MBR'ye Giriş

1. Membran biyoreaktörler nedir?

Membran filtrasyonu, su ve atık su arıtımında önemli bir role sahiptir; bu, kanıtlanmış daha iyi performansı ve daha verimli ekonomisiyle geleneksel su teknolojilerinden üstündür. Temel membran işlemleri mikrofiltrasyon (MF), ultrafiltrasyon (UF), nanofiltrasyon (NF), ters ozmoz (RO). Bu membranlar için ayırma aralıkları şu şekildedir: MF için 100 ila 1000 nm, UF için 5 ila 100 nm, NF için 1 ila 5 nm ve RO için 0,1 ila 1 nm.  Son 10 yıldan fazla bir süredir MBR'ler, MF ve UF aralığında membranlar kullanan etkili bir ikincil arıtma teknolojisi olarak ortaya çıkmıştır.

Şek.1, Membranların gözenek boyutuna göre sınıflandırılması

Membran biyoreaktör (MBR) işlemleri esas olarak mikrofiltrasyon (MF) veya ultrafiltrasyon (UF) kullanılarak ve bunları biyolojik bir prosesle entegre ederek atık su arıtma (WWT) için kullanılır askıya alınmış bir büyüme biyoreaktörü gibi. Membranlar, biyolojik süreç sırasında oluşan katı maddeleri uzaklaştıran, berrak ve patojen içermeyen bir ürün veren bir filtre olarak kullanılır. Aşağıdaki Şekil 2'deki daldırılmış MBR'nin (iMBR) resminde görsel bir örnek bulunabilir.

Şekil 2, Atık su, aşağı yöndeki ekipmanlara zarar verebilecek büyük nesnelerin uzaklaştırılması için ince bir elekten geçer. Daha sonra, FBD'den çıkan oksijenin yardımıyla mikroorganizmaların atık sudaki organik maddeyi sindireceği ve bunu yaparken bir araya toplanıp çamur üreteceği Aerobik Bölgeyi takiben nitrojenli madde ve fosfatın arıtımı için Anoksik Bölgeye girer. Bu çamur, zarın ayrılacağı Daldırma Membran Biyoreaktörüne girecektir. Sudan katı maddeler ve mikroorganizmalar.

Membran biyoreaktör, esasen, katı/sıvı ayrımı için çökeltme tankının geleneksel aktif çamur (CAS) sisteminin yerini alan bir üründür. MBR, son kullanıcıya gelişmiş proses kontrolü ve çok daha iyi ürün suyu kalitesi sunar.

MBR prosesi, geleneksel aktif çamur prosesinden oldukça farklı parametrelerle çalışır

• SRT konvansiyonel sistem için 5 -20 gün - MBR için 20 -30 gün
• F/M 0,05 -1,5 d-1geleneksel sistem için - <lt; MBR için 0,1 d-1
• Geleneksel proses için MLSS 2.000 mg/L - MBR için 5.000 -20.000 mg/L

Genel olarak MBR'lerin üç farklı membran konfigürasyonu vardır (Şekil 3),

1. düz sayfa (FS)
2. içi boş fiber (HF)
3. çok tüplü (MT)

Şek. 3, MBR membran konfigürasyonları, A) İçi Boş Fiber, B) Multitube, C) Düz Levha

2. MBR Uygulamaları

MBR'ler genellikle aşağıdaki durumlarda tercih edilen bir seçenektir:

1. Sınırlı alan var
2. Son kullanıcı yüksek kalitede arıtılmış suya ihtiyaç duyar (ör. suyun yeniden kullanımı için)

MBR CAPEX ve OPEX'in azalmasıyla birlikte gittikçe sıkılaşan çevre düzenlemeleri, tüm dünyada kurulumların ve boyutların artmasına yol açtı. MBR'ler şu anda dünya çapında 200'den fazla ülkede, 4.200 m³/gün'ün üzerinde kapasiteye sahip bir dizi tesisle uygulanmakta ve bunların %15'e varan büyüme oranları, çeşitli pazar analizlerinde düzenli olarak rapor edilmektedir.

Genellikle MBR teknolojisi biyolojik olarak kolayca parçalanabilen organik karbon içeriğine sahip atık sulara uygulanır. İkincisi, MBR teknolojilerinden geniş ölçüde yararlanan yiyecek ve içecek sektörü söz konusu olduğunda özellikle doğrudur.

Biyolojik olarak az miktarda parçalanabilen içerik (ör. çöp sahası sızıntı suyu ve farmasötik atıklar) içeren atık su pazarlarında, geleneksel biyolojik işlemlere göre daha iyi bir biyolojik arıtmaya olanak tanıyan uzun katı tutma süreleri (SRT) nedeniyle MBR'lerde de bir artış görüldü.

Askıda yağ (bitkisel veya mineral) içeren sular, membranı korumak için ön arıtma (ör. plaka ayırma, çözünmüş hava yüzdürme veya her ikisi) gerektirir.

Her ne kadar küresel MBR pazarı esas olarak birkaç büyük şirketin hakimiyetinde olsa da, bugün piyasada 70'i aşkın MBR membran modülü ürünüyle teknoloji tedarikçilerinin sayısı artmaya devam ediyor.

Genel olarak MBR'ler aşağıdakiler gibi çeşitli endüstriyel sektörlerde atık suların arıtılması için uygulanmıştır:

1.      yiyecek ve içecek &eksi; organik yükleme oranı yüksek

2.      petrol endüstrisi &eksi; arama, rafinaj ve petrokimya sektörleri

3.      farmasötik  endüstri – aktif farmasötik bileşenlere (API) sahip

4.      kağıt hamuru ve kağıt endüstrisi &eksi; yüksek düzeyde askıda katı madde, KOİ ve BOİ

5.      tekstil endüstrisi atıksu &eksi; yeniden biyolojik olarak parçalanabilirlik, toksisite, FOG içeriği ve rengi

6.      depolama sahası sızıntı suyu &eksi; çok çeşitli çözünmüş ve askıda organik ve inorganik bileşikler

7.      gemi atık suları &eksi; yasal gereklilikler ve alan kısıtlamaları.

8.      Endüstriyel muameleye karşı belediye muamelesi

 

3. MBR'lerin avantajları nelerdir?

Membran biyoreaktörlerin diğer atık su teknolojilerine göre çok sayıda avantaja sahip olduğu genel olarak kabul edilmektedir.

• I.    HRT ve SRT'nin bağımsız kontrolü
• II.   Yüksek kaliteli atık su
• III.  Küçük ayak izi
• IV.  İyileştirilmiş biyolojik arıtma.
• V.   HRT ve SRT'nin bağımsız kontrolü
• VI.  MBR OPEX

I.    HRT ve SRT'nin bağımsız kontrolü

Biyolojik katılar (karışık sıvı veya çamur) tamamen biyoreaktörde bulunduğundan, bu, katı tutma süresinin (SRT) hidrolik tutma süresinden (HRT) bağımsız olarak kontrol edilmesine olanak tanır. CAS prosesinde, esas olarak biyokütle olan topaklaştırıcı katıların ("topak"), ikincil arıtıcıda çökeltilebilecekleri noktaya kadar boyutlarının büyümesine izin verilmesi gerekir. Yani CAS'ta HRT ve SRT birbirine bağlıdır; HRT arttıkça topakların büyümesi gerekir, bu da çökelebilirliklerini artırır.

II.   Yüksek kaliteli atık su

MBR'nin membran gözenekleri küçük boyutta (<0,5) olduğundan, arıtılan atık su çok yüksek bir berraklığa sahiptir ve CAS işlemiyle karşılaştırıldığında önemli ölçüde azaltılmış patojen konsantrasyonuna sahiptir. Atık su, su kütlelerine deşarj edilmek veya kentsel sulama, kamu hizmetleri veya tuvalet sifonları gibi uygulamalarda kullanılmak üzere yeterli yüksek kaliteye sahiptir. Ayrıca daha yüksek kalitede su elde etmek için doğrudan ters ozmoz prosesine de beslenebilir.

III.  Küçük ayak izi

CAS'ın yüksek bir HRT'si vardır, bu da daha büyük bir tesis büyüklüğüne ihtiyaç duyulmasına yol açar. MBR'lerde elde edilen daha yüksek konsantrasyonlar nedeniyle, aynı toplam katı kütlesi daha küçük bir hacimde tutulur, dolayısıyla ayak izi daha küçük olur.

IV.  Daha iyi biyolojik arıtma

MBR'ler daha yüksek SRT'ye sahiptir ve bu da daha yavaş büyüyen mikroorganizmaların, özellikle de nitrifikasyon maddelerinin gelişimini teşvik etmesi nedeniyle daha iyi genel biyo-arıtma sağlama eğilimindedir. Bu gerçek, MBR'leri amonyağın biyolojik olarak uzaklaştırılmasında ("nitrifikasyon") çok etkili kılar.

V.   MBR'lerin dezavantajları nelerdir?

Bir MBR'nin temel dezavantajları, operasyonel süreç karmaşıklığı ve CAPEX ve OPEX'e çevrilen maliyettir.

İkincisi her ikisi de membranın maliyetine karşı oldukça hassastır. OPEX ayrıca şunlara da duyarlıdır:

• zar ömrü
• sızıntı akışı
• membran hava temizleme hızı (hava temizleme enerjisi)

VI.   MBR OPEX

Genel olarak MBR OPEX'i etkileyen başlıca unsurlar şunlardır:

VI.   MBR OPEX

Genel olarak MBR OPEX'i oluşturan parçaların ayrıntıları:

1. membran maliyeti / m² membran yüzey alanı
2. yıl olarak membran ömrü
3. net nüfuz akışı (ürün akışı/birim alan), kesinti süresi ve membranın temizlenmesi için ürün suyunun kullanımı dikkate alınarak
Nm

³

/m

²

membran alanı/saat cinsinden
1. membrana özel havalandırma talebi (SADm). Nm³, 20°C sıcaklıkta ve 1 bar basınçtaki hava hacmidir.
2. arazi maliyetleri/ m² arazi alanı
3. enerji maliyeti/kWh
4. iyileştirilmiş su kalitesinin değeri

 (7) kolayca ölçülebilir değildir ancak yaşam döngüsü analizi yoluyla niceliksel çevresel ayak izine çevrilebilir.

 

6. CAS ile MBR'nin değerlendirilmesi

CAS'ın MBR ile aynı su kalitesine sahip bir atık su üretmesi için aşağıdakilerin tümüne veya bir kısmına ihtiyacı olabilir:

1. Uzatılmış HRT için tank boyutları artırıldı (ve dolayısıyla geniş arazi alanı)
2. Yüksek fosfor (P) konsantrasyonu elde etmek için artan kimyasal dozajı
3. Askıda katı maddeler (SS) ve mikroorganizma konsantrasyonu açısından MBR ile karşılaştırılabilir bir arıtılmış su kalitesi elde etmek için çoklu ortam filtresi (MMF) veya ultrafiltrasyon/mikrofiltrasyon (UF/MF) ile son arıtma.

Mevcut tesislerin MBR ile güçlendirilmesi mevcut alana göre belirlenir. Bu, daha yüksek enerji talebine rağmen arıtılmış su kalitesinin iyileştirilmesine ve/veya akış kapasitesinin artırılmasına olanak tanır.

7. MBR yapılandırmaları

MBR membran filtrasyonunun iki ana konfigürasyonu vardır; 1) doğrudan biyoreaktöre (iMBR) daldırılan vakumla çalıştırılan membranlar ve 2) yan akışlı MBR'lerde (sMBR) basınçla çalıştırılan filtreleme (Şekil 4).

Şekil 4, Ana ticari MBR yapılandırmaları; (A) Batık MBR, (B) Yan Akım MBR

MBR'lerin, atık su içeriğinden kaynaklanan membran kirlenmesini önlemek için membran yüzeyi üzerinde bir kesme kuvvetine ihtiyacı vardır ve bu, istenen bir süzüntü akışının korunmasında kritik öneme sahiptir.

Hava/sıvı akışı membran yüzeyine paralel aktığında, membran yüzeyindeki kirlenmenin derecesini sınırlamaya yardımcı olan bir kesme kuvveti oluşturur (Şekil 5).

 

Şekil 5, MBBR membranlarının yüzeyini temizlemek için havalandırmadan gelen hava kabarcıklarının kullanılması

Batırılmış işlemler tam da bu nedenle biyoreaktördeki havalandırmayı kullanıyor, ancak yan akım MBR'lerin diğer membran işlemlerinin çoğunda olduğu gibi pompalama kullanması gerekiyor. Enerji taleplerindeki bu farklılık, iMBR yapılandırma pazarındaki hakimiyetini açıklıyor.

Ayrıca sMBR'lerdeki kirlenme, aktif çamurun pompalanması nedeniyle daha yüksektir, bu da mikrobiyal flokların kayma gerilimini artırır, parçalanmalarına neden olur, bu da parçacık boyutunun azalmasına ve kirletici maddenin salınmasına yol açar.

MBR konfigürasyonları şu anda pratikte kullanılan üç temel membran konfigürasyonuna sahiptir,

1. flat sheet (FS)
2. hollow fiber (HF)
3. multi-tube or multi-channel (MT/MC)
1. düz sayfa (FS)
2. içi boş fiber (HF)
3. çok tüplü veya çok kanallı (MT/MC)

sMBR'ler, iMBR'lerden daha fazla enerji tüketse de bir dizi avantaj sunarlar:

a.   Daha yüksek akı işlemi nedeniyle azaltılmış membran alanı gereksinimi

b.  operasyon ve amp; temizleme döngüsü; iMBR'den farklı olarak membranların yerinde kimyasal temizliği, biyokütleye yönelik herhangi bir kimyasal risk olmadan gerçekleştirilebilir

c.  bakım ve tesisin aksama süresi maliyetleri, özellikle de membran modülü değişimi için, genellikle biraz daha düşüktür; modüllere kolayca erişilebilir ve böylece daldırılmış membranlara göre çok daha kısa sürede değiştirilebilir

d.  membran modülleri hidrolik yüklemeye göre çevrimiçi ve çevrimdışı hale getirilebilir

e.  daha yüksek katı konsantrasyonlarında işlem mümkündür

f.  basınç ve akış hızları azaltılırsa veya membranlar hava kaldırma işlemi için yapılandırılırsa daha düşük enerji talebinde çalışmak mümkündür; ancak bu daha fazla membran alanı gerektirir

Arıtılması zor atık suların küçük akışları için, basit kullanımı, daha küçük ayak izi ve daha kolay bakımı nedeniyle sMBR genellikle baskındır; özellikle de membran değişimi söz konusu olduğunda. Çok büyük tesislerde OPEX genellikle daha düşük olduğundan iMBR her zaman HF membranlarla birlikte seçilir.

Ara akışlar için genellikle HF veya FS iMBR'yi seçeriz. FS'nin çalıştırılması daha basittir ancak hem membran maliyeti/m²alanı hem de enerji talebi HF konfigürasyonundan biraz daha yüksektir.

Son olarak, sMBR'lerin çoğu klasik pompa konfigürasyonunu kullansa da, membranlar serpantin desenli bir seri halinde düzenlenirse, enerji talebi neredeyse iMBR'lerle aynı olan hava kaldırma modunda çalışabilir ve dolayısıyla daha az yer kaplama ve etkili paçavra giderme avantajıyla belediye atık su uygulamaları için düşünülebilir. Ancak membranlar genellikle daldırmalı olanlardan daha maliyetlidir.

8. MBR işletimi ve bakımı – kirlenme, tıkanma ve temizleme

MBR'lerdeki geçirgenlik düşüşü esas olarak membran tıkanması ve membran kanalının tıkanmasından kaynaklanır:

1. ‘faul yaparak’ membran yüzeyinin kaplanmasını veya membran gözeneklerinin çözünmüş, kolloidal veya ince katılarla tıkanmasını kastediyoruz. Normalde fiziksel ve kimyasal temizleme döngüleriyle giderilir.
2. ‘tıkayarak’ büyük katı maddelerin membran kanallarının içinde veya girişinde birikmesini kastediyoruz. Kanalların içindeki tıkanmaya bazen ‘çamurlanma’
adı verilir.

Belediye atık su arıtma tesislerinde membranlar bazen "paçavra"larla da tıkanabilir. (veya "örgüler") bir araya toplanmış filamentli maddelerden (özellikle pamuk yünü gibi tekstil liflerinden) oluşur. Buna 'paçavra' veya 'örgü' diyoruz.

Şek.6. MBR'lerde geçirgenlik düşüşü

Membran temizliği fiziksel veya kimyasal olabilir. Fiziksel temizlik, membran yüzeyine yapışan büyük katıları (geri dönüşümlü kirlenme) ortadan kaldırır. Kimyasal temizleme, daha inatçı malzemeleri (geri dönüşü olmayan kirlenme) ortadan kaldırır.

1. Fiziksel temizleme normalde ‘geri yıkama&rsquo ile gerçekleştirilir. (zardan geriye doğru akışın tersine çevrilmesi) ve bu, havayla kombinasyonla artırılabilir veya "gevşeme"; (membranı hava kabarcıklarıyla temizlemeye devam ederken nüfuz etmeyi durdurun). Bu iki teknik birlikte kullanılabilir
2. Kimyasal temizlemede genellikle membranı tanktan veya kızaktan çıkarmadan (yerinde temizleme veya CIP) mineral veya organik asitlerle (çoğunlukla sitrik asit, C₆H₈O₇) kombinasyon halinde oksidatif bir kimyasal olan sodyum hipoklorit (NaOCl) kullanılır. Kimyasal temizliğin geri yıkamayla birleştirilmesi durumunda buna normalde "kimyasal olarak geliştirilmiş geri yıkama" adı verilir. (CEB). HF iMBR'ler için CEB'ler rutin olarak haftalık/aylık olarak gerçekleştirilir.

Fiziksel temizlik 1) genel olarak hızlıdır, 2) kimyasal gerektirmez, 3) kimyasal atık üretmez ve 4) membranı bozma olasılığı daha düşüktür. Ancak bazı noktalarda kimyasal temizlik her zaman gereklidir çünkü 'geri dönüşü olmayan kirlenme' olarak tanımlanabilecek bir artık direnç kalır. bu da zamanla birikerek membran ömrünü kısaltabilir.

Geçirgenliği geri kazanmayı amaçlayan kimyasal temizleme, daha yüksek reaktif konsantrasyonları ve daha uzun temas süreleri gerektirir.

Ne rutin fiziksel temizliğin ne de kimyasal temizliğin, topaklaşan malzemenin çıkarılması için manuel müdahale (daldırılmış membranın tanklardan çıkarılması) gerektiren tıkanmayı önlemesi beklenemez.  

 

 Şek.7, MBR membran temizleme fiziksel ve kimyasal temizleme prosedürleri