ATIKSU ARITIMINDA KULLANILAN MEMBRAN PROSESLERİ En genel olarak uygulanan membran prosesler; mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon, ters osmoz, elektrodiyaliz, gaz ayırma, dializ, osmoz, pervoparasyon, termo-osmoz ve membran distilasyonudur. Bunlardan su ve atıksu arıtımında ve geri kazanımında en çok kullanılan membran prosesler ise mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon ve ters osmozdur. Membran biyoreaktör tipi (MBR) atıksu arıtma tesisleri, bir membran ultrafiltre ve aerobik biyolojik arıtma reaktörünün bileşiminden oluşan yeni bir atıksu arıtma teknolojisini kullanır. Mikrofiltrasyon Mikrofiltrasyon membran üretiminde ilk ve en eski geçmise sahip proses sınıfını olusturmaktadır. Konvansiyonel filtrasyon sistemlerine nazaran sudaki daha küçük boyuttaki partiküllerin tutulmasını sağlayan membran ünitesidir. 0,05-1,5 μm aralığındaki partikül maddeler ile bakteriler, büyük koloidal maddeler, kil ve silt sudan ayrılabilmektedir. Mikrofiltrasyon, tübüler ya da bosluklu elyaf membran konfigürasyonları ile teskil edilmektedir. Ultrafiltrasyon Ultrafiltrasyon bir büyüklüğü geçirmeyen, basınçla yürüyen bir ayırma prosesidir. Tipik olarak Ultrafiltrasyon (UF) 10 ile 1000 Angstrom arasında değişiklik gösteren gözenek büyüklüğüne ve 300 ile 500.000 Dalton arası ağırlığındaki molekülleri tutabilirler. Nanofiltrasyon Sahip oldukları membran aralık boyutları sayesinde nanofiltrasyon üniteleri özellikle sudan sertlik giderilmesinde uygulanmaktadır. Bunun yanında sudan pestisit ve herbisitlerin giderimi, ağır metallerin ayrılması ve renk gideriminde de nanofiltrasyon membranları kullanılmaktadır. Ters Osmoz Ters osmoz membranlarının çalışma aralığı 0,1 ile 1 nm arasında olup, RO membranları ile, membran prosesleri içerisinde en ileri ve en yüksek giderme verimlerinde iyon ve katyonları, tüm çözünmüş maddeleri ve metal iyonlarını sudan giderilebilmektedir. Membran Proseslerde Tıkanma Membran proseslerde tıkanma; giriş suyunun ön arıtmaya tabi tutulması, membranın geri yıkanması kimyasal madde ile temizlenmesi ile kontrol edilebilir. Atıksu Arıtımında Membran Teknolojisi Arıtma tesisinden çıkan suların geri kazanılıp tekrar kullanılması veya alıcı ortam desarj kriterlerine indirilebilmesi için tesis çıkısında membran uygulaması yapılabilmektedir. Çıkıs suyundan olabilecek ve membranı tıkayabilecek askıda maddeleri ve partikülleri tutmak için önce bir kum filtre ve ardından organik maddeleri tutmak ve membranın yükünü azaltmak amacıyla aktif karbon filtre kullanılır. Su membrana girmeden önce kartus filtreden geçirilerek filtrasyonu tamamlanır ve yüksek basınç pompası ile membrana basılır.
ELEKTRODİYALİZ (ED) MEMBRAN PROSESİ ED prosesi, elektrolit çözeltilerindeki elektrotlar ile doğru akım kullanılarak diyaliz hızını arttırmak amacıyla geliştirilmiş iyon seçici membranların kullanıldığı bir ayırma prosesidir. ED de iyonlar elektriksel itici kuvvetin etkisiyle çözeltilerden ve membranlardan aktarılırlar. Günümüzde ED, en genel kullanımı ile, elektriksel alan ve iyon değiştirici membranlar vasıtasıyla sisteme beslenen sulu elektrolit çözeltisinin, yüksek oranda tuzlu sudan tuzu gidermek için kullanılan elektrolitik bir proses olarak nitelendirilebilir. Bu proseste elektrik potansiyeli farkından yararlanarak suda çözünmüş iyonların dağıldığı elektrik yüklü membranlar kullanılır. Elektrodiyaliz prosesinde uygulamaya bağlı olarak 400 civarında anyonik ve katyonik membran kullanılır. Bu proses çok yüksek konsantrasyonlarda bile uygulanabilir (litrede 0.5 ile 1 gram arasında). Membranların gözenek boyutu arttıkça membranın performansı ve çıkış suyundaki veya süzüntüdeki kalite de belirginleşir. Elektrodiyaliz proseslerin avantajları; Enerjiyi etkin kullanmaları, Yüksek giderim verimi sağlanması, Bakım onarıma sık ihtiyaç duymamaları, İyonsuz bileşenlerin giderimine yardımcı olmaları, Ön arıtma işlemlerinde fazla kimyasal giderlerinin olmamasıdır. Elektrodiyaliz proseslerin dezavantajları; Konsantrasyon polarizasyonu nedeniyle sistemde çökelme meydana gelmesi, Membranlar arasında sızma sorunlarının olması, Elektrotlardan anotta yükseltgenme, katotta indirgenme reaksiyonları oluşabimesi, dolayısıyla elektrotlarda çözünme ve aşınmaya yol açması, ph a bağlı olarak klor ve/veya oksijen üretimine yol açabilmeleridir. ED Proseslerin Kullanım Alanları Tuzlu ve acı sulardan içme suyu eldesinde, Meyve sularının sertliğinin giderilmesinde, ph kontrolünde Ağır metal geri kazanımında, Metal kaplama endüstrisinde metallerin geri kazanılmasında, Klor alkali üretim tesislerinde kostik soda üretiminde ve benzeri alanlarda kullanılmaktadır. Endüstriyel Atık Suların Arıtılmasında Membran Proseslerin Uygulama Örnekleri Endüstriyel atık sular, ağır metaller ve tuzlar gibi besin maddeleri örneğin azot bileşikleri ve fosfor içerir. Atık su önlenmesi her zaman mümkün değildir bu nedenle yeni ve daha etkili su arıtma
tekniklerine ihtiyaç vardır. Membran teknolojisi ağır metalleri, tuzları ve besleyicileri etkili bir şekilde ayırır. Endüstriyel atık suları düşük konsantrasyonlarda geleneksel yöntemlerle ayırmak pek mümkün değildir. Son yıllarda daha yüksek arıtma verimi sağlayan membran prosesler kullanılmaya başlanmıştır. Bu prosesler az alana ihtiyaç duyması, düşük çamur üretimleri, ilave kimyasal maddelerin kullanılmaması gibi nedenlerden dolayı yüksek avantajlara sahiptirler. Endüstriyel atık suların arıtılmasında membran proseslerin uygulama örnekleri şunlardır: Zeytin Salamura Zeytin Yağ Üretimi Maya Endüstrisi dir. Zeytin Salamura ve Yağ üretimi atık suları, MF, UF, NF ve RO membran prosesleri ile arıtılabilmektedir. TERS OZMOZ VE TUZSUZLAŞTIRMA Ters ozmos, bir membrana basınç uygulayarak (yoğun çözelti tarafına), çok yoğun ortamdan saf suyu membrandan diğer tarafa, diğer bir tabir ile az yoğun tarafa geçişi sağlamaktır. Eğer membranın yoğun tarafındaki sıvıya bir basınç uygulanırsa suyun akışı yoğun kısımdan az yoğun kısma döndürülebilir. Böylece giderilmesi istenen yoğun kirletici bileşenler membrandan tutulması sağlanarak saf su elde edilebilir. Bu olaya, yani suyun daha fazla konsantre olan çözeltiden, yüksek basınç ile seyreltilmiş çözeltiye doğru akmasına, ters ozmos (RO) veya hiperfiltrasyon (HF) denir. Ters ozmoz, bir Membran Teknolojisi olup, Osmotik Basınç kullanılarak, mineralce zengin olan suyun, yarı geçirgen bir membran ın diğer tarafına mineralleri azaltılmış olarak geçirilmesi işlemidir. Suyun içerisinde bulunan birçok mineral, bakteri ve virüsler %99 saflığa kadar bu yöntem ile süzülebilmektedir. Ters ozmoz teknolojisi, bilinen en hassas membran filtrasyon teknolojisidir. Atık suyun yeniden kullanılabilmesini sağlamak amacıyla, genellikle endüstriyel atık su arıtımında kullanılan çözünmüş anorganik ve organik maddelerin sudan uzaklaştırılması ya da geri kazanılması amacıyla yüksek basınç uygulanan bir sistemdir. Ters ozmoz işlemi esnasında, basınca ihtiyaç duyulur ve bu basınç bir pompa vasıtası ile sağlanır. Ters ozmoz ünitenin içereceği membran sayısı, membran tipi, uygulanacak basınç, geri kazanım oranı gibi bilgiler, ancak ham su karakterinin çok iyi analiz edilmesi ile elde edilebilir. Ters Osmoz yöntemi ile su, tuzdan tamamen temizlenemiyor. Dolayısıyla bu arıtma yoluyla içme suyu üretilemiyor. Fakat RO sayesinde gerek tarım suyu, gerek şebeke suyu gibi kullanımlar için uygun kalitede su üretilebiliyor. Ters Ozmoz (RO) tekniği 1970'lerden bu yana dünyada kullanılmaktadır. İlk başlarda çok pahalı olduğundan yalnızca gemilerde deniz suyundan içme suyu elde edilmesi amacıyla kullanılan bu teknik, zaman içerisinde ucuzlayarak evlerimizde tezgah altına kadar girmiştir. Gelişen membran üretim teknikleri ile RO ile üretilen suyun maliyeti de çok azalmıştır. Ters ozmoz ünitenin içereceği
membran sayısı, membran tipi, uygulanacak basınç, geri kazanım oranı gibi bilgiler, ancak ham su karakterinin çok iyi analiz edilmesi ile elde edilebilir. Bir ters ozmos sistemi aşağıdaki ana bileşenlere sahiptir: v Ön arıtma, yüksek basınç pompası, membran topluluğu ve son arıtmadır. v Askıda katı maddeleri uzaklaştırılmak ve tuz çökelimi ya da membran üzerinde mikroorganizma büyümesinin meydana gelmesini engellemek için su ön arıtımdan geçirilmektedir. v Yüksek basınç pompaları suyun membran boyunca geçişini sağlamak için gerekli olan basıncı oluştururlar. v Membran topluluğu, bir basınç kanalı ve membrana karşı basınçlandırılmış besleme suyuna izin veren membranlardan meydana gelmektedir. Ters ozmos ile deniz suyu arıtımında genellikle polivinil klorür (PVC), polivinilidin florür (PVDF), polieter sulfon (PES) ve diğer organik polimerlerden üretilen organik membranlar kullanılmaktadır. v Son arıtma, suyun dengelenmesi ve dağıtılmasını içermektedir. Bu son arıtma hidrojen sülfür gibi gazları uzaklaştırma ve ph ın ayarlanmasından oluşabilir. Ters Osmoz Membran Sistemleri; - Tad, koku ve görünümü geliştirir. - Son derece etkili arındırma işlemi. - Enerji tüketmez. - Çok kullanışlı. -Kirleticileri uzaklaştırır, toplamaz. - Temiz tutulması kolaydır. - Düşük üretim maliyetlidir. Ters ozmos membranları uzun zamandır acı su ve deniz suyu arıtımında geniş ölçekte kullanılan ve gelişen bir teknolojidir. Deniz suyu RO sistemleri için işletim parametreleri esas itibariyle sıcaklık ve besleme suyu tuzluluğunun bir fonksiyonudur. RO basınçlandırılmış tuzlu çözeltiden suyu çözünenlerden ayıran bir membran ayırma prosesidir. Uygulamada tuzlu su membrana karşı basınçlandırılan kapalı bir kanal içine pompalanır. Suyun bir kısmı membran boyunca geçerken kalan besleme suyunun tuz içeriğinde artış gözlenir. Aynı zamanda besleme suyunun bir kısmı membran boyunca geçmeksizin deşarj edilir. Genel olarak ters ozmos prosesinin uygulama alanları aşağıdaki gibi verilebilir. Deniz suyunun arıtılması ve tuzsuzlaştırılmasında, İçme ve kullanma suyun arıtılmasında,
Tekstil endüstrisinde renk gideriminde, Metal kaplama ve son işleme endüstrisinde metal geri kazanımında, Mezbahane atıksularının arıtımında, Gıda endüstrisinde, Sızıntı suyu arıtımında, Kağıt endüstrisinde renk gideriminde, Demir çelik endüstrisinde, Madencilikte, Tarımsal drenaj suyunun tekrar kullanılmasında, Renklendirici içeren atıkların olası geri kazanımı için arıtınmda, Yağlı emülsiyonlar, lateks ve elektroforetik boya içeren atıkların arıtımında, Bira ve şaraptan alkol seyreltmesi ve/veya giderilmesinde Endüstriyel işletmelerde çözünmüş tuzları geri kazanmada, Sanayide ve farklı kullanım alanlarında amaçlanan kalitede su elde etmek, Buhar kazanlarında kazan taşı oluşumunu önlemek, Sularda sertliği neden olan Ca, Mg ve benzeri bileşenleri gidermek, Konsantre meyve suyu, Alkollu içecekler ve konsantrare gıdaların elde edilmesinde, Toksik maddeleri, istenmeyen bileşenleri ve mikroorganizmaları gidermede kullanılmaktadır. Özellikle içme suyunda koku, tat, renk, çözünmüş maddeleri ve sertliği gidermek amacı ile ters ozmos işlemi son yıllarda geniş bir şekilde kullanılmaktadır. Deniz Suyunun Tuzsuzlaştırılması Deniz suları dünyanın bölgelerine bağlı olarak%3-4 arasında bir tuz konsantrasyonuna sahiptir. Bu yüksek tuzluluktan dolayı, bir tek aşamada içilebilir su elde etmek için mevcut tuzun %99 nun giderilmesi gerekmektedir. Ayrıca günümüzde, yer üstü ve yer altı sularının giderek azalması ve kirlenmesi tuzlanması, bazı yerlerde ise hiç bulunmaması insanlığı, deniz suyu arıtımına yöneltmiştir. Tipik tuzsuzlaştırma tesisleri yüksek tuz ozmotik basıncından dolayı % 35-45 den daha fazla bir geri kazanım oranında işletilmemektedir. Deniz suyunun tuzsuzlaştırılmasında gerekli yüksek basınçtan dolayı, yüksek basınç tuz akımınından tazyikli enerji geri kazanımı önemlidir. Bu durum toplam enerji maliyetlerini %30 kadar düşürecek yüksek basınçlı besleme pompalarına bağlanan bir hidro-türbin ile sağlanabilir. RO prosesi ile tuzsuzlaştırılmış suyun maliyetini besleme suyunun tuzluluğu, tesisin maliyeti, enerji gereksinimi, gereken kimyasal maddelerin miktarı ve membran yerleşimini kapsayan işletim ve bakım maliyeti önemli bir şekilde etkilemektedir.
İNORGANİK MEMBRANLAR İnorganik membranlar seramik, karbon, silika, zeolit, çeşitli oksitler ve palladyum, gümüş ve alaşımları gibi metallerden imal edilmiş membranlardır. İnorganik membranlar polimerik membranlardan çok daha maliyetli olmalarına rağmen, yüksek sıcaklık değerlerinde işletme, yüksek mekanik stabilite, iyi tanımlanmış stabil gözenek yapısı, solvent ve aşındırıcı kimyasallara karşı yüksek direnç gösterme gibi avantajlara sahipler. 1.1 Seramik Membranlar Seramik membranlar alüminyum, titanyum ve silisyum oksitlerinden imal edilir. Seramik membranlar, çözücü direnci ve ısıl kararlılığın gerekli olduğu UF ve MF uygulamalarında kullanılırlar. Bunların yüksek sıcaklığa ve kimyasallara karışı dirençlidirler. Bu stabilite, seramik membranla imal edilen MF ve UF proseslerinin gıda, biyoteknoloji ve eczacılık gibi sektörlerde kullanımını cazip kılar. Seramik membranlar gaz ayırma ve üretme proseslerinde yaygın olarak kullanılır. Bununla birlikte, bazı çözülmesi gereken sorunları mevcuttur. Bunlar; Yüksek sıcaklıklarda aşırı hassasiyet Membran kırılma ve çatlamaları, Yüksek sıcaklıklarda son derece hassas seçicilik olarak sıralanabilir. 1.2 Metal Membranlar Metal membranlar, özellikle paladyum membranlar, gaz karışımlarından hidrojenin ayrılmasında tercih edilmektedir. Palladyum ve alaşımları bu tür membranların hazırlanması ve imalatında yaygın olarak kullanılır. Diğer bir uygulaması ise hidrojen ilavesi içindir. Metal membranlar ile ilgili temel sorun yüzeyin zarar görebilmesidir. Bu durumda metal aşınması ve bozunması meydana gelebilir. Ayrıca palladyum pahalıdır. 1.3 Karbon Membranlar Karbon moleküllü elek membranlar poliviniliden klorür (PVDC), poli furfural alkol (PFA), selüloz triasetat, poliakrilonitril (PAN) gibi birçok termoset polimerin pirolizi ile elde
edilebilirler. Karbon moleküllü elek membranlar ayırma özelliği ve dayanıklığı yönünden gaz ayırma işlemleri için umut verici bir membran türüdür. Karbon moleküler elekler katı gözeneklidir. Bu nedenle sadece boyut olarak küçük olan moleküller, moleküler elekler yoluyla ayrılabilir. Karbon membranlar destekli ve desteksiz olmak üzere iki kategoriye ayrılabilir. Desteksiz membranlar düz (film), hollow fiber ve kapiler olmak üzere üç farklı yapıda iken, destekli membranlar düz ve tüpüler yapılı olmak üzere ikiye ayrılırlar 1.4 Zeolit Membranlar Zeolitler tek form gözenek boyutlu alüminyum silikat kristallerinden oluşan mikro gözeneklerdir. Zeolitler milimetre ölçekli granüllere gömülü mikron veya daha küçük kristallerde katalizör veya adsorban olarak kullanılırlar. Diğer inorganik membranlarla kıyaslandığında temel problem düşük gaz akışıdır. Problemi zeolitlerin termal etkisidir. Yüksek sıcaklık bölgelerinde zeolite katmanda büzülme gibi negatif termal dağılım ortaya çıkabilir. Zeolit gözeneklerinin, çözücüler, kirleticiler veya diğer taşınmayı engelleyici maddelerle tıkanması; zeolit membranların imal edilmesinde bir dezavantajdır. MEMRAN BİYOREAKTÖRLER Membran biyoreaktörler atık suların arıtılmasında organik ve askıda katı madde giderimini sağlamak için, biyolojik süreçler ile membran teknolojisinin birleştrilmesinden elde edilen reaktörlerdir. Biyolojik arıtım sistemlerinde biyolojik süreç gerçekleşirken membranların gözenek çapı ve özelliklerine bağlı olarak katı maddeler ve gözenek çaplarından büyük çaba sahip bileşenler membrandan tutulurken, küçük çaplı bileşenler ve akışkanlar membranlardan geçer. Katı-sıvı ayırma yeteneğine sahip ultrafiltrasyon veya mikrofiltrasyon bir membran ünite ile bir askıda büyüme reaktörünün kombine edilmesi ile membran biyoreaktör sistemleri daha yüksek verimler sağlar. Membran 30-60 gün arası uzun bir bekletme süresi sağlar. Bu durum giriş suyundaki organikler için yüksek bir biyolojik bozunma sağlar. Membran biyoreaktör içeriği membran kirlilik oranını en aza indirmek ve yüksek membran yüzey hızının bakımı için gerekli olan bir oranda yeniden resirküle edilebilir. Membran yapı olarak 0,003-0,010 mikron aralıklı gözenek boyutuna sahip, düz polimer membran plakalardan oluşur. Membran bileşeninin akış özelliklerini geliştirmek için biyoreaktöre toz aktif karbon ilave edilebilir. Biyolojik arıtım için bir membran biyoreaktör sistemi aerobik ya da anaerobik işletilebilir. MBR, yeraltı suların filtrasyon, çöp sızıntı suyunun arıtılması, atıksu arıtma tesislerinden gelen klorlu çözücülerin giderilmesi, yağlı atıkların arıtılması, fosfor kontrolü ve orta dereceli ilaçların giderilmesi ve benzeri birçok durum için kullanılabilmektedir. Özellikle yüksek organik içerikli atıksuların arıtılmasında anaerobik MBR cazip hale gelmektedir. Anaerobik MBR ler, düşük mikrobiyal büyme oranlarından dolayı, yüksek organik yüklemelerde verimli bir arıtma sağlamak için daha yüksek biyokütle 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 MBR lerde daha yüksek süzüntü akısı sağlanır. Ancak çamur özelliklerindeki değişmeler, muhtemelen operasyonel kesme hızı çıkmazını oluşturan, yüksek yüzey kesmenin faydalarını ortadan kaldırmaktadır. Anaerobik membran biyoreaktörlerde (AnMBR) yaygın olarak 0,1 µm MF ve UF kullanılır. UF 2-7 bar basınç aralında çalıştırılırlar. Gözenek boyutları 0,01 ile 0,05 µm aralığında değişmektedir. 0,005 ile 0,1µm çaplarındaki çözünmüş tuzlar, düşük molekül ağırlıklı maddeler gibi bileşenleri tutarlar. MBR PERFORMANSINI ETKİLEYEN FAKTÖRLER
İşletme sıcaklığı, Çamur Yaşı (ÇY) ve Hidrolik Bekletme Süresi (HBS), Akı, Trans-Membran Basıncı (TMP ) ve Geçirgenlik Çapraz Akım Hızı Biyogaz/Hava Geridevir ve Membran Gevşetme (Dinlendirme) Membran Temizleme İşletme Modu Viskozite Mikrobiyal Aktivite MBR LERİN AVANTAJLARI Arıtılmış Su Kalitesi İşletme Esnekliği Düşük Alan İhtiyacı Yüksek Oranda Ayrışma Düşük Çamur Üretimi Dezenfeksiyon ve Koku Kontrolü SIVI MEMBRANLAR VE UYGULAMALARI ÖZET Sıvı membranlar, destekli sıvı membranlar ve emülsiyon tipli sıvı membranlar olmak üzere ikiye ayrılır. Emülsiyon tipli sıvı membranlar ise kendi içinde ekstrakte edilecek maddeyi içeren dış faz, dış fazdan alınmış olan maddeyi geri difüze olamayan formlarına çeviren iç faz, fiziksel olarak dış ve iç fazı ayıran membran faz olmak üzere üçe ayrılır. Emülsiyon tipli sıvı membranlar, ilaç mühendisliği, hidrometalurji, kimya mühendisliği gibi alanlarda kullanılır. Atık su arıtımı, gaz karışımlarının ayrılması, kimyasal sensörler ve kimyasal reaksiyon alanlarında kullanılır. Emülsiyonun hazırlanması, besleme fazının iç faza kütle transferi, emülsiyonun parçalanması aşamalarından oluşur. Sıvı membran faz, gözenekli bir membranın gözenekleri içerisinde yerleştirilmiş organik bir sıvıdır. Boşluklu membran; sıvı film için destek veya çerçeve olarak görev yapar. Bu tip membranlar hareketsizleştirilmiş destekli membranlar ya da destekli sıvı membranlar olarak adlandırılır. Levha ve çerçeve, spiral sarımlı, borusal ve hallow fiber destekli gibi çeşitleri vardır.