Geri Dön

Investigation of treatment performances and energy recoveries from a real textile wastewater in conventional and high-rate MBR processes

Konvansiyonel ve yüksek yüklü MBR proseslerinde gerçek bir tekstil atıksuyu arıtım performansının ve enerji geri kazanımının araştırılması

PDF İndir

  1. Tez No: 849746
  2. Yazar: TÜLAY YILMAZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. EMİNE ÇOKGÖR, PROF. DR. ERKAN ŞAHİNKAYA
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 186

Özet

Dünya çapında en çok su tüketen sektörlerden biri olan tekstil endüstrisinin atıksuları toksik ve karmaşık yapısı nedeniyle alıcı su kütleleri için ciddi tehlike oluşturmaktadır. Tekstil atık sularının arıtımı için pek çok fiziksel, kimyasal ve biyolojik proses araştırılmıştır, ancak bunların hiçbiri tek başına deşarj standartlarını karşılamak için yeterli bulunmamaktadır ve uygulanması gereken her proses yüksek yatırım ve işletme maliyeti gerektirmektedir. Ayrıca tekstil atıksularının arıtımı sırasında döngüsel ekonomiyi uygulayabilmek ve yüksek enerji gereksinimleri, büyük miktarlarda atık çamur üretimi ve sera gazı emisyonları gibi çıktıları en aza indirmek için enerji nötr arıtma tesislerinin dünya çapında yaygınlaştırılması gerekmektedir. Aerobik membran biyoreaktörler (MBR'ler), işletme kolaylığı, daha az alan ihtiyacı ve geleneksel biyolojik yöntemlere göre kıyasla daha yüksek kalitede çıkış suyu sağlaması gibi sebeplerden dolayı tekstil atıksularının arıtımında günümüzde yaygın olarak tercih edilmektedir. Ancak aerobik MBR'ler, hem mikroorganizmaların oksijen ihtiyacını karşılamak hem de membran kirlenmesini en aza indirmek için yüksek miktarlarda enerjiye ihtiyaç duyarlar. Ayrıca tekstil atıksularının ana kirleticileri olan azo ve reaktif boyaların (anaerobik/aerobik kombine sisteme ihtiyaç vardır) ve nitrojen bazlı kirleticilerin (aerobik nitrifikasyon ve anoksik denitrifikasyon işlemlerine ihtiyaç vardır) uzaklaştırılması için aerobik işlem tek başına yeterli değildir. Ayrıca, seçilen proseslerin, tekstil endüstrisi atıksuyunun yüksek hacmi nedeniyle düşük enerji ihtiyacına sahip olması gerekmektedir. Günümüzde su kaynaklarının küresel olarak azaldığı göz önüne alındığında, tekstil endüstrisi atıksularının sadece arıtılması yeterli olmadığı gibi geri kullanımı da son derece önemlidir. Bu nedenle tekstil endüstrisi atıksuları için sürdürülebilir ve pratik arıtma stratejileri geliştirilmelidir. Bu tezin temel amacı; gerçek bir tekstil atıksuyunun arıtımı için iki farklı biyolojik prosesin arıtma performanslarını belirlemektir. İlk proseste, farklı düşük çamur yaşı ve hidrolik bekletme sürelerinde işletilen ve 0.04 µm gözenek çapına sahip hollow fiber (HF) ultrafiltrasyon (UF) membran içeren aerobik bir MBR'de gerçek tekstil atıksuyunun arıtım performansı ve biyometan üretimi için hammadde kaynağı olarak kullanılabilecek organik maddenin geri kazanımı araştırılmıştır. Ayrıca düşük çamur yaşı (SRT) ve hidrolik bekletme süreleri (HRT) ile farklı SRT/HRT oranlarının membran filtrasyon performansı, çamur karakterizasyonu, çamur üretimi ve havalandırma için gereken enerji gereksinimi gibi parametrelerin üzerindeki etkileri incelenmiş ve tüm parametreler paralel olarak işletilen geleneksel bir aerobik MBR sistemi ile karşılaştırılmıştır. İkinci biyolojik proseste ise 0.04 µm gözenek çapına sahip HF-UF membranı içeren MBR'de hem organik hem de azot kaynaklı kirleticilerin tekstil atık suyundan eş zamanlı olarak giderilmesi için aralıklı havalandırma stratejisinin uygulanabilirliğini ve farklı havalandırma modellerinin membran filtrasyon performansı, çamur karakterizasyonu, çamur üretimi, havalandırma için enerji gereksinimi ve spesifik giderim hızları üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu tez kapsamında yapılan tüm çalışmalar aşağıdaki verilen dört ana aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada; konvansiyonel MBR sistemlerinin tekstil atıksuyu arıtım performanslarını belirlemek amacıyla laboratuvar ölçekli iki aerobik membran biyoreaktör kurulmuş ve aynı atıksu ile beslenen bu sistemlerden biri SRT 30 günde, diğeri sırasıyla SRT 20 ve 10 günde işletilmiştir. İlk aşamada, tesisten alınan ve sistemleri besleyen atıksuyun ortalama toplam kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), renk ve çözünmüş toplam azot (TN) konsantrasyonları sırasıyla 927±277 mg/L, 910±287 Pt–Co ve 39±10 mg/L'dir. Test edilen tüm SRT değerlerinde KOİ giderim performansı %90'ın üzerinde olup, kayda değer bir farklılık gözlemlenmemiştir. Renk giderim performansı ise 30 günlük ve 20 günlük SRT değerlerinde işletilen dönemlerde sırasıyla %55 ve 60 iken, 10 günlük SRT döneminde %50 seviyelerine düşmüştür. Her iki MBR'de de transmembran basıncı (TMP) çalışma boyunca 10 mbar'ın altında kalmış ve herhangi bir membran tıkanması gözlenmemiştir. Süpernatant filtrelenebilirliği (SF) ve spesifik filtrasyon direnci (SRF) değerlerinde SRT'nin 10 güne düşürülmesiyle artış gözlenmiştir. Askıda katı madde (AKM) konsantrasyonunun SRT düştükçe azalmasına bağlı olarak viskozite değerlerinde de düşme gözlemlenmiştir. Test edilen tüm SRT değerlerinde çözünmüş mikrobiyal ürün (SMP) konsantrasyonu benzer iken hücre dışı polimerik madde (EPS) konsantrasyonu SRT'nin 30 günden 10 güne düşürülmesiyle artmıştır. Jel geçirgenlik kromatografisi (GPC) analizine göre, SRT azaldıkça süzüntüdeki organik maddelerin moleküler ağırlıkları geniş bir spektruma dağılmıştır ve düşük molekül ağırlıklı organik bileşikler daha yüksek sinyaller vermiştir. Son olarak, SRT azaldıkça atık çamur miktarı ve mikroorganizmaların gerçek dönüşüm oranı (Yobs) artarken havalandırma için gerekli enerji ihtiyacı azalmıştır. İkinci aşamada ise SRT/HRT oranları sırasıyla 5, 10 ve 20'de sabit tutularak düşük SRT (0,5 – 5 gün) ve HRT (1,2 – 24 saat) değerlerinde işletilen laboratuvar ölçekli yüksek yüklü aerobik MBR'de tekstil atıksuyu arıtım performansı ve organik madde geri kazanım oranının araştırılması amaçlanmıştır. Bu aşamada kullanılan atıksuyun ortalama toplam KOİ, renk ve TN konsantrasyonu sırasıyla 834±143 mg/L ve 1037±407 Pt-Co ve 51±11 mg/L'dir. KOİ giderim verimi SRT'nin 5, 3 ve 2 gün (tüm SRT/HRT oranlarında) olduğu periyotlarda %86-92 arasında değişirken, SRT'nin 1 ve 0,5 gün (SRT/HRT oranı 10) olduğu periyotlarda sırasıyla %82 ve 77 seviyelerine kadar düşmüştür. Test edilen SRT ve HRT değerleri ile renk giderim performansı arasında bir korelasyon gözlemlenmemiş olup, renk giderim verimi %26 ile 70 arasında değişmiştir. MBR'de nitrifikasyon prosesi 2 gün ve daha düşük SRT değerlerinde tamamen durmuştur. Özellikle, SRT'nin 5 günden 1 güne düşürülmesiyle atık çamur miktarı ve Yobs değerlerinde artış meydana gelirken, SRT/HRT oranı havalandırma için gereken enerji ihtiyacında önemli rol oynamıştır. Ayrıca sistemde SRT'nin düşürülmesi, daha yüksek SRF, daha düşük SF değerlerine ve hızla meydana gelen membran kirlenme profillerine yol açmıştır. Süpernatanttaki SMP konsantrasyonu özellikle ≤ 2 günlük SRT periyotlarında artarken, SRT düştükçe üretilen toplam EPS konsantrasyonu artmıştır, fakat her bir SRT değerinde SRT/HRT oranı arttıkça üretilen toplam EPS konsantrasyonu düşmüştür. MBR'den alınan süpernatant ve süzüntü numunelerindeki organik maddelerin moleküler ağırlıklarında 3, 2 ve 1 günlük SRT dönemlerinde (SRT/HRT oranı 10 iken) herhangi bir değişiklik gözlenmezken, membranın kek tabakasında %2'nin altında Al, Si ve Fe varlığı tespit edilmiştir. Üçüncü aşamada ise aralıklı havalandırma stratejisinin uygulandığı bir membran biyoreaktörde (MBR) gerçek tekstil atıksuyundan organik madde, renk ve azot bazlı kirleticilerin eş zamanlı uzaklaştırılması için optimum işletme koşullarının belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla sistem öncelikle iki farklı çözünmüş oksijen (ÇO) konsantrasyonunda ve daha sonra 2 dak/2 dak ile 90 dak/360 dak arasında değişen havalandırma-aç/kapa sürelerinde işletilmiştir. Bu aşama boyunca kullanılan atıksuyun ortalama toplam KOİ, renk ve TN konsantrasyonları sırasıyla 793±173 mg/L, 1171±458 Pt–Co ve 65±15 mg/L olarak ölçülmüştür. Test edilen tüm koşullarda, KOİ giderim performansı %84 ila 91% arasında değişirken, renk giderim performansı oldukça değişken olup işletim koşullarından bağımsız olarak %40 ile 68 arasında kalmıştır. MBR'de minimum 30 dakikalık havalandırma-aç süresiyle ≥%89 nitrifikasyon performansı elde edilirken, en yüksek denitrifikasyon verimi havalandırma-kapa süresinin 360 dakika olduğu döngüde elde edilmiştir. Aralıklı havalandırma prosesi ile MBR'de daha yüksek TN giderimi, daha az çamur üretimi ve havalandırma için daha az enerji gereksinimi sağlanmıştır. Fakat, aralıklı havalandırma prosesi ile birlikte özellikle havalandırma-kapa süresinin 60 dakika ve daha uzun olduğu periyotlarda membran kirlenmesi daha hızlı gerçekleşmiştir. Aralıklı havalandırma koşullarının sistemde başlamasıyla ayrıca askıda katı madde (AKM), uçucu askıda katı madde (UAKM), SF ve viskozite değerlerinde azalma gerçekleşirken, SRF değerleri artmıştır. Reaktör içinde SMP konsantrasyonlarının aralıklı havalandırma ile azalmasına rağmen EPS konsantrasyonlarında anlamlı bir değişiklik gözlemlenmemiştir. MBR'den alınan süpernatant ve süzüntü numunelerinde organik maddelerin moleküler ağırlıklarında herhangi bir değişiklik tespit edilemezken, havalandırma kapa süresi arttıkça süpernatanttaki ortalama partikül boyutlarında artış gözlemlenmiştir. Son olarak, membran kek tabakasında Ca, Mg, Si ve Na gibi inorganik maddeler tespit edilmiştir. Son aşamada ise, önceki adımda farklı ÇO konsantrasyonları ve havalandırma aç/kapa sürelerinde işletilen MBR'den alınan çamur örnekleri ile değişen işletme koşullarının mikroorganizmaların spesifik amonyum oksidasyon, denitritasyon ve denitrifikasyon hızların üzerine etkisi araştırılmıştır. Spesifik amonyum oksidasyon hızı, farklı çalışma koşullarında MBR'den alınan çamur ve amonyum içeren sentetik atıksu ile kurulan kesikli reaktörler ve respirometrik çalışmalar ile belirlenirken, spesifik denitritasyon ve denitrifikasyon hızları farklı nitrit ve nitrat konsantrasyonları içeren paralel kesikli reaktörler ile araştırıldı. Testler sonucunda en yüksek spesifik amonyum oksidasyon, denitritasyon ve denitrifikasyon hızları sırasıyla 5,4, 3,8 ve 5,3 mg N/(g UAKM.sa) olarak havalandırma-açma/kapa süresinin 90/360 dk olduğu periyotta elde edilmiştir. Spesifik amonyum oksidasyon hızları 360 dk havalandırma-kapa süresinin uygulandığı son periyotta, ÇO'nun 6 ve 3 mg/L olduğu sürekli havalandırma koşullarına kıyasla sırasıyla 1,8 ve 2,1 kat artış göstermiştir.

Özet (Çeviri)

Textile industry wastewater, which is among the most water-consuming sectors worldwide, is extremely hazardous for receiving water bodies due to its toxic and complex structure. Many studies have been conducted involving physical, chemical, biological and combined processes for the textile wastewater treatment, but none of them alone is sufficient to meet discharge standards, and each process requires higher investment and operating costs. Additionally, energy-neutral plants should be expanded to ensure circular economy during the textile wastewater treatment, and the treated wastewater should be appropriate to be used for further reuse processes. Aerobic membrane bioreactors (MBRs) have been widely preferred in the textile wastewater treatment due to their ease of operation, lower volume requirement, and providing higher quality effluent compared to traditional biological methods. However, aerobic MBRs require higher energy input to both supply the oxygen requirement of microorganisms and minimize membrane fouling. In the treatment of textile industry wastewater, a single aerobic process is not sufficient to remove organic matters, azo and reactive dyes (anaerobic/aerobic combined system are needed) and nitrogen-based pollutants (nitrification and denitrification processes are needed). In addition, processes selected should be less-energy consuming due to high volume of textile industry wastewater. Considering that water resources are decreasing globally today, it is not enough to treat textile industry wastewater and their recycling is also extremely important. Therefore, sustainable and practical treatment strategies should be developed for textile industry. This thesis aims to investigate the treatment potential of two different biological processes with different advantages for real textile wastewater. First of all, the treatment performance of the real textile wastewater and the recovery of organic matter that can be preferred as a raw material source for biomethane generation were investigated in an aerobic high-rate MBR including a hollow fiber (HF) ultrafiltration membrane (UF) with a pore size of 0.04 µm. In the high-rate MBR process, it was aimed to recover organic matters rather than oxidation at short (0.5-5 days) sludge retention times (SRTs) and hydraulic retention times (HRTs). Additionally, the effects of SRT/HRT ratios on membrane filtration performance, sludge characterization, sludge production, and the energy requirements for aeration were examined, and all parameters were compared with a conventional long SRT aerobic MBR system operated in parallel. In another MBR process equipped with an HF-UF membrane, the feasibility of intermittent aeration strategy for simultaneous nitrification and denitrification to remove nitrogen-based pollutants and for energy minimization were investigated. Additionally, the effects of different aeration patterns on membrane filtration performance, sludge characterization, sludge production and energy requirements for aeration, and specific removal rates were studied. Within the scope of this thesis, all studies were carried out in four stages. In the first stage, textile wastewater treatment performances of conventional MBRs were investigated at SRTs of 30, 20 and 10 d. During this stage, two identical MBR systems were run, one at SRT for 30 days (MBR-1), and the other at SRT for 20 and 10 days (MBR-2), respectively. The average total chemical oxygen demand (COD), color and total dissolved nitrogen concentrations of textile wastewater used in the study averaged 927±277 mg/L, 910±287 Pt–Co and 39±10 mg/L, respectively. While COD removal performance was above 90% in all SRTs, color removal reached its lowest value at SRT of 10 d and did not show any correlation with SRT. In both MBRs, transmembrane pressure (TMP) was below 10 mbar throughout the study and no membrane fouling was observed. Supernatant filterability (SF) and specific filtration resistance (SRF) values increased at 10 d of SRT. A decrease in viscosity values was also observed due to the decrease in suspended solids (SS) concentration as SRT decreased. While SMP concentrations were similar at all tested SRT values, an increase in EPS concentration was observed at 10 d SRT. Additionally, reducing SRT resulted in an increase in waste sludge generation and observed biomass yield (Yobs), and a decrease in the energy requirement for aeration. According to gel permeation chromatography (GPC) results, as SRT decreased, organic compounds with low molecular weight had higher signals. In the second stage, aim was to investigate textile wastewater treatment performance and organic matter recovery efficiency at short SRTs, and a laboratory-scale high-rate aerobic MBR was run at SRTs of 0.5 – 5 d and HRTs of 1.2 – 24 h, corresponding to predetermined different SRT/HRT ratios of 5, 10 and 20. The average total COD, color, and soluble nitrogen concentrations in the wastewater were 834±143 mg/L and 1037±407 Pt-Co and 51±11 mg/L, respectively. While COD removal performances ranged between 86 and 92% at SRT of 5, 3, and 2 d (in all SRT/HRT ratios), it decreased to 82 and 77% at SRT 1 and 0.5 d (at SRT/HRT ratio of 10), respectively. There was no correlation between decolourization performance and SRT or HRT as it varied between 26% and 70%. The nitrification performance in the system stopped completely at SRTs ≤ 2 d. In particular, when SRT decreased from 5 days to 1 day, the amount of sludge produced and Yobs values increased. The SRT/HRT ratio played an important role in the energy requirement for aeration. In addition, reducing the SRT in the system resulted in higher SRF values, lower SF values, and rapid membrane fouling. SMP in the supernatant increased especially at SRTs ≤ 2 d. The total EPS concentration increased as SRT decreased, but the it decreased as the SRT/HRT ratio increased at each SRT value. No significant change occurred in the molecular weight distributions of the organic substances in the supernatant and filtrate at SRT of 3, 2, and 1 d. Throughout the study, in the cake layer deposited on membrane, Al, Si, and Fe were detected below 2%. In the third stage, the aim was to investigate optimum operating conditions for the simultaneous nitrification and denitrification processes to remove organic matter, color and nitrogen-based pollutants in the real textile wastewater using an MBR with an intermittent aeration strategy. The system was first operated at different dissolved oxygen values (DO of 6 and 3 mg/L) and then aeration-on/off durations varying between 2 min/2 min and 90 min/360 min. The average total COD, color, and TN concentrations of the wastewater were measured as 793±173 mg/L, 1171±458 Pt–Co and 65±15 mg/L, respectively. COD removal performance ranged from 84 to 91%. In all tested conditions, color removal performance was highly variable and independent of operating conditions, ranging from 40 to 68%. While ≥89% nitrification performance was achieved in the MBR at a minimum aeration-on durations of 30 min, the highest denitrification efficiency was achieved in the cycle with an aeration-off durations of 360 min. With the intermittent aeration process, higher TN removal, less sludge production and less energy requirement for aeration were achieved. However, membrane fouling profiles occurred more quickly at the aeration-off durations of 60 min and longer. Additionally, while SS, VSS, SF and viscosity values decreased under intermittent aeration conditions, SRF values increased. Although SMP concentrations decreased with intermittent aeration, EPS concentrations were quite similar. While no change was observed in the molecular weights of the supernatant and filtrate samples of the MBR, the average particle sizes in the supernatant increased as the aeration-off time increased. Finally, according to SEM-EDS results, inorganic substances such as Ca, Mg, Si, and Na were detected in the cake-deposited membrane surfaces. In the fourth stage, the impacts of different aeration patterns on the specific ammonium oxidation, denitritation and denitrification rates were investigated in batch assays. The batch experiments were conducted using the sludge taken from the MBR operated at various DO concentrations and aeration on/off times. While the specific ammonium oxidation rate was determined by batch tests and respirometric studies, specific denitritation and denitrification rates were determined by parallel batch reactors containing different nitrite and nitrate concentrations. The highest specific ammonium oxidation, denitritation, and denitrification rates were obtained as 5.4, 3.8, and 5.3 mg N/(g VSS.h), respectively, at the aeration-on/off durations of 90/360 min. Specific ammonium oxidation rates increased by 1.8 and 2.1 times in the last period (the aeration-on/off time of 90/360 min), compared to continuous aeration conditions with DO of 6 and 3 mg/L, respectively.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    352425

    Tavuk etinde antibiyotik kalıntılarının HPLC yöntemiyle belirlenmesi

    Determination of antibiotic residues in chicken meat by HPLC method

    TUĞBA YILDIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. BİRSEN DEMİRATA ÖZTÜRK

  2. Tez No

    75074

    Pervaporasyon ile ipa/su ve MTBE/metil alkol azeotropik karışımlarının ayrılması

    Başlık çevirisi yok

    NİLÜFER DURMAZ (HİLMİOĞLU)

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    1998

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Temel İşlemler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEMA TÜLBENTÇİ

  3. Tez No

    559082

    Anaerobic processing of and nutrient recovery from source separated human urine

    Kaynakta ayrılmış idrarın anaerobik yollarla işlenmesi ve nutrient geri kazanımı yolu ile değerlendirilmesi

    MUSTAFA NAWZAD TAHER TAHER

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. AYŞE BİLSEN BAYKAL

  4. Tez No

    323938

    Yerfıstığından enzimatik ekstraksiyon ile yağ eldesinde yüzey aktif madde kullanımının etkisi

    Effect of surfactants on the enzymatic extraction of oil from groundnut

    BAHAR DEĞERLİ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    İleri Teknolojiler Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLDEM ÜSTÜN

  5. Tez No

    363683

    Kabak çekirdeğinden enzimatik sulu ekstraksiyon ile yağ eldesi ve yüzey aktif madde kullanımının yağ verimine etkisi

    Enzymatic aqueous extraction of oil from pumpkin seeds and effect of surfactants on the oil yield

    GÖZDE NUR DALKIRAN

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2014

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. GÜLDEM ÜSTÜN

Geri Dön