Membran Biyoreaktörlere Genel Bir Bakış

Yorum

Bünyesinde öğretim üyesi olarak çalıştığım İstanbul Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü’nün üç genç elemanıyla (Yrd. Doç. Dr. M. Evren Erşahin, Dr. Ar. Gör. Hale Özgün ve Dr. Ar. Gör. R. Kaan Dereli) membran teknolojisinin ne olduğu ve nerelerde kullanıldığı hakkında bir röportaj yapmış ve bu birlikteliğimiz Su ve Çevre Teknolojileri Dergisi’nin Nisan 2016 sayısında yer almıştı.

Bu röportaj, bana bir defa daha membran teknolojisinin ülkemiz için önemli olduğunu ve yeni uygulanılmaya başladığını gösterdi. Konu ile ilgili geniş bir kitlenin olduğunu ve çalıştığını düşündüğümden İngilizce olarak yayınlanan bu üç doktora tezinin birer özetinin Türkçe makale olarak yayınlanmasını sağlamalarını kendilerinden istemiştim. Bu ricamı kırmadılar ve makalenin daha anlaşılır olabilmesi için yaptığım önerileri de dikkate alarak yayına hazırladılar. Mayıs, Haziran ve Temmuz aylarında yazdığım “Yorum” yazılarımda ben de membran biyoreaktörler hakkında tamamlayıcı bilgileri sizlere aktarmıştım. Yukarıda bahsettiğim bu yayınlardan ve yaz tatilimde internetten ulaşabildiğim literatürden faydalanarak “Membran Biyoreaktörler” konusunda belirli bir boşluğu dolduracağına inandığım bir değerlendirmeyi sizlere sunmayı istiyorum.

Atıksuları doğal arıtma ile başlayan süreç, aktif çamur ve benzeri  sistemler,  ileri arıtma ve membran sistemleri ile gelişmeye devam   etti.  Günümüzde  atıksuyun özelliklerine ve mevcut deşarj yerinin durumuna göre arıtma sistemleri seçilmekte ve uygulanmaktadır.

Çıkış  suyu  kalitesi  gereksinimleri çıkış suyunun deşarj edildiği alıcı suların kalite kriterlerine ya da çıkış suyunun yeniden kullanıldığı durumlarda arıtılmış suları tüketenlerin kalite gereksinimlerine bağlıdır.

Bu noktada atıksuların arıtılmasındaki uygulanan metotların tarihsel gelişimine bakmak faydalı olacaktır. Şekil 1’de bu tarihsel gelişim görülmektedir.

Şekil 1: Atık su arıtımının gelişimi (1), (2). A.Ç.: Aktif Çamur; YS: Yapay Sulak Alanlar; DBR: Döner Biyolojik Reaktörler (ya da Döner Biyodiskler); UASB: Yukarı Akışlı Çamur Yataklı Anaerobik Reaktörler; MBRs: Membran Biyoreaktörler; MBBR: Hareketli Yataklı Biyofilm Reaktörler; SBR: Seri Bağlı Kesikli Reaktörler.

Alıcı sulardaki kirletici yüklerinin artışı ve birçok su ortamının kalitesindeki bozulmanın devam etmesi, daha yüksek çıkış suyu kalitesi standartlarının getirilmesine ve bu standartlara yeni parametrelerin eklenmesine neden olmuştur. Atıksu karakteristiklerinin kombinasyonlarıyla çıkış suyu standardının gereksinimi, arıtma hedefini belirler. Bu hedeflerin karşılanması için arıtma teknolojileri geliştirilir ve ortaya konulur (3), (2).

Membran Teknolojileri

Günümüzde su ve atıksu arıtımına alternatif bir teknoloji olarak öne çıkan membranlar, 18. yüzyılın sonlarına doğru osmoz kavramının tanımlanmasıyla ortaya çıkmıştır. 19 ve 20. yüzyılın başlarında, membran sistemler ile sadece laboratuvar ölçekli çalışmalar gerçekleştirilmiş  olup, 1960’lı yıllardan itibaren laboratuvar ölçekli sistem- lerden büyük ölçekli sistemlere geçiş olmuştur. 1960 ve 1970’li yıllarda düşük ücretli membran modüllerinin geliştirilmesiyle membranlar endüstriyel alanlarda yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır (4), (2). Membran sistemleri pahalı yapılardır. Bu yüzden maliyet, membran biyoreaktörler için kısıtlayıcı bir faktördür.

Günümüzde, su ve atıksu arıtımında membran prosesler partikül maddelerin, kolloidlerin, iyonların ve çözünmüş maddelerin ayrımı amacıyla kullanılmaktadır. Membranlar tek başlarına fiziksel bir ayırıcı olarak kullanılabildikleri gibi biyolojik  proseslerle  bir arada da kullanılabilirler. Atıksu arıtımında aktif çamur gibi biyolojik prosesler ile membran teknolojisinin birleştirilmesi yoluyla elde edilen teknoloji, “Membran Biyoreaktör (MBR) Teknolojisi” olarak adlandırılmaktadır  (Şekil 2). Bu arıtma tekniğinde son çöktürme tankına gerek duyulmamaktadır. Son yıllarda atıksu deşarj standartlarının sıkılaşması, su geri kazanımı ve yeniden kullanımına olan ilginin artması, membran maliyetlerinin düşmesi ve üretim teknolojilerinin gelişmesi nedeniyle membran teknolojilerinin atıksu arıtımında kullanımı yoğun bir araştırma ve uygulama alanı bulmuştur. Bunların yanı sıra klasik (konvansiyonel) atıksu arıtma sistemlerine göre membran proseslerin çok daha az yer kaplaması, bu teknolojinin en önemli üstünlüklerinden biridir. Bu durum özellikle tesis için yeterli alanın bulunmadığı veya arazi maliyetlerinin oldukça yüksek olduğu yerlerde bu arıtma prosesinin uygulanmasını olanaklı kılmaktadır.

Şekil 2: Klasik Aktif Çamur ve Membran Biyoreaktör Sistemi (17)

MBR’ler mükemmel bir dezenfeksiyon sağlar. Çünkü biyolojik olarak arıtılmış su aynı tank içinde batık mikrofiltrasyon (gözenek çapı yaklaşık 0.1-1 mm) veya ultrafiltrasyon (gözenek çapı yaklaşık 0.01-0.1 mm) membranlarıyla vakum ile çekilip hemen hemen tüm protozoa ve bakteri (5-6 log giderim) ve 1-2 log virüs giderimi sağlanır. Klorla dezenfeksiyona dayanıklı olan patojenik protozoalardan Cryptosporidium ve Giardia da MBR’da rahatlıkla tutulur. Bu rakamlar membranın yaklaşık 0.1 mm gözenek büyüklüğü dikkate alındığında  beklenen rakamlardır. MBR prosesi biyolojik nütrient giderimi için de uygundur. Bahsedilen avantajlar ve özellikle mikrofiltrasyon/ultrafiltrasyon- dan dolayı MBR’larda çıkış suyu kalitesi konvansiyonel aktif çamur sistemlerinden çok daha iyidir. MBR’larda elde edilen tipik çıkış suyu değerleri: BOİ < 2.0 mg/L; AKM < 2.0 mg/L; NH -N < 1.0 mg/L (nitrifiye eden MBR’lerde); top- lam fosfor < 0.1 mg/L (anaerobik bölme eklenmesi ile); toplam azot < 3-10 mg/L (anoksik bölme eklenmesi ile: denitrifikasyon); bulanıklık < 0.5 NTU. MBR’da arıtma prosesi tek bir havuzda gerçekleştiği için sistem mekanik ve kontrol açıdan konvansiyonel sistemlere göre daha komplekstir. Ancak yüzde 100 otomasyon  sayesinde  işletim kolaylaşır.  İşletim sırasında zamanla membran gözenekleri tıkanır ve arıtılmış su çekimi (akı) azalır, bunu engellemek için belirli aralıklarda basınçlı hava/su ve kimya- sallarla gözenekler temizlenir. Tüm bu temizlik işlemi otomatik yapılır (5).

Konvansiyonel arıtım metotlarının bir takım dezavantajlarını ortadan kaldıran bu sistemler günümüz arıtım teknolojileri arasında önemli bir yere sahiptir. Bu arıtım prosesi konvansiyo- nel biyolojik  arıtım  prosesleri  ile karşılaştırıldığında daha düşük biyolojik parçalanabilirliğe sahip olan atıklar için yüksek kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderim verimliliğine sahiptir. MBR prosesi hidrolik ve çamur alıkonma sürelerinin birbirinden farklı olmasını olanaklı kılmaktadır. Böylece tüm çamur MBR içinde tutulabilmekte ve çamur yaşının yeterince uzun olması sağlanabilmektedir. Bu sistemlerde, arıtılmış çıkış suyu kalitesinin reaktör içerisindeki biyokütlenin çökebilme özelliklerinden etkilenmesi de olanaksız hale gelmektedir (6) (7).

Evsel ve endüstriyel atıksuların arıtımında yüksek kirletici giderim verimi ve yüksek arıtılmış çıkış suyu kalitesinin elde edilmesi, membran teknolojisine duyulan ilginin her geçen gün artma- sına sebep olmaktadır.

Membran biyoreaktör sisteminin avantajları arasında; organik madde gideriminde yüksek verimliliğe sahip olması, geliştirilmiş besi maddesi giderim stabilitesi, arıtımı zor olan atıklara uygulanabilmesi, düşük çamur üretimi, çıkış suyunun yüksek kalitede dezenfeksiyonu, yüksek yükleme hızı, daha düşük çamur oluşumu  ve reaktör için ihtiyaç duyulan alanın küçük olması  sayılabilir  (8) (7). Bunun  yanı sıra membran sistemlerinin bir takım dezavantajları da bulunmaktadır. MBR   sistemlerinin    uygulanmasına özgü kısıtlamalar, tesislerin ilk yatırım maliyetleriyle ve değişken maliyetle- riyle (elektrik tüketimi ve membran- ların işletme süresi gibi) ilişkilidir. Bu durum, bu teknolojinin özellikle büyük miktarlardaki atıksuların arıtımı için uygulanması hususunda bir dezavantaj oluşturmaktadır. Diğer taraftan, MBR’ın kullanımı,  çok daha katı deşarj kural- ları söz konusu olduğunda veya suyun yeniden kullanılması hedeflendiğinde daha yerinde olacaktır (9), (7). Özellikle bu teknoloji, membran ve membran prosesi maliyetlerinin düşmeye devam ettiği sürece daha da uygun maliyetli bir hal alacaktır (10), (7).

Ultrafiltrasyon 1969’da Smith ve arkadaşları tarafından aktif çamur proseslerinde çöktürmenin alternatifi olarak ilk kez tanımlanmıştır. 1970’te Japon piyasasına bu teknoloji ilk kez girmiş- tir. Tam ölçekli ticari aerobik membran biyoreaktör prosesi 1970’lerin sonunda ilk kez Kuzey Amerika’da uygulanmıştır ve daha  sonra  1980’lerin başında Japonya’da  uygulanmaya  başlamıştır. 1993’te sıhhi uygulamalarda kullanım için Avrupa’da harici membran biyoreaktörler raporlanmıştır (1), (2).

İlk sentetik membran ise Fick tarafından 1855 yılında nitro selülozdan yapılmıştır. 1861 yılında Graham sentetik membranlar ile ilk elektrodiyaliz deneylerini gerçekleştirmiştir. Sonraki 30 yıl boyunca Traube ve Pfeffer, osmotik basınç ve osmoz arasındaki ilişkiyi açıklamak üzere yapay membranlar hazırlamışlardır. 1906 yılında Bechold ilk olarak “ultrafiltrasyon” terimini kullanmıştır. Mikro gözenekli filtreler Zigmondy tarafından 1910 yılında geliştirilmiştir. İlk ticari gelişim 1927 yılında Almanya’da Sartorius firması tarafından gerçekleştirilmiştir. Ters osmoz (RO) çalışmaları ilk olarak 1920’lerde gözlenmiştir. 1945’lere kadar  mikro  gözenekli  membranlar öncelikli olarak mikroorganizma ve partikül gideriminde kullanılmıştır. II. Dünya Savaşı sonrasında, Juda ve McRae iyon seçici membranları kullanarak elektro- diyalize (ED) öncelik etmişlerdir. Daha sonra ED sistemler  ticari olarak tuzlu su arıtmasında (desalinasyonunda) kullanılmıştır.  1950’li yıllarda polimerik ve çok ince selüloz  asetat  malzemeden yapılan membranlar keşfedilmiştir. 1960’lı yıllarda ise ilk olarak tübüler RO membranları daha sonrasında tübüler membranlardan daha etkili spiral sar- gılı membran modülü geliştirilmiştir. Bu süreçte aynı zamanda bilim adamları yeni  membran  materyali  ve  modül- leri dizayn  etmişlerdir.  1970’li  yıllarda ise hollow fiber ve ince film kompozit membran modülleri geliştirilmiştir (11), (2).

Ayrıca   1980’li   yıllarda   organik membranların yanı sıra inorganik membran kullanımı ile nanofiltrasyon membranları da üretilmeye başlanmıştır (6). 1980’lerden itibaren ultrafiltras- yon, mikrofiltrasyon, ters osmoz ve elektrodiyaliz proseslerinin tümü dünya çapında yaygın olarak büyük tesislerde kurulmaya başlamıştır (11), (2).

Membran prosesleri fiyat ve arıtma etkisi  bakımından  hızlı bir şekilde  su ve atıksu endüstrisinde  kendini kabul ettirmiştir. Günümüzde hızla gelişmekte olan polimer endüstrisi membran teknolojilerini çok daha rekabetçi hale getirmektedir (12), (2). 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 (özel- likle mikrofiltrasyon  ve ultrafiltrasyon) konvansiyonel sistemlerle maliyet açısından rekabet edebilir hale gelmiş ve geniş çapta uygulanmaya başlanmıştır (5), (2).

Aerobik    süreçlerde    uygulanan MBR’lar Şekil 3’te görülmektedir.

Şekil 3: Membran biyolojik reaktör (13), (14 ) (a) İçinde (batık) (b) Dışında

Batık MBR prosesleri için işletme koşulları Tablo 1’de verilmiştir (7).

Aerobik dışta olanlarla ilgili benzeri bir tabloya ulaşamadım. Konuyu sor- duğum üç araştırmacı benzer olduğu için ayrı işletme şartları bulunmadığını bildirdiler.

Son yıllarda MBR sistemleri anaerobik proseslerde de kullanılmaya başlanmıştır (Şekil 4).

Şekil 4: Anaerobik membran biyoreaktörlerin şematik görünüşü (13), (16)

Bu nedenle ilgi, anaerobik membran biyoreaktörlerin gelişimine odaklanmıştır. Bu reaktörler  bir membran  ünitesi ile bir anaerobik reaktörün birleşiminden oluşmaktadır  (Şekil 4). Filtrasyon ünitesi olarak membranlar  ya anaerobik reaktör içerisine batık şekilde veya reaktör dışında reaktöre bağlı şekilde geliştirilmiştir (15), (2).

AnMBR gelişen bir teknolojiyi simgelemektedir. AnMBR konusunda yapılacak çalışmalar, membran tıkanma konusunu  çözmek,  kek tabakası  oluşumunu kontrol etmek, membran performansını artırmak ve membran alan gereksinimlerini azaltmak için optimum işletme koşulları bulmak ve uygun membranları geliştirme olacaktır. Bu amaçla ifade edilen konulara ilave olarak AnMBR sistemlerinin tasarım ve işletme maliyetlerinin belirlenmesi ve fizibil ekonomik koşulların sağlanması amacıyla daha fazla çalışmaya ihtiyaç vardır (15), (2).

Anaerobik   biyoreaktörlerle  ilgili “İşletme şartları” tablosu olup olmadığını araştırdığımda, üç araştırmacı, yeni bir teknoloji olduğu için henüz böyle bir tablonun olmadığını bana bildirdiler.

Çalışmalarından bahsettiğim üç araştırıcının araştırmaları MBR konu- sunda faydalı örneklerdir. Bu çalışma- larla ilgili yayınladıkları makalelerden ve gerçekleştirdiğim röportajdan önemli gördüğüm hususlar aşağıda verilmiştir. Ayrıca röportaj ile ilgili kısma konu ile ilgili ve aydınlatıcı eklemeler yapılmıştır.

a) Atıksu Arıtımında Giderek Önem Kazanan Membran Teknolojisi Konusu ve Üç Araştırma Röportajı (17)

–  Membran proseslerin tasarımında dikkat edilmesi gereken en önemli faktör, atıksu karakterizasyonu ve miktarıdır. Seçilen membran malzemesinin atıksuyun özelliklerine (sıcaklık, pH vb.) uygun olması gerekir. Diğer bir belirleyici para- metre tasarım ve işletme akısıdır. Akı çok genel anlamıyla birim membran alanından birim zamanda geçen süzüntü miktarını ifade etmektedir. Akı parametresi membran yüzey alanını doğrudan belirlediği için ilk yatırım maliyetinde de belirleyici bir unsur olmaktadır.

–    Tıkanma, membran proseslerin işle- timinde karşılaşılan en önemli problemdir. Membran gözeneklerinin atıksu içerisinde bulunan katı maddelerin birikimi sonucuyla dolması ve/veya membran yüzeyinde organik ve/veya inorganik maddelerin birikmesi sonucunda kek tabakası oluşumu nedeniyle tıkanma olayı meydana   gelmektedir. Membran üzerinde biriken maddelere bağlı olarak transmembran basıncının artar ve akı azalır. Tıkanma sonu- cunda membran akısı düşmekte ya da işletme basıncı artmaktadır. Bu nedenle, membran temizleme sıklığı önemli hale gelmektedir.

–  Membran kirlenmesi MBR prose- sinin, kirleticileri etkili bir şekilde gidermesine ve yüksek veya şok yüklemelere karşı dirençli olmasına karşın, membranın kirlenmesi halen kaçınılmaz bir engeldir. Kirlenmenin meydana gelmesi membran perfor- mansını iki şekilde etkilemektedir. Bunlardan ilki, membran yüzeyi üze- rinde bir tabakanın oluşması sonucu süzüntü akışına karşı ek bir direnç meydana gelmesidir. İkincisi ise, membran gözeneklerinin  tam veya kısmen tıkanması sonucu gözenek boyutu dağılımının değişmesidir (18), (7).

–    Bu kirlenme, sistem uygun hidrolik koşullar  altında  işletildiği  takdirde en aza indirilebilir. Kritik akı kavramı (kirlenmenin olmadığı akı) kirlenmeyi karakterize etmek için bir parametre olarak ortaya çıkmıştır. Membran kritik akının altında işletildiği zaman, uygun bir temizleme sistemi ile kombine edilmiş bir membranı uzun bir süre partikül birikmesi olmaksızın veya çok az miktarda birikmenin gözlenmesiyle işletmek mümkün olmaktadır (19), (7).

– Batık boşluklu fiber membran proseslerde, gözenekli membran içinden süzüntünün geçirilmesini sağlamak için fiberin lümen (iç) kısmına  negatif  basınç  uygulanmaktadır.  Bu  esnada,  membranın  dış yüzeyini temizlemesi  için modülün taban kısmından hava verilmektedir.

İç ve dış basınç arasındaki farktan elde edilen transmembran  basıncı, çıkışta en yüksek, akışın başlangıç noktasında ise en düşük değerde olacaktır. Bu yüzden, süzüntü çıkış noktasındaki yerel akı en yüksek değerindedir, bunun sonucu olarak en hızlı kirlenme bu bölgede gerçekleşecektir (7).

–  MBR’larda membran kirlenmesini kontrol etmek için kullanılan teknikler aşağıda verilmektedir (7):

  • Boşluklu  (Hollow)  fiberlerin  veya düz levhaların paketleme sıklığını, havalandırıcıların yerlerini, fiberlerin uyumunu ve fiberlerin çaplarını optimize ederek membran modül dizaynının modifikasyonu
  • İşletme akısını kritik akının altında tutarak, membranların çevresine hava püskürterek ve membranı aralıklı düzende işleterek membran yüzeyleri üzerinde kek oluşumunun azaltılması
  • Toz  aktif  karbon  (TAK)  ekleyerek reaktör içindeki çamurun filtrasyon özelliklerini geliştirmek
  • Geri yıkayarak ve kimyasal temizleme yaparak kirleticileri uzaklaştırmak

–    Membran  üreticileri  hesaplamaları yapmak  için  yazılım  programları hazırlamaktadır. Bu yazılımlar osmotik basınç, sınırlayıcı tuz çözünürlüğü, konsantrasyon polarizasyonu, kütle transfer hızları ve süzüntü suyu kalitesi parametrelerini içermektedir. Bunlar, üreticinin ürünlerine özgüdür.

  1. b) Anaerobik Membran Biyoreak- tör Sistemlerinde Dinamik Membran- ların Uygulanması (20)

–    Dinamik Membran (DM) teknolojisi MBR proseslerde görülen sorunların ortadan kaldırılmasını sağlayacak yenilikçi bir yaklaşım olarak ortaya

çıkmıştır. DM teknolojisinde mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyon gibi membranlar yerine membrandan daha  ucuz,  çeşitli  tipte  ve yapıda tel örgü şeklinde, dokunmuş veya dokunmamış kumaş malzemeler kullanılabilmektedir.

–    Atıksu içinde bulunan partikül halindeki organik ve inorganik kirleticiler filtrasyon esnasında, destek malze- mesi olarak kullanılan bu kumaş malzemeler üzerinde kendiliğinden bir kek (DM) tabakası oluşturmak- tadır (Şekil 5).

Şekil 5: Dinamik membran (kek) tabakasının görünümü (20)

Bu tabaka DM teknolojisinde filtre görevini görmektedir. Böylece kumaş malzemenin kendisi yerine, kumaş filt- renin üzerinde oluşan ve ikincil memb- ran olarak da adlandırılan DM tabakası ayırma ve katı madde giderimini sağla- maktadır. Bu özelliği ile DM teknolojisi, MBR proseslerin en önemli dezavantajı olan kek tabakası tıkanmasını avantaja çevirmektedir. Bu sayede membran maliyetleri düşük seviyelere çekilebile cektir. Bununla birlikte biyogaz üretimi

de dikkate alındığında, anaerobik dina- mik MBR (AnDMBR) prosesi atık(su) arıtımında cazip hale gelmektedir.

–   AnDMBR ile %99 kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderimi ve partiküler madde tutulması gerçekleştirilebil- mektedir.

–    Çamur yaşının, DM tabakası oluşumu ve sıkışmasını etkileyen önemli bir işletme parametre olduğu belirlen- miştir.

–    DM’nin giderim veriminde kek taba- kası içindeki mikrobiyal aktivite ile kek tabakasının fiziksel giderim potansiyeli rol oynamaktadır.

–   DM teknolojinin kullanılması duru- munda kimyasal yıkama ihtiyacı olmayacağından, kimyasal maliyet- leri açısından AnDMBR’ler konvan- siyonel AnMBR’lere göre çok daha avantajlı olacaktır.

c) Evsel Atıksuların Anaerobik Membran Biyoreaktörler ile Maliyet Etkin Olarak Yeniden Kullanımı (21)

–  Evsel atıksuların arıtımında anaerobik membran biyoreaktör teknolojisi kullanılarak yüksek besi maddesi, düşük patojen içeriği olan ve katı madde içermeyen su eldesi, günümüzde yoğun olarak araştırılmaktadır. Anaerobik membran biyoreaktörler diğer teknolojilere göre daha az yer kaplamakta olup, sadece atıksu arıtma amaçlı değil, aynı zamanda besi madde içeriği yüksek su eldesi amacıyla da kullanılmaktadır. Böylece evsel atıksuların tarımsal sulama amaçlı yeniden kullanımına olanak sağlanmaktadır. Ayrıca  anaerobik  proseslerle elde edilen biyogaz, anaerobik membran biyoreaktör işletiminde gerekli olan enerji ihtiyacını azaltmaktadır.

–  Anaerobik membran biyoreaktör teknolojisi tam ölçekli uygulamalarda membran tıkanma problemine yol açmaktadır. Tıkanmaya bağlı olarak oluşan yüksek enerji gereksinimi ve yatırım maliyeti, bu teknolojinin dezavantajları arasında sıralanabilir.

– Arıtma tesisi konfigürasyonu, membran özellikleri, çamur ve giriş atıksu karakterizasyonu ve işletme koşulları gibi tasarım ve işletme ile ilgili birçok faktör, anaerobik memb- ran biyoreaktörlerde tıkanma potansiyeline etki etmektedir. Bunların arasında reaktör tasarımı, çamurun tıkama  potansiyelini  etkileyen  en önemli faktörlerden biridir.

–    Özellikle son on yılda tam karışımlı reaktör, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör ve genleşmiş granüler çamur yataklı reaktörler gibi farklı birçok anaerobik reaktör tipinin farklı membran türleri ile birlikte kullanıldığı pek çok çalışma yapılmıştır. Bu alternatifler arasında yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörlerde  çamur  yerine reaktör üst suyu membrana ulaşmaktadır. Dolayısıyla tıkanma ile ilgili problemleri azaltması açısından bu kombinasyon avantajlı görülmektedir.

–  Membran öncesinde yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör kullanılması ile büyük katı maddelerin reaktörde tutularak sadece reaktör

üst sıvısının membrana ulaşması, böylece modül girişinde tıkanmanın önlenmesi hedeflenmiştir. Bunun yanı sıra, yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör ve çürütücü kombinasyonu düşük sıcaklıklarda evsel atıksu arıtımı ve çamur stabilizasyonu açısından ideal bir sistem olarak öne sürülmektedir.

–    Şekil 6’da görülen örnek membran modülü tübüler olarak dizayn edilmiş olup, modül içerisinde 28 adet ince fiber membran bulunmaktadır. Membran  fiberlerinin  çapı, yüksek debili evsel atıksular için filtrasyon alanını artırma amacıyla oldukça düşük olacak şekilde 1.5 mm seçilmiştir (Şekil 6).

Şekil 6: Örnek AnMBR membran modülü (21)

–   Yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktörlerin membran ile enteg- rasyonunun   25  °C  için  oldukça

uygun olduğu görülmüştür.  Çamur çökelme özelliğinde gözlenen bozulmaya rağmen, girişte 530±30 mg/L olan ortalama KOİ, membran çıkışında 42 mg/L’ye düşmüş ve katı madde içermeyen bir süzüntü elde edilmiştir.

–   Membran sistemlerde transmemb- ran basınç değeri işletimde dikkate alınması gereken önemli bir para- metredir. Transmembran basıncı, membran filtrasyon işlemlerinde membranın  her iki yüzeyinde  oluşan basınç değişiminden belirlenen membran geçiş basıncıdır. Trans- membran basınç membran tıkan- ması ile doğrudan ilişkilidir.

– Deneysel çalışmalar sonucunda, sistemin ortalama transmembran basınç değeri 85 mbar olarak belirlenmiş olup, elde edilen düşük transmembran basınç değerleri, membranda ciddi seviyelerde tıkanma probleminin olmadığını göstermiştir.

–   Yukarı akışlı havasız çamur yataklı reaktör çıkışındaki partiküler maddeler, membran modülünü oluşturan fiber membranların bazılarının girişini tıkayarak ani basınç artışına neden olabilmektedir. Fakat bu durum geri yıkama ile önlenebilmektedir.

–    Sistem 15 °C’de işletildiğinde, arıtma performansı 25 °C’deki ile aynı olmakla birlikte, filtrasyon performansında ciddi seviyelerde bozulma gözlenmiştir. Düşük sıcaklıkta anaerobik sistemlerde gözlenen düşük hidroliz hızına bağlı olarak sistemde partiküler madde birikimi daha yüksek seviyede olmuştur.

Bu durum da, sistemde yüksek transmembran basıncın gözlenme- sine, dolayısıyla tıkanmanın artmasına neden olmuştur.

(d) Endüstriyel Atıksuların Ana- erobik Membran Biyoreaktörler ile Arıtımı: Substrat Özelliklerinin Etkisi (22)

– Anaerobik arıtmanın verimi ve performansı, çok yavaş çoğalabilen anae- robik mikroorganizmaların reaktördeki kalış süresine bağlıdır. Biyoreaktördeki aktif biyokütle miktarının artırılabilmesi ancak çok uzun bekletme  süreleri ya da hidrolik bekletme  süresi (HBS) ile çamur yaşının birbirinden ayrılması ile mümkündür. Çamur yaşı, biyolojik giderim verimi ve filtre edilebilirlik üzerinde etkili bir parametredir.

–    Mikroorganizmaların biyoreaktörlerdeki kalış sürelerinin artırılabilmesi için partiküler maddeleri fiziksel olarak tutabilen membran sistemleri de kullanılabilmektedir.  Arıtılan su membrandan geçerek reaktörü terk ederken, içerisindeki partiküller ve mikroorganizmalar reaktör içerisinde kalır.

–  Anaerobik  membran  biyoreaktörler (AnMBR), anaerobik arıtma prosesleri ile membran sistemlerinin başarılı bir şekilde bir arada kullanılması ile teşkil edilir (Şekil 7). Biyoreaktör olarak tam karışımlı ya da yukarı akışlı reaktörler kullanılabilir.

Şekil 7: Anaerobik membran biyoreaktörler (22)

Tübüler, plaka ya da boşluklu fiber membranların kullanıldığı membran modülleri batık ya da çapraz akışlı  olarak reaktöre  bağlanırlar. Bu tip reaktörlerin düşük organik yüklü  anaerobik  çamur  çürütücüler ile yüksek yüklü granüler çamur yataklı sistemler arasındaki boşluğu doldurması beklenmektedir.

AnMBR prosesinin en önemli dezavantajı membran tıkanmasıdır. Membran tıkanması, zamanla membran porları ve membran üzerinde biriken maddelere bağlı olarak transmembran basıncının artması ya da akının azalması olarak tanımlanabilir.

–    Membran   teknolojilerinin  atıksu arıtma  proseslerinde  kullanılmaya başlanması birçok avantaj ve fırsat yaratmıştır. AnMBR’lerin özellikle mikroorganizma granül oluşumunun sağlanamadığı endüstriyel atıksuların arıtımında (peynir altı suları ve Biyo-etanol atıksuları)  hem biyogaz hem de partiküler madde içeriği çok düşük, yüksek kalitede arıtılmış su geri kazanımı sağlanabilen, yenilikçi bir proses olduğu gösterilmiştir.

e) Türkiye’de  Atıksu  Arıtımı  ve Membran Biyoreaktör Kullanımı

1994-2010 yılları arasında TÜİK verilerine göre Türkiye’de uygulanan arıtma tesislerinin türü, miktarı ve yıllara göre dağılımı Şekil 8’de gösterilmiştir. Bu verilere bakıldığında  Türkiye’de 1994-2010 yılları arasında biyolojik arıtma sistemiyle çalışan arıtma tesis- lerinin sayısında hızlı bir artış görülmektedir. Ülkemizde ileri arıtma teknolojileri 2001 yılından itibaren uygulanmaya başlamıştır.   Doğal  arıtma  sistemleri ise 2008 yılından itibaren kullanılmaya başlanmıştır.

Şekil 8: 1994-2010 yılları arasında Türkiye’de uygulanan arıtma tesislerinin türü, miktarı ve yıllara göre dağılımı (TUİK), (2)

Yardım istediğim üç araştırmacı Tablo 8’de verilenlerden daha güncel değerlere ulaşamadıklarını bildirdiler. Bu dergideki bir yayınım için Çevre ve Şehircilik Bakanlığı’ndan öğrendiğim bilgileri ve 2012 TUİK verilerini sizlerle paylaşmayı istiyorum.

TUİK  2012’i  Belediye  Atıksu  İstatistikleri  verilerine  göre kanalizasyon şebekesinden  deşarj edilen 4,1 milyar m3 atıksuyun 3,3 milyar m3ü 412 atıksu arıtma tesisinde arıtılmıştır. Arıtılan atıksuyun  %38,3’üne  gelişmiş  (ileri), %32,9’una  biyolojik,  %28,5’ine  fiziksel ve %0,3’üne doğal arıtma uygulanmıştır. 2015 yılında Türkiye’de 646 evsel arıtma tesisi mevcut  olup, bu tesisler 542 belediye kuruluşuna hizmet vermektedir. Nüfusun %78’inin atıksuyu herhangi bir kademede arıtılmaktadır (23).

Havza Koruma Eylem Planı’na göre 2017 yılına kadar 591 adet biyolojik ve ileri arıtma tesisi, 591 adet paket arıtma tesisi ve 371 adet doğal arıtma tesisi yapılması planlanmaktadır.

Avrupa Birliği Entegre Çevre Uyum Stratejisi Raporu’na göre 2020 yılına kadar nüfusu 50000’den büyük kent- lerde kanalizasyon şebekesinden ve atıksu arıtma tesislerinden faydalanan nüfus %90’ın üzerine çıkarılacaktır (24) (25) (2).

Türkiye’de mevcut membran biyore- aktör sayısı üzerinde bir çalışma bulun- mamaktadır.   Yaptığım   araştırmada İSTAÇ tarafından çalıştırılan Kemerburgaz ve Şile katı atık tesislerinde sızıntı suları membran biyoreaktör (MBR) yardımıyla arıtılmaktadır. Trabzon ve Bitlis katı atık tesislerinde sızıntı suyu MBR tesislerinde arıtılmaktadır.

İzmir Tekeli Organize Sanayi Bölgesi’nde  kurulu  batık MBR’ın  kapasitesi 8000 m3/gün olup, arıtılan su yeniden kullanılmaktadır. Bursa-Demirtaş Orga- nize Sanayi Bölgesi’ndeki işletmeler- den kaynaklanan evsel ve endüstriyel nitelikli atıksular (70.000 m3/gün) uzun havalandırmalı biyolojik arıtma tesisinde arıtılmaktadır. Uzun havalan- dırmalı aktif çamur prosesinde biyolojik azot ve fosfor giderimi yapılmaktadır. 25.000 m3/gün yeni bir arıtma tesisinin kurulumu için çalışmalara 2014 yılında başlanılmıştır. Membran Biyoreaktör olarak planlanan tesisinin kurulumunun tamamlanmasının ardından ikinci aşama olarak tesisten elde edilen su; Reverse Osmoz ya da Nano Filtrasyon gibi ileri arıtma teknolojisine tabi tutu- larak geri kazanımı sağlanacaktır. Geri kazanılan su DOSAB’ın Buhar ve Elekt- rik Üretim Tesisi’nde kullanılacak 10 bin metreküp/günlük ihtiyacın tamamını karşılayacak, ilave olarak 5 bin metre- küp/gün kapasite fazlası olacaktır. Bu su da proseste kullanılacak,  böylelikle çevreci bir yaklaşımla su geri kazanımı ile yeraltı suyu kullanımı azaltılacaktır.

Membran biyoreaktörler arıtım teknolojileri arasında önemli bir potansiyele sahip olan sistemlerdir. Bu teknoloji, özellikle evsel atıksuların ve endüstriyel atıksuların arıtımında konvansiyonel  aktif  çamur  proseslerine kıyasla sahip olduğu büyük avantajlarla ön plana çıkmaktadır. MBR sistemleri organik maddeleri, patojen mikroorganizmaları ve besi maddelerini atıksudan çok yüksek verimlerle uzaklaştırabilmektedir. Günümüzde bu teknolojiyi kullanan arıtım sistemlerinin sayısı gün geçtikçe artış göstermektedir. Küçük yerleşim yerlerinin ve fabrikaların atıksularının arıtılmasında avantajlı olan bu sistemlerin uygulanması karşısındaki en büyük engellerden biri, membranın maliyeti ve ortaya çıkan tıkanma problemleridir. Yürütülen bilimsel çalışmalar ışığında zamanla membran biyoreaktörlerdeki tıkanma problemlerinin en aza indirilmesi  mümkün  olacaktır.

Özellikle membran biyoreaktörlerde kullanılan çeşitli koagülan ve aktif karbon gibi maddelerle bu problem bir nebze olsun çözülmeye çalışılmaktadır. Bir diğer sorun ise membranın maliyeti ve işletme maliyetleridir. Ancak bu teknoloji uygulanmaya başladığından bu yana membran fiyatlarının düştüğü de bir gerçektir. İşletme maliyetleri ise konvansiyonel sistemlerden daha yüksek olabilir ancak özelikle katı deşarj standartlarının  var olduğu  bir süreçte  bu bir dezavantaj olmaktan çıkacaktır (7).

Membranlar özellikle tuzlu suyun arıtılmasında çok başarılı sonuçlar vermektedir. Ayrıca atıksu geri kazanımında avantajlara sahiptirler. Maliyetleri de gün geçtikçe düşmektedir. Membranların maliyetinin azalması, membran entegre edilen tesislerin ilk yatırım maliyetlerini de azaltmıştır. Aynı zamanda son geliştirilen yeni membran türleriyle birlikte işletme maliyetleri de düşmektedir (26).

Dünyada su kıtlığının artması nedeniyle MBR tesislerinde elde edilen suyun yukarıda anlatıldığı gibi çeşitli gayeler için yeniden kullanımı mümkündür.

Kaynaklar

(1)    Lofrano, G., Brown, J., 2009, Wastewa- ter Management Through the Ages: A History of Mankind, University of Salerno, Department of Civil Engine- ering, via Ponte don Melillo, Fisciano (SA), Italy,

(2)   Yıldız,  S., Namal,  O. Ö., Çekim,  M., 2013, Atık Su Arıtma Teknolojilerindeki Tarihsel Gelişim, Selçuk Üniversitesi Müh. Bilim ve Teknoloji Dergisi C.1, S.1

(3)   Rebhun, M., Galil, N., 1990, Wastewater Treatment Technologies, The Mana- gement of Hazardous Substances in the Environment, Elsevier Applied Science, London, New York,

(4)  Taşıyıcı, S., 2009, Batık Membran Sis- temleri ile İçme Suyu Arıtımı: Memb- ran Tıkanıklığını Azaltmak için Farklı Yöntemlerin Kullanılması, İTÜ, Fen Bilimleri Enstitüsü, Çevre Mühendis- liği Anabilim Dalı , Yüksek Lisans Tezi, İstanbul, 179 s.

(5) Kitiş, M., Köseoğlu, H., Gül, N., Ekinci, F.Y., 2003, Atık Su Arıtımı ve Geri Kazanımında Membran Bioreaktörleri, V. Ulusal Çevre Mühendisliği Kongresi, TMMOB-ÇMO, Ankara.

(6) Song, K-G., Kim, Y. ve Ahn, K-H., (2008). Effect of Coagulant Addition on Membrane Fouling and Nutrient Removal in a Submerged Membrane Bioreactor, Desalination, 221

(7)   Gürel, L., Büyükgüngör, H., 2011 Atıksu Arıtımında Membran Biyoreaktörler, İTÜ Dergisi/E Su Kirlenmesi Kontrolü, 21: 1

(8)  Çinar, Ö., Hasar, H. ve Kinaci, C., (2006). Modeling of Submerged Membrane Bioreactor Treating Che- ese Whey Wastewater by Artificial Neural Network, Journal of Biotech- nology, 123, 204-209.

(9)   Artiga, P., Ficara, E., Malpei, F., Garrido, J.M. ve Mendez, R., (2005). Treatment of two Industrial Wastewaters in a Submerged Membrane Bioreactor, Desalination, 179, 161-169.

(10) Judd, S., (2008). The Status of Memb- rane Bioreactor Technology, Trends in Biotechnology, 26, 109-116.

(11)   Türker, M., 2003, Anaerobik Biyotek- noloji: Türkiye ve Dünya’daki Eğilimler 2. Ulusal Çevre Kirliliği Kontrolü Sempozyumu, 22-24 Ekim, ODTÜ

(12)  Droste, L., 1997, Theory and Practice of Water and Wastewater Treatment, Michigan University Publications, USA

(13) Metcal&Eddy,  2003  Wastewater Engineering Treatment, Disposal and Reus, McGraw-Hill Book Comp, New York, ABD

(14)  Samsunlu, A., 2011, Atık Suların Arıtılması, Birsen Yayınevi, İstanbul.

(15)  Aslan,  M.,  2012,  Anaerobik  Batık Membran Bioreaktörde Membran Modül Geometrisi ve Biyogaz Geri Devrinin Membran Kirlenmesine Etkisi,  FÜ.,  Mühendislik   Fakültesi Çevre Mühendisliği Anabilim Dalı , Doktora Tezi, Elazığ

(16)  Debik, E., Manav, N., Coşkun, T., 2008, Biyolojik Temel İşlemler Ders Notları, YTÜ. İstanbul.

(17)  Samsunlu,A., 2016, Atıksu Arıtımında Giderek Önem Kazanan Membran Teknolojisi Konusu ve Üç Araştırma, Su ve Çevre Teknolojileri Dergisi-Nisan

(18)  Guo, W., Vigneswaran, S., Ngo, H-H., Xing, W. ve Goteti, P., 2008. Compari- son of the Performance of Submerged Membrane Bioreactor (SMBR) and Submerged Membrane Adsorption Bioreactor (SMABR), Bioresource Technology, 99,

(19)  Zhou, Y., Xu, Z-L., Li, X-R. ve Bao, W-X., (2008). Study on Membrane Fouling Behavior During Synthetic Refractory Wastewater Treatment Using SMBR with Hollow Fiber Module, Environ- mental Engineering Science, 25, 5

(20) Erşahin,M. E., 2016, Anaerobik Memb- ran Biyoreaktör Sistemlerinde Dina- mik Membranların Uygulanması, Su ve Çevre Teknolojileri Dergisi Mayıs sayısı

(21)  Özgün,  H,  2016,  Evsel  Atıksuların Anaerobik Membran Biyoreaktörler İle Maliyet Etkin Olarak Yeniden Kullanımı, Su ve Çevre Teknolojileri Dergisi Haziran sayısı

(22) Dereli, K., 2016, Endüstriyel Atıksuların Anaerobik Membran Biyoreaktörler ile Arıtımı: Substrat Özelliklerinin Etkisi, Su ve Çevre Teknolojileri Dergisi Tem- muz sayısı

(23) Samsunlu, A., 2015, Türkiye’de Kentsel Atıksu Arıtma Tesisi Çamurlarının Ber- tarafı, Su ve Çevre Teknolojileri Dergisi Kasım sayısı

(24) Dikmen, Ç., Saraçoğlu, E., Durucan, Z., Durak, S., Sarıoğlu, K., 2011, Türkiye Çevre Durum Raporu, T.C. Çevre ve Şehircilik Bakanlığı, ÇED İzin Dene- tim Genel Müdürlüğü, Çevre Envanteri ve Bilgi Yönetimi Dairesi Başkanlığı, Ankara

(25) Çevre ve Orman Bakanlığı, 2006, Avrupa Birliği Çevre Uyum Stratejisi (UÇES)(2007-2023), Ankara,

(26) Koyuncu,  İ.,  2015,  Araştırmalarıyla Dikkat Çeken MEM-TEK (röportaj), Su ve Çevre Teknolojileri Dergisi Aralık sayısı.