Tekstil Atıksularının Laboratuvar Ve Pilot Ölçekli Membran Biyoreaktörler İle Arıtılabilirliği

Abstract

Tekstil endüstrisi atıksuları konvansiyonel arıtma yöntemleri ile (biyolojik arıtma, koagülasyon, flokülasyon, adsorbsiyon) arıtımı zor olan atıkları içermektedirler. Bu atıksular biyolojik olarak ayrışamayan ve toksik maddeleri de içeren, yüksek hacimde ve oldukça çeşitli türde bileşenlerden oluşmaktadır. Bununla birlikte bu endüstrinin neredeyse bütün aşamalarında su kullanılmaktadır. Bu çeşitlilik, uygulanan endüstriyel proseslerinin çeşitliliği ile kullanılan çok sayıda kimyasal ve diğer maddelere bağlı olup, her atık türü ayrı bir arıtma problemi yaratmaktadır. Tekstil atıksularının arıtımında uygulanan konvansiyonel yöntemler arasında, biyolojik arıtma, fiziksel-kimyasal prosesler, adsorbsiyon ve kimyasal oksidasyon yer almaktadır. Kimyasal arıtma genellikle atıksu içindeki yabancı maddeleri bir kimyasala bağlanmasıyla sudan ayrılması esasına dayanmaktadır. Bununla birlikte günümüzde çamur üretimi büyük ve aşılması gereken bir sorun olarak durmaktadır. Kimyasal arıtmada oluşan fazla miktardaki çamurun arıtılması zorlaşmaktadır. Ozon ile oksidasyon ise her türlü atıksuya uygulanabilmesine rağmen, pahalılığı sebebiyle tercih edilememektedir. En yaygın olarak kullanılan biyolojik arıtmada genellikle boyaların aromatik yapıları ve toksisiteleri nedeniyle etkin bir renk giderimi sağlanamamaktadır. Biyolojik prosesler genellikle bakterilerin izole edilerek ve istenilen tarzda substrata alıştırılarak renk ve karbonlu maddelerin giderimini sağlamaktadır. Laboratuvar şartlarında iyi performans gösteren bakterilerin gerçek atıksuda aynı performansı gösteremediği söylenmektedir. Fiziksel-kimyasal proseslerde ise yüksek kimyasal doz ve çamur üretimindeki artış, adsorbsiyonda sınırlı kapasite ve kimyasal oksidasyonda ise toksik ara ürünlerin meydana çıkması gibi sorunlar bu yöntemlerin başlıca dezavantajlarıdır. Günümüzde mevcut yöntemlerin etkin bir arıtma sağlayamaması ve deşarj standartlarının giderek katılaşması nedeniyle ozonlama, fotokataliz ve membran prosesleri gibi ileri arıtma yöntemlerine ihtiyaç duyulmaktadır. Bazı durumlarda ise klasik yöntemlerin birden fazlası birlikte kullanılmaktadır. Tek başına veya birlikte kullanılan konvansiyonel yöntemler temel olarak deşarj standartlarını sağlamaya yönelik olarak uygulanmaktadır. Aynı zamanda tekrar kullanım yaklaşımını benimseyen endüstriler de bulunmaktadır. Membran prosesler ise buna ek olarak, atıksuda bulunan değerli maddelerin ve suyun geri kazanımı söz konusu olduğunda üstün arıtma performansları ile gelecek vaat etmektedir. Membran prosesler hem kumaş boyasını uzaklaştırma ve kimyasal maddelerin yeniden kullanımını sağlama hem de boya malzemesi ile yardımcı kimyasal maddeleri konsantre hale getirme ve temiz su elde etme potansiyeline sahiptir. Membran biyoreaktörler de biyolojik prosesler ile filtrasyon prosesini birleştiren sistemlerdir. Membran biyoreaktörlerin evsel ve çeşitli endüstriyel atıksuların arıtımı üzerine farklı işletme şartları ve filtrasyon seçimi ile oldukça fazla çalışmalar mevcuttur. Diğer endüstri atıksularıyla karşılaştırıldığında tekstil atıksuları KOİ içeriği, en zor parçalanan KOİ olarak nitelendirilmektedir. Arıtımı zor olan bir atıksu olduğundan, genellikle birleşik/hibrit sistemler ile arıtılmaktadır. Bununla birlikte yalnızca kimyasal ya da yalnızca biyolojik olarak arıtılabilirliğine dair literatürde çokça çalışma bulunmaktadır. Tekstil atıksuyunda takip edilmesi gereken temel parametreler KOİ ve renk olarak değerlendirilmektedir. Tekstil atıksularını diğer endüstriyel atıksulardan ayıran en önemli özellik bu atıksuların renkli olmalarıdır. Kullanılan renkler ve bu renkleri elde etmekte kullanılan kimyasal maddelerin çok çeşitli olması, bu atıksuların diğer kirletici parametrelerinin de çok çeşitli olmasının en önemli sebebidir. Tekstil atıksularının geniş pH aralığı, pH toleransı düşük olan konvansiyonel biyolojik ve kimyasal arıtma tesislerinde zorluklara sebep olmaktadır. Boyar maddelerin yüksek moleküllü bileşikleri biyolojik olarak ayrışmaya dirençli olduklarından aktif çamur sistemlerinde biyolojik olarak indirgenememektedir. Aynı zamanda ağartma ve temizleme için kullanılan kimyasallar da (deterjan, polihidroksialkanatlar b.) bu içeriğe dahildir. Şimdiye kadar tekstil endüstri atıksularının arıtılmasında çeşitli metotlar denenmiştir. Biyolojik arıtım yaklaşımı kimyasal arıtım teknolojileri daha kesin sonuç vermesine rağmen daha çevresel bir yaklaşım olduğundan, yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Tekstil atıksularının biyolojik arıtımında genellikle zor parçalanan KOİ ve boya maddesi için kullanılan renk içermesi klasik yöntemlerle arıtımını zorlaştırmaktadır. Membran Biyoreaktörler son yıllarda hem evsel hem de endüstriyel atıksuların arıtımı için klasik aktif çamur sistemlerine alternatif olarak kullanılmaktadır. Yalnızca biyolojik arıtma tercih edilen sistemler, özel olarak zor parçalanan KOİ ve boya maddesine dayanıklı ya da bu tür maddeleri subsrat olarak kullanabilen bakteri ya da fungi çeşitlerini izole ederek arıtma çalışmalarıdır. Aerobik granüler çamurlu reaktörler ve akışkan yataklı reaktörler de literatürde rastlanabilir iki yaklaşımdır. Bu iki çalışma tekstil atıksuları için denenmiş radikal biyolojik arıtma yöntemi olarak değerlendirilebilir. Reaktör tasarımı mikrobiyal topluluğun teksil atıksuları gibi zor arıtılabilen atıksuları daha iyi tolere etmesi amaçlı tasarlanmaktadır Bu gibi uygulamalara akışkan yataklı reaktörler, ve aerobik granüler çamur uygulamaları haricinde ender de olsa tutunarak çoğalma, biyofilm, örnek gösterilebilir. MBR’lar ise genellikle filtrasyon prosesiyle birlikte tipik aktif çamur sistemlerinin birleşimi olarak bilinmektedirler. Por boyutuna bağlı olarak çok iyi çıkış suyu kalitesi elde edilebilmektedir. Zorlaşan deşarj değerleri ve geri kazanım/kullanıma yönelik uygulamalar ve yaklaşımlar MBR sistemleri tercih ettirmektedir. MBR tasarımının biyolojik reaksiyonların verimini arttırdığı düşünülmektedir. MBRlar gerçek ölçekli sistemlerde ilk uygulandığında konvansiyonel sistemlerle bolca karşılaştırılmış ve uygulanabilirliğine yönelik optimizasyon çalışmaları hızlanmıştır. MBRlarda en çok rastlanan problemlerden biri olan tıkanma özellikle işletme şartları dikkate alınarak kontrol edilmeye çalışılmıştır. Biyokütle ve askıda katı maddelerin membran filtrasyonu ile tutulması ve dolayısıyla son çöktürme tankına gerek kalmaması da (reaktör hacminin azalması) MBR’ların tercih edilmesini kolaylaştırmaktadır. Bununla birlikte yukarıda bahsedildiği gibi, biyolojik arıtım bakış açısı ile de bazı temel avantajlar sağlamaktadır. Yüksek biyokütle konsantrasyonu, çamur yaşı ve hidrolik bekletme süresinin birbirinden ayrı kontrol edilebilmesi MBR’ları daha cazip hale getirmekte, uygulama alanını genişletmektedir. Yüksek biyokütle konsantrasyonuna klasik sistemlerde karşılaşılan sorunlar olmadan ulaşılması, SRT ve HRT’nin birbirinden bağımsız kontrolü (su porlardan geçerken, biyokütle geçemez) hem çamur yaşı aralığını genişletilmiş hem de hidrolik bekletme süresiyle sistemin hızı daha kolay ayarlanabilmektedir. İyi filtrasyon verimi ve dolayısıyla renk giderimi çöktürme ünitesinin gerekliliğini azaltmış ve son yıllarda endüstrilerin arzuladığı verimli arıtım ve hatta geri kazanım ve geri kullanım için en uygun yaklaşım gibi görünmektedir. Farklı reaktör tasarımı ile aynı reaktör içerisinde anaerobik, anoksik, aerobik şartlar sağlanabilmektedir. Endüstriyel atıksular özellikle tekstil atıksuları biyolojik uygulamalarla arıtılması zor olan atıksulardır. Aynı zamanda tekstil endüstrisi proseslerinin neredeyse tamamı yaş (su kullanılan) proseslerdir. MBR’ların, rahat ve geniş şartlarda uygulanabilmesi, az çamur üretimi, hızlı adapte olabilmesi, şok yüklemeleri iyi tolere edebilmesi, az çamur üretimi ve çoğu zaman iyi çıkış kalitesi ile endüstriyel atıksuların arıtımında kullanılması ve araştırılması oldukça olağan görünmektedir. Şimdilerde konvansiyonel ve kimyasal arıtmalardansa biyolojik, ileri ve geri kazanımı önemseyen yaklaşımlar ön plandadır ve desteklenmektedir. Çalışmalar biyolojik arıtmaların optimizasyonu üzerine yoğunlaşmaktadır. Mantarların bazı türlerinin membran filtrasyonu ile gerçek tekstil atıksuyu arıtımında kullanılması buna bir örnektir. Mantarlar bakterilere nazaran daha çok çalışmada kullanılmıştır. Bakteriler ve membran sistemleri birleştiren çalışmalar da bulunmaktadır. Ya da aktif karbon adsorpsiyonu, biyolojik sistemlerin birleştirildiği uygulamalar bu optimizasyon çalışmaları sonucu oluşmuştur. Anaerobik arıtma da bunlardan biridir. Zor parçalanan maddelerin önce anaerobik sistemden geçerek parçalanmasını kolaylaştırmak amaçlanmıştır. Fakat pilot ölçekli ve gerçek atıksu ile tekstil atıksuyunu MBR ile arıtma kapsamında sınırlı çalışma bulunmaktadır. Çalışmalar genellikle laboratuvar ölçekte ve sentetik atıksuyuna yoğunlaşmış, gerçek atıksu e pilot ölçekli sistemleri kapsayan çalışmaların azlığı belli bir eksiklik oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasında bu kapsamda, laboratuvar ve pilot ölçekli batık membran biyo reaktörler (MBR) gerçek tekstil atıksuyu ile çalıştırılarak sistemlerin performansı incelenmiş, benzer çalışmalar ile karşılaştırılmıştır. Laboratuvar ölçekli sistem 42 gün çalıştırılırken, pilot ölçekli sistem ise mikrofiltrasyon membranlı MBR (MF-MBR), ultrafiltrasyon membranlı MBR (UF-MBR) ve anaerobik ön arıtmalı UF-MBR olmak üzere üç farklı koşullarda çalıştırılmıştır. Hem laboratuvar hem de pilot ölçekli sistemler aynı atıksu ile beslenmiştir. Çıkış sularında renk ve KOİ analizleri yapılmıştır. Pilot ölçekli MBR sisteminin çıkış suyu ile nanofiltrasyon ve ters osmoz prosesleriyle geri kazanılabilirlik ve geri kullanılabilirlik tespit edilmiştir. İşletme sırasında MBR sisteminin aerobik tankındanki UAKM ve AKM konsantrasyonun sürekli azaldığı görülmüştür. Bu azalma giriş suyunun zor parçalanır KOİ’den oluştuğunu göstermektedir. Pilot ölçekli sistemde ortalama %60 KOİ ve %47,1 (PtCo) renk giderimi gözlenmiştir. KOİ çıkış değerleri MF membrandan UF membran kullanımına geçildiğinde azaldığı gözlenmiştir.

Textile industry wastewaters are characterized by a high variability of flow and pollutant load and high organic filler, much higher than that of a municipal sewage. Moreover, the high water consumption (operations of dyeing, bleaching and washing) and the various characteristics of different effluents generate in the textile field, without going into considerations regarding the industries diversity and manufacturing types. For the treatment of the effluent of textile industry above mentioned, the membrane processes play a key role, being different references literature regarding separate wastewater treatment processes by membrane. Therefore, the treatment of wastewater with high levels of color, salt and organic materials will be very important in preventing the potential ecological damage resulted from the eco-toxicological and bioaccumulative effects of dyes in receiving environments. So, the textile sector needs to put into practice new strategies for wastewater management that will reduce the environmental impact of its excessive water consumption and high dye and auxiliary chemical expenditures. Accordingly, it is necessary to develop innovative methods for wastewater treatment and recycling in the industry. Wastewater is then not considered as waste but as a resource of water, energy or chemicals. Membrane Bioreactors (MBRs) technology for textile wastewater treatment will be an essential part of advancing such water sustainability because they encourage water reuse and open up opportunities for decentralized treatment. Membrane bioreactor technology (MBR) is a combination of the activated sludge process with micro- and ultrafiltration and is widely regarded as an effective tool for industrial water treatment and reuse due to its high product water quality and low footprint. Due to their robustness and flexibility submerged MBR systems are more and more preferred. Chemical and conventional methods are unfortunately not enough. Recently biological approaches are encouraged because of most nature one and also lots of study focus on and insist on optimization of biologial treatment for textile and any kind of industry wastewater. It is a need both biologic and pilot scale study due to its absense. The aim of this work is to laboratory and pilot scale MBR process using ultrafiltration (UF) and microfiltration (MF) hollow fibre membranes to treat real textile wastewater removing highly biodegradable organics and coloring matters and dyestuffs, which are low in biodegradability. Also it is compared similar studies and evaluated with them. Pilot scale MBR was operated at three periods. At first period, MF membrane was used at MBR during 29 days. At second period, UF membrane was carried out at system for 25 days. At last period, anaerobic pretreatment was applied before MBR having UF membrane for 26 days.And then the system was operated at second period again for 20 days. The wastewater parameters such as COD and color were measured during operation. Therefore, the operational parameters of MBR were followed by portable measurement devices (pH, temperature, ORP, flux, vacuum pressure, flowrate) and also laboratory analysis (MLSS and MLVSS).60 % and 47,1% removal rate were gained COD and color issue (PtCo metod) respectively. The maximum removal efficiency was observed at third period. However,lab scale flat sheet membrane bioreactor was operated during 42 days with same real wastewater.50% and 41-45 % removal rates were gained COD and color (RES method) respectively. Textile industry wastewaters are characterized by a high variability of flow and pollutant load and high organic filler, much higher than that of a municipal sewage. Moreover, the high water consumption (operations of dyeing, bleaching and washing) and the various characteristics of different effluents generate in the textile field, without going into considerations regarding the industries diversity and manufacturing types. For the treatment of the effluent of textile industry above mentioned, the membrane processes play a key role, being different references literature regarding separate wastewater treatment processes by membrane. Therefore, the treatment of wastewater with high levels of color, salt and organic materials will be very important in preventing the potential ecological damage resulted from the eco-toxicological and bioaccumulative effects of dyes in receiving environments. So, the textile sector needs to put into practice new strategies for wastewater management that will reduce the environmental impact of its excessive water consumption and high dye and auxiliary chemical expenditures. Accordingly, it is necessary to develop innovative methods for wastewater treatment and recycling in the industry. Wastewater is then not considered as waste but as a resource of water, energy or chemicals. Membrane Bioreactors (MBRs) technology for textile wastewater treatment will be an essential part of advancing such water sustainability because they encourage water reuse and open up opportunities for decentralized treatment. Membrane bioreactor technology (MBR) is a combination of the activated sludge process with micro- and ultrafiltration and is widely regarded as an effective tool for industrial water treatment and reuse due to its high product water quality and low footprint. Due to their robustness and flexibility submerged MBR systems are more and more preferred. Chemical and conventional methods are unfortunately not enough. Recently biological approaches are encouraged because of most nature one and also lots of study focus on and insist on optimization of biologial treatment for textile and any kind of industry wastewater. It is a need both biologic and pilot scale study due to its absense. The aim of this work is to laboratory and pilot scale MBR process using ultrafiltration (UF) and microfiltration (MF) hollow fibre membranes to treat real textile wastewater removing highly biodegradable organics and coloring matters and dyestuffs, which are low in biodegradability. Also it is compared similar studies and evaluated with them. Pilot scale MBR was operated at three periods. At first period, MF membrane was used at MBR during 29 days. At second period, UF membrane was carried out at system for 25 days. At last period, anaerobic pretreatment was applied before MBR having UF membrane for 26 days.And then the system was operated at second period again for 20 days. The wastewater parameters such as COD and color were measured during operation. Therefore, the operational parameters of MBR were followed by portable measurement devices (pH, temperature, ORP, flux, vacuum pressure, flowrate) and also laboratory analysis (MLSS and MLVSS).60 % and 47,1% removal rate were gained COD and color issue (PtCo metod) respectively. The maximum removal efficiency was observed at third period. However,lab scale flat sheet membrane bioreactor was operated during 42 days with same real wastewater.50% and 41-45 % removal rates were gained COD and color (RES method) respectively.