Fouling control in membrane bioreactor processes by chemical additives

Yapılan doktora tez çalışmasında farklı kimyasal eklentilerin kullanımı ile membran biyoreaktör (MBR) proseslerinde tıkanmanın kontrol edilmesi hedeflenmiştir. Tez kapsamında yapılan ilk faz çalışmalarında kimyasal eklentilerin SMP giderim ve bağlı EPS oluşturma verimleri tespit edilmiştir. Ayrıca ilerideki fazlarda kullanılacak optimum dozlar da SMP giderim verimi temelinde bulunmuştur. SMP giderim verimlerine bakıldığında en yüksek giderim %70 seviyeleri ile Biofloc eklentisiyle elde edilmiştir. Monomerik metal tuzu olan FeCl3 ve polimerik metal tuzu olan PACl benzer başarılı giderimler elde ederek sırasıyla %55 ve %60'lık SMP giderimi sağlamışlardır. Filtrasyon ve kritik akı artırımında başarılı sonuçlara imza atan MPE50 eklentisi ise %50 seviyesinde bir giderim elde etmiştir. Kitosan ve nişasta ise kuvvetli katyonik yüklerine rağmen başarılı bir SMP giderimi elde edememişlerdir.İkinci fazda kısa dönemli filtrasyon çalışmaları yapılmıştır. MPE50 eklentisi toplam direnç, ortalama TMP ve permeabilite parametrelerinde en yüksek performansı göstermiştir. İkinci en başarılı eklenti ise FeCl3 olmuştur. Bu iki eklentinin arkasından Biofloc gelmektedir. Toplam direnç, ortalama TMP ve permeabilite açısından 3. en iyi sonuçlara ulaşan eklenti tıkanma hızı değerlerinde ise en düşük sonuca ulaşmıştır. PACl ve kitosan birbirine oldukça yakın sonuçlar elde etmişlerdir. Tıkanma hızı hariç diğer tüm kısa dönemli filtrasyon parametrelerinde PACl kitosandan daha iyi sonuçlara ulaşmıştır. Nişasta tüm eklentiler içinde en kötü filtrasyon sonuçlarına ulaşmış, filtrasyon performansını ham çamur performansından bile daha aşağılara çekmiştir.Üçüncü fazda kritik akı değerlerinin tespiti için çalışmalar yürütülmüştür. Kritik akı sonuçlarına bakıldığında ilk göze çarpan olgu MPE50 eklentisinin 50 (L/m2-saat) LMH'lik kritik akı değeridir. Biofloc eklentisi düşük tıkanma hızları sayesinde beklendiği üzere yüksek bir kritik akı değerine ulaşmıştır. 40 LMH'lik değer MPE50'den sonra 2. en iyi değer olarak bulunmuştur. FeCl3 35 LMH'lik bir kritik akı değeri sağlayarak kısa dönemli filtrasyon performansında olduğu gibi başarılı bir değere ulaşabilmiştir. Kitosan ve PACl kısa dönemli filtrasyon performanslarına benzer olarak aynı kritik akı değerine ulaşmışlardır. Nişasta ise yüksek tıkanma hızlarına bağlı olarak beklenen şekilde kritik akı seviyesini oldukça aşağılara çekerek kötü performansını devam ettirmiştir.Dördüncü fazda ise reoloji çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Sabit karıştırma hızlarında zamana karşı yapılan testlerde alınan sonuçlar numunelerin viskozitesinin zamana bağlı olarak anlamlı bir değişim göstermediğini ortaya koymuştur. Reogramların akış modellerine uyumluluğunun araştırıldığı testlerde elde edilen sonuçlara göre kitosan ve nişastanın her iki modele de uyumluluk göstermediği anlaşılmıştır. Özellikle flok çapları büyük ve sabit hızdaki viskoziteleri diğer tüm eklentilere nazaran daha yüksek olan kitosan ve nişasta eklentilerinin Ostwald de Waele modeline uygunlukları zayıftır. 73,4 1/s'lik kayma hızında viskozite değerleri birbirine oldukça yakın hale gelmektedir. Çözeltinin akış halinin en yavaş olduğu esnadaki viskozitesini temsil eden 0,6 1/s'lik kayma hızında; Bingham ve Ostwald de Waele modellerine uyumluluk göstermeyen ve büyük ebatlı flok oluşturma kapasitesine sahip olan iki eklenti (kitosan ve nişasta) en yüksek viskozite değerlerine ulaşmıştır. Nişasta ve kitosan eklentilerinin çamurun akış özelliklerini değiştirdiği ve düşük kayma hızlarında yüksek viskoziteye ulaştıkları anlaşılmıştır. Diğer eklentilerin reolojik davranışları ham çamur ile karşılaştırıldığında çok değişmemiştir.Sonuç olarak MPE50 ve Biofloc eklentileri başarılı filtrasyon karakteristikleri sonucu tavsiye edilebilir yapıdadırlar. Ancak tıkanma kontrolü sonucu elde edilecek maliyet avantajları ile eklenti maliyetlerinin karşılaştırmasının yapılması gereklidir. FeCl3 ucuz olması ve yine tıkanma kontrolünde başarı sağlaması nedeni ile tavsiye edilebilir niteliktedir. Kitosan ve PACl diğer eklentiler ile karşılaştırıldığında vasat performans sergilemişlerdir. Nişasta ise filtrasyon performansını ham çamura nazaran daha kötü seviyelere çekmiş ve kullanımı halinde membranların performanslarında ciddi sorunlara yol açacağını kanıtlamıştır. Bu nedenle kullanımından kaçınılması gerekir. Gelecekte yapılacak çalışmalarda eklentilerin hazırlanma ve karıştırma prosedürlerinin optimizasyonu, kek mimarisinin 3 boyutlu analizi, nihai tıkanma değerlerinin bulunması ve uzun dönemli pilot ölçekli testler gibi çalışmalar yapılmalıdır. The main goal of this thesis was to control the fouling phenomena in membrane bioreactors (MBR) using chemical additives. In the first phase of study, SMP removal and bound EPS formation capacity of chemical additives were determined. Optimum additive dosages applied in the subsequent phases were determined based on SMP removals. Highest SMP removal (70%) was achieved by the Biofloc additive. FeCl3, a monomeric metal salt and PACl, a polymeric metal salt, achieved similar removals around 55% and 60%, respectively. MPE50 which acquired a great success at short term filtration and critical flux tests achieved 50% removal. Despite their strong cationic charges, chitosan and starch was not able to provide high SMP removals.In the second phase of the study, short term filtration tests were conducted.MPE50 exhibited highest performance based on membrane resistance, permeability and average TMP. FeCl3 with SMP removal performance similar to MPE50 was also a successful additive. Biofloc took the third place after these two additives based on the resistance, average TMP and permeability. However, it should be underlined that worst performance in terms of dTMP/dT rate was achieved by this additive. PACl and chitosan showed similar results. Except dTMP/dT rate, PACl provided better results compared to chitosan for all other short term filtration parameters. Starch showed a catastrophic filtration characteristic. Addition of starch caused worse performance compared even to raw sludge in spite of its high carbohydrate removal and mean particle size.In the third phase, critical flux was evaluated. Finding of 50 LMH critical flux value for MPE50 was eye catching. Biofloc provided 40 LMH flux value, which is the second best value after MPE50. This result was expected due to the low dTMP/dT values of this additive. FeCl3 provided a good critical flux value (35 LMH). Similar to the short term filtration test performances, chitosan and PACl achieved same critical flux value (25 LMH). Consistent with the results obtained in the first phase, starch exhibited critical flux value even lower than that of the raw sludge.Rheological experiments were carried out during the fourth phase. According to the results obtained from constant shear rate tests, no significant change in viscosity with time was observed. Studies for the adaptation of rheograms to common flow models showed that chitosan and starch was not able to fit to both models. Poor fit values were obtained especially for the Ostwald de Waele model. At a shear rate of 73.4 1/s viscosity of all samples were closed to each other. Chitosan and starch achieved highest viscosity values at the shear rate of 0.6 1/s which represent the slowest flow conditions in the reactor. These two additives were not able to fit to Bingham and Ostwald de Waele models. Generally, it is understood that starch and chitosan changed the flow properties of sludge and achieved high viscosities at low shear rates.Based on the overall results obtained in this study, MPE50 and Biofloc additives may be recommended due to their successful filtration characteristics. However, a direct evaluation between cost advantages created by fouling control and additive costs should be done. FeCl3 is also recommendable due to its successful performance and low cost. When compared with other additives, PACl and chitosan showed average performances. Starch exhibited the worse filtration results. Furthermore, the use of starch may lead to deterioration in membrane performance in MBRs. Future works regarding this topic should include optimization of mixing techniques of additives, blending of additives, 3D imaging of cake architecture, irrecoverable fouling determination and long term pilot plant trials. 200