Evaluation of different processes for the treatment of high strength toxic synthetic wastewater
Yüksek kirliliğe sahip toksik sentetik atık suların arıtımında farklı proseslerin değerlendirilmesi
- Tez No: 119693
- Danışmanlar: PROF. DR. FÜSUN ŞENGÜL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2002
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Dokuz Eylül Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 178
Özet
vn ÖZET Atıksuların arıtımında uygulanan diğer yöntemlerle karşılaştırıldığında, biyolojik arıtma sistemleri büyük çoğunlukla bilinen en ekonomik alternatif olarak karşımıza çıkmaktadır. Bununla beraber, konvansiyonel biyolojik arıtma sistemlerinin toksik ve/veya biyolojik olarak zor ayrışan organik maddeler içeren endüstriyel atıksuların arıtımında zaman zaman yetersiz kaldığı da bilinmektedir. Bu tür atıksuların arıtımı için son yıllarda ileri oksidasyon sistemleri (AOP) geliştirilmiştir. İleri oksidasyon sistemleri başta OH» radikalleri olmak üzere yüksek reaktiviteye sahip ve hemen hemen bütün organik kirleticileri oksitleyebilen ara ürünler oluşturan sistemlerdir. Bu sistemler oldukça efektif olmalarına rağmen tek başına kullanıldıklarında, ekonomik olmadıkları durumlarla da karşılaşılabilmektedir. Bu nedenle herhangibir endüstriyel atıksuyun arıtımı için kesikli beslemeli veya yukarı akışlı-sabit yataklı aerobik-anaerobik reaktörler gibi yeni biyolojik arıtma teknolojilerinin uygulanması veya ileri oksidasyon sistemleri ile biyolojik arıtma ünitelerinin birlikte kullanılarak istenilen çıkış suyu kalitesine ekonomik bir şekilde ulaşmak mümkün ve gerekli olabilir. Bu tez çalışması üç ana bölümden oluşmaktadır. Birinci bölümde, toksik bir bileşik olan 4-klorofenol içeren, yüksek kirliliğe sahip sentetik bir atıksu örneğinin kesikli beslemeli (fed-batch) işletilen bir aerobik biyolojik reaktörde arıtımı incelenmiştir. İkinci bölümde aynı atıksu örneğinin yukarı akışlı sabit yataklı anaerobik bir reaktörde (UAFBR) arıtılabilirlik çalışmaları yürütülmüştür. Üçüncü bölümde ise düşük ve yüksek basınçlı civa lambalan kullanılarak iki ayrı reaktörde 4-klorofenolün ileri oksidasyon prosesleri ile kimyasal oksidasyonu incelenmiştir. Birinci bölümde başlangıç 4-klorofenol ve çözünmüş organik karbon (DOC) konsantrasyonlarının kesikli beslemeli bir reaktörde, 4-klorofenol ve toplam arıtma verimleri üzerindeki etkileri incelenmiştir. Bu bölümde incelenmesi amaçlanan birvm başka nokta ise, 4-klorofenolün kometabolik parçalanmasında yaygın olarak kullanılan ve toksik olan fenol yerine, glikozun kullanılabilirliğinin incelenmesidir. Deneylerden elde edilen sonuçlar, 4-klorofenolün hem kendi, hem de organizmaların üzerinde büyüdüğü glikozun parçalanmasını inhibe ettiğini göstermiştir. 5000 mg/L glikoz içeren atıksuyun toplam arıtma verimi DOC cinsinden, 4-klorofenol içermeyen atıksu numunesi için %99 iken, bu verim ortama 300 mg/L 4-klorofenol eklendiğinde %66'ya düşmüştür. Öte yandan 4-klorofenol oksidasyon verimi 60 mg/L başlangıç konsantrasyonu için %99.8 iken, bu değer 300 mg/L için %65.1'e düşmüştür. Bununla beraber, ortamdaki glikoz konsantrasyonu ve besleme hızı sırasıyla 5000 mg/L'den 2000-3000 mg/L'ye ve 600 mL/saat'den 450 mL/saat'e düşürüldüğünde, 300 mg/L 4-klorofenolün tam arıtımı sağlanabilmiştir. Ortama glikoz eklendiğinde, 4-CP'nin oksidasyonu için ayrıca fenol eklemeye gerek kalmamıştır. Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar, 4-CP'nin glikoz üzerinde büyüyen organizmalar tarafından parçalanabildiğini ve kesikli beslemeli sistemlerde besleme hızının büyük öneme sahip olduğunu göstermiştir. Ayrıca birincil besin maddesi ile toksik madde konsantrasyonları arasındaki oranın önemli bir işletme parametresi olabileceği görülmüştür, fakat bu konuda daha ayrıntılı çalışmaların yapılması gerekmektedir. Çalışmanın ikinci bölümünde başlangıç 4-CP konsantrasyonu ve hidrolik bekleme süresinin toplam ve 4-CP arıtma verimleri, biyogaz miktarı ve kalitesi üzerindeki etkileri paralel işletilen iki adet yukarı akışlı sabit yataklı anaerobik reaktörde incelenmiştir. Bu sistemde 4-CP'nin inhibisyon etkisinin çok daha belirgin olduğu görülmüştür. 5000 mg/L glikoz içeren atıksu numunesinin 2.5 günlük bir hidrolik alıkonma süresinde (HRT) DOC cinsinden arıtma verimi ortamda 4-CP bulunmazken %97.9 iken, ortama 200 mg/L 4-CP eklendiğinde, bu değer %30.2'ye düşmüştür. Bununla beraber, biyogaz kalitesindeki bozulmalar çok daha düşük 4-CP konsantrasyonlarında (50 mg4-CP/L) başlamıştır. Başlangıç 4-CP konsantrasyonu 0 dan 50 mg/L'ye artırıldığında, biyogazın metan yüzdesi de %67.5'den %58.9'a düşmüştür. Sonuçlar 4-CP açısından değerlendirildiğinde ise, %99'un üzerinde verimin elde edildiği tek konsantrasyon 10 mg/L olmuştur. 4-CP konsantrasyonu 200 mg/L'ye yükseltildiğinde ise, verim sadece %5 olarak gerçekleşmiştir. 5000 mg/LEX glikoz ve 100 mg/L 4-CP içeren atıksu numunesinde maksimum 4-CP ve toplam arıtma verimleri 5 günlük bir HRT değerinde sırasıyla %58 ve %97.4 olarak elde edilmiştir. Buna tekabül eden metan gazı yüzdesi ise kararlı koşullarda %61.3 olarak bulunmuştur. HRT'nin 5 günden 10 güne çıkarılması neticesinde büyük bir ihtimalle düşük organik yükleme sonucu oluşan açlık (starvasyon) nedeniyle, 4-CP arıtma veriminde %10'luk ve toplam arıtma veriminde de %5.2'lik bir düşüş gözlenmiştir. HRT'nin 10 günden 1 güne düşürülmesi ile, biyogaz üretim hızı 0.5 L/gün'den 5.74 L/gün'e yükselmiştir. Üçüncü bölümdeki çalışmalar 4-CP'nin kimyasal olarak oksitlenmesi üzerinde yoğunlaşmıştır. Çalışmanın bu bölümünde laboratuvar ölçekli fotoreaktörler kullanılarak UV, UV/H2O2 ve UV/H202/Fe2+ (Foto-Fenton) gibi ileri oksidasyon prosesleri ile 4-CP'nin fotokimyasal parçalanması ve mineralizasyonu incelenmiştir. Biri düşük basınçlı, diğeri yüksek basınçlı civa lambası ile donatılmış iki reaktör işletilmiştir. Düşük basınçlı civa lambasının kullanıldığı reaktör tam kesikli modda işletilmiştir. Bu reaktörde etkileri incelenen başlıca değişkenler başlangıç 4-CP konsantrasyonu, pH, hidrojen peroksit ve demir konsantrasyonları ve suda mevcut bazı diğer iyonlar olarak sıralanabilir. Sadece UV işim kullanılarak yapılan deneyler, başlangıç 4-CP konsantrasyonu arttıkça verimin düştüğünü, fakat arıtma veriminin çözeltinin başlangıç pH'ından etkilenmediğini göstermiştir. 100 mg/L 4-CP içeren bir atıksu numunesi için 300 dakikalık bir reaksiyon süresi sonunda %89'luk bir arıtma verimi elde edilmiş, fakat herhangi bir mineralizasyon gerçekleşmemiştir. UV/H2O2 prosesi kullanıldığında, aynı atıksu için 4-CP oksidasyon verimi 60 dakika sonunda >%99 olarak gerçekleşmiş fakat mineralizasyon verimi 300 dakika sonunda %75'lerde kalmıştır. H2O2 / 4-CP molar oram sabit tutulmasına rağmen, başlangıç 4- CP konsantrasyonundaki artış, verimin düşmesine neden olmuştur. UV/H2O2 prosesinde bazik pH'larda verimin daha yüksek olduğu görülmüştür. Sonuçlar en yüksek verimin elde edildiği prosesin asidik şartlar altında uygulanan foto-Fenton prosesi olduğunu göstermiştir. Bu proses ile 100 mg/L 4-CP'nin tamamen oksidasyonu için 2.5 dakika, yaklaşık tam mineralizasyonu (%96) için ise 45 dakikayeterli olmuştur. Belirli bir konsantrasyonun üzerinde hem H2O2 hem de Fe2+ arıtma verimini olumsuz yönde etkilemiştir. En fazla negatif etki ile, ortama P04E iyonları eklendiğinde karşılaşılmıştır. PO4 iyonları içeren atıksu numunesinden 100 mg/L 4- CP'nin tamamen oksitlenmesi için gerekli süre, 2.5 dakikadan 30 dakikaya, tam mineralizasyonu için gerekli süre ise 45 dakikadan 240 dakikaya yükselmiştir. 4- CP'nin fotokimyasal parçalanmasının birinci derece reaksiyon kinetiği ile açıklanabileceği görülmüştür. Yüksek basınçlı civa lambasının kullanıldığı reaktör sirkülasyon modunda işletilmiştir. Bu reaktörde başlangıç hidrojen peroksit, demir konsantrasyonları ve ışık şiddetinin 4-CP, DOC ve KOİ parçalanma hızlan üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sadece UV veya Fenton reaktifi tek basma kullanıldığında 4-CP'nin efektif bir şekilde parçalandığı, fakat mineralizasyon miktarının düşük olduğu gözlenmiştir. 4-CP parçalanma hızının ışık şiddetinden doğrudan etkilendiği tesbit edilmiştir. UV/H2O2 sistemi ile 100 mg/L 4-CP'nin tam mineralizasyonunun mümkün olduğu görülmüştür. Bununla beraber, özellikle mineralizasyon için gerekli reaksiyon süresi gözönünde bulundurulduğunda, en etkin sistemin foto-Fenton prosesi olduğu bu reaktörde de belirlenmiştir. Belirli bir Fe2+ ve H2O2 konsantrasyonunun üzerinde parçalanma hızında herhangi bir artışın olmadığı ve hatta mineralizasyon için gerekli sürenin, büyük bir ihtimalle meydana gelen hidroksil radikallerinin ikincil reaksiyonları nedeniyle, arttığı gözlenmiştir. Sonuç olarak orta ile yüksek kirliliğe sahip toksik endüstriyel atıksuların arıtımında fed-batch işletilen aerobik aktif çamur ünitelerinin tek basma kullanılmaları mümkün görünmektedir. Bununla beraber yukarı akışlı sabit yataklı anaerobik reaktörlerin kullanılması durumunda ise, biyolojik arıtmadan önce toksisitenin azaltılması veya biyolojik arıtma sonrası kalıntı toksik maddelerin giderimi için bir ön veya son arıtmaya ihtiyaç duyulacaktır. İleri oksidasyon sistemlerinin yüksek kirliliğe sahip atıksulann arıtımında kullanılmaları ekonomik görünmemektedir. Bu nedenle anaerobik ünitelerin öncesi veya sonrasında toksisite azaltımı veya kalıntı toksik madde giderimi için kullanılmaları daha uygun olacaktır.
Özet (Çeviri)
ffl ABSTRACT Biological treatment of wastewater is often the most economical alternative when compared with other treatment options. Nevertheless, industrial effluents are known to contain toxic and/or non-biodegradable organic substances and conventional biological treatment processes are not efficient in these cases. Advanced Oxidation Processes (AOPs) have been proposed as an attractive alternative for the treatment of these kind of wastewaters. AOPs are methods producing highly reactive intermediates, above all the OH» radicals, which are able to oxidize almost all organic pollutants. Despite the effectiveness of AOPs, there are several scenarios when this kind of single treatment is not economically advantageous. Effective treatment of a particular industrial wastewater, given these limitations, may require the application of new biological treatment technologies such as fed-batch or upflow fixed-bed aerobic-anaerobic reactors or a combination of AOP and biological processes in order to exploit their individual qualities and thus reach the desired water quality within reasonable economic limits. In this respect, this thesis is composed of three main parts one of which investigates the aerobic biological treatment of a high strength synthetic wastewater containing a toxic compound, 4-chlorophenol (4-CP), using fed-batch operation, a second part which investigates the anaerobic biological treatment of the same wastewater using upflow anaerobic fixed-bed reactors (UAFBR) and the third part which focus on chemical oxidation of the toxic compound of concern, 4-CP, using advanced oxidation processes. In the first part, effect of important process variables (initial 4-CP and dissolved organic carbon (DOC) concentrations in the feed and the loading rate) on 4-CP and total treatment efficiencies were systematically investigated by using a fed-batch IX. YDKSKK6CUT1M K.UBUU» BOKftelAirEASYOft ME&KSSİIV operated reactor. Another aim of this part was to investigate the feasibility of using glucose as a growth substrate instead of a widely used toxic compound, phenol for cometabolic transformation of 4-CP. The experimental results have demonstrated that 4-CP inhibited the oxidation of both itself and the growth substrate, glucose. The total treatment efficiency of 5000 mg/L glucose, in terms of DOC, decreased from >99% for a 4-CP free cycle to 66% for an initial 4-CP concentration of 300 mg/L. On the other hand, 4-CP removal efficiency decreased from 99.8% to 65.1% when the initial 4-CP concentration was increased from 60 to 300 mg/L. However as the concentration of glucose and the rate of feeding were decreased from 5000 mg/L to 2000-3000 mg/L and from 600 mL/hto 450 mL/h respectively, complete removal of 300 mg/L 4-CP with a low residual DOC was achieved. Phenol induction prior to inoculation was not a prerequisite to ensure transformation of 4-CP when glucose was the added growth substrate. The results of this work suggest that 4-CP can be degraded by cells grown on glucose as the sole growth substrate and the feeding strategy is the key factor for complete removal of both growth and nongrowth substrates in fed-batch operation. Furthermore, a certain ratio between the growth and non-growth substrate may be an important operational parameter which requires further investigations. In the second part of the study, effects of initial 4-CP concentration and hydraulic retention time (HRT) on total treatment and 4-CP removal efficiencies, biogas quality and quantity were investigated by using two identical and parallel operated UAFBRs. In this case, the inhibitory effect of 4-CP was more significant. The total treatment efficiency of 5000 mg/L glucose, in terms of DOC, decreased from 97.9% for a 4-CP free medium to 30.2% when the 4-CP concentration was increased up to 200 mg/L at an HRT of 2.5 days. However, deterioration in biogas quality started even at lower concentrations (at 50 mg4-CP/L). The methane percentage of the biogas decreased from 67.5% to 58.9% when the initial 4-CP concentration was increased from 0 to 50 mg/L. In terms of 4-CP, the only concentration, at which >99% efficiency achieved, was 10 mg/L. The 4-CP treatment efficiency at an initial concentration of 200 mg/L was only around 5%. At a constant glucose concentration of 5000 mg/L and 4-CP of 100 mg/L, maximum 4-CP and COD removal efficienciesV were obtained at an HRT of 5 days with 58% and 97.4% respectively with a methane percentage of 61.3% at steady state conditions. Increasing HRT from 5 to 10 days caused a reduction of 10% in 4-CP and 5.2% in total treatment efficiencies, most probably, due to the starvation conditions. The biogas production rate increased from 0.51 L/d at an HRT of 10 days to 5.74 L/d at an HRT of 1 day. The third part of the study focus on the chemical oxidation of 4-CP. In this part of the study, photochemical advanced oxidation processes (AOPs) utilizing the combinations of UV, UV/H2O2 and UV/H202/Fe2+ (Photo-Fenton process) were investigated in lab-scale experiments for the degradation and mineralization of 4- chlorophenol. Two reactors were operated one of which was equiped with a low pressure mercury lamp and the other with a high pressure one. The reactor equipped with the low pressure lamp was operated in batch-wise. The major parameters investigated for this reactor were the initial 4-chlorophenol concentration, pH, hydrogen peroxide and iron doses and the effect of the presence of radical scavengers. It was observed that the 4-chlorophenol degradation efficiency decreased with increasing concentration and was independent of the initial solution pH in UV process. 4-chlorophenol oxidation efficiency for an initial concentration of 100 mg/L was around 89% after 300 min of irradiation in UV process and no mineralization was achieved. The efficiency increased to >99% with UV/H2O2 process in 60 min of irradiation, however, mineralization efficiency was still around 75% after 300 min of reaction time. Although the H2O2 / 4-CP molar ratio was kept constant, increasing initial 4-chlorophenol concentration decreased the treatment efficiency. It was observed that basic pHs were favourable in UV/ H2O2 process. The results showed that the Photo-Fenton process was the most effective treatment process under acidic conditions. Complete disappearance of 100 mg/L 4- chlorophenol was achieved in 2.5 min and almost complete mineralization (96%) was also possible after only 45 min of irradiation. The efficiency was negatively affected from H2O2 in UV/H2O2 process and Fe2+ in Photo-Fenton process over a certain concentration. The highest negative effect was observed with solutions containing PO^ion. Required reaction time for complete disappearance of 100 mg/LVI 4-chlorophenol increased from 2.5 min for an ion-free solution to 30 min for the solution, containing 100 mg/L P04E ion and from 45 min to more than 240 min for complete mineralization. The photodegradation of 4-chlorophenol was found to follow the first-order reaction kinetic. The reactor equipped with a high pressure lamp was operated in a recirculation mode. The effects of the initial H2O2 and Fe2+ concentrations and the light intensity on the degradation rate of 4-CP, DOC and COD were described. Ultraviolet irradiation alone and Fenton's reagent effectively degraded 4-CP but produced relatively small amounts of mineralization. A direct dependency of 4-CP degradation on light intensity was observed. Complete mineralization of 100 mg/L 4- CP was possible with UV/H2O2 system. However, the mineralization of 4-CP to CO2 and H2O was most effective when the organic was subjected to photolytic oxidation with photo-Fenton system, especially when the reaction time requirements were considered. It was observed that beyond a certain Fe2+ and H2O2 concentration, no further increase of degradation rate was possible and even the time requirement for complete mineralization increased probably due to the side reactions of hydroxyl radicals. Summarising, it seems to be possible to use high density fed-batch operation of aerobic biological treatment systems alone for the treatment of medium to high strength toxic wastewaters. On the other hand, upflow anaerobic fixed-bed reactors should be used in combination with a pre- or post treatment step to reduce the toxicity before biological treatment or to remove the residual after biological unit. AOPs seem not to be cost effective when used alone for the removal of high strength wastewaters but can be a feasible alternative as a pre or post treatment step to anaerobic treatment for the removal of toxic compounds.
Benzer Tezler
- A comparative evaluation of anaerobic teratment of low strength wastewaters at mesophilic and psychrophilic temperatures
Düşük kirlilik yüküne sahip atıksuların havasız arıtımının mezofilik ve psikrofilik sıcaklıklarda karşılaştırılmalı olarak değerlendirmesi
ÇİĞDEM YANGIN GÖMEÇ
Doktora
İngilizce
2005
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF.DR. VEYSEL EROĞLU
- Kuvvetli atıkların yukarı akışlı havasız filtrelerde arıtım kinetiği
Kinetics of strong waste treatment by anqerobic upflow filters
M.ATALAY TİMUR
- Küre masif zengin cevherde baz, değerli, nadir metallerin dağılımları ve kazanılması
Distribution of base, rare and precious metals and their recovery in Küre massive ore
SEVİL YALÇIN
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Maden Mühendisliği ve Madencilikİstanbul Teknik ÜniversitesiPROF.DR. SUNA ATAK
- Polimerik nanokompozit membran üretimi ve modellenmesi
Fabrication of polymeric nanocomposite membrane and it's modelling
SEREN ACARER
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Çevre Mühendisliğiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. NEŞE TÜFEKCİ
DR. GÜLER TÜRKOĞLU DEMİRKOL