Fermentasyon endüstrisi atıksularında kalıcı KOI'nin belirlenmesi

Abstract

Bu çalışmada fermentasyon endüstrisinden kaynaklanan atıksuların kalıcı KOİ'lerinin belirlenmesi amacıyla, maya üretiminden ortaya çıkan proses atıksuları, anaerobik arıtma görmüş proses atıksuları ve de bu atıksularla evsel ve fermentör yıkama sularının karışımı atıksular üzerinde bir dizi deneysel çalışma yürütülmüştür. Birinci bölümde, çalışmanın anlamı, önemi, amaç ve kapsamı kısaca özetlenmiştir. İkinci bölümde, biyolojik arıtmanın esasları üzerinde durulup, kalıcı KOI kavramı ve tayin yöntemleri açıklanmıştır. Üçüncü bölümde, çözünmüş kalıcı KOI ölçümü konusunda daha önce yapılan çalışmalar üzerine literatür çalışması yapılıp çeşitli endüstriler için kalıcı KOI değerleri verilmiştir. Dördüncü bölümde, fermentasyon endüstrisi tanıtılıp atıksu karakterizasyonları verilmiştir. Sözkonusu endüstrinin atıksu arıtma tesisi hakkında genel bir bilgi ve tesisin çeşitli noktalarından alınan atıksularla yürütülen deneysel çalışma sonuçları verilmiştir. Beşinci bölümde, Sı ve Xı hesaplanarak, deney sonuçları değerlendirilmiştir. Altıncı Bölümde, tüm çalışmanın bir değerlendirilmesi yapılıp öneriler getirilmiştir. Ön arıtma uygulanmamış fermentasyon seperasyon atıksularında inert KOI oranı ortalama olarak S/So=0.10 civarında, anaerobik ön arıtma sisteminde arıtılan fer mentasyon seperasyon atıksularınm müteakip aerobik arıtımında S,/S0 oranları 0.20-0.30 aralığında bulunmuştur. Anaerobik çıkışı ile seyreltik yıkama suları ve ev sel atıksularının karışımında yürütülen çalışmalarda S/S0 0.18-0.48 aralığında değişmektedir. Değerler arasındaki bu farkın genelde anaerobik arıtma sisteminin o andaki işletme şartlarından kaynaklandığı tahmin edilmektedir. Bu endüstri için Su Kirliliği Kontrolü Yönetmeliği'de önerilen 300 mg/l'lik toplam KOI limitine mevcut teknolojilerle ulaşılmasının fevkalade zor olduğu görülmüştür. Mevcut durumun daha iyi değerlendirilebilmesi için, kesikli aerobik arıtılabilirlik de neylerinin olabildiğince, farklı atık kombinasyonlarını ve işletme şartlarını temsile yetecek sayıda bir deneyler serisi tarzında yürütülmesi önerilmiştir.

Most agro industries, processing complex natural organics, generate strong wastes. Discharge standards applied to these effluents are often too stringent and below the levels that can be achieved with appropriate biological treatment technologies. Generally, two-stage biological treatment is prescribed for wastewaters with COD levels above 2000-3000 mg/l range. The preferred initial stage is mainly anaerobic as it provides substantial, energy savings for a similar treatment efficiency obtainable with an aerobic treatment system. Recent studies conducted on carbon removal systems have shown that the kinetics of the degradable portion of the influent COD play a relatively less important role compared to the residual fractions of the effluent namely, the inert COD content of the wastewater and the residual microbial products generated during the treatment process. This picture is much more significant for high strength wastes that require more than 95% COD removal. The objective of this study is to characterize the fermentation industry (Baker's yeast production) wastewaters in terms of inert and residual COD fractions and observe the changes induced by two-stage biological treatment to these fractions. In this context, a method given by Germirli et al (1992) is used for the experimental assessment of soluble and particulate residual COD. The method is applied to fermentation effluents undergoing two-stage anaerobic- aerobic biological treatment. The results are evaluated in terms of total COD removals achievable in the treatment processes and the fate of inert soluble COD in each of the treatment step. THE INERT AND RESIDUAL COD CONCEPT The commonly used COD parameter does not differentiate between inert and biodegradable organic matter in wastewaters. This differentiation is necessary and significant especially for high strength industrial effluents. In such strong waster the soluble influent COD fraction may severely interfere with the treatability results. The importance of the initial soluble COD fraction is recognized in the literature and x - methods are suggested for its measurement. Ekama et. al (1986) suggested the use of a laboratory completely mixed reactor system operated at sludge ages between 1 0 to 20 days and stipulate that the influent inert soluble COD (S|) will be equivalent to the COD of the filtered effluent. More recently the IAWQ Task Group defined a different method which consisted of removing an aliquot from the mixed liquor from a continuously fed completely mixed reactor operated at a sludge age in excess of 10 days and aerating it in a batch reactor(Henze et al, 1987), the final residual COD determined by periodical sampling and analysis was assumed to be equal to the concentration of the feed, Sj. Contrary to the traditional process understanding, increasing the sludge age does not result in higher COD removals, but it may end up yielding higher effluent COD levels (Orhon et al, 1989). This may be explained in terms of two new COD components: the initial inert soluble COD, S( and residual soluble metabolic products, Sp. A number of studies have clearly indicated that the effluent COD of treatment systems operated at low sludge age essentially consist of these two components (Daigger and Grady, 1977). In the Task Group approach which provided a new multi-component explanation to the biodegradation mechanism, these two fractions are not separately identified (Henze et al, 1989). While the Task Group approach may be acceptable for wastewaters with low COD content such as domestic sewage, it may be misleading for strong wastes and especially when two-stage treatment is involved. In a batch activated sludge system, the COD-time profile passes through a minimum when the readily degradable substrate, Ss is totally depleted (Ss = 0). At this point, the remaining substrate is likely to be composed of Sr and S|. The soluble residual products concentration generated during this period, At from the start of the experiment will be directly proportional to the initial readily biodegradable substrate, Sso. Two different experimental methods can be used for the determination of S| and SR (Germirli et al, 1991). The first method is essentially based upon the following expression to yield a linear relationship between the initial COD concentration, Sso and the minimum levels of the COD profiles obtained from a set of experiments carried out with increasing Ss0 values. SR = mSS0 + n m = k.At. Yobs n = k. At. XAO where, k is rate constant Yobs is the observed yield for biomass XAO is initial concentration of the active biomass in the reactor. The second method is much simpler in the structure and consisted of running two parallel batch reactors started with the same initial COD, one with the wastewater is tested and the other with glucose. Since the minimum level of the COD profile of - XI the tested wastewater is equal to S|+Sr and that of glucose approximates SR alone since it contains no initially inert fraction, (S|)wastewater = (S|+Sr) wastewater- (^R)glucose with the assumption that. (""/wastewater ~ Wfvglucose This assumption is reasonably valid as the two systems have the same Sso. More detailed information about these methods can be found elsewhere (Germirli et al, 1991). The initial paritcuiate COD, X| can be directly determined by a special procedure proposed by Orhon et al (1992). MATERIAL AND METHODS In this study fermentation industry (Baker's yeast) effluents were tested for their inert COD content. In Baker's yeast production, high strength process wastewaters are originated from yeast separators and rotary vacuum filters. In addition to these effluents, medium and low strength wastewaters including floor and equipment cleaning waters and domestic wastewaters are also present. High strength process waters have a chemical oxygen demand (COD) of 10,000-30,000 mg/l and their pH values vary in the range of 5 to 7.4. These effluents are treated in the first stage anaerobic treatment plant. Low strength effluents with an average COD of 1700 mg/l are directed to the aerobic treatment system. Wastewaters used in this study were collected at four different locations of the investigated fermentation industry: Buffer tank, Anaerobic Treatment plant effluent, domestic and cleaning effluents collection tank and influent of the aerobic treatment plant. Table 1 summarizes the initial characteristics of wastewaters used in this study. All analyses were performed by following the procedures described in Standard Methods (APHA, AWWA, WPCF, 1989). Nutrient requirements were supplemented by adding a solution prepared with 160 gr/l KH2 P04, 320 gr/l K2HP04, 120 gr/l NH4CI. The wastewater samples were subjected to vacuum filtration by using Whatman GF/C glass fiber filters. The filtrates were taken as the soluble fractions. Cylindirical batch reactors with 2 It of liquid volume were used for the experiments. Excess aeration was supplied to met complete mixing in batch reactors. Any water loss in reactors by evaporation was replaced with distilled water prior to sampling. XII - Table 1 : Initial Characteristics of Wastewaters Used In This Study RESULTS AND DISCUSSION Aerobic batch treatability experiments were performed for 3 Runs.The seed from a full scale second stage activated sludge treatment plant treating Baker's yeast effluents were acclimatized with the wastewater containing 50% of glucose and 50% of the influent from the related aerobic treatment plant and were used in all batch reactors as the initial adapted sludge. The initial inert COD's were determined by comparative evaluation method. The particulate inert COD's were determined by the direct calculation procedure. The feed used for Run 1 was collected from different location of a two-stage (anaerobic-aerobic) treatment plant operating higher organic loadings, while the feed used for Run 2 and 3 was taken from a similar treatment plant operating low organic loadings. In the first Run, five 2-liter aerated batch reactors operated with identical initial wastewater and glucose COD concentrations (total COD of about 3000 mg/l). The comparative evaluation method was tested for the buffer tank effluents, anaerobic first stage treatment plant effluents, domestic and cleaning waters mixture and the influent of the 2nd stage aerobic treatment plant in the investigated industry. Periodical samples (at least 3 times per week) were compared and the difference of either the first minimum or ultimate levels between the soluble COD values for the each batch reactor and the corresponding glucose solution was evaluated as the inert soluble COD fraction of the tested effluents. Table 2 summarizes the results from Run 1, 2 and 3 together with the related studies. CONCLUSIONS In this study, performed to determine the initial inert COD concentrations for the fermentation industry wastewaters, the following results have been obtained. - XIII - . The initial residual COD ratio (S|/S0) for the raw effluents from high strength baker's yeast wastewaters was determined as 0.1.. The initial residual COD ratio's for the anaerobic first stage treatment plant were in the range of 0.2 to 0.3. Ammonia stripping prior to aerobic post treatment has no significant effect on S|/S0 values.. The S|/S0 ratios for the effluents simulating the influent of the existing full-scale aerobic treatment plants have varried from 0.18 to 0.48. Such a large variation has most probably been originated from the operating conditions of the existing full-scale anaerobic treatment plants. In any case, the effluents standards proposed by water pollution control regulation for this industry are extreamly difficult to met with the existing treatment technologies.. The initial concentration of the seed does not affect the S(.. The degree of the first stage treatment and the characteristics of the subsequent anaerobic treatment system (i.e. selector, reactors in series, types of aeration and mixing regime) may provide better treatment and lover S| values than the results from batch scale laboratory reactors. Table 2: Inert Soluble COD Fractions of Industrial Effluents - XIV - BÖLÜM 1. GİRİŞ 1.1. ÇALIŞMANIN ANLAM VE ÖNEMİ Günümüzde su kirliliği en önemli çevre sorunlarından biri haline gelmiştir. Bu kirlilikte endüstriyel atıksuların büyük bir payı bulunmakta ve endüstriyel atıksu arıtımı gün geçtikçe daha da önem kazanmaktadır. Endüstriyel atıksuların özellikle kirletici yükü fazla kuvvetli atıkların arıtılmasında iki kademeli biyolojik arıtma geniş kullanım alanına sahiptir. İki kademeli arıtmada ilk kademe, aerobik arıtmayla elde edilen verimi enerji tasarrufu ile birlikte sağladığı için önemli avantajlar sağlayan anaerobik arıtma kademesidir. Atıksuların arıtma tesisine girişteki karakteristiklerinin tanımlanması biyolojik atıksu arıtma tesislerinin tasarımı ve işletilmesi açısından büyük önem taşır. Kompleks organik madde içeren atıksuların organik madde muhtevasının ölçülmesi, bu maddeleri tek olarak ölçme imkanı olmadığından, biyokimyasal oksijen ihtiyacı, BOI, kim yasal oksijen ihtiyacı, KOI ve toplam organik karbon, TOK gibi kollektif parametrelere dayanır. Atıksu karakteristiklerinin tanımlanmasında en yaygın biçimde kullanılan kollektif parametre KOl'dir. Bu parametre diğerlerine tercih edilmesine rağmen, biyolojik olarak kolay ayrışan ile kalıcı organik madde arasındaki farkı beliryememektedir. Girişteki kalıcı çözünmüş organik madde biyolojik arıtma tesislerinde hiçbir değişikliğe uğramadan sistemden çıkar. Birçok endüstri için deşarj standartları ile belirlenen değerlere günümüzün arıtma teknolojileri ile ulaşmak oldukça güçtür. Bir de girişteki kalıcı kısım düşünüldüğünde bu çoğu zaman imkansız hale gelebilir. Bu nedenle, girişteki kalıcı çözünmüş kısmın (inert KOI) belirlenmesi, söz konusu endüstri için deşarj standartlarının sağlanıp sağlanamayacağı konusuna açıklık getirir. 1.2. ÇALIŞMANIN AMAÇ VE KAPSAMI Bu çalışmanın amacı, fermentasyon endüstrisi atıksularının kalıcı çözünmüş KOl'sinin belirlenmesidir. Ayrıca, elde edilen sonuçların kirletici yükü fazla diğer endüstrilerin kalıcı çözünmüş KOl'leri ve bu endüstriye uygulanan deşarj standartlarıyla karşılaştırılması da çalışmanın amacı dahilindedir. Bu amaçla, kalıcı çözünmüş KOPnin ölçüm yöntemleri ortaya koyulmuş ve bu konu da daha önce yapılan çalışmalar incelenmiştir. Çalışmaya konu olan fermentasyon endüstrisi tanıtılıp atıksu karakterizasyonu veril miş ve bu atıksuya uygulanan biyolojik arıtma sistemi tanıtılmıştır. Arıtma tesisinin farklı noktalarından alınan numuneler üzerinde karakterizasyon ve kalıcı çözünmüş KOI (S|)'nin belirlenmesi amacıyla bir dizi deney yürütülmüştür. Numuneler, atıksu arıtma tesisine girişte, anaerobik arıtma çıkışında, evsel atıksu ve fermentör yıkama suları karışımından ve de aerobik arıtma girişinde olmak üzere dört farklı noktadan alınmıştır. Atıksular belirli oranlarda seyreltilip çözünmüş kalıcı KOl'nin belirlenmesi yöntemlerine uygulanmıştır. Deneyler sonucunda elde edilen sonuçlar, kirlilik yükü fazla diğer endüstriler ve de şarj standartları ile karşılaştırılarak öneriler getirilmiştir.