Numerical investigation of the effects of flow rate and water temperature on membrane performance in anaerobic membrane reactors


Thesis Type: Doctorate

Institution Of The Thesis: Karadeniz Technical University, Fen Bilimleri Enstitüsü, Turkey

Approval Date: 2022

Thesis Language: Turkish

Student: Birkut Güler

Abstract:

Anaerobik membran biyoreaktörler (anMBR) atık su arıtmada kullanılan uygulamalardır. Bu reaktörler biyolojik arıtmanın gerçekleştiği tam karışımlı bir anaerobik reaktör ve bir ultrafiltrasyon (UF) membranından oluşur. Gözenekli yapıda olan bu membranlar plaka veya boru şeklindedirler ve atık su filtreleme aracı olarak işlev görürler. anMBR uygulamasında yaşanan en önemli sorunlardan biri, membran gözeneklerinden yeterli miktarda su geçişinin olmaması; yani su debisindeki azalmadır. Azalan akış hızı, işlemin kesintiye uğramasına ve arıtma kalitesinin düşmesine neden olabilmektedir. Mevcut çalışmada, düz plaka şeklindeki membranda akış hızlarının membrandaki su akısı ve çözelti birikimi üzerindeki etkisi sayısal olarak incelenmiştir. Bu amaçla açık kaynak kodlu bir CFD analiz programı olan OpenFOAM yazılımı kullanılmıştır. Analizde, ileri osmoz (FO) olarak bilinen, membranın besleme ve emiş tarafları arasındaki kimyasal potansiyelin neden olduğu itme kuvvetine dayanan yaklaşımdan yararlanılmıştır. Ortalama giriş hızlarının membran performansı üzerine etkileri, emiş ve besleme tarafında hem eşit hem de farklı olması durumlar için, hız dağılımı, su akısı ve membranda çözelti birikimi cinsinden gösterilmiştir. Ayrıca, emiş tarafı ile besleme taraflarının birbirleri ile ısıl dengede olması durumunda sıcaklığın su akısı üzerine etkisi incelenmiştir. Sayısal sonuçlar, ortalama giriş hızlarının membran performansı üzerinde etkili bir parametre olduğunu göstermektedir. Artan ortalama giriş hızı ile su akısı arasındaki oransal ilişkinin, ortalama hızın 0,1 m/s değerinden sonra önemli ölçüde değiştiği görülmüştür. Ortalama hızın bu değerinden sonra su akısının ortalama hıza oranı öncesine göre yaklaşık 10 kat azalmaktadır. Ortalama giriş hızlarının farklı olması durumunda yüksek emiş giriş hızının su akısında artışa neden olduğu görülmüştür. Son olarak, fiziksel özelliklerin değişmesi nedeniyle sıcaklıkla birlikte arıtma performansının düştüğü görülmüş, uygulamada halen geçerli olan 35 0C'nin en uygun arıtma sıcaklığı olduğu sonucuna varılmıştır.