Atıksu Arıtımında Giderek Önem Kazanan Membran Teknolojisi Konusu ve Üç Araştırma
İTÜ İnşaat Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü Öğretim Üyesi
Nisan 2016 / Sayı: 93
Su ve Çevre Dergisi’nin geçmiş sayılarında, İstanbul Teknik Üniversitesi’nin üç genç elemanının iki üniversitede aynı anda doktora ünvanı aldıkları ve doktora çalışmaları ile ilgili konular sizlerin değerlendirmesine sunulmuştu.
Bünyesinde öğretim üyesi olarak çalıştığım İstanbul Teknik Üniversitesi İnşaat Fakültesi Çevre Mühendisliği Bölümü’nün istikbal vaat eden bu elemanlarıyla çalışma odalarında bir araya geldim ve aşağıda sizlerin de bilgisine sunduğum sohbeti gerçekleştirdim. Ayrıca sohbet konularının daha iyi anlaşılabilmesi için metne sonradan kendileri tarafından şekiller konulmasını sağladım.
Bu gençleri yan fotoğraftaki sıralarıyla soldan sağa sizlere tanıtmak istiyorum; R. Kaan Dereli (Dr. Ar. Gör.), Hale Özgün (Dr. Ar. Gör.) ve M. Evren Erşahin (Yrd. Doç. Dr.) . Kendileri ile biraraya geldiğimde ilk önce membran teknolojisinin ne olduğu ve nerelerde kullanıldığı hakkında aşağıdaki sorularımı yönelttim. Yakın konularda çalışan bu üç araştırıcı sorularımı birlikte cevaplandırdılar.
Bu yorum yazımda kendilerinin doktora çalışmalarının kısaca bir değerlendirmesini de birlikte sunmayı istiyordum. Tümünün bu yazıya sığmayacağından ve giderek önem kazanan bu teknoloji konusunda daha geniş bilgi verilmesinin doğru olacağını düşündüğümden, gelecek sayılarda kendilerinin hazırlayacakları tezleri ile ilgili ayrı ayrı yapacakları değerlendirmelerle membranla ilgili yorum ve yazı serisine devam edeceğim.
Bu söyleşide genel olarak membran konularına giriş niteliğinde sorular soracağım.Bu sorular, okuyucuların sizlerin gelecek sayılarda yazacağınız makaleleri takip açısından faydalı olacaktır.
Prof. Dr. Ahmet Samsunlu: Membran teknolojisi nedir? Ben doktoramı bitirdiğim 1968 yılında atıksu arıtımında membran teknolojisinin fazla uygulaması bulunmuyordu. Bu konunun atıksu arıtımında önemi nedir?
K. Dereli, H. Özgün, E. Erşahin: Membran, iki fazı birbirinden ayırma işleminde kullanılan geçirgen veya yarı geçirgen bir malzemedir (Şekil 1). Membranlar organik ve inorganik malzemelerden imal edilebilirler. Özellikle katı-sıvı ayrımında yaygın olarak kullanılmakla beraber sıvı-gaz, gaz-gaz ayrımında da kullanım alanları mevcuttur. Membranlar tek başlarına fiziksel bir ayırıcı olarak kullanılabildikleri gibi, biyolojik proseslerle de birarada kullanılabilirler. Atıksu arıtımında aktif çamur gibi biyolojik prosesler ile membran teknolojisinin birleştirilmesi yoluyla elde edilen teknoloji, “Membran Biyoreaktör (MBR) Teknolojisi” olarak adlandırılmaktadır (Şekil 2).
MBR’ler “aerobik (havalı)” ve “anaerobik (havasız)” koşullar altında çalıştırılabilirler. MBR’lerde biyolojik parçalanma ve fiziksel katı-sıvı ayrımı aynı anda gerçekleşmektedir. Günümüzde, su ve atıksu arıtımında membran prosesler partikül maddelerin, kolloidlerin, iyonların ve çözünmüş maddelerin ayrımı amacıyla kullanılmaktadır. Son yıllarda atıksu deşarj standartlarının sıkılaşması, su geri kazanımı ve yeniden kullanımına olan ilginin artması, membran maliyetlerinin düşmesi ve üretim teknolojilerinin gelişmesi nedeniyle membran teknolojilerinin atıksu arıtımında kullanımı yoğun bir araştırma ve uygulama alanı bulmuştur. Bunların yanısıra, klasik (konvansiyonel) atıksu arıtma sistemlerine göre membran proseslerin çok daha az yer kaplaması, bu teknolojinin en önemli üstünlüklerinden biridir. Evsel ve endüstriyel atıksuların arıtımında yüksek kirletici giderim verimi ve yüksek arıtılmış çıkış suyu kalitesinin elde edilmesi, membran teknolojisine duyulan ilginin her geçen gün artmasına sebep olmaktadır.
Şekil 1. Membranlarda Ayırma Prosesinin Şematik Görünümü (Davis, 2010)
Şekil 2. Klasik Aktif Çamur ve Membran Biyoreaktör Sistemi
Prof. Dr. Ahmet Samsunlu: Dünyada ve Türkiye’de membran teknolojisinin kullanım durumu şu anda nedir ve ne zamandan beri atıksu arıtımında kullanılmaya başlanmıştır?
K. Dereli, H. Özgün, E. Erşahin: Son 10 yılda dünyada yeni ve düşük maliyetli membranların geliştirilmesi ve artan çevre duyarlılığı nedeniyle çevre mühendisliğinde membran teknolojilerinin kullanımında çok ciddi bir artış olmuştur. Bu artışın gelecekte de devam etmesi beklenmektedir. MBR prosesi ticari olarak ilk defa 1960’ların sonunda kullanılmıştır. Arıtma teknolojisinin gelişimi incelendiğinde, biyolojik arıtma sistemlerinde aktif çamur, damlatmalı filtre vb. tesislerin öncelikle kullanıldığı bilinmektedir. Bu tesislerden en çok kullanılanına örnek olarak aktif çamur tesisi verilebilir. Membran prosesi konvansiyonel aktif çamur tesislerinde son çökeltme havuzlarının yerini almakta ve bu şekilde çok daha az yer kaplayan ve daha yüksek çıkış suyu kalitesi sağlayan atıksu arıtma tesisleri inşa edilebilmektedir. Ayrıca membranlar sayesinde aktif çamur havuzlarında daha fazla biyokütle miktarı tutulabildiğinden, daha kompakt (daha küçük hacimli) bir reaktör tasarımı yapılabilmektedir. Membran ünitesi batık veya harici olarak konvansiyonel atıksu arıtma sistemine entegre edilebilir. Son yıllarda ülkemizde de MBR konusundaki çalışmalar büyük bir hız kazanmıştır. Proses geliştirme ve MBR’lerde kullanılmak üzere uzun ömürlü yerli membranların üretilmesi konusunda, Türkiye’nin ilk ve tek membran araştırma merkezi olan Prof. Dr. Dinçer Topacık Ulusal Membran Teknolojileri Uygulama ve Araştırma Merkezi (MEM-TEK) İstanbul Teknik Üniversitesi’nde 2010 yılında, Prof. Dr. İsmail Koyuncu önderliğinde kurulmuş olup, çok sayıda araştırma yapmış ve patent almıştır.
2005 yılında dünya çapındaki membran pazarı ikiye katlanarak 217 milyon dolara ulaşmıştır. Bu değer 1995 yılında 10 milyon dolar civarındaydı. 2010 yılında ise bu değerin 360 milyon dolar civarında olduğu tahmin edilmektedir. Bu büyüme trendine bakıldığında MBR teknolojisinin diğer atıksu arıtma prosesleri pazarından daha yüksek hızla büyüdüğü anlaşılmaktadır. Ülkemizin de gelişmekte olan bu pazarda yer alabilmesi için membran ve membran prosesleri alanında insan ve bilgi kapasitemizin geliştirilmesi ve en kısa sürede elde edilen bilginin üretim süreçleri ile birleştirilerek yerli ürünlerin geliştirilmesi büyük önem taşımaktadır. Bu konuda üniversitelerdeki bizler gibi araştırmacılara, MEM-TEK araştırma merkezine ve özel sektöre önemli bir görev düşmektedir.
Prof. Dr. Ahmet Samsunlu: Benim bildiğim kadarıyla membran proseslerin direkt bir boyutlandırma standardı yok. Atıksu arıtımında çalışanların bir kısmı (ben de dahil) üniversite eğitimleri esnasında membran teknolojisi konusunda geniş bilgi birikimi elde edememiştir. Boyutlandırmada nelere dikkat etmeliyiz?
K. Dereli, H. Özgün, E. Erşahin: Membran proseslerin tasarımında dikkat edilmesi gereken en önemli faktör, atıksu karakterizasyonu ve miktarıdır. Seçilen membran malzemesinin atıksuyun özelliklerine (sıcaklık, pH vb.) uygun olması gerekir. Özellikle inorganik membranlar atıksudaki korozif maddelerden ve yüksek sıcaklıklardan polimerik membranlara göre daha az etkilenmektedir. Ancak polimerik membranlar, inorganik membranlara göre daha ucuz olduğundan atıksu arıtımında genelde daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Diğer bir belirleyici parametre, tasarım ve işletme akısıdır. Akı çok genel anlamıyla birim membran alanından birim zamanda geçen süzüntü miktarını ifade etmektedir. Akı parametresi membran yüzey alanını doğrudan belirlediği için ilk yatırım maliyetinde de belirleyici bir unsur olmaktadır.
Tasarım için arıtma hedeflerinin iyi belirlenmesi gerekir. Hedeflenen çıkış suyu kalitesine yönelik membran prosesinin seçimi (mikrofiltrasyon, ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon) çok önemlidir (Şekil 3).
Şekil 3. Membran Proseslerle Ayrımı Yapılan Genel Bileşenler (Davis, 2010)
Örneğin alıcı ortama deşarj edilecek ve yeniden kullanımı yapılacak çıkış suları için seçilecek prosesler farklı olacaktır. Tıkanma, membran proseslerin işletiminde karşılaşılan en önemli problemdir. Membran gözeneklerinin atıksu içerisinde bulunan katı maddelerin birikimi sonucuyla dolması ve/veya membran yüzeyinde organik ve/veya inorganik maddelerin birikmesi sonucunda kek tabakası oluşumu nedeniyle tıkanma olayı meydana gelmektedir. Tıkanma sonucunda membran akısı düşmekte ya da işletme basıncı artmaktadır. Bu nedenle, membran temizleme sıklığı önemli hale gelmektedir. Membranın temizleme sıklığı da kullanılan temizleme kimyasalları ve enerji açısından işletme maliyetini etkileyen faktörlerden biridir. Bu bakımdan, membran tıkanmasını engellemek için kullanılacak yöntem, tasarımda belirleyici bir faktördür.
Membran üniteleri biraraya getirildiğinde membran dizileri oluşturulmaktadır. Membran dizisi tasarımı, istenilen geri kazanıma göre yapılmaktadır. Membran dizileri genellikle her bir kademede birbirine seri olarak bağlanmış çoklu elementli 1 ile 3 kademeli sistemlerdir.
Membran üreticileri hesaplamaları yapmak için yazılım programları hazırlamaktadır. Bu yazılımlar osmotik basınç, sınırlayıcı tuz çözünürlüğü, konsantrasyon polarizasyonu, kütle transfer hızları ve süzüntü suyu kalitesi parametrelerini içermektedir. Bunlar, üreticinin ürünlerine özgüdür.
Prof. Dr. Ahmet Samsunlu: Membran teknolojilerinin en çok kullanıldığı sahalar ve membran tipleri nelerdir?
K. Dereli, H. Özgün, E. Erşahin: Membranlar gerek proses suyu hazırlamak amacıyla, gerekse atıksuların yeniden kullanımı amacıyla endüstrilerde sıklıkla kullanılmaktadır. Tekstil, otomotiv, gıda, kimya endüstrisi gibi birçok sektörde yoğun olarak membran prosesler kullanılmaktadır. Özellikle proses suyu hazırlama aşamasında ultrafiltrasyon, nanofiltrasyon ve ters osmoz membranları tercih edilmektedir. Bu membranlar genellikle spiral sargılı modüller olarak uygulama alanı bulmaktadır (Şekil 4). Evsel ve endüstriyel atıksuların arıtıldığı MBR’lerde ise genellikle mikro ve ultrafiltrasyon membranları kullanılmaktadır. Bu membranlar da genelde boşluklu fiber ve plaka tipi modüller olarak biyoreaktör içerisine batık olarak teşkil edilmektedir.
Şekil 4. Spiral Sargılı Ters Osmoz Membranı (Davis, 2010)
Prof. Dr. Ahmet Samsunlu: Bu konuyla ülkemizde ilgilenecek mühendislerin başvuracakları kaynaklar nelerdir?
K. Dereli, H. Özgün, E. Erşahin: Membran teknolojileri ile ilgili yararlanabilecek kaynaklardan bazıları şunlardır:
Mackenzie L. Davis, (2010), “Water and Wastewater Engineering Design Principles and Practice”, McGraw-Hill, ABD. (“Su ve Atıksu Mühendisliği Tasarım Esasları ve Uygulamaları” başlıklı ve Nobel Akademik Yayıncılık tarafından 2015 yılında ülkemizde basılan bu kitap Prof. Dr. İsmail Toröz editörlüğünde çok sayıda araştırmacı tarafından tercüme edilmiştir. Membran konusu ile ilgili bölümler Prof. Dr. İsmail Koyuncu ve Doç. Dr. Derya İmer Köseoğlu tarafından tercüme edilmiştir).
Eroğlu, V. (2014). Membran Biyoreaktör (MBR) Teknolojisi-Bölüm 10, Atıksuların Tasfiyesi, Orman ve Su İşleri Bakanlığı, Ankara, İstanbul.
Simon Judd, (2011), “The MBR Book: Principles and Applications of Membrane Bioreactors for Water and Wastewater Treatment”, Elsevier, İngiltere. (“Su ve Atıksu Arıtımında Membran Biyoreaktörlerin Esasları ve Uygulamaları” başlıklı ve Nobel Akademik Yayıncılık tarafından 2015 yılında ülkemizde basılan bu kitap Prof. Dr. Bülent Keskinler editörlüğünde çok sayıda araştırmacı tarafından tercüme edilmiştir).
Ismail, A.F., Matsuura, A. (2016). Membrane Technology for Water and Wastewater Treatment, Energy and Environment, IWA Publishing, Londra, İngiltere.
Metcalf & Eddy (2014). Wastewater Engineering: Treatment and Resource Recovery, 5. baskı, McGraw-Hill, Singapur.
van der Roest, H.F., Lawrence, D.P., van Bentem, A.G.N. (2002). Membrane Bioreactors for Municipal Wastewater Treatment, IWA Publishing, İngiltere.
Samsunlu, A. .(2012), Atık Suların Arıtılması, Membran Filtreli Son Çöktürme Havuzları, Bölüm 12, Birsen Yayınevi, İstanbul.
Sohbetimizin sonunda genç araştırmacılar bana Delft Teknoloji Üniversitesi (Hollanda) ve İstanbul Teknik Üniversitesi (İTÜ) arasında imzalanan ortak doktora protokolüne dayanılarak ve 20.10.2015 tarihinde Hollanda’da her iki ülkeden değerli bilim adamlarının katılımıyla gerçekleştirilen doktora savunmalarına ait fotoğrafları gösterdiler. Gururla izledim, başarılarının devamını diledim ve kendilerine bu mülakat için teşekkür ettim.
Not: Çevre mühendisliği konusunda doktora yapan genç araştırıcılar, çalışmaları hakkında beni bilgilendirdikleri takdirde onların elde ettikleri bulgulara da yukarıdakine benzer şekilde köşemde yer vermeyi isterim.