MBR ile Arıtılmış Çöp Sızıntı Sularının DCMD ile Arıtılabilirliği

26 Ağustos 2016

Katı atıkların depolanması sonucu oluşan çöp sızıntı suları çok güçlü karakterde olup arıtılmadan deşarj edildiği takdirde insan sağlığını ve çevreyi tehdit etmektedir. Çalışmada, konvansiyonel yöntemlerle arıtımı zor veya maliyetli olan çöpsızıntı sularının doğrudan temaslı membran distilasyonu (DCMD) ile farklı besleme sıcaklıklarında (40, 50 ve 60 ̊C) arıtılabilirliği incelenmiştir.

Dünya üzerinde oluşan katı atık miktarı nüfusun artışıyla, endüstrileşmeyle ve tüketim alışkanlıklarının değişmesiyle katlanarak artmaktadır. Bu artışa bağlı olarak pek çok ülke, entegre katı atık yönetimi ile çevreci bertaraf stratejilerini araştırmaktadır. Düzenli depolama, katı atıkların bertarafında dünya üzerinde en yaygın olarak kullanılan tekniklerden biridir. Dünyada oluşan kentsel katı atığın %95’i düzenli depolanmaktadır. Dünya genelinde 150.000’den fazla düzenli depolama sahası bulunmaktadır. Atıklar depolandıktan sonra çeşitli fizikokimyasal ve biyolojik proseslerle ayrışmaktadır. Çöp sızıntı suları, atıkların bünyesinde bulunan suyun atıkların birtakım fiziksel, kimyasal ve biyolojik proseslerle ayrışması sonucu kirlenmesiyle ve bu suyun atıklardan süzülmesiyle oluşmaktadır.

Çöp sızıntı suları kompleks bir atıksudur ve kompozisyonu depolanan atığın türüne, nem içeriğine, mevsimsel hava değişimlerine, katı atığın stabilizasyon derecesine,hidrojeolojik faktörlere, ayrışmanın aşamasına ve depolama sahasının yaşına göre farklılık göstermektedir.

Çöp sızıntı suları yüksek miktarda organik ve inorganik madde, amonyak azotu, ağır metaller, klorlu organik bileşikler ve inorganik tuzları içerebilmektedir.

Çöp sızıntı suları akut ve kronik toksisite içeren güçlü bir atıksudur ve içerisindeki kirleticiler nedeniyle canlılara ve insan sağlığına zararlıdır. Arıtılmamış çöp sızıntı suları yüzeysel sulara ve depolama sahalarından sızarak yeraltı sularına karışmakta, yüzeysel ve yeraltı sularının kirlenmesine neden olmaktadır.

Çöp sızıntı sularının kompleks yapısına bağlı olarak içerdiği toksik bileşenlerin azaltılması ve deşarj limitlerinin sağlaması amacıyla çeşitli arıtım teknolojileri kullanılmaktadır. Biyolojik prosesler, fizikokimyasal prosesler ve ileri oksidasyon prosesi en yaygın olarak kullanılan proseslerdir. Ancak bu tekniklerle yüksek su kalitesi için gerekli standartlarda arıtım yapılamamaktadır.

Basınç sürücülü membranlar (mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon ve ters osmoz) birçok atıksu türünün arıtımında ön arıtma veya son arıtma olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak çöp sızıntı sularının içinde bulunan organik ve inorganik partiküller membran por larını hızlı bir şekilde tıkamakta ve kısa işletme sürelerinde membranın tıkanmasına neden olmaktadır. Bunun sonucunda membran ömrü azalmakta ve prosesin verimi olumsuz etkilenmektedir.

Membran Distilasyonuna Genel Bakış


MD prosesi mikroporoz hidrofobik membranın farklı sıcaklıklarda ve kompozisyonlarda sıvı çözeltileri ayırmasıdır. Membranın iki tarafındaki sıcaklık farkı buhar basıncı farkını oluşturmaktadır. Böylece buhar molekülleri buhar basıncının yüksek olduğu kısımdan düşük olduğu kısıma taşınır. Membranın hidrofobik özelliği nedeniyle su membran porlarından geçemez ancak su buharı geçebilir. Isıtılmış besleme suyu membranın besleme yönüne verildiğinde, su buharı membrandan geçmekte ve süzüntü yönünde soğuk suyla temas sonucu yoğunlaşmaktadır. Membran distilasyonu poroz hidrofobik membranlar aracılığıyla buharın taşındığı ve sürücü kuvvetin membranın iki tarafındaki buhar basıncı farkı olduğu bir prosestir. Membran distilasyonu desalinasyonda, su geri kazanımında, gıda ve ilaç sektörlerinde kullanılmaktadır. Membran distilasyonu konvansiyonel tekniklerle kıyaslandığında çeşitli avantajları ön plana çıkmaktadır. Membran distilasyonu;

  • Konvansiyonel distilasyonla kıyaslandığında; düşük işletme sıcaklıklarında çalıştırılabilmekte ve besleme çözeltisinin kaynama noktasına kadar ısıtılması gerekmemektedir.
  • Basınç sürücülü membranlardan çok daha az işletme basıncı ile işletilebilmektedir.
  • Kompakt bir proses olup yüksek arıtma verimi sağlamaktadır.
  • Enerji açısından daha verimli ve üretim gücü yüksek bir prosestir.
  • Onarım ve bakım ihtiyacın az olmaktadır.
  • MD prosesinde nispeten daha büyük gözenek çaplı membranlar kullanılır. Bu da membranın tıkanmasını azaltmaktadır.
  • Konvansiyonel distilasyon prosesleri ve diğer su arıtma prosesleri ile kıyaslandığında daha az yer gereksinimi vardır.
  • Diğer membran prosesleri ile kombine edilebilmektedir.
  • MD; atık ısı ve güneş enerjisi gibi alternatif ısı kaynakları ile birlikte kullanılabilmektedir.
  • Uygun maliyetli bir prosestir.
  • Membran distilasyonunun dört farklı konfigürasyonu bulunmaktadır. Bunlar,
  • Doğrudan temaslı membran distilasyonu (DCMD)
  • Gaz süpürücülü membran distilasyonu (SGMD)
  • Vakum membran distilasyonu (VMD)
  • Hava boşluklu membran distilasyonu (AGMD)

Bu konfigürasyonların en yaygın olanı yoğunlaştırılmış buharın membranın süzüntü kısmında doğrudan membranla temas halinde olduğu DCMD’dir.

DCMD’de süzüntü membran yüzeyiyle doğrudan temas halindedir, başka bir deyişle besleme ve soğuk süzüntü akımları poroz hidrofobik membranla doğrudan temas halindedir.

Besleme suyu membran yüzeyine çapraz akışlı şekilde sirkülasyon pompalarıyla beslenmektedir. Aynı şekilde soğutma suyu membranın süzüntü kısmına bir pompa ile verilmektedir. Sıcak ve soğuk suların arasındaki sıcaklık farkı dolayısıyla buhar basıncı farkı oluşmaktadır. Besleme tarafında oluşan su buharı hidrofobik membrandan geçerek soğutma suyuyla temas ederek yoğuşmakta ve su buharı sıvı hale geçmektedir.

Membran distilasyonunda polivinildiflorid (PVDF), polietilen (PE), politetrafluoetilen (PTFE) ve polipropilen (PP) gibi farklı hidrofobik membranlar kullanılmaktadır. Membran konfigürasyonları, tabakaçerçeve (plateframe), spiral sarılmış (spiral wound), tubular, kapiler ve hollow fiber (içi boş fiber) olabilir.

Materyal ve Metot

Atıksu Karakterizasyonu


İstanbul’da günde yaklaşık olarak 15.000 ton katı atık oluşmaktadır. Oluşan bu atıktan günlük toplam 3.600 m3/gün çöp sızıntı suyu oluşmaktadır. Çalışmada kullanılan çöp sızıntı suyu İstanbul Odayeri Katı Atık Düzenli Depolama Sahasında (İOKADDS) bulunan arıtma tesisinin nitrifikasyondenitrifikasyonUF membranlarından oluşan membran biyoreaktörü (MBR) çıkışından alınmıştır.

Çöp sızıntı suyunun karakteristik özellikleri Tablo 1’de verilmiştir.

Deney Düzeneği


Deneysel çalışmada DCMD’nun laboratuvar ölçekli bir modifikasyonu olan flatsheet membran modülü kullanılmıştır. Düzeneğin şematik diyagramı Şekil 1’de gösterilmiştir. Çalışma boyunca basınç 0,5 barda, atıksu besleme debisi 4,5 L/dk (LPM) ve soğutma suyu sıcaklığı 10 oC’de tutulmuştur. Çalışma 40, 50 ve 60oC olmak üzere üç farklı sıcaklıkta gerçekleştirilmiştir.

Çalışmada Membrane-Solution-LLC firması tarafından üretilen farklı por çaplarına sahip (0.22 µm ve 0.45 µm) politetrafloroetilen (PTFE) membranları kullanılmıştır. Modülün efektif membran yüzey alanı 0.015 m2’dir.
















Analitik Metotlar


KOİ analizi Standart Metotlar’da tanımlanan 5220 D. yöntemine göre yapılmıştır. NH4+-N analizi Standart Metotlar’da tanımlanan 4500-NH3 C. yöntemine göre yapılmıştır. İletkenlik analizi ise Thermo Scientific Orion 5Star Plus Multiparametre ölçer cihazı ile yapılmıştır.

Sonuçlar ve Tartışma İletkenlik


İletkenlik, sulu bir çözeltinin elektriği taşıyabilme özelliğinin sayısal bir ifadesidir. İletkenlik ölçümü ile çözeltinin toplam tuzluluğu hakkında fikir sahibi olunabilir. Suyun iletkenliği sudaki iyonların toplam konsantrasyonlarına, değerliklerine ve ölçüm sıcaklığına bağlı olarak değişmektedir. İletkenlik ayrıca su kalitesinin bir parametresidir ve atıksu arıtım proseslerinde monitör olarak izlenebilir. Yapılan çalışmada düşük por çaplı (0,22 µm) PTFE membranları ile arıtılan suların iletkenliğinin daha düşük olduğu belirlenmiştir. Ayrıca çalışma sıcaklığının artışı iletkenlik giderim verimini azaltmıştır. Sonuçlar Tablo 2’de verilmiştir.

Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ)


KOİ, atıksuların organik kirlilik derecesinin belirlenmesinde kullanılan en önemli parametrelerden biridir. Çalışmada kullanılan çöp sızıntı suyunun KOİ konsantrasyonu 2.440 mg/L’dir. 0,22 ve 0,45 µm por çapına sahip PTFE memb ranları ile farklı işletme sıcaklıklarında (40, 50 ve 60) DCMD ile yapılan distilasyon sonuçları Tablo 3’te verilmiştir. Çalışılan tüm sıcaklık ve por çaplarında çıkış suyunun KOİ konsantrasyonu 100 mg/L’nin altında olmuştur. Düşük çalışma sıcaklığında ve düşük por çapında KOİ giderimi daha fazla olmuştur. Çalışmada KOİ gideriminde ortalama %97 verim elde edilmiştir.

Amonyum (NH4+N)


Atıksularda bulunan amonyak azotu (amonyum ve amonyak) deşarj edildiği ortamda ötrofikasyona sebep olmakta ve akuatik yaşam ve balıklar için toksik etki gösterebilmektedir. Bu toksik etki pH ve sıcaklıkla birlikte artmaktadır. Yapılan çalışmada çöp sızıntı suyundan amonyum giderim veriminin daha çok besleme sıcaklığından etkilendiği görülmüştür. Por çapının giderim verimi üzerindeki etkisinin daha az olduğu belirlenmiştir. Çalışılan her iki por çapında en iyi amonyum giderim verimleri 40 ̊C’de elde edilmiştir (Tablo 4).

Membran Akıları


Akı, MD performansının belirlenmesinde en önemli parametrelerden biridir. Çalışmada DCMD 2 saat boyunca işletilmiştir ve membran akılarının iki farklı por çapında ve üç farklı sıcaklıkta değişimleri incelenmiştir. Membran akısının por çapının artışıyla doğru orantılı olarak arttığı görülmüştür. Por çapının büyümesi membran yüzeyinden aynı sürede daha fazla su buharı geçişine olanak sağlamakta bu da akının artmasına neden olmaktadır. Akının çalışma sıcaklığı ile de doğru orantılı olarak arttığı gözlenmiştir. En yük sek membran akısı 60 ̊C çalışma sıcaklığında elde edilmiştir. Sıcaklığın artışı ile birim zamanda buharlaşan su miktarı artarak akının artmasını sağlamaktadır. 2 saatlik çalışma boyunca membran akıları stabil kalmış ve herhangi bir azalma gözlenmemiştir. Akının azalmaması membranda tıkanma ve ıslanma olmadığını göstermektedir.

Sonuçlar


Yapılan çalışmada modifiye edilmiş DCMD ile çöp sızıntı sularının farklı çalışma sıcaklıklarında ve farklı por çapına sahip PTFE membranları ile arıtılabilirliği araştırılmıştır. Sonuçlar aşağıda özetlenmiştir.

  • İletkenlik giderim verimi %99 olmuştur. Süzüntülerde elde edilen en düşük iletkenlik değeri 283 µS/cm (PTFE, 0.45 µm, 40 ̊C) ve en yüksek iletkenlik değeri 680 µs/ cm (PTFE, 0.45 µm, 60 ̊C) olmuştur. İletkenlik giderim veriminin besleme sıcaklığı ile değiştiği ve düşük besleme sıcaklığında giderimin daha yüksek olduğu gözlenmiştir.
  • KOİ gideriminde membran por çapı ve besleme sıcaklığı etkili olmuştur. Tüm süzüntülerde KOİ konsantrasyonu 100 mg/L’nin altında olmuştur. Ortalama %97 KOİ giderim verimi elde edilmiştir.
  • PTFE 0.22 µm membranında 40 ̊C. besleme sıcaklığında amonyum giderim verimi %98,84’e ulaşmıştır. Giderim veriminin besleme sıcaklığına bağlı olduğu belirlenmiştir. Amonyum stabil değildir ve yüksek pH ve sıcaklıkta kolayca buharlaşabilmektedir.
  • Akıyı etkileyen en önemli parametrenin sıcaklık olduğu görülmüştür. Membran por çapının da önemli bir parametre olduğu, büyük por çaplı PTFE membranın da daha yüksek akının elde edildiği ancak por çapının akı üzerinde sıcaklık kadar etkili olmadığı görülmüştür. PTFE 0,45 µm membrane ile yapılan çalışmada besleme sıcaklığının 40 ̊C’den 60 ̊C’ye çıkarılması akı üzerinde eksponansiyel bir etki göstermiş ve akı 6,8’den 15,8 L/m2.s’ya çıkmıştır.

Teşekkür

Bu araştırma Bilim, Sanayi ve Teknoloji Bakanlığı ve İSTAÇ A.Ş. tarafından desteklenmiştir. “Proje No: 0279. STZ.20132”

İsmail Hakkı Zengin

Çevre Yüksek Mühendisi

Yıldız Teknik Üniversitesi / İnşaat Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü

Ali Zoungrana

Çevre Yüksek Mühendisi

Yıldız Teknik Üniversitesi / İnşaat Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü

Prof. Dr. Mehmet Çakmakçı

Yıldız Teknik Üniversitesi / İnşaat Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü

Kaynaklar

Akgul D., Cakmakci M., Kayaalp N., ve Koyuncu, İ. (2008). “Cost Analysis of Seawater Desalination with Reverse Osmosis in Turkey,” Desalination, 220, 123131.

AlKaraghouli, A., Kazmerski, L.L. (2013). “Energy consumption and water production cost of conventional and renewableenergypowered desalination processes”, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 24, 343356.

Alkhudhiri, A., Darwish, N., Hilal, N. (2012). “Membrane distillation: A comprehensive review”, Desalination 287, 218.

Baek, Y., Kim, C., Seo, D.K., Kim, T., Lee, J.S., Kim, Y.H., Ahn K.H., Bae, S.S., Lee, S.C., J., Lim, Lee, K., Yoon, J. (2014). “High performance and antifouling vertically aligned carbon nanotube membrane for water purification”, Journal of Membrane Science, 460, 171177.

Bahmanyar, A., Asgharia, M., Khoobi, N. (2012). “Numerical simulation and theoretical study on simultaneously effects of operating parameters in direct contact membrane distillation”, Chemical Engineering and Processing, 61, 4250.

Boehm, H.P., Clauss, A., Fischer, G., Hofmann, U., Naturforscunhg, Z. (1962). 17b, 150153 (Proc. of the Fifth Conference on Carbon, Pergamon Press, London 1962, p. 1973).

Bohdziewicz, J., Kwarciak, A. (2008). “The application of hybrid system UASB reactorRO in landfill leachate treatment”, Desalination, 222, 128134.

Brodie, B.C. 1860. Annales de chimie et de physique, 59, 466472.

Cakmakcı, M., Ozyaka, V.S. (2013). “Aerobic composting leachate treatment by the combination of membrane processes”, Waste Management & Research, 31, 187193.

Chiam, C., Sarbatly, R. (2013). “Vacuum membrane distillation processes for aqueous solution treatmentA review”, Chem. Eng. and Process, 74, 2754.

Chung, S., Seo, C. D., Lee, H., Choi, J., Chung, J. (2014). “Design strategy for networking membrane module and heat exchanger for direct contact membrane distillation process in seawater desalination”, Desalination, 349, 126135.

Criscuoli, A., Bafaro, P., Drioli, E. (2012). “Vacuum membrane distillation for purifying waters containing arsenic”, Desalination, 323, 1721.

Deng, Y., Englehardt, J. D. (2006). “Treatment of landfill leachate by the Fenton process”, Water Research, 40, 36833694.

Gryta, M., Tomaszewska, M., Karakulski, K. (2006). “Wastewater treatment by membrane distillation”, Desalination, 198, 6773.

Jacob, P., Phungsai, P., Fukushi, K. ve Visvanathan, C., (2015). “Direct contact membrane distillation for anaerobic effluent treatment”, Journal of Membrane Science 475 (2015) 330–339.

Khayet, M., Matsuura, T. (2011). “Membrane distillation principles and applications” Elsevier B.V publication, ISBN:9780444531261.

Levlin, E. “Conductivity measurements for controlling municipal wastewater treatment. “Dep. Of Land and Water Resources Engineering”, KTH, S100 44 Stockholm, İsveç. Li, H., Zhou, S., Sun, Y., Feng, P., Li, J. (2009). “Advanced treatment of landfill leachate by a new combination process in a fullscale plant”, Journal of Hazardous Materials, 172, 408415.

Lin, C., Chang, F., Chang, C. (2000). “Codigestion of leachate with septage using a UASB reactor”, Bioresource Technology, 73, 175178.

Liu, J., Zhong, J., Wang, Y., Liu, Q., Qian, G., Zhong, L., Guo, R., Zhang, P., Xu, P. Z. (2010). “Effective biotreatment of fresh leachate from pretreated municipal solid waste in an expanded granular sludge bed bioreactor”, Bioresource Technology, 101, 14471452.

Liu, J., Hu, J., Zhong, J., Luo, J., Zhao, A., Liu, F., Hong, R., Qian, G., Zu, P. Z. 2011. “The effect of calcium on the treatment of fresh leachate in an expanded granular sludge bed bioreactor”, Bioresource Technology, 102, 54665472. Manna, A. K., Sen, M., Martin, A.R., Pal, P. (2010). “Removal of arsenic from contaminated groundwater by solardriven membrane distillation”, Environmental Pollution, 158, 805811.

Marques, R.R.N., Machado, B.F., Faria, J.L., Silva, A.M.T. (2010). “Controlled generation of oxygen functionalities on the surface of singlewalled carbon nanotubes by HNO3 hydrothermal oxidation”, Carbon, 48, 15151523.

Onsekizoğlu, P. (2010) “Elma Suyu Üretiminde Ozmotik Destilasyon ve Membran Destilasyon Uygulamalarının Ürün Kalitesine Etkileri”, Hacettepe Üniversitesi, Doktora Tezi, Ankara.

Pal, P., Manna, A. K. (2010). “Removal of arsenic from contaminated groundwater by solardriven membrane distillation using three different commercial membranes”, Water Research, 44, 57505760.

Pangarkar, B. L., Sane, M. G. ve Parjane, S.B., (2011). ” Flux enhancement of air gap membrane distillation for desalination of groundwater by surface modification of membrane”, International Journal of ChemTech Research 3 (2011) 1816–1820.

Qu, D., Wang, J., Hou, D., Luan, Z., Fan, B., Zhao, C. (2009) “Experimental study of arsenic removal by direct contact membrane distillation”, Journal of Hazardous Materials, 163, 874879.