membran teknolojileri ve uygulamaları sempozyumu

i

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

iii

Önsöz

v

Destekleyen Kuruluşlar

vii

Kurullar

Onur Kurulu

Prof. Dr. Veysel Eroğlu Çevre ve Orman Bakanı Prof. Dr. Muhammed Şahin İstanbul Teknik Üniversitesi Rektörü Prof. Dr. Ali Nur Büyükaksoy GYTE Rektörü Prof. Dr. Hasan Z. Sarıkaya Çevre ve Orman Bakanlığı Müsteşarı Prof.Dr. Adem Baştürk İBB Genel Sekreteri Prof. Dr. Gaye Onursal Denli İTÜ İnşaat Fakültesi Dekanı Prof. Dr. Lütfi Akça Çevre Yönetimi Genel Müdürü Osman Akgül İSTAÇ A.Ş. Genel Müdürü Prof. Dr. Cumali Kınacı İTÜ Çevre Mühendisliği Bölüm Başkanı Doç. Dr. İbrahim Demir İBB Çevre Koruma Daire Başkanı

DanıĢma Kurulu

Prof. Dr. Bülent Keskinler GYTE Çevre Müh. Böl. Prof. Dr. Cumali Kınacı İTÜ Çevre Müh. Böl. Prof. Dr. Ülkü Yetiş ODTÜ Çevre Müh. Böl. Doç. Dr. İsmail Koyuncu İTÜ Çevre Müh. Böl. Doç. Dr. Halil Hasar FÜ Çevre Müh. Böl. Doç. Dr. Mehmet Kitiş SDÜ Çevre Müh. Böl. Doç. Dr. Ergün Yıldız AÜ Çevre Müh. Böl.

Bilim Kurulu*

Prof. Dr. Avni Çakıcı AÜ Çevre Müh. Böl. Prof. Dr. Ahmet Demir YTÜ Çevre Müh. Böl. Prof. Dr. Cumali Kınacı İTÜ Çevre Müh. Böl. (Bilim Kurulu Başkanı) Prof. Dr. Bülent Keskinler GYTE Çevre Müh. Böl. Prof. Dr. İzzet Öztürk İTÜ Çevre Müh. Böl. Prof. Dr. Ahmet Mete Saatçı MÜ Çevre Müh. Böl. Prof. Dr. Ülkü Yetiş ODTÜ Çevre Müh. Böl. Doç. Dr. Mehmet Çakmakcı ZKÜ Çevre Müh. Böl. Doç. Dr. Halil Hasar FÜ Çevre Müh. Böl. Doç. Dr. Mehmet Kitiş SDÜ Çevre Müh. Böl. Doç. Dr. İsmail Koyuncu İTÜ Çevre Müh. Böl. Doç. Dr. Vedat Uyak PAÜ Çevre Müh. Böl. Doç. Dr. Ergün Yıldız AÜ Çevre Müh. Böl. Yrd. Doç. Dr. Eyüp Debik YTÜ Çevre Müh. Böl. Çevre Yük. Müh. Şenol Yıldız İSTAÇ

* Soyadı sırasına göre düzenlenmiştir.

viii

Düzenleme Kurulu

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

ix

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) .................................................................. 13

Mahmut Paputçu, Birdal Bozdağ, Seda Demir, Coşar Aydın

İndigo Boyama Atıksularının Membran Teknolojisi İle Geri Kazanımı ............................................................. 17 Niğmet Uzal, Levent Yılmaz, Ülkü Yetiş

Tekstil Boyama Atıksularından Su Ve Tuz Geri Kazanımında Farklı Membran Proseslerin Kullanımı ...................................................................................................................................... 21

Coşkun Aydıner, Yasemin Kaya, Z.Beril Gönder, İlda Vergili

Tekstil Endüstrisinde Farklı Proses Atıksularının Arıtımında ve Geri Kazanılmasında Membran Uygulamaları ............................................................................................ 25

Hacer Arslan, Hale Özgün, Mehmet Çakmakçı, İsmail Koyuncu

Tekstil Endüstrisinde Membran Teknolojisi ile Proses Suyu Geri Kazanımı ..................................................... 29 Gökşen Çapar, Niğmet Uzal, Meltem Ünlü, Cihangir Varol, Levent Yılmaz, Ülkü Yetiş

Kasar Yıkama Atıksularının Geri Kullanımının Araştırılması ............................................................................ 35 Kenan Güney, Ralf Minke, Heidrun Steinmetz

Sürekli Aktif Çamur ve Jet-Loop Sistemlerinde Mikrofiltrasyon Membranların Kirlenme Özelliklerinin İncelenmesi ............................................................................................................... 39

Derya Y.Köseoğlu İmer, Seçil Bayar, Nadir Dizge, Ahmet Karagündüz, Bülent Keskinler

Membran Biyoreaktör (Mbr) Proseslerinde Yeni Tıkanma Kontrolü Stratejileri .............................................. 43 Hasan Köseoğlu, B. İlker Harman, Nevzat Özgü Yiğit, Mehmet Kitis

Hücre Dışı Polimerik Maddelerin Mikrofiltrasyon Membranlarının Kirlenme Özelliklerine Etkisi .......................................................................................................................................... 47

N. Kayaalp, C. Kınacı ve I. Koyuncu

Membran Biyoreaktör (MBR) Prosesleri- Genel Değerlendirme ..................................................................... 49 Mehmet Kitis, Nevzat Özgü Yiğit, Hasan Köseoğlu, B. İlker Harman, Gökhan Civelekoğlu, Emine Sayılgan, Ş. Şule Bekaroğlu, Evrim Çelik

Membran Biyolojik Arıtma Sistemlerinin Modellenmesi ................................................................................ 51 Ahmet Codal, Umay Gökçe Özkan Yücel, Okan Tarık Komesli, Celal Ferdi Gökçay

Anaerobik Membran Biyoreaktörünün Çöp Sızıntı Sularının Arıtımında Kullanılması ..................................... 57 Ergin Taşkan ve Halil Hasar

Membran Prosesleri İle İlaç ve Tekstil Endüstrisi Atıksularının İleri Arıtımı..................................................... 61 Burcu Kaleli Öztürk, Yasemin Kaya, Z. Beril Gönder , İlda Vergili , Hulusi Barlas

Membran Teknolojisi ile İpek İşleme Atıksularından Serisin Geri Kazanımı .................................................... 65 Gökşen Çapar, S. Seylan Aygün, M. Ruşen Geçit

x

İçme ve Kullanma Suyu Temininde Alternatif Yöntemler: Desalinasyon ve Atıksu Geri Kazanımı ......................................................................................................................................................... 71

İsmail Koyuncu, Hale Özgün, M. Evren Erşahin, R. Kaan Dereli ve Necati Kayaalp

Nanofiltrasyon Prosesi ile Deterjan Üretimi Yıkama Sularının Geri Kazanımı .................................................. 73 Yasemin Kaya, Hulusi Barlas, Semiha Arayıcı

Membran Biyoreaktörlerin (MBR) Çamur Minimizasyonundaki Rolü ............................................................. 77 Özlem Demir, Ayşe Filibeli

Batık Membran Biyoreaktörde Farklı Mikrofiltrasyon Membranların Kirlenme Özelliklerinin İncelenmesi ............................................................................................................................... 81

Nadir Dizge, Ahmet Karagündüz, Bülent Keskinler

Tübüler Membran Biyoreaktör Sistemi ile Kentsel Atıksuyun İleri Arıtımı: Pilot Tesis Deney ve İşletme Çalışmaları .......................................................................................................................... 83

Duygu Topaloğlu, Turgay Dere, Recep İleri

Pilot-Ölçek Membran Biyoreaktöründe Aktif Çamur Reolojik Karakterizasyonunun Tayini ............................................................................................................................................................. 89

Fatih Can Kalkan, Metin Günaydın, Gökhan Civelekoğlu

Nanolif Membranların Sıvı Filtrasyon Özellikleri ............................................................................................. 93 Ali Demir, Tuncay Gümüş

Hidrojene Dayalı Membran Biyofilm Reaktör ile İçme Sularında Yüksek Hızlı Denitrifikasyon ............................................................................................................................................... 95

Serdar Karataş, Ergin Taşkan, Halil Hasar

Batık Membran Sistemleri ile İçme Suyu Arıtımı ............................................................................................. 99 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 .......................................................................................................................... 101

Ergün Yıldız, Abdullah Duman

İleri Osmoz Prosesi ....................................................................................................................................... 105 Bülent Keskinler

Su ve Atıksu Arıtımında Kabarcıksız Gaz-Difüzyon Membranları ................................................................... 109 Halil Hasar

Krom Tabaklama Atıksularından Nanofiltrasyon Membranı İle Cr (III) Gideriminin Araştırılması ................................................................................................................................................. 113 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 .......................................................................................................................................... 117 Ö. Arar, Ü. Yüksel, M. Yüksel, N. Kabay

Kağıt Endüstrisi Atıksularının Membran Prosesleri İle Arıtım Alternatiflerinin Araştırılması ................................................................................................................................................. 121 Z.Beril Gönder, Semiha Arayıcı, Hulusi Barlas

Hidrokarbon ve Tuz içeren Petrol ve Doğal Gaz Üretim Atıksularının Membran Biyoreaktör (MBR) ile Arıtımı ....................................................................................................................... 127

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 .......................................................... 131 Okan Tarık Komesli, Celal Ferdi Gökçay

Metanojenik Fazdaki Katı Atık Depolama Sahası Sızıntı Sularının Açık Kanal Ters Ozmoz Membran Modülleri İle Arıtımı ......................................................................................................... 135

Vahdi Can Gürsoy ve Refah Özdemir

xi

Su Ve Atıksu Arıtımında Kullanılan Polimerik Ve Seramik Membran Proseslerinin Karşılaştırılması ............................................................................................................................................ 141

B. İlker Harman, Hasan Köseoğlu, Nevzat Özgü Yiğit, Mehmet Beyhan, Mehmet Kitis*

Atıksuların Arıtılmasında Anaerobik Membran Biyoreaktörler ..................................................................... 145 Mustafa Aslan, Halil Hasar, Yusuf Saatçi

Pervaporasyon Membran Tekniğinin Solvent Susuzlaştırmada Kullanılması ................................................. 149 Vedat Uyak

Doğal Organik Maddelerin Membran Filtrasyon ile Giderimi ........................................................................ 151 Nuray Ateş, Levent Yılmaz, Mehmet Kitiş, Ülkü Yetiş

Kesikli Aktif Çamur (Kaç) Sisteminde Membranların Biyolojik Olarak Kirlenmesinin İncelenmesi .................................................................................................................................................. 155

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 ........................................................... 159

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 .................................................................................................. 163

Ceren Bayören, Okan T. Komesli, Celal F. Gökçay

Türkiye’deki Membran Biyoreaktör (Mbr) Uygulamalarının İncelenmesi .................................................... 167 M. Taner Şahin, İlda Vergili, Yasemin Kaya, Z. Beril Gönder, Hulusi Barlas

Çapraz Akışlı-Düz Tabakalı Ters Ozmos Membran Sisteminde FilmTecTM

BW30 Membranı ile Jeotermal Sudan Bor Giderilmesi-Basınç Etkisi ....................................................................... 171

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 ............................................................................ 175

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.............................................................................................................................. 179

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 ................................................................................................................................................... 183

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 ...................................................... 187

Sevinç Korkmaz, Salih Dinçer

Konvansiyonel Aktif Çamur Sistemleri ile MBR Sistemlerinin Tasarımı ve Maliyetlerinin Karşılaştırılması ..................................................................................................................... 193

Börte Köse ve İsmail Koyuncu

Çay Özü Atıksularının Membran Teknolojisi ile Arıtılması ............................................................................. 197 Kenan Güney ve Andreas Neft

Hibrit Mikrofiltrasyon Prosesiyle Nikel Gideriminde Membran Kirlenmesi Ve Akı Azalması Mekanizmalarının Proses Değişkenleri Etkisi Altında Değerlendirilmesi ........................................ 201

Coşkun Aydıner, Bülent Keskinler, Orhan İnce

İndex ............................................................................................................................................................ 205

Sözlü Sunumlar

Membran Teknolojileri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 – 3 Kasım 2009

1

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

E-mail: [email protected], [email protected]

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

mailto:[email protected]



2

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


3

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, 28000 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/m2/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 (FeCl3)

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.


4

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 m3 su için gerekli

elektrik tüketimi 3,1 kwh/m3, işletme maliyeti ise 0,40 $/m

3 olarak belirlenmiştir.


5

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 14.000

ton evsel atık depolama alanlarında bertaraf edilmekte ve bu atıklardan oluşan sızıntı suyu miktarı

ise, Odayeri depolama sahasında 2.500 m3/gün, Kömürcüoda 1.200 m

3/gün dür.

Kömürcüoda arıtma tesisi çıkış suyu alıcı ortama deşarj edilmekte, Odayeri arıtma tesisinde ise

kanala deşarj yapılmaktadır.


6

Biyolojik arıtım kısmı, aerobik ve anoksik olmak üzere iki kısımdan oluşmaktadır. Aerobik

kısımda KOI oksijenle birlikte, CO2 ve çamura dönüştürülürken, organik azot oksijenin yardımıyla

NH3 e dönüştürülür. Yeterli oksijen varlığında da amonyak NO2- ve NO3

- ye dönüştürülmektedir.

Anoksik kısımda ise, NO2- ve NO3

-, BOI yardımıyla N2, CO2 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.

Şekil 1: KOİ ve Azot Giderimleri

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.

50,0

60,0

70,0

80,0

90,0

100,0

03.Oca 12.Nis 21.Tem 29.Eki 06.Şub

%

COD removal %

B+UF COD removal NF COD removal Total COD removal

75,0

80,0

85,0

90,0

95,0

100,0

03.Oca 22.Şub 12.Nis 01.Haz 21.Tem 09.Eyl 29.Eki 18.Ara 06.Şub

N Removal %

B NH4-N removal Nitrification


7

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


9

Membran Sistemleri ile Su Arıtımının Maliyeti

Pasa Hüseyin Arı1, Hale Özgün

2, M. Evren Erşahin

2 Ve İsmail Koyuncu

2

1MPE 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, 10.000 m³/gün, 100.000 m³/gün ve 300.000 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


10

Bu çalışmada, ters osmoz ve nanofiltrasyon sistemlerinin tasarımı için IMS Design

(Hydranautics) bilgisayar programı kullanılmıştır. 1000 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. 10.000 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. 1.000 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. 10.000 m³/gün‟den küçük debi için basınçlı, 10.000 m³/gün‟den büyük

debiler için ise betonarme kum filtreler tasarlanmıştır. Yüksek kapasiteli sistemlerde

betonarme kum filtre ile ön arıtma yapılması maliyet açısından % 10-15 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.

1.000 ppm TÆM konsantrasyonuna sahip kuyu sularının arıtımında derin kuyu pompalı ve

pompasız sistemlerin işletme maliyeti arasında 1.000 m³/gün debi için % 70 ve 100.000

m³/gün debi için ise % 35 fark olduğu tespit edilmiştir. İlk yatırım maliyetinde bu fark % 7

– 10 arasında değişmektedir. 5.000 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 (300000 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. 10000

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.


11

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.

Şekil 1. Deniz suyu arıtımının maliyeti

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.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0 50.000 100.000 150.000 200.000 250.000 300.000

AKDENİZ

MARMARA

KARADENİZ

Kapasite (m3/gün)

Top

lam

üre

tim

mal

iyet

i($

/m3)

77%

11%

2%10%

Enerji

Kimyasal

Kartuş Yenileme

Membran Yenileme

AKDENİZ Ters Osmoz Sistemi İşletme Maliyeti5000 m3/gün - 11,7 l/m2/sa Akı


12


13

Büyük Ölçekli Şehir İçme Suyu Temininde Membran

Teknolojileri Uygulamaları (Kırıkkale, Bafra Ve Bala

(Kesikköprü)İçme Suyu Arıtma Tesisleri)

Mahmut Paputçua, Birdal Bozdağ

b, Seda Demir

c, Coşar Aydın

d

aKimya Yüksek Mühendisi (Genel Müdür - MPE)

bÆevre Mühendisi (Proje Koordinatörü - MPE)

cÆevre Mühendisi (Proje - Dizayn Yöneticisi - MPE)

dÆevre 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.

2001 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 (22.000 m3)

8. Terfi ünitesi

MPE MÜHENDİSLİK tarafından, mevcut tesisin Filtre Ünitesi çıkışından itibaren yeni

kurulan İleri Su Arıtma Sisteminin ürün suyu kapasitesi 1.050 lt/sn (90.720 m3/gün)

olup tesisin ana kademeleri şunlardır :

- Ön Arıtma (Havalandırma - Filtrasyon)

- Ultrafiltrasyon (UF)

- Ters Ozmoz (Reverse Osmosis)


14

- 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 m2 alana sahip bina içerisinde 960 adet membrandan

oluşmaktadır. Burada ikinci ön arıtmadan geçen su 3.000.m3‟lük besleme deposuna

alınmaktadır. Besleme deposundan 3 adet 1890m3/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 90.720 m3 /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 16-18 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 (39.744 m3/gün) „dir. Tesis aşağıdaki ana

kademelerden oluşmaktadır;

- Ön Arıtma (Havalandırma-Æökeltme-Filtrasyon)





15

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 5.000 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




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


16

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.


17

İndigo Boyama Atıksularının Membran Teknolojisi İle Geri

Kazanımı

Niğmet Uzala, 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

E-mail: [email protected]

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/m2h 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/m2h 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 m2 olan


18

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 Akı

(L/m2h)

Permeat Kalitesi Toplam Giderim Verimi (%)

KOİ

(mg/L)

Renk

(Pt-Co)

İletkenlik

(mS/cm) KOİ Renk İletkenlik

NF 270 31 87 8 4,3 92 93 60

NF 90 8 67 8 1,0 94 93 91

NF 99 2 113 15 4,9 88 91 55

CA 995 PE 3 115 7 3,2 90 94 71

HR 98 PP 5 46 3 0,9 96 97 92

NF 270+NF 270 54*

39 1 2,8 97 99 74 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/m2h bunu takip eden en yüksek akı

değerinin ise NF 90 membranı için sadece 8 L/m2h olduğu belirlenmiştir. En düşük akı

değeri ise NF 99 membranı için 2 L/m2h 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.


19

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

Akı

(L/m2h)

Permeat Kalitesi Toplam Giderim Verimi (%)

KOİ

(mg/L)

Renk

(Pt-Co)

İletkenlik

(mS/cm)

KOİ

(mg/L)

Renk

(Pt-Co)

İletkenlik

İlk yıkama

teknesi

atıksuyu

31 87 8 4,3 92 93 60

Kompozit

atıksu 40 40 3 3,5 93 98 51

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. 33-37


20


21

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

[email protected]*,†, [email protected]

‡, [email protected]

‡, [email protected]

‡

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






22

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 0C 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/m2sa 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 m1

).

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.

1000 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


23

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


24

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:

1215.

2. CAPAR, G., YILMAZ, L., YETIS, U. Reclamation of acid dye bath wastewater: Effect

of pH on nanofiltration performance, J. Membr. Sci. 2006, 281: 560–569.

3. KOYUNCU, I. Direct filtration of Procion dye bath wastewaters by nanofiltration

membranes: flux and removal characteristics, J. Chem. Technol. Biotechnol. 2003, 78: 1219–

1224.

4. JEPPESEN, T., SHU, L., KEIR, G., JEGATHEESAN, V., Metal recovery from reverse

osmosis concentrate, J. Clean. Prod. 2009, 17: 703–707.


25

Tekstil Endüstrisinde Farklı Proses Atıksularının Arıtımında

ve Geri Kazanılmasında Membran Uygulamaları

Hacer Arslan1, Hale Özgün

1, Mehmet Çakmakçı

2, İsmail Koyuncu

1

1 Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Maslak, 34469, Ġstanbul.

E-posta: [email protected]; [email protected]; [email protected]

2 Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Ġncivez, 67100, Zonguldak. E-posta:

[email protected]

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.


26

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

25oC‟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/m2st)

Membran Türleri Yıkama

Yıkama

(UF ön

arıtmalı)

Kasar Kasar (UF

ön arıtmalı)

Boyama Boyama

(UF ön

arıtmalı)

NP010

NP030

NF90

NF270

BW30

XLE

99

41

29

115

28

37

185

64

36

157

34

59

64

19

18

79

17

22

99

18

26

135

19

26

54

18

_

_

_

_

95

22

_

_

_

_

İLETKENLİK (µS/cm)

NP010

NP030

NF90

NF270

BW30

XLE

123

99

4

37

3.25

3.48

196

107

95

89

13

6

1113

692

29

279

14

22

882

612

14

202

11

16

114

102

_

_

_

_

114

119

_

_

_

_

RENK (abs 525 nm)

NP010

NP030

NF90

NF270

BW30

XLE

0,033

0,035

0,033

0,033

0,032

0,032

0,03

0,032

0,03

0,032

0,032

0.03

0,031

0,095

0,032

0,032

0,032

0.03

0,106

0,05

0,032

0,031

0,031

0.033

0,131

0,128

_

_

_

_

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


27

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/m2st) 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.


28


29

Tekstil Endüstrisinde Membran Teknolojisi ile Proses Suyu Geri

Kazanımı

Gökşen Çapar1, Niğmet Uzal

1, Meltem Ünlü

1, Cihangir Varol

2, Levent Yılmaz

2, Ülkü

Yetiş2

1Çevre Mühendisliği Bölümü,

2Kimya Mühendisliği Bölümü

Orta Doğu Teknik Üniversitesi, 06531 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


30

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)

Ön-arıtma

MF (11 m; 2,5 m; 1 m) MF: Whatman 1 (11m, selüloz); Whatman 42 (2,5 m,

selülüz), Whatman GF/B (1m, fiberglas); P=0,73 bar;

Etkin alan=0,0014 m2; Sıcaklık=18-20C

KÇ KÆ: Alum dozları: 50-400 mg/L (Optimum doz 150-250

mg/L); Karıştırma hızı: 100 rpm‟de 1dak hızlı + 30 rpm‟de

30 dak yavaş; Dinlendirme:1 saat; Sıcaklık=18-20C KÆ+MF (1 m)

KÆ+UF (50 kDa)

Arıtma

UF (1 kDa; 2 kDa; 20 kDa; 50 kDa) 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 m2;

Sıcaklık=18-20C

NF NF: Alfa Laval NFT-50 (Polyester üzerine ince film

kompozit); P=5,9 bar; Etkin alan=0,036 m2;

Sıcaklık=18-

20C UF (20 kDa)+NF

UF (1 kDa)+NF

Halı-Asit

Boya Ön-arıtma

MF (2.5 m; 1 m; 0.45 m; 0.2 MF: Whatman GF/B (1 m, fiberglas); Millipore (0,45 m,


31


Banyosu

Atıksuyu

(ABBA)

m) selüloz asetat); Sartorius (0,20 m, selüloz asetat); P=0,73

bar; Etkin alan=0,0014 m2 MF (2.5 m +1 m)

MF (2.5 m+1 m+0.45 m)

MF(2.5m+1m+0.45m+0.2m)

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 m2; Sıcaklık=18-20C

Arıtma

NF NF: Alfa Laval NFT-50 (Polyester üzerine ince film

kompozit); P=5,9 bar; Etkin alan=0,036 m2; Sıcaklık=18-

20C NF+NF

NF+N+NF

pH ayarı+NF

Kot

Üretimi

Atıksuyu

(KÜA)

Ön-arıtma

AÆ AÆ: Reaktör hacmi=10 L; Hidrolik bekletme süresi=8 gün;

Sıcaklık=25C; Oksijen=5 mg/L

AÇ+MF (5 m) MF: SMWP04700 (5 m, nitroselüloz); P=0,73 bar; Etkin

alan=0,0014 m2

Arıtma

NF NF: Dow Filmtec NFT-270 (200-300 Da, piperazin ve

benzenetrikarbonil triklorür); P=5,07 bar; Etkin

alan=0,036 m2; Sıcaklık=18C

Kot

Durulama

Atıksuyu1

(KDA-1)

Ön-arıtma

MF (5 m) MF: SMWP04700 (5 m, nitroselüloz); FSM045PP (0,45

m, kompozit floro polimer); P=0,85-1,02 bar; Æapraz

akış hızı=1,06 m/s Etkin alan=0,0017-0,036 m2;

Sıcaklık=18-20 C.

MF (5 m+0.45 m)

MF (5 m)+UF (100 kDa) 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 m2;

Sıcaklık=18-20C

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


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 m2;

Sıcaklık=20C

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 m2; Sıcaklık=20C

Kot

Durulama

Atıksuyu2

(KDA-2)

Ön-arıtma

KÆ KÆ: Alum ve Demir klorür dozları: 50-1000 mg/L;

Karıştırma hızı: 120 rpm‟de 2 dak hızlı + 30 rpm‟de 30 dak

yavaş; Dinlendirme: 1 saat; Sıcaklık=18-20C

MF (8 m) MF: (8 m, 2,5 m, 0,45 m, Selüloz ester); P=0,7-3,0

bar MF (2.5 m)

MF (0.45 m)

MF (0.45 m)+UF (100 kDa) UF: (100 kDa, 50 kDa, 10 kDa, 5 kDa, PES); P=4 bar

MF (0.45 m)+UF (50 kDa)

MF (0.45 m)+UF (10 kDa)

MF (0.45 m)+UF (5 kDa)


32


Arıtma


benzenetrikarbonil triklorür); P=5,02 bar; Æapraz akış

hızı=0,62 m/s; Etkin alan=0,036 m2; Sıcaklık=20C

Kot-

Kostik

Banyosu

Atıksuyu

(KKBA)

Ön-arıtma

MF (20-25 m; 10 m; 8 m; 5 m;

1,2 m; 1-11 m)

MF: Whatman 41 (20-25m, selüloz asetat); SCWP04700

(8m, nitroselüloz); RAWP04700 (1,2m, 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=18-20C

Yumaklaştırma Karıştırma hızı: 30 rpm‟de 45 dak; Sıcaklık=18-20 C

Santrifüj 2500 rpm‟de 30 dak

Arıtma

UF (2 kDa) 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 m2;

Sıcaklık=20C

NF 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 m2; Sıcaklık=20-40C

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

(mg/L)

Renk

(Pt-Co)

Bulanıklık

(NTU)

TKM

(mg/L)

Sertlik

(mg/L CaCO3)

İletkenlik

(mS/cm)

pH

Proses Suyu Geri

Kazanım Kriterleri

80 20 1 500 60 1000 6-8

Halı-BBA

Ham atıksu 391 301 41 603 20 0,7 7,6

KP (150-250 mg/L)

çıkışı

301 (23) 29 (90) 3,8 (91) 575 (5) 18 (10) 0,7 (0)

NF çıkışı 2 (99,5) 0 (100) 0,3 (99) 51 (92) 9 (55) 0,08 (89) 8,0

Akı azalması (%) 19,4


33

Halı-ABBA

Ham atıksu 1408 106 3,9 957 44 0,73 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 2300 2347 6000 9,0 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


Kot-KDA-1

Ham atıksu 1427 3661 12,5 11,3

MF (5 m) 1213 (15) 256 (93) 12,4 (1)

NF çıkışı 87 (94) 8 (99,8) 4,3 (66)


Kot-KDA-2 Alkalinite (mg/L

CaCO3)

Ham atıksu 1096 5985 978 6,3 10,4

MF(0,45 m) (3 bar)

çıkışı

778 (29) 3352 (44) -

NF çıkışı 24 (98) 15 (99,7) 1,1 (83) 10,2

43

Kot-KKBA NaOH (g/L)

Ham atıksu 16110 10250 32 144 13,2

NF (NP010) çıkışı 1229 (92) 176 (98) 32 (0)

Pilot uygulama

Ham atıksu

11780

7370

24

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.


34


35

Kasar Yıkama Atıksularının Geri Kullanımının Araştırılması

Kenan Güney*, Ralf Minke, Heidrun Steinmetz

Stuttgart Üniversitesi

*E-mail: [email protected]

Tekstil endüstrisi su tüketimi çok yüksek olan endüstrilerden biridir. Tekstil endüstrisi bir

ton tekstil üretimi için 80-200 m3 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.


36

Tablo 1: Kasar yıkama atıksuyunun ve ön arıtım uygulanmış atıksuların ana özellikleri

Kasar Yıkama Kağıt Filtre Ultrafiltrasyon

KOİ (mg/L) 900 820 240

İletkenlik (µS/cm) 1560 1415 1080

pH 10.2 10.6 10.1

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 cm2 (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.

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.

Atıksu

Tankı

Permeat

Membran Hücresi

Retentat

Pompa

Valf

Akı Ölçer

Manometre Elektronik

Akı Ölçer

Sıcaklık

Ayarlayıcısı


37

Tablo 2: KOİ ve iletkenlik giderimleri

KOİ Giderimi (%) İletkenlik Giderimi (%)

Permeat Kazanımı (%) 40 70 80 90 40 70 80 90

NP010-7 bar 37 47 48 44 26 24 21 10

NP010-10 bar 42 52 53 56 30 28 23 20

NF90-7 bar 97 98 - - 98 96 96 96

NF90-10 bar 98 - 98 - 98 - 97 98

XLE-10 bar 98 99 99 98 99 99 99 98

NF270-10bar 84 83 80 77 67 64 62 56

KOİ giderimi, NP010 membranında % 60´ı NF270 membranında ise % 85í geçememiştir.

İletkenlik giderimi ise NP010 membranında % 30ún altında NF270 membranında ise %

70ín 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 % 97ńin üstünde, iletkenlik giderimi ise %

96ńın 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 306–318

2. 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

614–619


38


39

Sürekli Aktif Çamur ve Jet-Loop Sistemlerinde Mikrofiltrasyon

Membranların Kirlenme Özelliklerinin İncelenmesi

Derya Y.Köseoğlu İmer1, Seçil Bayar

1, Nadir Dizge

1, Ahmet Karagündüz

1, Bülent

Keskinler1

1Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Çevre Mühendisliği Bölümü

[email protected], Tel:0.262.605 3211, Fax:0.262.605 3205

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 35.24 cm2‟lik membran alanına sahip klasik filtrasyon ve 8 L hacminde 28

cm2‟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.



40

Şekil 1. Seri direnç modelinde kullanılan eşitlikler

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.

AS

Tt

J

PR

Rt: Toplam filtrasyon direnci (m-1

)

∆PT: TMP, Basınç (Pa)

η: Süzüntünün viskozitesi (Pa.s)

JAS: Aktif çamurun denge durumundaki akı değeri (m3/m

2sn)

pcmt RRRR

Rm: Membran direnci (m-1

)

Rc: Kek tabakasının yarattığı direnç (m-1

)

Rp: Por tıkanmasının sebep olduğu direnç (m-1

)

w

T

mJ

PR

m

w

Tp R

J

PR

'

Jw: Destile suyun denge durumundaki akı değeri (m3/m

2sn)

J'w : Kek tabakasının musluk suyu ile yıkanmasından sonra destile suyun

filtrasyonundan elde edilen denge akısı.

pmtc RRRR


41

Tablo 1. Membran Kirlenme Deneylerinin sonuçları

Membran tipi Rm

(%)

Rt

(%)

Rp

(%)

Rc

(%)

JLMBR

SA 0.45

SA 0.22

3.57x1010

(%0.05)

5.88x1010

(%0.08)

6.82x1013

7.47 x1013

3.29x1012

(%4.82)

2.55 x1012

(%3.41)

6.49 x1013

(%95.13)

7.21 x1013

(%96.51)

KAÇ

SA 0.45

SA 0.22

3,57x1010

(%0.12)

5,88x1010

(%0.19)

2,98x1013

3,07 x1013

1,07x1012

(%3.59)

3,67 x1012

(%0.12)

2,87 x1013

(%96.31)

3,06 x1013

(%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 cm2

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/m2sa, SA

0.22‟de 90 L/m2sa 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


42

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/m2sa, SA 0.22‟de 110 L/m

2sa

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 membrane-

aerated biofilm”, Journal of Biotechnology , 35 ,52–57, 2008.

2.Sanin, S., Sanin, D.F., Bryers, J.D., “Effect of starvation on the adhesive properties of xenobiotic degrading

bacteria”, Process Biochemistry, 38, 909-914, 2003.

3.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, 248–254, 1976.

4.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, 1956.


43

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, 32260 Isparta


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 1.600 m3 olduğu ve 2023 yılı için

bu değerin 1.125 m3‟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



44

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

Al2O3, SiO2, TiO2 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 eş-

zamanlı 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-emek-

zaman 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.


45

Kaynaklar Arabi, S., Nakhla, G., 2009. Impact of magnesium on membrane fouling in membranje bioreactors, Sep.

Purif. Technol., 67, 319-325.

Aryal, R., Lebegue, J., Vigneswaran, S., Kandasamy, J., Grasmick, A., 2009. Identification and

characterisation of biofilm formed on membrane bio-reactor, Sep. Purif. Technol., 67, 86-94.

Bjorkoy, A., Fiksdal, L., 2009. Characterization of biofouling on hollow fiber membranes using confocal

laser scanning microcscopy and image analysis, Desalination, 245, 474-484.

Damodar, R. A., You, S.-J., Chou, H.-H., 2009. 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., 2009. 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., 2009. Evaluation of a novel flat sheet

MBR filtration system, Desalination, 236, 111-119.

Huyskens, C., Brauns, E., Van Hoof, E., DeWever, H., 2008. A new method for the evaluation of the

reversible and irreversible fouling propensity of MBR mixed liquor, J. Membrane Sci., 323, 185-192.

Ibney Hai, F., Yamamoto, K., Fukushi, K., Nakajima, F., 2008. Fouling resistant compact hollow-fiber

module with spacer for submerged membrane bioreactor treating high strength industrial wastewater,

J. Membrane Sci., 317, 34-42.

Iversen, V., Mehrez, R., Horng, R.Y., Chen, C.H., Meng, F., Drews, A., Lesjean, B., Ernst, M., Jekel, M.,

Kraume, M., 2009. 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., 2008. Enhancement of filterability in MBR achieved by improvement of

supernatant and floc characteristics via filter aids addition, Water Res., 42, 3611-3622.

Kim, J.-Y., Chang, I.-S., Shin, D.-H., Park, H.-H., 2008. Membrane fouling control through the change of the

depth of a membrane module in a submerged membrane bioreactor for advanced wastewater

treatment, Desalination, 231, 35-43.

Koseoglu, H., Yigit, N.O., Iversen, V., Drews, A., Kitis, M., Lesjean, B., Kraume, M., 2008. Effects of

several different flux enhancing chemicals on filterability and fouling reduction of membrane

bioreactor (MBR) mixed liquors, J. Membrane Sci., 320, 57-64.

Kraume, M., Wedi, D., Schaller, J., Iversen, V., Drews, A., 2009. Fouling in MBR: What use are lab

investigations for full scale operation?, Desalination, 236, 94-103.

Lu, Y., Ding, Z., Liu, L., Wang, Z., Ma, R., 2008. The influence of bubble characteristics on the performance

of submerged hollow fiber membrane module used in microfiltration, Sep. Purif. Technol., 61, 89-95.

Malamis, S., Katsou, E., Chazilias, D., Loizidou, M., 2009. Investigation of Cr(III) removal from wastewater

with the use of MBR combined with low-cost additives, J. Membrane Sci., 333, 12-19.

Marselina, Y., Le-Clech, P., Stuetz, R., Chen, V., 2009. Characterisation of membrane fouling deposition and

removal by direct observation technique, J. Membrane Sci., 341, 163-171.

Maximous, N., Nakhla, G., Wan, W., Wong, K., 2009. Preparation, characterization and performance of

Al2O3/PES membrane for wastewater filtration, J. Membrane Sci., 341, 67-75.

Metzger, U., Le-Clech, P., Stuetz, R.M., Frimmel, F.H., Chen, V., 2007. Characterisation of polymeric

fouling in membrane bioreactors and the effect of different filtration modes, J. Membrane Sci., 301,

180-189.

Ngo, H.-H., Guo, W., Xing, W., 2008. Evaluation of a novel sponge-submerged membrane bioreactor

(SSMBR) for sustainable water reclamation, Bioresource Technol., 99, 2429-2435.

Ngo, H.-H., Guo, W., 2009. Membrane fouling control and enhanced phosphorus removal in an aerated

submerged membrane bioreactor using modified green bioflocculant, Bioresource Technol., 100,

4289-4291.

Nywening, J.P., Zhou, H., 2009. Influence of filtration conditions on membrane fouling and scouring aeration

effectiveness in submerged membrane bioreactors to treat municipal wastewater, Water Res., 43,

3548-3558.

Okamura, D., Mori, Y., Hashimoto, T., Hori, K., 2009. 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., 2009. Low dose powdered

activated carbon addition at high sludge retention times to reduce fouling in membrane bioreactors,

Water Res., 43, 345-350.

Wang, X.-M., Li, X.-Y., Huang, X., 2007. Membrane fouling in a submerged membrane bioreactor (SMBR):

Characterisation of the sludge cake and its high filtration resistance, Sep. Purif. Technol., 52, 439-445.

Wicaksana, F., Fane, A.G., Chen, V., 2006. Fibre movement induced by bubbling using submerged hollow

fibre membranes, J. Membrane Sci., 271, 186-195.


46

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, 26-32.

Wu, G., Cui, L., Xu, Y., 2008b. A novel submerged rotating membrane bioreactor and reversible membrane

fouling control, Desalination, 228, 255-262.

Yamamoto, K., Hiasa, M., Mahmood, T., Matsuo, T., 1989. Direct solid-liquid separation using hollow fiber

membrane in an activated sludge aeration tank, Wat. Sci. Tech., 21, 43-54.

Yoon, S.-H., Collins, J.H., Musale, D., Sundararajan, S., Tsai, S.-P., Hallsby, G. A., Kong, J. F., Koppes, J.,

Cachia, P., 2005. Effects of flux enhancing polymer on the characteristics of sludge in membrane

bioreactor process, Wat. Sci., Technol., 51, 151-157.

Yu, H.-Y., Liu, L.-Q., Tang, Z.-Q., Yan, M.-G., Gu, J.-S., Wei, X.-W., 2008. Mitigated membrane fouling in

an SMBR by surface modification, J. Membrane Sci., 310, 409-417.

Yu, H.-Y., Xie, Y.-J., Hu, M.-X., Wang, J.-L., Wang, S.-Y., Xu, Z.-K., 2005. Surface modification of

polypropylene microporous membrane to improve its antifouling property in MBR: CO2 plasma

treatment, J. Membrane Sci., 254, 219-227.

Zhang, J., Padmasiri, S.I., Fitch, M., Norddahl, B., Raskin, L., Morgenroth, E., 2007. Influence of cleaning

frequency and membrane history on fouling in an anaerobic membrane bioreactor, Desalination, 207,

153-166.


47

Hücre Dışı Polimerik Maddelerin Mikrofiltrasyon

Membranlarının Kirlenme Özelliklerine Etkisi

N. Kayaalp*, C. Kınacı ve I. Koyuncu

Ġstanbul Teknik Üniversitesi ĠnĢaat Fak. Çevre Mühendisliği Bölümü

34469 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



48

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, 284 17–53.

Dreywood R. (1946) Qualitative test for carbohydrate material, Ind. Eng. Chem. Anal. Ed.,

18 (8), 499 – 499.

Frolund B., Griebe T., Nielsen P.H. (1995) Enzymatic activity in the activated-sludge floc

matrix, Appl. Microbiol. Biotechnology, 43, 755 – 761.

Lowry O.H., Rosebourgh N.J., Farr A.R., Randall R.J. (1951) Protein measurement with

the folin phenol reagent, J. Biol. Chem. 193, 265–275.


49

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, 32260 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. 15-20 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 m3/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 %50-100 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



50

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.


51

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 m3/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 m3

Membran havuzu hacmi 23 m3

Membran Tipi plaka

Toplam membran alanı 540 m2

Por çapı 0.038 μm

MLSS ( havalandırma havuzu) 2.2-12 g/L

MLSS (membran havuzu) 6-21 g/L

Hidrolik bekleme süresi 18-22 h

Sıcaklık 17 ± 4 0C

Maksimum membrane basıncı -320 mbar

Veri Setleri

Modelleme çalışmasında üç değişik veri seti kullanılmıştır. Veri setlerinde giriş çıkış KOİ değerleri

çıkış NH4+

-N, NO3- -N değerleri ve debi değerleri bulunmaktadır. MLSS Her iki tank da

ölçülmüştür. Veriler haftada 2 kez toplanmıştır.


52

Şekil 1: ODTÜ-VRM Tesisi akım şeması

SET 1 2005 yılında toplanan 146 günlük işletim verisidir. Bu sette ortalama debi 144 m

3 olup giriş

KOİ konsantrasyonu 241-602 mg/L arasında değişmiştir. Æıkış KOİ değeri 20 mg/L civarında

sabittir. Giriş NH4+-N konsantrasyonu 32 - 79 mg/L arasında değişmiştir. Æıkış ise 0.13 to 33.54

mg/L arasında değişmiştir. Æıkış NO3- konsantrasyonu ise 0-35 mg/L arasında değişmiştir.

SET 2 2006 yılında toplanan 120 günlük işletim verisini içermektedir. Bu sette ortalama debi 120

m3. civarında seyretmiş olup giriş KOİ değeri 315 - 975 mg/L, çıkışta ise 15 mg/L civarında

seyretmiştir. Giriş NH4+-N değeri 34 – 82 mg/L çıkışta ise 2 - 26 mg/L arasında seyretmiştir.

Æıkış NO3- konsantrasyonu ise havalandırma tankı oksijen derişimine bağlı olarak 3.25 - 14 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 m3 olup giriş KOİ değeri 397 - 690

mg/L ve ortalama çıkış KOİ değeri ise 9 mg/L olarak seyretmiştir. Yine bu sette giriş NH4+-N

konsantrasyonu 42 ve 87 mg/L arasında değişirken çıkış değeri 0 – 12 mg/L arasında değişmiştir.

Æıkış NO3- değeri 17 - 23 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_A20, K_O2A, μ_A20, K_O2H 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.


53

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


54

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 78.17 -1212.59 – 1368.92 0.126 Geçer

MLSS_vrm 3663.67 2311.45 – 5015.89 5.619 geçmez

NH4-N -6.31 -11.93 – -0.68 2.326 geçmez

NO3-N -2.04 -5.34 – 1.26 1.281 Geçer

Total Nitrogen -8.34 -14.60 – -2.09 2.768 geçmez

COD 0.82 -6.86 – 8.49 0.220 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 -74.92 -1330.84 – 1181.01 0.124 Geçer

MLSS_vrm -86.67 -1380.07 – 1206.74 0.139 Geçer

NH4-N -0.10 -5.47 – 5.27 0.038 Geçer NO3-N 0.21 -3.89 – 4.30 0.105 Geçer Total Nitrogen 0.11 -5.36 – 5.57 0.041 Geçer COD 4.16 -2.10 – 10.42 1.379 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.


55

Referanslar 1.Liu R., Huang X, Sun Y. F., and Qian Y., 2003. Hydrodynamic effect on sludge accumulation over

membrane surfaces in a submerged membrane bioreactor, Process Biochemistry, Vol. 39, No. 2, pp 157-163.

2.Winnen H, Suidan M.T., Scarpino P. V., Wrenn B., Cicek N., Urbain, V., and Manem, J. 1996.

Effectiveness of the membrane bioreactor in the biodegradation of high molecular weight compounds, Water

Science and Technology, Vol. 34, pp 261-167.

3. Yoona S., Kimb H., Yeomb I., 2004. The Optimum Operational Condition of Membrane Bioreactor

(MBR): Cost Estimation of Aeration and Sludge Treatment, Water Research, Vol. 38, No. 1, pp 37–46.

4. U. Jeppsson (1996). Modelling aspects of wastewater treatment processes, Ph. D Thesis, Lund Institute of

Technology, ISBN 91-88934-00-4.


56


57

Anaerobik Membran Biyoreaktörünün Çöp Sızıntı Sularının

Arıtımında Kullanılması

Ergin Taşkan ve Halil Hasar

Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 23119-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), 680-2601 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. 1300 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 cm2

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


58

suyu ile fiziksel olarak yıkanarak temizlenmiştir. İşletme süresi boyunca bütün periyotlarda

An-MBR‟da giriş ve çıkış KOİ, NH4-N, SO4-2

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 300-400 mg/l olarak

tespit edilmiştir. Sistemdeki MLSS konsantrasyonu 8000-12000 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/m3.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


59

elde edilen akı miktarı, ilk 7 günde ortalama 0,40 l/m2.saat, ikinci 7 günde 0,30 l/m

2.saat ve

son 7 günde ortalama 0,17 l/m2.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 CH4/ giderilen KOİ aralığında değişmiş ve ortalama olarak

0,39 l/CH4 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

175-250 mg/l arasında değişmiştir. Sistemdeki MLSS konsantrasyonu 10200-14500 mg/l

arasında ve MLVSS konsantrasyonu 3000-4500 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/m3.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/m2.saat olarak tespit edilmiştir. Akı miktarı membranda oluşan

tıkanıklığa bağlı olarak zamanla azalmış ve ortalama 2 l/m2.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 CH4/g giderilen KOİ aralığında değişmiş

ve ortalama olarak 0,50 l CH4/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 400-510 mg/l arasında değişmiştir.

İşletim süresi boyunca reaktördeki MLSS konsantrasyonu 12000 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/m2.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/m2.saat değerine ulaşmıştır. Sistemde üretilen biyogazın içerdiği metan miktarının

giderilen KOİ‟ye oranı 0,43 ile 0,54 l CH4/g giderilen KOİ arasında değişmiş ve ortalama

0,49 l CH4/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 700-800 mg/l arasında değişmiştir. An-MBR‟da

MLSS konsantrasyonu ortalama 16000 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/m2.saat olmuştur. Elde edilen

biyogazın içerdiği metan miktarı giderilen KOİ‟ye oranı 0,46 ile 0,62 l CH4/g giderilen

KOİ arasında değişmiştir ve ortalama 0,50 l CH4/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),


60

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 900-1020

mg/l arasında değişmiştir. Reaktördeki MLSS konsantrasyonu 13800-15800 mg/l ve

MLVSS konsantrasyonu ortalama 3500-4500 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/m2.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 /m2.saat değerinde kararlı hale geçtiğini belirlemişlerdir.

Sistemde üretilen biyogazın içerdiği metan miktarı ortalama 0,43 l CH4/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 221 559–565

2-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, 1999. 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) 321-332

7- 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): 287-292 (2000).


61

Membran Prosesleri İle İlaç ve Tekstil Endüstrisi Atıksularının

İleri Arıtımı

Burcu Kaleli Öztürk1, Yasemin Kaya

1, Z. Beril Gönder

1 , İlda Vergili

1 , Hulusi

Barlas1

1 Ġstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü

Avcılar Ġstanbul 34320 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 cm2 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 cm2‟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.


62

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.


63

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, 386

2- http://www.microdyn-nadir.de

3- BARLAS, H., 1999, Endüstriyel atıksular için renk parametresi önerisi, Türkiye’ de Çevre

Kirlenmesi Öncelikleri Sempozyumu III, 14-15 Ekim Tübitak Gebze YTE., 576-585.

4- KOYUNCU, İ. ve TOPACIK, D., 2002, Tekstil endüstrisi atıksularının arıtılmasında membran

teknolojisi uygulamalamaları ve ekonomik değerlendirme, SKKD, Cilt 12 sayı 2, 47-62.

http://www.microdyn-nadir.de/


64


65

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 06531 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 240-

350 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 50.000 ton‟dur

(Zhang, 2002). Ülkemizde ise ipek üretimi 1980‟li yıllardan günümüze oldukça

gerilemiştir. Yine de Türkiye‟nin yıllık serisin geri kazanım potansiyeli 10-20 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


66

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.

Tablo 1. Atıksu özellikleri

Tablo 2. Kullanılan membranların özellikleri

Filtre Tür Malzeme MAAS

(Da)

Etkin alan

(m2)

Giriş basıncı

(bar)

GE Osmonics PW UF Polietersülfon 20000 0,0044 2

GE Osmonics PT UF Polietersülfon 5000 0,0044 2

GE Osmonics GH UF TFC a 1000 0,0044 2

GE Osmonics DK NF TFC a 190

b 0,0044 5

Dow Filmtec NF-90 NF TFC a 100

c 0,0044 5

a İnce film kompozit,

b %98 MgSO4 giderimi sağlar,

c %97 MgSO4 giderimi sağlar.

Serisin 10-300 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 (180-200 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), 14-3-3 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 ön-

arıtma 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

Örnek Atıksu kalitesi

KOİ (mg/L) Renk (Pt-Co) Bulanıklık (NTU) TKM (mg/L) Serisin (mg/L) pH

KPA-A 14575 6060 561 12560 5809 5.8

KPA-B 14920 25000 1050 13130 - 5.8

KPA-C 14250 27150 468 12880 - 5.9

KPA-D 15245 27450 559 12630 5562 5.9

KPA-E 13075 6200 543 12460 6354 6.2


67

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 (100-190 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, %97-100 ve %93-98 olmuştur. UF çıkış

KOİ değeri 5040-6210 mg/L olarak ölçülmüştür. Bu değerler, 240-350 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

Parametre

Süzüntü suyu kalitesi (Tutma/Giderim Verimi, %)

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, 200-270

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


68

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 %84-

105 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.

0.0

0.2

0.4

0.6

0 50 100 150 200 250 300

Süre (dak)

Norm

aliz

e a

kı

(J

W / J

I )

UF(20-kDa)

UF(5-kDa)

UF(1-kDa)

NF-DK

NF-90

Şekil 1. Zamana karşı izlenen normalize akılar


69

Tablo 4. Akı analizi ve geri kazanımı

Akı (L/m2/saat)

(T=19-21 ºC)

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 (%) 88 83 58 70 75

Konsantrasyon Polarizasyonu 69 30 38 63 64

Toplam Kirlenme 59 75 33 20 30

Geri Döndürülebilen Kirlenme * 71 20 * 26

Geri Döndürülemeyen Kirlenme * 15 17 * 5

Akı Geri Kazanımı (%) 105 85 84 127 95

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.


70

Kaynaklar 1. Zhang Y.Q., Applications of natural silk protein sericin in biomaterials, Biotechnol. Adv. 20 (2002) 91–

101.

2. 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) 1-9.

3. Vaithanomsat P., Kitpreechavanich V., Sericin separation from silk degumming wastewater, Sep. Purif.

Technol. 59 (2008) 129- 133.

4. Wu J. H., Wang Z., Xu S. Y., Preparation and characterization of sericin powder extracted from silk

industry wastewater, Food Chem. 103 (2007) 1255-1262.

5. Capar G., Aygun S. S., Gecit M. R., Treatment of silk production wastewaters by membrane processes

for sericin recovery, J. Membr. Sci. 325 (2008) 920-931.

6. 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) 179-189.

7. Bernat X., Pihlajamäki A., Fortuny A., Bengoa C., Stüber F., Fabregat A., Nyström M., Font J., Non-

enhanced ultrafiltration of iron(III) with commercial ceramic membranes, J. Membr. Sci. 334 (2009)

129–137.

8. Li Q., Elimelech M., Natural organic matter fouling and chemical cleaning of nanofiltration membranes,

Water Sci. Technol. Water Supply, 4 (5-6) (2004) 245.

9. Norberg D., Hong S., Taylor J., Zhao Y., Surface characterization and performance evaluation of

commercial fouling resistant low-pressure RO membranes, Desalination, 202 (2006) 45.


71

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 m3 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).

2001 yılı itibari ile 18 ülke su kıtlığı problemi ile karşı karşıya kalmıştır. Bunlar, Ortadoğu

ve Kuzey Afrika ülkeleri ile bazı Avrupa ve Asya ülkeleridir. 2025 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 1. 1995 ve 2025‟te Dünya‟da Kişi Başına Kullanılabilir Su Potansiyeli

(WWF-Türkiye, 2008)

Durum Su Kaynağı

(m3/kişi/yıl)

1995 2025

Nüfus

(milyon)

Dünya Nüfusuna

Oranı (%)

Nüfus

(milyon)

Dünya

Nüfusuna Oranı

(%)

Su Kıtlığı Var < 500

500-1 000 1 077 587

19 10

1 783 624

25 9

Su Stresi Var 1 000-1 700 669 12 1 077 15

Su Yeterli >1 700 3 091 55 3 494 48 Sınıflandırma Dışı 241 4 296 4

Toplam 5 665 100 7 274 100

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


72

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

m3

olmuş ve 2010 yılında bu değerin 33.7 milyon m3

ve 2015 yılında ise 54.5 milyon m3

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/m3 civarında değişirken, desalinasyon maliyeti, tuzluluğa ve ön

arıtmaya bağlı olmakla birlikte 50 – 70 US cent/m3 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) http://www.wwf.org.tr/su/rakamlarla-su-sorunu/duenyada-su/.

http://www.wwf.org.tr/su/rakamlarla-su-sorunu/duenyada-su/


73

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 14000” 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 (30000-40000 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 (50-150 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–



74

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 cm2 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)

25oC, 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) 25oC, 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.


75

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, 651–658.

2. 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), 287–

292.

3. XIARCHOS, I., DOULIA, D., GEKAS, V., TRÄGÅRDH, G., 2003, Polymeric ultrafiltration membranes

and surfactants, Separation and Purification Reviews, 32 (2), 215–278.

4. 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, 401–412.

5. KAYA, Y., 2007, Nanofiltrasyon İle Proses Sularından Organik Maddelerin Geri Kazanımının

Araştırılması, Doktora Tezi, İ.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü.

Membran Teknolojieri ve Uygulamaları Sempozyumu 2 – 3 Kasım 2009

76


77

Membran Biyoreaktörlerin (MBR) Çamur

Minimizasyonundaki Rolü

Özlem Demir, Ayşe Filibeli*

Dokuz Eylül Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi,Çevre Mühendisliği Bölümü, Kaynaklar

Kampüsü, 35160, Buca, Ġzmir


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


78

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 (Yobs), 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.


79

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) (25-3500 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.


80


81

Batık Membran Biyoreaktörde Farklı Mikrofiltrasyon

Membranların Kirlenme Özelliklerinin İncelenmesi

Nadir Dizge†, Ahmet Karagündüz*

,†, Bülent Keskinler

†


E-mail: [email protected]*,†, [email protected]

†, [email protected]

†

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 [24].

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




82

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, 456–

475.

2. Arika, M., Kobayashi, H., and Kihari, H., Pilot Plant Test of an Activated Sludge Ultrafiltration

Combined Process for Domestic Wastewater Reclamation, Desalination, 1977, 23, 77–86.

3. Manem, J., Trouve, E., Beaubien, A., Huyard, A., and Urbain, V., Membrane Bioreactor for Urban and

Industrial Wastewater Treatment: Recent Advances. 66th

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, 133–139.


83

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 cm3

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 cm2, gözenek boyutu 0.2 µm, serbest akım alanı 0.24


84

cm2 ve ortalama transmembran basıncı 3.90 bar‟dır. Æalışmada kullanılan membran

biyoreaktörün şematik gösterimi Şekil 1‟de gösterilmiştir.

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 oC 20

pH - 7.22

İletkenlik mS 2.4

Bulanıklık NTU 136

Renk m-1

27

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.

Tübüler Membran

Ardışık Kesikli Reaktör

Dengeleme Tankı


85

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.

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.

a b

a b


86

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 (C3S2); III.

sınıf kullanılabilir su olarak bulunmuştur (Tablo 2).

a b

c


87

Tablo 2. Tübüler Membran Biyoreaktör çıkış suyunun sulama suyu kriterleri açısından

incelenmesi (SSKY Teknik Usüller Tebliği)

Kalite Kriterleri Referans Aralığı Tübüler Membran

Biyoreaktör Æıkışı Durum

EC25 X 106

750 - 2000 1700 III. sınıf

(Kullanılabilir)

Sodyum Adsorpsiyon Oranı

(SAR) <10 8.74

I sınıf

(Æok iyi)

Sulama Suyu Sınıfı C1S3 , C2S3 , C3S3 , C3S2

C3S1 , C3S2

III. sınıf

(Kullanılabilir)

Nitrat (NO3 , mg/L) 5-10 7.18 II. sınıf

(İyi)

Fekal Koliform 1/100 ml 0-2 0 I. sınıf

(Æok iyi)

Teşekkür

Bu Proje, Sakarya Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Komisyon Başkanlığı

Lisansüstü Tez Projeleri (2008-50.02.002) kapsamında desteklenmiştir.

KAYNAKLAR

Badania, Z., Ait-Amara, H., Si-Salahb, A., Brikc, M., Fuchsc, W., 2005. Treatment of textile waste water by

membrane bioreactor and reuse. Desalination, 185, 411–417

Cao, J. H., Zhu, B. K., Lu, H., Xu, Y. Y., 2005. Study on polypropylene hollow fiber based

recirculatedmembrane bioreactor for treatment of municipal wastewater. Desalination, 183, 431- 438.

Chu, L., Li, S., 2006. Filtration capability and operational characteristics of dynamic membrane bioreactor

for municipal wastewater treatment. Separation and Purification Technology, 51, 173–179.

Dialynas, E., Diamadopoulos, E., 2009. Integration of a membrane bioreactor coupled with reverse

osmosis for advanced treatment of municipal wastewater. Desalination, 238, 302-311.

Farizoglu, B., Keskinler, B., 2006. Sludge characteristics and effect of crossflow membrane filtration on

membrane fouling in a jet loop membrane bioreactor (JLMBR).Journal of Membrane Science, 279, 578–

587.

Gonzaleza, A. Z., Schetritea, S., Alliet, M., Hazab, U. J., Albasia, C., 2008. Modelling of submerged

membrane bioreactor: Conceptual study about link between activated sludge biokinetics, aeration and

fouling process. Journal of Membrane Science, 325, 612–624.

Su Kirliliği Kontrol Yönetmeliği Teknik Usüller Tebliği

Wintgens, T., Rosen, J., Melin, T., Brepols, C., Drensla, K., Engelhardt, N., 2003. Modelling of a membrane

bioreactor system for municipal wastewater treatment. Journal of Membrane Science, 216, 55 – 65.

Xing, C. H., Tardieu, E., Qian, Y., Wen, X. H., 2000. Ultrafiltration membrane bioreactor for urban

wastewater reclamation. Journal of Membrane Science,177, 73-82.


88


89

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 8000-15000 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). nk (1)

Yukarıdaki eşitlikte k , akışkanlık katsayısını; n ise akış davranış indeksini

göstermektedir. Denklemden de görüleceği üzere, 1n olması durumunda akışkan

Newtonyen özellik göstereceğinden, psedoplastik akışkanlarda 1n 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 +4oC‟de saklanmış, viskozite ölçümlerinden önce oda sıcaklığı seviyesine (23-

25oC) 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, 12000 ve 15000 mg/L TAKM konsantrasyonlarında ve

1-250 RPM (1.22-244.60 1/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).


90

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.

0,00

0,10

0,20

0,30

0,40

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

0 50 100 150 200 250

Kayma Hızı (1/s)

Kaym

a G

erilm

esi (P

a)

10260 mg/L 11970 mg/L 14760 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 (R2) oldukça yüksek olup (0.98-0.99),

MBR çamuru reolojik özelliklerinin seçilen modele uygunluğu doğrulanmıştır.


91

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. 2002. Membrane fouling in membrane bioreactors

for wastewater treatment. J. Environ. Eng-ASCE, 128 (11), 1018-1029.

Hasar, H., Kinaci, C., Unlu , A., Togrul, H., Ipek, U. 2004. Rheological properties of activated

sludge in a sMBR. Biochem. Eng. J. 20 (1), 1-6.

Judd, S.J. 2006. The MBR Book: Principles and Applications of Membrane Bioreactors in Water

and Wastewater Treatment, Elsevier, Oxford.

Seyssiecq, I., Ferrasse, J.H., Roche, N. 2003. State of the art: rheological characterisation of

wastewater treatment sludge. Biochem. Eng. J., Vol. 16, pp. 41-56.

Sponza, D.T. 2002. Extracellular polymer substances and physicochemical properties of flocs in

steady- and unsteady-state activated sludge systems. Process Biochem., Vol. 37(9), pp. 983-

998.

Visvanathan, C., Ben Aim, R., Parmeshwaran, K. 2000. Membrane separation bioreactors for

wastewater treatment. Crit. Rev. Environ. Sci. Technol. 30 (1), 1-48.


92


93

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]. 1936 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. 1960‟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]. 1964 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


94

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., 1902. Apparatus for electrically dispersing fluids, United States Patent,

No:692631

2. Formhals, A., 1934. Process and apparatus for preparing artificial threads, United States

Patent, No: 1975504

3. Lushnikov, A., 1997, Obituaries:Igor Vasilievich Petryanov-Sokolov (1907–1996), J.

Aerosol Sci. 28 (4), 545–546.

4. Barhate, R. S., and Ramakrishna, S., Nanofibrous filtering media: filtration

problems and solutions from tiny materials, J. Membr. Sci. 296 (2007), pp. 1–8

5. <http://www2.dupont.com/Separation_Solutions/en_US/tech_info/hmt/hmt.html>,

alındığı tarih 12.09.2009.

6. <http://www.finetextech.com>, alındığı tarih 12.09.2009.

7. 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), 2223-2253.

8. Graham, K., Ouyang, M., Raether, T., Grafe, T., McDonald, B., Knauf, P., 2002.

Polymeric Nanofibers in Air Filtration Applications, Fifteenth Annual Technical

Conference & Expo of the American Filtration & Separations Society,Galveston,

Texas,USA, April 9-12.

9. Ding, B., Yamazaki, M. and Shiratori, S., 2005: Electrospun fibrous polyacrylic acid

membrane-based gas sensors, Sensors and Actuators B-Chemical, 106(1), 477-483.

10. 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), 40-50.

11. Ramakrishna, S., Thavasi, V. and Singh, G., 2008: Electrospun nanofibers in energy

and environmental applications, Energy & Environmental Science, 1(2), 205-221.

12 Greiner, A. and Wendorff, J.H., 2007: Electrospinning: A fascinating method for the

preparation of ultrathin fibres, Angewandte Chemie-International Edition, 46(30), 5670-

5703.

13. <www.nicast.com>, alındığı tarih 12.09.2009.

14. <http://www.ultrawebisalwaysbetter.com/>, alındığı tarih 12.09.2009

15 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):

7684―7691


95

Hidrojene Dayalı Membran Biyofilm Reaktör ile İçme

Sularında Yüksek Hızlı Denitrifikasyon

Serdar Karataş, Ergin Taşkan, Halil Hasar

Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 23119-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 ; NO3- + H2 → NO2

- + H2O

2) Nitrit indirgeme ; NO2- + 0.5H2 + H

+ → NO(g) + H2O

3) Nitrit oksit indirgemesi ; 2NO(g) + H2 → N2O(g) + H2O

4) Nitroz oksid indirgemesi ; N2O(g) + H2O → N2(g) + H2O

5) Nitrattan azota tam denitrifikasyon reaksiyonu;

2NO3- + 2H

+ + 5H2 → N2 + 6H2O

6) Elektron alıcı, elektron verici ve biyomas arasındaki stokiyometrik reaksiyon;

NO3- + 3.03H2 + H

+ + 0.229 CO2 → 0.0458 C5H7O2N + 0.477 N2 + 3.37 H2O

Hidrojen esaslı membran biyofilm reaktörleri, biyolojik olarak indirgenme için H2‟nin

bütün avantajlarını sağlamaktadır. Membran biyofilm reaktörü geliştirilmeden önce H2‟nin

mikroorganizmalar için elektron verici olarak kullanılması iki nedenden dolayı pratik

olmadığı için uygulanmamıştır. Birincisi; H2‟nin sudaki çözünürlüğünün oldukça düşük

olması, ikincisi ise; H2‟nin kabarcıklı bir şekilde suya verilmesi durumunda düşük

çözünürlükten dolayı yüksek miktarda H2‟nin atmosfere kaçışı ve dolayısıyla oldukça

düşük verim elde edilmesidir. Membran biyofilm reaktörü bu iki olumsuzluğu ortadan

kaldırmaktadır (Hasar ve diğ,2008). H2 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 H2 gazını direk elektron verici olarak %100 verime yakın

bir seviyede kullanmaktadır (Hasar, 2009).


96

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 cm2 olan 32 fiberden

oluşmaktadır. Reaktörlerin hacmi 30ml‟dir. Reaktörler 4 psi H2 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 NaHCO3, pH‟ı tamponlamak için KH2PO4 ve Na2HPO4, NaNO3, MgSO4 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.

2. Reaktörde pH Değişimi

7,00

8,00

9,00

10,00

1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73

Zaman

pH

Değ

eri

Giriş pH Değeri

Çıkış pH Değeri

Şekil 1. İkinci reaktörde pH değişimi.

2. Reaktörde Nitrat Azotu ve Nitrit Azotu Değişimi

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69

Zaman

Ko

ns

an

tra

sy

on

(m

g/L

)

Giriş Nitrat Azotu

Çıkış Nitrat Azotu

Çıkış Nitrit Azotu

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 H2SO4 ile giriş sülfat konsantrasyonu değişmiştir. Bu


97

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 36

2040–2052

3. 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), 4109-4116

4. H. Hasar, 2009. Simultaneous removal of organic matter and nitrogen compounds by

combining a membrane bioreactor and a membrane biofilm reactor, Bioresource

Technology, 100 (10), 2699-2705


98


99

Batık Membran Sistemleri ile İçme Suyu Arıtımı

Müge Akdağlı1, Selin Taşıyıcı

1, Elif Soyer

1, Esra Erdim

1, Mehmet Çakmakcı

2,

Vedat Uyak3,İsmail Koyuncu

1

1 Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Maslak, 34469, Ġstanbul.

2 Zonguldak Karaelmas Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Ġncivez, 67100, Zonguldak

2 Pamukkale Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Denizli

E-posta: [email protected]; [email protected]; [email protected]

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/TiO2, toz aktif

karbon ve ses dalgası kullanımının membran tıkanıklığına olan etkileri detaylı olarak

araştırılmıştır. Deneysel çalışmalar, laboratuar ve pilot ölçekte, sentetik olarak hazırlanan


100

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/TiO2, 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 UV254 giderme verimi elde edilmiştir. UV/TiO2 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/TiO2, ses dalgası ya da zeolitin organik madde giderimine fazla

etkisi olmamıştır. Basınç artışı ise en az UV/TiO2 kullanımında, en fazla ise modifiye

zeolit kullanımında görülmüştür.

UF membranı ile sentetik su kullanılarak yürütülen deneylere bakıldığında, TOK

gideriminde toz aktif karbon ve UV254 gideriminde ise UV/TiO2 kullanımı ile en yüksek

organik madde verim değerleri elde edilmiş, UV/TiO2 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/TiO2 ile UV254 giderme

verimi yüksek olmuştur. Bu durumda, toz aktif karbon ile ham sudaki daha büyük yapıdaki

aromatik bileşikler giderilirken, UV/TiO2 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/TiO2 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.


101

Amonyum Ve Fosfatın Sulu Ortamdan Mağnezyum Amonyum

Fosfat (Map) Şeklinde Mikrofiltrasyonla Ayrılması

Ergün Yıldız*, Abdullah Duman

Atatürk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi

Çevre Mühendisliği Bölümü, 24240- Erzurum

*[email protected]

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.

Mg2+

+NH4++PO4

3-↔MgNH4PO4.6H2O

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 Mg2+

/NH4+/PO4

3- 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, Mg2+

/NH4+/PO4

3-

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

PO43-

içeren sentetik su hazırlamak için NH4CI, KH2PO4, MgSO47H2O 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


102

seçilmiştir. Membran filtrasyon denemelerinde Mg2+

/NH4+/PO4

3- molar oranı 1/1/1 olacak

şekilde ayarlanmıştır.

Deneysel sistem içerisindeki NH4+ ve PO4

3- konsantrasyonları bilinen 25 litre su kapasiteli

bir besleme tankı ile bu suyu 4x7 cm2

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 Mg2+

/NH4+/PO4

3- oranında pH, NH4

+

konsantrasyonu, transmembran basıncı ve çapraz akış hızının, membran akıları ile NH4+ve

PO43-

rejeksiyonu üzerine olan etkileri araştırılmıştır.

Denemeler sonucunda NH4+ ve PO4

3- rejeksiyonlarının pH artışıyla arttığı ve

rejeksiyonların filtrasyon zamanı boyunca değişmediği görülmüştür. Tüm deneylerde NH4+

rejeksiyonlarının PO43-

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 NH4+ 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 NH4+ 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 NH4+ ve PO4

3-

rejeksiyonu değerleri elde edilebilmiştir.

Membran akılarının farklı pH değerlerinde ise çok değişkenlik göstermediği ve NH4+ ve

PO43-

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/m2saat‟lik bir akı elde edilmiştir.

Başlangıç NH4+ konsantasyonu ile ölçülen nihai akı değerlerinin değişimi incelendğinde

ise 250 mg/L NH4+ için 1157 L/m

2saat akı elde edilirken, artan NH4

+ ve sonucunda daha

yüksek oluşan MAP değerleri dolayısıyla akılar azalmakta ve 1500 mg/L‟de 280

L/m2saat‟e kadar düşmektedir. 2500 mg/L NH4

+ değeri içinse akılar 655 L/m

2saat‟e kadar

tekrar yükselmektedir. Bu duruma ortamdaki aşırı MAP bileşiğinin yumaklaşmasının ve

kirlenme indeksinin azalmasının yol açtığı tahmin edilmektedir.

Sonuç olarak bu çalışmada sulardaki NH4+ ve PO4

3-„ın Mg

2+ ilavesi ile çözünmeyen

formlara dönüştürülmesi ve sudan mikrofiltasyon ile ayrılması çalışılmıştır. Membran

filtasyonunda pH 9 ve üzerinde ortalama olarak %85 NH4+ ve %99 oranında PO4

3-

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 NH4+ konsantrasyonuna kadar akıların azaldığı, daha

sonra da yükseldiği belirlenmiştir. Æapraz akış hızının rejeksiyonlar üzerine etkisinin

olmadığı anlaşılmış olup, sadece akıların yükselmesine neden olduğu görülmüştür.


103

MAP şeklinde NH4+ ve PO4

3- „ın sudan ayrılmasında mikrofiltrasyonun kullanılmasının

getirdiği en büyük avantaj, MAP oluşumunun başladığı pH olan 6-8 aralığından çöktürme

ile giderilemeyen NH4+ ve PO4

3-„ın ortalama %60-70 civarında giderilebilmesidir.

Kaynaklar Altinbaş, M., Yangin, C. and Oztürk, I., 2002. Struvite precipitation from anaerobically treated municipal

and landfill wastewaters. Water Science Technology., 46, 271-278.

Demeestere, K., Smet, E., Langenhova, H. V., Galbacs, Z., 2001. Optimalisatıon of magnesium

ammonium phosphate precipitation and its applicability to the removal of ammonium. Enviromental

Technology, vol 22, 1419-1428.

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,

229-236

Shin, H. S. and lee, S. M.,1997. Removal of nutrients in wastewater by using magnesium salts.

Enviromental Technology, Vol19, 283-290.

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,

319-324.

Tünay, O., Kabdasli, I., Orhon, D. and Kolçak, S., 1997. Ammonia removal by magnesium ammonium

phosphate precipitation in industrial wastewaters. Wat. Sci. Tech. 36, 2-3, 225-228.


104


105

İleri Osmoz Prosesi

Bülent Keskinler

Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Æevre Mühendisliği Bölümü, Gebze, 41400, Kocaeli

[email protected]

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 [36]. Prosesin şematik gösterimi Şekil‟de verilmiştir

[2].

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

Tuzlu su

Tuz

Membran

Temiz

su

Çekme çözeltisini

geri kazanma

Enerji girişi

0

Jw = A ( - ΔP)

σ Δ

Çekme (draw)

çözeltisi



106

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 [38]. 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 KNO3 ve SO2‟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

KNO3‟ün önemli bir kısmı osmotik basıncı azaltarak çözeltide çökelir. Daha sonra

seyreltik KNO3 çözeltisi bir başka FO ünitesine gönderilir. Burada çözünmüş SO2 çekme

çözeltisi olarak kullanılır. Seyreltik KNO3 çözeltisi doymuş SO2‟ye göre daha düşük

osmotik basınca sahiptir, dolayısıyla su membran boyunca difüze olurken KNO3 geçişine

izin verilmez. Sonrasında SO2 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


107

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 % 9496

oranında sağlandığı görülmüştür. Ayrıca ham sızıntı suyunun işlenmesi boyunca akı

azalması görülmezken, konsantre sızıntı suyu için % 3050 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/m2.h,

20±2 oC sıcaklık, 24 bar osmotik basınca karşılık gelen 0.5 M NaCl konsantrasyonu ile

sağlanmıştır. NaCl and NaNO3 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 süzüntümembran 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


108

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 2006.

2. Cath Y.T., Childress A.E., Elimelech M. Forward osmozis: Principles, aplications, and recent

developments. Journal of Membrane Science. 281 (2006) 70-87.

3. Holloway R.W., Childress A.E., Dennett K.E., Cath T.Y. Forward osmozis for concentration of

anoerobic digester centrate. Water Research. 47 (2007) 4005-4014.

4. Coth T.Y. Emerging applications for water treatment and potable water reuse. International Conference

on Environmental Systems. 2006.

5. 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) 209–219.

6. 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) 6–12.

7. McCutcheon J.R., McGinnis R.L., Elimelech M. A novel ammonia-carbon dioxide forward (direct)

osmozis desalination process. Desalination. 174 (2005) 1-11.

8. Mi B. Elimelech M. Chemical and physical aspects of organic fouling of forward osmozis membranes.

Journal of Membrane Science. 320 (2008) 292–302.

9. Kravath R.E. ve Davis J.A. Desalination of sea water by direct osmozis. Desalination. 16 (1975) 151-

155.

10. 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) 158–168.

http://www.sciencedirect.com/science?_ob=ArticleURL&_udi=B6TFX-43N1YDK-3&_user=10&_coverDate=04%2F30%2F1975&_alid=874983338&_rdoc=4&_fmt=high&_orig=search&_cdi=5238&_sort=d&_docanchor=&view=c&_ct=8&_acct=C000050221&_version=1&_urlVersion=0&_userid=10&md5=99fa5fb1b5769987ede7f9d5be4fe699


109

Su ve Atıksu Arıtımında Kabarcıksız Gaz-Difüzyon

Membranları

Halil Hasar

Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 23119-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. 1970 ve 1990 yılları arasında membran materyallerinin

artışıyla organic BOİ oksidasyonu, nitrifikasyon ve nitrifikasyon/denitrifikasyon için O2-

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.

Şekil 1. MBfR‟ın çalışma mekanizması

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, H2-

MBfR‟ın birçok okside olmuş kirleticilerin daha zararsız ve kolay giderilebilen formlarına

dönüştüğünü göstermiştir. Örneğin, NO3 oldukça kolay ve hızlı bir biçimde N2 gazına,

Gaz, H2 veya O2

Gaz

membran iç

yüzeyinden dışa doğru

difüze

olmaktadır.

Kabarcıksız gas-

transfer membranı

Biyofilm

Sudaki

kirleticiler


110

ClO4- ise H2O ve Cl

-, SeO4

2- ise Se°, trichloroethene (TCE) de etene ve Cl

- etkili bir

biçimde indirgenmiştir.

Bilindiği üzere H2 genel bir electron verici olmasına rağmen sudaki düşük

çözünürlüğünden dolayı (~ 1.2 mgH2/L) arıtma ünitelerinde kullanılmamaktadır. Bu

özellik suya verilen H2 gazının önemli kısmının atmosfere kaçmasına ve böylece

mikroorganizmalar tarafından yeterince kullanılamamasına yol açmaktadır. Membran

biyofilm reaktörleri (MBfR) ile H2 gazı, hidrofobik hollow fiber membranlarının içerisine

basınçla verilmekte ve membranların iç tarafından dış duvarına doğru yavaşça herhangi bir

kabarcık oluşturmadan difüze olmaktadır. Bu nedenle, H2 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;

H2 oksitleyici bakteri, bütün okside olmuş kirleticileri indirgeyebildiğinden dolayı

genel bir elektron verici olarak kullanılabilir niteliktedir.

H2 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, H2 gazı kirletici indirgenmesi için elektron eşdeğeri bakımından en

düşük maliyete sahiptir.

H2 gazı endüstride yaygın bir biçimde kullanılmaktadır. Nakliyat ve depolanması

oldukça kolay ve güvenilirdir.

H2‟nin insanlara toksik hiçbir etkisi yoktur ve elektron kaynağı olarak kullanılması

durumunda atık oluşumu da söz konusu değildir.

İstendiğinde, elektroliz ile H2‟e ihtiyaç hissedilen yerde üretilebilir. MBfR geliştirilmeden önce H2‟nin mikroorganizmalar için elektron verici olarak

kullanılması iki nedenden dolayı pratik olmadığı için uygulanmamıştır. Birincisi; H2‟nin sudaki

çözünürlüğünün oldukça düşük olması, ikincisi ise; H2‟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 H2 gazı difüzyon ile

membran gözeneklerinden dışa doğru hareket etmekte ve membranın dış yüzeyinde oluşan

biyofilm H2 gazını direk olarak kullanmaktadır [16-17]. Tablo 1‟de Nerenberg ve Rittmann [18]

elektron alıcı olarak O2 ve NO3- olması halinde H2-MBfR‟da okside olmuş kirleticilerin giderim

seviyelerini kıyaslamışlardır.

Tablo 2. Okside olmuş kirleticilerin H2-MBfR‟da arıtımı. Okside olmuş

kirletici

İndirgenme Reaksiyonu Giderim verimi (%)

O2

Reaktörü

NO3-

Reaktörü

Arsenat H2AsO4- + H2 + H+ H3AsO3 + H2O >50 >50

Bromat BrO3- + 3H2 Br- + 3H2O >95 >95

Klorat ClO3- + 3H2 Cl- + 3H2O >95 29

Klorite ClO2- + 2H2 Cl- + 2H2O >75 67

Kromat CrO42- + 1.5H2 + 2H+ Cr(OH)3 >75 >75

Dikloromethane CCl2H2 + 2H2 CH4 + 2H+ + 2 Cl- 38 45

Nitrat NO3- + 2.5H2 + H+ 0.5N2 + 3H2O Not tested >99

Perklorat ClO4- + 4H2 Cl- + 4H2O >98 36

Selenat SeO42- + 3H2 + 2H+ Seo + 4H2O 67 74

Selenit HSeO3- + 2H2 + H+ Seo + 3H2O 93 57

Bu çalışmada, H2-MBfR sistemi ile, içme suyundan nitrat, perklorat, selenat,

halojenli organikler vb. okside olmuş kirleticilerin giderimi, atıksu arıtımında ileri arıtma


111

yöntemi olarak kullanılma alternatifi ve O2-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 membrane-

aerated biofilm reactor behavior under different modes of oxygen supply for the treatment of synthetic wastewater,”

Chem. Engr. Sci. 61, 5268-5281 (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., 2008. “Simultaneous removal of organic matter and nitrogen

compounds by an aerobic/anoxic membrane biofilm reactor,” Water Research, 42, 4109~4116 (2008).

17. Hasar H., 2009. “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).


113

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).

1960‟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.


114

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 15000 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, 300C 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 180C, 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/m2.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 0C, 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/m2.saat olarak

bulunmuştur.

Sentetik atıksuda bulunan Cr(III) besleme konsantrasyonu 4 saat süren deney sonunda en

fazla 7L/dk debide 10350 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, 10050 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. 180C, 22

0C, 26

0C ve

300C olmak üzere farklı sıcaklıklarda sentetik atıksular geçirilen NF(XN45) membranında,

deney sonunda elde edilen akı değerleri (J) değerleri 91, 95, 104 ve 110 L/m2.saat olarak

bulunmuştur.

Cr (III)‟ün besleme konsantrasyonu 180C‟de 240.dakikada 10350 mg/L iken, 300C‟de 240.

dakikada ise 14000 mg/L‟dir. Süzüntü konsantrasyonları ise, 180C‟de 120. dakikada 133

mg/L iken, 300C‟de 60.dakikada 175 mg/L‟dir. Cr (III)‟ün 300C‟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


115

Cr(III) giderme verimi 18 0C sıcaklıkta %98,6 iken 300C 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 0C) denemeleri sonucunda, sentetik olarak hazırlanan krom tabaklama

atıksularında nanofiltrasyon membranı için optimum koşullar, 20 bar basınç, 7L/dk debi ve

18 0C sıcaklık olarak bulunmuştur. 20 bar basınç, 7L/dk debi ve 18

0C sıcaklıkta, Cr(III)

giderme verimi %98,6 olarak bulunurken, Cr(III) besleme konsantrasyonunun ise, 5900

mg/L değerinden 10350 mg/L değerine kadar 2 kat arttığı görülmüştür.


116


117

Sulu Çözeltilerden Cu(Iı) İyonlarının Elektrodeionizasyon

(EDI) Yöntemi İle Giderilmesine Besleme Çözeltisindeki Cu(II)

İle Elektrot Bölmesindeki Sülfürik Asit Derişiminin Etkisi

Ö.Arar1, Ü.Yüksel

1, M.Yüksel

2, N.Kabay

2*

1Ege Üniversitesi Fen Fakültesi Kimya Bölümü, 35100, Ġzmir

2Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya Mühendisliği Bölümü, 35100, Ġzmir

(*E-mail: [email protected])

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.


118

Tablo 1. Neosepta membranların fiziksel ve kimyasal özellikleri

AMX CMX

Tipi Kuvvetli bazik, anyon geçirgen Kuvvetli asidik, katyon geçirgen

Özellik Yüksek mekanik dayanım

(Cl-formu)

Yüksek mekanik dayanım

(Na-formu)

Elektrik direnci

(-cm2) 2.0 ~3.5 1.8 ~3.8

Yırtılma direnci

(kgf/cm2) 0.30 0.40

Kalınlık (mm) 0.12 ~ 0.18 0.14~0.20

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 CuSO4 çözeltisi (25,0 mg/L), anot ve katot tankları ise 1,0‟er L H2SO4 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 H2SO4

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.


119

0

1

2

3

4

0 50 100 150

Zaman (dakika)

Cu

2+ d

eriş

imi

(mg/L

) 25 mg/L Katot10 mg/L Katot5 mg/L Katot

Şekil 1. Katot bölmesindeki Cu(II) derişiminin zamana bağlı olarak değişimi

Elektrot bölmesindeki sülfürik asit derişiminin etkisini saptamak amacıyla farklı

derişimlerdeki H2SO4 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

H2SO4 derişiminin etkisi, Şekil 2‟de gösterilmiştir.

Anot ve katot bölmesindeki H2SO4 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

+ 2+

2R -Cu+2H 2R-H+Cu

iyon değişim tepkimesi gerçekleşmekte ve reçineden sıyrılan Cu(II) iyonları katot

bölmesine geçmektedir.


120

Şekil 2. Farklı derişimlerdeki H2SO4 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 H2SO4 derişimi incelenmiştir. Gerçekleştirilen deneyler sonucunda; merkez

bölmesindeki Cu(II) derişimi ve anot ile katot bölmesindeki H2SO4 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)

2347–2371.

2. J. H. Song, Doktora tezi “Transport Phenomena of Metal ions in a Continuous Electrodeionization System

and Applications in Water Treatment Processes” GIST, Gwangju, Korea, 2006.

3. 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) 179-189.

0

1

2

3

4

5

0 50 100 150

Cu

2+

deriş

imi

(mg

/L)

Zaman (Dakika)

0,01 M

0,02 M

0,05 M

0,1 M


121

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

E-mail:[email protected]

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 15-60 m3 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) 250C, 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


122

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 SAK254 (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 R2 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. SAK254 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


123

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) 275–286.

2. I. Koyuncu, F. Yalcin, I. Ozturk, Water Science and Technology, 40 (1999) 241-248.

3. M. Pizzichini, C. Russo, C. Di Meo, Desalination, 178 (2005) 351-359.

4. M. Mänttäri, K. Viitikko, M. Nyström, Journal of Membrane Science 272 (2006) 152-

160.


124


125

Poster Sunumlar


126


127

Hidrokarbon ve Tuz içeren Petrol ve Doğal Gaz Üretim

Atıksularının Membran Biyoreaktör (MBR) ile Arıtımı

Burcu Atay1, Tuğçe Kıratlı

1, Selime Erdem

1, E. Banu Gençsoy

1, Hale Özgün

1,M.

Evren Erşahin1, Necati Kayaalp

1, Mahmut Altınbaş

1, Sema Sayılı

2, Pelin Hoşhan

2,

Doğa Atay2, Esra Eren

2, Cumali Kınacı

1, İsmail Koyuncu

1

1 Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 34469, Maslak, Ġstanbul

2Türkiye Petrolleri Anonim Ortaklığı, Sögütözü Mahallesi 2. Cad. No : 86 06100 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 m3/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 NH3-N giderimine

olumsuz etki yapmadığı, ancak tuz faktörü ortadan kaldırıldığında membran

geçirgenliğinin dengeye ulaştığı ve KOİ ile NH3-N giderim veriminde de iyileşme olduğu

görülmüştür.


128

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.


129

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., 2007. Hydrocarbon removal

from industrial wastewater by hollow-fibre membrane bioreactors. Desalination. Vol 204. pp. 24 – 32.

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. 283. pp.

164 – 171.


130


131

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 114000 m3/g‟lük Kaliforniya‟da bulunan Union

Sanitary District Klasik Atıksu Arıtma tesisisnde elektrik tüketimi 0.438 kwh/m3 dir.

Kaliforniyada bulunan aynı proseslere sahip 3900 m3/g kapasiteli Fortuna Klasik atıksu

arıtma tesisinde ise 1.03 kwh/m3‟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.


132

Şekil 1: ODTÜ-MBR akım şeması

Sistemin havalandırma tankı olarak kullanılan birinci havuzu yaklaşık 85 m3 hacimli olup

burada biyolojik arıtma gerçekleşmektedir. Katı-sıvı faz ayırımının yapıldığı batık dönen

disk membran aygıtının içinde bulunduğu ikinci havuz ise 23 m3

hacme sahiptir. Aygıttaki

toplam membran alanı 540 m2 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 11-15 L/m2-h arasında değişmekte olup deneysel

çalışmalarımızdan kritik akının 15 L/m2-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 11-12 L/m2-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 120-180 m3

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 m3

Membran havuzu hacmi 23 m3

Membran Tipi plaka

Toplam membran alanı 540 m2

Por çapı 0.038 μm

Æözünmüş oksijen konsantrasyonu 4- 0.1 mg/L

MLSS ( havalandırma havuzu) 2.2-12 g/L

MLSS (membran havuzu) 6-21 g/L

Hidrolik bekleme süresi 18-22 h

Sıcaklık 17 ± 4 0C

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 O2-01 model

Æ.O-metre ile arıtma tesisinde on-line olarak ölçülmektedir. Sistemin elektrik enerjisi

tüketimi kontrol panelinden direk olarak ölçülebilmektedir.

Blover

Membran tankı

çıkış

Havalandırma

tankı

Pompa


133

ODTÜ-MBR arıtma tesisinde yapılan analizler sonucunda, sistemin %99,9 BOİ5 arıtımı

sağladığı gözlemlenmiştir. Bu nedenle sonraki analizlerde BOİ5 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 16

000 m3 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 m3 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/m3‟ 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 m3 başına 0.2 kWh

ek bir elektrik tüketimi daha oluşmaktadır. Arıtılan metreküp başına tüketilen elektrik

miktarı denklem-1‟ de ayrıntılı olarak verilmiştir.

2.004.0*10*55.23927.25 4

a

Q

x

QP

(Denklem-1)

P= m3 başına tüketilen elektrik (kwh/m

3)

Q= debi (m3/h)

x= havalandırma havuzundaki blowerin kapasitesi (%)

a= geridevir periyodu / m3 arıtım; (saniye olarak)

ODTÜ-MBR Atıksu arıtma tesisinde tüketilen elektrik miktarı yukarıdaki denkleme göre

hesaplandığında arıtma tesisinde m3 başına tüketilen enerji miktarı 1 ile 2.25 kWh arasında

değişmekte olup ortalama 1.8 kWh/m3 civarında seyretmektedir. Ankara‟ da sanayi için


134

kullanılan elektriğin fiyatının yaklaşık $ 0.12/Kwh olduğu göz önüne alınırsa m3 başına

arıtım maliyeti $ 0.12 - 0.25 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 m3 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 m3 başına tüketilen elektrik miktarı da çok daha

az olacaktı. Buna rağmen Ankara‟da suyun birim m3 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


135

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;


136

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 6-6.5 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.

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.

Harici karbon

Ham sızıntı

suyu

denitrifikasyon Æamur geri devir

nitrifikasyon

Alüminyum Sülfat

pH ayarlama

Ön çökletme Son çökeltme

fazla çamur Koagülasyon

flokülasyon

Membran yıkama Sülfürik asit 1. kademe Arıtılmış su

konsantre

Kartuş filtre RO ünitesi Kum filtre

Geri yıkama

2. kademe

Harici karbon


137

Tablo 1. Ana kirleticiler giderim oranları

Parametreler

Ham

sızıntı

suyu

Biyolojik

arıtma

çıkışı

(Faz 1)

Koagülasyon

flokülasyon çıkış

suyu (Faz 1)

Arıtılmış

su (Faz

1)

Arıtılmış

su (Faz

2)

Toplam

arıtma

verimi

(Faz 1)

(%)

Toplam

arıtma

verimi

(Faz 2)

(%)

Almanya

sınır

değerler

pH 7,9 7,0 6,5 6,7 6,6 - - -

İletkenlik (dS/m) 16,5 16,3 16 0,3 0,3 98,2 98,2 -

AKM (mg/l) 315 33 13 Algılan

madı

Algılan

madı

100 100 20

KOİ (mg/l) 3100 1160 610 8,5 15 99,7 99,5 200

NH4-N (mg/l) 1000 6,5 6,1 0,4 11,3 99,9 98,9 10

NO2-N (mg/l) 5 6,8 6,5 0,2 0,15 96 97 2

NO3-N (mg/l) 15 115 107 8,3 2,6 44,7 82,7 -

Cl (mg/l) 2850 2790 2630 20 23,2 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


138

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, 2008. Treatment of the methanogenic landfill leachate with thin

open channel reverse osmosis membrane modules.

Baumgarten, G., Seyfried, C.F., 1996. Experiences and new developments in biological pre-treatment and

physical post treatment of landfill leachate. Water Science and Technology 34 (7–8), 445–453.

Chan, G., Chang, J., Kurniawan, T.A., Fu, C.X., Jiang, H., Je, Y., 2006. Removal of nonbiodegradable

compounds from stabilized leachate using VSEPRO membrane filtration. Desalination 202 (1–3), 310–317.

Christensen, T.H., Cossu, R., Stegmann, R. (Eds.), 1992. Landfilling of Waste Leachate. Elsevier Applied

Science, London.

Di Palma, L., Ferrantelli, P., Merli, C., Petrucci, E., 2002. Treatment of industrial landfill leachate by means

of evaporation and RO. Waste Management 22 (8), 951–955.

Eipper, H., Maurer, C., 1999. Purification of landfill leachate with membrane filtration based on disc tube DT

Gabelich, C.J., Ishida, K.P.2006. Control of residual aluminum from conventional treatment to improve RO

performance.

Holweg, P., Landwehr, K.C., Albers, H., 2003. MSW landfill leachate treatment techniques in Germany

Laspidou, C.S., Rittmann, B.E., 2002. A unified theory for extracellular polymeric substances, soluble

microbial products, and active and inert biomass. Water Research 36 (11), 2711–2720.

Linde, K., Jönssone, A., Wimmerstedt, R., 1995. Treatment of three types of landfill leachate with RO 101

(1), 21–30.

Namkung,E., Rittmann, B.E., 1986. Soluble microbial products (SMP) formation kinetics by biofilms. 20

(6), 795–806.

Peters, T.A., 1998. Purification of landfill leachate with membrane filtration. Filtration & Separation Jan/Feb,

33–36.

Peters, T.A., 2001. High advanced open channel membrane desalination. Desalination 134 (1), 213–219.

Rautenbach, R., Mellis, R., 1994. Waste water treatment by a combination of bioreactor and nanofiltration.

95 (2), 171–188.

Rautenbach, R., Linn, T., Eilers, L., 2000. 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), 231–241.

Stegmann, R., Heyer, K.U., Cossu, R., 2005. Leachate treatment. In: Proceedings Sardinia 2005,


139

Thörneby, L., Hogland, W., Stenis, J., Mathiassan, L., Somogyi, P., 2003. Design of a reverse osmosis plant

for leachate treatment aiming for safe disposal. Waste Management and Research 21 (5), 424–435.

Vrouwenvelder, H.S., van der Kooij, D. 2001. Diagnosis, prediction and prevention of biofouling of NF and

RO membranes. Wend, C.F. Stewart, P.S. Jones, W. Camper 2003. Pretreatment for membrane water

treatment systems: 37 (14), 3367–3378.


140


141

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, 32260 Isparta *E-mail: [email protected]

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



142

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 Dezavantajlar

Seramik membranların gözenek çapı

dağılımı, eşdeğer polimerik membranlara

nazaran daha dar aralıktadır ve membran

yüzeyinde dağılımları daha üniformdur

Kırılgan bir yapıya sahiptir

Yüksek akıda yüksek miktarda partiküler

madde giderimini sağlayabilirler

Yüksek sıcaklıkta gerçekleşen proseslerde

conta problemleri ile karşılaşılmaktadır

Kimyasallara, alkali-asidik şartlara ve

mikrobiyal büyümeye karşı dirençlidirler Yüzey alanı/hacim oranı düşüktür

Uzun süreler boyunca yüksek sıcaklık

değerlerinde çalışabilirler İlk yatırım ve bakım maliyetleri yüksektir

Yüksek basınç altında stabilite gösterirler Sentezleme aşaması oldukça karmaşıktır

Kolay temizlenirler

Uzun ömürlüdürler

Katalitik aktiviteye sahip membranlar

üretmek için modifikasyonlar oldukça kolay

uygulanabilir

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 TiO2, Al2O3, SiO2 ve ZrO2 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 sayısının-

maliyetinin 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


143

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., 2009. Influence of the cleaning

temperature on the permeability of ceramic membranes, Desalination, 245, 708–713.

Baker, R.W., 2004. Membrane Technology and Applications, McGraw-Hill, ISBN:0071354409, Menlo Park,

California.

Ciora, R.J., Liu, P.K.T., 2003. Ceramic membranes for environmental related applications, Fluid/Particle

Separation Journal, 15(1), 51-60.

Harman, B. İ., Köseoğlu, H., Yiğit, N. Ö., Beyhan, M., Kitis, M., 2008. Su ve atıksu arıtımında seramik

membranların kullanımı, Æevre Sorunları Sempozyumu, 14-17 Mayıs, Kocaeli.

Harman, B. İ., Köseoğlu, H., Yiğit, N. Ö., Sayılgan, E., Beyhan, M., Kitis, M., 2009. 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., 1996. Inorganic membranes for separation and reaction, Elsevier Science B.V., Amsterdam,

Netherlands.

Li, K., 2007. Ceramic Membranes for Separation and Reaction, John Wiley & Sons Ltd., ISBN: 978-0-470-

01440-0.

Mallada, R., Menendez, M., 2008. Membrane science and technology series inorganic membranes:synthesis,

characterization and applications, ISBN: 978-0-444-53070-7, Great Britain.

Nandi, B.K., Das, B., Uppaluri, R., Purkait, M.K., 2009. Microfiltration of mosambi juice using low cost

ceramic membrane, Journal of Food Engineering, doi:10.1016/j.jfoodeng.2009.06.024.

Singh, R., 2006. Hybrid Membrane Systems for Water Purification: Technology, Systems Design and

Operations, Elsevier Science & Technology Books, ISBN: 1856174425.


144


145

Atıksuların Arıtılmasında Anaerobik Membran Biyoreaktörler

Mustafa Aslana, Halil Hasar

b, Yusuf Saatçi

b

a, Harran Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Osmanbey

kampusü, ġANLIURFA, [email protected] b, Fırat Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, ElAZIĞ,

[email protected], [email protected]

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





146

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


147

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.


148

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.


149

Pervaporasyon Membran Tekniğinin Solvent Susuzlaştırmada

Kullanılması

Vedat Uyak

Pamukkale Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Æevre Mühendisliği Bölümü, Kınıklı,

20070, Denizli

E-posta: [email protected]

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



150

Şekil 2: Pervaporasyon Membran Tesisi Akım Diyagramı


151

Doğal Organik Maddelerin Membran Filtrasyon ile Giderimi

Nuray Ateş1, Levent Yılmaz

2, Mehmet Kitiş

3, Ülkü Yetiş

4

1 Erciyes Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü 38039 Kayseri

2 Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 06531 Ankara

3 Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü,

32260 Isparta 4 Orta Doğu Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, 06531 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 100.000 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 (5000-10000 Da)


152

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 % 65-70 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 UVA254 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


153

(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. 1990. J. Environ. Eng.- ASCE, 116 (1), 200-205.

Amy, G.L. and Cho, J. 1999. Water Sci. Technol., 40 (9), 131-139.

Aoustin, E., Schafer, A.I., Fane, A.G. and Wait, T.D. 2001. Sep. Purif. Technol., 22–23 (1), 63–78.

Ates, N., Yilmaz, L., Kitis, M. and Yetis, U. 2009. J. Membr. Sci., 328 (1-2), 104-112.

Belfort, G. Davis, R.H. and Zydney, A.L. 1994. J. Membr. Sci., 96, 1-58.

Cho, J., Amy, G.L., Pellegrino J. and Yoon, Y. 1998. Desalination, 118, 101-108.

Conlon, W.J. and McClellan, S.A. 1989. J. AWWA, 81 (11), 47-51.

Croue, J.-P., Lefebvre, E., Martin, B. and Legube, B. 1993. Water Sci. Technol., 27 (11), 143-152.

Croue, J.-P., Debroux, J.F., Amy, G.L., Aiken, G.R. and Leenheer, J.A. 1999. In: Formation and Control of

Disinfection By-Products in Drinking Water, Singer, P.C. (Eds.), pp. 65-93, AWWA, USA.

Edzwald, J.K., Becker, W.C. and Wattier, K.L. 1985. J. AWWA, 77 (4), 122-132.

Fan, L., Harris, J.L., Roddick, F.A. and Booker, N.A. 2001. Water Res., 35, 4455-4463.

Fu, P.L.K. and Symons, J.M. 1990. J. AWWA, 82 (10), 70–77.

Guell, C. and Davis, R.H. 1996. J. Membr. Sci., 119, 269-284.

Hong, S. and Elimelech, M. 1997. J. Membr. Sci., 132 (2), 159-181.

Huang, H., Young, T. and Jacangelo, J.G. 2009. J. Membr. Sci., 334, 1–8.

Jacangelo, J.G., Patania, N. and Trussel, R.R. 1989. J. Civil Engineering—ASCE, 59 (5),

68-71. Kimura, K., Hane, Y., Watanabe, Y., Amy, G.L. and Okhuma, N. 2004. Water Res., 38, 3431-3441.

Krasner, S.W. and Amy, G. 1995. J. AWWA, 87 (10), 93-107.


154

Laine, J.-M., Hagstrom, J.P., Clark, M.M. and Mallevialle, J. 1990. J. AWWA, 82, 12-82.

Lee, N., Amy, G.L., Croue, J.-P. and Buisson, H. 2004. Water Res., 38, 4511-4523.

Lee, N., Amy, G., Croue , J.P. and Buisson, H. 2005. J. Membr. Sci., 261 (1-2), 7-16.

Leenheer, J.A. and Croue, J.P. 2003. Environ. Sci. Technol., 37 (1), 18A-26A.

Lin, C.-F., Lin, A.Y.-C., Chandana, P.S. and Tsai, C.-Y. 2009. Water Res., 43, 389-394.

Malcolm, R.L. and MacCarthy, P. 1992. Environment International, 18, 597-607.

McCreary, J.J. and Snoeyink, V.L. 1980. Water Res., 14, 151-160.

Nakatsuka, S., Nakate, I. and Miyano, T. 1996. Desalination, 106 (1-3), 55-61.

Nikolaoua, A.D. and Lekkas, T.D. 2001. Acta Hydrochim. Hydrobiol. 29 (2-3), 63–77.

Owen, D.M., Amy, G.L., Chowdhury, Z.K., Paode, R., McCoy, G. and Viscosil, K. 1995. J. AWWA, 87 (1),

46-63.

Rubia, A., Rodriguez, M., Leon, V.M. and Prats, D. 2008. Water Res., 42, 714-722.

Schafer, A.I., Fane, A.G. and Waite, T.D. 1998. Desalination, 18, 109-122.

Schafer, A.I., Fane, A.G. and Waite, T.D. 2001. Water Research, 35, 1509-1516.

Siddiqui, M.S., Amy, G., Ryan, J. and Odem, W. 2000. Water Res., 34, 3355-3370.

Tan, L. and Sudak, R. 1992. J. AWWA, 84 (1), 79-85.

Taylor, J.S., Thompson, D.M. and Carswell, J.K. 1987. J. AWWA, 79 (8), 72-80.

Thorsen, T. 1999. Water Sci. Technol., 40 (9), 105-112.

Tu, S.-C., Ravindrajan, V. and Pirbazari, M. 2005. J. Membr. Sci., 265 (1-2), 29-50.


155

Kesikli Aktif Çamur (Kaç) Sisteminde Membranların Biyolojik

Olarak Kirlenmesinin İncelenmesi

Seçil Bayar1, Derya Y.Köseoğlu İmer

1, Nadir Dizge

1, Ahmet Karagündüz

1, Bülent

Keskinler1

1Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Çevre Mühendisliği Bölümü

[email protected], Tel:0.262.605 3211, Fax:0.262.605 3205

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 cm2‟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 (Rm) bulunması için

destile suyun filtrasyonu gerçekleştirilmiş, daha sonra aktif çamurun filtrasyonundan

toplam direnç (Rt), membran yüzeyinin fiziksel temizlenmesinden sonra destile suyun

filtrasyonundan gözenek direnci (Rp) ve hesap yoluyla da kek direnci (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] yöntemi ile analizlenmiştir.



156

Tablo 1: KAÆ sistem parametreleri

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/m2sa

iken diğer membranların ilk akı değerleri 453, 459 ve 425 L/m2sa (sırasıyla SA02, SA045

ve SN045) olarak bulunmuştur. Denge akılarından hesaplanan direnç (Rt) değerleri de

birbirlerine çok yakın çıkmıştır. Bu aşamada membranların yüzeyindeki biyofilm analiz

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)

317,6

AS

Tt

J

PR

Rt: Toplam filtrasyon direnci (m-1

)

∆PT: TMP, Basınç (Pa)

η: Süzüntünün viskozitesi (Pa.s)

JAS: Aktif çamurun denge durumundaki akı değeri (m3/m

2sn)

pcmt RRRR

Rm: Membran direnci (m-1

)

Rc: Kek tabakasının yarattığı direnç (m-1

)

Rp: Por tıkanmasının sebep olduğu direnç (m-1

)

w

T

mJ

PR

m

w

Tp R

J

PR

'

Jw: Destile suyun denge durumundaki akı değeri (m3/m

2sn)

J'w : Kek tabakasının musluk suyu ile yıkanmasından sonra destile

suyun filtrasyonundan elde edilen denge akısı.

pmtc RRRR


157

için alınıp, fiziksel temizlemesi gerçekleştirildikten sonra destile su ile Rm+Rp deneyi

yapılmıştır. Tablo 2‟de hesaplanan direnç değerleri özetlenmiştir. Bütün membranların Rc

değerleri Rp değerlerinden daha yüksek çıkmıştır. Sadece SN045‟in Rp değeri diğer

membranlara kıyasla daha yüksek çıkmıştır. Klasik filtrasyon için Rc 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

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, 2008.

2. Sanin, S., Sanin, D.F., Bryers, J.D., “Effect of starvation on the adhesive properties of xenobiotic

degrading bacteria”, Process Biochemistry, 38, 909-914, 2003.

3. 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, 248–254, 1976.

4. 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, 1956.

Membran tipi Rt(x1013

)

Rm (x1010

)

(%)

Rp(x1010

)

(%)

Rc(x1013

)

(%)

SA 045 2,73 3,57

(0,13)

12,7

(0,46)

2,72

(99,41)

SA 022 3,18 5,88

(0,19)

7,09

(0,22)

3,17

(99,59)

SN 045 1,81 4,55

(0,25)

55,5

(3,06)

1,75

(96,69)

SN 022 2,95 5,00

(0,17)

6,07

(0,21)

2,93

(99,62)


158


159

Deniz Suyundan Kullanım Suyu Üretiminde Ters Ozmos

Yöntemi-Doğal Deniz Suyu Ortamında Ters Ozmos

Membranlarının Performans Karşılaştırması

E.Güler1, E.Yavuz

2, S.Solak

2, G.Sert

3, M.Arda

2, M.Yüksel

1, Ü.Yüksel

2, V.Gündoğdu

3,

N.Kabay*1

1Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 35100 Ġzmir

2Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi, Kimya Bölümü, 35100 Ġzmir

3Ege Üniversitesi, Su Ürünleri Fakültesi, 35100 Ġzmir


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 0.40-0.75 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 mini-

ölçek 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 SW30-2540 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.


160

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-, HCO3

-, ve SO4

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 1000 1500 500–5000 39123.5 262.17 1070.50

EC, μS/cm 500–800 2500 0–2250 57500 524 2140

pH 6.5- 8.8 6.5- 9.2 6.5- 8.8 8.3 7.4 8.0

[Cl-] 250 600 0–400 68975.72 162.05 658.46

[Na+] 200 175 50–250 21480 52.10 250.80

[Mg2+] 30 50 30–50 2422 2.30 35.81

[Ca2+] 75 100–200 40–100 444.5 0.32 8.31

[K+] N.G.a 12 N.G. 620 3.81 15.02

[SO42-] 250 250 200–575 8608.55 0.00 55.23

[HCO3-] N.G. N.G. N.G. 172.68 12.95 16.86

[B] 0.5 N.G. N.G. 5.2 1.09 1.00

Bulanıklık (NTU)

<0.5 <1 N.G. 0.21 0.09 0.08

a : No Guideline (Standart verilmemiş),

b: XUS SW30XHR-2540 membranı ile üretilen ürün su

c: SW30-2540 membranı ile üretilen ürün su

Æizelge 1‟de görüldüğü gibi, yüksek giderim (XUS SW30XHR-2540) membranının tuz

giderim performansının, klasik SW30-2540 membranına göre daha yüksek olduğu tespit

edilmiştir. Yüksek giderim membranı için ortalama tuz giderimi %99.3 iken, klasik SW30-


161

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 (SW30-2540) 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)

299-312.

2. A.M.Gilau, M.J.Small, Designing cost-effective seawater reverse osmosis system under optimal energy

options. Renewable Energy 33 (2008) 617-630.

3. 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) 253-263.


162


163

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 m3/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 350C‟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 350C‟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 350C‟de 24 saat boyunca

inkübatörde tutulur.Yatık agarlar daha sonraki deneylere stok olarak kullanılmak üzere

buzdolabında bekletilmiştir.


164

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 350C‟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 500C‟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 44.50C‟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

15

.04.2

00

9

Tesis giriş suyu-1 Bakılmadı Tesis giriş suyu-2 Bakılmadı

Havalandırma havuzu-1 10*104

Havalandırma havuzu-2 9*104

Membran havuzu-1 18*104 Membran havuzu-2 10*10

4

UV Dezenfeksiyonu girişi-1 22*101


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

16

.04.2

00

9

Tesis giriş suyu-1 19 Tesis giriş suyu-2 14

Havalandırma havuzu-1 Bakılmadı

Havalandırma havuzu-2 Bakılmadı


4




Kontrol-1 Bakılmadı Kontrol-2 Bakılmadı


165

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 2

9.0

4.2

00

9

*

Tesis giriş suyu-1 42 Tesis giriş suyu-2 36


4




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

01

.05.2

00

9 Tesis giriş suyu-1 64 Tesis giriş suyu-2 42


4





40 ml M-17 Agar + 10 ml Bakteriyofaj İçeren Numune (veya kontrol petrileri için 10 ml saf su) + 2 ml

E.Coli Üretilmiş TSB

21

.05.2

00

9 Tesis giriş suyu-1 46 Tesis giriş suyu-2 37

Membran havuzu-1 48*104 Membran havuzu -2 43*10

4





*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

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 )

a b


166

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

Uzaklaştırma

Verimi

(%)

UV Ünitesinde

Log Azalma

15.04.09 12*104

21*101

99.825 2.757 21*101 41 80.476 0.709

16.04.09 18*104 14*10

1 99.92 3.109 14*10

1 44 68.571 0.503

29.04.09 39*104 39*10

1 99.90 3 39*10

1 45 88.46 0.938

01.05.09 42*104 39*10

1 99.907 3.032 39*10

1 53 86.410 0.867

21.05.09 45*104 43*10

1 99.904 3.020 43*10

1 45 89.535 0.980

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.619-628

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.193-198

Shang C., Wong H. M., and Chen G.(2005),Bacteriophage MS-2 removal by submerged membrane

bioreactor,Water Research,Vol.39, sf 5153-5161

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, http://www.epa.gov/microbes/ , 2001 (son erişim 10.06.09)

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.862-867


167

Türkiye’deki Membran Biyoreaktör (Mbr) Uygulamalarının

İncelenmesi

M. Taner Şahin, İlda Vergili, Yasemin Kaya, Z. Beril Gönder, Hulusi Barlas

Ġstanbul Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü

Avcılar Ġstanbul 34320 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 (MF-

gözenek 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


168

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. 100-200 m3‟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

alma tarihi

Debi

m3/gün

Membran

Prosesi

Membran

Alanı

m2

Membran

Yerleşimi

Æöp Sızıntı Suyu Arıtma - Belediye İstanbul 2008 2000 UF 1134 Harici

Evsel Atıksu İleri Biyolojik Arıtma

- Belediye

İstanbul Ekim 2007 100 MF 240 Dahili

Evsel Atıksu Arıtma - Belediye Muğla Şubat 2009 1500 UF 2560 Dahili

Evsel + Endüstriyel Atıksu Arıtma -

Organize Sanayi Bölgesi

İzmir Eylül 2008 2000 UF 3175 Dahili

Evsel Atıksu Arıtma -

Üniversite/Pilot Tesis

Ankara 2005 150 UF 540 Dahili

Evsel Atıksu Arıtma - Organize

Sanayi Bölgesi /Pilot Tesis

Gebze Ekim 2008 - UF 10 Dahili


169

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., 2007. 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, 373–379.

Cheryan, M. ve Mehala, M.A. 1986, Membrane Bioreactors, Chem. Tech. 676.

Crawford, G., Thompson, D., Lozier, J., Daigger, G., Fleischer, E., 2000. Membrane Bioreactors – A

Designer‟s Perspective. Proceedings of the Water Environment Federation Technical Symposia, Anaheim,

California, USA.

Judd S.J., 2006. 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 1866-0029

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, 132-134

Koyuncu, İ. ve Topacık D., 1999, Sızıntı Sularının Membran Teknolojisi ile Arıtımı, Kent Yönetimi İnsan ve

Æevre Sorunları Semp‟99, Æevre Yönetimi ve Kontrolü, 414-423.

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), 319-327.

Yigit, N., 2007, Membran Biyoreaktörü İle (MBR) Evsel Atıksu Arıtımı, Süleyman Demirel Üniversitesi,

Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Isparta


170


171

Çapraz Akışlı-Düz Tabakalı Ters Ozmos Membran Sisteminde

FilmTecTM

BW30 Membranı ile Jeotermal Sudan Bor

Giderilmesi-Basınç Etkisi

Ş.G. Öner1, E.Güler

1, H.Köseoğlu

2, M.Kitiş

2, M.Yüksel

1, N.Kabay

*1


2Süleyman Demirel Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü,

Mühendislik Mimarlık Fakültesi, Isparta


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. Pıhtılaştırma-

çökeltme 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 FilmTecTM

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 cm2

olan her tür

düz tabakalı membran ile uyum sağlamaktadır.


172

Şekil 1: Membran test sisteminin şematik gösterimi

Deneylerde Dow firmasının ürettiği FilmTecTM

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

(λmaksimum=415 nm) yöntemiyle ölçülmüştür.


173

Tablo 1: Jeotermal suyun karakteristik özellikleri

Tablo 2‟de, uygulanan basınçlardaki besleme ve konsantrenin iletkenlik (ECf, ECc),

süzüntü akısı (Jv), tuz giderimi (Rtuz), besleme ve süzüntü bor derişimi (Bf, Bp) ve bor

giderimi (Rbor)‟ne ilişkin ortalama değerler verilmektedir.

Tablo 2. Basınç uygulama deneylerinde elde edilen ortalama değerler

Basınç

(bar) ECf (µS/cm)

ECp

(µS/cm)

Jv

(L/m2s)

Rtuz

(%)

Bf

(mg/L)

Bp

(mg/L)

R bor

(%)

10 1807 52.4 38.30 97.0 10.5 3.4 67.2

20 1800 26.0 78.60 98.5 10.6 2.7 74.8

25 1818 25.6 92.00 98.5 10.6 2.0 80.9

30 1831 26.9 100.1 98.6 10.9 1.9 82.6

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/m2s), 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.

Şekil 2: Jeotermal sudan bor gideriminde uygulanan basıncın etkisi

50

60

70

80

90

100

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Zaman (dak.)

Bo

r G

ide

rim

i(%

)

10 bar 20 bar 25 bar 30 bar

Katyonlar Derişim (mg/L) Anyonlar Derişim (mg/L)

Na+ 366 Cl

- 187.7

K+ 26.3 SO4

2- 108.9

Ca2+

26.2 F- 4.450

Mg2+

3.70 HCO3- 622.3

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) 10.5-10.9 (Curcumine Metodu)

10.25-11.00 (Azomethine-H Metodu)


174

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) 126–133.

2. 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) 167-171.

3. 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) 614-

619.

4. 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) 167-173.


175

Jeotermal Sudan Borun Fonksiyonel Fiber Adsorbentlerle

Adsorbsiyon – Ultrafiltrasyon (UF) Hibrit Yöntemi

Kullanılarak Ayrılması

P.Bilgin1, S.Yavuz

1, Ü.Yüksel

1, H. Parschova

2, M.Yüksel

3, N.Kabay

*3

1Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi, Kimya Bölümü, 35100, Ġzmir

2Department of Power Engineering, Faculty of Environmental Technology,

Institute of Chemical Technology, Prague, Czech Republic 3Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü, 35100, Ġzmir


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


176

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 25oC‟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]

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

5

Biomax

10

Biomax

50

NMWL (Dalton) 5,000 10,000 50,000

Su Akışı (imh/psi) 3.5 27 47.5

Membran Materyali Polieter Sülfon

Kalınlık 280 mikron

Hava Geçirgenliği 30 psi – 0

Uygulanan

Maksimum Sıcaklık 80

oC

Tablo 3. Bor seçimli fiber adsorbent

Smopex 248V‟in özellikleri [11]

O OOH

OH

OH

OH

OH

N

OH

n

Şekil 1. Smopex 248V‟nin kimyasal yapısı

[11]

Denemelerde kullanılan jeotermal suyun özellikleri, Æizelge 4‟de verilmiştir. Örneklerin

bor analizleri, spektrofotometrik Azomethine-H yöntemi ile yapılmıştır.

Hücre Kapasitesi 200 mL

Minimum Proses Hacmi 5.0 mL

Geçerli Membran Çapı 62 mm

Etkin Membran Alanı 28.7 cm

Korunan Hacim 1.2 mL

Maksimum Uygulama

Basıncı 75 psi (5.3 kg/ cm

2)

Fiber Viscose

Bağlanan polimer

GMA

(Glisidil

metakrilat)

Kapasite (mol/kg) 1.2


177

Tablo 4. Jeotermal suyun özellikleri

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).


Na+ 366.30 Cl

- 187.7

K+ 26.34 SO4

2- 108.9

Ca2+

26.24 F- 4.45

Mg2+

3.70 HCO3- 622.26

pH 8.6

EC (µS/cm) 1770

TDS (mg/L) 885

Salinite (‰) 0.7


B (mg/L) 10.5-10.9 (Curcumine Yöntemi)

10.25-11.00 (Azomethine-H Yöntemi)


178

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) 27–33.

2. R. Boncukcuoglu, A.E. Yilmaz, M. Kocakerim and M. Copur, Desalination, 160 (2004) 159-166.

3. World Health Organization-Boron Environmental Health Criteria 204, World Health Organization,

Geneva, 1998.

4. D. Kavak, Journal of Hazardous Materials 163 (2009) 308–314.

5. W.S. Guoa, W.G. Shimb, S. Vigneswarana, H.H. Ngoa, Journal of Membrane Science 247 (2005) 65–74.

6. E.Bayer, E.; B.Y.Spivakov, K.Geckeler, Polym. Bull., 13 (1985) 307–311.

7. R.S Juang, C.H Chiou, , J. Membr. Sci. , 177 (2000) 207–214.

8. N. Nadav, Desalination, 124 (1999) 131-135.

9. 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) 163-170.

10. I. Yilmaz Ipek, N. Kabay, M. Yuksel, O. Kirmizisakal, M. Bryjak, Chem. Eng. Commun. 196 (1) (2009)

277-289.

11. H. Parschova, E. Mistova, Z. Matejka, L. Jelinek, N. Kabay, P. Kauppinen, React. Funct. Polym. 67

(2007) 1622–1627.

12. S. Yavuz, U. Yuksel, M. Yuksel, N. Kabay, Proceedings of International Congress on Production of Safe

Water, İzmir, Turkey, January 21-23, 2009, pp. 241-242.

13. www.millipore.com

Şekil 3: Uygulanan basıncın bor giderimine etkisi

Şekil 4: Jeotermal su-reçine temas

süresinin bor giderimine etkisi

http://www.millipore.com/


179

Jeotermal Sulardan Bor Giderimi İçin Yeni Entegre Sistem:

Sorpsiyon-Membran Filtrasyon Hibrit Yöntemi

P.Köseoğlu1, E.Güler

2, İ.Yılmaz-İpek

2, Ü.Yüksel

1, M.Yüksel

2, N.Ö.Yiğit

3, M.Kitiş

3,

N.Kabay2*

1Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi, Kimya Bölümü, 35100 Ġzmir


3Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi,

Çevre Mühendisliği Bölümü, Isparta


Bor, bitkilerin gelişimi için gerekli olan temel elementlerden biridir. Sulama sularında

bulunan en düşük düzeydeki bor derişimi hücre çoğalması, nükleik asit metabolizması ve

fotosentezi kontrol eden şekerlerin metabolizması gibi çeşitli metabolik aktiviteler için

gereklidir. Bor eksikliğinde aşırı dallanma, bitkinin gelişiminin durması gibi sonuçlar

ortaya çıkmaktadır. Fakat bitkilerin alması gereken optimum bor miktarı aralığı çok dardır.

Sulama sularında en düşük değerden çok az yüksek olan bor derişimleri bazı bitkilerin

gelişimini olumsuz yönde etkileyerek, yaprak ve meyvelerde sarı beneklerin oluşmasına,

hızlı çürüme ve de sonunda bitkinin ölümü gibi belirtiler gösteren bor zehirlenmesine

neden olmaktadır [1].

Ayrıca borun bazı laboratuar hayvanlarının üreme sistemleri üzerinde olumsuz etkileri

olduğu kanıtlanmıştır. Dünya Sağlık Örgütü bor için içme sularındaki maksimum limit

değeri 0.3 mg/L olarak önermektedir [2]. Bu nedenlerden ötürü jeotermal sulardan borun

uzaklaştırılması önemli bir sorundur.

Sulu çözeltilerden borun uzaklaştırılması için çok sayıda yöntem uygulanmaktadır.

Bunların arasında fonksiyonel grup olarak N-metil glukamin içeren şelatlayıcı reçineler ve

fiberler ile iyon değiştirme yöntemi en çok çalışılan yöntemlerden biridir. Ters ozmos ve

elektrodiyaliz gibi bazı membran prosesleri de sulardan bor uzaklaştırılmasında

kullanılmaktadır [3].

Son zamanlarda uygun sorbentler ve onların ortamdan uzaklaştırılmasını sağlayan

membranların birleştirilmesi ile ileri bir ayırma prosesi geliştirilmiştir. Bu hibrit sistem su

arıtımı ya da sulardan herhangi bir maddenin ayrılmasında oldukça etkilidir. Sabit yataklı

iyon değiştirme sistemleri ile karşılaştırıldığında en önemli avantajı; yüksek verim ve daha

düşük maliyettir. Sorpsiyon-membran filtrasyon hibrit sistemi, reçine yüzey alanının

artması ile ayırma işleminin önemli ölçüde hızlanmasını sağlayan küçük tanecik

boyutlarındaki sorbentlerin kullanılabilmesini olanaklı hale getirmektedir. Bu tür

sistemlerde enerji tüketimi kolon sistemlerinkinden daha düşüktür. Ayrıca membran

yüzeyinde oluşabilecek sinerjik etkiler prosesin gücünü arttırmaktadır [4-6].

Bu çalışma, yeni bir ayırma teknolojisi olan batık sorpsiyon-membran filtrasyonu hibrit

sistemi ile 10-11 mg B/L derişiminde bor içeren jeotermal sudan borun uzaklaştırılmasını

hedeflemektedir.

Hibrit proses, peristaltik pompalar ile besleme ve taze reçine tanklarından jeotermal su ve

taze reçine süspansiyonunun batık membran tankına beslenmesi ve doygun reçine

süspansiyonunun yine batık membran tankından uzaklaştırılmasından meydana

gelmektedir. Batık membranın iç kısmına, membran yüzeyinde oluşabilecek birikme ve

çökme gibi problemler ile karşılaşmamak için kompresör ile hava verilmektedir. Verilen

havanın debisi bütün denemelerde 4 L/dk olarak sabit tutulmuştur. Batık membran


180

tankındaki hacmi sabit tutmak amacıyla, jeotermal suyun besleme hızı ile ürün suyunu

toplama hızı ve taze reçine besleme hızı ile doygun reçine uzaklaştırma hızı birbirlerine

eşit olacak şekilde ayarlanmıştır. Yapılan ön testlerde, taze ve doygun reçine yer

değiştirme hızının jeotermal sudan borun uzaklaştırılması üzerindeki etkisi incelenmiştir.

Bütün denemeler iki kez tekrar edilmiş ve bu denemeler sırasında jeotermal suyun bor

derişimindeki seyrelme oranını gözlemlemek için kör çalışma yapılmıştır. Denemeler üç

saat süren kısa süreli testler şeklinde gerçekleştirilmiştir.

Bütün denemelerde sorbent olarak 0-20 µm tanecik boyutu aralığındaki bora seçimli

şelatlayıcı bir reçine olan DOWEX XUS-43594.00 (DOW, Almanya) kullanılmıştır.

Sorpsiyon-membran filtrasyon hibrit denemeleri, ZW-1 oyuk fiber batık ultrafiltrasyon

membran modülü (General Electrics, İsrail) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Denemelerde

kullanılan jeotermal suyun özellikleri Æizelge 1‟de verilmiştir. Bor analizleri

spektrofotometrik Azomethine-H metodu ile gerçekleştirilmiştir.

Tablo 1. Jeotermal suyun özellikleri

Yapılan ön çalışmalarda incelenen ilk parametre, doygun ve taze reçinenin yer

değiştirme hızıdır (Qy). Bu denemede, DOWEX XUS-43594.00 şelatlayıcı reçine için

jeotermal sudan borun uzaklaştırılmasında daha önceden belirlenmiş optimum reçine

miktarı kullanılmıştır. Denemeler süresince batık membran tankına taze reçine

süspansiyonunun beslenmesi sonucu tanktaki jeotermal suyun bor derişiminde %19 kadar

azalma gözlemlenmiştir. Reçinenin yer değiştirme hızının etkisini incelemek için, yer

değiştirme hızı 3 ve 6 mL/dk olan denemeler yapılmıştır. Hız 6 mL/dk iken jeotermal

suyun bor derişiminin, onuncu dakikada sulama suları için maksimum limit değer olan 1

mg B/L‟nin altına indiği gözlemlenmiştir. Bu süre, reçine yer değiştirme hızının 3 mL/dk

olduğu durumda on beş dakikaya çıkmıştır. Ayrıca reçine yerdeğiştirme hızı 6 mL/dk iken;

bor derişimi 30 dakika sonra sabitlenmiş, fakat hız 3 mL/dk olduğunda, derişim ilk bir

saatten sonra artmaya başlamıştır (Şekil 1).


Na+ 366.30 Cl

- 187.7

K+ 26.34 SO4

2- 108.9

Ca2+

26.24 F- 4.45

Mg2+

3.70 HCO3- 622.26

pH 8.6

EC (µS/cm) 1770

TDS (mg/L) 885

Tuzluluk (‰) 0.7


B (mg/L) 10.5-10.9 (Curcumine Yöntemi)

10.25-11.00 (Azomethine-H Yöntemi)


181

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

C/C

o

Zaman (dk.)

Qy=6mL/dk.

Qy=3mL/dk.

Kör Çalışma (Qy=3mL/dk.)

Şekil 1. Reçine yer değiştirme hızının jeotermal sudan borun uzaklaştırılması üzerine etkisi

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 FEN 039) tarafından desteklenmiştir. Jeotermal su örneklerinin

alınmasında verdikleri her tür destekten dolayı; İzmir Jeotermal Enerji Şirketi‟ne çok

teşekkür ederiz. Bor seçimli reçineleri temin eden Almanya‟nın Dow firması‟ndan M.Busch‟a,

jeotermal su analizlerindeki desteklerinden ötürü M.Akçay, S. Solak ve E.Yavuz‟a ayrıca

teşekkür ederiz.

Referanslar 1. N. Nadav, Boron removal from seawater reverse osmosis permeate utilizing selective ion exchange resin.

Desalination 124 (1999) 131-135.

2. I. Yilmaz Ipek, N. Kabay, M. Yuksel, O. Kirmizisakal, M. Bryjak, Removal of boron from Balçova-

Izmir geothermal water by ion exchange process: batch and column studies. Chemical Engineering

Communications 196 (1) (2009) 277-289.

3. N. Kabay, I. Yilmaz, S. Yamac, M. Yuksel, U. Yuksel, N. Yildirim, O. Aydogdu, T. Iwanaga, K.

Hirowatari, Removal and recovery of boron from geothermal wastewater by selective ion-exchange

resins - II. Field tests. Desalination 167 (2004) 427-438.

4. I.Yilmaz, N. Kabay, M. Bryjak, M.Yuksel, J. Wolska, A. Koltuniewicz, A submerged membrane–ion-

exchange hybrid process for boron removal. Desalination 198 (2006) 310-315.

5. N. Kabay, I. Yilmaz, M. Bryjak, M.Yuksel, Removal of boron from aqueous solutions by a hybrid ion

exchange–membrane process. Desalination 198 (2006) 158-165.

6. N. Kabay, I. Yilmaz-Ipek, I. Soroko, M. Makowski, O. Kirmizisakal, S. Yag, M. Bryjak, M. Yuksel,

Removal of boron from Balçova geothermal water by ion exchange-microfiltration hybrid process.

Desalination 241 (2009) 167-173.


182


183

Mini-Pilot Ölçek Spiral Sarım Ters Ozmos Sistemiyle Jeotermal

Sulardan Bor Giderilmesi

E.Yavuz1, E.Güler

2, G.Sert

3, Ö.Arar

1, M.Yüksel

2, Ü.Yüksel

1, M.Kitiş

4, N.Kabay

*2

1Ege Üniversitesi, Fen Fakültesi, Kimya Bölümü, 35100


3Ege Üniversitesi, Su Ürünleri Fakültesi, 35100 Ġzmir

4 Süleyman Demirel Üniversitesi, Mühendislik Mimarlık Fakültesi,

Çevre Mühendisliği Bölümü, Isparta


Son yıllarda temiz su kullanımı ve içme suyuna duyulan gereksinim, önemli ölçüde

artmıştır. Temiz içme suyu günlük yaşam için olduğu kadar, endüstriyel üretim içinde

gereklidir. Günümüzde, içme ve sulama suyu üretimi, küresel bir sorun haline gelmiştir.

Bugünlerde, bir milyardan fazla insan, temiz olmayan içme sularından içmekte ve yaklaşık

olarak 2.3 milyar insan (yaklaşık dünya nüfusunun %41‟i) su sıkıntısının olduğu

bölgelerde yaşamaktadırlar. Ülkeler gelişmeye ve şehirler genişlemeye devam ettikçe,

mevcut su kaynakları gereksinimleri karşılayamaz hale gelecektir. Sonuç olarak

yeryüzünün bir kısmını oluşturan okyanus, göl ve nehir sularının tuzsuzlaştırılması; ayrıca

arıtılan suların yeniden kullanılması, gelecek nesillere su sağlamanın yolları olarak ortaya

çıkmaktadır.

Membran prosesler kullanarak gerçekleştirilen tuzsuzlaştırma işlemleriyle kırk yılı aşkın

süredir içme ve kullanma suyu üretimi yapılmaktadır. Tuzlu suların tuzsuzlaştırılmasında

özellikle ters ozmos sistemi az tuzlu sular için, düşük enerji tüketimi ile bu alanda büyük

avantaj sağlamaktadır.

Az tuzlu su kaynakları ise, çoğunlukla yeraltı sularıdır. Jeotermal sular, yeraltı sularına çok

iyi bir örnektir. Jeotermal suların çoğu oldukça yüksek miktarda bor ve silika içermektedir.

Hidrojen karbonat iyonları bakımından zengin olan termal sulardaki bor derişimi 10-30

mg/L arasında değişmektedir [1-4]. Kaplıcalarda kullanılan termal sular, kullanıldıktan

sonra genellikle tarımsal arazileri sulamak amacıyla deşarj edilmektedir. Suyun kaynağına

göre, yapısında farklı türde elementler bulunduran jeotermal sular, bulunduğu bölgedeki

toprakların kimyasal, biyolojik ve fiziksel yapısının değişmesine neden olur. Bitkiler,

metabolik aktivitelerini devam ettirebilmeleri için az miktarda da olsa bora gereksinim

duymaktadırlar. Düşük miktarlarda bor, bitkiler için yararlı iken; sudaki derişimi 1.0 mg/L

seviyesinin üzerine çıktığında bazı bitkiler için zehirli olmaktadır. Dünya Sağlık Örgütü

içme sularındaki bor derişimini 0.3 mg/L olarak belirlemiştir [5].

Bu çalışmada, İzmir Jeotermal Bölgesinde kurulan mini-pilot ölçekte spiral sarım ters

ozmos sistemiyle, jeotermal sulardan bor giderilmesi incelenmiştir.

Ters ozmos sistemine ilişkin akış diyagramı Şekil 1‟de gösterilmiştir.


184

Şekil 1. Ters ozmos sistemi akış diyagramı

Bu çalışmada, önce sıcaklık aralığı 54-56oC olan ve re-enjeksiyon hattından alınan

jeotermal su, oda sıcaklığına gelmesi için besleme tankında bekletilmiştir. Oda

sıcaklığındaki besleme suyu daha sonra alçak basınç pompası yardımıyla kum filtreye

taşınmış, böylece besleme suyunda bulunabilen büyük çaptaki taneciklerin filtrede

alıkonulması sağlanmıştır. Kum filtreden süzülen besleme suyu, sırasıyla; 10 mikron ve 5

mikron‟luk kartuş filtrelerden geçirildikten sonra, yüksek basınç pompası yardımı ile ters

ozmos membranlarına beslenmiştir. Membrandan süzülen ürün su, süzüntü tankında

toplanırken, membranın diğer yüzünde biriken konsantre, atık su olarak toplanmıştır. Ters

ozmos sisteminde birbirine paralel konumda bağlı iki adet spiral sarım membran

bulunmaktadır. Böylece denemelerde membran sayısının etkisi incelenebilmiştir. Sistemde

kullanılan membranlar, Filmtec (BW30-2540) spiral sarımlı poliamid, ince-film kompozit

membranlardır. Uygulanan basıncın üretilen ürün suyun kalitesine etkisi, iki farklı basınç

değeri (12 ve 15 bar) için incelenmiştir. Öte yandan, tek ve çift membran ile aynı çalışma

koşullarında ayrı ayrı çalışılarak, membran sayısının ürün su kalitesi üzerindeki etkisi

ayrıca incelenmiştir. Deneyler üç saat süre ile gerçekleştirilmiş ve her bir deneme iki kez

tekrarlanmıştır. Süzüntü ve konsantre örnekleri, her yirmi dakikada bir alınmıştır. Süzüntü

akısı ve toplam süzüntü hacmi hesapları için konsantre ve süzüntü debileri ölçülmüştür.

Deney süresince tüm örnekler için, iletkenlik, pH, TDS (Toplam çözünmüş katı), tuzluluk

değerleri ölçülmüştür. Bor analizleri ise spektrofotometrik olarak Azomethine-H yöntemi

ile gerçekleştirilmiştir. Besleme suyunun ve sistemden alınan süzüntü örneklerinin anyon

(Cl-, SO4

2-, HCO3

-) derişimleri iyon kromatografisi ile ölçülürken, katyon (Na

+, K

+, Ca

2+,

Mg2+

) derişimleri atomik absorbsiyon spektrofotometresi ile ölçülmüştür.

Denemelerde kullanılan besleme suyunun özellikleri Æizelge 1‟ de verilmiştir.

Basınç ve membran modül sayısının sistem performansı üzerine etkisi, Æizelge 2‟ de

verilmiştir. Æalışmalarda konsantre debisi her denemede aynı değerde sabit tutulmuştur.

Tek membran ile çalışıldığında; uygulanan basıncın 12 bar‟dan 15 bar‟a artırılması ile;

jeotermal sudan tuz ve bor giderimlerinin pek değişmediği gözlemlenmiştir. Æift membran

ile yapılan denemelerde ise, basınç artırılması ile tuz ve bor giderimlerinde bir miktar

artış olmuştur. Uygulanan basınç değeri, 12 bar‟da sabit tutulup, membran sayısı tek

membrandan çift membrana değiştirildiğinde; bor giderimi bir miktar azalmıştır. Aynı

basınç değerlerinde membran sayısı tek membrandan çift membrana değiştirildiğinde veya

membran sayısı aynı tutulup, basınç değeri artırıldığında; süzüntü akı değerinin düştüğü


185

gözlenmiştir. Aynı basınç değerlerinde membran sayısı tek membrandan çift membrana

değiştirildiğinde ise, tuz giderimi azalmıştır. Yapılan tüm denemelerde, tuz gideriminin,

%98‟den fazla olduğu bulunmuştur. Bununla birlikte, her bir denemede elde edilen ürün

suyundaki bor derişiminin, içme ve sulama suyu için izin verilen standart değerlerin

üstünde olduğu bulunmuştur.

Çizelg

e 1. Jeotermal besleme suyunun özellikleri ve içerdiği bazı türler

Çizelge 2. Basıncın ve membran modül sayısının sistem performansı üzerine etkisi

Teşekkür

Bu çalışma Ulusal Bor Araştırma Enstitüsü, BOREN (Proje Numarası 2008-G-0192) ve

Ege Üniversitesi Rektörlüğü-Bilimsel Araştırma Projeleri (BAP) Üst Komisyonu (Proje

Katyonlar

Derişim

(mg/L)

Anyonlar Derişim

(mg/L)

Na + 323.5-363.0 Cl

- 159.6-168.7

K + 26.7-35.8 HCO3

- 616.7-666.1

Ca2+

20.0-22.0 SO4-2

167.1-174.1

Mg 2+

2.3-2.9

pH 7.3-7.4

EC (µS/cm) 1679-1772

TDS (mg/L) 840-887

Tuzluluk (‰) 0.7

Turbidite (NTU) 11.5-25.5

B (mg/L) 8.8 - 9.3 (Azomethine-H Yöntemi)

Deney

No

Basınç

(bar)

Modül

sayısı

Sıcaklık

(oC )

Tuz

giderimi

(%)

Süzünt

ü

akısı

(L/m2s)

Süzüntü

[B]

(mg/L)

Bor

giderimi

(%)

Süzüntü

geri

azanımı

(%)

1.1 12 Tek 28.6 98.5 40.0 4.90 47.1 32.7

1.2 12 Tek 27.6 98.6 37.7 4.67 47.0 31.6

2.1 12 Æift 25.5 98.2 36.2 5.96 34.8 47.0

2.2 12 Æift 26.5 98.3 34.8 5.73 37.3 46.1

3.1 15 Tek 27.8 98.7 46.1 4.50 49.4 35.8

3.2 15 Tek 31.5 98.5 54.9 5.27 42.1 40.4

4.1 15 Æift 31.4 98.4 47.9 5.36 39.9 55.2

4.2 15 Æift 28.9 98.6 43.2 5.44 46.2 52.8


186

Numarası 2009-FEN-040) tarafından desteklenmiştir. İzmir Jeotermal Enerji Şirketi‟ne

çalışmalarımızda gösterdikleri her türlü destek ve kolaylık için çok teşekkür ederiz.

Jeotermal su analizlerindeki yardımlarından dolayı; M.Akçay, Dr.İ.Yilmaz-Ipek, S.Solak

ve P.Köseoğlu‟na ayrıca teşekkür ederiz.

Referanslar

1. N.Kabay, I.Yilmaz, S.Yamac, S.Samatya, M.Yüksel, Ü.Yüksel, M.Arda, M.Sağlam, T.Iwanaga,

K.Hirowatari, React.Func.Polym. 60 (2004) 163-170.

2. N. Kabay, I. Yilmaz, S. Yamac, M. Yuksel, U. Yuksel, N. Yildirim, O. Aydogdu, T. Iwanaga, K.

Hirowatari, Desalination 167 (2004) 427-438.

3. N. Kabay, I. Yilmaz-Ipek, I. Soroko, M. Makowski, O. Kirmizisakal, S. Yag, M. Bryjak, M. Yuksel,

Desalination 241 (2009) 167-173.

4. I. Yilmaz Ipek, N. Kabay, M. Yuksel, O. Kirmizisakal, M. Bryjak, Chem.Eng.Commun. 196 (1) (2009)

277-289.

5. World Health Organization-Boron Environmental Health Criteria 204, World Health Organization,

Geneva, 1998.


187

İzobutil Asetatın Eldesine Yönelik Esterleşme Reaksiyonunun

Amberlyst 15 Katalizörü Varlığında Pervaporasyon Membran

Reaktörde İncelenmesi

Sevinç Korkmaz, Salih Dinçer

Yıldız Teknik Üniversitesi, Kimya-Metalurji Fakültesi, Kimya Mühendisliği Bölümü,

DavutpaĢa-ĠSTANBUL

Membran, temas halinde bulunan sıvı ve/veya buhar (gaz) gibi iki akışkan fazındaki

moleküler veya iyonik türlerin akışına karşı bariyer gibi davranan ve bir fazdan diğerine

belli ölçüde taşınım sağlayan heterojen veya homojen bir fazdır [1]. Membranlar 100 yılı

aşkın bir süredir ayırma ajanı olarak bilinmelerine karşın geniş çapta uygulamaları son 50

yılda yaygın hale gelmiştir [2]. İlk olarak 1970lerde uygulanmaya başlanan membran

reaktörler ürünlerin ayrılması, saflaştırılması, reaksiyonu katalizlemek veya inhibite etmek

ya da dengeyi istenen yöne çevirmek için bünyesinde reaktif membran bulunduran

sistemlerdir [3,4]. Geleneksel yöntemlere nazaran daha az enerji gerektiren ve daha az

maliyetli olan pervaporasyon membran reaktör (PVMR) prosesi ise, esterleşme sırasında

ürünü (ester) ya da yan ürünü (su) reaksiyon ortamından uzaklaştırmak suretiyle

reaksiyonu uygun bir yöne kaydırır ve reaksiyon zamanını kısaltır [5]. PVMR‟ler

verimliliğin reaksiyon dengesi ile sınırlanmaması sayesinde daha yüksek dönüşüm elde

edilmesi, reaksiyonun daha hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilmesi ve üretim maliyetlerinin

azalması avantajlarından dolayı son yıllarda oldukça ilgi çekmektedir [6]. Reaksiyon

oluşurken ortamdaki sıvı ürünün seçici olarak pervaporasyon ilkesiyle (sorpsiyon ve

difüzyon) geçirilip termodinamik dengenin ürün yönünde kaydırılması pervaporasyon

membran reaktör (PVMR) uygulamasının kuramsal temelini oluşturmaktadır. Bu

çalışmada sunulan deneysel çalışmanın amacı, kozmetik, aroma, boya ve vernik olmak

üzere çeşitli sanayi uygulamalarında geniş kullanım alanlarına sahip değerli bir çözücü

olan izobutil asetatın ürün olarak ele geçirildiği esterleşme denge reaksiyonunun

Amberlyst 15 katalizörü varlığında pervaporasyon membran reaktörde (PVMR)

incelenmesidir [7,8]. PVMR ile karşılaştırma amacıyla basit kesikli membransız reaktörde

(BKR) esterleşme reaksiyonu deneyleri gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, katalizör miktarı ve

reaksiyon süresinin etkisi araştırılmış; pervaporasyon performansı akı ve seçilik

grafikleriyle irdelenmiştir.

Deneylerde kullanılan PDMS membranlar laboratuarımızda hazırlanmıştır. Bunun için, iki

bileşenden (RTV 615 A ve çapraz bağlayıcısı RTV 615 B) oluşan PDMS, GE Silicones‟

dan satın alınmıştır. PDMS ve çapraz bağlayıcısı 10/1‟lik ağırlık oranında karıştırıldıktan

sonra vakumla hava kabarcıklarından arındırılmıştır. PDMS karışımı membran kalıplarına

döküldükten sonra 100°C‟de, 1 saat boyunca çapraz bağlanmıştır [10]. PVMR

deneylerinde kullanılan membranlar 200 μm kalınlığındadır. HPLC kalitesinde izobutanol

ve asetik asit J.T. Baker‟dan satın alınmıştır. Tablo 1‟ de fiziksel özellikleri verilen ıslak

iyon değiştirici katalizör Amberlyst 15 Rhom&Haas firması tarafından temin edilmiştir.

Amberlyst 15, kuvvetli asidik, çapraz bağlı sülfonlanmış stiren divinil benzen kopolimeri;

makroretikular polimerik bir reçinedir [9]. Islak reçine katalizör 90°C‟deki etüvde iki gün

tutulmak suretiyle kurutulmuştur.


188

Tablo 1. Amberlyst 15 katalizörünün fiziksel özellikleri [9]. Özellikler Amberlyst 15

Fiziksel şekli Opak tanecikler

İyonik form H+

Toplam iyon değiştirme

kapasitesi

1.7 eq/L

4.7 eq/kg

Nem % 50-60

Yüzey alanı* 35.62 m2/g

Ort. tanecik büyüklüğü 0.60-0.85 mm

Maks. çalışma sıcaklığı 120°C

*Yüzey alan ölçümü İTÜ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümünde

yapılmıştır (BET cihazı marka-model; Quantachrome- NOVA 200 E)

PVMR (Şekil 1 (a)) ile karşılaştırma amacıyla basit kesikli membransız reaktörde (BKR)

membransız esterleşme reaksiyonu (Şekil 1 (b)) deneyleri yapılmıştır. BKR deneyinin

yöntemi şu şekilde gerçekleştirilmiştir: Alkol ve katalizör reaksiyon balonuna birlikte

konarak çalışma sıcaklığına ısıtılır ve karıştırılır. Karboksilik asit ayrı olarak çalışma

sıcaklığına ısıtılır ve reaksiyon balonuna konduğu an başlangıç anı olarak kaydedilir.

Bundan sonra her yarım saatte bir numune alınarak gaz kromatograf cihazında analiz edilir

ve dönüşüm hesaplanır. PVMR ve BKR deneylerinden elde edilen permeat ve numune

bileşimleri Shimadzu GC-9A marka gaz kromatograf (GC) cihazı ile belirlenmiştir. GC

cihazında kullanılan kolon tipi Porapak T kolondur ve bileşenler termal iletkenlik

dedektörüyle (TCD) analiz edilmiştir. Æalışılan TCD sıcaklığı 200°C‟dir. Taşıyıcı gaz

olarak Helyum kullanılmıştır. Şekil 1‟de PVMR [11] ve BKR deneyleri için kullanılan

kesikli reaktör deney düzenekleri verilmektedir [7,8].

(a) (b)

Şekil 1. PVMR [11] (a) ve BKR (b) deneyleri için kullanılan kesikli reaktör deney düzeneği: (a) 1-2. Geri soğutucuya

soğuk su giriş ve çıkışı, 3. Geri soğutucu, 4. Karıştırıcı, 5. Sıcaklık ölçer, 6. Numune alma vanası, 7-8. Membran reaktör

ceketine sıcak su giriş ve çıkışı, 9. Membran, 10. Vakum ölçer, 11. Vakum pompası, D1,D2,D3. Soğuk tuzaklar. (b) 1.

Reaktör balonu, 2. Geri Soğutucu, 3. Sirkülatör, 4. Sıcaklık ölçer, 5. Manyetik Karıştırıcı.

PVMR için deneysel düzenek Şekil 1 (a)‟da görülen ana kısımlardan oluşmuştur.

Permeatın (geçen akım) tutulması soğuk tuzaklarda (dewar kaplarında) sıvı azotla

gerçekleştirilmiş ve derişim ölçümleri için gaz kromatografı (GC) kullanılmıştır. Belirli

zaman aralıklarında toplama kabı ve reaksiyon hücresinden numuneler alınarak gaz

kromatografında analiz edilmektedir. Böylece zamana bağlı olarak dönüşüm ve seçicilikler

hesaplanmaktadır. Ayrıca toplama kabında toplanan ürün, bu zaman aralıklarında tartılarak

toplam akı (J=p/A·T) hesaplanmaktadır. Burada p; toplanan ürün miktarı (kg), t;

zaman (sa), ve A; efektif membran alanıdır (m2). Yaptığımız bu deneylerde, efektif PDMS

membran alanı 13.25 cm2, efektif membran alanı/reaksiyon karışımı hacmi (A/V) ise

0.1325 cm-1

‟dir [11,12]. Bileşenlerin toplam akı içerisindeki kısmi akılarına ise (J′=J·yi)


189

eşitliğiyle ulaşılabilir. Burada yi, i bileşeninin permeattaki ağırlık kesridir. Seçicilik ise

(Seçicilik=(yi/yj)/(xi/xj)) formülüyle karakterize edilir. Burada, x ve y, sırasıyla, ilgili

bileşenlerin beslemedeki ve permeattaki ağırlık kesridir.

Amberlyst 15 katalizörü ile 60°C‟de, eşit molar durumda (M=1), çeşitli katalizör

miktarlarında, BKR ve PVMR deneyleri yapılmıştır. Şekil 2‟de, kesikli reaktör ve

membran reaktörde elde edilen dönüşümlerin zamanla ve katalizör miktarıyla değişimleri

ve bu dönüşümlerin birbiriyle karşılaştırılmaları görülmektedir. PVMRde elde edilen

dönüşümler BKR‟e göre daha yüksektir. Bu, oluşan izobutil asetatın sürekli olarak

membrandan seçici olarak geçerek dengeyi ürünler lehine kaydırmasının sonucu

gerçekleşmiştir. Ayrıca katalizör derişimi arttıkça reaksiyon daha hızlı bir şekilde

gerçekleşerek birim zamanda üretilen iBAc hızı arttığından dolayı dönüşümler de artmıştır.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 2 4 6 8

t (sa)

X (

AsA

c D

önüşüm

ü)

PVMR, C=16.67 g/L

BKR, C=16.67 g/L

PVMR, C=10 g/L

BKR, C=10 g/L

PVMR, C=3.33 g/L

BKR, C=3.33 g/L 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0 5 10 15 20C (g/L)

X (

AsA

c D

önüşüm

ü)

PVMR

BKR

(a) (b)

Şekil 2. Farklı Amberlyst 15 katalizörü miktarlarının kesikli reaktör ve pervaporasyon membran reaktörde yapılan

deneylerinde elde edilen asetik asit dönüşümlerinin, zamanın (a) ve katalizör miktarının (b) bir fonksiyonu olarak

karşılaştırılması (M=1, T=60°C).

Şekil 3‟de Amberlyst 15 katalizörü ile pervaporasyon membran reaktörde yapılan

deneylerde elde edilen toplam ve kısmi akılar görülmektedir. İzobutil asetat akıları,

katalizör derişimi arttıkça iBAc üretimi hızlandığı için aynı reaksiyon süresinde daha çok

üretildiğinden dolayı artmıştır. Genel olarak reaksiyonun ilerledikçe artan iBAc miktarına

bağlı olarak kısmi akı sıralaması şu şekildedir: JiBAc>JiBOH>JAsAc>Jsu. Bu sonuç bileşenlerin

polariteleriyle uyumludur. İzobutil asetatın, bireysel olarak tek tek diğer bileşenlere karşı

seçiciliklerine baktığımızda (Şekil 4) iBAc‟ın iBOH‟e karşı seçiciliğinin diğer

bileşenlerinkine göre daha yüksek, iBAc‟ın suya karşı seçiciliğinin diğer bileşenlerinkine

göre daha az olduğunu görüyoruz. Bu durum, PDMS membranın ayırmada izobutil asetata

karşı en az izobutanolü; göreli de olsa izobutil asetata karşı suyu en fazla geçirdiğini

göstermektedir. Bu, iBAc‟e karşı PDMS membrandan seçici geçiş sıralamasının molekül

boyutundan etkilendiğini göstermektedir. Membranın kısıtlı serbest hacminden suyun

geçişi, suyun AsAc ve iBOH‟den çok daha küçük bir molekül olması sayesinde kolaylaşır

ve suyun permeattaki yüzdesi göreli olarak artar.


190

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 2 4 6 8t (sa)

Akı (k

g/m

² h)

Toplam akıiBAc akısıiBOH akısıAsAc akısıSu akısı

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 2 4 6 8t (sa)

Akı (k

g/m

² h) Toplam akı

iBAc akısıiBOH akısıAsAc akısıSu akısı

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 2 4 6 8t (sa)

Akı (k

g/m

² h)

Toplam akıiBAc akısıiBOH akısıAsAc akısıSu akısı

(a) C=3.33 g/L (b) C=10 g/L (c) C=16.67 g/L

Şekil 3. Amberlyst 15 katalizörü ile pervaporasyon membran reaktörde gerçekleştirilen reaksiyonda, toplam akı ve

bileşenlerin kısmi akılarının reaksiyon zamanına bağlı olarak değişimi (a) C=3.33 g/L, (b) C=10 g/L ve (c)

C=16.67 g/L Amberlyst 15, (M=1, T=60°C).

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 2 4 6 8t (sa)

Seçic

ilik (

iBA

c/i)

iBac/su

iBac/iBOH

iBAc/AsAc

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 2 4 6 8t (sa)

Seçic

ilik (iB

Ac/i)

iBAc/su

iBAc/iBOH

iBAc/AsAc

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 2 4 6 8t (sa)

Seçic

ilik (

iBA

c/i)

iBAc/su

iBAc/iBOH

iBAc/AsAc

(a) C=3.33 g/L (b) C=10 g/L (c) C=16.67 g/L

Şekil 4. PVMR‟de gerçekleştirilen deneylerde, izobutil asetatın, tek tek diğer bileşenlere karşı seçiciliğinin reaksiyon

zamanına bağlı olarak değişimi; (a) C=3.33 g/L, (b) C=10 g/L ve (c) C=16.67 g/L Amberlyst 15 (M=1, T=60°C).

Bu çalışmada izobutil asetatın ürün olarak ele geçirildiği esterleşme denge reaksiyonu

Amberlyst 15 katalizörü varlığında pervaporasyon membran reaktörde (PVMR)

incelenmiştir. Artan katalizör derişiminin dönüşümü arttırdığı gözlenmiştir. PVMR‟de elde

edilen dönüşümler basit kesikli membransız reaktöre (BKR) göre daha yüksek çıkmıştır.

Pervaporasyon performansı akı ve seçicilik verileri aracılığıyla değerlendirilmiştir. PDMS

membranla yüksek akıların elde edilebileceği ve membranın iBAc‟ı diğer bileşenlerden

daha çok seçtiği görülmüştür. Sonuç olarak, PVMR sonuçları PDMS membranın

esterleşme reaksiyonunda oluşan iBAc‟ ı, BKR‟e göre daha yüksek dönüşüm ve makul akı

değerleriyle seçici olarak uzaklaştırabileceğini göstermiştir.


191

Teşekkür YTÜ BAPK 25-07-01-06 ve 28-07-01-02 nolu proje desteklerine, Sevinç Korkmaz‟ a sağlanan TÜBİTAK-

BİDEB Yurtiçi Doktora Burs Programı desteğine ve BET analizleri için yardımlarını esirgemeyen İTÜ

Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümünden, sayın Doç.Dr. Gültekin Göller„e teşekkür ederiz.

Kaynaklar 1. Lakshminarayaniah, N., (1972), Transport Phonemena in Membranes, Academic Press, USA.

2. Cussler, E.L., (1997), Diffusion, Mass Transfer in Fluid Systems, Cambridge Univ. Press, USA.

3. Winston Ho, W.S., Sirkar, K.K., Reinhold, V.N., (1992), Membrane Handbook, Kluwer Acad.Pub.

4. Sirkar, K.K., Shanbhag, P.V. ve Kovvali, A.S., (1999), American Chem. Society, 38: 3715-3737.

5. Waldburger, R.M. ve Widmer, F., (1996), Chemical Engineering & Technology, 19(2): 117-126.

6. Liu, Q., Zhang, Z. ve Chen, H., (2001), Journal of Membrane Science, 182: 173-181.

7. Korkmaz, S., “Kesikli Membran Reaktörde İzobutil Asetat Eldesine Yönelik Esterleşme

Reaksiyonunun Æeşitli Katalizörler Varlığında İncelenmesi”, Doktora Tezi, YTÜ FBE, İstanbul,

devam ediyor.

8. Korkmaz, S., Salt, Y., Hasanoğlu, A., Özkan, S., Salt, İ., Dinçer, S., (2009), Appl. Catal. A: Gen.,

366: 102-107.

9. http://www.rohmhaas.com

10. Salt, Y., (2002), “İki Bileşenli Sıvı Karışımların Pervaporasyonla Ayrılması”, Doktora Tezi, YTÜ

FBE, İstanbul.

11. Dinçer, S. (Yürütücü), Hasanoğlu, A., Salt, Y., Salt, İ., Korkmaz, S., Özkan, S., (2007),

“Etanol-asetik asit (esterleşme) ve Etilasetat-su (hidroliz) Reaksiyonlarının Pervaporasyon

Membran Reaktörde İncelenmesi”, Bitirme Raporu, YTÜ BAPK Araş. Projesi No: 25-07-01-06.

12. Hasanoğlu, A., Salt, Y., Keleşer, S., Dinçer, S., (2009), Desalination, 245: 662-669.


192


193

Konvansiyonel Aktif Çamur Sistemleri ile MBR Sistemlerinin

Tasarımı ve Maliyetlerinin Karşılaştırılması

Börte Köse ve İsmail Koyuncu

Ġstanbul Teknik Üniversitesi, ĠnĢaat Fakültesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Maslak 34469,

Ġstanbul, Türkiye

Avrupa Birliği‟ ne uyum süreci içerisinde ve tüm dünyayı etkisi altına alan susuzluk

sorunu ile mücadele etme durumunda olan Türkiye, gelişmekte olması da göz önüne

alındığında atıksuların arıtılması, kullanılabilir su kaynaklarının verimli kullanılabilmesi

gibi konularda çözüm üretirken, aralarından tercih yapacağı teknolojileri başarılı bir

şekilde değerlendirmelidir. Atıksuların yönetimi konusunda gelecekteki hedeflere adım

adım ulaşmak için yapılan bu girişimler, daha sonrasında bir başka girişime rahatça

başlayabilmek adına en yüksek verimde gerçekleştirilmelidirler. Girişimlerin sağlıklı

gerçekleşmemesi yatırım maliyetlerinin artmasına, zaman kaybına ve tüm bunlara rağmen

iyi sonuçlar elde edilememesine sebep olur. Hiç şüphesizdir ki bunların içinde en önemlisi

yatırım maliyetlerinin artmasıdır. Türkiye genelindeki mevcut arıtma tesisleri

incelendiğinde, konvansiyonel olarak projelendirilmiş tesislerin yapılan hatasız tasarımlara

rağmen işletimde zorlandıkları gözlenebilir. Bunun anlamı, yeni teknolojilerin denenebilir

olduğu bir dönemde olduğumuzdur. Bu bakış açısı ve amaçla, bu çalışmada atıksu arıtma

tesislerinin verimlerini garantileyecek, maliyetleri düşürecek ve çıkışta alıcı ortam

kalitesini neredeyse hiç etkileyemeyecek bir çözüm düşünülmüştür. Konvansiyonel atıksu

arıtma tesislerinin yerine MBR (Membran biyoreaktör) teknolojinin kullanılması

durumunda maliyetlerin incelenmesi gerektiğine karar verilmiştir.

Bahsi geçen MBR teknolojisinin her geçen gün gelişmesi ve yakın gelecekte en çok

konuşulacak arıtım teknolojilerinden birisi olması sebebiyle, Türkiye standartlarında böyle

bir çalışma olması önemlidir. Bu şekilde kısıtlı olan finansman kaynaklarının en verimli

şekilde kullanabilme imkânının mevcut olduğunun görülebilmesi de altı çizilmesi gereken

bir konudur. Bu çalışma içerisinde bahsi geçen görüş değişikliği sonucunda yeni

teknolojilerin Türkiye‟de uygulanabilmesi sonucuna erişmek için Türkiye‟de mevcut

olmayan birçok arıtma tesisi tasarlanmıştır. Bu sayede gelecekte yapılması planlanan yeni

tesislerin hizmet vereceği nüfusa bağlı olarak hangi alternatifin (konvansiyonel aktif çamur

sistemi, uzun havalandırmalı aktif çamur sistemi ve MBR sistemi) tercih edilmesi

gerektiği, yatırım için gerekli olan finansman ihtiyacı nüfusa ve debi değişkenlerine bağlı

olarak hesaplanmış ve sunulmuştur.

Arıtma tesislerinde ünü artmakta olan MBR teknolojisinin tercih edilmesi durumunda içme

suyu kalitesinde bir çıkış suyu elde edilerek kaynaklar kirletilmemektedir. Diğer

sistemlerde mevcut olan bazı ünitelere olan ihtiyaçları da ortadan kaldırdığından yatırım

maliyetleri de düşmektedir. Bu çalışmada pahalı olan bu teknolojinin hangi nüfus

değerlerine sahip projelerde tercih edilebileceğine karar vermek amacıyla, başta

Bursa/Orhangazi İlçesi ve buna ek olarak yedi değişik nüfus değerine (500, 2500, 5000,

10000, 500000, 1000000 ve 2000000 kişi) sahip toplam sekiz yerleşim yeri için klasik

aktif çamur sistemi, uzun havalandırmalı aktif çamur sistemi ve MBR sistemleri

tasarlanmış, inşaat ve mekanik maliyetleri hesaplanmıştır.


194

Tüm proses tasarımları yapılırken mevcut yönetmeliklere göre ileri biyolojik arıtma (C,N

ve P giderimi) yapabilecek tesisler hedeflenmiştir. Æamur üniteleri de konvansiyonel

arıtma sistemi ile MBR sisteminde ayrı olarak düşünülmüş ve kendi durumlarına göre

hesaplamalar yapılmıştır. Tasarımlarda ülke şartlarına uygun, genellikle kullanılan ve

örnekleri gözlenmiş yöntemler kullanılmıştır. Maliyetlerin daha eşit bir ortamda

karşılaştırılabilmesi açısından mekanik ekipmanlar (MBR dahil) aynı markalardan mevcut

kapasiteye uygun olanı seçilerek karar verilmiştir. Tasarımı yapılan sistemlerin inşaat

maliyetleri hesaplanır iken Bayındırlık Bakanlığının her yıl yayınladığı Birim Fiyat

Listesinden yararlanılmıştır. Elde edilen tüm maliyet sonuçları grafik üzerinde gösterilmiş

ve nüfusa bağlı olarak formülleştirilmeye çalışılmıştır. Bu şekilde formüller kullanılarak,

gelecekte üstünde düşünülecek bir nüfus değeri için maliyetler hakkında fikir edinilebilir.

Şekil 1: İnşaat Maliyetleri ve Formülleri

Şekil 2a: Mekanik Maliyetler ve Formülleri


195

Şekil 2b: Mekanik Maliyetler ve Formülleri

Şekil 3: Toplam Maliyetler ve Formülleri

İnşaat maliyetleri, Konvansiyonel Aktif Æamur Sistemlerinden vazgeçilip MBR

Sistemlerinin tercih edilmesiyle azalmaktadır. Nüfusun artışı ile inşaat maliyetlerindeki

artış en fazla Konvansiyonel Aktif Æamur Sisteminde gözlenmektedir. İnşaat maliyetleri

açısından bakıldığında her nüfus değerinde MBR Sistemi tercih edilmelidir. Mekanik

maliyetlerin grafikleri daha kolay anlaşılması amacıyla küçük yerleşim yerleri (nüfusu

100000‟den az olan) ve büyük yerleşim (nüfusu 100000‟den fazla olan) yerleri için ayrı

ayrı çizilmiştir. Küçük yerleşim yerlerinde, MBR sistemleri yüksek değerlerde mekanik

maliyetler getirmektedir. Konvansiyonel Aktif Æamur Sistemleri ise Uzun Havalandırmalı


196

Aktif Æamur Sistemlerine göre daha maliyetlidir. Büyük yerleşim yerlerindeki grafikler ise

birbirine çok benzer şekillenmişlerdir. Bunun sebebi MBR Sisteminin tercih edilmesi

sonucunda ortadan kalkan ünitelere ait mekanik ekipmanların ederinin MBR‟ın fiyatına

yakın olmasıdır. Ayrıca MBR Sistemine sahip arıtma tesislerinde yük kaybı çok daha az

olduğundan pompaj maliyetleri de azalmaktadır. Grafiklerin benzer olmasının yanı sıra

maliyet eksenindeki değerlerin çok yüksek olması en küçük farklılığın bile yüksek değerde

kar ve ya zarar olması anlamına gelmektedir. Toplam maliyetlerin grafikleri de mekanik

maliyetler başlığında olduğu gibi küçük ve büyük yerleşim yerlerinde ayrı ayrı

değerlendirilmiştir. Küçük yerleşim yerlerinde, toplam maliyet, en fazla MBR Sisteminde

gözlenir iken, toplam maliyet açısından en uygun seçim ise Uzun Havalandırmalı Aktif

Æamur Sistemidir. Fakat; büyük yerleşim yerleri için çizilen toplam maliyet grafiklerine

bakıldığında, nüfus arttıkça MBR Sisteminin maliyet artışı azalmakta ve 1000000 ile

2000000 nüfuslu yerleşim yerlerinde Konvansiyonel Aktif Æamur Sistemlerine göre daha

karlı hale gelmektedir. Diğer nüfus değerlerinde ise MBR, çıkış suyu kalitesi ve su

kaynaklarının verimli kullanımı açısından tercih edilebilir bir teknolojidir.


197

Çay Özü Atıksularının Membran Teknolojisi ile Arıtılması

Kenan Güney* ve Andreas Neft

Stuttgart Üniversitesi

Buzlu çay özellikle yaz aylarında tüketilen hafif bir içecektir. Buzlu çay üretimi esnasında

temel olarak çay özleri, aroma, şeker ve su kullanılır. Æay özlerinin üretimi sonrasında

üretim makineleri temizlenmektedir. Bu temizlik işleminden yüksek KOİ ve yüksek

iletkenliğe sahip çay özü atıksuyu ortaya çıkar. Bu atıksuyun arıtılarak alıcı ortam deşarj

standartlarına indirgenmesi, atıksuyun yüksek KOİ ve yüksek iletkenlik değerleri nedeni

ile konvensiyonel yöntemlerle istenilen seviyede yapılamamaktadır. Bu durum üretici

firmanın ceza ödemesine ya da pahalı bir metot olan insinerasyon metodunu kullanmasına

sebep olmaktadır. Diğer yandan, alıcı ortam deşarj standartlarının gelecekte daha da sıkı

olması beklentisi içecek üreticilerini yeni ekonomik arıtma teknolojileri aramaya

yöneltmektedir. Bu arıtma teknolojilerinden biri ise membran filtrasyonu olabilir.

Membran filtrasyonu su ve atıksu arıtımında özellikle son 10 yıl içinde yoğunlukla

kullanılmaya başlanmıştır. Membran filtrasyonu genelde konvensiyonel arıtım

sistemlerinden çok daha iyi sonuçlar sunmaktadır. Membran filtrasyonu ile bakterilerden

çözünmüş katılara kadar çok değişik spektrumlarda maddeler ayırılabilmektedir. Bu arıtım

sisteminin çay özü atıksularının arıtımı için de kullanılabilir olmasına rağmen literatürde

bu uygulamayla alakalı çok fazla çalışmaya rastlanılamamıştır.

Almanya´da hafif içecek üretiminden çıkan atıksuların alıcı ortama deşarj ana standardı

atıksuyun maksimum 110 mg/l KOİ‟ye sahip olmasıdır [1]. Ayrıca, atıksuyun renksiz ve

düşük iletkenliğe sahip olması tavsiye edilmektedir.

Æay özü atıksuyu yüksek KOİ ve yüksek iletkenlik değerlerine sahip olduğundan, alıcı

ortam deşarj standartlarına nanofiltrasyon ya da terz ozmoz membran filtrasyon sistemi

kullanılarak ulaşılabilir. Dolayısıyla bu çalışmada farklı özelliklerdeki çay özü

atıksularının arıtımı için DOW XLE düşük enerjili ters ozmoz membranının kullanılmasına

karar verilmiştir.

Bu çalışmanın amacı: çay özü atıksuyunun ters ozmoz membran teknolojisi kullanılarak

arıtılabilirliğinin incelenmesi ve alıcı ortam deşarj limitlerini karşılayan permeat kazanım

potansiyelinin araştırılması, maksimize edilmesi ve dolayısıyla insinere edilecek retentat

miktarının minimize edilmesidir. Æalışmamızda buzlu çay üretiminden elde edilen meyveli

çay özü atıksuları (MÆA) ve siyah çay özü atıksuyu (SÆA) düşük enerjili DOW XLE ters

ozmoz membranı kullanılarak arıtılmış, KOİ ve iletkenlik giderimi incelenmistir.

Araştırmanın hedefi alıcı ortam deşarj standartlarını sağlayan en az % 70 permeat eldesine

ulaşmaktır.

Almanya`da bulunan bir buzlu çay üretim fabrikasından bir adet SÆA ve iki adet MÆA

atıksuyu alınmıştır. Atıksuların ana özellikleri Tablo 1` de gösterilmistir.

Alınan tüm atıksular membran ünitesinde arıtılmadan önce 12-25 µm delik aralıklı

Whatman 604 ´ filtreleri ile filtrelenmistir. Membran filtrasyon sıcaklığı 25 °C olarak

seçilmiş ve atıksular arıtım öncesi 25 °C´ye ısıtılmıştır.


198

Tablo 1: Atıksuların ana özellikleri

MÇA1 MÇA2 SÇA

KOİ (mg/L) 700 3470 4780

İletkenlik (µS/cm) 1220 1720 1280

pH 6.8 6.6 6.4

Renk Kırmızımsı Kahverengi Kırmızımsı Kahverengi Siyah

Deney düzeneği OSMOTA GmbH firmasi tarafından üretilmiş bir adet laboratuar ölçekli

membran ünitesinden (Figür 1) oluşmaktadır. Membran ünitesi 80 cm2 (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 25 °C de sabit tutulmaya çalışılmıştır.

Şekil 1: Membran ünitesi

DOW-Filmtec XLE düşük enerjili ters ozmoz poliamid ince film membranı 100-200

Dalton MWCO‟ya sahiptir. Membran ile birlikte yine DOW firmasına ait 28 mil spacer

kullanılmıştır.

Öncelikle permeat akı optimizasyonunu sağlamak için MÆA1 ve SÆA atıksularıyla 7,5 bar

ile 15 bar arasındaki farklı basınçlarda deneyler yapılmıştır. İdeal basınç 12 bar olarak

kabul edilmistir. Takip eden deneyler 12 bar basınç altında MÆA2 ve SÆA atıksuları ile

gerçekleştirilmiştir. Tüm deneylerde permeat toplanmış, retentat ise atıksu tankına geri

yollanmıştır.

Atıksu

Tankı

Permeat

Membran Hücresi

Retentat

Pompa

Valf

Akı Ölçer

Manometre Elektronik

Akı Ölçer

Sıcaklık

Ayarlayıcısı


199

Şekil 2: Permeat Akısının basınca bağlı olarak değisimi

MÆA1 ve SÆA atıksuları ile yapılan akı optimizasyonu deneylerinin sonuçları Figür 2‟de

gösterilmiştir. 7,5 bar basınç altında permeat akısı ilk dakikalarda hızla azalmış ve 10

dakika sonra stabil olmaya başlamış ve 8. saata kadar akının çok değişmediği

gözlemlenmiştir. Dolayısıyla 7 saatlik operasyon süresinin sonunda akının stabil olduğu

kabul edilmiştir. Yedinci saatin sonunda basınç 15 bara çıkarılmış ve akının değişimi

gözlenmiştir. Stabil akı MÆA1 atıksuyunda % 160 artarak 8,5 ml/dk ya SÆA atıksuyunda

ise % 210 artarak 5,6 ml/dk ya yükselmiştir. Elde edilen akı değerlerine bağlı olarak 12 bar

basınç kullanılmasına karar verilmiştir. 12 bar basınç altında MÆA2 ve SÆA atıksuları ile

akı deneyleri yapılmış ve MÆA2 atıksuyunun stabil akısı 4,5 ml/dk ve SÆA atıksuyunun

stabil akısı ise 3,9 ml/dk olmuştur.

MÆA2 ve SÆA atıksuları ile 12 bar basınç altında yapılan deneylerde % 87,5 permeat

kazanımı elde edilmistir. KOİ ve iletkenlik değişimi Tablo 2 ve Tablo 3‟te

gösterilmektedir.

Tablo 2: KOİ değisimi Permeat Kazanımı Permeat KOİ Reaktör KOİ KOİ Giderimi

% mg/l mg/l %

SÆA MÆA2 SÆA MÆA2 SÆA MÆA2

0 - - 4780 3470 - -

70 1200 75 13500 8800 91,1 99,1

75 1400 85 15000 10200 90,7 99,2

80 1490 100 17960 12000 91,7 99,2

87.5 1975 150 20300 16500 90,3 99,1

Yüzde 70 ve üzeri permeat kazanımında KOİ giderimi SÆA atıksuyu için % 91, MÆA2

atıksuyu için ise % 99 olarak bulunmuştur. MÆA2 atıksuyu permeat KOİ‟si % 80 permeat

kazanımına kadar alıcı ortama deşarj standardı olan 110 mg/l‟yi sağlamıştır. Dolayısıyla

MÆA2 atıksuyunun % 80‟i permeat olarak alıcı ortama deşarj edilebilir. Geriye kalan

retentatın ise insinere edilmesi gerekmektedir. SÆA atıksuyu permeat KOİ‟si ise % 70 ve

üzeri permeat kazanımında daima 1000 mg/l‟nin üzerinde çıkmıştır.

KOİ giderimi atıksuyun KOİ kompozisyonu ve membran atıksu arasındaki etkileşim

nedeni ile farklılık göstermiş olabilir.

Yüzde 70 ve üzeri permeat kazanımında iletkenlik giderimi SÆA ve MÆA2 atıksuları için

daima 98 % in üzerinde çıkmıştır (Tablo 3). İletkenlik gideriminin atıksu iletkenlik


200

değerine bağlı olarak değişmediği gözlemlenmiştir. Ters ozmoz membranından

beklenildiği üzere permeat iletkenliği daima çok düşük çıkmış ve 120 µS/cm‟nin altında

kalmıştır.

Tablo 3: İletkenlik değişimi

Permeat

Kazanımı

Permeat

İletkenliği

Reaktör

İletkenliği

İletkenlik

Giderimi

% µS/cm µS/cm %

SÆA MÆA2 SÆA MÆA2 SÆA MÆA2

0 - - 1280 1720 - -

70 41 47 3250 4570 98,7 99

75 47 51 3650 5250 98,7 99

80 50 60 4200 6450 98,8 99,1

87.5 83 118 5700 8700 98,5 98,6

Bu çalışmada permeat kazanım yüzdesinin maksimize edilmesi ve dolayısı ile insinere

edilecek retentat miktarının minimize edilmesi araştırılmış, SÆA ve MÆA atıksuları 15

bara kadar farklı basınçlarda arıtılmış ve 12 bar optimum basınç olarak kabul edilmiştir.

KOİ giderimi, % 70 ve üzeri permeat kazanımında, SÆA atıksuyu için % 91 MÆA2

atıksuyu için ise % 99 olarak bulunmuştur. İletkenlik giderimi ise, % 70 ve üzeri permeat

kazanımında, % 99‟un üzerinde bulunmuştur. MÆA2 permeatı, % 80 permeat kazanımına

kadar, alıcı ortam deşarj standartlarını sağlamaktadır. Dolayısı ile MÆA2 atıksuyunun

sadece % 20‟sinin insinere edilmesi gerekmektedir. Elde edilen tüm permeatlar renksizdir.

Kaynaklar

1. Promulgation of the New Version of the Ordinance on Requirements for the

Discharge of Waste Water into Waters (Waste Water Ordinance - AbwV) of 17. June

2004, page 30; Federal Ministry for the Environment, Nature Conservation and Nuclear

Safety, Germany


201

Hibrit Mikrofiltrasyon Prosesiyle Nikel Gideriminde Membran

Kirlenmesi Ve Akı Azalması Mekanizmalarının Proses

Değişkenleri Etkisi Altında Değerlendirilmesi

Coşkun Aydıner*,†, Bülent Keskinler

†, Orhan İnce

‡


‡ Ġstanbul Teknik Üniversitesi, Çevre Mühendisliği Bölümü, Maslak, 80626, Ġstanbul

E-Mail: [email protected]*,†

, [email protected]†, [email protected]

‡

1960‟lardan günümüze, su ve atıksu arıtımında artarak kullanılmakta olan membran

teknolojileri, bu yüzyılın başlangıcından itibaren, bilimsel ve teknolojik bir bakış açısıyla

yenilikçi ve çeşitli uygulamalara doğru bir açılım kazanmıştır. Bu yönde bir gelişimin

başlıca sebebi, yasal kısıtlamalardaki zorlamaların ve toplumun çevre bilincindeki artışın

yanı sıra, özellikle su arıtımındaki bazı özel sorunların çözümü amacıyla, daha ekonomik

ve uygulanabilir proseslerin geliştirilmesi eğilimidir. Bugün için gelinen noktada, uzman

kişi ya da araştırma grupları tarafından birleşik veya hibrit membran prosesler, su ve atıksu

arıtımında yaygın bir şekilde uygulanabilecek ve gelecek vaat edici alternatif bir çözüm

olarak öngörülmektedir [1]. İki ya da daha fazla arıtım prosesinin bir arada kullanılmasına

dayalı bu sistemde, sinerjik etkileşmelere dayalı olarak, bir membran prosesten elde

edilebilecek etkinlikten daha fazlasına ulaşılabilmektedir. Hibrit membran prosesler

kullanılarak geleneksel membran arıtma proseslerine nazaran daha fazla miktarda arıtılmış

atıksu eldesi, daha yüksek giderme verimi, daha düşük enerji tüketimi ve geri yıkama

frekansı elde edilebilmekte ve etkili kirlenme kontrolü yapılabilmektedir [14].

Son yıllarda yapılan çalışmalarda, mikrofiltrasyon (MF) ve ultrafiltrasyon (UF)

proseslerinin, konvansiyonel veya ileri atıksu arıtma prosesleri ile birleştirilerek hibrit

uygulamalar şeklinde atıksulardan çözünmüş maddelerin ve safsızlıkların gideriminde

uygulanabilecekleri görülmüştür. Bu hibrit proseslerden dikkat çekici olanlarının başında

MF/UFtoz aktif karbon (TAK) prosesi gelmektedir [3, 5]. TAKMF sistemi, adsorpsiyon

ve membran arıtma proseslerinin yararlı yönlerini birleştiren hibrit bir sistem olup, sentetik

ve doğal organiklerin sudan uzaklaştırılmasında kullanılmaktadır. Bu sistemde, yeterli

temas süreleri sağlanmakta ve adsorpsiyonla giderime ilave olarak MF prosesiyle, katı sıvı

ayırımının yanı sıra proses etkinliğini arttırıcı yönde bir sinerji elde edilebilmektedir [2,

5]. Ancak proses, ağır metal içeren atıksuların arıtımında iyi bir performans

sunmamaktadır. Bu noktada da, yüzey aktif madde (YAM) destekli TAKMF prosesi,

sulardan ağır metal gideriminde yenilikçi bir hibrit proses olarak dikkat çekmektedir.

Proses, diğer membran ayırma proseslerine kıyasla, daha düşük basınçlarda daha düşük

enerji gereksinimi ile işletilebilmektedir. Giderim esasen, çözünmüş metal iyonlarının

TAK üzerine doğrudan ve dolaylı adsorpsiyonu ile olmakta; su ortamındaki disperse

karbon, MF uygulaması ile sudan kolayca uzaklaştırılmaktadır. Her ne kadar YAM

kullanımı TAK‟un metal adsorpsiyon kapasitesini arttırmakta ise de, proseste daha

karmaşık membran kirlenmesi ve dolayısıyla da akı azalması olaylarına sebebiyet

vermektedir. Bu husus, proses değişkenleri etkisi altında proses dinamiklerini açığa

çıkarmanın, prosesin daha etkin bir şekilde işletilebilmesinde ne denli önemli olacağını da

açıkça ortaya koymaktadır [1, 58].




202

Bu çalışmanın amacı, YAM destekli TAKMF hibrit membran prosesiyle sulardan nikel

gideriminde, membran kirlenmesi ve akı azalması olaylarının, incelenmesi, analiz edilmesi

ve değerlendirilmesidir. Bu doğrultuda, prosesin işletme şartları üzerindeki etkiler, proses

süresi, geri devir süresi, pH, sıcaklık, TAK, YAM ve nikel konsantrasyonları ile çapraz

akış hızı ve membran geçiş basıncı olmak üzere proses değişkenlerinin tamamı üzerinden

araştırılmıştır.

Hibrit prosesin, hem membran kirlenmesi hem de akı azalmasını etkileyebilecek birçok

sayıda bağımsız değişkeni içeriyor olması dolayısıyla; deneysel çalışmalar, Taguchi

deneysel tasarım esasları çerçevesinde yürütülmüştür. Deneysel tasarımın, anlamlı bir test

planı ile organize edilmiş bir yapıda azaltılan toplam deney sayısı ile; tahminlerdeki hata

limitlerinin azaltılmasına, elde edilen sonuçların uygun bir istatistiksel analiz metoduyla

değerlendirilebilmesine ve belli bir güven aralığında sonuçların tekrarlanabilmesine imkan

sağladığı bilinmektedir [9, 10]. Taguchi deneysel tasarım metodu ise, deneylerin, bütünün

oldukça düşük bir kısmi yüzdesi ile tasarlanarak yürütülebilmesine imkân sunmakta, daha

düşük maliyetle daha yüksek kalite veya daha iyi sonuç elde edilmesini mümkün

kılmaktadır. Planlama, yürütme, analiz ve doğrulama olmak üzere 4 adımda uygulanan

Taguchi yaklaşımı neticesinde deneysel hata azaltılabilmekte, deneylerin etkinliği veya

yeniden üretilebilirliği arttırılmaktadır. Ayrıca, giriş değişkenlerinin birbirlerinden

bağımsız olarak sonuç parametreleri üzerine etkileri ve optimum işletme şartları

saptanabilmektedir [11, 12].

Bu çalışma kapsamında, proses değişkenleri iki seviyeli alınarak deneysel tasarım

planlanmıştır. İki seviyeli değişken tercihine karşılık değişken sayısının fazla olması

sebebiyle toplamda 512 (=29) adet deney gerekli olmaktadır. Değişik tasarım alternatifleri

arasından 16 deneyli standard Taguchi tasarım planı seçilerek uygulanmıştır. Deneysel

çalışmalar, 40 cm 15 cm 10 cm boyutlarındaki Delrin marka (DuPont, Wilmington,

Delaware) asetal reçineden yapılmış membran modül içeren, 5 bar‟a kadar basınç altında

çalışabilir ve 10 litre su kapasitesine haiz çapraz akış filtrasyon sistemi kullanılarak

gerçekleştirilmiştir.

Deneylerde, C9157 ticari kodlu toz aktif karbon (ortalama parçacık çapı: 55.1 m ve BET

yüzey alanı: 1000 m2/g), 0.45 m gözenek büyüklüğüne sahip selüloz nitrat membranı ve

1-hekzadekan sulfonik asit sodyum tuzu YAM‟si kullanılmıştır. Proseste akı azalması

incelemeleri, kararsız hal akı değişimleri ve proses süresi sonundaki akılar üzerinden

gerçekleştirilmiştir. Membran kirlenmesi analizleri ise, uyarlanmış kirlenme indeksi (UKİ),

spesifik kek direnci (α) ve membranda tutulan kuru katı kütlesi (ω) parametreleri dikkate

alınarak yapılmıştır. Membranda meydana gelen kirlenme ve bunun da sebep olduğu akı

azalması, proses değişkenleri ve seviyeleri için birbirleriyle kıyaslamalı olarak, MINITAB

14.0 yazılımı kullanılarak, ANOVA istatistiksel analiz yöntemi ile belirlenmiştir [13].

Değişen deneysel şartlara rağmen, ilk 100 saniyelik süre zarfında akının % 40.688.6

(ortalama % 67.6)‟sı gibi önemli bir kısmının kaybedildiği belirlenmiştir. Proseste

sırasıyla, en yüksek başlangıç ve deney sonu akıları 64.384 ve 7.101 m3/m

2sa, en düşük

başlangıç ve deney sonu akıları ise 13.782 ve 0.434 m3/m

2sa olarak tespit edilmiştir.

Proseste, başlangıç ve son akı değerleri açısından, % 77.798.8 (ortalama % 92.2)

aralığında oldukça yüksek seviyelerde akı kayıpları meydana geldiği gözlemlenmiştir. Bu

haliyle dahi elde edilen akı değerlerinin, yüksek basınç sürücülü nanofiltrasyon ve ters

osmoz proseslerine kıyasla çok daha yüksek seviyelerde kaldığı görülmüştür. Kararsız hal

akı değişimlerinden görülmüştür ki, değişen deneysel şartlara göre 120 dakikalık proses

süresi sonunda, bazı deneysel şartlardaki 30 dakika sonundakilerine nazaran daha yüksek

akı değerleri elde edilebilmektedir. Buna göre, 30 dakika zarfında, proseste arzu edilir

seviyede metal ve YAM giderimi elde edilmesi durumunda, prosesin çok daha yüksek

süzüntü akısı eldesi ile işletilebileceği sonucuna ulaşılmıştır.


203

Proseste geri devir uygulaması, membrana doğrudan gelen kirlilik yükünü azaltması

sebebiyle membranda tutulan katının kütlesini, direncini ve membran kirliliğini azaltmış,

süzüntü akısını arttırmıştır. Proses süresi arttıkça, besleme çözeltisinde kalan YAM

monomerlerinin membran ve kekin porozitesini ve dolayısıyla su geçirgenliklerini

azaltmasına bağlı olarak deney sonu akısında azalma görülmüştür. pH‟nın 3‟ten 7‟ye

çıkması ile membranda tutulan kütle azalmış, ancak kek direnci ve kirlenme artmıştır.

Akıda azalmayı beraberinde getiren bu durum, TAK‟a adsorplanan YAM miktarının

artması sebebiyle YAM‟lerin keke daha fazla katılmalarını beraberinde getirmektedir.

Sıcaklık artışı ise süzüntü akısını arttırmış; keke katılan TAK ve YAM miktarlarının

azalması ve daha poroz yapıdaki membran ve kek tabakası sebebiyle membran kirlenme

parametrelerinde azalmaya sebep olmuştur.

Akı azalması üzerine en önemli etki TAK konsantrasyonunda görülmüş, artan TAK

miktarı ile akıda % 60‟lara varan düzeylerde kayıplar oluştuğu tespit edilmiştir. Proseste

TAK miktarı arttıkça, membranda tutulan katı kütlesi ve kirlenme artmış; ancak kekin

direncinde önemli düzeyde bir artış görülmemiştir. Buna karşılık, artan kek katı kütlesi ve

membran kirlenmesi ile orantılı bir akı azalması görülmüştür. Artan YAM konsantrasyonu

ile membrana katılan YAM miktarı artmış, artan YAM miktarı sebebiyle de membranda

tutulan katı kütlesi azalmıştır. Bu da kekin porozitesini azaltmış, ancak membranda aynı

seviyede bir kirlenme artışı gözlenmemiştir. Bu durumun, kekte azalan TAK miktarından

kaynaklandığı tahmin edilmektedir. Artan nikel konsantrasyonu ile membranda tutulan katı

kütlesi bir miktar artmış ise de, keke katılan YAM miktarının azalmasına bağlı olarak akı

değerinin arttığı düşünülmektedir. Sonuçta, artan nikel konsantrasyonu ile daha geçirgen

yapılı bir kek tabakası oluşumu dolayısıyla membrandaki kirlenme azalmış; bu da proseste

daha yüksek akı elde edilmesine imkân sağlamıştır.

Æapraz akış hızının artması, membran yüzeyi üzerindeki kesme kuvvetini arttırarak, kek

kalınlığının ve keke katılımın azalmasını sağlamıştır. Keke katılan YAM miktarındaki

azalmanın etkisiyle daha poroz yapıda bir kek tabakası oluştuğundan membrandaki

kirlenme azalmıştır. Ancak akıda, kirlenme ile orantılı bir artış görülmemiştir. Bunun

membran içerisine olan YAM katılımından kaynaklandığı tahmin edilmektedir. Artan

membran geçiş basıncı ile membran üzerinde esasen TAK parçacıklarının tutunduğu,

membranda daha fazla katı tutunurken kek direnci ve membran kirlenmesinin arttığı

gözlenmiş; azalması beklenen süzüntü akısının da arttığı belirlenmiştir. Bu durum, yüksek

basınçlarda membranda YAM agregalarının değil de, esasen TAK parçacıklarının

tutunduğunu açığa çıkarmaktadır. Bu sebeple de artan basınç değeri ile YAM giderimi

artmasına rağmen, proseste akı değeri keke katılan YAM miktarının azalmasına bağlı

olarak artmıştır. Yine de bu beklenmeyen durumda etkili olan mekanizmaların sadece

kekin porozitesine bağlı olarak gerçekleşmediği; membran gözeneklerindeki adsorpsiyon

ve gözenek daralması veya tıkanması mekanizmalarının da bu yönlü bir kirlenmeakı

ilişkisinde kek dinamikleri ile eşzamanlı olarak etkili olabileceği sonucuna varılmıştır.

Yapılan çalışmalar neticesinde, hibrit mikrofiltrasyon prosesinde, proses değişkenlerinin

etkisi altında, membranda tutulan katı kütlesi, kek direnci ve membran kirlenmesi ile akı

azalması arasında dinamik yapıda bir ilişkiler yumağı bulunduğu tespit edilmiştir. Süzüntü

akısının, en çok beslemedeki TAK miktarından etkilendiği görülmüştür. Artan TAK

miktarı ile akıda % 60‟lara varan düzeylerde kayıplar oluştuğu gözlemlenmiştir. Kek

tabakasına doğrudan ya da dolaylı olarak katılan YAM monomer ya da agregalarının kekin

dinamik özelliklerini önemli düzeyde etkilediği ve membranın içerisine doğrudan katılan

YAM‟ler ile birlikte akı azalması üzerinde etkili bir kirlenme mekanizması oluşturduğu

sonucuna varılmıştır. Söz konusu hibrit membran proseste arzu edilir seviyede metal

giderimi için mümkün olabilen en az seviyede TAK kullanımına imkân sağlayacak kadar

düşük miktarlarda YAM kullanımının amaçlanması gerektiği belirlenmiştir. Böylece daha


204

az miktarlarda TAK ve YAM sarfiyatı ile daha yüksek akı elde edilebileceğinden, prosesin

daha etkin ve daha ekonomik olarak işletilmesinin mümkün olabileceği belirlenmiştir.

Kaynaklar 1. AYDINER, C., BAYRAMOGLU, M., KESKINLER, B., INCE, O. Nickel removal from waters using

a surfactant-enhanced hybrid powdered activated carbon/microfiltration process. II. The influence of

process variables. Ind. Eng. Chem. Res. 2009, 48: 903–913.

2. ZHOU, H., SMITH, D.W. Advanced technologies in water and wastewater treatment. J. Environ.

Eng. Sci. 2002, 1 (4), 247–264.

3. SAARLAND UNIVERSITY–DEPARTMENT OF PROCESS TECHNOLOGY. State of the art in the

remoVal of toxic metals and the Metassep Project: Selective separation of toxic metals from specific

industrial wastewater streams for water and metals reuse-Overview. The Project Report for 5th

Framework Programme of The European Commission: Saarbrücken, Germany, 2004.

4. LAZARIDIS, N.K., BLÖCHER, C., DORDA, J., MATIS, K.A. A hybrid MF process based on

flotation. J. Membr. Sci. 2004, 228, 83–88.

5. BASAR, C.A., AYDINER, C., KARA, S., KESKINLER, B. Removal of CrO4 anions from waters

using surfactant enhanced hybrid PAC/MF process. Sep. Purif. Technol. 2006, 48: 270–280.

6. AYDINER, C., BAYRAMOGLU, M., KARA, S., KESKINLER, B., INCE, O. Nickel removal from

waters using surfactant-enhanced hybrid PAC/MF process. I. The influence of system-component

variables. Ind. Eng. Chem. Res. 2006, 45: 3926–3933.

7. BASAR, C.A., AYDINER, C., KARA, S., KESKINLER, B. Removal of copper ions from waters

using surfactant-enhanced hybrid PAC/MF process. J. Environ. Eng. 2009, 135: 250–258.

8. AYDINER, C., INCE, O. Hibrit Mikrofiltrasyon Proses İle Sulardan Nikel Gideriminde Akı

Düşüşünün Istatistiksel Yöntemlerle Incelenmesi. ITU Dergisi e: Su Kirlenmesi Kontrolü. 2007,

17(1): 27–38.

9. YOON, D.H., LEE, B.I. Processing of barium titanate with different binders for MLCC applications-

Part I: Optimization using design of experiments. J. Eur. Ceram. Soc. 2004, 24: 739–752.

10. MONTGOMERY, D.C. Design and Analysis of Experiments; John Wiley & Sons: New York, 1991.

11. PRASAD, K.K., MOHAN, S.V., RAO, R.S., PATI, B.R., SARMA, P.N. Laccase production by

Pleurotus ostreatus 1804: Optimization of submerged culture conditions by Taguchi DOE

methodology. Biochem. Eng. J. 2005, 24: 17–26.

12. Ross, P. J. Taguchi Techniques for Quality Engineering; McGraw-Hill: New York, 1996.

13. AYDINER, C. Hibrit Mikrofiltrasyon Teknolojisi İle Sulu Ortamdan Nikel Giderimi, Doktora Tezi,

İ.T.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, 2006.

205

İndex

Abdullah Duman, 101 Ahmet Codal, 51 Ahmet Karagündüz, 39, 81, 155 Ali Demir, 93 Andreas Neft, 197 Ayşe Filibeli, 77 B. İlker Harman, 43, 49, 141 Berna Kırıl Mert, 113 Birdal Bozdağ, 13 Börte Köse, 193 Burcu Atay, 127 Burcu Kaleli Öztürk, 61 Bülent Keskinler, 39, 81, 105, 155, 201 Celal F. Gökçay, 163 Celal Ferdi Gökçay, 51, 131 Ceren Bayören, 163 Cihangir Varol, 29 Coşar Aydın, 13 Coşkun Aydıner, 21, 201 Cumali Kınacı, 47, 127 Derya Y.Köseoğlu İmer, 39, 155 Doğa Atay, 127 Duygu Topaloğlu, 83 E. Banu Gençsoy, 127 E.Güler, 159, 171, 179, 183 E.Yavuz, 159, 183 Elif Soyer, 99 Emine Sayılgan, 49 Ergin Taşkan, 57, 95 Ergün Yıldız, 101 Esra Erdim, 99 Esra Eren, 127 Evrim Çelik, 49 Fatih Can Kalkan, 89 Ferdağ Oruç Babuçcu, 1 G.Sert, 159, 183 Gökhan Civelekoğlu, 49, 89 Gökşen Çapar, 29, 65 H. Parschova, 175, 178 Hacer Arslan, 25 Hale Özgün, 9, 25, 71, 127 Halil Hasar, 57, 95, 109, 145

Hasan Köseoğlu, 43, 49, 141, 171 Heidrun Steinmetz, 35 Hulusi Barlas, 61, 73, 121, 167 İ.Yılmaz-İpek, 179 İlda Vergili, 21, 61, 167 İsmail Koyuncu, 9, 25, 47, 71, 99, 127, 193 Kadir Kestioğlu, 113 Kenan Güney, 35, 197 Levent Yılmaz, 17, 29, 151 M. Evren Erşahin, 9, 71, 127 M. Ruşen Geçit, 65 M. Taner Şahin, 167 M.Arda, 159 M.Yüksel, 117, 159, 171, 175, 179, 183 Mahmut Altınbaş, 127 Mahmut Paputçu, 13 Mehmet Beyhan, 141 Mehmet Çakmakçı, 25 Mehmet Kitiş, 151, 171, 179, 183 Meltem Ünlü, 29 Metin Günaydın, 89 Mustafa Aslan, 145 Müge Akdağlı, 99 N.Kabay, 117, 159, 171, 175, 179, 183 Nadir Dizge, 39, 81, 155 Necati Kayaalp, 47, 71, 127 Nevzat Özgü Yiğit, 43, 49, 141, 179 Niğmet Uzal, 17, 29 Nuray Ateş, 151 Okan Tarık Komesli, 51, 131, 163 Orhan İnce, 201 Ö.Arar, 117, 183 Özlem Demir, 77 P.Bilgin, 175 P.Köseoğlu, 179 Pasa Hüseyin Arı, 9 Pelin Hoşhan, 127 R. Kaan Dereli, 71 Ralf Minke, 35 Recep İleri, 83 Refah Özdemir, 135 S. Seylan Aygün, 65 S.Solak, 159


206

S.Yavuz, 175 Salih Dinçer, 187 Seçil Bayar, 39, 155 Seda Demir, 13 Selime Erdem, 127 Selin Taşıyıcı, 99 Sema Sayılı, 127 Semiha Arayıcı, 73, 121 Serdar Karataş, 95 Sevinç Korkmaz, 187 Sevtap Çağlar, 1 Ş. Şule Bekaroğlu, 49 Ş.G. Öner, 171 Şenol Yıldız, 5

Tuğçe Kıratlı, 127 Tuncay Gümüş, 93 Turgay Dere, 83 Umay Gökçe Özkan Yücel, 51 Ü.Yüksel, 117, 159, 175, 179, 183 Ülkü Yetiş, 17, 29, 151 V.Gündoğdu, 159 Vahdi Can Gürsoy, 135 Vahit Balahorli, 5 Vedat Uyak, 99, 149 Yasemin Kaya, 21, 61, 73, 167 Yusuf Saatçi, 145 Z. Beril Gönder, 21, 61, 121, 167


207


208

membran teknolojileri ve uygulamaları sempozyumu

Documents