Yüksek organik kirlilik içeren süt endüstrisi atıksularının farklı anaerobik reaktör konfigürasyonlarında artırılması ve enerji üretilmesi

Abstract

Bu tez çalışmasının amacı, peynir üretimi sırasında oluşan peynir altı suyundan (PAS) laktoz üretim prosesinde açığa çıkan süt endüstrisi kaynaklı yüksek organik kirlilik içeren ve delaktoz olarak isimlendirilen atıksuyun mezofilik koşullarda anaerobik parçalanma prosesi ile tam karışımlı yarı sürekli beslemeli anaerobik reaktör sistemi (s-CSTR) ve anaerobik membran biyoreaktörde (AnMBR) arıtılması ve metan üretim potansiyelinin karşılaştırılmasıdır. Tez kapsamında, s-CSTR ve AnMBR sistemi olmak üzere farklı reaktör konfigürasyonlarında ve farklı organik yükleme hızlarında (OLR) proses çalışma koşullarının, delaktoz arıtma ve metan üretim performansına olan etkileri incelenmiştir. Ayrıca, AnMBR sisteminde farklı organik yükleme hızlarının membran tıkanma mekanizması üzerine etkileri de detaylı olarak araştırılmıştır. Tez çalışmasında atıksu olarak kullanılan delaktoz temin edilmiş ve detaylı karakterizasyon analizleri yapılmıştır. Asidik (pH 5,12) bir sıvı olan delaktozun %22,5 katı madde ve %14,28 laktoz içerdiği tespit edilmiştir. Toplam ve çözünmüş KOİ değerleri sırasıyla 235±3,4 ve 213±1,1 g/L olarak belirlenmiştir. Yüksek kirlilik yüküne sahip delaktozun yüksek organik içeriği, delaktozun anaerobik arıtma için uygun bir substrat olduğunu ortaya çıkartmıştır. s-CSTR sisteminde, atıksu giriş KOİ'si 2, 3, 4 ve 5 g/L olacak şekilde dört farklı konsantrasyon incelenmiştir. 110 gün çalıştırılan s-CSTR'de KOİ giderim verimleri sırasıyla %91,1, 90,9, 89,3 ve 87,6 olarak bulunmuştur. Artan atıksu KOİ konsantrasyonu ile KOİ giderim verimi düşmüştür. Ayrıca, sistemde KOİ birikimi tespit edilmiştir. Elde edilen metan üretim verimleri ise sırasıyla 86,6, 119,3, 89,0 ve 58,1 mL CH4/gKOİgiderilen olarak bulunmuştur. En yüksek metan üretim verimi 3 g/L KOİ konsantrasyonunda elde edilirken, 5 g/L KOİ konsantrasyonunda metan üretim verimi %50 düşmüştür. Metan üretim verimindeki düşüşün, yarı sürekli modda işletilen reaktörde delaktoz kaynaklı iyon birikmesi ve inhibisyon nedeniyle olduğu saptanmıştır. Sistemde biriken Cl- ve NH4+ iyonlarının anaerobik prosesi inhibe edebilecek miktarda olmadığı, ancak özellikle K+ (6704 ppm; yüksek miktarda biriken ) ve Na+ iyonlarının inhibisyona katkısı olduğu tespit edilmiştir. AnMBR sistemi 1,6, 3,4, 4,3 ve 6,8 kg/m3gün olmak üzere dört farklı organik madde yükleme hızında (OLR), sabit atıksu arıtma proses parametrelerinde (Hidrolik alıkonma süresi-HRT: 3 gün, Akı: 5 LMH ve Çamur yaşı-SRT: ∞) toplam 169 gün çalıştırılmıştır. Metan üretim verimleri sırasıyla 299,4, 174,9, 305,2 ve 258,8 mLCH4/KOİgiderilen olarak tespit edilmiştir. En yüksek metan üretim verimi 4,3 OLR'de elde edilmiş ve teorik metan üretim veriminin %79'una ulaşılmıştır. AnMBR sisteminin KOİ giderme ve metan üretim verimi açısından s-CSTR sisteminden daha iyi performans sergilediği görülmüştür. KOİ giderim verimi s-CSTR sisteminin aksine, artan OLR ile artmış ve her OLR koşulunda %98,8'den yüksek KOİ giderim verimi elde edilmiştir. AnMBR sisteminde, membran kirlenme mekanizmasının incelenmesi amacıyla çamur numunelerine EPS ve SMP, CST, SRF ve partikül boyutu dağılımı analizleri yapılmıştır. Farklı OLR'lerde işletilen membranlar, deneme bitiminde sistemden çıkarılarak yüzeyleri SEM ve FTIR ile incelenmiş ve ağır metal ile katyon analizleri yapılmıştır. AnMBR sisteminde artan OLR'nin membran tıkanma mekanizması üzerine etkileri incelendiğinde, kirlenme mekanizmasında önemli faktörden olan SMPc ve SMPp içeriğinin, artan OLR ile arttığı belirlenmiştir. Ayrıca, artan OLR ile CST ve normalize CST değerleri de artmıştır. Bu, anaerobik reaktör içeriğinin daha zor filtre edilebilir hale geldiğini göstermekte ve dolayısıyla daha sık membran tıkanması gerçekleşebileceğini ifade etmektedir. Bir diğer parametre SRF ise OLR artışı ile artan bir eğilim göstermiştir. SRF değerinin artması daha sıkı ve daha düşük gözenekli kek tabakası oluşumu anlamına gelmektedir. Membranın, 4,3 ve 6,8 kg /m3gün OLR'de 1,6 ve 3,4 OLR'den daha fazla tıkanması, işletim süresince artan SMPc, SMPp CST ve SRF parametreleri ile desteklenebilir niteliktedir. Anaerobik çamurun partikül boyutu analizlerinde, 3,4, 4,3 ve 6,8 kg/m3gün OLR'de ortalama partikül boyutlarının membran gözenek çapından yüksek olduğu tespit edilmiş ve membran tıkanma mekanizmasının kek tabakası oluşumu şeklinde olduğuna karar verilmiştir. En yüksek tıkama potansiyeli olan OLR'nin en küçük partikül boyutu dağılımına sahip olan 4,3 kg/m3gün OLR olduğu belirlenmiştir. 3,4, 4,3 ve 6,8 kg/m3gün OLR'lerde kullanılan membranların SEM görüntüleri incelendiğinde tüm OLR koşulları için kirlenme mekanizmasının kek tabakası şeklinde olduğu, kek tabakasının yoğun ve gözeneksiz yapıda olduğu sonucuna ulaşılmıştır. FTIR analizlerinde ise membran yüzeylerinin karbonhidrat ve protein yapıda organik kirleticilerle kaplandığı görülmüştür. Organik yapının dışında kek tabakasında K+ ve Ca+ iyonlarının inorganik yapıyı oluşturan temel elementler olduğu bulunmuştur.