TMMOB Çevre Mühendisleri Odası V. ULUSAL ÇEVRE MÜHENDİSLİĞİ KONGRESİ ATIKSU ARITIMI VE GERİ KAZANIMINDA MEMBRAN BİOREAKTÖRLERİ Yrd.Doç.Dr. Mehmet Kitis 1, Hasan Köseoğlu 1, Nazmiye Gül 1, Yrd.Doç.Dr. Fatma Yeşim Ekinci 2 (1) Süleyman Demirel Üniversitesi, Müh. Mim. Fakültesi, Çevre Mühendisliği, Isparta mkitis@mmf.sdu.edu.tr (2) Süleyman Demirel Üniversitesi, Ziraat Fakültesi, Gıda Mühendisliği, Isparta ÖZET Membran bioreaktörleri (MBR) atıksu arıtımında sıvı/katı ayrımının düşük-basınçlı membran filtrasyon konseptiyle yapıldığı askıda büyümeli biyolojik arıtma sistemleridir. Son 5-10 yıl içinde polimer endüstrisindeki hızlı gelişmeler ve membran maliyetlerindeki azalmalar neticesinde, MBR lar gelişmiş batı ülkelerinde artan bir hızla atıksu arıtımı ve geri kazanımında uygulanmaya başlanmıştır. MBR ların konvansiyonel aktif çamura göre birçok avantajı mevcuttur. MBR lardaki yüksek biyokütle konsantrasyonundan dolayı gerekli hidrolik bekleme süresi azdır; bu da küçük reaktör hacmi ve ilk yatırım maliyetinde azalma anlamına gelir. Biyokütle ayrımı mikro- veya ultrafiltrasyon ile gerçekleştiği için aktif çamurun çökelebilme özelliğinden bağımsızdır; diğer bir deyimle son çökeltime ihtiyaç olmayıp çamur şişmesi, filamentli büyüme gibi çökeltim problemleri söz konusu olamaz. Yüksek biyokütle konsantrasyonlarından dolayı sisteme fazla organik yükleme yapılabilir. MBR larda nitrifikasyon veya toksik organikler bağlamındaki işletme problemleriyle daha az karşılaşılır çünkü MBR larda konvansiyonel aktif çamura göre daha fazla çamur yaşı (SRT) ile çalışılabilir. Yüksek SRT değerleri oluşan biyokütle miktarını da azaltır. MBR lar mükemmel bir fiziksel dezenfeksiyon sağlar. Çünkü biyolojik olarak arıtılmış su aynı tank içinde batık mikrofiltrasyon (gözenek çapı yaklaşık 0.1-1 µm) veya ultrafiltrasyon (gözenek çapı yaklaşık 0.01-0.1 µm) membranlarıyla vakum ile çekilip hemen hemen tüm protozoa ve bakteri (5-6 log giderim), ve 1-2 log virüs giderimi sağlanır. Bahsedilen avantajlar ve özellikle mikrofiltrasyon/ultrafiltrasyondan dolayı MBR larda çıkış suyu kalitesi konvansiyonel aktif çamur sistemlerinden çok daha iyidir. MBR larda elde edilen tipik çıkış suyu değerleri: BOI < 2.0 mg/l; AKM < 2.0 mg/l; NH 3-N < 1.0 mg/l (nitrifiye eden MBR larda); toplam fosfor < 0.1 mg/l (anaerobik zon eklenmesi ile); toplam azot < 3-10 mg/l (anoksik zon eklenmesi ile: denitrifikasyon); bulanıklık < 0.5 NTU. ANAHTAR KELİMELER: Membran bioreaktör, atıksu, arıtma, atıksu geri kazanım, mikrofiltrasyon.
THE MEMBRANE BIOREACTORS IN WASTEWATER TREATMENT AND RECLAMATION ABSTRACT Membrane bioreactors (MBRs) are suspended growth activated sludge treatment systems that rely upon low-pressure membrane equipment for liquids/solids separation prior to discharge of the effluent. With the advances in polymer industry and reductions in membrane costs, MBRs have been employed exponentially in the last few years for wastewater reclamation and reuse, particularly in developed countries. MBRs have many advantages over conventional activated sludge systems. Due to high MLSS concentrations in the MBRs, lower hydraulic retention times (HRTs), thus smaller aeration tank volumes are required resulting in significant reductions in construction costs. Since the biomass separation is achieved via microfiltration or ultrafiltration, it is independent of the settling characteristics of activated sludge. There is no need for secondary clarification. Therefore, no settling problems such as sludge bulking or filamentous growth may occur. High organic loadings may be allowed due to high MLSS in aeration tanks. Because of elevated sludge retention times (SRTs) compared with activated sludge systems, MBRs are less susceptible to operational upsets associated with nitrification and toxic organics. Furthermore, biomass yield is lower. MBRs provide a perfect physical disinfection since the separation of the biologically treated water is accomplished through microfiltration (with pores of about 0.1-1 µm) or ultrafiltration (0.01-0.1 µm) membranes immersed in the aeration tank. There is essentially complete removal of protoza, and 5-6 log and 1-2 log removals for bacteria and viruses, respectively. Due to above-mentioned advantages, and micro- and ultrafiltration, the effluent quality is superior in MBRs compared with conventional activated sludge systems. Typical effluent quality for MBRs: BOD < 2.0 mg/l; TSS < 2.0 mg/l; NH 3-N < 1.0 mg/l (with nitrifying MBRs); total phosphorus < 0.1 mg/l (with inclusion of anaerobic zone); total nitrogen < 3-10 mg/l (with inclusion of anoxic zone: denitrification); turbidity < 0.5 NTU. KEY WORDS : Membrane bioreactor, wastewater, treatment, wastewater reclamation and reuse, microfiltration. 1. GİRİŞ Hızlı nüfus artışı, aşırı sanayileşme, artan kuraklık ve aşırı tüketim ile birlikte 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 kullanımı ile hem tatlı su kaynaklarının tüketimi azaltılmakta hem de deşarj edilen arıtılmış atıksuların çevresel etkileri en aza indirilebilmektedir. Arıtılmış atıksuların geri kullanım alanları ana hatlarıyla aşağıdaki gibi sıralanabilir: Kentsel kullanım 464 - Parklar, rekreasyon alanları, spor tesisleri, otoyol kenarları - Uydu kentlerde yeşil sahalar - Ticari ve endüstriyel gelişme alanları - Golf merkezleri - Yangın söndürme - Ticari ve endüstriyel alanlarda tuvalet pisuvarları - İnşaat projelerinde toz kontrol ve beton üretimi
- Araç yıkama tesisleri Endüstriyel kullanım - Soğutma suyu - Proses suları - Kazan besleme - Tesis yeşil alan sulaması - Yangın söndürme Zirai sulama Habitat, yüzeysel suların, rekreasyon alanların beslenmesi Yeraltı suyu beslenmesi/enjeksiyonu - Sahil bölgelerinde tuzlu suyun yeraltı tatlı su kaynaklarına girişiminin engellenmesi - Toprak-yeraltı suyu sisteminde daha ileri arıtım - İçme suyu veya kullanma suyu kalitesindeki akiferlerin beslenmesi - Geri kazanılmış atıksuyun depolanması - Aşırı yeraltı suyu pompalanması sonucu oluşabilecek göçüklerin engellenmesi. Ülkemizde olduğu gibi su talebinin çok olduğu sektörlerden birisi tarımdır. Dolayısıyla arıtılmış atıksuların zirai sulamada geri kullanımı tatlı su talebini düşürme açısından önemlidir. Bu bağlamda zirai sulamada kullanılabilecek nitelikte, güvenilir arıtılmış su üretebilecek, ilk yatırım ve işletme maliyeti açısından rekabet edebilecek, ileri arıtma teknolojilerine ihtiyaç vardır. Bu teknolojiye tipik ve çok iyi bir örnek son 10 yıl içinde geliştirilen membran bioreaktör (MBR) sistemleridir. Ürettiği içme suyu kalitesine yakın arıtılmış su ile MBR lar sadece zirai sulama için değil yukarıda sayılan diğer geri kullanım alanları için de uygulanabilir. Bildirinin müteakip kısmında MBR lar detaylı olarak tartışılacaktır. 2. MEMBRAN BİYOREAKTÖRLER 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. Dolayısıyla, atıksu arıtmada uygulanan MBRlar da gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde (örneğin ABD, Fransa, Singapur, Almanya, Çin, Brezilya, vs) son on yılda artan bir hızla arıtma tesislerinde devreye alınmıştır (Stephenson ve diğerleri, 2000; Water Environment Federation, 2001; Van der Roest ve diğerleri, 2002). Önümüzdeki yıllarda birçok konvansiyonel atıksu arıtma tesislerinin teknolojilerini MBR lara dönüştüreceği ve özellikle de son çökeltim havuzlarının ortadan kalkacağı ABD ve Avrupa daki uzmanlar tarafından tahmin edilmektedir. MBR lar, membran ekipmanı sayesinde arıtılmış su ve biyokütlenin fiziksel olarak filtrasyon ile ayrıldığı süspansiyon büyüme modundaki biyokimyasal oksidasyon (aktif çamur gibi) prosesidir (Adham ve Gagliardo, 1998; Crawford ve diğerleri, 2000; Stephenson ve diğerleri, 2000). Konvansiyonel aktif çamur prosesinde iki ayrı tankda gerçekleşen biyokimyasal oksidasyon (havalandırma tankında) ve su/biyokütle ayrımı (sedimantasyon ile çökeltim tankında), MBR larda tek tankda gerçekleşmektedir. Bu tank içinde havalandırma suretiyle aktif çamur oluşturulmakta ve de tankın içinde suda gömülü olan membran kasetlerindeki fiberlerin çok küçük gözeneklerinden vakum uygulanarak arıtılmış su çekilmekte ve biyooksidasyon ile karbon giderimini yapan biyokütle tank içerisinde kalmaktadır. Şekil 1 de membran fiberlerini içeren bir kaset ya da modül gösterilmiştir. Şekil 2 de ise bir membran kasetinin tankın üstündeki sabit vinç yardımı ile tankın içine konumlanırken çekilen fotoğrafı 465
gösterilmiştir. Genellikle mikrofiltrasyon (yaklaşık 0.2 μm gözenek büyüklüğü) ya da ultrafiltrasyon (yaklaşık 0.01 μm gözenek büyüklüğü) membran üniteleri MBR larda kullanılmaktadır. Arıtma sırasında zamanla fiberler üzerinde oluşan kek/kirlenme tabakası (foulant layer) bu gözenekleri daha da küçültmekte ve su/biyokütle ayrımını, askıda katı madde ve mikroorganizma giderme verimini artırmaktadır. Şekil 1. Bir MBR membran kaseti (ZENON Env. Inc., 2002). Şekil 2. Bir membran kaseti tankın içine konumlanırken. Tipik bir MBR ünitesi akım şeması Şekil 3 de gösterilmiştir. Şekil 4 deki fotoğraf ise ABD de bir arıtma tesisinde hizmete alınan MBR ünitesinin üstten görünüşüdür. Atıksudaki membranları tıkayabilecek büyük çaplı materyalleri (bez, plastik, kağıt parçaları gibi) ayırmak için mekanik ızgaradan (1-2 mm çaplı) geçen atıksu direk olarak ön çökeltime gerek olmadan MBR tankına girmektedir (Şekil 3). Ancak giriş askıda katı madde içeriği nispeten fazla olan atıksularda MBR ünitesinden önce ön çökeltim de uygulanabilmektedir. Daha küçük çaplı ( 0.1-1 mm) ve daha yüksek tutma kapasitesi olan döner tambur ızgaralar genellikle MBR sistemlerinde konvansiyonel ızgaralara tercih edilmektedir. MBR tankının giriş bölümü kapalı ve havalandırmasız yapılarak anoksik şartlar sağlanıp denitrifikasyon uygulanabilir. Bunun için havalandırma tankında nitrifikasyon ile oluşan nitrat biyokütle geri döngüsü ile anoksik tanka geri pompalanır. Böylece isteğe bağlı olarak organik karbon gideriminin yanında 466
amonyak-azotu giderimi de sağlanır. Eğer fosfor giderimi de amaçlanıyorsa tankın ilk giriş kısmına bir anaerobik bölüm eklenip fosfor da biyolojik olarak atıksudan giderilebilir. Dolayısıyla MBR prosesi biyolojik nutriyent giderimi için de uygundur. Bazı sentetik toksik organik maddelerin, fosforun (kimyasal olarak giderim için) veya ağır metallerin (her ne kadar evsel atıksularda genellikle sorun olmasa da) giderimi istenirse opsiyonel olarak koagülasyon/flokülasyon işlemi için bazı metalik koagülantlar suya eklenebilir. Tüm bu özellikler MBR ları çok esnek bir arıtma prosesi haline getirir. Vakum ile membran fiber gözeneklerinden çekilen arıtılmış su konvansiyonel sistemlere göre çok daha yüksek kalitededir. Oluşan atık çamur diğer konvansiyonel sistemlerde olduğu gibi nihai bertaraf için proses edilir, ve gübre olarak tarım, rekreasyon arazilerinde kullanılabilir. Metal eklenmesi (opsiyonel) Anoksik bölüm Aerobik bölüm (havalandırma) Membran ekipmanı Atıksu Giriş Izgara Arıtılmış Çıkış MLSS geridönüşümü (denitrifikasyon için) Atık Çamur Şekil 3. Tipik bir MBR ünitesi akım şeması. Şekil 4. Bir MBR ünitesinin üstten görünüşü. MBR lar kompak sistemler olduğu için konvansiyonel sistemlere göre çok daha az arazi gereksinimi vardır. Dahili sistem MBR larda tüm arıtma aşamaları (havalandırma, sıvı/biyokütle ayrımı ve fiziksel dezenfeksiyon) tek bir tankda gerçekleşir. MBR ların belki de en heyecan verici özelliği halihazır işletimde olan konvansiyonel aktif çamur sistemlerinin 467
kolaylıkla MBR sistemlerine dönüştürülebilmesidir. Halihazır havalandırma tankına batık membranlar yerleştirerek bu işlem gerçekleştirilir. 2.1 Tasarım ve İşletim Parametreleri Bu kısımda MBR sistemlerinin tasarım ve işletiminde kullanılan parametreler tanımlanıp tartışılacaktır. Besleme suyu: MBR sistemine gelen giriş suyu. Süzüntü: MBR sisteminden elde edilen temiz çıkış suyu. Süzüntü akısı: Membran toplam yüzey alanına bölünmüş permeyt debisi: J 468 t = Q S p J t = t zamanındaki süzüntü akısı (galon/ft 2 -gün; gfd) Q p = t zamanındaki süzüntü debisi (galon/gün; gpd) S= toplam membran yüzey alanı (ft 2 ). Spesifik akı: Transmembran basıncına göre normalize edilmiş süzüntü akısı: J J tm = P t tm J tm = t zamanındaki spesifik akı (gfd/psi; psi=libre/inch 2 ) J t = t zamanındaki süzüntü akısı (galon/ft 2 -gün; gfd) P tm =transmembran basıncı (psi). Ortalama transmembran basıncı aşağıdaki bağıntı ile hesaplanır: P tm = (P i + Po ) Pp 2 (3) P tm =transmembran basıncı (psi) P i = membran modülü girişindeki basınç (psi) P o = membran modülü çıkışındaki basınç (psi) P p = süzüntü basıncı (psi). Sıcaklığa göre normalize edilmiş akı hesaplaması: sıcaklığa bağlı su vizkositesindeki varyasyonları dikkate almak için 20 o C deki süzüntü akısı şöyle hesaplanabilir (ZENON Env. Inc, 2002): J tm = J tm Q (20 C ) = p *e 0.0239 t zamanındaki anlık spesifik akı (gfd) *(T 20) S (1) (2) (4)
Q p = t zamanındaki süzüntü debisi (gpd) T= sıcaklık ( C) S= toplam membran yüzey alanı (ft 2 ). Sistem su geri kazanımı: giriş suyu debisine göre geri kazanılan temiz su debisinin yüzdesi sistem su geri kazanımı olarak ifade edilir: % System Recovery =100 x Q Q f (5) Q p = permeyt debisi Q f = giriş suyu debisi 2.2 MBR Konfigürasyonları Uygulanmakta olan MBR sistemleri harici (sıvı/biyokütle ayrımının çapraz akışlı membran filtrasyonu ile ayrı bir ünitede gerçekleştiği) ve dahili-entegre (sıvı/biyokütle ayrımının bioreaktör içinde batık membranlar ile gerçeklestiği) olmak üzere 2 ana konfigürasyondadır (Şekil 5). p Bioreaktör Pompa Permeyt Harici MBR Vakum pompa Çapraz akışlı membran filtrasyonu Dahili (entegre) MBR Permeyt Batık membranlı bioreaktör filtrasyonu Şekil 5. MBR konfigürasyonları. Dahili MBR larda farklı amaçlar için genellikle iki tür havalandırma uygulanır. Reaktör tabanındaki difüzörlerden verilen kaba hava kabarcıklı havalandırma ile biyokütlenin oksijen ihtiyacı hedeflenir. Öte yandan membran yüzeyine uygulanan ince hava kabarcıklı havalandırma ile membran yüzeyine maddelerin birikip akıyı azaltması engellenmeye çalışılır. Yükselen hava kabarcıkları membran yüzeyinde türbülanslı karşı akım yaratıp (yaklaşık 1 m/s), membran yüzeyinde materyallerin birikmesini azaltır, böylece sistem daha etkin çalışır. Reaktördeki türbulanslı karışım ve reaktör hidroliğinden dolayı iki havalandırma türü de pratikde hem temizleme hem de oksijen ihtiyacı taleplerini karşılayabilir. Diğer bir deyimle uygulamada iki havalandırmanın da sonuçlarını ayırt etmesi zordur. Konfigürasyon seçeneğine karar vermek spesifik uygulamaya bağlı olsa da genellikle dahili MBR lar daha sık uygulamadadır. İki konfigürasyonun karşılaştırılması Tablo 1 de sunulmuştur. 469
Tablo 1. Dahili ve harici MBR ların karşılaştırılması. Dahili/Entegre MBR Yüksek havalandırma masrafı Düşük pompaj masrafı Düşük akı (büyük alan gereksinimi) Daha nadir temizleme ihtiyacı Düşük işletme maliyeti Yüksek ilk yatırım maliyeti Harici MBR Düşük havalandırma masrafı Yüksek pompaj masrafı Yüksek akı (küçük alan gereksinimi) Daha sık temizleme ihtiyacı Yüksek işletme maliyeti Düşük ilk yatırım maliyeti Dahili batık MBR lar daha düşük işletme akılarında çalıştırıldıkları için daha fazla geçirimliliğe dolayısıyla da daha fazla hidrolik verimliliğe sahiptirler. Düşük akı ile çalışmak batık MBR larda önemlidir çünkü bu uygulama membran kirlenmesini veya tıkanmasını minimize eder. İleriki bölümlerde tartışılacağı gibi membran tıkanması MBR ların en önemli dezavantajlarından birisi olup, maliyeti artırıcı ve işletmeyi zorlaştırıcı temizleme mekanizmalarını gerektirir. Dahili batık MBR lar harici MBR lara gore daha düşük pompaj masrafları gerektirse de daha yoğun havalandırma ihtiyacı arz ederler. Bunun nedeni havalandırmanın membran tıkanmasını engelleyici ana yöntem olmasıdır. Ayrıca, batık MBR larda düşük akı ile çalışılması sabit permeyt debisi üretimi baz alındığında daha fazla membran yüzey alanı (dolayısıyla daha fazla ilk yatırım maliyeti) gerektirir. Ancak, orta ve büyük ölçekli kentsel atıksu arıtımları için genellikle seçilen ve uygulanan konfigürasyon dahili batık MBR lardır (Judd, 2002a). Tablo 2 de değişik MBR sistemi üreticilerinin ürünlerinin teknik özellikleri ve karşılaştırılmaları verilmiştir. Değişik ürünlerin teknik avantajları hakkında tartışmalar olsa da temel hususlar membran maliyetleri, sistem bütünlüğü ve işlerliği, ve de tıkanma kontrolü ve müteakip temizleme mekanizmasıdır. Membran üretim maliyetlerinin gittikce düşmesi ve MBR uygulamalarının gittikce artmasına rağmen bu yeni teknoloji alanında üzerinde daha çok çalışılan konu ve dikkate alınması gereken husus membranların tıkanmasıdır. Çünkü membranların tıkanması pompaj ve havalandırma gereksinimlerini direk etkileyip dolayısıyla da sistem maliyetini önemli ölçüde etkiler. Daha az tıkanan veya ucuz maliyetle daha kolay temizlenebilen membranların geliştirilmesi için yoğun araştırma-geliştirme çalışmaları yapılmaktadır. Tablo 2. MBR sistemi üreticilerinin ürünlerinin teknik özellikleri (Judd, 2002a). Parametre Kubota Mitsubushi Rayon Zenon Orelis veya Wehrle Membran geometrisi Düz tabakalı Gözenekli fiber Gözenekli fiber (flat plate) (hollow fiber) (hollow fiber) Tüp Proses konfigürasyonu Dahili (batık) Dahili (batık) Dahili (batık) Harici Ortalama hava hızı (m/s) 0.05 0.03 0.1 --- Ortalama sıvı hızı (m/s) 0.5* --- --- 1-3 Transmembran basıncı (bar) 0.05-0.15 0.1-0.5 0.1-0.5 2-5 Akı (L/m-saat:LMH) 15-35 20-50 40-70 70-130 Permeabilite (LMH/bar) 250-500 100-200 150-400 25-35 *Üretici tarafından önerilen. 2.3 MBR ların Gelişimi Tasarım yaklaşımları açısından MBR ların günümüze gelinceye dek 3 temel nesli ortaya çıkmıştır ve 4. nesil de gelişme aşamasındadır (Crawford ve diğerleri, 2000). Tablo 3 de MBR ların tasarım kriterlerine göre gelişimi özetlenmiştir. 470
Tablo 3. Tasarım kriterlerine göre MBR ların gelişimi (Crawford ve diğerleri, 2000). 1. Nesil 2. Nesil 3. Nesil SRT (gün) 50+ 20+ <10-15 MLSS (mg/l) 20,000+ 20,000 10,000 NH 3 giderimi Var Var Var Toplam azot giderimi Yok Var Var Fosfor giderimi Yok Var Var Kentsel veya evsel atıksu arıtımı için kullanılan 1. nesil MBR lar daha çok küçük debiler, kanalizasyona bağlı olmayan bölgeler, ve atıksu geri kazanım ve kullanımı için uygulanmışlardı. Örneğin, karavan parkları, uydu yerleşimleri, kayak merkezleri, ve ofis kompleksleri kullanım alanlarıydı. Bunlar işletim kolaylığının ve değişken yüklerin karşılanabilirliliğinin önemli olduğu tesislerdi. Birinci nesil MBR larda 15000-25000 mg/l biyokütle ve 50 gün veya daha fazla SRT uygulandı. Çok yüksek SRT den dolayı bu sistemler biyolojik arıtım açısından oldukca kararlı ve nispeten problemsizdi. Yüksek kalitede çıkış suyu, tam nitrifikasyon, az çamur miktarları ve seyrek çamur atımı, ve az değişkenlikteki çıkış suyu kalitesi bu neslin avantajlarıydı (Crawford ve diğerleri, 2000). Birinci nesil uygulamaların artması ve teknolojik gelişimler sonucu 2. nesil MRB lar devreye girmiştir. İkinci nesil MBR ların en önemli iki özelliği MBR lara biyolojik nutriyent (azot ve fosfor) giderimi özelliğinin eklenmesidir. Tam nitrifiye eden bir tesisde, azot giderimi aerobik bölümde oluşan nitratın biyokütle ile anoksik bölüme geri döndürülmesi, ve anoksik bölümde de denitrifikasyon sonucu nitratın azota indirgenmesi ile gerçekleşmektedir. Denitrifikasyon ile aynı zamanda alkalinite geri kazanımı da elde edilir. 2. neslin diğer bir özelliği de kimyasal fosfor giderimi için MBR lara metal tuzlarının eklenmisidir. Tesislerde elde edilen sonuçlara göre çıkış fosfat konsantrasyonları 0.1 mg/l den azdır (Crawford ve diğerleri, 2000). İlk uygulamalarda, metal tuzlarının eklenmesi ile MBR biyokütle konsantrasyonları sabit SRT de 25,000 mg/l gibi yüksek değerlere çıkmıştır. Dolayısıyla, müteakip uygulama veya işletme peryotlarında SRT azaltılmıştır. Bunun nedeni ise yüksek biyokütle konsantrasyonlarının membran kapasitesine olumsuz etkilerini azaltabilmektir. 2. nesil MBR larda bundan dolayı biyokütle ve SRT sırasıyla 15,000-20,000 mg/l ve minimum 20 gün olmuştur. Üçüncü nesil MBR lardaki ana hedefler membran akısını ve kapasitesini artırabilmek, sistem SRT ve biyokütleyi azaltabilmek, ve toplam maliyeti optimize edebilmek olmuştur. Artık üçüncü nesil MBR larda sadece üretici firmaların değil, arıtma tesisi işletmecileri ve mühendislik-danışmanlık firmalarının da rolleri artmaya başlamıştır. Daha düşük biyokütle konsantrasyonları (10,000 mg/l civarı) ile çalışılması permeyt akısını da artırmıştır (Crawford ve diğerleri, 2000). Azaltılan biyokütle ve SRT (gerekli biyolojik proses kinetiğinin yakalanması açısından) 3. nesil MRB ların temel özelliğidir. Ancak bu olumlu değişiklikler diğer yandan bazı proses ve tasarım olumsuzlukları da meydana getirmiştir. Azaltılan SRT uzun süreli iç solunum ihtiyacı için gereken enerjiyi (havalandırma bağlamında) gerektirmese de, daha yakın ve etkin proses kontrolü gerektirip, günlük yük varyasyonlarının etkisi açısından problemler çıkarabilmektedir. Daha düşük biyokütle ile çalışmak membran ekipman maliyetini azaltmakta ve pik debileri karşılayabilme kapasitesini artırmaktadır. Ancak aynı zamanda da gerekli reaktör hacmini ve üretilen atık çamurun hacmini artırmaktadır. Günümüzde, uygulanan sistem kapasiteleri bağlamında düşündüğümüzde artık 4. nesile giriyoruz diyebiliriz. Son birkaç yıl içinde inşa edilen veya tasarımı yapılmakta olan MBR lara bakıldığında sadece toplam sayının değil, aynı zamanda çok daha büyük skalada büyük debileri arıtacak MBR ların oranının da arttığını görmekteyiz. Bunun sonucu olarak satış pazarının artan bir hızla genişlemesi üretici firma sayısını artırmış ve rekabeti de geliştirmiştir (Crawford ve diğerleri, 2000). Tasarım yaklaşımı açısından günümüzdeki tecrübenin geliştirilmesi gereken temel husus küçük-veya orta-ölçekteki uygulama tecrübelerinden büyük-ölçeğe geçiştir. Örneğin, 3000 471
m 3 /gün debisindeki bir MBR makul sayıda modüler ünitelerle tasarlanabilir. Öte yandan büyük debiler için tasarımda benzer büyüklükte daha fazla modüler ünite mi, yoksa daha büyük modüllerin mi kullanılacağı seçilmek zorundadır. Büyük tesisler için şu anda az tecrübe olmasından dolayı bu seçim kriterleri halen optimize edilmektedir. Etkili temizlik için sınırlı sayıda büyük modüller tercih edilir. Öte yandan, etkili geri yıkama ve dengeli debi tasarımı açısından her modülün etkin büyüklüğünde sınırlamalar olabilir. Büyük tesislerdeki diğer potansiyel bir zorluk da sürekli ve peryodik temizleme mekanizmalarının tasarımıdır. Küçük tesislerde membran modüllerinin tankdan çıkartılıp, harici olarak temizlenip, tekrar tanka konumlanması etkili olsa da bu yöntem büyük tesislerde pratik olmayabilir. Dolayısıyla, büyük tesislerde temizleme yönteminin etkinliği üretici firmalar arasındaki temel rekabet noktalarından bir tanesidir. MBR larda tecrübenin az olduğu diğer bir husus da çamur işleme prosesleriyle ilgilidir. Şu ana kadarki çoğu küçük ölçekli MBR uygulamaları atık çamurları için aerobik çamur stabilizasyonu, susuzlaştırma veya stabilizasyon sonrası direk araziye serme işlemini uygulamıştır. Büyük tesislerde ise fazla miktarlardaki çamurdan dolayı önce çamur yoğunlaştırma, sonra aerobik veya anaerobik çürütme ve susuzlaştırma kademeleri gerekmektedir. Şu ana kadar az uygulamadan dolayı MBR çamurlarının yoğunlaştırılabilirliği ve çamurların aerobik veya anaerobik olarak hızlı stabilizasyonu hakkında yeterli araştırma çalışması yoktur. MBR çamurları yönetimi için araştırma geliştirme faaliyetleri şu an 4. nesil MBR ların temel hususlarından birisidir. Büyük ölçekli tesislerde diğer önemli tasarım hususu da membran ekipmanı tasarımının yanı sıra etkin bir biyolojik proses tasarımının da beraber yapılabilmesidir. Bu gereksinim tasarım kompleksliğini bir miktar daha artırır. Bu açıdan 4. nesil MBR larda membran üreticilerinin yanı sıra proje hazırlayıcılarının ve proje sahiplerinin de biyolojik proses tasarımındaki rolü ve sorumluluğu artacaktır. 2.4 MBR ların Konvansiyonel Sistemlere Göre Avantajları MBR larda biyolojik askıda katı madde (mixed liquor suspended solids, MLSS) konsantrasyonları 12,000-15,000 mg/l değerlerine kadar ulaştırılabildiği için (konvansiyonel aktif çamurda MLSS yaklaşık 2,000-4,000 mg/l) arıtma için gerekli hidrolik bekleme süresi (HRT) konvansiyonel sistemlere göre azdır. Havalandırma havuzlarının hacim dizaynında HRT temel parametre olduğu için düşük HRT gereksinimi gerekli havuz hacmini düşürüp, ilk yatırım maliyetini azaltıp, işletme kolaylığı da sağlar. Buna ek olarak arazi gereksinimi de azalır. Yine konvansiyonel aktif çamur sistemlerine göre MBR larda son çökeltme tankına ihtiyaç olmadığı için bu da ilk yatırım ve işletme maliyetini azaltıcı bir etmendir. MBR larda yüksek MLSS konsantrasyonlarından dolayı fazla çamur yaşı (SRT) ile işletim yapılabilir. Yirmi günden fazla SRT ile çalışıldığında çeşitli avantajlar ortaya çıkar. Bunlardan birincisi artırılmış iç solunumdan dolayı oluşan yeni biyokütle azalır ve bertaraf edilmesi gereken atık biyokütle miktarının azalması maliyeti düşürür. İkinci olarak, yüksek SRT değerlerinde nitrifikasyon daha verimli gerçekleşir, ve nitrifikasyonun çeşitli ortam şartlarından olumsuz etkilenme şansı azalır. Üçüncü avantaj sentetik toksik organik maddelerin biyolojik ayrişmasını sağlayan özel mikroorganizmaların yüksek SRT değerlerinde daha etkin çalışmalarıdır. Yine yüksek MLSS konsantrasyonlarında çalışıldığında sisteme fazla organik yükleme de yapılabilir. Bu yüksek biyokütle konsantrasyonu aynı zamanda şok toksik yüklemelere karşı da daha dayanıklıdır. MBR ların en önemli avantajlarından birisi biyokütle/su ayrımı biyokütlenin çökelebilme özelliğinden bağımsızdır. Bunun nedeni bu ayrım prosesinin çökeltim prensibi ile değil fiziksel filtrasyon ile yapılmasıdır. Dolayısıyla, konvansiyonel sistemlerin son çökeltme havuzu işletiminde çok problem arz eden çökelemeyen biyokütle (filamentli flokların veya Nocardia türü mikroorganizmaların oluşmasından dolayı) durumu MBR larda yoktur. Aynı zamanda, MBR larda mikrofiltrasyon veya ultrafiltrasyon ile çok küçük gözeneklerle ayrım yapıldığı için biyokütlenin tamamı tutulur. Buna bağlı olarak deşarj standartlarından birisi olan toplam askıda katı madde (TSS) MBR larda genelde çok düşük olur (yaklaşık 1-3 mg/l). 472
İyi işletilen konvansiyonel sistemlerde ise bu rakam 10-30 mg/l arasıdır. Filtrasyon sonucu bulanıklık da MBR larda düşük değerlere düşer (<0.5 NTU) ve çıkış suyu çok berrak bir görünüm alır. Bu kaliteli su üretiminden dolayı özellikle ABD de bu proses ile arıtılan atıksular geri kazanılmakta ve sulamada (tarımsal, rekreasyon, inşaat alanları, vs), endüstriyel ve diğer alanlarda (proses suları, yangın söndürme, tuvalet pisuarları, vs) kullanılmaktadır. Böylece, hem içme suyu kaynakları az kullanılıp korunmuş, hem de arıtılmış atıksular değerlendirilmiş olur. MBR larda işletim sırasında SRT konvansiyonel sistemlere göre çok daha rahat kontrol edilir. Çünkü son çökeltim tanklarında biyokütlenin bazı durumlarda iyi çökelmemesinden dolayı savaklardan TSS kaçma durumu MBR da yoktur. MBR da biyokütlenin sistemden tek çıkma noktası nihai bertaraf için atılan atık çamurdur. MBR larda fiziksel biyokütle ayrımı yanında aynı zamanda da çok kaliteli bir fiziksel dezenfeksiyon sağlanmış olur. ABD de gerek pilot gerekse de gerçek tesislerde MBR ların yaklaşık tüm protozoaları giderdiği, 5-6 log (logaritmik, ya da %99.999-%99.9999) bakteri, ve 1-2 log virüs giderimi sağladığı gözlenmiştir. Klorla dezenfeksiyona dayanıklı olan patojenik protozoalardan Cryptosporidium ve Giardia da MBR da rahatlıkla tutulur. Bu rakamlar yaklaşık membrandaki 0.1 μm gözenek büyüklüğü dikkate alındığında beklenen rakamlardır. Bu bağlamda düşük bulanıklık yanında çok düşük patojen içerikli arıtılmış su rahatlıkla zirai sulama amaçlı kullanılabilir. Konvansiyonel sistemlere göre MBR la arıtılmış atıksu çevre sağlığı ve mikrobiyal içerik yönünden çok daha güvenlidir. ABD deki standartlara göre MBR la arıtılmış atıksular son bir dezenfeksiyon yapmak koşuluyla (geri kalan virüsleri bertaraf etmek ve sonradan oluşabilecek mikrobiyal büyümeyi engellemek için) direk tarımsal sulamada kullanılabilir. Bu standartlar değişik tarım ürünleri ve kullanım alanları için farklı olarak hazırlanmıştır (USEPA, 1992; California DHS, 2000). 2.5 MBR ların Genel Dezavantajları MBR da arıtma prosesi tek bir havuzda gerçekleştiği için sistem mekanik ve kontrol açıdan konvansiyonel sistemlere göre daha kompleksdir. 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. Membranların tıkanması ve temizleme metodları ileride ayrı bir kısımda tartışılmıştır. 2.6 MBR larda Çıkış Suyu Kalitesi Tablo 4 de evsel atıksular için tipik MBR çıkış suyu kaliteleri verilmiştir. Görüleceği üzere çıkış suyu kalitesi konvansiyonel biyolojik arıtım sistemlerinden çok daha üstündür. Elde edilen bulanıklık değerlerinin 0.5 NTU dan düşük olduğu düşünüldüğünde üretilen suyun ne kadar berrrak olduğu tasavvur edilebilir. Yine konvansiyonel sistemlerde 30-50 mg/l den az elde edilemeyen BOI and TSS, MBR çıkış sularında 2.0 mg/l den düşüktür. Bu da üretilen suyun organik stabilite ve partiküller açısından ne kadar kaliteli olduğunu gösterir. Önceden bahsedildiği gibi MBR larda fiziksel biyokütle ayrımı yanında aynı zamanda da çok kaliteli bir fiziksel dezenfeksiyon sağlanmış olur. ABD de gerek pilot gerekse de gerçek tesislerde MBR ların yaklaşık tüm protozoaları giderdiği, 5-6 log (logaritmik, ya da %99.999-%99.9999) bakteri, ve 1-2 log virüs giderimi sağladığı gözlenmiştir. Klorla dezenfeksiyona dayanıklı olan patojenik protozoalardan Cryptosporidium ve Giardia da MBR da rahatlıkla tutulur. Bu rakamlar yaklaşık membrandaki 0.1 μm gözenek büyüklüğü dikkate alındığında beklenen rakamlardır. 473
Tablo 4. Evsel atıksuları arıtan MBR larda tipik çıkış suyu kaliteleri. Parametre Tipik Değerler Biyokimyasal oksijen ihtiyacı (BOI) < 2.0 mg/l Toplam askıda katı madde (TSS) < 2.0 mg/l NH 3 -N < 1.0 mg/l (nitrifiye eden tesislerde) Toplam fosfor (TP) < 0.1 mg/l (biyolojik olarak ya da kimyasal olarak alum katkısıyla) Toplam azot (TN) < 10 mg/l (orta sıcaklıktaki iklimlerde) Toplam azot (TN) < 3.0 mg/l (sıcak iklimlerde) Silt yoğunluk indeksi (SDI) < 3.0 Bulanıklık < 0.5 NTU Mikrobiyolojik: Bakteriler 5-6 log giderim Virüsler 1-2 log giderim Protozoalar (Cryptosporidium ve Giardia) tam giderim 2.7 MBR ve Konvansiyonel Sistemlerde İşletim Parametrelerinin Karşılaştırılması Organik yükleme hızları ve giderim verimleri açısından MBR ve diğer konvansiyonel sistemlerin karşılaştırılması Tablo 5 de verilmiştir. Tablodan görüleceği üzere MBR lar diğer sistemlerle etkili bir şekilde rekabet edebilmektedir. MBR larda organik yükleme hızları genellikle damlatmalı filtrelerden, kademeli kesikli ve konvansiyonel aktif çamurdan düşük HRT lerden dolayı daha fazladır. Diğer yandan MBR larda organik yükleme hızları biyolojik havalandırmalı filtrelerden, tam karışımlı ve yüksek hızlı havalandırmalı aktif çamur proseslerinden daha azdır. Tablo 5. Değişik arıtma prosesleri için organik yükleme hızları (Gander ve diğerleri, 2000). Reaktör BAF: Aşağı akışlı Aşağı akışlı Yukarı akımlı Organik Yükleme Hızı (kg BOD 5 /m 3 -gün) 1.5 (COD) 7.5 4 HRT (saat) 1.3 - - Giderim Yüzdesi 93 75 >93 TF: Düşük hızlı Orta hızlı Yüksek hızlı 0.08-0.4 0.24-0.48 0.48-0.96 - - - 80-90 50-70 65-85 ASP: Kademeli kesikli Konvansiyonel Tam karışımlı Yüksek hızlı havalandırmalı 0.08-0.24 0.32-0.64 0.8-1.92 1.6-16 12-50 4-8 3-5 2-4 85-95 85-95 85-95 75-90 474
MBR: Batık: Düz tabakalı (Kubota) Gözenekli fiber (Tech Sep) Düz tabakalı Gözenekli fiber 0.39-0.7 0.03-0.06 0.005-0.11 1.5 (COD) 0.18 0.45-1.5 (COD) 7.6 1 8 0.5 24-95 8 99 98-99 98 87-95 - 88-95 BAF: Biyolojik havalandırmalı filtre; TF: Damlatmalı filtre; ASP: Aktif çamur prosesi. Tablo 6 da MBR ve diğer biyolojik sistemlerde tipik çamur üretimleri karşılaştırılmıştır. MBR lar yüksek SRT değerlerine ulaşabildiklerinden çamur üretimleri konvansiyonel aktif çamura göre ciddi derecede azdır (Mayhew and Stephenson, 1997). Çamur işleme ve bertarafı toplam arıtma işletim maliyetinin önemli bir kısmını oluşturduğu için bu yönden az çamur üretimi MBR lar açısından avantajdır. Tablo 6. Değişik arıtma prosesleri için çamur üretimleri (Mayhew ve Stephenson,1997). Arıtma prosesi Çamur üretimi (kg/kgboi) Batık tip MBR Düzenli medya biyolojik havalandırmalı filtre Damlatmalı filtre Konvansiyonel aktif çamur Granüler medya biyolojik havalandırmalı filtre 0.0-0.3 0.15-0.25 0.3-0.5 0.6 0.63-1.06 2.8 Membran Kirlenmesi/Tıkanması MBR larda membranların işletim sırasında tıkanması MBR ların hem kentsel hem de endüstriyel atıksu arıtımında daha yaygın uygulanmalarındaki en önemli engellerden biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Membranlardaki tıkanma membran permeabilitesini sınırlandırır. Diğer bir deyimle, birim transmembran basıncına karşılık membrandan geçen akının, dolayısıyla da, birim membran alanı başına sistem arıtılmış temiz su üretiminin azalmasına neden olur (Chang ve diğerleri, 2001; Cho ve Fane, 2002; Judd, 2001; Stephenson ve diğerleri, 2002; Water Environment Federation, 2001). Partiküler madde veya mikrobiyal giderim için tasarlanmış membranlarda tıkanma materyallerin membran yüzeyinde veya membrane porlarında birikimi sonucu oluşur. Azalmış permeyt akısının mekanik veya kimyasal yöntemlerle tekrar artırılabildiği türdeki tıkanmalar geri dönüşümlü tıkanmalar olarak adlandırılır. Öte yandan, geri dönüşümsüz tıkanmalarda ise azalan permeyt akısı tekrar orjinal miktarlara yükseltilemez (ZENON Env. Inc, 2002). MBR lardaki membran tıkanmaları fiziksel, inorganik, organik, veya biyolojik kökenli olabilir. Fiziksel tıkanma membran gözeneklerinin kolloidal taneciklerle tıkanması ile ilgilidir. Böylece membran yüzeyinin belli bir kısmı kaplanıp etkisiz hale gelir. İnorganik ve organik tıkanma genellikle sırasıyla tortu oluşturuculara ve makromoleküllere bağlıdır. Literatürde tortu oluşturucular yüzünden meydana gelen inorganik tıkanma üzerine birkaç bilimsel çalışma olsa da, genelde, MBR larda tortu oluşumunun ancak bazı endüstriyel atıksuların arıtımında önemli olabileceği düşünülebilir (Judd, 2001). MBR lardaki inorganik tıkanmanın daha çok anaerobik sistemlerde (sütrivitden dolayı) söz konusu olduğu tespit edilmiştir (Choo ve Lee, 1996; Yoon ve diğerleri, 1999; Judd, 2001). Konvansiyonel aerobik proseslerde mikrofiltrasyon membranlarının kalsiyum karbonat tortusu ile tıkanması, hem düz tabakalı hem de gözenekli fiber MBR larda gözlenmiştir. Bu tür tortuların kontrolü ve giderimi oldukça zordur. Tortu kontrolü için asit dozlama çok tercih edilmeyebilir, çünkü ph ayarlaması sistem mikrobiyolojisine zarar verip, hücre dışı polimerik makromoleküllerin oluşmasını artırabilir. Presipitasyon yöntemi de problemlidir çünkü atıksu karakteristiğindeki 475
varyasyonlar, kimyasal heterojenlik, ve kalsiyum karbonat tortusunun kompleks kimyasal doğası hepsi birden kimyasal dozlama kontrolünü ve optimizasyonunu zorlaştırır. Aslında tortu tıkanmaları için kabul edilmiş stratejiler henüz yoktur. Pratik çözümler membranların sistemden çıkartılıp harici olarak asitle temizlenmesi, ya da giriş suyundaki tortu oluşturma potansiyelini tespit edip önceki arıtma prosesleriyle bu problemin çözülmesidir. MBR lardaki organik ve biyolojik tıkanma inorganik tıkanmanın aksine daha fazla çalışılıp karakterize edilmiştir. Membran sistemlerinde gerçekleşen tıkanmaların hemen hemen yarısının biyofilmlerden kaynaklandığı tahmin edilmektedir. Aslında biyofilmlerin canlı kalabilmeleri için çok az miktarlarda nutriyente ihtiyaç duymaları sonucu bunlar ultra saf su sistemlerinde bile varlıklarını sürdürebilirler. Biyofilmler membranların 8-18 g/l lik biyokütle konsantrasyonları ile temas halinde olduğu yüzeylerinde kolayca oluşabilirler (Chang ve diğerleri, 2001; Judd, 2001). Diğer taraftan ise membran yüzeylerinde oluşan biyofilmler özellikle batık proseslerde membranları koruyabilirler. Bunun nedeni biyofilmler membranın kendisine göre daha çok seçici olup daha geniş bir spektrumdaki kirleticilerin membrandan geçişini engellerler. Mikroorganizmalar tarafından üretilen hücre dışı polimerik makromoleküllerin (EPS) membranların organik tıkanmasından sorumlu olduğu genel olarak kabul edilir. EPS ler membranı hem yüzeyden hem de içeriden tıkayabilen çözünebilir ve kolloidal makromolekülerden oluşur. Tıkanma üzerine etkili olan dört ana faktör vardır (Judd, 2001; Chang ve diğerleri, 2001,2002): proses konfigürasyonu membran materyali ve konfigürasyonu (geometrisi) proses işletimi (sistem hidrodinamiği) biyokütle konsantrasyonu ve kompozisyonu Şekil 6 da MBR larda tıkanmayı etkileyen faktörler şematik olarak gösterilmiştir. Genel olarak proses performansı ana kirleticilerin giderimi ve enerji talebi ile belirlenir. Tıkanma, membranın hidrolik performansını (permeabilite) düşürerek enerji masraflarını direk olarak etkiler. Ana kirleticilerin gideriminde ise fazla etkisi yoktur. T ıkanmay ı Etkiley en Faktörler Membran Biyokütle İşletm e Ş artları Konfigürasyon MLSS Konfigürasyon Materyal EPS Çapraz akış hız ı Hidrofobisite Flok yapıs ı Havalandırm a Porozite Por büyüklüğ ü Çözünmüş maddeler Flok büyüklüğ ü HRT/SRT TMP Şekil 6. MBR larda tıkanmayı etkileyen faktörler (Chang ve diğerleri, 2002; Judd, 2001). 476
Birçok diğer membranlarda olduğu gibi, MBR larda kullanılan membranlardaki polimerlerin yüzeyleri yeterli derecede hidrofilik olacak şekilde üretilir. Bu da hidrofobik maddelerin (proteinler gibi) yüzeyde birikip tıkanma yapmasını azaltır. Gerçek tesis verilerine göre farklı konfigürasyondaki MBR larda tıkanma eğilimi de farklıdır (Judd, 2001). Bu farklılık daha çok sistem hidrodinamiğine bağlıdır. Örneğin, gözenekli fiber tip MBR larda yaklaşık her 10 dakikada bir periyodik geri yıkama gerekip, aynı zamanda da düz tabakalı tiplere göre daha sık kimyasal temizleme uygulanır. Tüm membran proseslerinde olduğu gibi MBR larda da tıkanma akı arttıkça artar. Dolayısıyla uygun bir işletim akısı seçerken, gerekli membran yüzey alanını minimize etmek ile (diğer bir deyimle ilk yatırım maliyetini) geri yıkama ve temizleme için sistemin devre dışı bırakılması (işletim maliyetini artırır) arasında hassas bir denge vardır. Bunun nedeni fazla akı ile çalışıldığında daha az membran alanı gerekir, öte yandan tıkanma daha çabuk olup, daha sık geri yıkama ve temizleme gerekir. Bu da birim zamanda üretilen arıtılmış su miktarını azaltır. Bazı batık MBR lar, özellikle düz tabakalı ve tübular tipdekiler, geri yıkamayı gerektirmeyecek derecede düşük akılarda çalışabilirler. Bu operasyona sub-kritik akı denir. Kritik akı ise sürdürülebilir membran permeabilitesindeki (sabit akı ve transmembran basıncı, TMP) operasyon limitini temsil eder. Kritik akının üzerindeki operasyonlar TMP yi artırıp, peryodik geri yıkama ve/veya temizleme gerektirir. Geri yıkanabilir gözenekli fiber tipler için, kritik akının üzerinde nispeten kısa devirlerde çalışmak daha ekonomiktir. Geri yıkanamayan düz tabakalı tipler için ise kritik akının altında çalışmak zaruridir. Her tip için kritik akıyı artırabilmek maliyet açısından yararlıdır. Buna da sadece sistem hidrodinamiği iyileştirilerek ulaşılır (Judd, 2001,2002b). Biyokütledeki hem partiküller hem de çözünmüş polimerler tıkanmaya sebep olurlar. Biyokütle miktarının permeabiliteye olan etkisine göre genelde resistans (1/permeabilite) ile MLSS arasında doğrusal veya doğrusala yakın ilişki vardır (Shimizu ve diğerleri, 1993; Chang ve diğerleri, 2001). Harici MBR larda pompajın partikül büyüklük dağılımına (Çiçek ve diğerleri, 1999a,b; Wisniewski ve diğerleri, 2000; Kim ve diğerleri, 2001) ve EPS miktarlarına (Chang ve diğerleri, 2002) olan etkileri tespit edilmiştir. Pompaj sırasında yırtma-sürtünme kuvvetlerinden dolayı flokların kırılmasıyla ortama salınan EPS lerin daha da fazla tıkanmaya sebep olmasıyla, harici MBR lardaki düşük permeabilite daha da fazla düşebilir. Ancak EPS miktarları ve permeabilite arasında yeteri kadar ya da tutarlı bağıntılar ya da empirik korelasyonlar literatürde mevcut değildir. Atıksudaki çözünmüş maddeler kısmının tıkanmaya ciddi oranda yardım ettiği ortaya çıkmaktadır (Wisniewski ve Grasmik, 1998; Defrance ve diğerleri, 2000). Belki de bu tür maddeler kalıcı sub-kritik adsorptif tıkanmadan sorumlu olabilir. 2.9 Membranların Temizliği MBR sistemi üretici ve tasarımcıları rutin membran bakımını ve tıkanmayı önleyici ve kontrol edici metodları tasarımda dikkate almak zorundadırlar. Batık MBR larda tıkanmayı önleyici birçok metod kullanılır. Bazı sistemlerde membranlar otomatik düzende, üretilen süzüntü kullanılarak, her 10-15 dakikada bir, düzenli olarak geri yıkanırlar. Bu işlemle tıkanan porlar temizlenmeye çalışılır. Buradaki hedef kirlilik membranlara gevşek olarak tutunmuş materyallerdir. Geri yıkama prosesinde, önce yıkanacak modüldeki arıtım durdurulur, sonra basınçla bu sefer dıştan içe doğru (diğer bir deyimle akış yönü değiştirilir) membranlara saniyeler mertebesinde (yaklaşık 10-20 sn) kademeli olarak su basılır. Burada kullanılan su ayrı tanklarda bu amaç için biriktirilen sistem süzüntüdür. Dolayısıyla, birinci temizleme metodu olan bu geri yıkamada her 10-15 dakikada bir üretim durdurulup, toplam yaklaşık 1 dakikalık bir geri yıkama ile zaman kaybı olur. Her üretici firmanın kendine özgü geri yıkama metodu olsa da ana hatlarıyla metodlar benzerdir. Birinci temizleme metodunun yanı sıra, tıkanma derecesinin artıp sabit akı üretimi için gereken TMP nin arttığı durumlarda, ikinci temizleme metodu olarak (genellikle 3-7 gün de bir) kimyasalların eklendiği basınçlı süzüntü ile geri yıkama yapılır. Sitrik asit (ph düşürüp tortuları çözmek için) ve sodyum hipoklorür (organik veya mikrobiyolojik filmleri 477
parçalamak için) bu amaç için kullanılır. Bu temizlik yine otomatik gerçekleşip, birinci tur geri yıkamaya göre daha uzun sürede uygulanır (yaklaşık 30 saniyelik pulslardan 5-10 tane uygulanır ve membranlar bu pulslar arasında 1-2 dakika dinlendirilir). Kullanılan dozlar yaklaşık 250 mg/l klor ve 2,000 mg/l sitrik asit şeklindedir. Bu temizleme peryotu boyunca temizlenen membran modülü 30-45 dakika servis dışı kalır. İkinci temizleme metodu da yetersiz kalıp sabit akı süzüntü üretimi için gerekli TMP artmaya devam ederse üçüncü tür temizleme metodu uygulanır. Bu uygulamada membran tankı servis dışına alınıp tank boşaltılır, membranlar ikinci temizlemede uygulanan kimyasal dozlardan daha yüksek dozlar içeren sitrik asitli ve sodyum hipoklorürlü süzüntü pulslarıyla yıkanır, daha sonra tank bu yüksek dozlu kimyasalları içeren süzüntü ile doldurulup membranlar batık halde 10 saat civarı beklenir. Bekleme sonunda düşük ph lı bu temizleme suyunu nötralize etmek için sodyum hidroksit tanka basılır, tank boşaltılır, ve bu su nihai bertaraf için atılır, veya tesis girişine geri gönderilir. Bu en yoğun temizleme metodudur ve prosese ve atıksu karakterine bağlı olarak yılda birkaç kez tekrarlanabilir. Küçük tesislerde, membranları kendi tankında bu kimyasallara batırmak yerine, membran kasetleri tankın üzerindeki hareketli vinç ile kaldırılıp, ayrı bir küçük bir tanka konulup, burada bu kimyasallara temizleme yapılabilir. Ancak büyük tesislerde bu işlem işletme ve personel açısından pratik olmayıp orjinal tankda temizleme daha uygundur. Büyük tesislerde bakım ve temizleme yapılsa bile tesis sürekli devrede kalabilmelidirler. Bu gereksinimi sağlamak için tanklar konvansiyonel hızlı kum filtre yapılarına benzer biçimde bir dizi hücrelere bölünebilir. Her tankı hücrelere bölmekle membranları tankdan çıkarmadan yerlerinde temizlemek, ve tüm tankı servis dışına çıkarmadan temizlik işlemini yapmak mümkün olur. Böyle bir düzenleme yararlı olabilirken, sistem tasarımı karmaşıklaşır. Örneğin, boru ve ekipman tesisatları tanklardaki farklı hücrelerin kontrolüne ve işletimine uygun olmalıdır ve hücrelerin izolasyonu, boşaltımı, ve tekrar doldurulması için gerekli mekanik tasarımların yapılması gerekir. 2.10 Maliyet ABD de inşa edilen MBR proseslerindeki maliyet hesabı tecrübelerine dayanarak yaklaşık 1 milyon galon-günlük (MGD, veya 3,780 m 3 /gün) debi için ilk yatırım maliyeti (tüm elektrik ve mekanik aksam ve tank inşaası dahil) yaklaşık 1,700,000 US$ dır (Referans: City of Redlands, California, ABD, Water Reclamation Facility Construction, designed by Carollo Engineers and CH2MHILL, ABD). Membran üretici firmaları membran kasetleri için 5 yıl civarı garanti vermektedirler. Temel işletim ve bakım masrafları elektrik ve kimyasallardır. 3. SONUÇLAR Membran bioreaktörleri atıksu arıtımında sıvı/katı ayrımının düşük-basınçlı membran filtrasyon konseptiyle yapıldığı askıda büyümeli biyolojik arıtma sistemleridir. Son 5-10 yıl içinde polimer endüstrisindeki hızlı gelişmeler ve membran maliyetlerindeki azalmalar neticesinde, MBR lar ekponansiyel bir artışla özellikle gelişmiş batı ülkelerinde atıksu arıtımı ve geri kazanımında uygulanmaya başlanmıştır. Atıksuların geri kullanımı ile hem tatlı su kaynaklarının tüketimi azaltılmakta hem de deşarj edilen arıtılmış atıksuların çevresel etkileri en aza indirilebilmektedir. Ürettiği içme suyu kalitesine yakın arıtılmış su ile MBR lar sadece zirai sulama için değil diğer birçok geri kullanım alanları için de uygulanabilir. MBR ların konvansiyonel aktif çamura göre birçok avantajı mevcuttur. MBR lardaki yüksek MLSS konsantrasyonundan dolayı gerekli hidrolik bekleme süresi azdır; bu da küçük reaktör hacmi ve ilk yatırım maliyetinde azalma anlamına gelir. Biyokütle ayrımı mikro- veya ultrafiltrasyon ile gerçekleştiği için aktif çamurun çökelebilme özelliğinden bağımsızdır; diğer bir deyimle son çökeltime ihtiyaç olmayıp çamur şişmesi, filamentli büyüme gibi çökeltim problemleri söz konusu olamaz. Yüksek MLSS konsantrasyonlarından dolayı sisteme fazla organik yükleme yapılabilir. MBR larda nitrifikasyon veya toksik organikler bağlamındaki işletme problemleriyle daha az karşılaşılır çünkü MBR larda konvansiyonel aktif çamura göre 478
daha fazla çamur yaşı (SRT) ile çalışılabilir. Yüksek SRT değerleri oluşan biyokütle miktarını da azaltır. MBR lar mükemmel bir fiziksel dezenfeksiyon sağlar. Çünkü biyolojik olarak arıtılmış su aynı tank içinde batık mikrofiltrasyon (gözenek çapı yaklaşık 0.1-1 µm) veya ultrafiltrasyon (gözenek çapı yaklaşık 0.01-0.1 µm) membranlarıyla vakum ile çekilip hemen hemen tüm protozoa ve bakteri (5-6 log giderim), ve 1-2 log virüs giderimi sağlanır. MBR prosesi biyolojik nutriyent giderimi için de uygundur. Bahsedilen avantajlar ve özellikle mikrofiltrasyon/ultrafiltrasyondan dolayı MBR larda çıkış suyu kalitesi konvansiyonel aktif çamur sistemlerinden çok daha iyidir. MBR larda elde edilen tipik çıkış suyu değerleri: BOİ < 2.0 mg/l; AKM < 2.0 mg/l; NH 3 -N < 1.0 mg/l (nitrifiye eden MBR larda); toplam fosfor < 0.1 mg/l (anaerobik zon eklenmesi ile); toplam azot < 3-10 mg/l (anoksik zon eklenmesi ile: denitrifikasyon); bulanıklık < 0.5 NTU. MBR da arıtma prosesi tek bir havuzda gerçekleştiği için sistem mekanik ve kontrol açıdan konvansiyonel sistemlere göre daha kompleksdir. Ancak, %100 otomasyon sayesinde işletim kolaylaşır. İşletim sırasında zamanla membran gözenekleri tıkanır ve arıtılmış su çekimi (akı) azalır, bunu engellemek için belirli aralıklarda basınçlı hava/su ve kimyasallarla gözenekler temizlenir. Tüm bu temizlik işlemi otomatik yapılır. ABD de inşa edilen MBR proseslerindeki maliyet hesabı tecrübelerine dayanarak yaklaşık 1 milyon galon-günlük (MGD, veya 3,780 m 3 /gün) debi için ilk yatırım maliyeti (tüm elektrik ve mekanik aksam ve tank inşaası dahil) yaklaşık 1,700,000 US$ dır. Membran üretici firmaları membran kasetleri için 5 yıl civarı garanti vermektedirler. Temel işletim ve bakım masrafları elektrik ve kimyasallardır. 4. REFERANSLAR Adham, S. and Gagliardo, P. (1998) Membrane Bioreactors for Water Repurification Phase I. Desalination Research and Development Program Report No. 34, U.S Department of Interior, Bureau of Reclamation, USA. California Department of Health Services (2000) Title 22 of the California Code of Regulations, www.dhs.ca.gov, USA. Chang, I.S., Bag, S.O. and Lee, C.H. (2001) Effects of Membrane Fouling on Solute Rejection during Membrane Filtration of Activated Sludge, Process Biochemistry, 36/8-9:855-860. Chang, I.S., Le-Clech, P., Jefferson, B., and Judd, S.J. (2002) Membrane Fouling in Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment, Environ. Eng. Sci., 128/11:1018-1029. Cho, B.D. and Fane, A.G. (2002) Fouling Transients in Nominally Sub-critical Flux Operation of a Membrane Bioreactor, J. of Membrane Science, 209:391-403. Choo, K.H. and Lee, C.H. (1996) Effect of Anaerobic Digestion Broth Composition on Membrane Permeability, Water Science and Technology, 34:173-179. Cicek, N., Franco, J.P., Suidan, M.T., Urbain, V., and Manem, J. (1999a) Characterization and Comparison of a Membrane Bioreactor and a Conventional Activated Sludge System in the Treatment of Wastewater Containing High Molecular Weight Compounds, Water Environment Research, 71:64-70. Cicek, N., Dionysiou, D., Suidan, M.T., Ginestet, P., Audic, J.M. (1999b) Performance Deterioration and Structural Changes of a Ceramic Membrane Bioreactor due to Inorganic Abrasion, J. of Membrane Science, 163:19-28. Crawford, G., Thompson, D., Lozier, J., Daigger, G., and Fleischer, E. (2000) Membrane Bioreactors A Designer s Perspective, Proceedings of the Water Environment Federation Technical Symposia, Anaheim, California, USA. 479
Defrance, L., Jaffrin, M.Y., Gupta, B., Paullier, P., and Geaugey V. (2000) Contribution of Various Constituents of Activated Sludge to Membrane Bioreactor Fouling, Bioresource Technology, 73:105-112. Gander, M., Jefferson, B. and Judd, S. (2000) Aerobic MBRs for Domestic Wastewater Treatment: A Review with Cost Considerations, Separation and Purification, 18:119-130. Judd S.J. (2001) A Review of Fouling of Membrane Bioreactors in Sewage Treatment, School of Water Sciences, Cranfield University, UK. Judd S.J. (2002a) The Development of the Membrane Bioreactor Technology for Sewage Treatment in the UK, School of Water Sciences, Cranfield University, UK. Judd S.J. (2002b) Submerged Membrane Bioreactors: Flat Plate or Hollow Fibre?, Filtration and Separation, 39/5:30-31. Kim, J.S., Lee, C.H. and Chang, I.S. (2001) Effect of Pump Shear on the Performance of a Crossflow Membrane Bioreactor, Water Research, 35/9:2137-2144. Mayhew, M. and Stephenson, T. (1997) Low Biomass Yield Activated Sludge: A Review, Environmental Technology, 18:883-886. Shimizu Y., Shimodera, K.I. and Watanabe, A. (1993) Crossflow Microfiltration of Bacterial Cells, J. Fermentation and Bioengineering, 76:493-500. Stephenson, T., Brindle, K., Judd, S., and Jefferson, B. (2000) Membrane Bioreactors for Wastewater Treatment, ISBN 1-900222-07-8, IWA Publishing, UK. U.S. Environmental Protection Agency (USEPA) (1992) Guidelines for Water Reuse, Washington, DC, USA. Van der Roest, H.F., Lawrence, D.P., and Van Bentem, A.G.N. (2002) Membrane Bioreactors for Municipal Wastewater Treatment, ISBN 1843390116, IWA Publishing, UK. Water Environment Federation (2001) Membrane Bioreactors: Feasibility and Use in Water Reclamation, ISBN 1-893664-36-8, Water Environment Research Foundation (WERF), USA. Wisniewski, C. and Grasmick, A. (1998) Floc Size Distribution in a Membrane Bioreactor and Consequences for Membrane Fouling, Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects, 138:403-411. Wisniewski, C., Grasmick, A. and Leon Cruz, A. (2000) Critical Particle Size in Membrane Bioreactors- Case of a Denitrifying Bacterial Suspension J. of Membrane Science, 178:141-150. Yoon, S.H., Kang, I.J. and Lee, C.H. (1999) Fouling of Inorganic Membrane and Flux Enhancement in Membrane- Coupled Anaerobic Reactor, Separation Science and Technology, 35/5:709-724. ZENON Environmental Inc. (2002) www.zenon.com, Oakville, Ontario, Kanada. 480