Treatment of textile wastewater using completely mixed anaerobic reactor: Start-up

Abstract

The textile industry is one of the major industries for many countries and it is developing day by day. In the textile industry, mainly fiber is turned into yarn, and yarn turns into a fabric that is used to manufacture end products such as clothes, curtains, towels and etc. and most of these end products are colored by dyes. The textile industry demands high water consumption because of processes applied. Dyes are the most important consumables for the textile industry. Consuming a high amount of water, dyes and other auxiliaries such as detergents, acids, inorganic salts and etc. make textile wastewater highly pollutant for the environment. Textile wastewaters contain a high amount of chemical oxygen demand (COD), total suspended solids (TSS), color, etc. and it is possible to say that COD and color removals are the main criteria researchers focus on. Because of its environmental impacts, regulations, and discharge criteria, demand for searching more feasible, cheaper, or more effective solutions has been increasing lately. There are many approaches for the treatment of textile wastewaters, such as physicochemical, biological or combined processes. Physicochemical systems effluents do not meet discharge limits alone although their investment costs are low. Due to the suitability of anaerobic processes for high COD containing wastewaters, these systems can easily be applied for the textile industry. Moreover, anaerobic systems have some additional advantages such as energy recovery. In addition to this, it is possible to reuse textile wastewater in case of applying well designed combined biological and physicochemical systems. The purpose of this study was to investigate the treatability of synthetic textile wastewater by using pilot-scale anaerobic completely stirred tank reactor (CSTR) which was operated at mesophilic conditions (35°C) and infinite sludge age. However, technical and operational problems were occurred at the beginning of the study. For this reason, only the results of the start-up part was presented. Total duration of study was 264 days. The inoculum was supplied from Atakoy advanced biological wastewater treatment plant of Istanbul Water and Sewerage Administration (ISKI). The study was conducted in two phases. The first phase was operated for 81 days to investigate COD removal of synthetic textile wastewater which has an average of 2.400 mg COD/l initial concentration with 24 h HRT. The average COD removal was ~54% of the first phase. The second phase was investigated under two periods by using similar synthetic wastewater which has an average 875 mg COD/l and 975 mg COD/l for phase two/period one and phase two/period two, respectively. The first period of this phase was operated for 93 days with 24 h HRT and ~45% average COD removal was reached at this period. Moreover, the second period of this phase was run 90 days with 48 h for HRT and ~86% average COD removal was reached. The average pH was around 6,9 and average MLSS concentration was in between 2.500-3.000 mg/l during the study. At the last period (phase two/period two) of the study, average MLVSS/MLSS ratio was calculated as 0,62 and 86% COD removal was achieved. This COD removal efficiency is comparable with literature.

Tekstil endüstrisi birçok ülke için lokomotif endüstrilerin başında gelmektedir. Gerek insanlara sağladığı iş imkânı, gerekse toplumun ihtiyaçlarına cevap vermesi açısından her geçen gün daha önemli hale gelmektedir. Tekstil endüstrisi ülkemiz için de önemli bir sanayi dalıdır. Ülkemiz tekstil ürünü ihraç eden ülkeler sıralamasında 7. sırada yer almaktadır. Tekstil endüstrisinde temel olarak elyaf ipliğe, iplik kumaşa ve kumaş da elbise, havlu, bez perde vb. gibi nihai kullanıcı ürünlerine dönüşür. Bu amaçla yıkama, kurulama, boyama, ağartma gibi birçok proses kullanılmaktadır. Tekstil ürünlerinin üretimi sırasında yardımcı malzemeler de kullanılmaktadır Bu malzemeler pH düzenleyici, beyazlatıcı, temizleyici olarak kullanılmakta olup içeriğindeki kimyasallar tekstil atıksularının kirlilik yükünü arttırmaktadır. Bu üniteler üretim çeşitliliğine göre değişiklik gösterir. Boyama bu üniteler arasında çevresel açıdan en çok kirliliğe sebep olan prosestir. Günümüzde ticari olarak çoğunlukla azo boyalar kullanılmaktadır. Tekstil atıksuyunun karakterizasyonunu etkileyen bazı parameterler şunlardır; kumaş türü, boya cinsi, proses tipi. Bununla birlikte diğer ünitelerde de su tüketimi yüksektir. Tekstil atıksuları yüksek kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ), askıda katı madde (AKM) ve renk içermektedir. Tekstil atıksularının arıtımı uzun yıllardır araştırılan bir konu olup, bu amaçla fiziksel, kimyasal ve/veya biyolojik arıtım yöntemleri olmak üzere birçok yöntem denenmiş ve araştırılmıştır. Kimyasal arıtma sistemleri yüksek kimyasal tüketimi, işletme maliyeti ve çamur yönetimi gibi sorunlar sebebiyle pratikte çok tercih edilmemektedir. Biyolojik sistemler reaktör tipi, mikroorganizma çeşitliliği gibi konu başlıklarında detaylıca araştırılmıştır. Tekstil atıksularında arıtımı incelenen temel parametreler KOİ ve renk parametreleridir. Farklı ülkelerdeki tekstil atıksularının alıcı ortam deşarj standartları değerlendirildiğinde bu iki parametre ön plana çıkmaktadır. Bununla beraber ülkemizde toksisite değeri de dikkate alınmaktadır. Genel olarak tek başına kimyasal veya biyolojik sistemler ile tekstil atıksularının arıtıldığını gösteren birçok çalışma bulunmaktadır. Tekstil atıksuları içerisindeki KOİ biyolojik olarak kolay ayrışabilir olmadığı için biyolojik sistemler açısından zorlayıcı olmaktadır. Yine aynı şekilde üretimde kullanılan pH düzenleyiciler, tuzlar vb. ürünler sebebiyle, atıksudaki değişken ortam değerleri özellikle pH toleransı düşük olan biyolojik arıtma sistemlerinin verimini olumsuz etkilemektedir. Yapılan araştırmalar tekstil atıksularının arıtımı için ülkemizde en çok kullanılan yöntemin aktif çamur sistemi olduğunu göstermektedir. Aktif çamur sistemlerinin düşük ilk yatırım maliyeti gibi avantajları olsa da yüksek işletme-bakım maliyeti ve yüksek çamur miktarı gibi dezavantajları vardır. Anaerobik sistemlerin ilk yatırım maliyetleri yüksek olmasına rağmen, biyogaz eldesi, düşük çamur miktarı ve düşük işletme maliyetleri gibi avantajları vardır. Anaerobik sistemler devreye alınma süresi uzun olmasına rağmen özellikle yüksek KOİ ve/veya biyolojik oksijen ihtiyacı (BOİ) içeren farklı endüstrilerin atıksularının arıtılmasında uygulanmıştır. Tekstil atıksularının anaerobik sistemlerle arıtılabilirliğinin incelendiği çalışmalar, KOİ ve renk giderim veriminin birçok faktöre bağlı olduğunu göstermiştir. Ayrıca son yıllarda hibrit anaerobik-aerobik arıtma sistemlerinin gelişme gösterdiği görülmektedir. Tekstil atıksularının anaerobik yöntemler ile arıtılmasında dikkate alınması gereken parametreler; boya yapısı ve konsantrasyonu, hidrolik bekletme süresi (HBS), biyokütle konsantrasyonu, alternatif elektron alıcısı, giriş birincil besin konsantrasyonu ve çeşidi olarak sıralanabilir. Tekstil atıksularının anaerobik ve aerobik şartlarda kullanılabilme avantajına sahip membran biyoreaktör sistemleri de araştırmacılarca incelenmiştir. Membran biyoreaktörlerin arıtma verimlerinin yüksek olmasına rağmen tıkanma ve bakım problemleri dolayısıyla efektif olmadıkları araştırmacılarca belirtilmiştir. Bununla birlikte ters ozmoz, ultrafiltrasyon ve nanofiltrasyon da tekstil atıksularının arıtılması amacıyla araştırılmış olup yüksek debilerde artan maliyetler dolayısıyla halihazırda tercih edilmedikleri görülmüştür. Bu çalışmada sentetik tekstil atıksuyunun mezofilik şartlarda anaerobik arıtılabilirliğinin araştırılması hedeflenmiştir. Sistem olarak 40 cm çapında ve 80 cm yüksekliğinde 55 litre aktif hacme sahip pilot ölçekli anaerobik reaktör kullanılmıştır. Bununla birlikte çalışmanın başında teknik ve işletme problemleriyle karşılaşılmıştır. Bu nedenle çalışmada işletmeye alma kısmı esnasında elde edilen sonuçlar sunulmuştur. Reaktörde aşı için İSKİ Ataköy İleri Arıtma Tesisinden alınan çamur kullanılmıştır. Çalışma sırasında mikroorganizma konsantrasyonu 2.500-3.000 mg/l aralığında tutulmuştur. Çalışma toplam 264 gün sürmüş olup, temel olarak iki aşamada yürütülmüştür. Anaerobik reaktör 154. güne kadar saha şartlarında gözlenme amacıyla aktif olarak çalışan kumaş boyama fabrikası olan bir boya firmasına yerleştirilmiştir. Bu süreçte elektrik kesintileri, ekipman arızaları, vb. teknik ve işletme problemleri yaşanmıştır. Birinci aşamada reaktör 24 saat hidrolik bekleme süresinde (HBS) ortalama KOİ değeri 2.400 mg/l olan sentetik atıksu ile 81 gün işletilmiş olup, ortalama ~54% KOİ giderim verimi elde edilmiştir. İkinci aşamada ise reaktör iki farklı HBS'de işletilmiştir. Bu aşamada giriş KOI suyu konsantrasyonu düşürülmüş olup HBS önce 24 saat sonra 48 saat olarak belirlenmiştir. Ayrıca sentetik atıksuyun karakterizasyonu değiştirilmiş olup KOİ konsantrasyonu azaltılmış, makro nütrientlerin konsantrasyonu ise arttırılmıştır. İkinci aşama/birinci periyot 93 gün sürmüş olup, ortalama 875 mg/l KOİ konsantrasyonuna sahip sentetik atıksu için 24 saatlik HBS'de ortalama ~45% KOİ giderim verimi gözlenmiştir. İkinci aşama/ikinci periyot ise 90 gün devam etmiştir. Bu periyotta giriş KOİ değeri yaklaşık olarak 975 mg/l olan sentetik atıksu için HBS 48 saat olarak ayarlanmış olup bu periyotta ~86% KOİ giderimi elde edilmiştir. KOİ gideriminin bu aşamada yükselmesiyle beraber reaktör kararlı hale gelmiştir. Bu durumun ortaya çıkmasındaki en önemli faktörün reaktörün laboratuvar ortamında muhafaza edilmesi, sıcaklık, bakım onarım gibi faktörlerin saha şartlarına oranla daha az değişime uğraması olduğu düşünülmektedir. Bu süreçte KOİ verimi artmış, aynı zamanda verilerin standart sapmaları da azalmıştır. Çalışmanın son kısmında (ikinci aşama/ikinci periyot) KOİ giderimine ek olarak askıda katı madde (AKM)/uçucu askıda katı madde (UAKM) oranı ile bulanıklık giderim verimi de belirlenmiştir. Ortalama AKM/UAKM oranı 0,62, ortalama bulanıklık giderim verimi ise ~70% olarak gözlenmiştir. Teknik ve operasyonel sorunlar, birinci ve ikinci aşama/birinci periyotta dalgalanmalara neden olmuş ve sorunlar nedeniyle KOİ giderme verimliliği yaklaşık% 50 seviyelerinde kalmıştır. Bununla birlikte, problemlerin üstesinden gelindikten sonra, yüksek KOİ giderimi gözlenmiş ve çalışma sonunda (ikinci aşama/ikinci periyot) kararlı durum koşulları sağlanmıştır. İlerleyen zamanlarda tekstil atıksularında renk giderme konusu da araştırılacaktır. Çalışmada gerçek koşulları daha iyi yansıtabilmek için pilot ölçekli sistem sahaya yerleştirilmiş, ancak bu durum kontrol edilemeyen birçok farklı probleme yol açmıştır. Bu nedenle daha kontrollü koşullar için laboratuvar şartlarında çalışmaların yapılması önerilmekte, optimizasyonlar yapıldıktan sonra uygulama açısından test için saha çalışmaları tavsiye edilmektedir.