79

94 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım

95 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 Batık Membran Biyoreaktörde Farklı Mikrofiltrasyon Membranların Kirlenme Özelliklerinin İncelenmesi Nadir Dizge, Ahmet Karagündüz*,, Bülent Keskinler Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Çevre Mühendisliği Bölümü, Gebze, 41400, Kocaeli akaragunduz@gyte.edu.tr*,, ndizge@gyte.edu.tr, bkeskinler@gyte.edu.tr Biyolojik arıtma, evsel ve endüstriyel atıksuların arıtılması ve geri kazanılmasında kullanılan önemli bir prosestir. Son yıllarda, daha ekonomik üretilebilen mikrofiltrasyon (MF), ultrafiltrasyon (UF), nanofiltrasyon (NF) ve ters ozmoz (RO) membranları biyolojik arıtmada yeni bir konseptin doğmasına sebep olmuşlardır. Yaygın olarak kullanılan bu uygulama membran biyoreaktörler (MBR) olarak adlandırılmaktadır. Bu yeni teknolojinin klasik proseslere göre uygulanabilirlik, küçüklük ve hepsinden önemlisi atıksuyun mükemmel arıtılması gibi bir çok avantajları vardır. Yüksek kalitede ve kusursuz dezenfekte çıkış suyunun elde edilmesi membran biyoreaktörlerin içme suyu, endüstriyel ve evsel atıksu arıtımı gibi amaçlar için kullanılmalarını sağlamıştır [1]. Membran biyoreaktörler, biyolojik parçalanmada rol oynayan askıda katı mikroorganizmaların arıtılmış sudan bir membran filtrasyon ünitesi ile ayrılmış iki ana prosesin kombinasyonu ile oluşan sistemlerdir. Membran biyoreaktörlerin iki değişik uygulama tarzı vardır. Birincisinde, ayrışma ve ayırma işlemi aynı reaktörde gerçekleşmektedir. Karışım biyoreaktörden pompalanarak basınç altında membrandan filtrelenmekte ve süzüntü (permeate) desarj edilirken membranda tutulan biyokütle reaktöre geri devrettirilmektedir. İkincisinde ise ayrışma ve ayırma işlemi ayrı reaktörlerde gerçekleşmekte ve süzüntü akımı vakum ile çekilmektedir. Batık MBR prosesinde membran kesitindeki basınç yalnızca membran boyunca emme ile veya biyoreaktörü yeterli basınç altında tutarak uygulanabilir. Geri devirli MBR' de ise membran kesitindeki basınç, membran boyunca akımı geri devrettirerek meydana getirilebilir. Bu metot oldukça yaygın bir şekilde kullanılmaktadır [2 4]. Bu çalışmanın amacı, sabit çamur yaşında (10 gün) işletilen batık membran biyoreaktörde 4 farklı 0.45 µm mikrofiltrasyon membranların [selüloz asetat (SA), polisülfon (PS), karışık ester (KE), polikarbonat (PK)] kirlenme özelliklerinin ve çıkış suyu kalite parametrelerinin çözünebilir mikrobiyal ürünler (SMP) açısından incelenmesidir. Deneylerde kullanılan aktif çamur tesisi 50 L hacminde olup havalandırma reaktörün altına bir adet difüzör yerleştirilerek blover vasıtasıyla gerçekleştirilmektir. İstenilen sabit çamur yaşını ayarlamak için biyolojik reaktör çıkışı bir çökeltim tankına bağlanarak burada katı sıvı ayrımı gerçekleştirildikten sonra çamur çökeltim tankının altından havalandırma tankına diyaframlı dozlama pompası yardımı ile geri devir ettirilmektir. Æamur yaşı havalandırma tankından belirli aralıklarla çamur atılarak ayarlanmaktadır. 4 adet düz tabaka membran modülü havalandırma tankına batırılarak sistemin hem klasik aktif çamur sistemi hemde batık mebran biyoreaktör olarak çalışması sağlanmaktadır. Gebze Organize Sanayii Bölgesi Bilim İlaç Arıtma Tesisi havalandırma havuzundan alınan aktif çamur sisteme aşılanmış ve 2 gün havalandırıldıktan sonra 5 gün kesikli çalıştırılmıştır. 7. gün sonunda son çöktürme tankı devreye alınarak sürekli sisteme geçilmiş ve çalışmalar halen geri devirli sürekli sistemde devam etmektedir. Deneyde kullanılan atıksu, gerçek atıksu özelliklerindeki dalgalanmaları minimize etmek açısından 81

96 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 laboratuarda sentetik olarak hazırlanmaktadır. Karbon, azot ve fosfor kaynağı olarak sırasıyla glikoz, üre/amonyum sülfat ve potasyumdihidrojenfosfat/dipotasyumhidrojenfosfat kullanılmaktadır. Sentetik atıksu biyoreaktöre 100 L/gün debi ile beslenerek hidrolik kalış süresi 12 saate ayarlanmıştır. Æalışmanın 1. periyotunda, havalandırma tankından her gün 5 L çamur atılarak çamur yaşı 10 güne ayarlanmıştır. Biyoreaktörden hergün alınan atıksu numunelerinde KOİ, AKM, EPS, SMP, hidrofibisite, SVI, ph, sıcaklık, çözünmüş oksijen, viskozite değerleri ölçülmektedir. 10. çamur yaşında işletilen biyoreaktöre 4 farklı 0.45 µm mikrofiltrasyon membranlarını (selüloz asetat, polisülfon, karışık ester, polikarbonat) içeren modüller daldırılmış ve 1 gün boyunca akı toplanmıştır. Seri direnç modeli kullanılarak membranların kirlenme özellikleri ve çıkış suyu kalite parametreleri incelenmesidir. Sonuç olarak, aynı por boyutuna (0.45 µm) sahip olan 4 farklı mikrofiltrasyon membranlardan karışık ester en yüksek denge akısına sahipken selüloz asetatın en yüksek başlangıç akısına sahip olmasına rağmen en düşük denge akısına sahip olduğu görülmüştür. Denge akıları sırasıyla KE PS>PK>SA dır. Rölatif hidrofobisite analizleri membran yüzeyinde hidrofobisitenin %87.07 değerinden SA, PS, KE, PK membranları için sırasıyla %77.84, %58.25, %56.47, %49.12 değerine düştüğünü göstermiştir. Bunun nedeni membranların yüzeyinde tutunan SMP ve EPS lerde ki protein ve karbohidratların membranlara hidrofilik özellik kazandırmaları olabilir. KOİ giderme verimleri ise SA, PS, KE, PK membranları için sırasıyla %37.91, %16.99, %23.04 ve %21.57 dir. Süzüntüde yapılan SMP analizleri neticesinde protein giderme veriminin sırasıyla SA (%67) > PK (%62) > KE (%53) > PS (%25), karbohidrat giderme veriminin ise SA (%46) > KE (%29) > PS (%27) > PK (%15) olduğu görülmüştür. Kaynaklar 1. Aya, H., Inoue, G., Okabe, T., and Murayama, Y., Development of Compact Wastewater Treatment Plants for Non-potable Water Reuse System, Water Reuse Symposium, Washington, D.C, 1981, Arika, M., Kobayashi, H., and Kihari, H., Pilot Plant Test of an Activated Sludge Ultrafiltration Combined Process for Domestic Wastewater Reclamation, Desalination, 1977, 23, Manem, J., Trouve, E., Beaubien, A., Huyard, A., and Urbain, V., Membrane Bioreactor for Urban and Industrial Wastewater Treatment: Recent Advances. 66 th Annual Conference, 1993, 51 59, Anaheim, California, USA. 4. Knoblock, M.P., Sutton P.M., Mishra, P.N., Gupta, K., Janson, A., Membrane Biological Reactor System for Treatment of Oily Wastewaters, Water Environment Research, 1994, 66,

97 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 Tübüler Membran Biyoreaktör Sistemi ile Kentsel Atıksuyun İleri Arıtımı: Pilot Tesis Deney ve İşletme Çalışmaları Duygu Topaloğlu, Turgay Dere, Recep İleri Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 54187, Adapazarı Bu çalışmada kentsel atıksuyun tübüler membran biyoreaktör sistemi ile ileri seviyede arıtımı amaçlanmıştır. Æalışmalar sırasında Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOI), Biyokimyasal Oksijen İhtiyacı (BOI), Toplam Azot (TN), Toplam Fosfor (TP), Askıda Katı Madde (AKM), Bulanıklık ve Renk gibi parametrelerin ölçümü yapılarak sistemin performansı gözlenmiştir. Son yıllarda kullanımı yaygınlaşan membran biyoreaktörler 1960 lı yıllarda Dorr Oliver tarafından evsel atıksuların arıtımında kullanılmıştır.(cao et al., 2005) Membran biyoreaktör sistemleri katı/sıvı ayrımında etkili performans sergilemektedirler. Klasik aktif çamur sistemleriyle kıyaslandıklarında daha yüksek oranda biyokütle konsantrasyonu, daha iyi biyolojik parçalanma, yüksek kalitede çıkış suyu elde edilmesi, daha az çamur üretimi ve daha az alan ihtiyacı gibi avantajlara sahiptirler.(cao et al., 2005; Chu and Li, 2006; Farizoglu and Keskinler, 2006; Gonzaleza et al., 2008; Dialynas and Diamadopoulos, 2009). Membran biyoreaktörler, atıksuların arıtılmasında biyolojik çamurun ayrıştırılmasında ve organik maddelerin gideriminde başarılı sonuçlar vermektedir (Zhang et al, 2006). Son yıllarda, membran biyoreaktör sistemlerinin evsel atıksuların arıtımında kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Evsel atıksuların arıtımında oldukça yüksek oranlarda askıda katı madde, kimyasal oksijen ihtiyacı ve toplam organik karbon giderimi sağlanmaktadır. (Wintgens et al., 2003; Dialynas and Diamadopoulos, 2009). Ayrıca membran biyoreaktörlerden elde edilen yüksek kalitedeki çıkış suyu bakteri gibi patojenleri muhteva etmediğinden dezenfeksiyon ihtiyacı yoktur, elde edilen çıkış suları ise evsel ve endüstriyel amaçlı kullanılabilmektedir. (Xing et al., 2000; Cao et al., 2005; Farizoglu and Keskinler, 2006). Membran biyoreaktör sistemleri, evsel atıksuların yanında kozmetik, ilaç, tekstil, metal, kimya, mezbaha ve kağıt sanayi atıksularının arıtılmasında da başarıyla uygulanmaktadır (Badania et al., 2005). Bu sistemlerde çökelme tankı olmadığından yatırım maliyetleri klasik aktif çamur sistemlerine göre daha az, işletme maliyetleri ise sistemin yüksek enerji ihtiyacı ve membran ömürlerinin kısa oluşu dolayısıyla daha yüksektir (Wintgens et al., 2003). Deneysel çalışmalar, laboratuar ölçekli çalışma hacmi 40 L olan ardışık kesikli reaktör (SBR) ile tübüler membranın entegresinden oluşturulan Membran Biyoreaktör (MBR) sistemi ile yürütülmüştür. Cam malzemeden yapılan reaktörün taban kenarları 35 cm, yüksekliği 45 cm dir. Havalandırma reaktöre yerleştirilen hava taşlarıyla, reaktör içinde çözünmüş oksijen konsantrasyonu 2 mg/l nin üzerinde olacak şekilde dakikada 2500 cm 3 hava pompalayan çift çıkışlı akvaryum pompası ile sağlanmıştır. Reaktörde karışımı sağlamak amacıyla 1200 devir/dakikada sabit olarak çalıştırılan mekanik karıştırıcı kullanılmıştır. Reaktöre atıksu beslemesi ve boşaltılması peristaltik pompalar ile gerçekleştirilmiştir. Polipropilenden yapılmış olan tübüler membranın uzunluğu 1.5 m, çapı 0.55 cm, filtrasyon alanı 250 cm 2, gözenek boyutu 0.2 µm, serbest akım alanı

98 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 cm 2 ve ortalama transmembran basıncı 3.90 bar dır. Æalışmada kullanılan membran biyoreaktörün şematik gösterimi Şekil 1 de gösterilmiştir. Ardışık Kesikli Reaktör Tübüler Membran Dengeleme Tankı Şekil 1. Tübüler membran biyoreaktörün şematik gösterimi Deneylerde, Adapazarı Karaman Kentsel Atıksu Arıtma Tesisi kum tutucu çıkışından atıksu ve aynı tesisin aktif çamur çıkışından alınan aktif çamur kullanılmış olup, kullanılan atıksuyun karakterizasyonu Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1. Æalışmada Kullanılan Kentsel Atıksuyun Karakterizasyonu Parametre Birim Ortalama Değer KOI mg/l 275 BOI mg/l 142 TN mg/l 125 TP mg/l 6.3 AKM mg/l 134 Sıcaklık o C 20 ph İletkenlik ms 2.4 Bulanıklık NTU 136 Renk m Kentsel nitelikli atıksuların tübüler membran biyoreaktörde arıtılmasıyla ilgili yapılan deneysel çalışmalarda yedi adet parametre (KOI, BOI, Toplam Azot, Toplam Fosfor, AKM, Renk, Bulanıklık) ölçülerek sistemin arıtma verimi incelenmiştir. Şekil 2 ve Şekil 3 e bakıldığında tübüler membran biyoreaktörde KOI ve BOI için yüksek oranlarda giderme verimleri elde edilmiştir. Ortalama KOI giderme verimi %93, ortalama BOI giderim verimi %97 dir. 84

99 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 a b Şekil 2.Tübüler membran biyoreaktördeki KOI ve BOI çıkış konsantrasyonun değişimi Ötrofikasyona yol açan azot ve fosfor elementleri alıcı ortamlar için önemli parametrelerdir. Ötrofikasyon su kalitesinde önemli problemlere neden olmaktadır. Bu nedenle sularda ötrofikasyonun önüne geçmek için en etkili yöntem sulara gelen azot ve fosfor miktarını azaltmaktadır. Şekil 2 de toplam azot ve toplam fosfor parametrelerinin ortalama giderim verimleri sırasıyla, %97 ve %87 dir. a b Şekil 3. Tübüler membran biyoreaktördeki toplam azot (TN) ve toplam fosfor (TP) konsantrasyonlarının değişimi Membran biyoreaktör sistemlerinde askıda katı madde ve bulanıklık gideriminde başarılı sonuçlar alınmaktadır. Şekil 4 e göre AKM ve Bulanıklık gideriminde sırasıyla %100, %99.9, renk gideriminde ise %90 verim elde edilmiştir. 85

100 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 a b c Şekil 4.Tübüler membran biyoreaktördeki AKM, bulanıklık ve renk parametrelerinin değişimi Kullanılabilir su kaynaklarının giderek azaldığı günümüzde atıksuların geri kazanımı ve yeniden kullanımı önem arz etmektedir. Æalışma kapsamında kentsel nitelikli atıksuyun Tübüler Membran Biyoreaktör ile ileri arıtımında elde edilen çıkış suyunun sulama suyu olarak kullanılması amaçlanmıştır. Arıtılmış atıksuların arazide kullanılması ve bertarafı söz konusu olduğunda, suyun fiziksel kimyasal ve biyolojik parametreler açısından uygunluğunun yanı sıra, bölgenin toprak özellikleri de dikkate alınır. Sulama sularındaki çözünmüş tuzların toplam konsantrasyonu, elektriksel iletkenlik (EC) değeri yardımıyla kolaylıkla belirlenebilir. Sulamada kullanılan arıtılmış atıksudaki sodyumun sulanan toprakta tutulması sodyum adsorpsiyon oranı (SAR) ile tanımlanır. SAR oranı, suyun sodyum (veya benzer alkaliler) açısından zararlılığının bir ölçüsü olarak kullanılmaktadır. Elektriksel iletkenlik ve sodyum adsorpsiyon oranı (SAR) esas alınarak sulama sularının sınıflandırılması mümkündür. (Su Kirliliği Kontrol Yönetmeliği Teknik Usüller Tebliği). Elde edilen deney sonuçları SKKY Teknik Usüller Tebliği sulama suyu kriterleri açısından incelenerek Tübüler Membran Biyoreaktör ün çıkış suyunun sulama suyu sınıfı (C 3 S 2 ); III. sınıf kullanılabilir su olarak bulunmuştur (Tablo 2). 86

101 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 Tablo 2. Tübüler Membran Biyoreaktör çıkış suyunun sulama suyu kriterleri açısından incelenmesi (SSKY Teknik Usüller Tebliği) Kalite Kriterleri Referans Aralığı Tübüler Membran Biyoreaktör Æıkışı EC 25 X Sodyum Adsorpsiyon Oranı (SAR) Sulama Suyu Sınıfı < C 1 S 3, C 2 S 3, C 3 S 3, C 3 S 2 C 3 S 1, C 3 S 2 Nitrat (NO 3, mg/l) Fekal Koliform 1/100 ml Durum III. sınıf (Kullanılabilir) I sınıf (Æok iyi) III. sınıf (Kullanılabilir) II. sınıf (İyi) I. sınıf (Æok iyi) Teşekkür Bu Proje, Sakarya Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyon Başkanlığı Lisansüstü Tez Projeleri ( ) kapsamında desteklenmiştir. KAYNAKLAR Badania, Z., Ait-Amara, H., Si-Salahb, A., Brikc, M., Fuchsc, W., Treatment of textile waste water by membrane bioreactor and reuse. Desalination, 185, Cao, J. H., Zhu, B. K., Lu, H., Xu, Y. Y., Study on polypropylene hollow fiber based recirculatedmembrane bioreactor for treatment of municipal wastewater. Desalination, 183, Chu, L., Li, S., Filtration capability and operational characteristics of dynamic membrane bioreactor for municipal wastewater treatment. Separation and Purification Technology, 51, Dialynas, E., Diamadopoulos, E., Integration of a membrane bioreactor coupled with reverse osmosis for advanced treatment of municipal wastewater. Desalination, 238, Farizoglu, B., Keskinler, B., Sludge characteristics and effect of crossflow membrane filtration on membrane fouling in a jet loop membrane bioreactor (JLMBR).Journal of Membrane Science, 279, Gonzaleza, A. Z., Schetritea, S., Alliet, M., Hazab, U. J., Albasia, C., Modelling of submerged membrane bioreactor: Conceptual study about link between activated sludge biokinetics, aeration and fouling process. Journal of Membrane Science, 325, Su Kirliliği Kontrol Yönetmeliği Teknik Usüller Tebliği Wintgens, T., Rosen, J., Melin, T., Brepols, C., Drensla, K., Engelhardt, N., Modelling of a membrane bioreactor system for municipal wastewater treatment. Journal of Membrane Science, 216, Xing, C. H., Tardieu, E., Qian, Y., Wen, X. H., Ultrafiltration membrane bioreactor for urban wastewater reclamation. Journal of Membrane Science,177,

102 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım

103 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 Pilot-Ölçek Membran Biyoreaktöründe Aktif Çamur Reolojik Karakterizasyonunun Tayini Fatih Can Kalkan, Metin Günaydın, Gökhan Civelekoğlu Süleyman Demirel Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 32260, Isparta Aktif çamur prosesi ve katı madde ayrımını sağlayan membranların kombinasyonundan oluşan membran biyoreaktör (MBR) prosesi, son yıllarda atıksu arıtımında geniş uygulama alanları bulmaktadır (Chang vd., 2002; Judd, 2006). MBR içerisindeki biyokütle konsantrasyonu [toplam askıda katı madde (TAKM)], konvansiyonel aktif çamur prosesine göre 3-10 kat daha fazla olup, evsel atıksu arıtımında tipik olarak mg/l arasında değişmektedir. Bu durum MBR sistemlerindeki biyolojik aktivitenin daha iyi kontrol edilmesini sağlamakta, yüksek çamur yaşlarında (SRT) ve yüksek organik yüklerde dahi daha az çamur oluşumuna imkan tanımaktadır (Visvanathan vd., 2000; Judd, 2006). Reoloji, sıvıların mekanik etkiler altında şekil değiştirme ve akış özelliklerini inceleyen bir bilim dalı olup, aktif çamur viskozitesinin zamana bağlı ya da zamandan bağımsız olarak ölçülmesi ile tespit edilmektedir (Seyssiecq vd., 2003). Aktif çamurun sıvı kısmı Newtonyen karaktere sahip olup, biyokütle kısmı ise Newtonyen olmayan akışkan olarak tanımlanmaktadır. Bu tür akışkanların reolojik davranışı bir çok matematiksel model ile ifade edilmekle birlikte, aktif çamur reolojisi genel olarak yalancı plastik (psedoplastik) türündeki akışkanları tanımlayan ve eşitliği aşağıda verilen Ostwald de Vaele (Power Law) modeline uygunluk göstermektedir (Sponza, 2002; Seyssiecq vd., 2003). n k (1) Yukarıdaki eşitlikte k, akışkanlık katsayısını; n ise akış davranış indeksini göstermektedir. Denklemden de görüleceği üzere, n 1 olması durumunda akışkan Newtonyen özellik göstereceğinden, psedoplastik akışkanlarda n 1 olması beklenmektedir (Hasar vd., 2004). Bu çalışmanın ana amacı, farklı TAKM konsantrasyonlarında işletilen pilot-ölçek MBR sisteminde aktif çamur relojik karakterizasyonunun tespit edilerek, akış özelliklerinin Ostwald de Vaele modeline uygunluğunun belirlenmesidir. Aktif çamur numuneleri pilot-ölçek MBR sistemi olarak işletilen ZW-10 (Zenon Environmental Inc.) ünitesinin reaktöründen alınmıştır. Tüm numuneler laboratuar ortamında +4 o C de saklanmış, viskozite ölçümlerinden önce oda sıcaklığı seviyesine (23-25 o C) getirilerek, çalışmalar bu sabit sıcaklık aralığında gerçekleştirilmiştir. Reolojik ölçümler, çok düşük viskoziteleri ölçebilen bir aparata sahip (UL adaptör), döner (rotational) viskozimetre cihazı (Brookfield DV-II+Pro) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Her ölçümde rezervuardaki numune hacmi 16 ml olarak sabit tutulmuştur. Reolojik ölçümler, her bir numunede, tek yönlü doğrusal artan 10 farklı kayma hızı değerlerinde, her 1 dakikada tek ölçüm yapılmak suretiyle gerçekleştirilmiştir. Reolojik ölçümler yaklaşık 10000, ve mg/l TAKM konsantrasyonlarında ve RPM ( /s) kayma hızı aralıklarında gerçekleştirilmiştir. Kayma hızına karşı kayma gerilmesi değerlerinin grafiğe aktarılması ile akış eğrileri (reogramlar) elde edilmektedir. Bu eğriler akışkanın hangi reolojik karaktere sahip olduğunun tespitinde kullanılmaktadır (Şekil 1). 89

104 Kayma Gerilmesi (Pa) Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 Şekil 1. Şematik reogramlar. (a) Newtonyen; (b) Psedoplastik; (c) İdeal Bingham plastik; (d) Gerçek plastik (Seyssiecq vd., 2003) Deneysel çalışmalar sonunda, kayma hızı değerlerinde elde edilen kayma gerilmesi verileri grafiğe aktarılmıştır. Şekil 1 referans alındığında, Şekil 2 de çizilen reogram, MBR çamurunun psedoplastik karakterde olduğunu göstermektedir. 1,00 0,90 0,80 0,70 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0, Kayma Hızı (1/s) mg/l mg/l mg/l Şekil 2. Farklı TAKM konsantrasyonları için MBR çamuru reogramı Reolojik ölçümler sonucunda sabit kayma hızı değerlerinde, artan TAKM konsantrasyonu ile viskozitenin de artış gösterdiği tespit edilmiştir. Æalışma kapsamında son olarak her üç TAKM konsantrasyonu için, psedoplastik akış davranışını ifade eden Ostwald de Vaele model parametreleri belirlenmiştir. Her bir TAKM konsantrasyonunu için elde edilen eşitlikler için hesaplanan determinasyon katsayıları (R 2 ) oldukça yüksek olup ( ), MBR çamuru reolojik özelliklerinin seçilen modele uygunluğu doğrulanmıştır. 90

105 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 MBR çamurunda gerçekleştirilen reolojik çalışmalar sonucunda, dinamik viskozitenin artan kayma hızı ile logaritmik olarak azaldığı tespit edilmiştir. Model uygunluk testinde ise MBR çamurunun psedoplastik karaktere sahip olduğu doğrulanmıştır. Ayrıca artan TAKM konsantrasyonları ile birlikte viskozitenin de artış eğilimi gösterdiği belirlenmiştir. Kaynaklar Chang, I.S., Le Clech P., Jefferson B., Judd S.J Membrane fouling in membrane bioreactors for wastewater treatment. J. Environ. Eng-ASCE, 128 (11), Hasar, H., Kinaci, C., Unlu, A., Togrul, H., Ipek, U Rheological properties of activated sludge in a smbr. Biochem. Eng. J. 20 (1), 1-6. Judd, S.J The MBR Book: Principles and Applications of Membrane Bioreactors in Water and Wastewater Treatment, Elsevier, Oxford. Seyssiecq, I., Ferrasse, J.H., Roche, N State of the art: rheological characterisation of wastewater treatment sludge. Biochem. Eng. J., Vol. 16, pp Sponza, D.T Extracellular polymer substances and physicochemical properties of flocs in steady- and unsteady-state activated sludge systems. Process Biochem., Vol. 37(9), pp Visvanathan, C., Ben Aim, R., Parmeshwaran, K Membrane separation bioreactors for wastewater treatment. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 30 (1),

106 Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım

107 Nanolif Membranların Sıvı Filtrasyon Özellikleri Ali Demir, Tuncay Gümüş Elektrospinning yöntemiyle lif üretimi üzerine ilk patent 1902 yılında Cooley tarafından ABD de alınmıştır. Bu patentte elektrospinning işlemi hakkında teorik bilgilere yer verilmektedir [1]. Pratik anlamda polimer çözeltisinden elektrospinning işlemiyle lif üretimi Almanya da Formhals tarafından gerçekleştirilmiş ve 1934 yılında bu pratik çalışmalar üzerine ABD de patentler alınmıştır [2] yılında, Petranov ve Sokolov elektrostatik kuvvetleri kullanarak ürettikleri daha ince lifler sayesinde filtre malzemesi geliştirilmeye başlamışlardır ve bu filtre malzemeleri Rusya da FP (Petranov un Filtreleri) olarak anılmaya başlanmış ve şimdilerde Nanolif filtreler olarak bilinmektedir. Petranov un filtre geliştirme çalışmaları batıdaki bilim çevrelerine hiç ulaşmadığı için Petranov un yaptığı çalışmalar çok gizli ibaresiyle duyurulmuştur. İkinci Dünya Savaşından sonra Petranov un geliştirdiği filtrelerin nükleer enerji tesislerinde çevrenin atık nükleer atık aerosollerinden etkilenmemesi için kullanılabileceği düşünülmüş ve bu filtre malzemelerine verilen önem bir hayli artmıştır. Yapılan çalışmaların çoğu Moskova daki Kaprov Fizik ve Kimya Bilimsel Araştırmalar Enstitüsü tarafından gerçekleştirilmiştir ların sonuna gelindiğinde Rusya daki beş girişim tarafından yıllık 20 milyon metrekare (600 ton) kapasiteyle FP ve FP nin modifikasyonlarından oluşan filtreler üretilir hale gelmiştir [3] yılında Estonya da Sillimyae adında bir kimya şirketi nanolif filtre malzemeleri üretmek için en büyük kapasitedeki tesisi kurmuştur. Elektrospinning işleminde elde edilen gelişmelerle şirket yirmi farklı nanolif filtrenin endüstriyel anlamda üretimini gerçekleştirmiştir [4]. Amerika da nanolif filtrelerin üretimi Donaldson firmasının çabalarıyla 1980 li yıllarda hız kazanmaya başlamıştır. Avrupa da ise ticari anlamda elektrospinning işlemiyle lif üretimi Freudenberg tarafından 1990 lı yıllarda başlamıştır. Bugün yirmimin üzerinde firma nanolif filtre üretimi gerçekleştirmektedir [4]. Dupont, Finetex gibi firmalar sıvı filtrasyon membranları da üretmektedirler [5,6]. Æözeltiden veya eriyikten nano ve mikron mertebesinde lif üretilebilen bir proses olan elektrospinning son yıllarda gerek endüstri gerekse akademik çevrelerin ilgisini çekmeyi başarmıştır. Bugüne kadar laboratuar ve sanayi ölçeğinde birçok polimerden elektrospinning yöntemiyle nanolif üretilmesi gerçekleştirilmiştir ve yapılan çalışmalar kullanılan malzemelerin çeşitlendirilmesi ve prosesin kontrolü üzerinde yoğunlaşmaktadır [7]. Giderek artan akademik çalışmalar neticesinde bu prosesle elde edilen nanoliflerin yüksek performanslı hava filtreleri [8], sensör [9], koruyucu malzeme [10], yakıt hücreler i[11], yara örtücü [12], doku mühendisliği [13] ve sıvı filtrasyon membranları [4] gibi potansiyel uygulamalarda kullanılabileceği kanıtlanmıştır. Membranlar beslenen faz ile ayrıştırılan faz arasında bariyer görevi gören ve konsantrasyon, basınç, elektrik veya kimyasal potansiyel farkına göre çalışan seperasyon sistemleridir. Kompakt yapıları, düşük operasyon maliyetleri, enerji verimlilikleri ve kapasiteleri membran proseslerinin artıları arasındadır. Membranlar daha çok atık işleme, su saflaştırma ve ayrıştırma proseslerinde kullanılmaktadır. Yüksek gözeneklilik, nanometreden birkaç mikrometreye ulaşan gözenek boyutları, birbirine bağlanmış açık gözenek yapısı, yüksek hava geçirgenliği ve birim hacimdeki yüksek yüzey alanına sahip 93

108 olmalarından dolayı elektrospinning yöntemiyle üretilen nanolif membranlar seperasyon prosesleri için cazip malzemeler olarak görülebilir [4]. Özellikler hava filtreleri için kullanılan nanolif membranlarda oldukça başarılı sonuçlar alınmıştır. Bu yüzden ilk ticari nanolif uygulaması hava filtresi olarak ortaya çıkmıştır [14]. Bunun yanında nanoliflerin mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon gibi basınçla çalışan sıvı membran proseslerinde kullanılma potansiyeli bulunmaktadır [15]. Ancak, nanoliflerin düşük mukavemet özellikleri bunu güçleştirmektedir. Bunun için nanolifleri için taşıyıcı malzemeler, sandviç yapılar ya da nanolifler mikroliflerle karıştırılarak kompozit mukavemetli bir yapı oluşturulmaktadır. Kaynaklar 1. Cooley, J.F., Apparatus for electrically dispersing fluids, United States Patent, No: Formhals, A., Process and apparatus for preparing artificial threads, United States Patent, No: Lushnikov, A., 1997, Obituaries:Igor Vasilievich Petryanov-Sokolov ( ), J. Aerosol Sci. 28 (4), Barhate, R. S., and Ramakrishna, S., Nanofibrous filtering media: filtration problems and solutions from tiny materials, J. Membr. Sci. 296 (2007), pp < alındığı tarih < alındığı tarih Huang, Z.M., Zhang, Y.Z., Kotaki, M. and Ramakrishna, S., 2003: A review on polymer nanofibers by electrospinning and their applications in nanocomposites, Composites Science and Technology, 63(15), Graham, K., Ouyang, M., Raether, T., Grafe, T., McDonald, B., Knauf, P., Polymeric Nanofibers in Air Filtration Applications, Fifteenth Annual Technical Conference & Expo of the American Filtration & Separations Society,Galveston, Texas,USA, April Ding, B., Yamazaki, M. and Shiratori, S., 2005: Electrospun fibrous polyacrylic acid membrane-based gas sensors, Sensors and Actuators B-Chemical, 106(1), Ramakrishna, S., Fujihara, K., Teo, W.E., Yong, T., Ma, Z.W. and Ramaseshan, R., 2006: Electrospun nanofibers: solving global issues, Materials Today, 9(3), Ramakrishna, S., Thavasi, V. and Singh, G., 2008: Electrospun nanofibers in energy and environmental applications, Energy & Environmental Science, 1(2), Greiner, A. and Wendorff, J.H., 2007: Electrospinning: A fascinating method for the preparation of ultrathin fibres, Angewandte Chemie-International Edition, 46(30), < alındığı tarih < alındığı tarih Ramakrishna, S., Fujihara, K., Teo, W.E., Ma, Z.W. and Lim, T.C., 2005: An Introduction to Electrospinning and Nanofibers, World Scientific Publishers, Singapore. 16. Wang X, Chen X, Yoon K, et al.,2005: High flux filtration medium based on nanofibrous substrate with hydrophilic nanocomposite coating. Environ Sci Tech, 39(19):

109 Hidrojene Dayalı Membran Biyofilm Reaktör ile İçme Sularında Yüksek Hızlı Denitrifikasyon Serdar Karataş, Ergin Taşkan, Halil Hasar Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Elazığ, Günümüzde yer altı ve yer üstü su kaynakları nitrat konsantrasyonları ile kirlenmiştir. İçme amaçlı kullanılacak yer altı ve yer üstü su kaynaklarındaki yüksek nitrat konsantrasyonları suyun kullanımını sınırlandırmaktadır. Ülkemizde geçerli olan standarda göre (TS 266, 2005) içme sularında nitrat üst sınır değeri 50 mg/l (~ 10 mg N/L) olarak belirlenmiştir. Hidrojene dayalı membran biyofilm reaktörleri ile denitrifikasyon içme sularından nitrat giderimi için son yıllarda geliştirilen yeni bir proses olmuştur. Hetetrofik Denitrifikasyon bakterileri büyüme ve solunum için organik karbona ihtiyaç duymaktadırlar. İçme su kaynaklarında ise karbon kaynağının oldukça düşük olduğu bilinmektedir. Bu nedenle hetetrofik denitrifikasyonun başarılabilmesi için dışarıdan karbon kaynağı ilavesi gerekli olmuştur. Dışarıdan karbon kaynağı ilave edildiğinde ise kalıntı karbon, fazla çamur vb. gibi farklı problemler meydana gelmiştir. Ancak karbon yerine hidrojenin elektron verici olarak kullanımına imkan veren hidrojen esaslı ototrofik denitrifikasyon sistemleri daha ekonomik sonuçlar vermektedir. Son yıllarda hidrojen esaslı ototrofik denitrifikasyon yer altı sularının ve içme sularının arıtımında yaygın bir şekilde kullanılmaktadır (Zhang ve diğ, 2009). Hidrojen esaslı membran biyofilm reaktörlerinde ototrofik denitrifikasyonun ardışık enerji reaksiyonları aşağıdaki gibidir (Lee ve diğ2002). 1) Nitrat indirgeme ; NO H 2 - NO 2 + H 2 O 2) Nitrit indirgeme ; NO H 2 + H + NO (g) + H 2 O 3) Nitrit oksit indirgemesi ; 2NO (g) + H 2 N 2 O (g) + H 2 O 4) Nitroz oksid indirgemesi ; N 2 O (g) + H 2 O N 2(g) + H 2 O 5) Nitrattan azota tam denitrifikasyon reaksiyonu; - 2NO 3 + 2H + + 5H 2 N 2 + 6H 2 O 6) Elektron alıcı, elektron verici ve biyomas arasındaki stokiyometrik reaksiyon; NO H 2 + H CO C 5 H 7 O 2 N N H 2 O Hidrojen esaslı membran biyofilm reaktörleri, biyolojik olarak indirgenme için H 2 nin bütün avantajlarını sağlamaktadır. Membran biyofilm reaktörü geliştirilmeden önce H 2 nin mikroorganizmalar için elektron verici olarak kullanılması iki nedenden dolayı pratik olmadığı için uygulanmamıştır. Birincisi; H 2 nin sudaki çözünürlüğünün oldukça düşük olması, ikincisi ise; H 2 nin kabarcıklı bir şekilde suya verilmesi durumunda düşük çözünürlükten dolayı yüksek miktarda H 2 nin atmosfere kaçışı ve dolayısıyla oldukça düşük verim elde edilmesidir. Membran biyofilm reaktörü bu iki olumsuzluğu ortadan kaldırmaktadır (Hasar ve diğ,2008). H 2 gazı her bir membranın içine verilmekte ve hidrofobik olan bu membranlarda gaz difüzyon ile membran gözeneklerinden dışa doğru yavaş bir şekilde hareket etmektedir. Membranın dış yüzeyinde oluşan biyofilm difüze olan kabarcık halinde olmayan H 2 gazını direk elektron verici olarak %100 verime yakın bir seviyede kullanmaktadır (Hasar, 2009). 95

110 Konsantrasyon (mg/l) ph Değeri Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 Bu çalışmanın amacı elektron verici olarak hidrojen kullanan hidrojen esaslı membran biyofilm reaktörünün denitrifikasyon performansını belirlemektir. Bu amaçla 3 adet hidrojen esaslı membran biyofilm reaktörü içme sularından nitratın uzaklaştırılması için kurulmuştur. Reaktörlerin her biri fiber yüzey alanı 2,73 cm 2 olan 32 fiberden oluşmaktadır. Reaktörlerin hacmi 30ml dir. Reaktörler 4 psi H 2 basıncı altında 1 saatlik bekletme süresinde 270 (Besleme Debisi) oranında sirkülasyon hızında 68,5 mg/l nitrat içerikli sentetik besleme suyu ile beslenmiştir. Sentetik atıksu inorganik karbon kaynağı olarak NaHCO 3, ph ı tamponlamak için KH 2 PO 4 ve Na 2 HPO 4, NaNO 3, MgSO 4 ve eser mineral çözelti içermektedir. 150 günlük işletim periyodu esnasında, reaktörlerin giriş ve çıkışlarında nitrat, nitrit, sülfat, fosfat, ph, iletkenlik, sıcaklık ve toplam çözünmüş katı madde değişimi incelenmiştir. Æalışma sonucunda üç reaktörden sadece birinde nitrit birikiminin olduğu tespit edilmiştir. Nitrit birikimi giriş ph ı 7,2 ile 7,4 arasında tutularak giderilmiş ve tam denitrifikasyon her üç reaktörde de gerçekleşmiştir. Reaktörlerdeki nitrat azotu değişimleri Şekil 1 ve nitrit azotu değişimleri Şekil 2 de verilmiştir. 10,00 2. Reaktörde ph Değişimi 9,00 8,00 Giriş ph Değeri Çıkış ph Değeri 7, Zaman Şekil 1. İkinci reaktörde ph değişimi. 2. Reaktörde Nitrat Azotu ve Nitrit Azotu Değişimi 14,00 12,00 10,00 8,00 6,00 4,00 Giriş Nitrat Azotu Çıkış Nitrat Azotu Çıkış Nitrit Azotu 2,00 0, Zaman Şekil 2. İkinci Reaktörde Nitrat ve Nitrit Azotu Değişimleri. Nitrit birikiminin olmadığı iki reaktörün çıkış verilerinin birbirine yakın olduğu tespit edilmiştir. Her üç reaktörde de giriş çıkış sülfat konsantrasyonları değişmemiştir. Sadece ph ayarlamalarında kullanılan H 2 SO 4 ile giriş sülfat konsantrasyonu değişmiştir. Bu 96

111 çalışma hidrojen esaslı membran biyofilm reaktörlerinin içme sularında yüksek nitrat konsantrasyonlarının elimine edilmesinde etkili olduğunu kanıtlamıştır. Kaynaklar 1. Zhang Y., Zhang, F, Xia S. vd (2009) Autohydrogenotrophic denitrification of drinking water using a polyvinyl chloride hollow fiber membrane biofilm reactor. Journal of Hazardous Materials. 2. Lee, KC, Rittmann BE.(2002) Applying a novel autohydrogenotrophic hollow-fiber membrane biofilm reactor for denitrification of drinking water. Water Research Halil Hasar, Siqing Xia, Chang Hoon Ahn, Bruce E Rittmann (2008) Simultaneous removal of organic matter and nitrogen compounds by a novel aerobic/anoxic membrane biofilm reactor, Water Research 42(15), H. Hasar, Simultaneous removal of organic matter and nitrogen compounds by combining a membrane bioreactor and a membrane biofilm reactor, Bioresource Technology, 100 (10),

112 98

113 Batık Membran Sistemleri ile İçme Suyu Arıtımı Müge Akdağlı 1, Selin Taşıyıcı 1, Elif Soyer 1, Esra Erdim 1, Mehmet Çakmakcı 2, Vedat Uyak 3,İsmail Koyuncu Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Maslak, 34469, Ġstanbul. Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Ġncivez, 67100, Zonguldak Pamukkale Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Denizli E-posta: hcrsln@gmail.com; ozgunha@itu.edu.tr; koyuncu@itu.edu.tr Membran sistemleri, içmesuyu arıtımında kullanılan en yaygın metodlardan birisidir. İçmesuyu arıtımı açısından, membran sistemlerinin en büyük problemi membranların çok kısa bir sürede tıkanmasıdır. Bu durum maliyeti artırmakta, işletme güçlükleri meydana getirmekte ve membran sistemlerinin kullanımını kısıtlamaktadır. Su arıtımında membran sistemleri iki değişik tarzda kullanılmaktadır. Birincisi, basınçlı sistemlerdir (Şekil 1a). Bu sistemde, basınç altında iki akım oluşmaktadır. Membrandan geçen su, arıtılmış su olarak kullanılmakta, konsantre akımı ise uzaklaştırılmaktadır. İkinci sistem ise batık membran sistemleridir (Şekil 1b). Batık membran sisteminde arıtılmış su, bir tank içerisine yerleştirilen membranlardan vakum ile çekilmektedir. Son zamanlarda, batık membran sistemleriyle içmesuyu arıtımı amaçlı bir çok çalışma yapılmaktadır. Yapılan çalışmalarda, bu sistemin mevcut su arıtma sistemlerine kolayca adapte edilebildiği ve basınç altında çalışan membran sistemlerine göre % 30 luk yer kazanımı sağladığı, işletilmesinin daha kolay ve ucuz olduğu belirtilmiştir. Şekil 1. Membranların su arıtımında kullanılış tertip tarzları Doğal sularda bulunan organik maddeler membran yüzeyinde birikerek membran tıkanmasına sebep olmakta ve bu durum, membranın kullanım ömrünü azaltarak maliyetini artırmaktadır. Membran tıkanıklığının azaltılması ile membran sistemlerin içme suyu arıtımında yaygın olarak kullanımını kısıtlayan engel ortadan kalkmış olmaktadır. Bu amaçla batık membran sisteminde farklı ön arıtma yöntemleri uygulanabilmektedir. Bu çalışmada, batık membran sisteminde ön arıtma amacıyla zeolit, UV/TiO 2, toz aktif karbon ve ses dalgası kullanımının membran tıkanıklığına olan etkileri detaylı olarak araştırılmıştır. Deneysel çalışmalar, laboratuar ve pilot ölçekte, sentetik olarak hazırlanan 99

114 ham su ve İstanbul göl sularından alınan sular kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Laboratuar ölçekli deneysel çalışmalarda mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon membranları kullanılırken, pilot ölçekli deneysel çalışmalarda ultrafiltrasyon membranı kullanılmıştır. Yapılan deneysel çalışmalarda, membran tıkanıklığının bir göstergesi olarak vakum basıncındaki artış sürekli izlenmiştir. Organik madde konsantrasyonu TOK parametresi cinsinden ölçülmüştür. Değerlendirmelerde ayrıca, organik maddenin bir göstergesi olan 254 nm de UV absorbansı da kullanılmıştır. Laboratuvar ölçekte sentetik su kullanılarak yürütülen MF membranı deneylerinde 10 g/l modifiye zeolit, UV/TiO 2, 10 g/l toz aktif karbon ve ses dalgasının kesikli olması durumları karşılaştırılmıştır. Toz aktif karbon ilavesiyle % 80 in üzerinde TOK giderimi ve % 100 e yakın UV 254 giderme verimi elde edilmiştir. UV/TiO 2 yöntemi ile de benzer şekilde yüksek organik madde giderme verimi elde edilmiştir. Göl suyu ile yapılan çalışmalarda ise MF membranında TOK giderme verimi, toz aktif karbon ön arıtması ile yüksek olmuştur. UV/TiO 2, ses dalgası ya da zeolitin organik madde giderimine fazla etkisi olmamıştır. Basınç artışı ise en az UV/TiO 2 kullanımında, en fazla ise modifiye zeolit kullanımında görülmüştür. UF membranı ile sentetik su kullanılarak yürütülen deneylere bakıldığında, TOK gideriminde toz aktif karbon ve UV 254 gideriminde ise UV/TiO 2 kullanımı ile en yüksek organik madde verim değerleri elde edilmiş, UV/TiO 2 kullanımı ile basınç artışı da toz aktif karbona göre daha az olmuştur. Göl suyu kullanılarak yürütülen UF membranı deneylerinde ise toz aktif karbon ile TOK giderme verimi ve UV/TiO 2 ile UV 254 giderme verimi yüksek olmuştur. Bu durumda, toz aktif karbon ile ham sudaki daha büyük yapıdaki aromatik bileşikler giderilirken, UV/TiO 2 ile daha küçük yapıdaki alifatik bileşiklerin giderildiği ve göl suyu organik madde içeriğinde alifatik bileşiklerin daha az bulunduğu sonucuna ulaşılmıştır. Sonuç olarak, içme suyu arıtımında batık membran sisteminin en büyük problemi olan membran tıkanıklığını azaltmak için toz aktif karbon ve UV/TiO 2 yöntemlerinin zeolit ve ses dalgası yöntemlerine göre daha uygun olduğu görülmüştür. Ancak gerçek sistemlerde uygulaması yapılmadan önce her iki yöntem için de pilot ölçekte daha detaylı çalışma yapılarak maliyet karşılaştırılmasının yapılması gerekmektedir. Pilot ölçekte yapılan deneysel çalışmalar hala devam etmektedir. Konvansiyonel sistemlere göre daha az yer kaplaması, dezenfektan kullanımına ihtiyaç duyulmadığından THM oluşumunun azalması ve membran tıkanıklığının azaltılarak membran kullanım ömrünün arttırılması, dolayısıyla maliyetinin azalması sebebiyle, batık membran sistemlerinin içme suyu arıtımında konvansiyonel su arıtma sistemlerine alternatif olarak uygulanabilecek bir teknoloji olduğu görülmektedir. Teşekkür Bu çalışma, 106Y171 nolu TÜBİTAK projesi tarafından desteklenmiştir. 100

115 Amonyum Ve Fosfatın Sulu Ortamdan Mağnezyum Amonyum Fosfat (Map) Şeklinde Mikrofiltrasyonla Ayrılması Ergün Yıldız*, Abdullah Duman Atatürk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü, Erzurum Amonyum çeşitli endüstrilerde yaygın bir biçimde kullanılan bir kimyasaldır. Deri, gübre, deponi sızıntı suları gibi çok çeşitli atıksularda yüksek derişimlerde bulunabilir. Amonyağın arıtılmadan alıcı ortamlara bırakılması ciddi çevre sorunlarına neden olmaktadır. Fosfat bileşiği de metal kaplama, deterjan, gübre gibi çeşitli endüstrilerden çıktığı gibi evsel atıksularda 10 mg/l civarında bulunmaktadır. Yüksek miktarlarda azot ve fosfor bulunan atıksuların biyolojik arıtımdan önce kimyasal çöktürme veya sıyırma gibi fizikokimyasal yöntemlerle biyolojik arıtıma uygun hale getirilmesi istenir. Amonyum ve fosfatın birlikte giderildiği birçok proses bulunmaktadır. Bunlardan yaygın olarak kullanılanlardan bir tanesi kimyasal çöktürmedir. Amonyum ve fosfat içeren atıksuya magnezyum ilave edildiğinde magnezyum amonyum fosfat (MAP- Struvite) denilen bir çökelek oluşur ve böylece atıksudaki amonyum ve fosfat birlikte çöktürülerek giderilir (Tünay et al. 1997, Altınbaş, M. et al. 2002). MAP oluşum reaksiyonu basitçe şu şekildedir. Mg 2+ +NH 4 + +PO 4 3- MgNH 4 PO 4.6H 2 O Minimum struvite çözünürlük oranı yani maksimum MAP çökeleği oluşumu ph=9-11 arasında gerçekleşmektedir. (Demeestere et al, 2001, Song, et al, 2007). Struvite çökeleği oluşumunda magnezyum ilavesinin çökelti oluşumunu artırdığı ve giderim verimlerini artırdığı görülmüştür (Demeestere et al, 2001). Ancak Mg/P molar oranlarının çalışıldığı bazı çalışmalarda 1/1/1 Mg 2+ /NH /PO 4 molar oranından fazla Mg 2+ un katılmasının verimleri artırmadığı, hatta ph nın azalmasından dolayı düşürdüğü görülmüştür (Shin, H.S., et al, 1997). Kısaca prosesin en önemli unsurları ortam ph sı, Mg 2+ /NH /PO 4 molar oranı ve reaksiyon süresidir. Æalışmalar minimum reaksiyon süresini 10 dakika civarında vermektedir. Oluşan MAP çöktürme ile sudan ayrılır. MAP oluşumu ph ya bağımlıdır ve farklı ph larda çeşitli MAP türevleri oluşur. Bu durum ayırma verimlerini etkiler. Bu ayrılma sırasında bazı taneciklerin suda çöktürme süresi sonunda kalması da muhtemeldir. Bu çalışmada ise oluşan MAP ın sudan ayrılmasında mikrofiltrasyonun kullanılmasının etkisi araştırılmaya çalışılmıştır. Æalışmalarda kullanılan kimyasal maddeler Merck kalitesinde olup, yapay olarak NH4 + ve 3- PO 4 içeren sentetik su hazırlamak için NH 4 CI, KH 2 PO 4, MgSO 4 7H 2 O ve ph yı ayarlamak için ise 0.1, 1, 2 ve 5 N lik NaOH kullanılmıştır. Denemelerde kullanılan asimetrik selüloz nitrat (Schleicher and Schuell) membranın por boyutu 0.45 mikron olarak 101

116 seçilmiştir. Membran filtrasyon denemelerinde Mg 2+ /NH + 4 /PO 3-4 molar oranı 1/1/1 olacak şekilde ayarlanmıştır. Deneysel sistem içerisindeki NH + 4 ve PO 3-4 konsantrasyonları bilinen 25 litre su kapasiteli bir besleme tankı ile bu suyu 4x7 cm 2 yüzey alanına ve 1,974 mm yüksekliğindeki bir kanala sahip çapraz akışlı diktörtgen kesitli mikrofiltrasyon hücresine gönderen bir pompa, akış hızını ölçer debimetre ve istenilen zaman aralıklarla membrandan geçen debini belirlenmesi için kullanılan bilgisayar bağlantılı bir teraziden oluşmaktadır. Basınç, sistem üzerindeki elle kontrol edilen ve filtrasyon hücresinin giriş ve çıkışında bulunan vanalar yardımıyla sağlanmıştır. Membran filtrasyonu aşamasında 1/1/1 sabit Mg 2+ /NH /PO 4 oranında ph, NH 4 konsantrasyonu, transmembran basıncı ve çapraz akış hızının, membran akıları ile NH + 4 ve PO 3-4 rejeksiyonu üzerine olan etkileri araştırılmıştır Denemeler sonucunda NH 4 ve PO 4 rejeksiyonlarının ph artışıyla arttığı ve + rejeksiyonların filtrasyon zamanı boyunca değişmediği görülmüştür. Tüm deneylerde NH 4 3- rejeksiyonlarının PO 4 rejeksiyonlarına göre daha düşük gerçekleştiği görülmektedir. Artan ph ile rejeksiyonların arttığı ve yüksek ph larda sabitlediği görülmektedir. Membran filtrasyonu kullanılmadan yapılan deneme ile kıyaslandığında ise düşük ph larda membran filtasyonun daha yüksek verimler sağladığı görülmektedir. ph=8 de 250 mg/l başlangıç NH + 4 konsantrasyonu için kesikli olarak %58 giderim verimi elde edilirken, bu değer membran filtrasyonun kullanıldığı zaman aynı koşullarda %70 civarına yükselmektedir. Benzer biçimde daha yüksek başlangıç NH + 4 konsantrasyonlarında ve ph=8 den düşük değerlerde de klasik çöktürme ile giderim verimleri son derece düşüktür. ph ın 8 in altında olduğu durumlarda MAP çökeleği yeterince oluşamamakta, ancak çökelemeyen farklı kristal yapıların oluştuğu bilinmektedir. Membran filtrasyonu kullanıldığında ise bu kristal yapılar sudan ayrılabilmekte ve daha yüksek verimlerin eldesine yol açmaktadır. ph=8 in altında klasik çöktürme ile hemen hemen hiç verim elde edilemezken, membran filtrasyonu ile ph 6-8 aralığında %30-70 aralığında NH ve PO 4 rejeksiyonu değerleri elde edilebilmiştir. Membran akılarının farklı ph değerlerinde ise çok değişkenlik göstermediği ve NH + 4 ve PO 3-4 rejeksiyonları gibi ilk birkaç dakikada değil, yaklaşık 1 saat sonra dengeye geldiği görülmektedir. ph=6 da itibaren MAP oluşumu arttığı için nihai akı değerlerinin (J*) hafifçe azaldığı ve ph 9-9,5 dan sonra ise hafifçe yükseldiği görülmüştür. Oluşan MAP miktarı ph 6 dan 8 e kadar artmakta daha sonra ise yaklaşık sabit kalmaktadır. Daha yüksek ph değerlerinde ise oluşan MAP miktarı azalmakta ve bu durumun membran akılarına yansıdığı düşünülmektedir. Farklı ph değerlerinde yapılan çalışmalarda ortalama 500 L/m 2 saat lik bir akı elde edilmiştir. Başlangıç NH + 4 konsantasyonu ile ölçülen nihai akı değerlerinin değişimi incelendğinde ise 250 mg/l NH + 4 için 1157 L/m 2 saat akı elde edilirken, artan NH + 4 ve sonucunda daha yüksek oluşan MAP değerleri dolayısıyla akılar azalmakta ve 1500 mg/l de 280 L/m 2 saat e kadar düşmektedir mg/l NH + 4 değeri içinse akılar 655 L/m 2 saat e kadar tekrar yükselmektedir. Bu duruma ortamdaki aşırı MAP bileşiğinin yumaklaşmasının ve kirlenme indeksinin azalmasının yol açtığı tahmin edilmektedir. Sonuç olarak bu çalışmada sulardaki NH + 4 ve PO 3-4 ın Mg 2+ ilavesi ile çözünmeyen formlara dönüştürülmesi ve sudan mikrofiltasyon ile ayrılması çalışılmıştır. Membran filtasyonunda ph 9 ve üzerinde ortalama olarak %85 NH ve %99 oranında PO 4 rejeksiyonu elde edilmiştir. Filtrasyona başlanılır başlanılmaz rejeksiyon değerlerinin sabitlediği ve filtrasyon zamanı ile değişmediği, ancak akıların zamanla azalarak yaklaşık 1 saat sonra kararlı hal akı değerlerine ulaştığı görülmüştür. ph ile membran akılarının çok fazla değişmediği, ancak 1500 mg/l NH + 4 konsantrasyonuna kadar akıların azaldığı, daha sonra da yükseldiği belirlenmiştir. Æapraz akış hızının rejeksiyonlar üzerine etkisinin olmadığı anlaşılmış olup, sadece akıların yükselmesine neden olduğu görülmüştür. 102

117 MAP şeklinde NH 4 + ve PO 4 3- ın sudan ayrılmasında mikrofiltrasyonun kullanılmasının getirdiği en büyük avantaj, MAP oluşumunun başladığı ph olan 6-8 aralığından çöktürme ile giderilemeyen NH 4 + ve PO 4 3- ın ortalama %60-70 civarında giderilebilmesidir. Kaynaklar Altinbaş, M., Yangin, C. and Oztürk, I., Struvite precipitation from anaerobically treated and landfill wastewaters. Water Science Technology., 46, municipal Demeestere, K., Smet, E., Langenhova, H. V., Galbacs, Z., Optimalisatıon of magnesium ammonium phosphate precipitation and its applicability to the removal of ammonium. Enviromental Technology, vol 22, Nelson, N. O., Mikkelsen, R. L., Hesterberg, D. L., 2003, Struvite prepicitation in anaerobic swine lagoon liguid: effect of ph and Mg:P ratio and determination of rate constant. Bioresource Technology., 89, Shin, H. S. and lee, S. M.,1997. Removal of nutrients in wastewater by using magnesium salts. Enviromental Technology, Vol19, Song, Y., Yuan, P., Zheng, B., Peng, J., Yuan, F., Gao, Y., 2007, Nutrients removal and recovery by crystallization of magnesium ammonium phosphate from synthetic swine wastewater, Chemosphere, 69, Tünay, O., Kabdasli, I., Orhon, D. and Kolçak, S., Ammonia removal by magnesium phosphate precipitation in industrial wastewaters. Wat. Sci. Tech. 36, 2-3, ammonium 103

118 104

119 İleri Osmoz Prosesi Bülent Keskinler Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Æevre Mühendisliği Bölümü, Gebze, 41400, Kocaeli Osmoz, fiziksel bir proses olup osmotik basınç farkına bağlı olarak suyun yarı geçirgen bir membrandan hareketi olarak tanımlanır. Seçici geçirgen bir membran suyun geçişine izin verirken, çözünmüş molekül veya iyonların geçişine izin vermemektedir [1]. Osmotik basınç, bir zar (membran) ile ayrılmış olan az mineralli (az tuzlu) suyun daha çok mineral içeren su tarafına doğru geçişini engellemek için tuzlu su tarafına uygulanan basınçtır ve çözünen konsantrasyonu ile doğrudan orantılıdır. Osmotik sistemlerde seçici geçirgen bir membran boyunca su taşınımını sağlamak için gerekli güç, ters osmozda (reverse osmosis, (RO)) olduğu hidrolik basınçla değil, osmotik basınç farkı ile sağlanır. Osmotik basınç farkı uygulanarak membran boyunca kütle taşınımı gerçekleştiren proses ise literatürde ileri osmoz (forward osmosis, (FO)) prosesi olarak bilinmektedir [2]. İleri osmoz, oldukça yüksek seviyelerdeki konsantre akışın seyrelmesi ve besleme akımının konsantre hale gelmesiyle sonuçlanan bir işlemdir [3 6]. Prosesin şematik gösterimi Şekil de verilmiştir [2]. Tuzlu su Membran Enerji girişi Çekme (draw) çözeltisi Çekme çözeltisini geri kazanma Temiz su Tuz J w = A ( σ Δ - ΔP) 0 Şekil 1: İleri osmoz (FO) prosesi İleri osmoz işleminin temel avantajları, düşük kirlenme eğilimine sahip olması, hidrolik basıncın oldukça küçük olmasından dolayı kirlenme etkisinin az olması, kirletici maddeleri çok yüksek oranda reddetme kapasitesine sahip olması, besleme çözeltilerinin geniş aralıkta olması, enerji gereksiniminin ve dizayn maliyetlerinin az olması şeklinde sıralanabilir. Basınç sürücülü membran proseslerde kirleticiler, basıncın etkisinden dolayı membran üzerinde birikir ve membran yüzeyinde bir sıkışma meydana gelir. Bu nedenle 105

120 ileri osmoz sistemlerinde, hidrolik basıncın etkin olduğu membran sistemlerine göre daha düşük membran problemlerinin görüldüğü rapor edilmektedir. İleri osmoz işleminde yer alan tek basınç, membran modülündeki akış direncinden kaynaklandığı için kullanılan malzemeler basittir ve membranın desteklenmesi pek sorun oluşturmaz. Besleme akışını konsantre etmede, besleme çözeltisine zarar verecek yüksek basınç veya ısıya gereksinim duymaması, ileri osmoz sisteminin kullanımını özellikle gıda endüstrinde değerli hale getirmektedir [3 8]. İleri osmoz sisteminin en büyük dezavantajı ise, çekme çözeltisinin tekrar konsantre edilmesi ihtiyacıdır. Bu dezavantaj, ileri osmoz ve ters osmoz sistemlerinin kombine edilmesiyle ortadan kaldırılabilmektedir. İleri osmoz işleminde etkin gücün kaynağı, membranın süzüntü tarafındaki konsantre çözeltisidir [7]. Bu çözelti literatürde çekme (draw) çözeltisi, osmotik ajan, osmotik ortam, etkin solüsyon, osmotik motor, örnek solüsyon veya tuzlu su gibi terimlerle ifade edilmektedir [2]. Æekme çözeltisi seçilirken, etkin gücün kaynağı olması dolayısıyla uygulamaya bakılmaksızın, inert, kararlı, nötr veya nötr ph a yakın ve toksik olmama gibi genel kriterler göz önünde bulundurulmalıdır. İdeal bir çekme çözeltisi ayrıca, yüksek osmotik etkinliğe sahip olmalıdır [1, 7]. Yüksek osmotik basınca sahip olabilmesi için düşük moleküler ağırlıkta olması ve sudaki çözünürlüğünün yüksek olması gerekmektedir. Aynı zamanda, membrana kimyasal (reaksiyon, çözünme veya adsorbsiyon aracılığıyla) veya fiziksel olarak zarar vermemesi, çevreye veya insan sağlığına minimum etkilere sahip olması da beklenir. Bunlara ilave olarak ucuz olması, yüksek çözünürlüğe ve besleme çözeltisinden daha yüksek osmotik basınca sahip olması istenir. İleri osmoz için önemli bir diğer kriter, işletim sırasında seyreltilen çekme çözeltisini tekrar konsantre edecek uygun bir prosesin seçilmesidir. Bunun için yüksek çözünürlüğü ve ters osmoz işlemiyle yüksek konsantrasyona tekrar konsantre edilmesi daha basit olduğu için genellikle NaCl çözeltisi kullanılmaktadır. Literatürde çekme çözeltisi olarak çeşitli kimyasallar (sodyum klorür, konsantre edilmiş atıksu çıkışı, sükroz, amonyum bikarbonat), özellikle deniz suyunun saflaştırılması uygulamalarında kullanılmıştır. Kravath ve Davis (1975), selüloz asetat membran ve çekme çözeltisi olarak glikoz kullanarak ileri osmoz işlemiyle deniz suyundan su elde etmişlerdir [9]. McCutcheon ve diğ. (2005), çözünenlerin ısıya bağlı çözünürlüklerini avantaj olarak kullanan iki aşamalı ileri osmoz prosesi geliştirmişlerdir. Æalışmalarında KNO 3 ve SO 2 yi çekme çözeltisi olarak kullanmışlardır. Bu sistemde deniz suyu ısıtılarak FO membran ünitesine gönderilmiştir. Burada doymuş potasyum nitratın ısıtılmış çözeltisi çekme çözeltisi olarak kullanılmıştır. Seyreltilen çekme çözeltisi yeni bir bölmeye gönderilerek giren deniz suyuyla soğutulup deniz suyu da uygun besleme ısısına getirilmektedir. Soğutma sonucu KNO 3 ün önemli bir kısmı osmotik basıncı azaltarak çözeltide çökelir. Daha sonra seyreltik KNO 3 çözeltisi bir başka FO ünitesine gönderilir. Burada çözünmüş SO 2 çekme çözeltisi olarak kullanılır. Seyreltik KNO 3 çözeltisi doymuş SO 2 ye göre daha düşük osmotik basınca sahiptir, dolayısıyla su membran boyunca difüze olurken KNO 3 geçişine izin verilmez. Sonrasında SO 2 standart araçlar kullanılarak giderilmekte ve geride içilebilir su kalmaktadır [7]. Ters osmoz prosesi, su arıtımında ve deniz suyunu tuzsuzlaştırma işlemlerinde, günümüzde yaygın olarak ve başarılı bir şekilde uygulanmaktadır. Bu sistemlerde yüksek enerji gereksinimine bağlı olarak maliyet giderleri de fazladır [8]. İleri osmoz gibi düşük enerji gereksinimine ve yüksek geri kazanım özelliğine sahip osmotik basınçlı membran sistemleri, son yıllarda alternatif bir proses olarak sınırlı sayıdaki araştırmacılar tarafından çalışılmaktadır. İleri osmoz günümüzde, deniz suyunun saflaştırılması ile depolama alanı sızıntı sularının, seyreltik endüstriyel atıksuların ve anaerobik çamur çürütücü sıvılarının konsantre edilmesinde uygulanmaktadır [2, 3]. İleri osmoz, atıksu arıtımında nihai bir işlem olmaktan çok saflaştırma işlemi öncesinde bir ön arıtım işlemi olarak kullanılmaktadır. Oldukça farklı özelliklere sahip depolama alanı 106

121 sızıntı sularının arıtımı, özellikle yüksek çıkış suyu kalitesinin hedeflendiği durumlarda güçtür. Organik bileşikler, çözünmüş ağır metaller, organik ve inorganik azot ve toplam çözünmüş katılar, kompleks yapıya sahip olan bu çözeltilerde genel kirleticiler olarak bulunur. Bu tür atıksuların arıtımında genellikle organiklerin, azotun ve ağır metallerin giderimi üzerine yoğunlaşılmakta, hatta bu arıtım işlemleri toplam çözünmüş katı içeriğini bazı durumlarda arttırabilmektedir. Mekanik buharlaştırma ve membran prosesler atıksudan toplam çözünmüş katı gideriminde uygulanan arıtma işlemleridir. İleri osmoz kullanılarak yapılan toplam çözünmüş katı madde giderim çalışmasında kirleticilerin yüksek oranda membrandan geçişine izin verilmediği ve su geri kazanımının % oranında sağlandığı görülmüştür. Ayrıca ham sızıntı suyunun işlenmesi boyunca akı azalması görülmezken, konsantre sızıntı suyu için % aralığında akı düşüşü gözlendiği kaydedilmiştir [2]. Günümüzde kullanılan saflaştırma işlemleri, su kaynaklarının azalmasına bağlı olarak deniz suyu ve hafif tuzlu su gibi alternatif kaynaklardan temiz su elde etme düşüncesini benimsemektedir. Saflaştırma uygulamaları, ters osmoz sonucu ortaya çıkan konsantre atığın bertaraf maliyeti ve alıcı ortam üzerine olan etkileri nedeniyle sınırlanmaktadır. Sahil bölgelerinde işlem sonucu ortaya çıkan konsantre atık denize deşarj edilmektedir. Ancak sahilden uzak iç kesimlerdeki saflaştırma sistemlerinde ise, atık hacmini azaltmak için atığın kanalizasyona veya yüzey sularına verilmesi, elektrodiyaliz kullanarak konsantre edilmesi gibi çeşitli arıtım seçenekleri kullanılmaktadır. Bu arıtım seçenekleri, özellikle sahilden uzak iç kesimlerde bulunan saflaştırma işletmelerinde, toplam saflaştırma maliyetlerinin önemli bir kısmını oluşturmaktadır [5]. Cornelissen ve diğ. (2008), yapmış oldukları çalışmada, ileri osmoza dayalı bir osmotik membran biyoreaktör geliştirmeye çalışmışlardır. Böyle bir reaktörün teknik ve ekonomik olarak uygulanabilir olabilmesi için ileri osmoz membranlarının performansının yeterince yüksek olmasının yanı sıra membran tıkanması ve çekme çözeltisi kaçağının düşük olması gereğine değinmişlerdir. Gerçekleştirilen bu çalışmada ısı, membran tipi ve yerleşimi, çekme çözeltisinin türü ve konsantrasyonu ileri osmoz membran performansını optimize etmek için araştırılmıştır. Æalışmada su akısının maksimum olduğu değerler J=6.2 L/m 2.h, 20±2 o C sıcaklık, 24 bar osmotik basınca karşılık gelen 0.5 M NaCl konsantrasyonu ile sağlanmıştır. NaCl and NaNO 3 gibi tek değerlikli iyon içeren tuzlardan oluşan çekme çözeltileri, membrandaki akış ile çekme çözeltisi konsantrasyonu arasında doğrusal olmayan bir ilişki belirlendiği durum için, çok değerlikli iyon içeren çözeltilere göre daha iyi performans göstermiştir. Araştırılan membranların kendilerine özgü gözenekli ve kalın yapılarından dolayı iç konsantrasyon polarizasyonunun, prosesin performansını azalttığı rapor edilmiştir. Bu araştırmanın önemli bulgularından bir tanesi de, aktif çamur kullanılarak yapılan FO deneylerinde, tersinir ve tersinmez membran tıkanıklığının oluşmamasıdır. Ayrıca farklı çekme çözeltilerinin çeşitli konsantrasyonlarında FO membranları için kayda değer bir çekme çözeltisi kaçağına rastlanmamıştır [10]. Konsantrasyon polarizasyonu, osmotik basınçlı sistemlerde akı düşüşüne sebep olan olaydır. Osmotik basınçlı sistemlerde kullanılan membranın asimetrik yapısına bağlı olarak iki tip konsantrasyon polarizasyonundan bahsetmek mümkündür. Osmotik basınçlı sistemlerde konsantrasyon polarizasyonu hem besleme hem de süzüntü kısmında görülür. Besleme çözeltisi, membranın aktif katmanı üzerinde akarken çözünenler aktif katman üzerinde birikir (hidrolik basınçlı sistemlerde olduğu gibi). Bu olay, konsantre edici dış konsantrasyon polarizasyonu olarak adlandırılır. Membranın süzüntü kısmı ile temas halinde olan çekme çözeltisi, süzülen su tarafından süzüntü membran ara yüzeyinde seyreltilmektedir. Bu da seyreltici dış konsantrasyon polorizasyonu olarak adlandırılır. Konsantre edici ve seyreltici dış konsantrasyon polarizasyonunun her ikisi de, etkin olan osmotik gücü azaltır. Dış konsantrasyon polarizasyonunun etkileri, akış hızı arttırılarak, türbülans oluşturularak ve su akışı meydana getirilerek minimize edilebilir. Ancak ileri 107

122 osmoz sisteminde su akısı düşük olduğu için akıyı arttırarak dış konsantrasyon polarizasyonunun azaltılması sınırlıdır [2]. Tan ve Ng (2008) yaptıkları çalışmada konsantrasyon polarizasyonunun akış davranışları üzerine olan etkilerini araştırmışlardır. Bu araştırmada sınır katman (boundary layer) yaklaşımı kullanılarak geliştirilen uyarlanmış film modeli, daha önceden kullanılan modellere göre dış konsantrasyon polarizasyon katmanını daha iyi tanımlamıştır. Geliştirilen bu yeni model, FO membranın poroz katmanında meydana gelen iç konsantrasyon polarizasyonun etkisiyle oluşan direnci ölçmek için kullanılmıştır. Hem seyreltici dış konsantrasyon polarizasyonu hem de konsantre edici iç konsantrasyon polarizasyonu modelleri, ileri osmoz prosesleri için su akısını tahmin etmeye yarayan osmotik basınç modeliyle birleştirilmiştir. Sonuçta, daha önceki modelleri geliştirerek, su akısını tahmin etmişler ve FO için dış ve iç konsantrasyon polarizasyonlarını diğer modellerden daha doğru bir şekilde tahmin etmişlerdir. Ayrıca çalışmalarında dış konsantrasyon polarizasyonunun etkilerini minimize etmek için hem çapraz akış hızlarının hem de sıcaklığın arttırılması gerektiğini vurgulamışlardır [5]. Sonuç olarak, hem ekonomik oluşu hem de henüz çok çeşitli çevre problemlerinde yaygın bir düzeyde kullanılmamış olması sebebiyle ileri osmoz prosesi, su ve atıksu arıtımı konularında, başta sudan değerli bileşenlerin geri kazanımı ve değerli bileşenlerin su içeriklerinin azaltılması işlemlerinde başarılı şekilde uygulanabilir bir ayırma prosesi olarak gözükmektedir. Bu bağlamda, su ve atıksu arıtımında yaygın olarak kullanılan membran proseslerin yanı sıra, ileri osmoz prosesinin bu alanda uygulanabilirliğinin araştırılması ve geliştirilmesi suretiyle, bir taraftan konu üzerine edinilen bilgi düzeyinin arttırılabileceği, diğer taraftan da belirlenen sorunlar için ekonomik fayda sağlayacak alternatif veya yeni çözümlerin geliştirilebileceği öngörülmektedir. Kaynaklar 1. Miller J.E. and Evans L.R. Forward osmozis: A new approach to water purification and desalination. Sandia Report. New Mexico Cath Y.T., Childress A.E., Elimelech M. Forward osmozis: Principles, aplications, and recent developments. Journal of Membrane Science. 281 (2006) Holloway R.W., Childress A.E., Dennett K.E., Cath T.Y. Forward osmozis for concentration of anoerobic digester centrate. Water Research. 47 (2007) Coth T.Y. Emerging applications for water treatment and potable water reuse. International Conference on Environmental Systems Tan C.H. and Ng H.Y. Modified models to predict flux behavior in forward osmozis in consideration of external and internal concentration polarizations. Journal of Membrane Science 324 (2008) Wang K.Y., Chung T.S., Qin J.J. Polybenzimidazole (PBI) nanofiltration hollow fiber membranes applied in forward osmozis process. Journal of Membrane Science 300 (2007) McCutcheon J.R., McGinnis R.L., Elimelech M. A novel ammonia-carbon dioxide forward (direct) osmozis desalination process. Desalination. 174 (2005) Mi B. Elimelech M. Chemical and physical aspects of organic fouling of forward osmozis membranes. Journal of Membrane Science. 320 (2008) Kravath R.E. ve Davis J.A. Desalination of sea water by direct osmozis. Desalination. 16 (1975) Cornelissen E.R., Harmsen D., de Korte K.F., Ruiken C.J., Qin Jian-Jun, Oo H., Wessels L.P. Membrane fouling and process performance of forward osmozis membranes on activated sludge. Journal of Membrane Science. 319 (2008)

123 Su ve Atıksu Arıtımında Kabarcıksız Gaz-Difüzyon Membranları Halil Hasar Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Elazığ Genel Bir Bakış: Membran Biyofilm Reaktörleri (MBfR), membran ve biyofilm kombinasyonundan oluşan doğal mekanizmalı bir sistemdir (Şekil 1). Bu sistemde kullanılan membranlar gaz transfer eden membranlar olup gaz substratı membranın dış yüzeyinde tutunmuş halde bulunan biyofilme doğru difüze edilirler. Genellikle iki tip membran biyofilm reaktörleri bulunmaktadır: oksijene dayalı MBfR (gaz substrat elektron alıcı) ve hidrojene dayalı MBfR (gaz substrat elektron verici). MBfR kavramı aslında 1960 lı yıllara dayanmaktadır. Schaffer ve diğ. [1] geçirgen plastik film kullanarak oksijen transferini sağlamışlar ve dış yüzeyde biyofilm oluşturmuşlardır ve 1990 yılları arasında membran materyallerinin artışıyla organic BOİ oksidasyonu, nitrifikasyon ve nitrifikasyon/denitrifikasyon için O 2 - MBfR sistemleri geliştirilmiştir [2-12]. Biyofilm e direk substratı ileten bu aerobik sistemler membran havalandırmalı biyofilm reactörler (MABRs) olarak adlandırılmıştır.maalesef su ve atıksu arıtımında bugüne kadar çok etkili bir uygulamasına rastlanmamıştır. Muhtemelen bunun nedeni mikroorganizma için oksijen transferini sağlayan çok çeşitli yöntemlerin mevcut olmasıdır. gas- Kabarcıksız transfer membranı Biyofilm Gaz membran iç yüzeyinden dışa doğru difüze olmaktadır. Sudaki kirleticiler Şekil 1. MBfR ın çalışma mekanizması Gaz, H 2 veya O 2 Son zamanlarda, genel elektron verici olarak hidrojenin de kullanıldığı hidrojene dayalı MBfR lar da yaygınca araştırılmaya başlanmıştır. Özellikle okside olmuş kirleticilerin indirgenmesinde oldukça etkili olduğundan membran biyofilm reaktörlerinin içme suyu, yeraltı suyu, atıksu ve tarımsal drenaj sularının arıtımında kullanılabilir bir potansiyele sahip olduğu düşünülmektedir. Bugüne kadar yapılan deneysel çalışmalar, H 2 - MBfR ın birçok okside olmuş kirleticilerin daha zararsız ve kolay giderilebilen formlarına dönüştüğünü göstermiştir. Örneğin, NO 3 oldukça kolay ve hızlı bir biçimde N 2 gazına, 109

124 ClO - 4 ise H 2 O ve Cl -, SeO 2-4 ise Se, trichloroethene (TCE) de etene ve Cl - etkili bir biçimde indirgenmiştir. Bilindiği üzere H 2 genel bir electron verici olmasına rağmen sudaki düşük çözünürlüğünden dolayı (~ 1.2 mgh 2 /L) arıtma ünitelerinde kullanılmamaktadır. Bu özellik suya verilen H 2 gazının önemli kısmının atmosfere kaçmasına ve böylece mikroorganizmalar tarafından yeterince kullanılamamasına yol açmaktadır. Membran biyofilm reaktörleri (MBfR) ile H 2 gazı, hidrofobik hollow fiber membranlarının içerisine basınçla verilmekte ve membranların iç tarafından dış duvarına doğru yavaşça herhangi bir kabarcık oluşturmadan difüze olmaktadır. Bu nedenle, H 2 gazı membranın dış yüzeyinde oluşan biyofilm tarafından etkin bir şekilde elektron verici olarak kullanılabilmektedir. Hidrojene dayalı membran biyofilm reaktörü (MBfR), özellikle oksitlenmiş kirleticileri biyolojik olarak indirgeme yeteneğine sahiptir. Elektron verici olarak hidrojenin kullanılması nedeniyle birçok avantajı mevcuttur [13]. Bu avantajlara kısaca değinirsek; H 2 oksitleyici bakteri, bütün okside olmuş kirleticileri indirgeyebildiğinden dolayı genel bir elektron verici olarak kullanılabilir niteliktedir. H 2 gazı, karbon kaynağı olarak inorganik karbonu kullanan ototrofik bakteri tarafından oksitlenmektedir. Organik karbona ihtiyaçları yoktur dolayısıyla aşırı bir biyokütle üretimi de söz konusu değildir. Æoğu durumda, H 2 gazı kirletici indirgenmesi için elektron eşdeğeri bakımından en düşük maliyete sahiptir. H 2 gazı endüstride yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Nakliyat ve depolanması oldukça kolay ve güvenilirdir. H 2 nin insanlara toksik hiçbir etkisi yoktur ve elektron kaynağı olarak kullanılması durumunda atık oluşumu da söz konusu değildir. İstendiğinde, elektroliz ile H 2 e ihtiyaç hissedilen yerde üretilebilir. MBfR geliştirilmeden önce H 2 nin mikroorganizmalar için elektron verici olarak kullanılması iki nedenden dolayı pratik olmadığı için uygulanmamıştır. Birincisi; H 2 nin sudaki çözünürlüğünün oldukça düşük olması, ikincisi ise; H 2 nin kabarcıklı bir şekilde suya verilmesi durumunda büyük miktarının atmosfere kaçmasıdır. MBfR ile bu olumsuzlukları ortadan kalkmaktadır [14-15]. Şekil 1 de görüldüğü gibi, membranların içine verilen H 2 gazı difüzyon ile membran gözeneklerinden dışa doğru hareket etmekte ve membranın dış yüzeyinde oluşan biyofilm H 2 gazını direk olarak kullanmaktadır [16-17]. Tablo 1 de Nerenberg ve Rittmann [18] elektron alıcı olarak O 2 ve NO 3 - olması halinde H 2 -MBfR da okside olmuş kirleticilerin giderim seviyelerini kıyaslamışlardır. Tablo 2. Okside olmuş kirleticilerin H 2 -MBfR da arıtımı. Okside olmuş İndirgenme Reaksiyonu Giderim verimi (%) kirletici O 2 Reaktörü - NO 3 Reaktörü Arsenat H 2 AsO H 2 + H + H 3 AsO 3 + H 2 O >50 >50 Bromat BrO H 2 Br - + 3H 2 O >95 >95 Klorat ClO H 2 Cl - + 3H 2 O >95 29 Klorite ClO H 2 Cl - + 2H 2 O >75 67 Kromat CrO H 2 + 2H + Cr(OH) 3 >75 >75 Dikloromethane CCl 2 H 2 + 2H 2 CH 4 + 2H Cl Nitrat NO H 2 + H + 0.5N 2 + 3H 2 O Not tested >99 Perklorat - ClO 4 + 4H 2 Cl - + 4H 2 O >98 36 Selenat SeO H 2 + 2H + Se o + 4H 2 O Selenit HSeO H 2 + H + Se o + 3H 2 O Bu çalışmada, H 2 -MBfR sistemi ile, içme suyundan nitrat, perklorat, selenat, halojenli organikler vb. okside olmuş kirleticilerin giderimi, atıksu arıtımında ileri arıtma 110

125 yöntemi olarak kullanılma alternatifi ve O 2 -dayalı MBfR kullanım örnekleri ayrı başlıklar altında detaylıca açıklanacaktır. Kaynaklar 1. Schaffer, R. B., Ludzack, F. J., and Ettinger, M. B., Sewage treatment by oxygenation through permeable plastic films, J. Water Pollution Control Fedn. 32, 939~941 (1960). 2. Yamagiwa, K., Ohkawa, A., and Hirasa, O., Simultaneous organic carbon removal and nitrification by biofilm formed on oxygen enrichment membrane, J. Chem. Engr. Japan 27, 638~643 (1994). 3. Semmens, M. J., Dahm,, D., Shanahan, J., and A. Christianson, A., COD and nitrogen removal by biofilm growing on gas permeable membranes. Water Res. 37, 4343~4350 (2003). 4. Timberlake, D., Strand, S. E., and Williamson, K. J., Combined aerobic heterotrophic oxidation, nitrification, and denitrification in a permeable supported biofilm, Water Res. 22, 1513~1517 (1988). 5. Suzuki, Y., Miyahara, S., Takeishi, K., Oxygen-supply method using gas-permeable film for waste-water treatment, Water Sci. Technol. 28(7), 243~250 (1993). 6. Pankhania, M., Stephenson, T., and Semmems, M. J., Hollow fiber bioreactor for wastewater treatment using bubbleless membrane aeration, Water Res. 28, 2233~2236 (1994). 7. Brindle, K. and Stephenson, T., Nitrification in a bubbleless oxygen mass transfer membrane bioreactor, Water Sci. Technol. 39(9), 261~267 (1996). 8. Brindle, K., Stephenson, T., and Semmens, M. J., Nitrification and oxygen utilization in a membrane aeration bioreactor, J. Membrane Sci., 144, 197~209 (1998). 9. Terada, A., Hibiya, K., Nagai, J., Tsuneda, S. and Hirata, A., Nitrogen removal characteristics and biofilm analysis of a membrane-aerated biofilm reactor applicable to high-strength nitrogenous wastewater treatment, J. Biosci. Bioengr. 95, 170~178 (2003). 10. Cole, A. C., Semmens, M. L., and LaPara, T. M., Stratification of activity and bacterial community structure in biofilms grown on membranes transferring oxygen, Appl. Environ. Microb. 70, 1982~1989 (2004). 11. Gonzalez-Brambila, M., Monroy, O., and Lopez-Isunza, F., Experimental and theoretical study of membraneaerated biofilm reactor behavior under different modes of oxygen supply for the treatment of synthetic wastewater, Chem. Engr. Sci. 61, (2006). 12. Downing, L. and Nerenberg, R., Performance and microbial ecology of the hybrid membrane biofilm process (HMBP) for concurrent nitrification and denitrification of wastewater, Water Sci. Technol. 55(8-9), 355~362 (2007). 13. B.E. Rittmann. The membrane biofilm reactors is a versatile platform for water and wastewater treatmentenvironmental Science and Technology, 14. Lee, K. C. and Rittmann, B. E., A novel hollow-fiber membrane biofilm reactor for autohydrogenotrophic denitrification of drinking water, Water Sci. Technol. 41(4-5), 219~226 (2000). 15. Chung, J., Rittmann, B. E., Wright, W. F., and Bowman, R. H., Simultaneous bio-reduction of nitrate, perchlorate, selenate, chromate, arsenate, and dibromochloropropane using a hydrogen-based membrane biofilm reactor, Biodegradation 18, 199~209 (2007). 16. Hasar, H., Xia, S., Ahn, C.H. and Rittmann B.E., Simultaneous removal of organic matter and nitrogen compounds by an aerobic/anoxic membrane biofilm reactor, Water Research, 42, 4109~4116 (2008). 17. Hasar H., Simultaneous removal of organic matter and nitrogen compounds by combining a membrane bioreactor and a membrane biofilm reactor, Bioresource Technology. 100(10), 2699~2705 ( 2009). 18. Nerenberg, R. and Rittmann, B. E., Reduction of oxidized water contaminants with a hydrogen-based, hollow-fiber membrane biofilm reactor, Water Sci. Technol. 49(11-12), 223~230 (2004). 111

126 112

127 Krom Tabaklama Atıksularından Nanofiltrasyon Membranı İle Cr (III) Gideriminin Araştırılması Berna Kırıl Mert, Kadir Kestioğlu Uludağ Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Çevre Müh. Bölümü, Görükle Kampüsü, 16059, Bursa 1950 li yılların sonlarına doğru gelistirilmeye baslayan membran prosesler, günümüzde çok önemli bir konuma gelmiştir. Membranlar, ilk olarak, deniz suyundan içme suyu elde etmek amacıyla kullanılmaya başlanmıştır. Son 25 yılda farklı ayırma prensiplerine ve mekanizmalara sahip çok sayıda membran prosesi geliştirilmiştir (Bilstad 1997). Tüm ülkelerde ve üretim alanlarında membran filtrasyon teknolojisi de temiz üretim teknolojileri arasında yer bulmuş ve bu konuda bir çok bilimsel ve teknik uygulamalara başlanılmıştır (Drioli ve Romano 2001) lı yıllardan itibaren Türkiye, giderek hızlanan bir endüstrileşme sürecinin içerisindedir. Bu süreç içerisinde endüstrileşmeye paralel olarak kirlenme sorunları ortaya çıkmıştır. Değişik kirleticilere sahip olan deri endüstrisi Türkiye de en önemli sektörler arasında yer almaktadır. Deri endüstrisi atıksularının temel kirletici parametreleri, kıl giderme proseslerinden sülfür, tabaklamadan kaynaklanan krom metali ve tuzlar, hammaddeden kaynaklanan organik maddeler, yağlar ve azotlu maddelerdir. Özellikle deri üretiminde, deri kalitesini arttırmak amacıyla yapılan krom tabaklama işlemi sonucunda oluşan, çok yüksek oranlarda Cr(III) metalleri (2-5 g/l) ve klorür bileşiklerine (15-25 g/l) sahip atıksular büyük tehlike yaratmaktadır. Ayrıca, tabaklama işleminde kullanılan Cr(III) ün %30-%40 ı proseste kullanılmaksızın atıksuya verilmektedir (Fabiani ve ark. 1996, Guo ve ark. 2005, Erdem 2006). Cr(III) ün toksik etkisi ve kullanılan tuzunda arıtma verimini olumsuz etkilemesi nedeniyle, bu maddelerin geri kazanımları ön plana çıkmaktadır (Æengeloğlu ve ark. 2003, Taleb-Ahmed ve ark. 2005). Bu çalışmada, deri üretimi yapan deri endüstrisinden tabaklama işlemi sonucunda oluşan kromlu atıksulardan nanofiltrasyon prosesi ile hem kromun geri kazanımı hem de iyi kalitede süzüntü eldesi için optimum koşulların bulunması amaçlanmıştır. Bu çalışmada, cross flow modelinde flat-sheet membran sisteminde çalışılmıştır. Æalışmada kullanılan laboratuar ölçekli membran sistemi; besleme tankı, yüksek basınç pompası, 2 adet manometre, küresel vana, debimetre, membran hücresi, membran hücre muhafazası, hidrolik el pompası ünitelerinden meydana gelmiştir. Membran hücresine gelen akım, membrandan geçen süzüntü akımı ve membrandan geçemeyen konsantre akımı olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Konsantre akımı besleme tankına geri devrettirilmiş, süzüntü akımı ise, akı hesabı için ayrı bir beherde toplanarak hassas terazi vasıtasıyla veriler dakikada bir bilgisayara aktarılmıştır. Konsantratın besleme tankına geri devir ettirilmesinin nedenleri tanktaki krom konsantrasyonunun arttırılması ve karışımın sağlanmasıdır. Ayrıca besleme tankında mevcut olan, soğutma sistemi vasıtası ile atıksu sıcaklığı ± 0,5 sabit tutulmuştur. Æalışmada kullanılan membran nanofiltrasyon (NF XN45) membranıdır. Bu membran poliamid yapıda olup, 200 MWCO değerine sahiptir. 113

128 Nanofiltrasyon membranında uygun çalışma koşullarının belirlenebilmesi için öncelikle krom tabaklama işleminden oluşan atıksu özelliklerine yakın sentetik atıksuları hazırlanmıştır. Bu çözelti 5000 mg/l Cr(III) ve mg/l NaCl içermektedir. NF XN45 membranı için uygun koşulların belirlenmesi için yapılan deneylerde, basınç 8, 12, 16, 20 bar, debi 1, 3, 5, 7 L/dk ve sıcaklık 18, 22, 26, 30 0 C değerlerinde denemeler yapılmıştır. Bu çalışma koşullarının aralıkları, literatür çalışmaları ve kullanılan membranların uygun çalışma şartları da dikkate alınarak seçilmiştir. Deney süresi 4 saat ve besleme hacmi 8 litre olarak alınmıştır. Æalışmada ph değeri 4 civarında tutulmuştur. Farklı basınç denemelerinde, deneylerde sıcaklık 18 0 C, ph 4, debi 2 L/dak, çapraz akış hızı 0,2 m/sn, deney süresi 4 saat ve besleme hacmi 8 litre olarak sabit alınmıştır. Farklı basınç değerlerinde 8 bar, 12 bar, 16 bar ve 20 barda sentetik atıksuların NF(XN45) membranından geçirilmesi ile deney sonunda elde edilen akı değerleri (J) 35, 46, 52 ve 59 L/m 2.saat olarak bulunmuştur. Sentetik atıksuda bulunan Cr(III) besleme konsantrasyonu 4 saat süren deney sonunda 20 barda 7450 mg/l, 16 barda 6950 mg/l ve 12 barda 6800 mg/l olarak bulunmuştur. En düşük basınç değeri 8 barda ise 6200 mg/l Cr(III) ün besleme konsantrasyonu çıkmıştır. 20 barda, deney sonunda Cr(III) ün deney sonunda besleme konsantrasyonu 7450 mg/l ye ulaşırken ve süzüntü konsantrasyonu 185 mg/l ye kadar çıkmıştır. 8 barda ise, Cr(III) ün deney sonunda süzüntü konsantrasyonu, diğer basınç değerlerinde bulunan süzüntü konsantrasyon değerlerinden daha büyüktür (480 mg/l). 20 barda yapılan deneyde Cr(III) ün giderme verimi ise, % 97,5 civarında iken 8 barda, % 94,4 tür. Süzüntü konsantrasyonu ve giderme verimi sonuçları neticesinde basınç arttıkça daha iyi kalitede su elde edildiği ve besleme tankındaki konsantrasyon artışının da daha fazla olduğu görülmüştür. Farklı debi denemelerinde, deneylerde sıcaklık 18 0 C, ph 4, basınç 20 bar, deney süresi 4 saat ve besleme hacmi 8 litre olarak sabit alınmıştır. 1 L/dk, 3 L/dk, 5 L/dk ve 7 L/dk olmak üzere farklı debi değerlerinde sentetik Cr(III) çözeltisi geçirilen NF(XN45) membranında deney sonunda elde edilen akı değerleri (J) değerleri 55, 67, 86 ve 91 L/m 2.saat olarak bulunmuştur. Sentetik atıksuda bulunan Cr(III) besleme konsantrasyonu 4 saat süren deney sonunda en fazla 7L/dk debide mg/l olarak bulunmuştur. 1 L/dk, 3L/dk ve 5 L/dk debilerde de besleme konsantrasyonlarında belirli oranlarda artış söz konusu olmuştur. Sırasıyla 7400 mg/l, 8300 mg/l, mg/l olarak bulunmuştur. Cr(III) ün besleme konsantrasyonundaki artışına ters orantılı olarak artan debilerde süzüntüdeki Cr(III) de azalma göstermiştir. 4 saatlik çalışma sonucunda süzüntüdeki en düşük Cr(III) konsantrasyonları 5 L/dk ve 7L/dk debide 163 mg/l ve 140 mg/l olarak bulunmuştur. Buna bağlı olarakta 5 L/dk ve 7L/dk debide elde edilen giderim verimi %98,3 ve %98,6 olarak yakın değerlerde elde edilmiştir. Farklı sıcaklık denemelerinde, deneylerde ph 4, basınç 20 bar, çapraz akış hızı 0,7 m/sn, deney süresi 4 saat ve besleme hacmi 8 litre olarak sabit alınmıştır C, 22 0 C, 26 0 C ve 30 0 C olmak üzere farklı sıcaklıklarda sentetik atıksular geçirilen NF(XN45) membranında, deney sonunda elde edilen akı değerleri (J) değerleri 91, 95, 104 ve 110 L/m 2.saat olarak bulunmuştur. Cr (III) ün besleme konsantrasyonu 18 0 C de 240.dakikada mg/l iken, 30 0 C de 240. dakikada ise mg/l dir. Süzüntü konsantrasyonları ise, 18 0 C de 120. dakikada 133 mg/l iken, 30 0 C de 60.dakikada 175 mg/l dir. Cr (III) ün 30 0 C de yapılan deney süresince süzüntü konsantrasyonun diğer sıcaklık değerlerine göre fazla olmasının nedeni, besleme konsantrasyonunda meydana gelen artıştan daha çok sıcaklık ile ilgili bir durumdan kaynaklanmaktadır 114

129 Cr(III) giderme verimi 18 0 C sıcaklıkta %98,6 iken 30 0 C sıcaklıkta ise, %98,4 olarak bulunmuştur. Besleme konsantrasyonu ve sıcaklığın artmasına bağlı olarak süzüntü konsantrasyonunda artması giderme veriminde büyük farklara yol açmamıştır. Farklı basınç (8, 12, 16 ve 20 bar), farklı debi (1, 3, 5 ve 7 L/dk) ve farklı sıcaklık (18, 22, 16 ve 30 0 C) denemeleri sonucunda, sentetik olarak hazırlanan krom tabaklama atıksularında nanofiltrasyon membranı için optimum koşullar, 20 bar basınç, 7L/dk debi ve 18 0 C sıcaklık olarak bulunmuştur. 20 bar basınç, 7L/dk debi ve 18 0 C sıcaklıkta, Cr(III) giderme verimi %98,6 olarak bulunurken, Cr(III) besleme konsantrasyonunun ise, 5900 mg/l değerinden mg/l değerine kadar 2 kat arttığı görülmüştür. 115

130 116

131 Sulu Çözeltilerden Cu(Iı) İyonlarının Elektrodeionizasyon (EDI) Yöntemi İle Giderilmesine Besleme Çözeltisindeki Cu(II) İle Elektrot Bölmesindeki Sülfürik Asit Derişiminin Etkisi Ö.Arar 1, Ü.Yüksel 1, M.Yüksel 2, N.Kabay 2* 1 Ege Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü, 35100, Ġzmir 2 Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü, 35100, Ġzmir (* nalan.kabay@ege.edu.tr) Son yıllarda, endüstriyel atık sulardan ağır metallerin giderilmesi ve geri kazanılması giderek önem kazanmaktadır. Bunun temel nedeni, insanlarda giderek artan oranda bir çevre bilincinin oluşması ve bunun sonucu olarak da, atık suların deşarjı konusunda oluşturulan yasal yaptırımların arttırılmasıdır. Elektrodeionizasyon (EDI), iyon değiştirici reçineler ile elektrodiyaliz (ED) sisteminin kombinasyonundan oluşan hibrit bir sistem olup, geleneksel iyon değişimi ve elektrodiyaliz yöntemlerine göre daha etkili bir yöntemdir. EDI yöntemi, su ya da atık suda bulunan toksik iyonların, iyon değiştirici membranlar arasında bulunan iyon değiştirici reçine tarafından tutulup, elektriksel potansiyel değişiminin itici gücüyle iyon değiştirici reçine ve membranlar içinden taşınmasına dayanır [1-2]. Bu sistem ile iyonik ya da iyonik hale geçebilen türler sulardan kolaylıkla giderilebilir. EDI hücresi; seyreltik, derişik ve elektrot bölmesi olmak üzere üç kısımdan oluşur. Seyreltik bölme, iyon değiştirici reçine ile doldurulur. İyon değiştirici reçineler bu bölmedeki elektriksel direnci düşürerek, iyonların iyon değiştirici membranlardan geçişini kolaylaştırır [2-3]. Deneysel çalışmalarda Electrocell firmasından satın alınan EDI hücresi, pompalar ve güç kaynağı ile bağlantı elemanları, debi ölçerler, çözelti tankları bir araya getirilerek laboratuarda bir deney seti oluşturulmuştur. EDI hücresindeki anot ve katot bölmeleri, arasına iyon değiştirici reçine konulan birer adet Neosepta anyon değiştirici (AMX) ve katyon değiştirici membran (CMX) yerleştirilerek birbirinden ayrılmıştır. Bu membranların fiziksel ve kimyasal özellikleri Tablo 1 de verilmiştir. EDI hücresi açılarak, anot, katot ve merkez bölmesinin giriş ve çıkış uçları belirlenmiştir. İki membran arasındaki merkez bölme, Purolite C-150 PLH (H + formunda) marka ticari katyon değiştirici reçine ile doldurulmuştur. Bu reçinenin fiziksel ve kimyasal özellikleri, Tablo 2 de özetlenmiştir. 117

132 Tablo 1. Neosepta membranların fiziksel ve kimyasal özellikleri AMX CMX Tipi Kuvvetli bazik, anyon geçirgen Kuvvetli asidik, katyon geçirgen Özellik Yüksek mekanik dayanım Yüksek mekanik dayanım (Cl-formu) (Na-formu) Elektrik direnci ( -cm 2 ) Yırtılma direnci (kgf/cm 2 ) 2.0 ~ ~ Kalınlık (mm) 0.12 ~ ~0.20 Tablo 2. Purolite C 150 PLH reçinesinin fiziksel ve kimyasal özellikleri Polimer yapısı Büyük gözenekli, divinilbenzen ile çapraz bağlanmış polistren Görünüş Küresel boncuk Fonksiyonel grup Sülfonik asit İyonik formu H + Toplam kapasitesi (H + formu için) 1,7 eq/l Çalışma sıcaklık limiti 120 C Limit akım yoğunluğu (LCD) sistemde herhangi bir olumsuz etki yaratmadan membran alanı başına uygulanabilecek en yüksek akım olarak tanımlanır. Æalışmalarda, öncelikle Cu(II) giderimi için uygulanması gereken limit akım değeri belirlenmiştir. Besleme tankı, 1,0 L CuSO 4 çözeltisi (25,0 mg/l), anot ve katot tankları ise 1,0 er L H 2 SO 4 çözeltisi (0,01 M) ile doldurulmuştur. Bu çözeltiler 2 L/saat sabit besleme debisi ile EDI hücresi içine sirküle edilmiştir. Öncelikle, bu sistemde Cu(II) giderimi için uygulanması gereken limit akım değeri belirlenmiştir. Bunun için, potansiyele karşı akım değerleri okunmuş ve bu değerlerden eğimleri farklı iki doğru elde edilmiştir. Bu doğruların denklemleri çözülerek limit akım değeri bulunmuştur. Besleme çözeltisindeki Cu(II) derişiminin etkisini bulmak için; Cu(II) derişimi sırasıyla 25,0 mg/l, 10,0 mg/l, ve 5,0 mg/l olan çözeltiler kullanılmıştır. Denemelerde sisteme 0,20 A uygulanmış ve besleme debisinin 2 L/saat, anot ve katot bölmesindeki H 2 SO 4 çözeltilerinin (0,01M) akış hızı ise 18 L/saat olarak ayarlanmıştır. Katot bölmesindeki Cu(II) derişiminin zamana bağlı olarak değişiminde besleme derişiminin etkisi, Şekil 1 de gösterilmiştir. Merkez bölmesindeki Cu(II) derişimi arttıkça, katot bölmesine geçen Cu(II) miktarı da artmıştır. Merkez bölmedeki Cu(II) derişiminin artması, çözeltinin iletkenliğini arttırmıştır. Æözeltinin iletkenliğinin artması sonucunda, uygulanan akımın daha büyük miktarının iyonların taşınmasında kullanılması sağlanmıştır. 118

133 Cu 2+ derişimi (mg/l) Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım mg/l Katot 10 mg/l Katot 5 mg/l Katot Zaman (dakika) Şekil 1. Katot bölmesindeki Cu(II) derişiminin zamana bağlı olarak değişimi Elektrot bölmesindeki sülfürik asit derişiminin etkisini saptamak amacıyla farklı derişimlerdeki H 2 SO 4 çözeltileri elektrot bölmesine beslenmiştir. Denemelerde Cu(II) derişimi 5 mg/l olan çözeltiler merkez bölmeye beslenmiştir. Sisteme uygulanan akım 0,20 A dir. Denemelerde merkez bölmeye beslenen çözeltinin debisi 2 L/saat, anot ve katot bölmesinin besleme debisi ise 18 L/saat olarak sabit tutulmuştur. Katot, merkez ve anot bölmelerindeki Cu(II) derişiminin zamana bağlı olarak değişiminde H 2 SO 4 derişiminin etkisi, Şekil 2 de gösterilmiştir. Anot ve katot bölmesindeki H 2 SO 4 derişimi arttıkça, katot bölmesine geçen Cu(II) miktarı artmıştır. Anyon değiştirici membranlar H + iyonunu geçirmektedirler. Uygulanan akımın etkisi ile, anot bölmesinden merkez bölmeye H + iyonu geçmektedir. Ayrıca katot bölmesinden de geri difüzyon nedeni ile de merkez bölmeye H + iyonu geçmektedir. Merkez bölmeye geçen H + derişimi arttıkça katyon değiştirici reçineler ile H + arasında R -Cu+2H 2 2R-H+Cu + 2+ iyon değişim tepkimesi gerçekleşmekte ve reçineden sıyrılan Cu(II) bölmesine geçmektedir. iyonları katot 119

134 Cu 2+ derişimi (mg/l) Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım ,01 M 0,02 M 0,05 M 0,1 M Zaman (Dakika) Şekil 2. Farklı derişimlerdeki H 2 SO 4 varlığında katot bölmesindeki Cu(II) derişiminin zamana bağlı olarak değişimi EDI yöntemi ile Cu(II) giderilmesine etki eden parametreler olarak, çözeltideki Cu(II) derişimi ve H 2 SO 4 derişimi incelenmiştir. Gerçekleştirilen deneyler sonucunda; merkez bölmesindeki Cu(II) derişimi ve anot ile katot bölmesindeki H 2 SO 4 derişimi arttıkça, katot bölmesine geçen Cu(II) miktarının arttığı gözlenmiştir. Teşekkür Bu çalışma TÜBITAK-ÆAYDAG ((ÆAYDAG-104Y399 No lu proje) ve Ege Üniversitesi Rektörlüğü Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) Üst Komisyonu (Proje No: 2007 BİL 022) tarafından desteklenmiştir. Deneysel çalışmalarımız esnasında metal analizlerini AAS ile gerçekleştiren Kimyager Sn. M.Akçay a, elektrodeionizasyon denemelerindeki katkılarından ötürü diploma proje öğrencilerimiz E.Tepedelen, D.Kurtuluş ve V.Özdokur a ayrıca çok teşekkür ediyoruz. Kaynaklar 1. K. Yeon, S. Moon, A Study on Removal of Cobalt from a Primary Coolant by Continuous Electrodeionization with Various Conducting Spacers. Separation Science and Technology 38(10) (2003) J. H. Song, Doktora tezi Transport Phenomena of Metal ions in a Continuous Electrodeionization System and Applications in Water Treatment Processes GIST, Gwangju, Korea, Yu. S. Dzyazko, V.N. Belyakov, Purification of a diluted nickel solution containing nickel by a process combining ion exchange and electrodialysis. Desalination 162 (2004)

135 Kağıt Endüstrisi Atıksularının Membran Prosesleri İle Arıtım Alternatiflerinin Araştırılması Z. Beril Gönder, Semiha Arayıcı, Hulusi Barlas Ġstanbul Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Avcılar, Ġstanbul 34320, Türkiye Son yıllarda, gerek deşarj standartlarının daraltılması gerekse kullanılabilir su kaynaklarının azalması nedeniyle suların tekrar kullanılması zorunluluk haline gelmeye başlamış bulunmaktadır. Bu durum ileri arıtma teknolojilerinin uygulanmasını gerekli kılmaktadır. Membran prosesler, diğer ileri arıtma teknolojileri ile karşılaştırıldıklarında daha düşük enerji ihtiyacı gerektirmeleri, daha yüksek saflıkta ürün elde edilebilmesi, işletim sırasında yüksek sıcaklıklara gerek duymamaları nedeniyle sıcaklığa hassas maddelerin işlenmesine uygun olmaları, az yer kaplamaları ve kurulmalarının kolay olması gibi avantajları yüzünden tercih edilmektedirler. Kağıt endüstrisi, dünyada birim üretim başına kullanılan su miktarı açısından metal ve kimya endüstrilerinden sonra üçüncü sırada yer almaktadır. Üretilen kağıdın kalitesine ve üretim prosesine bağlı olmakla birlikte 1 ton kağıt başına m 3 su kullanılmaktadır [1]. Kağıt endüstrisinde üretim sonrasında açığa çıkan atıksu miktarı ve atıksuyun içerdiği kirlilik yükü de diğer endüstrilere göre oldukça yüksektir. Günümüzde kağıt fabrikalarına ait atıksuların arıtılmasında genellikle biyolojik arıtma tercih edilmektedir. Aktif çamur prosesi ile biyolojik olarak arıtılmış atıksular; suya renk veren organik maddeler, mikroorganizmalar, askıda katı maddeler ve biyolojik olarak ayrışmaya dayanıklı organik maddeler içermektedirler. Ayrıca biyolojik arıtma sonrasında atıksuda önemli bir miktarda inorganik madde de bulunmaktadır. Atıksuyun üretimde tekrar kullanılabilmesi için biyolojik olarak arıtılmış kağıt endüstrisi atıksularında yer alan dayanıklı organik maddelerin giderimi, inorganik maddelerin giderimi ve ayrıca deşarj kalitesinin artırılması için ileri arıtım yöntemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Kağıt sektöründe de bu amaca yönelik olarak özellikle membran proseslerin uygulanmaya başladığı dikkati çekmektedir [2, 3, 4]. Bu çalışmada, biyolojik olarak arıtılmış kağıt endüstrisi atıksularından proses suyu eldesinde membran prosesi esaslı bir arıtım yöntemi önerilmesi ve bu amaçla uygun membran prosesinin seçimi için ön denemeler yapılmıştır. Membran seçiminde, membran performansı ve membranda meydana gelen kirlenme göz önüne alınmıştır. Deneysel çalışmalarda kullanılan atıksu, Tekirdağ da yer alan bir kağıt fabrikasının biyolojik arıtma tesisi (anaerobik+aerobik) çıkışından alınmıştır. Atıksu karakterize edilerek kirletici madde konsantrasyonları belirlenmiştir. Deneyler, laboratuar ölçekli bir membran sistemi ile çapraz akış düzeninde ve konsantrasyon modunda (süzüntünün ayrı bir kapta toplanıp konsantrenin, besleme tankına geri devir ettirildiği işletim modu) gerçekleştirilmiştir. Deneylerde Microdyn-Nadir GmbH dan temin edilen polietersülfon (PES) malzemeden üretilmiş 1 adet mikrofiltrasyon membranı (FM MP005), 2 adet ultrafiltrasyon membranı (FM UP020 ve FM UP005) ve 2 adet nanofiltrasyon membranı (FM NP010, FM NP030) kullanılmıştır. Filtrasyon koşulları; debi (Q) 2 L/dakika, sıcaklık (T) 25 0 C, çapraz akış hızı (υ)1,06 m/sn ve atıksu besleme hacmi (V) 7 litre olarak alınmıştır. Basınç değeri, uygulanan membran prosesine göre en çok kullanılan basınç 121

136 değerleri olmak üzere mikrofiltrasyon membranı için 2 bar, ultrafiltrasyon membranları için 4 bar ve nanofiltrasyon membranları için ise 12 bar olarak seçilmiştir. Deneyler, atıksuyun gerçek ph değerinde gerçekleştirilmiştir. Deney süresi olarak belirli bir zaman dilimi esas alınmayarak deneyler sabit bir VRF (Volume Reduction Factor-Hacim Azalma Faktörü) değerinde gerçekleştirilmiştir. Deneylerde VRF değeri 5 olarak alınmıştır. Membranlardan atıksu geçirilmeden önce farklı basınç ve sıcaklıklarda membranların saf su akıları belirlenmiştir. Ayrıca membranlarda temas açısı ölçümleri gerçekleştirilerek membranların yüzey özellikleri belirlenmiştir. Daha sonra membranlardan yukarıda belirtilen filtrasyon koşulları altında atıksu geçirilmiştir. Membran performansının değerlendirilmesinde kirletici madde giderim verimleri esas alınmıştır. Bunun için deney sonunda elde edilen süzüntüler ayrı bir kapta toplanarak oluşturulan kompozit süzüntülerde KOİ (Kimyasal Oksijen İhtiyacı), toplam sertlik, klorür, sülfat, AKM (Askıda Katı Madde), iletkenlik, RES (Renklilik Sayısı) ve SAK 254 (Spektral Absorbsiyon Katsayısı) ölçümleri yapılmıştır. Membran kirlenmesinin değerlendirilmesinde ise temas açısı ölçümleri, akı kayıpları (toplam akı kaybı, konsantrasyon polarizasyonundan kaynaklanan akı kaybı, kirlenmeden kaynaklanan akı kaybı) ve membran gözenek tıkanması modelleri (Hermia modelleri) göz önüne alınmıştır. Membranlar arasında en yüksek toplam akı kaybı (%73) FM MP005 membranında, en düşük toplam akı kaybı ise (%52) FM NP010 membranında görülmüştür. FM UP005, FM NP010 ve FM NP030 membranlarında ise kirlenmeden kaynaklanan akı kaybı toplam akı kaybının büyük bir kısmını oluşturmuştur. Bu durum söz konusu membranlarda diğerlerine göre daha fazla kirlenme meydana geldiğini göstermektedir. Temiz ve kirli membranların temas açısı değerleri karşılaştırıldığında kirli membranda temas açısı değeri en fazla FM NP010 membranında artmıştır. Buradan yola çıkarak, membran yüzeyinde meydana gelen kirlenmenin en fazla bu membranda olduğu söylenebilir. Kirlenmeden kaynaklanan akı kaybının yüksek olduğu FM UP005 membranında ise temas açısındaki artış oldukça düşük bulunmuştur. Bu membranda meydana gelen kirlenmenin yüzeyden çok porlarda meydana geldiği düşünülmektedir. Membranlarda meydana gelen akı kayıplarında, membranların gözeneklerinin tamamen ve/veya kısmen bloke olmasından ya da membran üzerinde bir kek tabakasının oluşumundan kaynaklandığının belirlenmesi için Hermia modellerinden yararlanılmıştır. Modellere ait R 2 değerleri incelendiğinde FM UP005 membranında hariç diğer membranlarda akı azalmasının kek tabakası oluşumundan kaynaklandığı belirlenmiştir. Membranlar KOİ giderim verimleri açısından değerlendirildiğinde; FM NP030 ile oldukça yüksek oranda (%93) KOİ giderimi elde edilmiştir. SAK 254 giderim verimleri incelendiğinde KOİ giderim verimiyle paralel ve KOİ giderimine göre daha yüksek olduğu görülmüştür. FM MP005 ve FM UP020 membranları ile klorür giderimi elde edilemezken, FM UP005 ve FM NP010 membranları ile düşük oranda (%6) klorür giderimi elde edilmiştir. Klorür en fazla FM NP030 membranı ile giderilmiştir (%23). Sülfat ve toplam sertlik giderimleri ise klorüre oranla çok daha yüksektir. Özellikle sülfat, nanofiltrasyon membranları ile %85 e varan oranlarda giderilmiştir. AKM, FM NP030 membranı ile tamamen giderilirken, FM NP010 ve FM UP005 membranları ile aynı oranda (%78) giderilmiştir. FM UP005, FM NP010 ve FM NP030 membranları ile %70 in üzerinde renk giderimi elde edilmiştir. Yapılan ön denemeler ile elde edilen sonuçlar genel olarak değerlendirildiğinde en yüksek giderim verimleri FM NP030 membranı ile elde edilmiştir. Ancak membranın akısı diğerlerine göre oldukça düşük olduğu için üretilecek su miktarı göz önüne alındığında bu membranın çok uygun olmadığı düşünülmektedir. FM MP005 ve FM UP020 membranlarındaki toplam akı kayıpları ise oldukça yüksektir. Ayrıca bu membranlar ile klorür giderimi sağlanamamıştır. FM NP010 ve FM UP005 membranları ile elde edilen giderim verimleri birbirine çok yakındır ve FM MP005, FM UP020 membranlarına göre 122

137 daha yüksektir. Bu membranlarda gözlenen toplam akı kayıpları da birbirine yakındır ve FM MP005, FM UP020 membranlarına göre daha düşüktür. FM NP010 ve FM UP005 membranlarının arıtım için diğer membranlara göre daha uygun olduğu düşünülmektedir. Fakat gözenek tıkanması modellerine göre FM UP005 membranında standart gözenek tıkanması gerçekleştiği belirlenmiştir. Bu durumda çalışılan filtrasyon koşulları altında FM NP010 membranının giderme verimleri ve membranda meydana gelen kirlenme birlikte değerlendirildiğinde daha iyi sonuçlar verdiğini söyleyebiliriz. Öte yandan uygun filtrasyon koşullarının belirlenmesinin akı kaybının azaltılmasında ve kirlenme mekanizmasının değiştirilmesinde etkili olduğu bilinmektedir. Bu nedenle, FM UP005 ve FM NP010 membranları için uygun filtrasyon koşullarının tespit edilerek akı kayıpları, kirlenme mekanizması ve giderim verimlerinin tekrar belirlenmesi önerilmektedir. Kaynaklar 1. G. Thompson, J. Swain, M. Kay, C.F. Forster, Bioresource Technol. 77 (2001) I. Koyuncu, F. Yalcin, I. Ozturk, Water Science and Technology, 40 (1999) M. Pizzichini, C. Russo, C. Di Meo, Desalination, 178 (2005) M. Mänttäri, K. Viitikko, M. Nyström, Journal of Membrane Science 272 (2006)

138 124

139 Poster Sunumlar 125

140 126

141 Hidrokarbon ve Tuz içeren Petrol ve Doğal Gaz Üretim Atıksularının Membran Biyoreaktör (MBR) ile Arıtımı Burcu Atay 1, Tuğçe Kıratlı 1, Selime Erdem 1, E. Banu Gençsoy 1, Hale Özgün 1,M. Evren Erşahin 1, Necati Kayaalp 1, Mahmut Altınbaş 1, Sema Sayılı 2, Pelin Hoşhan 2, Doğa Atay 2, Esra Eren 2, Cumali Kınacı 1, İsmail Koyuncu 1 1 Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 34469, Maslak, Ġstanbul 2 Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı, Sögütözü Mahallesi 2. Cad. No : Çankaya/ANKARA Bir petrol kuyusundan petrol üretimi uzun yıllar sürüyorsa, geçen zamanla birlikte petrol üretimi zorlaşabilmektedir. Bu durumda rezervuara su ya da buhar enjekte edilmektedir. Rezervuardan petrol üretimi düştüğünde, rezervuarda boşalan hacme enjekte edilmesi gereken su miktarı artmaktadır. Rezervuar basıncının artmasıyla birlikte, petrol su karışımı pompa yardımıyla kuyudan çekilmektedir. Æıkışta, yoğunluk farkı nedeniyle petrol, üretim atıksuyundan ayrıştırılmaktadır. Petrol ve gaz üretim kuyularından, petrol ve gaz ile birlikte üretilen bu su, üretim atıksuyu olarak adlandırılmaktadır. Üretim atıksuları, petrol ve gaz üretim endüstrisinin en büyük atık akımı olup, toplam oluşan atıksuyun yaklaşık olarak % 70 ini oluşturmaktadır. Üretim atıksuyu genellikle kuyu başında veya üretim sahalarında petrol veya gazdan ayrılmaktadır. Oluşan üretim atıksuyu miktarı, geri kazanım yöntemi ve formasyonun yapısına bağlı olarak değişmekle beraber üretilen petrolün hacim olarak 7-8 katı kadar olduğu bazı araştırmacılar tarafından ifade edilmiştir. Bu rakam 1995 verilerine göre ABD de 3-4,5 milyar m 3 /yıl, Æin de ise 464 milyon m 3 /yıl boyutundadır. Bazı formasyonlarda çok miktarda su, petrol ve gaz ile üretimin ilk aşamalarında yüzeye pompalanmakta, bazılarında ise rezerv önemli derecede azalmadan bu gerçekleşmemektedir. Büyük hacme sahip yüksek oranda kirlemiş bu atıksuların yeniden kullanılabilmeleri ya da güvenli bir şekilde deşarj edilebilmeleri için, çevre dostu ve ekonomik arıtım metotlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Petrol ve petrol türevleri olan polisiklik aromatik hidrokarbon (PAH) lar, petrol dökülmesi ve fosil yakıtlarının tamamen yanmaması sonucu çevreye atılan organik kirleticilerdir. PAH ların çoğu ortamda uzun süre kalmaları ve birikimleri sonucu, çevre kirlenmesine sebep olmakta ve biyolojik dengeyi önemli ölçüde olumsuz etkilemektedir. Membran biyoreaktörler (MBR) membran teknolojisi ve biyolojik arıtma birleşiminden oluşmakta olup, günümüzde atıksu arıtımında yaygın olarak kullanım alanı bulmaktadır. Gelişen membran teknolojisi ve membran üretim maliyetlerinin hızla düşmesi, MBR sistemlerine olan eğilimi arttırmıştır. Alberti ve diğ. (2007) yapmış olduğu çalışmada mikrofiltrasyon membranları kullanarak ve substrat olarak hidrokarbon kullanarak batık membran biyoreaktör ile KOİ ve hidrokarbon giderim verimlerini incelemiştir. Hidrokarbon konsantrasyonunun yüksek olduğu durumlarda KOİ ve Hidrokarbon giderim veriminin %93 ile %97 arasında değişkenlik gösterdiği gözlenmiştir. Reid ve diğ. (2006) tarafından yapılan çalışmada, batık MBR ye ani ve yüksek (5 g/l ye kadar) tuz yüklemeleri yapılarak çeşitli parametrelerin değişimi üzerine tuzluluğun etkisi incelenmiştir. Bu çalışmanın sonucunda, yüksek tuzluluğun hem membran geçirgenliğine hem de KOİ ve NH 3 -N giderimine olumsuz etki yapmadığı, ancak tuz faktörü ortadan kaldırıldığında membran geçirgenliğinin dengeye ulaştığı ve KOİ ile NH 3 -N giderim veriminde de iyileşme olduğu görülmüştür. 127

142 Bu çalışmanın amacı hidrokarbon ve tuzluluk içeriği yüksek olan atıksuların MBR ile arıtılabilirliğinin incelenmesi ve hidrokarbonların membran biyoreaktörlerin giderim verimleri üzerindeki etkisinin araştırılmasıdır. Bu amaçla, Trakya petrol ve doğal gaz üretim sahalarından alınan üretim atıksuları, laboratuar ölçekli MBR sisteminde arıtılmış ve elde edilen veriler doğrultusunda Trakya Bölgesi nde faaliyete alınacak olan bir pilot ölçekli tesis dizayn edilecektir. Kurulan laboratuvar ölçekli membran biyoreaktör sistemin Şekil 1 de verilmektedir. Deneysel çalışmalarda petrol ve doğal gaz sahalarından gelen atıksular ile ayrı ayrı çalışılmaktadır. Hidrokarbon ve tuz içeriğinin MBR üzerindeki etkisi detaylı olarak araştırılacak ve deneysel çalışmalar değişik F/M oranlarında, çamur yaşlarında ve biyokütle konsantrasyonlarında gerçekleştirilecektir. Belirtilen amaçlar doğrultusunda TPH, KOİ, AKM, UAKM, fenol, BTEX ölçümleri yapılacaktır. Şekil 1. Laboratuvar ölçekli membran biyoreaktör sistemi genel görünümü Şekil 1 den görüldüğü gibi, atıksu, ham su tankından atıksu besleme pompası ile ozonlama tankına gelmekte ve burada kompleks bileşikler daha basit yapılı bileşiklere çevrilmekte, böylece biyolojik olarak ayrışabilirlik artmaktadır. Atıksu filtrasyon süresi boyunca ince boşluklu elyaf membrandan (Hollow Fiber) süzülerek süzüntü tankında toplanmaktadır. Sistemde ph ve çözünmüş oksijen otomatik olarak kontrol edilmektedir. Sistemde bulunan iki adet hava pompasından biri, reaktör içindeki oksijen konsantrasyonunu düzenlemekte, diğeri ise membranın tıkanması sonrasında hava ile geri yıkaması sağlamaktadır. Membranın tıkanması halinde; kimyasal, sıvı ve hava ile geri yıkama yapılarak tıkanıklığın giderilmesi sağlanmaktadır. 128

143 Yapılan deneyler sonucunda KOİ çıkış konsantrasyonunun, KOİ yüklemesinden bağımsız, yaklaşık olarak aynı değerlerde olduğu gözlenmiştir. Benzer şekilde, reaktör içerisindeki biyokütle konsantrasyonunun çıkış KOİ değerini etkilemediği gözlenmiştir. Teşekkür Bu çalışma Türkiye Bilimsel ve Teknolojik Araştırma Kurumu (TÜBİTAK) tarafından 107G091 nolu proje ile desteklenmiştir. Referanslar Alberti F., Bienati B., Bottino A., Capannelli G., Comite A., Ferrari F., Firpo R., Hydrocarbon removal from industrial wastewater by hollow-fibre membrane bioreactors. Desalination. Vol 204. pp Reid E., Liu Xingrong, Judd S.J., 2006: Effect of high salinity on activated sludge characteristics and membrane permeability in an immersed membrane bioreactor. Journal of Membrane Science. Vol pp

144 130

145 ODTÜ-VRM Membran Biyoreaktör Sisteminin Enerji Kullanım Analizi Okan Tarık Komesli, Celal Ferdi Gökçay* Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Ankara Giderek artan nüfus ve aşırı şehirleşme su kaynakları üzerindeki baskıyı iki kat artırmaktadır. Bir yandan artan su kullanımına bağlı olarak temiz su kaynakları hızla tükenmekte diğer yandan artan atıksu miktarları kalan suların kirlenerek elden çıkmasına neden olmaktadır. Tükenen su kaynaklarını yerine koymada ters ozmoz teknolojisi bir çözüm gibi görünse de aşırı maliyet ve atıksu arıtma maliyetleri doğrudan geri kullanımı tam bir çözüm olarak ortaya çıkarmaktadır. Ayrıca deniz suyunun sadece deniz kenarındaki yerleşim birimlerince kullanılabilmesi bu kaynağın evrenselliğini ortadan kaldırmaktadır. Bu konuda en köklü çözümün membran biyoreaktörler (MBR) olduğu anlaşılmaktadır. MBR lar ile aynı suyu çok kere kullanmak mümkün olmaktadır. MBR Sistemleri aktif çamur sisteminin bir benzeri olup tek fark aktif çamurdaki çöktürme tankının yerini bir membran süzme aygıtının almasından kaynaklanmaktadır. Membran prosesi optimizasyon çalışmaları batık MBR sistemlerinin ayrık sistemlerden enerji açısından daha verimli olduğunu göstermiştir [1]. Ayrık sistemlerde havalandırma çamuru dışarıda bir ünitede süzülerek geri döndürülmektedir. Batık sistemlerde ise membran ünitesi havalandırma tankının içersinde yer almaktadır. Bugüne değin yapılan çalışmalarda atıksu arıtımı için elektrik tüketiminin tesisten tesise göre değiştiği gösterilmektedir. Elektrik tüketimini etkileyen en önemli parametrelerden birisi sistemin kapasitesidir. Örneğin m 3 /g lük Kaliforniya da bulunan Union Sanitary District Klasik Atıksu Arıtma tesisisnde elektrik tüketimi kwh/m 3 dir. Kaliforniyada bulunan aynı proseslere sahip 3900 m 3 /g kapasiteli Fortuna Klasik atıksu arıtma tesisinde ise 1.03 kwh/m 3 dir [2]. Bu çalışma kapsamında, yarı batık bir MBR tipi olan Vakum Döner Membran (VRM) sistemi ile arıtılan atıksuyun birim enerji maliyeti araştırılmıştır. Æalışmada ODTÜ yerleşkesinde kurulmuş VRM türü gerçek ölçekli bir membran biyoreaktör ünitesinin enerji tüketimi analiz edilmiştir. Kullanılan VRM türü MBR sistemi Huber AG tarafından üretilmiş olup arıtma tesisi iki havuzdan oluşmaktadır. Arıtma tesisine ait akım şeması Şekil-1 de verilmektedir. 131

146 Havalandırma tankı Membran tankı Pompa çıkış Blover Şekil 1: ODTÜ-MBR akım şeması Sistemin havalandırma tankı olarak kullanılan birinci havuzu yaklaşık 85 m 3 hacimli olup burada biyolojik arıtma gerçekleşmektedir. Katı-sıvı faz ayırımının yapıldığı batık dönen disk membran aygıtının içinde bulunduğu ikinci havuz ise 23 m 3 hacme sahiptir. Aygıttaki toplam membran alanı 540 m 2 olup plaka şeklindeki membranlar modüller halinde döner filtre tutucu tambura bağlanmaktadır. Filtre tutucu tambur bir aks etrafında sürekli dönerek membran üzerinde çapraz akım sağlamaktadır. Æapraz akım bir yandan da filtre tutucu tamburun altından üflenen kaba hava kabarcıkları ile sağlanmaktadır. Membran yüzeylerinden vakum yardımıyla çekilen aıtksu altı adet radyal boru ile filtre tutucu tamburun ortasına gelmekte, burada birleşerek tek bir boru ile vakum pompasına bağlanmaktadır. Sistemde kullanılan membran 38 nm gözenek çapında ve plaka şeklindedir. Sistemin akısı L/m 2 -h arasında değişmekte olup deneysel çalışmalarımızdan kritik akının 15 L/m 2 -h civarında olduğu görülmüştür. Bu akıda tesisi uzun süre çalıştırmak pek mümkün olmamaktadır ve trans membran basıncı hızla sınır değer olan -300 mbar a yaklaşmaktadır. Oysa L/m 2 -h akı değeri sürdürülebilir akı değeri olarak tanımlanabilir. Bu akı değerinde tesis 6-8 ay müddetle kimyasal yıkama yapılmadan işletilebilmektedir. Tesiste günlük arıtılan toplam su miktarı m 3 arasındadır. Sistemdeki suyun hidrolik bekleme süresi yaklaşık 18 saattir. Arıtma tesisi ile ilgili bilgiler Tablo-1 de özetlenmiştir. Tablo 1: ODTÜ-MBR arıtma tesisinin özellikleri Havalandırma havuzu hacmi 85 m 3 Membran havuzu hacmi 23 m 3 Membran Tipi plaka Toplam membran alanı 540 m 2 Por çapı μm Æözünmüş oksijen konsantrasyonu mg/l MLSS ( havalandırma havuzu) g/l MLSS (membran havuzu) 6-21 g/l Hidrolik bekleme süresi h Sıcaklık 17 ± 4 0 C Maksimum membrane basıncı -320 mbar Æalışmalar sırasında bütün parametre analizleri iki paralel olarak Standart Metotlar a uygun olarak yapılmıştır. Æalışmalarda KOİ Hach Dr 2000 model spektrofotometre ile ölçülmüştür. Sistemin çözünmüş oksijen (Æ.O.) konsantrasyonu Jumo dtrans O 2-01 model Æ.O-metre ile arıtma tesisinde on-line olarak ölçülmektedir. Sistemin elektrik enerjisi tüketimi kontrol panelinden direk olarak ölçülebilmektedir. 132

147 ODTÜ-MBR arıtma tesisinde yapılan analizler sonucunda, sistemin %99,9 BOİ 5 arıtımı sağladığı gözlemlenmiştir. Bu nedenle sonraki analizlerde BOİ 5 yerine sadece KOİ analizi yapılmıştır. Tesisin KOI parametresini ise ortalama % 95 üzerinde arıttığı belirlenmiştir. Tesisin sürekli 7 log civarında koli basili arıtımı yaptığı gözlenmiştir. Tesis çıkışında Fekal Koli basiline rastlanmamaktadır. Arıtılan su Su Kirliliği Kontrol Yönetmeliği Teknik Usuller Tebliğine göre 1. Sınıf kullanılmış su kriterlerini yakalayabilmektedir. Elde edilen arıtılmış sular yaz aylarında ODTÜ yerleşkesinde bulunan Teknokent in yeşil alanlarının sulamasında kullanılmaktadır. Teknokent bu suretle önemli tasarruf sağlamaktadır. Kış aylarında ise arıtılmış sular m 3 hacimli bir lagünde biriktirilecektir. ODTÜ-MBR sisteminin elektrik tüketimi kontol panelinde bulunan iki ayrı sayaç ile sayılmaktadır. Birinci sayaç sadece havalandırma havuzunun bloverini sayarken ikinci sayaç ince ızgara ünitesi, kontrol paneli, vakum pompası, geridevir pompası, VRM ünitesinin dönmesini sağlayan motor ve membranların temizlenmesi için çapraz akımı sağlayan kaba havalandırma bloverini saymaktadır. Buradaki tüketim toplam elektrik tüketiminin yaklaşık %50 sini oluşturmaktadır. Sistemde kullanılan iki blower toplam elektrik tüketiminin % 85 lik kısmını oluşturmaktadır. ODTÜ-MBR Sisteminde elektrik tüketim analizi yapılırken sistemde sabit ve değişken elektrik tüketimi olmak üzere iki kısım göz önünde bulundurulmuştur. Sistemin sabit elektrik tüketimi arıtılan su miktarından bağımsız olarak tüketilen elektriği kapsamaktadır ve toplam saatte 5 kwh olduğu tespit edilmiştir. Sabit elektrik tüketiminini, kaba havalandırma, kontrol paneli, ince ızgara ünitesi ve VRM ünitesi dönme motoru oluşturmaktadır. Değişken tüketimi ise havalandırma bloveri, vakum pompası, geridevir pompası oluşturmaktadır. Havalandırma bloverinin çalışması havalandırma havuzundaki oksijen konsantrasyonuna göre değişmektedir. Havalandırma havuzunda saatteki elektrik tüketimi minimum 2.5 kwh olup oksijen konsantrasyonu düştükçe bu miktar da artmaktadır. İki havuz arasındaki MLSS konsantrasyon farkını dengelemek için kullanılan geridevir pompasının işleyişi arıtılan su miktarı ile orantılıdır. Arıtılan her m 3 atıksu için geridevir pompasının çalışma süresi ayarlanabilmektedir. Ancak geri devir edilen suyun debisi toplam debiyi aşmamaktadır. Diğer bir deyişle maksimum geridevir debisi 1 Q dur. Debiye bağlı elektrik tüketimi de bu şekilde değişiklik göstermektedir. Sistemde arıtılan su miktarı vakum pompası ile ayarlanmaktadır. Vakum pompası tarafından tüketilen enerji miktarı 0.04kWh/m 3 olarak hesaplanmıştır. Ayrıca atıksu arıtma tesisi ile kanalizasyon hattı arasında yaklaşık 20 m lik bir kot farkı olduğundan atıksu dalgıç pompa vasıtası ile arıtma tesisine basılmaktadır. Böylece m 3 başına 0.2 kwh ek bir elektrik tüketimi daha oluşmaktadır. Arıtılan metreküp başına tüketilen elektrik miktarı denklem-1 de ayrıntılı olarak verilmiştir x P 5*10 * a Q Q (Denklem-1) P= m 3 başına tüketilen elektrik (kwh/m 3 ) Q= debi (m 3 /h) x= havalandırma havuzundaki blowerin kapasitesi (%) a= geridevir periyodu / m 3 arıtım; (saniye olarak) ODTÜ-MBR Atıksu arıtma tesisinde tüketilen elektrik miktarı yukarıdaki denkleme göre hesaplandığında arıtma tesisinde m 3 başına tüketilen enerji miktarı 1 ile 2.25 kwh arasında değişmekte olup ortalama 1.8 kwh/m 3 civarında seyretmektedir. Ankara da sanayi için 133

148 kullanılan elektriğin fiyatının yaklaşık $ 0.12/Kwh olduğu göz önüne alınırsa m 3 başına arıtım maliyeti $ olarak değişmektedir. Bu çalışma kapsamında ODTÜ-MBR Atıksu Arıtma Tesisinin elektrik tüketimi incelenmiştir. Elektrik tüketimi sabit ve değişken olarak iki kısımda ele alınmış ve bununla ilgili bir denklem geliştirilmeye çalışılmıştır. Elde edilen verilere göre arıtılan su miktarı arttıkça birim m 3 başına tüketilen elektrik miktarı da düşmektedir. Sistemdeki hidrolik bekleme süresi 18 saat gibi çok uzun bir süre olduğu için havalandırma havuzundaki eletrik tüketimi de çok fazla olmaktadır. Diğer bir deyişle sistemde bir yandan da havalandırmalı çamur çürütme yapılmaktadır. Hiç şüphesiz sistemin hidrolik bekleme süresi 6-8 saat civarında olabilseydi birim m 3 başına tüketilen elektrik miktarı da çok daha az olacaktı. Buna rağmen Ankara da suyun birim m 3 fiyatının 8.3 TL olduğu göz önünde bulundurulduğunda ve arıtılmış suyun Teknokent yeşil alanlarının sulanmasında kullanılıyor olduğu düşünüldüğünde büyük ekonomik fayda sağladığı ortadadır. Teşekkür Bu çalışmalar sırasında desteklerinden dolayı TUBİTAK proje No 108Y272, Huber A.G. ve ODTÜ-Teknokent e teşekkür ederiz. Referanslar 1. W. Yang, N. Cicek, J.Ilg, State-of-the-art of membrane bioreactors: Worldwide research and commercial applications in North America Journal of Membrane Science (2005). 2. Fuller J., Energy Efficient Alternatives for the Fortuna Wastewater Treatment Facility, The Community Clean Water Institute Fortuna Water Quality Project 134

149 Metanojenik Fazdaki Katı Atık Depolama Sahası Sızıntı Sularının Açık Kanal Ters Ozmoz Membran Modülleri İle Arıtımı Vahdi Can Gürsoy ve Refah Özdemir Rochem, Ġnönü Cad. No:53 K:7 D:14 Taksim/Ġstanbul Bu çalışmada katı atık depolama sahası sızıntı sularının açık kanal spiral sarımlı modüller ile arıtımı açıklanmaktadır. Birinci aşamada aktif çamur prosesi ve bunu takiben flokülasyon/sedimentasyon prosesinden çıkan sızıntı suları arıtma ünitesine gönderilmektedir. İkinci aşamada ham sızıntı suyu doğrudan ters ozmoz arıtma sistemine verilmiştir. Bu çalışmada ortalama %70 verim elde edilmiştir. İkinci aşama ters ozmoz sisteminde %98,2 oranında çözünmemiş katı maddelerin giderimi sağlanmıştır. KOI giderimi %99, klorür giderimi %99 ve NH₄-N giderimi ise %98 dir. Bu çalışma sızıntı sularının doğrudan açık kanal spiral sarımlı ters ozmoz membran filtrasyon sistemlerine verildiğinde başarılı sonuçlar alındığını, proses kararlılığını ve membran dayanımı göstermiştir. Bu çalışmada çıkan permat; Alman sızıntı suyu deşarj standartlarını sağlamıştır. Katı Atık Depolama Sahası Sızıntı suları çok çeşitli organik ve inorganik kirleticiler içermekte ve yer altı suları açısından büyük bir risk teşkil etmektedir. (Christensen et al.1992). Evsel katı atıklardan kaynaklanan sızıntı sularının arıtımı; istenilen düşük deşarj limitlerini sağlayabilmek açısından ileri bir arıtma prosesidir. Biyolojik arıtma, uçucu yağ asitleri içeren genç sızıntı sularının arıtımında verimli olmaktadır fakat metanojenik fazdaki sızıntı sularının arıtımında aynı verimi sağlayamamaktadır. Biyolojik arıtmanın tek başına biyolojik olarak parçalanamayan organik maddelerin istenilen deşarj değerlerine getirilmesinde yeterli olmadığı görülmüştür, ve ters ozmoz teknolojisinin biyolojik arıtma sonrası gerekliliğini ortaya koymaktadır. Sızıntı suyunun içerdiği inorganik tuzlar ve organik maddeler çok düşük konsantrasyonlarda olsa dahi çevre açısından negatif etkiler göstermekte ve ekolojik sistemde biyolojik kirliliğe neden olmaktadır. Örneğin biyolojik arıtma klorür konsantrasyonun düşürülmesinde etkili olmamaktadır. Klorürün 250 mg/l limitine düşürülmesinde ters ozmoz gibi alternatif ileri arıtma yöntemlerine ihtiyaç vardır. Sızıntı suyu arıtımında hacimsel olarak yüksek yoğunluklu ve işletme maliyetleri düşük membranların kullanılması çok önemlidir. Bu çalışmada; sızıntı sularının arıtımında açık kanal spiral sarımlı membran modülleri kullanılmıştır. Sızıntı suyu depolama sahasından alınmış ve ikincil kullanım için oda sıcaklığında toplama tanklarında depolanmıştır. Faz 1 de sızıntı suyuna, aktif çamur prosesi ile ön arıtma uygulanmış ve bunu takiben koagülasyon / flokülasyon ve sedimentasyon uygulanmıştır. Aktif çamur prosesinde nitrifikasyon tankı (50m³) ve denitrifikasyon tankı (15m³) kullanılmıştır. Havalandırma tankından çıkan sızıntı suyu cazibe ile biyokütlenin ayrılması için birinci durultucuya (2m³) gitmektedir. İkinci durultucudan (1m³) çıkan çıkış suyu ters ozmoz sistemine girmektedir. Faz 2 de ham sızıntı suyu direk ters ozmoz sistemine verildi. Sızıntı suyu sisteminin toplam debisi 1750 l/sa.ters ozmoz membran filtrasyon sistemi için ROCHEM UF-System GmbH nin patentli modülü olan açık kanal spiral sarımlı modülleri kullanılmıştır. Her bir açık kanal spiral sarımlı modül toplam 25,6 m² membran alanına sahiptir. Disk tüp modülün 3 katı kadar daha fazla membran alanına sahiptir.sızıntı suyu; 135

150 ters ozmoz membran modüllerine girmeden önce 50 µm dan büyük askıda partiküllerin tutulması için kum filtreye girmektedir. Kum filtre çabuk tıkanabilir ve sıklıkla geri yıkamaya ihtiyaç duyar. Kum filtreden geçen sızıntı suyu inorganik tuzların çözünürlüğünü arttırmak amacıyla ph değerini ayarlamak için H₂SO₄(%98) ilave edilir. ph değerinin 6-6,5 arasına getirilmesinin bir yararlı etkisi de hem KOI hem de NH₄-N giderimin artmasını sağlamasıdır. Kartuş filtre; 10µm dan büyük askıda katı partiküllerin giderimi için kullanılmaktadır. Birinci kademede toplam membran alanı 76.8m² olan 3 modül seri olarak bağlanmıştır. Birinci kademeden çıkan bir kısım konsantre geri devredilmekte; geri kalan kısım ikinci kademeye iletilmektedir. Giriş suyunun özellikleri Tablo 1 de özetlendi. Gözlenen ph, KOİ değerleri ve deponi yaşına göre, araştırmada kullanılan sızıntı suyu metanojenik fazda idi. Bu fazda, sızıntı suyu bileşimi düşük BOİ değerleri ve düşük BOİ/KOİ oranları ile karaterize edilir. Azot bileşenleri nispeten yüksek seviyelerde devam eder (Stegmann et al. 2005). Düşük biyobozunurluk özelliği, biyolojik proseslere nazaran ters ozmoz gibi fizikokimyasal tekniklerin uygulanmasının daha tavsiye edilir ve uygun olduğunu vurgular. Faz 1 ve Faz 2 boyunca Sızıntı suyundaki ana bileşenlerin azaltılması Tablo 1 de gösterilmiştir. Her iki fazda toplam giderim %98 idi. Her iki fazın giriş ve çıkışındaki elektriksel iletkenlik değerleri Şekil 2 de gösterilmiştir. Her iki fazda da NO3-N haricinde giderim verimlerinde önemli bir farka rastlanmadı. Nitrifikasyon prosesinden dolayı, çıkış suyundaki NH4-N değeri Faz 1 de daha düşüktü. Buna rağmen, Faz 1 de tamamlanamayan denitrifikasyon prosesinden dolayı, çıkış suyundaki NO3-N konsantrasyonu Faz 2 dekinden biraz daha yüksekti. Faz 1 deki daha düşük NO3-N giderimine (%44,7) rağmen, NO3-N in ön arıtma çıkışı 107mg/l den ters ozmoz çıkışında 8,3mg/l ye toplam %92,2 giderim verime ulaşıldığı akılda tutulmalıdır. Harici karbon Alüminyum Sülfat Harici karbon ph ayarlama Ham sızıntı suyu nitrifikasyon Ön çökletme Son çökeltme denitrifikasyon Æamur geri devir Koagülasyon flokülasyon fazla çamur Membran yıkama Sülfürik asit 1. kademe 2. kademe Arıtılmış su Geri yıkama konsantre Kum filtre Kartuş filtre Biyolojik ön arıtma ile BOI5 ve KOİ nin bir kısmını oluşturan biyolojik organiklerin gideriminde verimli olur. Buna rağmen, biyolojik arıtma sonrası kalan KOİ konsantrasyonu halen deşarj standartlarının üzerinde kalmakta ve biyolojik arıtmanın tek başına deşarj standartlarına ulaşmakta yetersiz olacağını göstermektedir (Christensen et al. 1992). Gözlem sonuçları ters ozmoz öncesi ön arıtma veriminin tüm arıtma veriminde anlamsız olduğunu göstermektedir. 136 RO ünitesi

151 Tablo 1. Ana kirleticiler giderim oranları Parametreler Toplam Toplam Biyolojik Ham Koagülasyon Arıtılmış Arıtılmış arıtma arıtma Almanya arıtma sızıntı flokülasyon çıkış su (Faz su (Faz verimi verimi sınır çıkışı suyu suyu (Faz 1) 1) 2) (Faz 1) (Faz 2) değerler (Faz 1) (%) (%) ph 7,9 7,0 6,5 6,7 6, İletkenlik (ds/m) 16,5 16,3 16 0,3 0,3 98,2 98,2 - AKM (mg/l) Algılan Algılan madı madı KOİ (mg/l) , ,7 99,5 200 NH4-N (mg/l) ,5 6,1 0,4 11,3 99,9 98,9 10 NO2-N (mg/l) 5 6,8 6,5 0,2 0, NO3-N (mg/l) ,3 2,6 44,7 82,7 - Cl (mg/l) ,2 99,3 99,2 250 Al (mg/l) 0,12 0,09 0,35 <0,001 <0,001 >99,2 >99,2 - Fe (mg/l) 7,6 2,5 1,7 <0,001 <0,001 >99,9 >99,9 - Pb (mg/l) 0,37 0,15 0,12 <0,001 <0,001 >99,7 >99,7 0,5 Zn (mg/l) 0,65 0,27 0,23 <0,001 <0,001 99,8 >99,8 2 Cu (mg/l) 0,26 0,11 0,09 <0,001 <0,001 99,6 99,6 0,5 Şekil 2. İşletme süresi boyunca giriş ve çıkış Şekil 3. İşletme süresi boyunca arılmış su akışı ve sularının elektriksel iletkenliğinin değişimi trans-membran basınç farkının değişimi Bu çalışmada, membran filtrasyon performansı arıtılmış su akışının değişmesine göre karakterize edildi. Ortalama arıtılmış su akışı işletmenin ilk 90 saatinde 6,5l/m²/saat değerine giriş trans-membran basınç farkının 20 bar olması ile (membran yıkama öncesi 40 bar a yükseldi) ulaşıldı. Düşük filtrasyon performansı ile spiral sarımlı modüller değiştirildi ve Faz 2 deki ön arıtma kademesi çıkarıldı. Ham sızıntı suyu bu durumda ters osmos sızıntı suyu arıtma sistemine verildi. İşletmenin devam etmesi ile, trans membran basınç farkı başlangıçta 20 bar membran yıkamadan önce 40 bar a ulaşarak, ortalama akış 7,8 l/m²/saat e ulaşıldı. Şekil 3 te gösterildiği gibi, Faz 1 deki değerlerin %30 artması ile Faz 2 de ulaşılan arıtılmış su akışı 6,5 ile 8,14 l/m²/saat aralığına yükseldi. Gözlem süresi boyunca, ortalama geri kazanım oranı %70 e ulaştı. Organik yükteki azalma ile arıtılmış su çıkış kalitesinin ve membran ömrünün artması hedeflenmişti. Daha önceki bulgulara karşıt (Baumgarten ve Seyfried,1996;vrouwenvelder ve van der Kooij,2001,Wend et al.2003) olarak, ön arıtma membran akışını artırmamıştır. Faz 1 deki düşük filtrasyon perfomansı biyolojik ön arıtma adımı ve kagülasyon/flokülasyon adımından artan alüminyum sülfat tan çözünen mikrobiyal ürünlerden (SMP) kaynaklanmaktadır. Organik karbonun büyük kısmı biyolojik arıtma çıkışı çözünen mikrobiyel ürünler (SMP) olarak sınıflandırılan ve giriş suyunda bulunmayan bir kısımdır (Namkung ve Rittmann, 1986). Yüksek basınç ve çapraz akış altında, SMP 137

152 membran yüzeyi üzerinde kimyasal yıkama ile giderilmesi zor ince film tabakası oluşturur (Holweg et al. 2003). Koagülasyon / flokülasyon prosesinden oluşan alüminyum fazlalığının (0,35mg/l) ters ozmoz membran modüllerinde alüminyum hidroksit oluşturan bir tabakalaşmaya neden olmaktadır. Artık alüminyum aynı zamanda silikat ile reaksiyona girerek koloidal tabakalaşmaya neden olan alüminyum silikatların oluşumuna da sebep olabilir (Gabelich et al. 2006). Faz 2 deki aralıksız her bir 90 saatlik işletmenin ardından arıtılmış su akışı membran yüzey tabakalaşmasını göstererek 8,14 ten 6,5 l/m²/saat e düşmüştür. 19 dakikalık emme süresi sonrasında 30 lt alkaline 600 lt arıtılmış su ile seyreltildi ve membran modüllerine temizleme kimyasalı sıcaklığı 40 C ye ulaşana kadar sirküle edildi. Yükselen sıcaklık biyo-tabaka maddelerinin giderildiğini gösterir. İki fazlı olarak yapılan bu çalışmada sızıntı suyu arıtımında ince açık kanallı spiral sarımlı modüller kullanıldı. Aşağıda belirtilen sonuçlara varıldı: 1. Her iki fazdan çıkan arıtılmış su kalitesi Almanya da kullanılan deşarj standartlarına ulaşmaktadır. Buna rağmen, işletme sonuçları ters ozmoz öncesi kullanılan biyolojik ön arıtmanın toplam arıtma veriminde nispeten önemli olmadığını, metanojenik fazdaki depolama sahasındaki sızıntı sularının direk ön arıtmasız olarak arıtılmasının tavsiye edildiğini gösterdi. 2. Proses dengesinin olması durumunda, faz 2 deki membran akışı ve membran temizliği faz 1 den daha iyi performans gösterdi. Faz 1 de SMP den ve alüminyum sülfat artıklarından kaynaklanan düşük filtrasyon verimine ulaşıldı. 3. Faz 2 de ortalama 7,8 l/m²/saat akışa ulaşıldı ve her 90 saatlik sürekli işletme sonucunda membranlar sodyum hipoklorit çözeltisi ile temizlenmeli ve akış ilk değerlere getirilmelidir. Referanslar: Fanyeu Li, Knut Wichmann, Wilhelm Heine, Treatment of the methanogenic landfill leachate with thin open channel reverse osmosis membrane modules. Baumgarten, G., Seyfried, C.F., Experiences and new developments in biological pre-treatment and physical post treatment of landfill leachate. Water Science and Technology 34 (7 8), Chan, G., Chang, J., Kurniawan, T.A., Fu, C.X., Jiang, H., Je, Y., Removal of nonbiodegradable compounds from stabilized leachate using VSEPRO membrane filtration. Desalination 202 (1 3), Christensen, T.H., Cossu, R., Stegmann, R. (Eds.), Landfilling of Waste Leachate. Elsevier Applied Science, London. Di Palma, L., Ferrantelli, P., Merli, C., Petrucci, E., Treatment of industrial landfill leachate by means of evaporation and RO. Waste Management 22 (8), Eipper, H., Maurer, C., Purification of landfill leachate with membrane filtration based on disc tube DT Gabelich, C.J., Ishida, K.P Control of residual aluminum from conventional treatment to improve RO performance. Holweg, P., Landwehr, K.C., Albers, H., MSW landfill leachate treatment techniques in Germany Laspidou, C.S., Rittmann, B.E., A unified theory for extracellular polymeric substances, soluble microbial products, and active and inert biomass. Water Research 36 (11), Linde, K., Jönssone, A., Wimmerstedt, R., Treatment of three types of landfill leachate with RO 101 (1), Namkung,E., Rittmann, B.E., Soluble microbial products (SMP) formation kinetics by biofilms. 20 (6), Peters, T.A., Purification of landfill leachate with membrane filtration. Filtration & Separation Jan/Feb, Peters, T.A., High advanced open channel membrane desalination. Desalination 134 (1), Rautenbach, R., Mellis, R., Waste water treatment by a combination of bioreactor and nanofiltration. 95 (2), Rautenbach, R., Linn, T., Eilers, L., Treatment of severely contaminated Waste water by a combination of RO, high pressure reverse osmosis and nanofiltration potential and limits of the process. Journal of Membrane Science174 (2), Stegmann, R., Heyer, K.U., Cossu, R., Leachate treatment. In: Proceedings Sardinia 2005, 138

153 Thörneby, L., Hogland, W., Stenis, J., Mathiassan, L., Somogyi, P., Design of a reverse osmosis plant for leachate treatment aiming for safe disposal. Waste Management and Research 21 (5), Vrouwenvelder, H.S., van der Kooij, D Diagnosis, prediction and prevention of biofouling of NF and RO membranes. Wend, C.F. Stewart, P.S. Jones, W. Camper Pretreatment for membrane water treatment systems: 37 (14),

154 140

155 Su Ve Atıksu Arıtımında Kullanılan Polimerik Ve Seramik Membran Proseslerinin Karşılaştırılması B. İlker Harman, Hasan Köseoğlu, Nevzat Özgü Yiğit, Mehmet Beyhan, Mehmet Kitis * Süleyman Demirel Üniversitesi, MMF, Çevre Mühendisliği Bölümü, Isparta * mkitis@mmf.sdu.edu.tr Polimer teknolojilerindeki gelişmeler ve maliyetlerdeki hızlı azalmalar neticesinde membran proseslerinin su ve atıksu arıtımındaki uygulamaları son yıllarda hızla artmaktadır. Polimerik membranlar özellikle içme suyu ve atıksu arıtımında yaygın olarak kullanılmakla beraber belli başlı bir takım dezavantajlarının bulunması nedeniyle alternatif membran materyali arayışlarını teşvik etmektedir. Bunun yanında seramik gibi alternatif membran materyalleri ise gün geçtikçe daha fazla ilgi görmektedir. Seramik membranların polimerik membranlara göre özellikle kimyasal ve termal stabilite konularındaki üstünlükleri görüldükten sonra, su ve atıksu arıtımında seramik mikrofiltrasyon (MF) ve ultrafiltrasyon (UF) proseslerinin kullanımları hızla gelişmiştir (Li, 2007; Harman vd., 2008). Seramik membranların içme suyu ve atıksu arıtımında kullanılmasını kısıtlayan başlıca faktör olan üretim maliyetlerinin yüksekliği son yıllarda elde edilen gelişmeler sayesinde çözümlenmekte ve buna bağlı olarak seramik membran kullanımı her geçen gün daha cazip hale gelmektedir. Bu özet bildiride, su ve atıksu arıtımında kullanılan seramik ve polimerik membran prosesleri karşılaştırılmalı olarak ana hatlarıyla açıklanmıştır. Seramik membranların çeşitli avantajları mevcuttur: uzun ve güvenilir çalışma süresi; yüksek sıcaklıklarda (300 ºC ve hatta üstüne kadar), basınçta (90 bar a kadar) ve geniş ph aralığında (1-14) çalışabilmesi; polimerik membranlara göre daha yüksek akı elde edilebilmesi; biyo-inert yapıda olması ve mikroorganizmalara karşı oldukça dirençli olması; kolay temizlenmesi. Bunlara ek olarak seramik membranlar, kimyasal temizlemede kullanılan kostik, klor, hidrojen peroksit, ozon, güçlü inorganik asitler gibi kimyasallara ve buhar sterilizasyonu gibi proseslere karşı olan direncinden dolayı oldukça idealdir. Polimerik membranlarda olduğu gibi seramik membranlarda da geri yıkama olanağı mevcuttur (Mallada ve Menendez, 2008). Seramik membranların kullanımının önemli avantajlarından birisi de yürürlülükte olan ve gelecekte uygulanması muhtemel içme suyu arıtımı ile ilgili yönetmeliklerde belirtilen trihalometan (THM) sınır konsantrasyonlarına kimyasal ön arıtma gerektirmeden tek kademelik bir arıtma ile kolayca ulaşılabilmesidir. Seramik UF membranlarla laboratuar çalışmalarında içme suyu kaynaklarından doğal organik madde (DOM) giderimleri >%50 seviyelerinde bulunmuştur (Harman vd., 2009). Ayrıca, tam ölçek arıtma tesislerinde yüksek miktarlarda bulanıklık, bakteri, virüs, vs giderimleri tespit edilmiştir (Ciora ve Liu, 2003). Seramik membranlar sahip olduğu özelliklerinden dolayı farklı proseslerde farklı amaçlarla kullanılmaktadır. Seramik membranların geniş kullanım alanlarında sağladığı avantajlar ve dezavantajlar Tablo 1 de özetlenmiştir. Seramik membranlar su ve atıksu arıtımında ters ozmos (RO) ön arıtımı olarak, askıda katıların, mikroorganizmaların, ağır metallerin, radyoaktif maddelerin, farmasotiklerin ve pestisitlerin uzaklaştırılmasında, yıkama atıksularının ve kimyasalların geri dönüşümlerinde, yemeklik yağların gideriminde ve atık yağların arıtılmasında ve gri su 141

156 arıtımında kullanılmaktadır. Atıksu arıtma tesisi drenajı, sızıntı sularının arıtılmasında da seramik membran tercih edilmektedir (Mallada ve Menendez, 2008). Su ve atıksu arıtımında polimerik membranların oldukça yaygın olarak kullanıldığı bilinmektedir. Ancak seramik membranların, su ve atıksu arıtımında ekstrem işletim şartlarında kullanılabilmesi gibi sağladığı birçok avantajlar nedeniyle kullanım alanları hızla artmaktadır. Tablo 1. Seramik membranların avantajları ve dezavantajları (Hsieh, 1996; Ciora ve Liu, 2003; Baker, 2004; Li, 2007; Harman vd, 2008). Avantajlar Seramik membranların gözenek çapı dağılımı, eşdeğer polimerik membranlara nazaran daha dar aralıktadır ve membran yüzeyinde dağılımları daha üniformdur Yüksek akıda yüksek miktarda partiküler madde giderimini sağlayabilirler Kimyasallara, alkali-asidik şartlara ve mikrobiyal büyümeye karşı dirençlidirler Uzun süreler boyunca yüksek sıcaklık değerlerinde çalışabilirler Yüksek basınç altında stabilite gösterirler Kolay temizlenirler Uzun ömürlüdürler Katalitik aktiviteye sahip membranlar üretmek için modifikasyonlar oldukça kolay uygulanabilir 142 Dezavantajlar Kırılgan bir yapıya sahiptir Yüksek sıcaklıkta gerçekleşen proseslerde conta problemleri ile karşılaşılmaktadır Yüzey alanı/hacim oranı düşüktür İlk yatırım ve bakım maliyetleri yüksektir Sentezleme aşaması oldukça karmaşıktır Gıda endüstrilerinde kullanılan seramik membranlar yapılarındaki materyalleri sayesinde ekstrem işletme ve temizlik şartlarına karşı dayanıklılık sağlayıp uzun süreler boyunca işletilebilmesi nedeniyle polimerik membranlara nazaran daha çok kullanılmaya başlanmıştır (Almecija vd., 2009). Ayrıca meyve suyu prosesleri uygulamalarında kullanılan polimerik membranların atıksuyun asidik karakterde olup korozyona neden olmasından dolayı membran işletim süreleri oldukça kısalmaktadır. Bu yüzden bu tür proseslerde seramik membranların kullanımı tercih edilmektedir (Nandi vd., 2009). Yüzey modifikasyonlarına karşı oldukça elverişli olan seramik membranlar su ve atıksu arıtımında giderimi hedeflenen kirleticiye göre modifiye edilme imkânı sunabilmektedir. Ayrıca TiO 2, Al 2 O 3, SiO 2 ve ZrO 2 vb. katalistlerden sentezlenen seramik membranlar ek bir proses gerektirmeden membran filtrasyonu sırasında gerçekleşebilen katalitik heterojen yüzey oksidasyonu sayesinde yüksek oranlarda kirletici giderimleri sağladıklarından polimerik membranlara kıyasla daha avantajlı olmaktadırlar. Seramik ve polimerik membranlar karşılaştırıldığında; kimyasal, biyokimyasal ve termal stabilite, yapısal kararlılık gibi özellikleri bakımından seramik membranların, kompleks karakterdeki su ve atıksu arıtımında daha avantajlı olduğu görülmektedir. Bundan birkaç yıl öncesine kadar seramik membranların yüksek maliyetlerinden ötürü özellikle çevresel uygulamalardaki kullanımları polimerik membranlara kıyasla sınırlı olmuştur. Son yıllarda kompleks atıksuların daha verimli arıtılabilmesi ve arıtma işlemlerinin sayısınınmaliyetinin azaltılabilmesi için yapılan çalışmalar kapsamında seramik membran üreticileri de gelişen arıtma teknolojileri pazarında yer alabilmek adına düşük maliyetli ürünler geliştirmek için çaba harcamaya başlamışlardır. Gerek membranların uzun ömrü gerekse de karmaşık sentezleme prosedürlerinin daha da sadeleştirilmesi ve esnekleştirilmesi

157 sonucunda seramik membranların fiyatlarında düşmeler başlamıştır. Maliyetlerdeki düşüşler ve yapısal özelliklerinden dolayı sağladığı avantajlar ile seramik membranların su ve atıksu arıtımında yaygın bir şekilde kullanılacağı öngörülebilir. Teşekkür Bu çalışma 108Y135 no lu proje kapsamında TÜBİTAK ve Türkiye Bilimler Akademisi (Doç.Dr. Mehmet Kitiş in aldığı TÜBA-GEBİP 2008 ödülü) tarafından desteklenmiştir. Kaynaklar Almecija, M.C., Martinez-Ferez, A., Guadix, A., Paez, M.P., Guadix, E.M., Influence of the cleaning temperature on the permeability of ceramic membranes, Desalination, 245, Baker, R.W., Membrane Technology and Applications, McGraw-Hill, ISBN: , Menlo Park, California. Ciora, R.J., Liu, P.K.T., Ceramic membranes for environmental related applications, Fluid/Particle Separation Journal, 15(1), Harman, B. İ., Köseoğlu, H., Yiğit, N. Ö., Beyhan, M., Kitis, M., Su ve atıksu arıtımında seramik membranların kullanımı, Æevre Sorunları Sempozyumu, Mayıs, Kocaeli. Harman, B. İ., Köseoğlu, H., Yiğit, N. Ö., Sayılgan, E., Beyhan, M., Kitis, M., The removal of disinfection by-product precursors in drinking water with ceramic membranes, 5th IWA Specialised Membrane Technology Conference for Water and Wastewater Treatment, 1-3 September, Beijing, China. Hsieh, H.P., Inorganic membranes for separation and reaction, Elsevier Science B.V., Amsterdam, Netherlands. Li, K., Ceramic Membranes for Separation and Reaction, John Wiley & Sons Ltd., ISBN: Mallada, R., Menendez, M., Membrane science and technology series inorganic membranes:synthesis, characterization and applications, ISBN: , Great Britain. Nandi, B.K., Das, B., Uppaluri, R., Purkait, M.K., Microfiltration of mosambi juice using low cost ceramic membrane, Journal of Food Engineering, doi: /j.jfoodeng Singh, R., Hybrid Membrane Systems for Water Purification: Technology, Systems Design and Operations, Elsevier Science & Technology Books, ISBN:

158 144

159 Atıksuların Arıtılmasında Anaerobik Membran Biyoreaktörler Mustafa Aslan a, Halil Hasar b, Yusuf Saatçi b a, Harran Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Osmanbey kampusü, ġanliurfa, maslan@harran.edu.t b, Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, ElAZIĞ, hhasar@firat.edu.tr, ysaatci@firat.edu.tr Biokütle alıkonması, atıksu arıtımı için verimli, başarılı ve ekonomik olarak anaerobik teknolojisinin uygulanması için önemli bir parametredir. Anaerobik arıtmada, çamur biofilmler veya granüllerin oluşumu bu amaca ulaşmak için genelde uygulanan bir stratejidir. Membran filtrasyonu biomass alıkonmasını sağlamak için alternatif bir yöntem olarak değerlendirilmektedir. Membran bioreaktörlerde, tam anlamıyla biomas alıkonması biofilm veya granül şeklindeki hücreye bakmaksızın sağlanabilmektedir. Böyle koşullar için membran, anaerobik atıksu arıtma sisteminde yoğunlaştırılmış aktif biomass için alternatif bir yol sergileyen çamur yaşını artırır. Anaerobik membran bioreaktor (AnMBR), atıksu arıtımı için ileri bir teknoloji sunmaktadır. Ancak bunların uygulanması yüksek maliyetlerinden dolayı sınırlanmaktadır. Bununla birlikte, bunlar yüksek askıda katı madde içeren atıksuların arıtımı sürecindeki gibi toplam katı alıkonmasının ve/veya granüle oluşumu ile biomas alıkonmasının etkili olmadığı durumlarda cazip bir alternatif sunar. Bir AnMBR de, organik maddelerin ayrışmasında optimum koşulları sağlayan, biomas ve partikül organik maddeler fiziksel olarak reaktörde alıkonur. Membranların bioreaktörle nasıl entegre edileceğine göre, iki MBR proses konfigürasyonu tanımlanmıştır. Bunlar ya reaktöre dışarıdan sıvı / biyokütle ayrımının çapraz akışlı membran filtrasyonu ile ayrı bir ünitede gerçekleştiği harici ya da sıvı/biyokütle ayrımının bioreaktör içinde batık membranlar ile gerçekleştiği batık şekilde entegre edilmektedir. Harici MBRs modülleri reaktörün dışında yer alır ve membranı kapsayan bir resirkülasyon döngüsü üzerinde sıvı karışım sirküle edilir. Batık MBRs modüllerinde ise membranlar sıvı karışımda batık olarak reakörün içine yerleştirilir. Dış bağlantılı MBRs ler, daha yüksek operasiyonel Trans-Membran basıncı (TMP) ve istenen ters akım hızına ulaşmak için yüksek hacimsel akım gerektirdiklerinden dolayı, çok daha yüksek enerji ihtiyacına gerek duyarlar. Ayrıca dış bağlantılı aerobik MBRs için pompalama gereksinimleri, %20-40 sadece havalandırma olmak üzere, toplam enerji tüketiminin %60-80 den oluşmaktadır. Batık MBRs daha az enerjiye ihtiyaç duyarlar. Fakat düşük membran yüzey kesme seviyeleri sağladıklarından, daha düşük süzüntü akılarında işletilirler. Günümüzde ticari uygulamaların çoğu, düşük enerji gereksinimlerinden dolayı batık konfigürasyonlara dayanmaktadır Anaerobik MBRs, düşük mikrobiyal büyme oranlarından dolayı, yüksek organik yüklemelerde verimli bir arıtma sağlamak için daha yüksek biomass konsantrasyonlarında işletilmeleri gerekir. Böyle koşullarda, kek tabakası oluşumu süzüntü akısının belirlenmesinde anahtar faktör olarak gösterilmektedir. Kek oluşumunun minimize edilmesinde, daha yüksek kesme hızlarının uygulanmasıyla harici MBRs de daha yüksek süzüntü akısı sağlanır. Ancak çamur özelliklerindeki değişmeler, muhtemelen 145

160 operansiyonel kesme hızı çıkmazını oluşturan, yüksek yüzey kesmenin faydalarını ortadan kaldırmaktadır. Bu reaktörlerde Tubuler Model, Spiral Wound model, Hollow Fiber modüller, Plate/Frame Membran modüller gibi farklı membran tipleri kullanılmaktadır. En yaygın kullanılan tipi ise Hollow Fiber membranlarıdır. Anaerobik membranların kullanımı birçok avantaj sunmaktadır. Tesisin az alan kaplaması, arıtılmış suyun kalitesi, az çamur üretimi ve işletme esnekliği vb. gibi birçok avantajları vardır. Klasik aktif çamur proseslerindeki temel problem çamurun çökmesidir. Bu mikrofloranın kötü floklaşması veya filamentli bakterilerin çoğalmasına neden olur. Katı ve kolloidlerin tamamı membran ayırma işlemiyle giderildiklerinden dolayı, çöktürmede arıtılmış suyun kaliteisinde etkili olmamaktadır. Sistemin işletme ve bakımı kolaydır. Bir nütrient eksikliği kötü çökme sonucu filamenti organizmaların aşırı büyümesine yol açtığından, endüstriyel atıksularda önemlidir. Æünkü çıkış suyu, askıda maddeleri içermediğinden, yüzey sularına nihai deşarj edilebilir ve farklı yeniden kullanım (reuse) amaçları için kullanılabilme imkânı sağlar. Bir MBR de Æamur Bekletme Süresi (SRT) hidrolik bekletme süresinden (HRT) tamamen bağımsız olarak kontrol edilebilir. Volumetrik kapasiteleri tipik olarak yüksektir. Æünkü çöktürme kalitesinden bağımsız olarak yüksek bir çamur konsantrasyonu sürdürülebilir. İki saatten daha düşük HRT lerde olumlu olarak uygulanmaktadır ve hacimsel yüklemedeki dalgalanmalar arıtılmış su kalitesi etkilemez Arıtma verimi, ayrışmayan polimer maddelerin sızmasının önlenmesiyle artar. Eğer bu polimer maddeler biyolojik olarak ayrışabilirse, arıtma prosesindeki maddelerin birikiminde bir azalma gerçekleşmesi ile bozulabilir. Diğer yandan yalnızca membranlar ayırma ile giderilemeyen düşük molekül ağırlıklı çözünmüş organik maddeler, mikroorganizmalar ile bozulabilir ve gazlaştırılabilir veya arıtılmış suyun kalitesinin artırılması sayesinde, bakteriyel hücre bileşikleri olarak polimerlere dönüştürülebilir. Membranlarda çamur üretim oranları çok düşüktür. Bu durum, genellikle reaktördeki düşük F/M oranı ve daha uzun çamur yaşı ile açıklanır. Æamur susuzlaştırma hücresel polimer şekillenmesini sağlar. Ayrıca mikrobiyal aktivitenin çamur yaşı artışı ile değişebileceği değerlendirilmiştir. Membran filtrasyon prosesinde bakteri ve virus giderimi her hangi bir kimyasal ilavesi olmaksızın yapılabilmektedir. Æünkü tüm süreç ekipmanları kapatılabilir ve bu durumda koku yayılması oluşmaz. Bu bioreaktörlerin avantajlarına rağmen bazı dezavantajları da bulunmaktadır. MBR da arıtma süreci tek bir havuzda gerçekleştiği için sistem mekanik ve kontrol açıdan konvansiyonel sistemlere göre daha karmaşıktır. Ancak % 100 otomasyon sayesinde işletim kolaylaşır. İşletim sırasında zamanla membran gözenekleri tıkanır ve arıtılmış su akışı azalır, bunu engellemek için belirli aralıklarda basınçlı hava/su ve kimyasallarla (sitrik asit ve sodyum hipoklorür) gözenekler temizlenir. Tüm bu temizlik işlemi otomatik yapılır. Ancak bu kimyasallar için az hacimlerde de olsa biriktirme amacıyla depolama tankları gerekir. Anaerobik membran biyoreaktör uygulamalarında temel bir dezavantaj tıkanma (fouling) olayıdır. Memranların kendisi bir maliyete sahiptir. Bu yüzden kullanım süreleri proses ekonomisini direkt etkilemektedir. Membran temizleme, membran özellikleri ve membran ömrünü etkileyen, uzaklaştırılması gereken kimyasalları üreten, tesis kurulum stopajı ihtiyacından dolayı reaktör işletimini etkiler. Bu durumda, MBR lerde katıların birikmesi, genellikle yüzey kesmenin tetiklenmesi ile kontrol edilebilir. Batık bir AnMBR de bu durum üretilen biogaz resirkülasyonu ile başarılabilir. Uygulanan gaz debisi kek tabakası gelişiminin kontrol edilmesi için önemli 146

161 bir işletme parametresidir. Fakat uygulanan sistem için enerji gereksinimlerini etkileyecektir. Membran maliyetleri ve membranların temizlenmesinde kullanılan kimyasalların maliyetleri de işletmede dezavantajdır. Ayrıca yüksek uygulama gerektirdiklerinden enerji, pompa, ve benzeri maliyetler söz konusudur. Membran günümüzde oldukça pahalıdır. Ancak membran konusundaki çalışmalar daha ekonomik membran üretimi yönündedir. Biyolojik arıtma süreçlerinin performansı ve stabilitesi çamur yaşı ile ilişkilidir ve membran biyoreaktörler serbest katı üretmek ve daha iyi kalitede çıkış suyu sağlamak amacıyla reaktör içerisine mikroorganizmaların ilavesi bu amaç için kullanılır. MBR süreçlerini optimize etmek için birçok parametre dikkate alınması gerekir. Bunlar; katı konsantrasyonu, çamur yaşı, hidrolik bekletme süresi, malzeme maliyeti, enerji maliyeti, akı vb parametrelerdir. Ayrıca atık çamurun arıtımı ve uzaklaştırılmasını da dikkate almak gerekir. Klasik aktif çamur ve MBR süreçlerinin atık çamur özellikleri kıyaslandığında, MBR atık çamurunun susuzlaştırılmasının daha zor olduğu görülmüştür. Bu durum yüksek organik madde içeriği ve hücre dışı polimerlerinin aşırı üretimine bağlanmaktadır Tüm bu parametreler birbiri ile ilişkili olduğu için, optimizasyon karmaşıktır. Örneğin çamur konsantrasyonundaki bir artış biyolojik aşamayı genişletebilir. Ancak çamur konsantrasyonu belli limitleri aştığı zaman, çamur karışımının viskozitesindeki dramatik artıştan dolayı, süzüntü akısı hızlı bir şekilde azalır Membran filtrasyonunu süzüntü akısı, membranın ham maddesi ve gözenek boyutundan etkilenir. Ayrıca kullanılan basınç, sıvı viskozitesi / türbülansı gibi işletme koşulları ve filtrelenen sıvı karışımın fiziksel özellikleri de akıyı etkiler. Membran modulunun seçimi elde edilen membran akısında önemli bir rol oynar. Membranlar kullanılan malzemeye (organik veya seramik), membran tipine (mikrofiltrasyon veya ultrafiltrasyon), modul tipine (düz, çerçeve, tübüler ve hollow fiber ), filtrasyon yüzeyine (iç veya dış membran) ve ayrıca modul durumuna (statik veya dinamik membranlar) göre sınıflandırılabilirler. Akı tasarlanan kombinayonlara bağlı olarak değişir. Pürüzsüz yüzeyli membranlar (seramik) daha yüksek akı hızı sağlayan, daha yüksek kek tabaksı adezyon direncinden dolayı önerilmektedir. Uzun ömürleri, güçlü kimyasal temizlemeye direnç kabiliyeti ve yüksek işletme basıncı seramik membranların avantajlarında bazılarıdır. Membran filtrasyon performansı membranın kendi direnci ve sürekli filtrasyon altında sıvı ile oluşan direnç ile etkilenmektedir. Verilen bir sıvı için süzüntü akısı, transmembran basıncın bir fonksiyonudur ve iki ayrı basınca bağlı (düşük basınçta) ve basınçtan bağımsızdır Basınça bağlı kısımda süzüntü akısı az çok uygulanan basınçla orantılıdır. Basınçtan bağımsız kısımda ise süzüntü akısı başlıca kek tabakası direnciyle dikte edilmektedir Sürekli işletmede, düşük trans-membran basıncındaki süzüntü akısı yüksek trans-membran basıncındaki süzüntü akısından daha yüksektir. Bu katıların sınır tabakasının spesifik direncinin uygulanan emme basıncının göçlü bir foksiyonu olduğunun gösterir ve artan itici kuvvetin dengelenmesinden daha çok filtrasyon direncinde bir artış olduğunu gösterir Membranın dış çeperinde veya membran etrafındaki ters akım hızının (özellikle batık membranlarda) artırılmasıyla, kek tabakasını oluşturan maddeler azaltılabilir. Yüksek ters akım hızına sebep olan kesme, flok kırılmasına ve daha yüksek oranda biokütle dispersiyonuna yol açabilir. Bu yüzden, biyokütle içinde organik ve gaz kütle transfer artışı, süreç verimini artımaya yardımcı olabilir. Az çözünebilir inorganik türlerin çökelmesine (scaling), organik maddelerin adsorbsiyonuna (organik fouling), membran yüzeyinde mikrobiyal büyümeye (biofouling) ve adhezyona neden olabilir. 147

162 Memranların kendisi bir maliyet ifade eder. bu yüzden onların kullanım süreleri proses ekonomisini direkt etkilemektedir. Membran temizleme, membran özellikleri ve ömrünü etkileyen, uzaklaştırılması gereken kimyasalları üreten tesis kurulum stopajı ihtiyacından dolayı, reaktör işletimini olumsuz etkiler. Aerobik bakterilerin düşük büyüme hızları dikkate alındığında, sistemler yüksek biomass konsantrasyonlarında işletilirse, muhtemelen AnMBRs teknolojisi fizibil olur. Bu yüksek hacimsel yükleme hızına ve dolayısıyla küçük reaktör hacimlerine imkân verir. Ancak katıların konsantrasyonu, membranın yüzeyine karşı partiküllerin iletim akışını direkt olarak etkiler. Bundan dolayı, membran üzerinde katıların birikmesi, muhtemelen AnMBRs deki kritik akıyı sınırlandıran en önemli faktördür. MBRs de katıların birikmesi, genellikle yüzey kesmenin tetiklenmesi ile kontrol edilebilir. Batık bir AnMBRs de üretilen biyogaz geri devri ile başarılabilir. Uygulanan gaz debisi kek tabakasının gelişiminin kontrol edilmesi için önemli bir işletme parametresidir. Fakat uygulanan sistem için enerji gereksinimlerini etkileyecektir. Biofouling ilk fazını anlamak için üç bileşenli bir sistem dikkate alınır. Bunlar; mikroorganizma (türleri, karışık populasyonun kompozisyonu, hidrofobisite, yüzey yükü vs), membran yüzeyi (kimyasal yapısı, yüzey yükü, hidrofobisite, pürüzlülük porozite, gözenek boyutu vs) ve sıvı karışımıdır (askıda madde ve kolloidler, viskozite, basınç, kesme kuvvetleri, sınır tabakası, akı hızı vs). Fouling etkilerini azaltmak için kullanılan metodlar, işletme koşulları (düşük basınç, yüksek turbulans ve kesikli filtrasyon ), geri yıkama (süzüntü ile hava veya her ikisi ile) ve kimyasal temizlemeyi kapsar. Ancak fouling çok aşırı olduğunda ve membran verimi uyumun dışına düştüğünde, membran değiştirilmelidir. Modul düzeni membran yüzeyinde turbülansı etkiler. Süzüntü ve sıvı karışımın viskozitesi süzüntü akısını etkiler. Süzüntü viskozitesindeki bir artış filtrasyon akısını etkiler. Süzüntü esasında akı başta işletme sıcaklığından etkilenir. Ancak çamur viskozitesi de ayrıca indirekt olarak akıyı etkiler. Membran yüzeyi çevresinde türbülansın derecesi ve ters akım sırasında membran yüzeyi boyunca hızın derecesi, konsantrasyon ile etkilenmiş döngüde, çamur viskozitesiyle etkilenebilir. Bu değerlerdirmeler sonucunda anaerobik membran konusunda araştırılması gereken konular irdelenmiştir. Gelecek araştırmalar için temel konu, kek tabakası oluşumunu kontrol etmek, membran performansını artırmak ve membran alan gereksinimlerini azaltmak için optimum işletme koşulları bulmak ve uygun membranları geliştirmek olacağı varsayılmaktadır. 148

163 Pervaporasyon Membran Tekniğinin Solvent Susuzlaştırmada Kullanılması Vedat Uyak Pamukkale Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Æevre Mühendisliği Bölümü, Kınıklı, 20070, Denizli E-posta: Pervaporasyon ayırma tekniği son zamanlarda özellikle solventlerin susuzlaştırılması işleminde geniş kullanım alanı bulan alternatif bir membran ayırma tekniği konumuna gelmiştir. Özellikle azeotrop (eş kaynar) özelliği olan solvent-su karışımlarının pervaporasyon sisteminde organik ve inorganik membranlarla susuzlaştırılarak yüksek saflıkta tekrar geri kazanılması mümkündür. Günümüzde endüstriyel kaynaklı etil alkol, izopropil alkol ve diğer organik çözeltilerin susuzlaştırılması işleminde büyük ölçekli tesislerde hidrofilik ve zeolitik membranlar kullanılmaktadır (Şekil-1). Bu tür membranların hem düşük işletme maliyetine sahip olması hem de yüksek saflıkta solvent geri kazanım potansiyelinden dolayı geniş bir kullanım alanı söz konusudur. Bu çalışmada özellikle farklı sektörlerde kullanılan etil alkol ve izopropil alkol bileşiklerinin pervaporasyon membranları kullanılarak geri kazanılması incelenecektir. Bu amaçla farklı özelliklere sahip membranlar kullanılarak pervaporasyon sisteminin (Şekil-2) etilalkol solventini geri kazanabilme potansiyeli bir değerlendirmeye tabi tutulacaktır. Diğer yandan aynı zamanda, bu çalışmada organik ve inorganik membranların pervaporasyon çalışmalarındaki rolü incelenecek ve pervaporasyon membran teknolojisinin geldiği nokta ortaya konacaktır. Bunlara ilaveten, pervaporasyon tekniğinin farklı yapıdaki membranlar ile yapılan uygulamalardaki temel yönleri gözden geçirilecek ve bir karşılaştırma yapılacaktır. Pervaporasyon işlemi süresince taşınım mekanizması tartışılacak ve pervaporasyon prosesi ile ilgili hususlar değerlendirilecektir. Şekil 1: Membran Modülü Kesit Alanı 149

164 Şekil 2: Pervaporasyon Membran Tesisi Akım Diyagramı 150

165 Doğal Organik Maddelerin Membran Filtrasyon ile Giderimi Nuray Ateş 1, Levent Yılmaz 2, Mehmet Kitiş 3, Ülkü Yetiş 4 1 Erciyes Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü Kayseri 2 Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Ankara 3 Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Isparta 4 Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Ankara Doğal sularda bulunan organik maddeler (DOM), dezenfeksiyon prosesi sırasında dezenfektan (örn. klor) ile reaksiyona girerek dezenfeksiyon yan ürünleri (DYÜ) oluşturmaktadır. DOM, doğal sulardan, bir çok arıtma prosesi ile doğrudan ya da dolaylı olarak, DOM un miktar ve karakteristiğine ve işletme koşullarına bağlı olarak değişen verimlerde giderilebilmektedir. İçme suyu arıtımında, 1980 li yıllardan bu yana, bulanık, organik madde ve DYÜ öncüllerinin giderilmesinde membran prosesleri (mikrofiltrasyon (MF), ultrafiltrasyon (UF), nanofiltrasyon (NF) ve ters ozmos (RO)) etkili bir arıtım yöntemi olarak düşünülmektedir (Thorsen, 1999). DOM ların kompleks yapıları kesin olarak bilinmemekle birlikte, karboksil, fenolik, karbonil, alkolik hidroksil ve metoksil fonksiyonel grupları içeren aromatik ve alifatik bileşenlerden oluştukları bilinmektedir (Owen vd., 1995). DOM bileşenleri, XAD reçine adsorpsiyonuna bağlı olarak hidrofobik ve hidrofilik olarak sınıflandırılabilmektedir (Malcolm ve McCarthy, 1992). DOM ların sınıflandırılmasında bir diğer yaklaşım ise, çözünmüş organik karbonun (ÆOK) hümik ve hümik olmayan fraksiyon olmak üzere iki kısma ayrılmasıdır. Hümik maddeler genel olarak; hümik asit, fulvik asit ve hümin olmak üzere 3 fraksiyondan oluşmaktadır (Nikolaoua ve Lekkas, 2001). Hümik maddeler, birkaç yüz ile Da gibi oldukça geniş bir molekül ağırlık dağılımına sahiptirler (Leenheer ve Croue, 2003). Trihalometanlar (THM) ve haloasetik asitler (HAA) en önemli iki DYÜ grubudur. DYÜ lerin oluşumu ve türleşmesi oldukça karmaşık olup, sudaki DOM un özellikleri ve konsantrasyonu su kalitesi parametreleri (ph ve inorganik maddeler özellikle bromür), klorlama koşulları (sıcaklık, klor dozu ve temas süresi), Br/ÆOK ve Br/Cl oranları gibi birçok parametreye bağlıdır (Croue vd., 1999). Bunlar arasında DOM, DYÜ lerin oluşumunda öncelikli öncül parametre olarak tanımlanmaktadır (Edzwald vd., 1985). THM ve HAA oluşumunda daha çok hidrofobik ve aromatik organiklerin reaktif öncüller olduğu kabul edilmesine rağmen, moleküler ağırlığı düşük hidrofilik organiklerin de dezenfeksiyon sırasında önemli miktarda DYÜ oluşumuna yol açtıkları belirtilmektedir (Croue vd., 1999). DYÜ lerin oluşumunu kontrol altına almanın en etkili yolu, DYÜ lerin oluşumuna neden olan organik maddelerin dezenfeksiyon prosesi öncesinde giderilmesidir. Bu yaklaşımda, su kaynaklarında bulunan DOM lar, doğrudan veya dolaylı olarak çeşitli arıtma prosesleri (koagülasyon, aktif karbon adsorpsiyonu, iyon değiştirme, membran filtrasyon vb.) ile sudan uzaklaştırılmaktadır. Konvansiyonel koagülasyon/flokülasyon prosesi, su kalitesine ve arıtım koşullarına bağlı olarak DOM un sadece bir kısmını (%40-60) giderebilmektedir (Croue vd., 1993). Koagülasyon prosesi ise, daha çok hidrofobik organik fraksiyonu oluşturan yüksek moleküler ağırlıklı (YMA) DOM ları ( Da) 151

166 uzaklaştırmaktadır (Krasner ve Amy, 1995). YMA DOM ların kimyasal koagülasyon ile giderilebilirken, düşük moleküler ağırlıklı (DMA) DOM ların ise geniş yüzey alanı sağlaması nedeniyle aktif karbon adsorpsiyon ile giderilmelerinin daha etkin olduğu belirtilmektedir(mccreary ve Snoeyink, 1980). Öte yandan, doğal sularda bulunan DOM bileşiklerinin birçoğunun negatif yüklü karakteristiğinden dolayı, anyon değiştirici reçineler etkin DOM giderimi sağlayabilmetedir (Fu ve Symons, 1990). Son yıllarda; membran prosesleri, alternatif bir DOM giderim arıtma prosesi olarak giderek artan bir ilgi kazanmaktadır (Lee vd., 2004). Membran filtrasyonunun, konvansiyonel arıtma proseslerine göre en önemli avantajları; yüksek kalitede su üretimi, dezenfektan ihtiyacının azaltması, kompakt bir sistem olması, bakım ve işletilmesinin daha kolay olması ve çamur üretiminin olmamasıdır (Nakatsuka vd., 1996). Polimerik NF ve UF membranlar, içme sularından DOM ve dolayısıyla klorlu DYÜ lerin azaltılmasına yönelik olarak kullanılan membran filtrelerdir (Schafer vd., 2001). Taylor vd. (1987) renkli yeraltı sularının arıtılmasında, moleküler eşik değeri (MED) 100 ile 40,000 Da arasında değişen membranların, ön arıtım yapılması durumunda ile sürekli işletilmelerinin mümkün olduğunu göstermiştir. MED i 100 Da olan RO membranın ise, THM öncüllerini gidermede MED i 400 Da olan NF den daha etkin olmadığını vurgulamıştır. Jacangelo vd. (1989) ise, NF in pilot tesis çalışmalarında THM öncüllerini gidermede oldukça etkili olduğunu bildirmişlerdir. Colorado Nehri suyu ile yapılan laboratuvar, pilot ölçekli ve tam ölçekli NF membran arıtımında THM oluşma potasiyelinde % azalma görülmüştür (Amy vd., 1990). Conlon ve McClellan ın (1989), iki küçük ölçekli NF tesisinden elde ettikleri sonuçlara göre; THM oluşma potansiyelinde %91-99 ve toplam organik halojenlerde %97-99 azalma olduğu ortaya konmuştur. Laine vd. (1990), kimyasal bir ön arıtım yapılmadan UF membranın DOM ların gideriminde (>%20 ÆOK) etkili olmadığını kaydetmişlerdir. Güney Kaliforniya da renkli yeraltı suyunun NF ile arıtım çalışmalarında, THM oluşma potansiyelinde %97 ile %99 arasında azalma elde edilmiştir (Tan ve Sudak, 1992). Siddiqui vd. (2000), MF de <%10, UF de %0-30 ve NF de >80 DOM giderim verimleri elde etmişlerdir. Diğer yandan DBP kontrolünde ise, MF ile herhangi bir giderim gözlenemezken, UF membranı ile %50 THM ve %32 HAA, NF membranı ile >80 DYÜ giderim sağlamışlardır. Lee vd. (2005), THM oluşum potansiyelindeki azalmanın DOM giderimi ile orantılı olduğunu ve NF ve UF süzüntü sularında THM oluşumunun önemli derecede azaltıldığını belirmişlerdir. Diğer taraftan, Rubia vd. (2008), DYÜ oluşumunun azaltılmasının, DOM giderimi kadar yüksek olmadığını rapor etmişlerdir. Ayrıca, UF membranla daha çok YMA organiklerin giderildiğini (%30-85) ve NF membranın organiklerin büyük çoğunluğunu uzaklaştırdığını (%70-95) bildirmişlerdir. Ateş vd. (2009) nin, Alibeyköy Baraj (İstanbul) suyunun membran filtrasyon ile arıtımı çalışmasında, 5000 Da MED e sahip UF membran ile % 61 ÆOK giderimi (%63 THM ve %38 HAA) gözlemişlerdir. Diğer taraftan, 1000 Da MED e sahip UF ve 2 farklı NF membranlar ile %85 den fazla ÆOK giderimi (%95 THM ve %89 HAA) elde etmişlerdir. Membran filtrasyon ile farklı derecede ÆOK ve UVA 254 giderimlerinin gözlenmesi, membran filtrelerin aromatik/hidrofobik organikleri tercihli olarak uzaklaştırdığını göstermektedir (Amy ve Cho, 1999; Rubia vd., 2008; Ateş vd., 2009). UF ve NF membran prosesi ile DOM lar yüksek verimde giderilmelerine rağmen, su içerisinde hidrofobik DOM ların bulunması membranlarda tıkanmaya sebep olmakta, filtrasyon süresini ve membranın verimini etkilemektedir (Hong ve Elimelech, 1997). Su arıtımında membran tıkanmasını etkileyen başlıca faktörler: DOM konsantrasyonu ve karakteristiği (hümik/hümik olmayan DOM fraksiyonu oranı, moleküler ağırlığı ve dağılımı ve net yükü ve kompozisyonu), membran özellikleri (hidrofobisitesi, gözenek büyüklüğü, yüzey yükü ve pürüzlülüğü), hidrodinamik ve işletme koşulları (transmembran basıncı ve karıştırma koşulları ya da çapraz akış hızı), besleme suyu kompozisyonudur 152

167 (iyonik yük, ph, iki değerlikli iyonlar, çoğunlukla, kalsiyum iyonu) (Hong ve Elimelech, 1997; Schafer vd., 1998). Membranlarda tıkanma, içsel (gözenek) ve dışsal (yüzeysel) birikme veya temizlenme kapasitelerine göre tersinir veya tersinmez (geri çevrilemez) tıkanma şeklinde sınıflandırılmaktadır (Tu vd., 2005). Genel olarak, iç kısımda gelişen gözenek tıkanması ve adsorpsiyon, gözenek çapından daha küçük büyüklüğe sahip partiküllerden kaynaklanırken, yüzeysel tıkanma olarak gelişen membran yüzeyinde kek oluşumu ve adsorpsiyon ise gözenek çapından büyük partiküllerden kaynaklanmaktadır (Guell vd., 1996). Membran yüzeyinde gelişen kek veya jel formasyonunun çoğunlukla tersinir tıkanma, tuzların ve küçük kolloidlerin membran gözeneklerinin iç kısmında oluşturduğu tıkanmanın ise geri çevrilemez tıkanma olarak tanımlanmaktadır (Belfort vd., 1994). Farklı karakteristiklerdeki DOM ların ya da fraksiyonlarının membran tıkanmasına etkisi konusunda yapılan çalışmalarda, nisbeten hidrofobik ve hidrofilik olan su kaynaklarının her ikisinde de yüksüz DOM fraksiyonlarının tıkanmaya önemli katkısı olduğu belirtilmiştir (Cho vd., 1998). Diğer taraftan, Amy and Cho (1999) yüksek miktarda hidrofobik fraksiyon içeren DOM un membran tıkanmasına yol açabileceğini kaydetmişlerdir. Hidrofilik DOM fraksiyonunun tersinir tıkanmadan (Fan vd., 2001), polisakkarit benzeri DOM un ise daha çok geri çevrilemez tıkanmadan (Kimura vd., 2004) sorumlu oldukları belirtilmektedir. Membranın iç kısmında gelişen DOM birikmesinin geri çevrilemez tıkanmaya yol açtığı ve gözeneklerdeki birikimden YMA hümik maddelerin sorumlu olduğu belirtilmektedir (Aoustin vd., 2001). Yüksek kalsiyum konsantrasyonuna sahip sularda ciddi tıkanma problemi ile karşılaşılmakta, kalsit ve DOM ile kalsiyum arasındaki etkileşimlerden ortaya çıkan kalsiyum-humat kompleksleri yüksek akı düşüşüne yol açmaktadır (Schafer vd., 1998). Yüksek trans membran basıncı, membran yüzeyindeki DOM moleküllerini iç kısımlara doğru itmeye zorladığından gözeneklerde şiddetli adsorpsiyon/tıkanmaya neden olmaktadır. Sıkı gözenek yapısına sahip membranlardaki tıkanmanın başlıca nedeni, yüzeysel jel formasyonuna ve iç kısım gözeneklerdeki çok az adsorpsiyon veya birikmeye atfedilmektedir (Lin vd., 2009). Su arıtımında kullanılan düşük basınçlı membranlarda tıkanma problemi ile başa çıkabilmek için birleşik membran tıkanma indeksi olarak adlandırılan evrensel bir yaklaşım geliştirilmiştir. Normalize edilmiş spesifik akı ve birim süzüntü arasındaki ilişkiya dayanarak hesaplanan bu indeks ile tam ölçekli arıtma sistemlerinde membranların tıkanma potansiyelleri değerlendirilebilmektedir (Huang vd., 2009). Referanslar Amy, G., Alleman, B. and Cluff, C J. Environ. Eng.- ASCE, 116 (1), Amy, G.L. and Cho, J Water Sci. Technol., 40 (9), Aoustin, E., Schafer, A.I., Fane, A.G. and Wait, T.D Sep. Purif. Technol., (1), Ates, N., Yilmaz, L., Kitis, M. and Yetis, U J. Membr. Sci., 328 (1-2), Belfort, G. Davis, R.H. and Zydney, A.L J. Membr. Sci., 96, Cho, J., Amy, G.L., Pellegrino J. and Yoon, Y Desalination, 118, Conlon, W.J. and McClellan, S.A J. AWWA, 81 (11), Croue, J.-P., Lefebvre, E., Martin, B. and Legube, B Water Sci. Technol., 27 (11), Croue, J.-P., Debroux, J.F., Amy, G.L., Aiken, G.R. and Leenheer, J.A In: Formation and Control of Disinfection By-Products in Drinking Water, Singer, P.C. (Eds.), pp , AWWA, USA. Edzwald, J.K., Becker, W.C. and Wattier, K.L J. AWWA, 77 (4), Fan, L., Harris, J.L., Roddick, F.A. and Booker, N.A Water Res., 35, Fu, P.L.K. and Symons, J.M J. AWWA, 82 (10), Guell, C. and Davis, R.H J. Membr. Sci., 119, Hong, S. and Elimelech, M J. Membr. Sci., 132 (2), Huang, H., Young, T. and Jacangelo, J.G J. Membr. Sci., 334, 1 8. Jacangelo, J.G., Patania, N. and Trussel, R.R J. Civil Engineering ASCE, 59 (5), Kimura, K., Hane, Y., Watanabe, Y., Amy, G.L. and Okhuma, N Water Res., 38, Krasner, S.W. and Amy, G J. AWWA, 87 (10),

168 Laine, J.-M., Hagstrom, J.P., Clark, M.M. and Mallevialle, J J. AWWA, 82, Lee, N., Amy, G.L., Croue, J.-P. and Buisson, H Water Res., 38, Lee, N., Amy, G., Croue, J.P. and Buisson, H J. Membr. Sci., 261 (1-2), Leenheer, J.A. and Croue, J.P Environ. Sci. Technol., 37 (1), 18A-26A. Lin, C.-F., Lin, A.Y.-C., Chandana, P.S. and Tsai, C.-Y Water Res., 43, Malcolm, R.L. and MacCarthy, P Environment International, 18, McCreary, J.J. and Snoeyink, V.L Water Res., 14, Nakatsuka, S., Nakate, I. and Miyano, T Desalination, 106 (1-3), Nikolaoua, A.D. and Lekkas, T.D Acta Hydrochim. Hydrobiol. 29 (2-3), Owen, D.M., Amy, G.L., Chowdhury, Z.K., Paode, R., McCoy, G. and Viscosil, K J. AWWA, 87 (1), Rubia, A., Rodriguez, M., Leon, V.M. and Prats, D Water Res., 42, Schafer, A.I., Fane, A.G. and Waite, T.D Desalination, 18, Schafer, A.I., Fane, A.G. and Waite, T.D Water Research, 35, Siddiqui, M.S., Amy, G., Ryan, J. and Odem, W Water Res., 34, Tan, L. and Sudak, R J. AWWA, 84 (1), Taylor, J.S., Thompson, D.M. and Carswell, J.K J. AWWA, 79 (8), Thorsen, T Water Sci. Technol., 40 (9), Tu, S.-C., Ravindrajan, V. and Pirbazari, M J. Membr. Sci., 265 (1-2),

169 Kesikli Aktif Çamur (Kaç) Sisteminde Membranların Biyolojik Olarak Kirlenmesinin İncelenmesi Seçil Bayar 1, Derya Y.Köseoğlu İmer 1, Nadir Dizge 1, Ahmet Karagündüz 1, Bülent Keskinler 1 1 Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Çevre Mühendisliği Bölümü akaragunduz@gyte.edu.tr, Tel: , Fax: Membran filtrasyon sistemleri birçok arıtım proseslerinde ihtiyaç duyulduğunda ek bir ünite veya varolan bir sistemin yerine alternatif olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Membran sistemlerinin verimli bir şekilde kullanılmaları optimum çalışma koşullarının sağlanması ile mümkün olmaktadır. Özellikle biyolojik arıtım proseslerinde membran filtrasyonunun kullanımını kısıtlayan en önemli süreç membranların biyolojik materyaller tarafından kirlenmesidir. Biyolojik materyaller, sadece bakteri hücreleri değil aynı zamanda bakteri tarafından salgılanan metabolik ürünleri de içeren karmaşık bir yapıya sahiptir. Membranların biyokirlenmesinin birçok faktöre bağlı olduğu bilinmektedir, özellikle biyolojik parametreler olan çamurun flok boyutu, MLSS konsantrasyonu, çamur hidrofobikliği ve yüzey yükü ile çözünmüş ve bağlı hücre dışı materyaller (SMP ve EPS) kirlenme mekanizmasını etkileyen dinamik parametrelerdir. Bu çalışmada 10 günlük çamur yaşına ayarlanmış kesikli modda çalıştırılan aktif çamur prosesinde (KAÆ) denge durumuna ulaşıldığında membran tipine (selüloz asetat-sa ve selüloz nitrat-sn) ve gözenek boyutuna (0.2 ve 0.45 µm) bağlı olarak membranların biyolojik kirlenmesinin incelenmesi amaçlanmıştır. Deneylerde laboratuar ölçekli 100 L hacme sahip KAÆ sisteminin aktif çamuru kullanılmıştır. Filtrasyon deneylerinin yapıldığı andaki sistem parametreleri Tablo 1 de gösterilmiştir. Sistemin çamur yaşı 10 güne ayarlanmış ve 4 ay süre ile kesikli olarak sentetik atıksu ile beslenmiştir. Membran deneyleri için 1 L hacminde, 35,24 cm 2 lik membran alanına sahip klasik filtrasyon sistemi kullanılmıştır. Azot gazı ile çalışma basıncı 1.2 bar a ayarlanmıştır. Membran biyokirlenmesi direnç modeli temel alınarak incelenmiştir. Bu amaçla filtrasyon çalışmalarında kullanılan matematiksel ifadeler Şekil 1 de verilmiştir. Deneysel olarak ilk önce membranların dirençlerinin (R m ) bulunması için destile suyun filtrasyonu gerçekleştirilmiş, daha sonra aktif çamurun filtrasyonundan toplam direnç (R t ), membran yüzeyinin fiziksel temizlenmesinden sonra destile suyun filtrasyonundan gözenek direnci (R p ) ve hesap yoluyla da kek direnci (R c ) bulunmuştur. Hesaplamalarda denge durumundaki akı değerlerinin ortalamaları kullanılmıştır. Membran yüzeyindeki biyofilmde ve süzüntüde biyolojik analizler yapılmıştır. SMP ve EPS içerikleri formaldehit ekstraksiyon yöntemi ile tespit edilmiştir [1], göreceli hidrofobisite MATH (microbial adhesion to hydrocarbons) yöntemi ile [2], viskozite ise Brooksfield cihazı ile ölçülmüştür. SMP ve EPS nin protein içeriği Bradford [3], karbonhidrat içeriği Dubois [4] yöntemi ile analizlenmiştir. 155

170 R t Tablo 1: KAÆ sistem parametreleri Æamur yaşı (gün) 10 AKM (mg/l) 4679 Viskozite (cp) 4.8 Hidrofobisite (%) 39 SMPp (mg/l) - SMPc (mg/l) 83,48 EPSp (mg/l) 5,94 EPSc (mg/l) 76,5 KOİsolüsyon (mg/l) P J T AS R t : Toplam filtrasyon direnci (m -1 ) P T : TMP, Basınç (Pa) η: Süzüntünün viskozitesi (Pa.s) Şekil 1: Direnç Modelinde Kullanılan Eşitlikler Klasik filtrasyon sisteminde denenen dört membrana ait akı-zaman akı zaman grafikleri belirlenerek başlangıç ve denge akıları tespit edilmiştir. Dört membranın akı-zaman grafiği de hemen hemen aynı çıkmış olmasına rağmen sadece SN02 nin ilk akı değeri diğerlerinden diğerlerine oranla çok yüksek çıkmıştır. SN02 nin ilk akı değeri 853 L/m 2 sa iken diğer membranların ilk akı değerleri 453, 459 ve 425 L/m 2 sa (sırasıyla SA02, SA045 ve SN045) olarak bulunmuştur. Denge akılarından hesaplanan direnç (R t ) değerleri de birbirlerine çok yakın çıkmıştır. Bu aşamada membranların yüzeyindeki biyofilm analiz ,6 J AS : Aktif çamurun denge durumundaki akı değeri (m 3 /m 2 sn) R t R m R c R R m : Membran direnci (m -1 ) R c : Kek tabakasının yarattığı direnç (m -1 ) R p : Por tıkanmasının sebep olduğu direnç (m -1 ) R R m PT J w PT R ' J p p m w J w : Destile suyun denge durumundaki akı değeri (m 3 /m 2 sn) J' w : Kek tabakasının musluk suyu ile yıkanmasından sonra destile suyun filtrasyonundan elde edilen denge akısı.

171 için alınıp, fiziksel temizlemesi gerçekleştirildikten sonra destile su ile R m +R p deneyi yapılmıştır. Tablo 2 de hesaplanan direnç değerleri özetlenmiştir. Bütün membranların R c değerleri R p değerlerinden daha yüksek çıkmıştır. Sadece SN045 in R p değeri diğer membranlara kıyasla daha yüksek çıkmıştır. Klasik filtrasyon için R c yüksek olması beklenen bir sonuçtur. Fakat kirlenme deneylerini bu aşamada sadece akı-zaman grafiği ve direnç değerleri ile açıklamak yeterli olmamaktır. Biyokirliliğe sebep olan SMP, EPS gibi metabolik ürünlerin membran tipine bağlı olarak membran yüzeyinde tutunmaları veya membrandan geçmeleri ile akı değişimi arasında bir korelasyon bulunması daha açıklayıcı olacaktır. Bu amaçla süzüntüde ve biyofilmde analizler yapılmıştır. Süzüntülerin SMPc değişimlerinin 0.45 µm gözenek boyutundaki membranlardaki süzüntülerinde SMPc değerlerinin 0.2 lik membranlardakinden daha yüksek olduğu görülmüştür. Membran tipi açısından bakıldığında da SMPc içeriğinin selüloz asetat membranlardan geçtiği, selüloz nitrat membranlarda ise tutunduğu gözlenmiştir. Bu noktada membran yüzeyindeki kek tabakasında yapılan analizlerde de bunu doğrulayan sonuçlar çıkmıştır. Selüloz nitratların kek tabakalarında SMPc ve EPSc miktarlarının selüloz asetat membranlara göre daha yüksek olduğu bulunmuştur. SN02 nin akı-zaman grafiğindeki azalmayı da bu tutulmaya bağlı olarak açıklayabiliriz. Biyofilmde yapılan su içeriği analizinde de biyofilmdeki karbonhidrat içeriği arttıkça su içeriğininde arttığı gözlenmiştir. SN02 membran biyofilminin su içeriği en yüksek çıkmıştır. Yapılan bu çalışmada membranların akı-zaman grafikleri ile süzüntü ve biyofilm analizleri arasında bir ilişki kurulmaya çalışılmış ve sonuç olarak biyofilmde yüksek çıkan değerlerin süzüntü de düşük çıktığı ve biyofilmdeki değerlerin yüksek çıktığı membranda da akı azalmasının yüksek olduğu sonucuna varılmıştır. Tablo 2: Membranların Direnç Değerleri Membran tipi Rt(x10 13 ) Rm (x10 10 ) (%) SA 045 2,73 3,57 (0,13) SA 022 3,18 5,88 (0,19) SN 045 1,81 4,55 (0,25) SN 022 2,95 5,00 (0,17) Rp(x10 10 ) (%) 12,7 (0,46) 7,09 (0,22) 55,5 (3,06) 6,07 (0,21) Rc(x10 13 ) (%) 2,72 (99,41) 3,17 (99,59) 1,75 (96,69) 2,93 (99,62) Kaynaklar 1. Li, T., Baic, R., Liua, J., Distribution and composition of extracellular polymeric substances in membrane-aerated biofilm, Journal of Biotechnology, 35,52 57, Sanin, S., Sanin, D.F., Bryers, J.D., Effect of starvation on the adhesive properties of xenobiotic degrading bacteria, Process Biochemistry, 38, , Bradford, M.M., A rapid and sensitive method for the quantification of microgram quantities of protein utilizing the principle of protein-dye binding. Analytical. Biochemistry. 72, , Duboıs, M., Gılles, K.A., Hamılton, J.K., Rebers, P.A., Smıth, F., Colorimetric Method for Determination of Sugars and Related Substances, Analytical Chemistry, 28-3,

172 158

173 Deniz Suyundan Kullanım Suyu Üretiminde Ters Ozmos Yöntemi-Doğal Deniz Suyu Ortamında Ters Ozmos Membranlarının Performans Karşılaştırması E.Güler 1, E.Yavuz 2, S.Solak 2, G.Sert 3, M.Arda 2, M.Yüksel 1, Ü.Yüksel 2, V.Gündoğdu 3, N.Kabay *1 1 Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Ġzmir 2 Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi, Kimya Bölümü, Ġzmir 3 Ege Üniversitesi, Su Ürünleri Fakültesi, Ġzmir nalan.kabay@ege.edu.tr Günümüzde su kıtlığı, giderek dikkat çeken bir problem olmaktadır. Kurak ve yarı kurak bölgelerde, deniz suyu veya atık sulardan içme ve kullanma suyu üretmek amaçlı yeni yöntemler denenmeye başlanmıştır [1]. Değişik diğer birçok yöntem gibi, deniz suyundan tatlı su üretimi de, enerji tüketen bir süreçtir. Dünya çapında büyük ölçekli çoğu desalinasyon işletmesinde, fosil yakıtlar kullanılmaktadır. Öte yandan, küresel ısınma ve artan yakıt fiyatları nedeniyle, çok aşamalı flaş distilasyon gibi ısıl süreçlere alternatif olabilecek yeni desalinasyon teknikleri geliştirilmektedir [2]. Ters ozmos yöntemi, dünya çapında en yaygın kullanılan, çevreye olumsuz etkisi nispeten daha az olan bir yeşil teknoloji olarak, distilasyon yöntemlerine göre daha çok tercih edilmektedir. Ters ozmos uygulamalarının yaygınlaşmasındaki en büyük etken, geçen on yıl içerisinde gerçekleşen membran teknolojisindeki ilerlemeler sonucu meydana gelen maliyetteki düşüştür [3]. Klasik ters ozmos membranlarının suda iz düzeyde bulunan bazı elementleri giderememesi sonucu, ürün suyun sulama amaçlı kullanılması durumunda bitkilerde olumsuz etkiler görülmekte ve tarımsal ürün verimliliği düşmektedir. Bor, bu tür etkilere sebebiyet veren bir elementtir ve narenciye türü hassas bitkilerin bor toleransı sadece mg/l gibi düşük bir değerdir. Sadece ters ozmos tekniğiyle klasik membranları kullanarak, Dünya Sağlık Örgütü nün içme sularında izin verdiği maksimum bor değerine (0.5 mg B/L) ulaşmak, zor olduğundan, ters ozmos teknolojisinin yaygınlaşması bazen kısıtlanmaktadır [4]. Bu çalışmada, deniz suyu ters ozmos testleri, Urla-İzmir bölgesinde kurulmuş olan miniölçek ters ozmos sistemiyle gerçekleştirilmiştir (Şekil 1). Bu sistemle, Dünya Sağlık Örgütü nün kullanma sularında belirlediği standartlarda su üretimi gerçekleştirilebilmiştir. En iyi koşullarda üretilen ürün suyun ortalama içerdiği TDS, 500 mg/l nin altındadır. Sistemde birbirine paralel bağlı iki membran modülü bulunmakta ve her bir modülde tek bir membran bulunmaktadır. Membran modülleri tek olarak işletilebilmektedir. Modüllerde klasik ters ozmos membranı olarak belirtilen SW membranı ile yüksek giderim membranı olarak adlandırılan XUS SW30XHR-2540 membranı bulunmaktadır. Gün içinde aynı koşullarda, bu membranların üretim performansları test edilmiş ve birbirleri ile kıyaslama yapılmıştır. Membranlara beslenen deniz suyu, öncelikle ön arıtım için kum filtre ve kartuş filtrelerden geçirilmiştir. Yüksek basınçlı ters ozmos membranlarına filtre edilen besleme deniz suyu verilmiş; membrandan geçen su, ürün (süzüntü) olarak alınmıştır. Membran tarafından alıkonulan tuzca zengin deniz suyu ise; konsantre atığı şeklinde sistemden alınmıştır. 159

174 Sabit 55 bar (798 psi) basınçta ve sabit besleme suyu sıcaklığında (25.5 C) herbir membran için 1.5 saat süreyle ters ozmos testleri yapılmıştır. Her 15 dakikada bir ürün su, konsantre ve besleme suyundan örnekler alınmış ve bu hatların akış hızları ölçülerek süzüntü akısı hesaplanmıştır. Ayrıca; ph, iletkenlik (EC), TDS ve bulanıklık ölçümleri yapılmış, laboratuara getirilen ürün su örneklerindeki bazı türlerin (B, Na +, K +, Ca 2+, Mg 2+, Cl -, HCO 3 -, ve SO 4 2- ) derişimleri bulunmuş ve yüzde giderimleri hesaplanmıştır. İçme ve kullanma suyu açısından üretilen suyun uygunluğu, kalite standartlarıyla (WHO, TSE 266 gibi) karşılaştırılarak kontrol edilmiştir (Æizelge 1). Laboratuvarda, bor derişimleri spektrofotometrik olarak Azomethine-H metoduyla ( maksimum : 415 nm) tayin edilmiştir. Metal analizleri atomik soğurma spektroskopisi (AAS) ile gerçekleştirilmiştir. Şekil 1. Urla ters ozmos sistemi akış şeması Çizelge 1. Urla ters ozmos süzüntüsünün kalite standartlarına göre değerlendirilmesi Parametre WHO İçme suyu standardı TSE 266 İçme suyu standardı Sulama suyu standardı Besleme deniz suyu Urla RO süzüntüsü (1) b Urla RO süzüntüsü (2) c TDS, mg/l EC, μs/cm ph [Cl -] [Na + ] [Mg 2+ ] [Ca 2+ ] [K + ] N.G. a 12 N.G [SO 4 2- ] [HCO - 3 ] N.G. N.G. N.G [B] 0.5 N.G. N.G Bulanıklık (NTU) <0.5 <1 N.G a : No Guideline (Standart verilmemiş), b : XUS SW30XHR-2540 membranı ile üretilen ürün su c : SW membranı ile üretilen ürün su Æizelge 1 de görüldüğü gibi, yüksek giderim (XUS SW30XHR-2540) membranının tuz giderim performansının, klasik SW membranına göre daha yüksek olduğu tespit edilmiştir. Yüksek giderim membranı için ortalama tuz giderimi %99.3 iken, klasik SW30-160

175 2540 membran için bu değer sadece %97.3 tür. Ancak, bor giderim performansı ve süzüntü bulanıklık değerleri açısından her iki membran türü için önemli bir fark gözlenmemiştir. Her iki membran için bor giderimi (%79-81), diğer iyonik türlerin giderim değerlerine göre düşüktür. Üretilen süzüntü verileri içme ve kullanma su standartlarına göre değerlendirildiğinde, yüksek giderim membranı (XUS SW30XHR-2540) ile üretilen suyun katyon ve anyon derişim değerleri, bor derişimi hariç, hem içme hem de kullanma su standartlarına göre uygunluk göstermiştir. Klasik membran (SW ) ile üretilen suyun ise sadece sulama suyu standartlarına uygun olduğu tespit edilmiştir. Yine de, her iki membran ile üretilen sudaki bor derişimleri içme ve sulama suyu limit değerleri açısından risk teşkil etmektedir. Bu nedenle, üretilen suda bulunan iz düzeylerdeki borun giderilmesine yönelik yeni yöntemler denenmeli ve bu amaçla iyon değiştirme, hibrit prosesler gibi teknikler kullanılmalıdır. Teşekkür Bu çalışma, Middle East Desalination Research Center (MEDRC) (Proje No: MEDRC-04- AS-004) ve Ege Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) Komisyonu (Proje No: EÜ-2007-MÜH-015, EÜ-2008-MÜH-029, 2009-FEN-042) tarafından desteklenmiştir. Urla da yürüttüğümüz deneysel çalışmalarda destek sağlayan Ege Üniversitesi Su Ürünleri Fakültesi Dekanlığı na çok teşekkür ederiz. AAS analizlerinde yardımcı olan M. Akçay a ayrıca teşekkür ederiz. Referanslar 1. M.Busch, W.E.Mickols, Reducing energy consumption in seawater desalination. Desalination 165 (2004) A.M.Gilau, M.J.Small, Designing cost-effective seawater reverse osmosis system under optimal energy options. Renewable Energy 33 (2008) R.Singh, Hybrid membrane systems for water purification: Technology, Systems Design and Operations. Elsevier Science & Technology Books (2006). 4. H.Koseoglu, N.Kabay, M.Yuksel, S.Sarp, O.Arar, M.Kitis, Boron removal from seawater using high rejection SWRO membranes-the impacts of ph, feed concentration, pressure, and cross-flow velocity. Desalination 227 (2008)

176 162

177 Döner Vakumlu Membran Tesisi Ve Uv Dezenfeksiyonu Ünitelerinde Faj Uzaklaştırma Verimliliklerinin Belirlenmesi Ceren Bayören, Okan T. Komesli, Celal F. Gökçay Ortadoğu Teknik Üniversitesi Çevre Mühendisliği Bölümü,Ankara Viral patojenlerin hastalık yapıcı özellikleri dolayısıyla, atıksulardan virüslerin uzaklaştırılması günümüzde önemli bir çalışma konusu olarak ön plana çıkmaktadır. Bu sebeple ODTÜ bünyesinde UV dezenfeksiyon ünitesi de bulunduran bir döner vakumlu membran tesisindeki virus uzaklaştırma verimliliğini inceleme gereği duyulmuş ve verimliliğin belirlenmesinde bakteriyofajlar olarak bilinen indikatör organizmalar gözlemlenmiştir. Æalışmalar sırasında analiz kolaylıkları ve tehlikesiz oluşları sebebiyle, Escherichia Coli (E.Coli) bakterilerini enfekte eden kolifajlar indikatör olarak seçilmiştir. Bu bildiride, vakumlu döner membranın ve UV radyasyonunun virüs arıtım verimlilikleri Tek Agar Tabakalı Kolifaj Deneyi metodu kullanılarak belirlenmeye çalışılmıştır. Bilindiği üzere vakumlu döner membran, sulu çözeltilerdeki bir çok mikroorganizmayı membranın iki tarafındaki basınç farkı sayesinde uzaklaştıran bir filtrasyon prosesidir. Æalışmada kullanılan 10 m 3 /saat debi ile işletilen membran tesisindeki rutin operasyon sırasında, su 4 dakikalığına membrana doğru emilir ve emme 1 dakikalığına membran porlarının temizlenebilmesi için otomatik olarak durdurulur. Emme süresince, membranın yaklaşık 38 nm olan küçük porları reaktördeki biyokütlenin büyük bölümünün tutulmasını sağlar. Buna ek olarak su membrandan geçtikçe, emme süresince membran üzerinde çamur ince bir kek tabakası oluşturarak por büyüklüğünden daha küçük mikroorganizmaların tutulmasına katkıda bulunur. Fakat 20 ile 200 nm arasında değişen küçük boyutları sebebiyle virüslerin bir kısmı herhangi bir engel ile karşılaşmaksızın membrandan geçebilmektedir. Membrandaki virüs tutulma verimliliği bir çok farklı etken ile değişiklik gösterebilmektedir. Bunlara ek olarak, UV radyasyonu kullanışlı bir bakteri ve virus öldürücü olarak bilinmektedir, bu yüzden mevcut membran tesisinde ileri düzeyde arıtım elde edebilmek için tercih edilmiştir. UV dezenfeksiyon cihazı 250 nm dalga boyunda çalışan quartz dan mamul 30 mwatt/cm2 enerji üreten bir ampul ve onu çevreleyen paslanmaz çelik borudan ibarettir. Lambanın faydalı ömrü 9000 saat olarak bildirilmiştir. Deneysel çalışmalar sırasında UV cihazının virüs uzaklaştırma verimliliği de saptanmaya çalışılmıştır. Ön çalışmalar olarak adlandırılan süreçte, öncelikle atıksudan Endo Agar besi ortamı kullanılarak 35 0 C da tek koloni düşürmek suretiyle E.Coli izole edilmiş ve Nutrient Agar dan geçirilerek saflaştırılmıştır. Ardından, yüksek sıcaklık ve basınç altındaki 20 dakika otoklav edilen Tryptic Soy Broth (TSB) çözeltisinin oda sıcaklığına kadar soğuması beklenip, üretilen tek koloni halindeki E.Coli, sıvı besi yerinde steril bir şekilde bırakılır.üreme gözlemlenebilmesi için besi yeri 35 0 C de 24 saat boyunca inkübatörde tutulur. Daha sonra 3 g Bacto-Agar ve 6 g TSB 200 ml saf suda karıştırılarak 20 dakika otoklav edilir.steril olan agarlar her tüpte yaklaşık 10 ml olacak şekilde alındıktan sonra oda sıcaklığında ve eğimli bir düzlemde donmaya bırakılır.soğuyan agarların yatık yüzüne içinde E.Coli üremesi gözlenmiş TSB den ekim yapılarak 35 0 C de 24 saat boyunca inkübatörde tutulur.yatık agarlar daha sonraki deneylere stok olarak kullanılmak üzere buzdolabında bekletilmiştir. 163

178 Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 Rutin deneyler aşamasında, yüksek sıcaklık ve basınç altındaki 20 dakikalık otoklavın ardından elde edilen yeni TSB çözeltisinin oda sıcaklığına kadar soğuması beklenip, yatık agarda stok olarak bulunan E.Coli, broth içerisine steril bir şekilde bırakılır.üreme gözlemlenebilmesi için broth 35 0 C de 24 saat boyunca inkübatörde tutulur. Tek agar tabakası deneyi ile kolifaj tespiti yapabilmek için tesis giriş suyu, membran havuzu, UV dezenfeksiyon ünitesi girişi, UV dezenfeksiyon ünitesi çıkışlarından taze atıksu örnekleri alınır. Herbir numune için 2 petrilik agar hazırlamak üzere, 40 ml saf suya karıştırılan 0.08 g Agar-agar ve 1.8 g M-17 Agar karışımları yüksek sıcaklık ve basınç altında en az 30 dakika otoklav edilir ve otoklavdan çıktıklarında agarların hemen donmasını engellemek üzere 50 0 C lik su banyosuna alınır.1 gün önceden hazırlanan TSB deki E.Coli kültürü inkübatörden alınarak her agar çözeltisine 2 ml enjekte edilir. 10 ml halindeki süzülmüş atıksu numuneleri de agar karışımlarına eklenir. Ancak, membran havuzundan alınan örnek 10-4, UV cihazı girişinden alınan örnek 10-1 olacak şekilde seyreltilmiştir. Ayrıca deneylerde kontrol agarı olarak gözlemleyebilmek için içerisine yalnızca E.Coli broth ve saf su karıştırılmış agarlar da kullanılmıştır. Her bir E.Coli-agar-atıksu numunesi (kontrol agarları için atıksu yerine 10 ml saf su) karışımı homojen bir şekle gelebilmesi için karışıtırılarak eşit biçimde petri kaplarına dökülüp donmaya bırakılır.katılaştıktan sonra her bir petri kabı C de 24 saat bekletilir. Ertesi gün, agarlar üzerinde kolifaj varlığını gösterdiği düşünülen pirinç patlağı görünümündeki plaklar sayılarak membran sisteminin ve UV dezenfeksiyonunun virüs uzaklaştırma verimlilikleri belirlenir. Yukarıda açıklanan ön çalışmalar, tek M-17 agar tabakası ile bakteriyofaj tespiti deneyindeki plakların oluşumu ve gözlemlenebilirliği ile membran havuzu ve UV dezenfeksiyonu giriş suyu örneklerinin gözlemi için gerekli seyreltme faktörlerinin belirlenebilmesi için yapılmıştır. Rutin deneylere geçildiğinde de, beklendiği gibi M-17 Agar üzerinde faj ve E.Coli etkileşimi sebebiyle pirinç şekilli patlamalar oluşmuştur ve plakların sayımı sonucunda ön çalışmalar ve rutin deneylerden aşağıdaki değerler elde edilmiştir. Tablo1: Tek Agar Tabakası Deneyi ile Kolifaj Tespiti için Yapılan Ön Æalışmalar 50 ml M-17 Agar + 5 ml Bakteriyofaj İçeren Numune (veya kontrol petrileri için 5 ml saf su) + 1 ml E.Coli Üretilmiş TSB Tesis giriş suyu-1 Bakılmadı Tesis giriş suyu-2 Bakılmadı Havalandırma havuzu-1 10*10 4 Havalandırma havuzu-2 9*10 4 Membran havuzu-1 18*10 4 Membran havuzu-2 10*10 4 UV Dezenfeksiyonu girişi-1 22*10 1 UV Dezenfeksiyonu girişi-2 20*10 1 UV Dezenfeksiyonu çıkışı-1 42 UV Dezenfeksiyonu çıkışı-2 40 Kontrol-1 Bakılmadı Kontrol-2 Bakılmadı 50 ml M-17 Agar + 5 ml Bakteriyofaj İçeren Numune (veya kontrol petrileri için 5 ml saf su) + 1 ml E.Coli Üretilmiş TSB Tesis giriş suyu-1 19 Tesis giriş suyu-2 14 Havalandırma havuzu-1 Bakılmadı Havalandırma havuzu-2 Bakılmadı Membran havuzu-1 19*10 4 Membran havuzu-2 17*10 4 UV Dezenfeksiyonu girişi-1 15*10 1 UV Dezenfeksiyonu girişi-2 13*10 1 UV Dezenfeksiyonu çıkışı-1 39 UV Dezenfeksiyonu çıkışı-2 48 Kontrol-1 Bakılmadı Kontrol-2 Bakılmadı 164

179 * Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 Tablo 2: Tek Agar Tabakası Deneyi ile Kolifaj Tespiti 40 ml M-17 Agar + 10 ml Bakteriyofaj İçeren Numune (veya kontrol petrileri için 10 ml saf su) + 2 ml E.Coli Üretilmiş TSB Tesis giriş suyu-1 42 Tesis giriş suyu-2 36 Membran havuzu-1 44*10 4 Membran havuzu-2 33*10 4 UV Dezenfeksiyonu girişi-1 48*10 1 UV Dezenfeksiyonu girişi-2 30*10 1 UV Dezenfeksiyonu çıkışı-1 45 UV Dezenfeksiyonu çıkışı-2 44 Kontrol-1 Temiz Kontrol-2 Temiz 40 ml M-17 Agar + 10 ml Bakteriyofaj İçeren Numune (veya kontrol petrileri için 10 ml saf su) + 2 ml E.Coli Üretilmiş TSB Tesis giriş suyu-1 64 Tesis giriş suyu-2 42 Membran havuzu-1 54*10 4 Membran havuzu-2 29*10 4 UV Dezenfeksiyonu girişi-1 43*10 1 UV Dezenfeksiyonu girişi-2 35*10 1 UV Dezenfeksiyonu çıkışı-1 59 UV Dezenfeksiyonu çıkışı-2 47 Kontrol-1 Temiz Kontrol-2 Temiz 40 ml M-17 Agar + 10 ml Bakteriyofaj İçeren Numune (veya kontrol petrileri için 10 ml saf su) + 2 ml E.Coli Üretilmiş TSB Tesis giriş suyu-1 46 Tesis giriş suyu-2 37 Membran havuzu-1 48*10 4 Membran havuzu -2 43*10 4 UV Dezenfeksiyonu girişi-1 45*10 1 UV Dezenfeksiyonu girişi-2 40*10 1 UV Dezenfeksiyonu çıkışı-1 49 UV Dezenfeksiyonu çıkışı-2 42 Kontrol-1 Temiz Kontrol-2 Temiz *8500 saatteki UV lambası yenisi ile değiģtirildikten sonra elde edilen deney sonuçları. Tablo 2 den görüldüğü üzere tüm kontrol petrileri temiz olarak gözlemlenmiştir. Bu yüzden, pirinç şeklindeki plakların kolifajlara ait oldukları düşünülmektedir. Resim 1 de M-17 Agarları içinde oluşan pirinç şekilli plaklar ve kontrol petirleri görülmektedir. Resim1.a)Kontrol b)test a b Tablo-3 de Membranda faj uzaklaştırma verimliği yüzde şeklinde membran havuzu ve UV girişi (aynı zamanda membran çıkışı) arasındaki faj sayımlarından, UV dezenfeksiyonunun yüzde verimliliği ise UV girişi ve çıkışındaki faj sayımlarından elde edilmiştir. Buna ek olarak sözü geçen ünitelerin virüs uzaklaştırma değerleri, logaritmik azalma değeri (LAD) olarak ifade edilmiştir ve aşağıdaki gibi hesaplanmıştır: Log Azalma Değeri = Log Uzaklaştırma = log ( Girişteki Sayım / İşlemden Sonraki Sayım ) 165

180 Tablo 3: Membran ve UV Dezenfeksiyon Ünitelerindeki Kolifaj Uzaklaştırma Verimliliği ve Log Azalma Değerleri Membran Havuzu Örnekleri Ortalama Sayılan Faj Miktarı Membran Çıkışı Örnekleri Ortalama Sayılan Faj Miktarı Membran Uzaklaştırma Verimi (%) Membranda Log Azalma UV Girişinden Alınan Örneklerde Ortalama Sayılan Faj Miktarı UV Çıkışından Alınan Örneklerde Ortalama Sayılan Faj Miktarı UV Ünitesinde UV Ünitesinde Uzaklaştırma Log Azalma Verimi (%) * * * * * * * * * * * * * * * Beklendiği gibi, membran tesisi yaklaşık 99% gibi çok yüksek bir faj uzaklaştırma verimi ile çalışmaktadır. Ayrıca UV dezenfeksiyon ünitesi de ilave faj uzaklaştırılması sağlamıştır. Faydalı ömrüne yaklaşmış lamba ile yaklaşık 75% olan faj arıtımı yeni lamba ile 87% olmuştur. İkisinin birlikte toplam log uzaklaştırma değeri ise 4 e kadar çıkmaktadır. Yapılan tüm çalışmalar sonucunda vakumlu döner membran tesisinin (VRM) atıksulardan virüs uzaklaştırılmasında yüksek performans gösterdiği gözlenmiştir.tek tabaka agar metodu bu olguyu gözlemlemek için kullanılmıştır. Vakumlu döner membran UV dezenfenfeksiyonu ile birlikte kullanıldığında pilot tesiste yaklaşık fajsız düzeyde arıtılmış su elde edilmiştir. Log uzaklaştırma değerinin 4 e kadar çıkması bu birleşik yöntemin başarısını gözler önüne sermiştir. Kaynaklar Arkhangelsky E.,Gitis V.,(2008), Effect of transmembrane pressure on rejection of viruses by ultrafiltration membranes, Seperation and Purification Technology, Vol.62, sf Jacangelo J.G., Loughran P., Petrik B., Simpson D. and Mcllroy C.(2003), Removal of enteric viruses and selected microbial indicators by UV irradiation of secondary effluent, Water Science and Technology, Vol.47 No:9, sf Shang C., Wong H. M., and Chen G.(2005),Bacteriophage MS-2 removal by submerged membrane bioreactor,water Research,Vol.39, sf Stephenson, T., Brindle K., Judd S., Jefferson B., Membrane bioreactors for wastewater treatment, IWA Publishing,2000 U.S. Environmental Protection Agency, Coliphage Detection by USEPA Method 1602: Single Agar Layer (SAL) Procedure, (son erişim ) Zheng X., Lü W., Yang M. and Liu J.,(2005), Evaluation of virus removal in MBR using coliphages T4, Chinese Science Bulletin, Vol.50 No:9, sf

181 Türkiye deki Membran Biyoreaktör (Mbr) İncelenmesi Uygulamalarının M. Taner Şahin, İlda Vergili, Yasemin Kaya, Z. Beril Gönder, Hulusi Barlas Ġstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü Avcılar Ġstanbul Türkiye Günümüzde daha az yer kaplayan, daha iyi çıkış suyu kalitesi sağlayan ve ekonomik açıdan da daha avantajlı olabilecek arıtma prosesleri üzerinde araştırmalar yoğunlaşmış bulunmaktadır. Nüfus artışının yanı sıra, sanayileşme, artan kuraklık ve aşırı tüketime paralel olarak tatlı su kaynakları global ölçekte hızla tükenmektedir. Bu problem özellikle ülkemizin de coğrafyasında bulunduğu Balkanlar ve Orta Doğu da son yıllarda daha da önemli hale gelmekte ve artık sahip olunan su kaynakları ülkeler arasındaki stratejik ilişkiler ve pazarlıkların ana unsurlarından biri olmaktadır. Artan talebe karşılık tatlı su kaynaklarını yenileyip artırmak teknik ve ekonomik açıdan sınırlayıcı olduğu için sürdürülebilir kalkınmayı sağlayabilecek değişik pratik çözümlere ihtiyaç vardır. Bu bağlamda temiz su kaynaklarını korumanın ilk yolu atıksuları geri kazanma ile başlar düşüncesi ile arıtılmış atıksuların geri kazanımı ve birçok değişik amaçlı geri kullanımı için son yıllarda çalışmalar ve uygulamalar artırılmıştır. Atıksuların geri kazanımı ile hem tatlı su kaynaklarının tüketimi azaltılmakta hem de deşarj edilen arıtılmış atıksuların çevresel etkileri en aza indirilmektedir. Biyolojik arıtma, endüstriyel ve evsel atıksu arıtımı proseslerinde önemli bir yere sahiptir. Biyolojik proseslerin verimliliği iki ana faktöre bağlıdır. Bunlar, reaktördeki biyokütle konsantrasyonu ve mikroorganizmaların özgül dönüşüm hızıdır. Son yüzyılda, biyolojik prosesleri geliştirmek için yapılan araştırmalar, katı ve sıvıları ayırdıktan sonra biyokütleyi geri devrettirerek veya mikroorganizmaların bir destek üzerinde büyüdüğü sabit kültür reaktörlerini geliştirerek, biyoreaktördeki mikroorganizma konsantrasyonunu arttırma yönünde olmuştur (Lazarova ve Manem, 1994). Son zamanlarda ise, dikkatler biyolojik arıtımda, ultrafiltrasyon (UF- gözenek çapı 0,002-0,1 μm) ve mikrofiltrasyon (MFgözenek çapı 0,03-1 μm) membran modüllerinin aktif çamur sistemi ile birlikte kullanılması üzerine yoğunlaşmaktadır. Her iki membran tekniği de, membran biyoreaktörler (MBR) olarak adlandırılmıştır (Cheyran ve Mehala, 1986). Konvansiyonel arıtma sistemlerinde olduğu gibi MBR teknolojisinde de atıksuyun arıtımı biyolojik esaslara dayanmakta, konvansiyonel sistemlerden farklı olarak ise temiz suyun, bakteri, biyokütle ve diğer tüm katı maddelerden ayrılması için fiziksel bir bariyer kullanılmaktadır. Membran ünitesinde askıda katı maddelerin ve biyolojik parçalanmayı gerçekleştiren mikroorganizmaların arıtılan sudan ayrılması tek proses halinde olarak ifade edilebilir. Bu şekilde daha iyi çıkış suyu kalitesi ve aynı tesiste daha yüksek kapasite ya da daha küçük bir tesisle istenen kapasite elde edilebilmektedir. Atıksuların membran teknolojisiyle arıtılmasında, öncelikle atıksuyun kalitesi ve miktarı, membran modül tipi, membran malzemesi, membran temizleme yöntemi, işletme parametreleri ve oluşan konsantre akımının uzaklaştırılma yöntemi gibi bilgilere gereksinim vardır. Membran proseslerinin avantajları, sürekli işletme halinde olabilmesi, yer ihtiyacının çok az olması, modüler olarak kullanılabilmesi, çok yüksek konsantrasyonlu atıksu arıtımında uygulanabilmesi, taşınabilir olması, herhangi bir inşaat 167

182 gerektirmemesi ve maliyetinin gün geçtikçe daha da aşağılara çekilmesidir (Koyuncu ve Topacık, 1999). Son yıllarda polimer ve dolayısıyla membran teknolojisindeki çok hızlı gelişmeler ve üretim maliyetinin azaltılması sebebiyle gerek içme suyu gerekse de atıksu arıtma alanlarında membran prosesleri (özellikle mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon) konvansiyonel sistemlerle maliyet açısından rekabet edebilir hale gelmiş ve geniş çapta uygulanmaya başlanmıştır. Böylece atıksu arıtmada uygulanan MBR lar da gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde (örneğin ABD, Fransa, Singapur, Almanya, Æin, Brezilya, vs) son on yılda artan bir hızla arıtma tesislerinde devreye alınmıştır. Önümüzdeki yıllarda birçok konvansiyonel atıksu arıtma tesislerinin teknolojilerini MBR lara dönüştüreceği ve özellikle de son çökeltim havuzlarının ortadan kalkacağı tahmin edilmektedir. Bugüne kadar Avrupa da, MBR teknolojisi ile çok sayıda uygulamanın hayata geçmiş olmasına rağmen Türkiye de kurulu MBR tesis sayısı oldukça azdır. Bu çalışmada, Türkiye de bugüne kadar yapılmış önemli MBR uygulama örnekleri incelenmiştir. İlk pilot çalışmaların 2005 yılından itibaren üniversitelerde uygulanmaya başlandığı görülmektedir. Bu projeler kapsamında, üniversitelerdeki evsel atıksuların MBR ile arıtılması ve bahçe sulama suyu olarak kullanılması planlanmıştır m 3 lük nispeten küçük kapasiteli sistemler sonrası, 2008 yılından itibaren evsel ve endüstriyel atıksuların birlikte arıtıldığı büyük kapasiteli sistemlerin kurulduğu görülmektedir. Tablo 1 de Türkiye de mevcut MBR uygulamalarının bazıları yer almaktadır. Bu çalışmanın yapıldığı dönemde yaşanan ekonomik kriz, ve buna bağlı olarak üretimlerin azalması sebebiyle, bu tesislerin çoğunda dizayn debilerinden daha düşük değerler ile çalışıldığı belirlenmiştir. İşletme maliyetleri açısından tam bir kıyaslama yapılamasa da, debi arttıkça, birim maliyetlerin azaldığı görülmüştür. Büyük kapasiteli tesisler henüz kısa zaman öncesinde işletmeye alındığı için, bu tesisler ile ilgili daha doğru değerlerin, ancak önümüzdeki aylarda elde edileceği düşünülmektedir. Teknolojik ilerleme ve uygulama sayısının artması ile MBR modül fiyatları düşmekte, ilk yatırım maliyetleri daha uygun mertebelere gelmektedir. Seçilen teknolojiye bağlı olarak, sistemlerde farklı işletme koşulları (membranı dinlendirme, geri yıkama, difüzör yıkaması) uygulanmaktadır. Bu işletme koşulları işletme maliyetlerini direkt olarak etkilemektedir. Başka bir deyişle; akı, tıkanma süresi, geri yıkama periyodları, geri yıkamada kullanılan kimyasal tipi ve miktarı, enerji ihtiyacı (havalandırma ve pompa için) nedeniyle gerek yatırım gerekse işletme maliyetleri farklılık göstermektedir. Tablo 1: Türkiye de MBR uygulamalarına örnekler Tesis Yer İşletmeye Debi alma tarihi m 3 /gün Membran Prosesi Membran Alanı m 2 Membran Yerleşimi Æöp Sızıntı Suyu Arıtma - Belediye İstanbul UF 1134 Harici Evsel Atıksu İleri Biyolojik Arıtma İstanbul Ekim MF 240 Dahili - Belediye Evsel Atıksu Arıtma - Belediye Muğla Şubat UF 2560 Dahili Evsel + Endüstriyel Atıksu Arıtma - İzmir Eylül UF 3175 Dahili Organize Sanayi Bölgesi Evsel Atıksu Arıtma - Ankara UF 540 Dahili Üniversite/Pilot Tesis Evsel Atıksu Arıtma - Organize Gebze Ekim UF 10 Dahili Sanayi Bölgesi /Pilot Tesis 168

183 MBR pilot çalışmaları, genellikle tesis kapasite arttırımı ile ilgili bir ön hazırlık olarak uygulanmakta, ancak olumlu sonuçlar elde edilse bile, günümüzde yaşanan kötü ekonomik koşullar sebebiye ileri arıtım tesis yatırımları ertelenmektedir. Buna rağmen gelecekte temiz su kaynaklarının tükenmesi ve atık sulardan yüksek kalitede su eldesinin gerekli olması, ileri arıtım teknolojilerini gerçekçi bir şekilde gündeme getirecektir. MBR atıksu arıtma tesislerinde elde edilen tecrübeler, işletme problemlerinin aşılması için modül yapısında iyileştirmeler yapılması gerekliliğini de ortaya koymuştur. Yeni geliştirilen modüllerde esnek yapıda membran paketleri kullanılarak mevcut kapiler ve plaka sistemlerinin dezavantajları olmaksızın sadece avantajları birleştirilmiştir. Bu modüllerde çökelme ve kenarlarda birikme problemleri de yaşanmamaktadır. Sıkıştırma yoğunluklarının yüksek olması ve membranların daha iyi hidrolik koşullarda geri yıkanabilmesi diğer avantajlarıdır. Bu teknolojik gelişmeler önümüzdeki yıllarda MBR uygulamalarının yönünü önemli ölçüde belirleyecektir. Ülkemizde MBR uygulamalarının, yukarıda söz edilen teknolojik ayrıntılardan önemli ölçüde etkileneceği düşünülmektedir. Kaynaklar Chae, S.R. ve Shin, H.S., Effect of condensate of food waste (CFW) on nutrient removal and behaviours of intercellular materials in a vertical submerged membrane bioreactor (VSMBR). Bioresource Technology, 98, Cheryan, M. ve Mehala, M.A. 1986, Membrane Bioreactors, Chem. Tech Crawford, G., Thompson, D., Lozier, J., Daigger, G., Fleischer, E., Membrane Bioreactors A Designer s Perspective. Proceedings of the Water Environment Federation Technical Symposia, Anaheim, California, USA. Judd S.J., The MBR Book: Principles and Applications of Membrane Bioreactors in Water and Wastewater Treatment. Elsevier, Oxford, UK. Gutknecht, R., Weidelener, A., Baur, S., Krause, S.: 2 Jahre Betrieb der großtechnischen Membranfiltrationsanlage (Hohlfasermodule) in Rothaus: Betriebsergebnisse / Praxisbewertung und Vergleich mit einer Pilotanlage aus Flachmembranmodulen, KA Korrespondenz Abwasser, (55) Nr.11, November 2008, ISSN Hasar, H., 2001, Batık Membran Aktif Æamur Sistemlerinin Arıtma Kapasitesinin Geliştirilmesi ve Modellenmesi, Fırat Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Elazığ Kaleli, B., Şahin, T., 2009, Atıksu Arıtma Tesisinizde Ek Kapasite ve Geri Kazanım Sorununun Æözümü: Membran Biyoreaktör (MBR), Tesisat Dergisi, Nisan, 2009, Koyuncu, İ. ve Topacık D., 1999, Sızıntı Sularının Membran Teknolojisi ile Arıtımı, Kent Yönetimi İnsan ve Æevre Sorunları Semp 99, Æevre Yönetimi ve Kontrolü, Krause, S., Gutknecht, R.: Vergleich von getauchten Hohlfaser- und Flachmembranmodulen am Beispiel von Brauereiabwasser, F&S Filtrieren und Separieren, Jahrgang 22, Nr. 4 (2008) Lazarova,V. ve Manem, J., 1994, Advance in Biofilm Aerobic Reactors Ensuring Effective Biofilm Activity Control, Wat. Sci. Tech., 29 (10-11), Yigit, N., 2007, Membran Biyoreaktörü İle (MBR) Evsel Atıksu Arıtımı, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Isparta 169

184 170

185 Çapraz Akışlı-Düz Tabakalı Ters Ozmos Membran Sisteminde FilmTec TM BW30 Membranı ile Jeotermal Sudan Bor Giderilmesi-Basınç Etkisi Ş.G. Öner 1, E.Güler 1, H.Köseoğlu 2, M.Kitiş 2, M.Yüksel 1, N.Kabay *1 1 Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, Ġzmir 2 Süleyman Demirel Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Isparta (* nalan.kabay@ege.edu.tr) Bor madenlerinden, çeşitli endüstri kuruluşlarının atık sularından ve sulama sularından yüksek derişimde bor, toprağa ve yeraltı sularına karışmaktadır. Deniz suyu (4-6 mg/l), kentsel atık sular (0.5-2 mg/l) ve yeraltı suları (Kıbrıs, İtalya ve Yunanistan da 8 mg/l ye kadar) yüksek derişimlerde bor içermektedir. Dünya Sağlık Örgütü, içme sularındaki bor derişimi için sınır değeri 0.3 mg B/L olarak belirlemiştir [1, 2]. Literatürde, içme suyu ve sulama suyu içindeki yüksek bor derişiminin, insanlar ve bitkiler üzerinde bazı zararlı etkileri olduğundan söz edilmektedir. İçme sularındaki bor derişiminin yüksek olmasının, insanlarda mide ve bağırsak rahatsızlıklarına neden olduğu; sulama sularında bulunan yüksek derişimdeki borun ise bitkinin yapraklarında sarı lekelerin oluşmasına sebep olup, bitkinin çürümesini hızlandırdığı belirtilmektedir [3]. Bor, suyun ph değerine göre farklı formlarda yer alır; ph değerinin 9.2 den büyük olduğu durumlarda borat, daha düşük ph değerlerinde ise borik asit formunda bulunmaktadır. Sulu çözeltilerden borik asit ve boratları gidermenin kolay bir yöntemi yoktur. Pıhtılaştırmaçökeltme yöntemleri etkili ve uygulanabilir değildir. Boru sudan ve atık sudan uzaklaştırmanın bir başka yöntemi de, adsorpsiyondur. Uçucu küllerin, bazı doğal sorbentlerin ve bazı inorganik sorbentlerin borun uzaklaştırılmasında etkili olduğu belirtilmektedir. Borun uzaklaştırılmasında ters ozmos, elektrodiyaliz gibi membran süreçlerin etkili yöntemler olduğundan bahsedilmektedir [4]. Ters ozmos yöntemi, en karmaşık membran teknolojisi olmakla birlikte; su arıtımındaki yüksek verimliliği sayesinde günden güne uygulamaları artmaktadır. En çok deniz suyundan ve acı sulardan içme ve sulama suyu üretmek için kullanılan verimli ve güvenilir bir membran ayırma yöntemidir. Jeotermal sular, yüksek derişimde bor içermeleri nedeniyle, bazı çevresel sorunlara yol açabilen doğal kaynaklar arasındadır. Bu çalışmada, jeotermal sulardan çapraz akışlı düz tabakalı ters ozmos membran test sistemi ile FilmTec TM BW30 membranı kullanılarak bor giderimi incelenmiştir. Deneysel çalışmalarda laboratuar ölçekli çapraz akışlı, düz tabakalı test ünitesi (SEPA CF II, Osmonics) kullanılmıştır (Şekil 1). Hücrenin maksimum işletme basıncı 69 bar olup, membran test ünitesi 19 cm x 14 cm lik (7.5 x 5.5 ) aktif yüzey alanı 140 cm 2 olan her tür düz tabakalı membran ile uyum sağlamaktadır. 171

186 Şekil 1: Membran test sisteminin şematik gösterimi Deneylerde Dow firmasının ürettiği FilmTec TM BW30 yüksek giderimli, acı su ters ozmos membranı kullanılmıştır. Membranın maksimum işletme basıncı ve sıcaklığı sırasıyla 41 bar ve 45ºC dir. Ters ozmos testleri için, İzmir Jeotermal A.Ş. Bölgesi nden tedarik edilen jeotermal su örnekleri kullanılmıştır. Tablo 1 de deneylerde kullanılan jeotermal suyun, karakteristik özellikleri verilmektedir. Üç saatlik deney süresince, süzüntü ve konsantre besleme tankına geri beslenerek, sabit 15 L lik besleme hacmi ile (her saat başı beslemeden ve her 20 dakikada bir süzüntüden 15 ml lik örnek alımı hariç) çalışılmıştır. Her 20 dakikada bir; sıcaklık, akış hızı, iletkenlik, toplam çözünmüş katı miktarı ve bor derişimi ölçümü için süzüntüden, konsantreden ve besleme tankından örnekler alınmıştır. Deneyler boyunca besleme sıcaklığı ( 28±2ºC) ve konsantre akış hızı (48 L/s) sabit tutularak, uygulanan basıncın (10, 20, 25, 30 bar), süzüntü akış hızı, tuz giderimi ve bor giderimi üzerindeki etkisi incelenmiştir. Alınan besleme ve süzüntü örneklerinin bor derişimleri spektrofotometrik olarak, Azomethine-H (λ maksimum =415 nm) yöntemiyle ölçülmüştür. 172

187 Bor Giderimi(%) Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 3 Kasım 2009 Tablo 1: Jeotermal suyun karakteristik özellikleri Katyonlar Derişim (mg/l) Anyonlar Derişim (mg/l) Na Cl K SO Ca F Mg HCO ph 8.6 İletkenlik (µs/cm) 1770 Toplam Æözünmüş Katı Miktarı (mg/l) 885 Tuzluluk Oranı ( ) 0.7 Bulanıklık (NTU) 0.15 Bor (mg/l) (Curcumine Metodu) (Azomethine-H Metodu) Tablo 2 de, uygulanan basınçlardaki besleme ve konsantrenin iletkenlik (EC f, EC c ), süzüntü akısı (Jv), tuz giderimi (R tuz ), besleme ve süzüntü bor derişimi (B f, B p ) ve bor giderimi (R bor ) ne ilişkin ortalama değerler verilmektedir. Basınç (bar) Tablo 2. Basınç uygulama deneylerinde elde edilen ortalama değerler EC f (µs/cm) EC p (µs/cm) Jv (L/m 2 s) R tuz (%) B f (mg/l) B p (mg/l) R bor (%) Basınç arttıkça süzüntü akış hızının, tuz gideriminin ve bor gideriminin arttığı; genel olarak süzüntü iletkenliğinin ve bor derişiminin düştüğü gözlemlenmiştir. Uygulanan basınç 30 bar olduğunda, en yüksek ortalama süzüntü akısı (100.1 L/m 2 s), en yüksek ortalama tuz giderimi (%98.6) ve en düşük süzüntü bor derişimi (1.9 mg/l) değerleri elde edilmiştir. Şekil 2 de zamana karşı bor giderim değerleri gösterilmekte olup, en yüksek bor giderim değerine (%82.6), 30 bar basınç uygulanıldığı denemede ulaşılmıştır bar 20 bar 25 bar 30 bar Zaman (dak.) Şekil 2: Jeotermal sudan bor gideriminde uygulanan basıncın etkisi 173

188 Teşekkür Bu çalışma, Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü, BOREN (Proje Numarası 2008-G-0192) ve Ege Üniversitesi Rektörlüğü Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) Üst Komisyonu (Proje Numarası 2009-MÜH-047) tarafından desteklenmiştir. İzmir Jeotermal Enerji Şirketi ne çalışmalarımızda verdikleri büyük destek ve sağladıkları jeotermal su örnekleri için çok teşekkür ederiz. Jeotermal su analizlerindeki desteklerinden ötürü M. Akçay, Dr.İ.Yilmaz-Ipek, S. Solak, P. Köseoğlu ve E.Yavuz a ayrıca teşekkür ederiz. Referanslar 1. H. Koseoglu, N. Kabay, M. Yüksel, M. Kitis, The removal of boron from model solutions and seawater using reverse osmosis membranes, Desalination 223 (2008) E. Güler, J. Piekacz, D.Ozakdağ, W. Kujawski, M. Arda, M. Yüksel, N. Kabay, Influence of the chosen parameters on the efficiency of seawater desalination:swro palnt results at Urla Bay seashore, Desalination and Water Treatment 5 (2009) R.D. Barr, W.B. Clarke, R.M. Clarke, J. Venturelli, G.R. Norman, R.G. Dowing, Regulation of lithium and boron levels in normal human blood, environmental and genetic factors, J. Lab. Clin. Med. 121 (1993) N. Kabay, İ. Yılmaz-İpek, I. Soroko, M. Makowski, O. Kirmizisakal, S. Yag, M. Bryjak, M. Yuksel, Removal of boron from Balcova geothermal water by ion exchange-microfiltration hybrid process, Desalination 241 (2009)

189 Jeotermal Sudan Borun Fonksiyonel Fiber Adsorbentlerle Adsorbsiyon Ultrafiltrasyon (UF) Hibrit Yöntemi Kullanılarak Ayrılması P.Bilgin 1, S.Yavuz 1, Ü.Yüksel 1, H. Parschova 2, M.Yüksel 3, N.Kabay *3 1 Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi, Kimya Bölümü, 35100, Ġzmir 2 Department of Power Engineering, Faculty of Environmental Technology, Institute of Chemical Technology, Prague, Czech Republic 3 Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 35100, Ġzmir (* nalan.kabay@ege.edu.tr) Bor kirliliği bazı ülkeler için önemli bir sorun oluşturmaktadır. Borik asit işletmelerinden ve bor minerallerinden kaynaklanan atıklar bu kirliliğin temel nedenidir. Bunun yanında, bazı jeotermal sular yüksek düzeyde bor içermektedir [1]. Bor, sebze ve meyvelerin büyümesi için bitkiden bitkiye değişen oranlarda gerekli olan bir elementtir. Fotosentez olayını kontrol eden şeker metabolizması, nükleik asit metabolizması gibi bazı metabolik aktiviteler için sulama sularında minimum düzeyde bor gereklidir. Bor eksikliği, zayıf tomurcuklanma, aşırı dallanma ile sonuçlanır ve genel olarak bu durum bitkinin verimliliğini engeller. Diğer yandan, sulama sularında gerekli miktardan daha yüksek düzeyde bor bulunmasının, bitkinin gelişiminde bazı olumsuz etkilere neden olduğu belirtilmiştir [2]. Dünya Sağlık Örgütü, içme sularındaki sınır bor derişim değerini 0,3 mgb/l olarak önermektedir [3]. Sulardan ve atık sulardan bor giderilmesi için pek çok yöntem tek başına fazla etkili olamamaktadır. İncelenen başlıca arıtma yöntemleri: çöktürme, adsorpsiyon, iyon değişimi, çözücü özütlemesi, membran prosesler ve hibrid prosesler şeklinde sıralanabilir [4]. Su ve atık sulardan bilinen yöntemlerle giderilemeyen bazı kirleticilerin uzaklaştırılmasında, mikrofiltrasyon (MF), ultrafiltrasyon (UF) gibi düşük basıncın yürütücü kuvvet olarak kullanıldığı membran teknolojileri en çok uygulanan yöntemler arasındadır [5]. Suda çözünen polimer ve çözeltiden ayrılması istenen bileşen arasındaki kompleks oluşumuna dayanan polimer destekli UF yöntemi de, son derece etkin bir arıtma yöntemdir. Bu yöntemde, çözeltide oluşturulan kompleks UF membranı tarafından alıkonulmakta; bu şekilde ayrılması istenen bileşen, çözeltiden uzaklaştırılmaktadır [6]. Polimer destekli UF üzerine yapılan çalışmaların birçoğunda, bazı katyonların çözeltiden giderilmesi için kesikli UF yöntemle çalışılmıştır [7]. Kapasitesi, seçimliliği ve sorpsiyon hızı yüksek olan bora seçimli şelatlayıcı reçineler ve fiberlerin geliştirilmesi, doğal ve atık sulardan borun giderilmesi ve geri kazanılmasında büyük önem taşımaktadır [8]. Literatürde, N-glukamin grubu içeren bor seçimli reçinelerin (Diaion CRB 01, Diaion CRB 02, Purolite S 108) jeotermal sudan bor giderilmesinde kullanıldığı belirtilmiştir [9, 10]. Bor seçimli fiber adsorbentler de, deniz suyundan bor gideriminde yüksek performans sergilemiştir [11]. Bor seçimli reçinelerin kullanıldığı adsorpsiyon-uf hibrit yöntemi jeotermal sulardan bor giderilmesinde başarıyla kullanılabilmiştir [12]. Bu çalışmada ise, bor seçimli fiber adsorbentlerin, adsorbsiyon-uf hibrit yöntemi ile jeotermal sudan bor giderilmesinde kullanılabilirliği incelenmiştir. Jeotermal sudan bor giderilmesinde; kullanılan fiber adsorbent miktarı, uygulanan basınç ve temas süresi gibi parametrelerin etkileri incelenmiştir. Optimum fiber miktarı; farklı 175

190 miktarlarda (12.5, 25, 50, 100, 150, 175, 200, 225, 250, 300 ve 350 mg) fiber adsorbent, 50 ml jeotermal su içinde 24 saat boyunca 25 o C de çalkalanarak gerçekleştirilen kesikli adsorpsiyon çalışması ile belirlenmiştir. Hibrit denemeler için; 200 ml maksimum hücre kapasitesi ve 5.3 atm maksimum çalışma basıncına sahip Amicon-8200 model karıştırıcılı ultrafiltrasyon hücresi (Æizelge 1) kullanılmış ve çalışma basıncı olarak 1 atm seçilmiştir. Tablo 1: Amicon 8200 model UF hücresi çalışma koşulları [13] Hücre Kapasitesi Minimum Proses Hacmi Geçerli Membran Çapı Etkin Membran Alanı Korunan Hacim Maksimum Uygulama Basıncı 200 ml 5.0 ml 62 mm 28.7 cm 1.2 ml 75 psi (5.3 kg/ cm 2 ) Bu sistemde, farklı geçerli sınır moleküler ağırlıklı (NMWL-5,000; 10,000; 50,000) Millipore UF membranları (Æizelge 2) ve fonksiyonel fiber adsorbent olan Smopex 248V kullanılmıştır. Fiber adsorbentin özellikleri Æizelge 3 de, kimyasal yapısı ise Şekil 1 de gösterilmektedir. Tablo 2: Millipore UF membranlarının özellikleri [13] Membran Biomax Biomax Biomax NMWL (Dalton) 5,000 10,000 50,000 Su Akışı (imh/psi) Membran Materyali Polieter Sülfon Kalınlık 280 mikron Hava Geçirgenliği 30 psi 0 Uygulanan Maksimum Sıcaklık 80 o C Tablo 3. Bor seçimli fiber adsorbent Smopex 248V in özellikleri [11] Fiber Viscose GMA Bağlanan polimer (Glisidil metakrilat) Kapasite (mol/kg) 1.2 [11] O O n N OH OH OH OH OH OH Şekil 1. Smopex 248V nin kimyasal yapısı Denemelerde kullanılan jeotermal suyun özellikleri, Æizelge 4 de verilmiştir. Örneklerin bor analizleri, spektrofotometrik Azomethine-H yöntemi ile yapılmıştır. 176

191 Tablo 4. Jeotermal suyun özellikleri Katyonlar Derişim (mg/l) Anyonlar Derişim (mg/l) Na Cl K SO Ca F Mg HCO ph 8.6 EC (µs/cm) 1770 TDS (mg/l) 885 Salinite ( ) 0.7 Bulanıklık (NTU) 0.15 B (mg/l) (Curcumine Yöntemi) (Azomethine-H Yöntemi) Bor seçimli fonksiyonel grup içeren fiber adsorbentlerle, adsorbsiyon UF hibrit yöntemi kullanılarak jeotermal sudan bor giderilmesinin amaçlandığı bu çalışmada; kullanılan fiber adsorbent miktarının, uygulanan basıncının ve fiber adsorbent ile jeotermal su arasındaki temas süresi gibi parametrelerin bor giderimi üzerine etkileri incelenmiştir. Yapılan kesikli çalışma sonucunda, 50 ml jeotermal sudan en yüksek düzeyde (%95.4) bor giderimi için gerekli fiber adsorbent miktarı, 250 mg olarak bulunmuştur (Şekil 2). Şekil 2: Fiber adsorbent miktarının jeotermal sudan bor giderimine etkisi Deneysel verilere göre, sistem çalışma basıncı 1 atm değerinden, 1.5 ve 2 atm değerine artırıldığında sistemden örnek alım süresinin azalması ve bu duruma bağlı olarak fiber ile jeotermal su arasındaki temas süresinin azalmasından dolayı jeotermal sudan bor giderilmesi bir miktar azalmıştır (Şekil 3). 177

192 Şekil 3: Uygulanan basıncın bor giderimine etkisi Şekil 4: Jeotermal su-reçine tema süresinin bor giderimine etkisi Jeotermal su ile reçinenin temas süresinin (10, 20, 30 dk) etkisi incelendiğinde; 30 dakika bekleme süresinden sonra sistemden alınan örnekler için en yüksek bor giderim değerleri elde edilmiştir (Şekil 4). En küçük geçerli sınır moleküler ağırlık (NMWL; 5,000) değerine sahip olan ultrafiltrasyon membranlarıyla en yüksek bor giderimi gözlenirken; daha yüksek geçerli sınır moleküler ağırlık (NMWL 10,000 ve 50,000) değerlerine sahip ultrafiltrasyon membranlarıyla elde edilen örnekler için bor giderim değerleri daha düşüktür. Teşekkür Bu çalışma Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü, BOREN (Proje Numarası 2008-G- 0192) tarafından desteklenmiştir. Jeotermal su örneklerinin alınmasında verdikleri her tür destekten dolayı; İzmir Jeotermal Enerji Şirketi ne çok teşekkür ederiz. Bor seçimli fiber adsorbentleri temin eden Johnson Matthey firmasına, jeotermal su analizlerindeki desteklerinden ötürü M.Akçay, Dr.İ.Yılmaz-İpek, S. Solak, E.Yavuz ve P.Köseoğlu'na ayrıca teşekkür ederiz. Kaynaklar 1. B.F. Senkal, N. Bicak, React. Funct. Polym. 55 (2003) R. Boncukcuoglu, A.E. Yilmaz, M. Kocakerim and M. Copur, Desalination, 160 (2004) World Health Organization-Boron Environmental Health Criteria 204, World Health Organization, Geneva, D. Kavak, Journal of Hazardous Materials 163 (2009) W.S. Guoa, W.G. Shimb, S. Vigneswarana, H.H. Ngoa, Journal of Membrane Science 247 (2005) E.Bayer, E.; B.Y.Spivakov, K.Geckeler, Polym. Bull., 13 (1985) R.S Juang, C.H Chiou,, J. Membr. Sci., 177 (2000) N. Nadav, Desalination, 124 (1999) N. Kabay, I. Yılmaz, S. Yamac, S. Samatya, M. Yuksel, U. Yuksel, M. Arda, M. Sağlam, T. Iwanaga and K. Hirowatari, React. Func. Polym., 60 (2004) I. Yilmaz Ipek, N. Kabay, M. Yuksel, O. Kirmizisakal, M. Bryjak, Chem. Eng. Commun. 196 (1) (2009) H. Parschova, E. Mistova, Z. Matejka, L. Jelinek, N. Kabay, P. Kauppinen, React. Funct. Polym. 67 (2007) S. Yavuz, U. Yuksel, M. Yuksel, N. Kabay, Proceedings of International Congress on Production of Safe Water, İzmir, Turkey, January 21-23, 2009, pp