BİR-İLERİ-ARITIM-TEKNOLOJİSİ-MEMBRAN-BİYOREAKTÖRLER-MBR

Bir İleri Arıtım Teknolojisi
Membran Biyoreaktörler (MBR)

Atıksu arıtımında uygulanan konvansiyonel sistemler özellikle sanayideki gelişmeler sonucu ortaya çıkan atıksu kirlenmesinde istenilen çıkış suyu kalitesine ulaşmada yetersiz kalmıştır.

Ayrıca arıtma tesisleri için ihtiyaç duyulan arazi maliyetleri de düşünüldüğünde, arıtmanın daha küçük alanda ve yüksek verimde gerçekleşmesi istenmektedir. Bu tür gereksinimler yeni arıtma teknolojileri içeren ileri arıtma tekniklerinin doğmasını ve uygulanmasını sağlamıştır. Günümüzde ileri arıtma teknikleri arasında uygulama alanı olarak geniş olan Membran Biyoreaktör (MBR) prosesi önemli yer tutmaktadır.

Atıksu arıtımında tek başına membran uygulamasının çok maliyetli oluşu, konvansiyonel sistemler ile de düşük deşarj değerlerinin sağlanamaması, atıksu arıtımında geri kazanımın önem kazanması, MBR gelişimine basamak olmuş ve öncesinde iki yıllık pilot ölçekli çalışmanın ardından 1994 yılında kentsel atıksu arıtımında 500/100 ml toplam koliform, 100/100 ml fekal koliform deşarj standartını sağlamak amaçlı dünyadaki ilk gerçek ölçekli MBR tesisi İngiltere Porlock’ta kurulmuştur.

Membran Biyoreaktörler (MBR) biyolojik arıtım prosesi ile yarı geçirgen membran teknolojisini birleştiren atıksu arıtımında kullanılan ileri arıtım prosesidir. Her teknolojik gelişmenin bir sorunun cevabı şeklinde olduğunu düşünürsek MBR sisteminin doğuşu için akla gelen en temel sorular, alandan nasıl tasarruf edileceği, arıtma veriminin nasıl artacağı ve atıksuyun etkin şekilde nasıl geri kazanılacağıdır. MBR sistemi konvansiyonel biyolojik arıtım proseslerine kıyasla çok daha az yer kaplayan ve daha düşük biyolojik parçalanabilirliğe sahip olan atıksular için yüksek kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderim verimliliğine sahip olan sistemlerdir. Az yer kaplaması sayesinde arazi maliyetlerinin yüksek olduğu bölgelerde en büyük tercih sebebi olmaktadır.

MBR Prosesinin Uygulama Kriterleri

Membran uygulamalarında kullanılan membran modülleri, mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon, nano filtrasyon ve ters ozmos olarak sınıflandırılır. MBR sistemlerinde ise polimerik veya seramik membranların kullanıldığı mikrofiltrasyon ve ultrafiltrasyondur modülleridir.

Membran ProsesiAyırma BüyüklüğüTransmembran Basıncı (Bar)Ayırma MekanizmasıAkı
  Mikrofiltrasyon0.05-10 µm (mikropartiküller)  0-2  Eleme  Yüksek
  Ultrafiltrasyon1-100 nm (makromoleküller)  1-10  Eleme  Yüksek
  Nanofiltrasyon0.5-5 nm (moleküller)  5-30  Çözünme-Difüzyon  Orta
  Ters Ozmoz< 1 nm (moleküller)  10-100  Çözünme-Difüzyon  Düşük

Membran Biyoreaktörler temelde konfigürasyonlarına göre, işletilmelerine göre, membran modüllerine göre sınıflandırılmaktadır. Bu sınıflandırmayı basite indirgenmiş bir tablo üzerinden yaparsak;

KONFİGÜRASYONİŞLETME PROSESİMEMBRAN
•Batık MBR•Aerobik MBR•Mikrofiltrasyon Modüllü
•Harici MBR•Anaerobik MBR•Ultrafiltrasyon Modüllü

Atıksu aerobik veya anaerobik biyoreaktöre girdiğinde biyolojik giderim başlamakta, biyoreaktör içine yerleştirilmiş membran kaseti ile de biyolojik parçalanmayla eş zamanlı membran ayırma işlemi gerçekleşmektedir. Ayırma işlemi membran kasetlerine bağlı vakum pompaları ile atıksuyun vakumlanıp membrandan geçmesinin sağlanması yani süzülmesiyle gerçekleşir. Membran kasetinin biyoreaktörün içinde olduğu sistemler “Batık MBR” diye adlandırılmaktadır. Eğer membran kaseti ayrı bir tank içinde ve biyolojik arıtma sonrasında atıksu, membranın bulunduğu bu ayrı tanka geçiyor ise “Harici MBR” olarak adlandırılmaktadır. İkisi arasındaki seçimi belirleyen bazı temel koşullar vardır. Batık MBR’da akı düşüktür, havalandırma maliyeti yüksektir, genel işletme maliyeti düşüktür, ilk yatırım maliyeti yüksektir, membran temizlenme ihtiyacı daha düşüktür. Harici MBR’da ise, akı yüksektir buna karşın membranların temizlenme ihtiyacı fazladır, havalandırma maliyeti düşüktür, işletme maliyeti daha yüksek olup ilk yatırım maliyeti biraz daha düşüktür. Genel uygulamaya bakıldığında batık MBR sistemi daha fazla kullanılmaktadır.

Aşağıdaki ilk şekil harici MBR sistemidir. Biyoreaktörde biyolojik arıtım sonrası ikinci bir tanka membran kaset yerleştirilmiştir. İkinci şekilde ise membran kaset biyoreaktörün içine yerleştirilerek minimum alan kullanılmış ve daha kompakt bir yapıya ulaşmıştır. Son zamanlarda batık membran uygulamalarına ilave olarak toz aktif karbon da eklenmekte böylece atıksuda kirleticilerin adsorpsiyonu sayesinde giderilemeyen bazı maddelerin yüksek verimle giderilebilmesi sağlanmaktadır. Özellikle biyolojik parçalanabilirliği zor olan ilaç aktif maddesi içeren atıksularda MBR tankına toz aktif karbon ilavesi yapılabilmektedir.

Şekil 1: Sırasıyla harici MBR ve batık MBR

MBR’da işletme prosesinin çeşidine bakıldığında, aerobik veya anaerobik prosesin seçilmesine, atıksuyun karakterizasyonuna bakılıp karar verilmektedir. Kirletici yükü fazla olan gıda endüstrisi, şekerleme endüstrisi gibi endüstrilerin atıksularında anaerobik MBR seçilirken, daha düşük kirletici yükü içeren endüstrilerin atıksularında ve evsel atıksularda aerobik MBR seçilmektedir.

MBR sisteminde kullanılacak membran modülü atıksudan giderilmesi istenen partikül madde boyutuna dolayısıyla AKM değerine bağlıdır. MBR sistemleri sadece atıksuyu arıtıp deşarj etmeyi amaçlayan değil, atıksuyun geri kazanımı hedefleyen sistemlerdir. MBR ile atıksuyun geri kazanılacağı uygulama yerine göre (bahçe sulama, makine soğutma suyu, kazan-makine yıkama suyu vb.) membran çeşidine karar verilmekte ve mikrofiltrasyon ya da ultrafiltrasyon membranları seçilmektedir.

MBR sistemlerinde karşılaşılan ana problem membranların kirlenme sonucu tıkanması ve istenilen debide akı elde edilememesidir. Tıkanma standart bir tıkanma ise fiziksel yöntem ve kimyasal yıkama ile giderilir. Fiziksel yöntem; süzüntü suyu ya da havayla geri yıkama şeklinde yapılmaktadır. Fiziksel yıkamada sistem çalışırken, yapılan ayarlamalar ile otomatik şekilde örneğin her 30 dk filtrasyonda 2 dakika geri yıkama şeklinde gerçekleşmektedir. Sistemin uzun süreler işletilmesinden kaynaklanan fiziksel yıkamayla giderilemeyen kirliliklerde ise; membran ve modülü birbirinden ayrılarak hipoklorit, sülfürik asit ile kimyasal yıkama işlemi uygulanmaktadır. Kimyasal yıkama ile giderilemeyen kirlilik, geri dönüşümsüz kirlilik olarak adlandırılmakta ve ancak membranların değişimiyle sistem çalışmaya devam edebilmektedir. Atıksu karakterizasyonuna ve işletme koşullarına bağlı olarak membran ömürleri 6-10 yıl arası değişmektedir.

Şekil 2: MBR membran kaseti

MBR sistemlerinde avantaj ve dezavantajlara bakıldığında; 10-30 g/L gibi yüksek biyokütle konsantrasyonlarında çalışmaya imkan vermesi, buna bağlı olarak uzun çamur yaşlarında (SRT) işletilebilmesi ve hidrolik bekleme süresinin (HRT) daha kısa olmasına olanak tanıması (az hacimde yüksek arıtma potansiyelidir), %99’lara dayanan AKM giderimi, çıkış KOİ ve BOİ konsantrasyonunun çok düşük olması göze çarpan avantajlarıdır. MBR sistemlerinin dezavantajı ilk yatırım maliyetleriyle ve değişken maliyetleriyle (elektrik tüketimi ve membranların kullanım süresi gibi) ilişkilidir.

Şekil 2: MBR Membran Kaseti

Memebranlardan birçok kaynakta MBR  uygulamalarının dezavantajında konvansiyonel  bir aktif çamur  uygulamasına göre membran kullanım masrafından dolayı ilk yatırım maliyetinin yüksek olduğu ilk sırada gösterilmektedir. Burada   MBR tesisinde kullanılan ve ilk yatırım maliyetini yükselten membran maliyeti ile tesisin kurulması için ihtiyaç duyulan alanın daha küçük olması sebebiyle  arazi giderinden ne kadar tasarruf edileceği kıyaslanmalıdır.  Bu kıyas sonrası her ne kadar membran önemli bir maliyet tutsa da  özellikle İstanbul gibi arazi  giderinin yüksek maliyet oluşturduğu bölgelerde   ilk yatırım maliyeti MBR lehine değişebilir  ve dezavantaj olmaktan  çıkabilir.

MBR Uygulamalarında Dünyadaki Küresel Pazar

Arıtma teknolojileri arasında MBR sistemi 2015 yılında Dünya genelinde 1.5 milyar dolar seviyelerine ulaşmıştır. Evsel atıksuların MBR ile arıtımında membran tedarikçisi Kubota, Mitsubishi Rayon, Zenon, Tianjin Motimo, Toray, Origin Water Technology gibi firmalar pazarın %80-85’ine hakim durumdadır. ABD ve Alman menşeili (GE-ZeeWeed, Siemens Water Tech vb.) membran terdarikçi firmaları da pazarda yerini tutmuş şirketlerdir.

2010 yılına kadar MBR teknolojisi kullanılarak atıksu arıtımı yapılan dünyadaki en büyük 20 proje incelendiğinde 1.157.000 m3/gün atıksu arıtma kapasitesi olduğu ve bu projelerin en büyüğü olan Çin’de Shending River MBR tesisinde, 110.000 m3/gün atıksuyun arıtıldığı görülmektedir. 2010–2017 yılları arasında sadece Çin’de MBR sistemi ile kurulan 20 projenin arıtma kapasitesine bakıldığında 3.003.000 m3/gün olduğu görülmektedir.  Bu projelerin beş tanesi 200.000 m3/gün arıtma kapasitesinin üzerindedir. Sadece yedi yılda MBR sektöründe Çin’de yaşanan gelişme yedi yıl önceki dünya verilerini üçe katlamıştır. Bu kıyastan da anlaşılacağı üzere MBR uygulamaları sektörde çok hızlı büyümektedir.

Şekil 3: Shending River MBR Project 110.000 m3/day, Hubei/China. Project; 2009.

Günümüzde Almanya, Amerika ve Japonya, Çin, Singapur gibi ülkelerde arıtımdan anlaşılan yalnızca, atıksuyun arıtılıp yasaların ön gördüğü kriterlerin sağlanıp deşarj edilmesi değil; atıksuyun arıtılarak yeniden değerlendirilebilmesi ve su kaynaklarının tükenmesinin önüne geçilmeye çalışılmasıdır.

MBR Uygulamalarında Türkiyedeki Durum Özeti

Türkiye’de MBR kullanımında büyük kapasiteli arıtmalardan çok, 50-100 m3/gün arıtım sağlayan paket arıtma modellerine rastlanmaktadır. Ülkemizde atıksu arıtmanın kanala deşarj etmekten çok, geri kazanabilmek olduğu anlayışı istenilen düzeyde gelişememiştir. Türkiye’de ilk büyük ölçekli sayılabilecek membran biyoreaktör sistemi, ODTÜ (Orta Doğu Teknik Üniversitesi) yerleşkesinde araştırma amaçlı olarak çıkış sularının kampüs çimlerini sulamada kullanılması için kurulmuştur. 200 m3/gün arıtma kapasitesine sahip tesis çim sulama masraflarında yılda yaklaşık 240 bin TL tasarruf sağlamıştır.  MBR kullanılan nispeten büyük ölçekli kentsel atıksu arıtma tesisi sayısı dörttür. Bu tesislere kısaca göz atarsak;

  • Konacık (Muğla) MBR Atıksu Arıtma Tesisi; 3.000 m3/gün atıksu arıtma kapasiteli, 3.600 m2 alan üzerine kurulmuştur. Arıtılan su park ve bahçe sulamasında kullanılmaktadır. Proje ve inşa maliyeti yaklaşık 9 milyon TL’dir (2011)
  • İznik (Bursa) MBR Atıksu Arıtma Tesisi; 9.000 m3/gün atıksu arıtma kapasiteli, 7.045 m2 alan üzerine kurulmuştur. Arıtılan sular İznik Gölü’ne deşarj edilmektedir. Proje ve inşa maliyeti yaklaşık 13 milyon TL’dir (2013)
  • Finike (Antalya) MBR Atıksu Arıtma Tesisi; 17.000 m3/gün atıksu arıtma kapasiteli, 7.725 m2 alan üzerine kurulmuştur. Arıtılan sular dereye deşarj edilmektedir. Proje ve inşa maliyeti yaklaşık 15 milyon TL’dir (2011)
  • Gazipaşa (Antalya) MBR Atıksu Arıtma Tesisi; 13.650 m3/gün atıksu arıtma kapasiteli, 24.000 m2 alan üzerine kurulmuştur (alanın yarısı boştur). Arıtılan sular dereye deşarj edilmektedir. Proje ve inşa maliyeti yaklaşık 11 milyon TL’dir (2011)

Türkiyede arıtma tesisilerinin hizmet verdileri nüfus ile kapladıkları alan oranlandığında; uzun havalandırmalı aktif çamur arıtma tesisi gerekli kişi başına arıtma alanı ortalama 0,57 m2, membran biyoreaktör teknolojili atıksu arıtma tesisi için ise 0,15 m2 olarak bulunmuştur.

MBR Ana Unsuru Membranların Gelişiminde Bunları Biliyor Muydunuz?

  • İlk membran uygulamalarında hayvan derisi ve bağırsağı kullanılmaktaydı.
  • İlk belgeli membran-difüzyon deneyi 1748 yılında Fransız Abbe Nollet’in şarap dolu fıçının ağzına bir hayvan derisi germesi ve fıçıyı suya batırmasıdır. Su fıçıya girdiği halde, şarap kesinlikle deriden geçip dışarı çıkamıyordu. Böylece ozmosu keşfetti.
  • İkinci Dünya Savaşında Almanların içme suyu şebekeleri hava bombardımanı esnasında zarar gördüğü için Hamburg Üniversitesinde mikrofiltrasyon membranı geliştirildi. Böylece membran ile içme suyu eldesi için büyük ölçekli ilk su arıtma işlemi yapıldı.
  • 1946 yılında membranlar ilk kez tıp alanında kullanılarak yapay böbrek cihazı Hemodiyaliz yapıldı.

Kaynaklar;

  • Olesagun, K. A., Xing, W., Youzhi, G., (2015), Membran bioreactor in China: A Critical Review. International Journal of Membrane Science and Technolog, 2, 29-47
  • Park, H. D., Chang, I. S., and Lee, K. J., (2015), Principles of membrane bioreactors for wastewater treatment. CRC Press.
  • Judd S., Judd, S., (2011), The MBR book: Principles and applications of membran bioreactors for water and wastewater treatment.
  • MEM-TEK, İstanbul Teknik Üniversitesi, (2015), Membran biyoreaktörler, Ulusal Membran Teknolojileri Uyg-Ar Merkezi Bülteni, ISSN No: 2564-6176.
  • Gürel, L., Büyükgüngör, H., İstanbul Teknik Üniversitesi (2011), Atıksu arıtımında membran biyoreaktörler, Su Kirlenmesi Kontrolü, 21, 1, 13-23.
  • Helvacı, E., İller Bankası Anonim Şirketi, Evsel atıksuların arıtılmasında membran biyoreaktörlerin Türkiye’ye uygulanabilirliğinin araştırılması, Uzmanlık Tezi