Electrocoagulation and advanced oxidation as intermediate treatment steps for water reuse in a textile dyeing plant

Abstract

TEKSTİL BOYAMA TESİSİNDE SU GERİKAZANIMI İÇİN ARA ARITMAKADEMELERİ OLARAK ELEKTROKOAGÜLASYON VE İLERİ OKSİDASYONGilbert İzzet AlatonÇevre Teknolojisi, Doktora Tezi, 2005Tez Danışmanı: Prof. Dr. Nilsun İnceAnahtar Kelimeler: Boyahane atıksuları, elektrokoagülasyon, ozonlama, sonoliz,gerikazanımTekstil boyama endüstrisi atıksuları, yoğun renk, yüksek oranda çözünmüş veaskıda katı madde içerdiğinden dolayı kaliteli proses suyu geri kazanımı için son aşamadamembran teknolojilerinin uygulanması kaçınılmazdır. Birçok kimyasal arıtma prosesininortak dezavantajı olarak arıtılan suyun tuzluluğunun artması nedeni ile bu yöntemlerinpratikte gerikazanım için uygun olmadığı kabul edilir. Tekstil atıksularının gerikazanımısağlayacak membran içeren bir sistemin güvenilir ve dengeli şekilde işletilebilmesi içinkurulacak ideal sistemin biyolojik arıtmada meydana gelebilecek ani değişikliklere karşıdayanıklı olması gerekir. Sonuç olarak, kurulacak olan arıtma ünitesinin mevcut arıtmasistemi ile uyum içinde çalışabilecek kadar esnek olması beklenir.Bu deneysel çalışma, biyolojik olarak ön arıtılmış tekstil endüstrisi atıksularının(KOİo= 370 mg/L; BOİ5 < 20 mg/L; Askıda Katı Madde (AKM) = 130 mg/L; ÇözünmüşKatı Maddeler (ÇKM) = 10,000 mg/L; 436 nm dalga boyundaki absorbans olarak Renk =0.280 cm-1; pH = 7.5; SO42- = 1250 mg/L) verimli ve ekonomik bir şekilde gerikazanımıiçin ileri kimyasal arıtma yöntemlerinin (elektroliz, ozonlama), faz transferine dayalı çokkademeli filtrasyon prosesleri yerine önerilmesini amaçlamıştır. İlave olarak, sonzamanlarda gelişmekte olan bir ileri oksidasyon prosesi (sonokimyasal arıtma), tekstilboyama ve terbiye sektöründen kaynaklanan en problemli atıksu olan boya banyoatıksularına uygulanmıştır. Sonokimyasal arıtmanın, kullanılmış boya banyolarındabulunan yardımcı kimyasalların varlığında boyarmaddelerin renk giderimine veayrışmalarına olan etkisini araştırmak için boya banyo atıksuları taklit edilmiştir.Biyolojik olarak arıtılmış boyahane atıksularının en iyi işletme koşulları (pH, akım,temas süresi) ve eletrod tipi (demir, alüminyum, demir/alüminyum) ile elektrokimyasalolarak arıtımı KOİ, renk ve AKM parametreleri açısından verimli bulunmuştur. Ayrıca,farklı elektrod malzemeleri ile farklı renk giderim mekanizmalarının varlığı kanıtlanmıştır.Renk giderimi, demir elektrodlar ile dolaylı redoks reaksiyonlarından kaynaklanırken,aluminyum elektrod kullanıldığında ise fiziksel adsorpsiyon ile meydana gelmektedir.Sülfatın, alüminyum ve demir/alüminyum elektrodları ile giderilebilmesi, baskıngiderim mekanizmasının sülfatın pozitif yüklü alüminyum hidroksit kompleksleri üzerineadsorpsiyonu olduğunu göstermektedir. Demir elektrod tek başına kullanıldığında ise sülfatgiderimi sağlanamamıştır.Gerçek elektrokimyasal arıtma koşullarını taklit edebilmek ve işletme maliyetleriniortaya çıkartabilmek için sürekli elektrokimyasal arıtma sistemi geliştirilmiştir. Bu sistemdemir elektrod kullanıldığında tek reaktör içinde tatmin edici flok oluşumu, koagülasyon,yüzdürme ve çamur ayırımı sağlarken, alüminyum elektrod kullanıldığında bu performanssağlanamamıştır.Sonuçlar, kesikli ve sürekli elektroliz sistemleri arıtma verimlerinin olumsuzbiyolojik arıtma koşullarından etkilenmediğini, bu nedenle elektrokimyasal arıtmanınikincil ve üçüncül (ileri) arıtma arasında tampon görevini üstlenecek kadar dayanıklıolduğunu açıkça göstermektedir.Elektrokimyasal arıtma performansının ozonlamaya etkisi incelenmiştir. Ozonlamaile renk gideriminde en yüksek artış, biyolojik olarak arıtılmış atıksuyun önce alüminyumelektrod kullanılarak elektrolizi ile meydana gelmiştir. Renk, tüm elektroliz + ozonlamadeneylerinde tamamen giderilebilirken, elde edilen son suyun, renk ve KOİ değerleribakımından boyama prosesinde tekrar kullanılabilecek kaliteye ulaştığı görülmüştür.Yeni gelişmekte olan İleri Oksidasyon Prosesleri arasında yer alan Sonoliz, taklitedilmiş boya banyo atıksularının geri kazanım potansiyellerini incelemek üzeredenenmiştir. H2O2 ilavesi ile renk giderim hızı etkilenmezken, KOİ giderim verimindeönemli bir artış sağlanmıştır.Tüm incelenen sistemlerin işletim giderleri için ayrıntılı bir maliyet analiziyapılmıştır.

ELECTROCOAGULATION AND ADVANCED OXIDATION ASINTERMEDIATE EFFLUENT TREATMENT STEPS FOR WATER REUSEIN A TEXTILE DYEING PLANTGilbert İzzet AlatonEnvironmental Technology Ph.D. Thesis, 2005Advisor: Prof. Dr. Nilsun İnceKeywords: Dyehouse effluent, electrocoagulation, ozonation, sonolysis, reuseDyehouse effluents are highly colored and contain significant amounts of dissolvedand suspended solids so that in most cases the use of membrane separation technologies asa final treatment stage becomes inevitable to achieve high quality process water for reusepurposes. The inherent disadvantage associated with most chemical treatment processes isthat they increase the salinity of the final, treated effluent and hence chemical intensemethods are generally considered as impractical or impossible to prepare water for reuse.A successful reuse plant for textile dyehouse effluent should ideally involve a system,which will compensate for all sudden changes in the biotreated effluent in order to ensuresafe and stable operation of the membrane units. Consequently, the treatment unit that isgoing to be implemented has to be flexible enough to comply with the existing treatmentunits.The present experimental work aimed at proposing advanced chemical treatmentschemes (eletrolysis and ozonation) for the effective and economical remediation ofbiologically pre-treated textile industry wastewater (average COD o = 370 mg/L; BOD5 <20 mg/L; Suspended Solids (SS) = 130 mg/L; Dissolved Solids (DS) = 10,000 mg/L; Coloras absorbance at 436 nm = 0.280 1/cm; pH = 7.5; SO42- = 1250 mg/L) instead of the morecommonly applied ?phase-transfer?-limited multi-stage filtration processes. In addition,a more recently developed advanced oxidation process (i.e. sonochemical treatment) wasemployed for the degradation of the most problematic effluent stream of the textile dyeingand finishing sector, namely the dyebath effluent. Spent dyebaths were simulated toexplore the effect of ultrasound on decoloration and degradation of dyes in auxiliariespresent in spent dyebaths under varying reaction conditions.Electrolysis of biotreated dyehouse effluent appeared to be effective in terms ofCOD, color and SS once optimized for operating conditions (pH, current, contact time) andelectrode materials (iron, aluminum, iron/aluminum). It was also shown that different colorremoval mechanisms existed for different electrode materials. Indirect redox reactionswere found to be responsible for color abatement during electrolysis using iron electrodes,whereas color removal with aluminum electrodes occurred via physical adsorption.It was found that sulphate could be removed with aluminum or iron/aluminumelectrodes indicating that adsorption on the positively charged aluminum hydroxidecomplexes was the dominant removal mechanism for sulphate. No sulfate removal couldbe achieved using iron electrode alone.A continuous electrochemical system was also developed to simulate realelectrochemical treatment conditions and estimate operating costs. The system enabledsatisfactory floc formation, coagulation, flotation and sludge separation in one singlereactor with iron electrode whereas the system failed to operate properly when aluminumelectrodes were employed.Results indicated that no deterioration of the electrochemical treatment efficiencywas observed for both batch and continuous electrolysis under stressed biotreatmentconditions, emphasizing the robustness of electrochemical treatment acting as a ?buffer?stage between secondary and tertiary treatment.The effect of electrolysis performance ozonation was also examined. The highestimprovement in color removal via ozonation occurred when biotreated effluent was firstsubjected to electrolysis using aluminum electrodes. Almost complete decolorization wasachieved during all electrolysis + ozonation experiments, and final effluent color and CODwere found suitable for reuse in dyeing processes.Sonolysis, a more recently developed type of AOP, was applied to assess the reusepotential of simulated spent dyebaths after being subjected to advanced oxidation. H2O2addition resulted in an appreciable increase in COD removal, but did not have any positiveeffect on color abatement rate.A detailed cost evaluation in terms of operating expenses was also undertaken forall investigated systems.