Applicability of advanced oxidation processes for the decolorization of textile wastewater

Abstract

The failure of water treatment processes of industrial complexes and factories to an environmentally friend level always brings up severe ecological problems. The contaminated water discharges of these factories are the main water pollution sources to underground, rivers, streams, lakes and sea waters. This pollution does not affect only the hydrological resources but has complex effects on the food chain at its all levels. Because many of the industrial waste waters contain highly toxic contaminants that become very active and lethal when dissolved in water. Furthermore, industrial wastewaters spoil the neighborhood and cause severe ecologic imbalance. It has been noticed that most of these factories have no water treatment facilities and discharge their contaminated waste waters illegally to the city waste water underground network or just drain them in open lands, or the nearest water reservoirs.To bring this contamination to an end it is very important for the factories to have their own water treatment facilities that use modern technologies. Advanced oxidation processes hold great promise to provide alternative for better treatment and protection of environment. In the present study, the treatment efficiency of selected, well-known advanced oxidation processes (Photo-Fenton, Ozone, Ultrasound, UV, and H?O?) was examined for the decolorization and detoxification of textile wastewater. This has been based upon a study to the water treatment processes of the wastewaters both chemically and using advanced oxidizing techniques.In this study several of advanced oxidation processes (O?, O?/UV, O?/H?O?, O?/H?O?/UV, UV/H?O?, UV/H?O?/Fe?², H?O?/Fe?², US, US/UV, US/O?) used for the Post-treatment to eliminate color, remove the COD, TOC and toxicity from textile industry effluent. Kinetic analyses indicated that the decolorization rates of textile effluent could be approximated as pseudo-first-order kinetics for oxidation processes. And finally, economic analysis conducted for each studied oxidation processes.In UV/H?O? process several H?O? concentrations (5 mM, 10 mM, 25 mM, 50 mM, 100 mM) was applied the wastewater in the presence of 40W UV-C light. The optimum concentration was observed in 25 mM H?O? concentration at pH 7,6. This process showed 93% color removal in 30 minutes. The evaluation of treatment efficiency was made using the parameters of oxygen demand (COD), total organic carbon (TOC), color absorbances at 436 nm, 525 nm and 620 nm for RES method and 465 nm for Pt-Co method. Finally Vibrio fisheri was monitored for toxicity.For photo-Fenton experiments different Ferrous concentrations (0,05 mM, 0,1 mM, 1 mM and 2,5 mM) was used with 25 mM H?O? concentration for treatment in the presence of 40W UV-C light at pH 3. The decolorization percentage of textile wastewater began to decrease when the concentration of Fe+2 was higher than 1 mM. This process resulted in 85% color and 87% TOC and 79% COD removal.In dark Fenton process 25 mM H?O? was performed with 1 mM Fe?² absence of UV light at pH 3. Dark-Fenton process showed 70% color removal. Addition of UV light to system was elevated the efficiency of treatment.Ozonation experiments were conducted at various ozone doses (5, 15 25 mg/l). And different pH values (3, 7.6, 10) was applied to system for indicate the effect of pH on ozonation process. The result showed that 15 mg/l ozone dosage at natural pH of wastewater (7,6) is optimum for this system. As a result %99 color removal, %98 removal of the total organic carbon (TOC), and %77 COD removal had seen. Ozone-Alone treatment process showed no inhibition effect on Vibrio fisheri organism on toxicity.In O?/H?O? process, 15 mg/l ozone concentration and 25 mM H?O? was applied to system. 98% color removal was observed. O?/UV process was performed at 15 mg/l ozone dosage and 40W UV-C light. The application of this system resulted in 96% color removal. O?/H?O?/UV process showed the best efficiency of this system with 15 mg/l ozone, 25 mM H?O? and 40W UV-C light. 100% color, 99% TOC and 83% COD removal was obtained in this process after 120 min treatment.In the case of Ultrasound oxidation, the decolorization were performed the one hour pre-aerated wastewater, at optimum conditions by using ultrasound at 860 kHz frequency. In US-Alone process the reaction was very slow and at the end of 120 min sonolysis period, no decolorization has been observed. Addition of UV had no effect on color removal. 15% and 2% color removal had seen in US-Alone and US/UV processes, respectively. The combination US and O? showed 98,6% color removal. The results showed that the combination of ozonation and sonolysis was a highly effective way to remove color from wastewater.Cost evaluation for AOPs was based on electrical energy per order EE/O (that is the electrical energy required to re move a pollutant by one order of magnitude in one m3 of wastewater) and calculated by the electrical consumption cost (Bolton, 1996). The electrical energy requirements of the tested processes followed the increasing order O? < UV/H?O?/O? < O?/H?O? < O?/UV < UV/H?O?/Fe+2 < UV/H?O? < US/O?.Estimated operational costs of O?, UV/H?O?/O?, O?/H?O?, O?/UV, UV/H?O?/Fe+2, UV/H?O? and US/O? processes for 0,070 ?/m3 cost of electrical consumption were 0.2 ?/m3, 0.47 ?/m3, 0.54 ?/m3, 0.58 ?/m3, 0.88 ?/m3, 1.70 ?/m3 and 1.77 ?/m3, respectively.

Sanayi tesisleri ve fabrikaların çevreye uygun şekilde atık su arıtması ve deşarj başarısızlığı birçok ekolojik sorunları da beraberinde getirmektedir. Bilinçsizce deşarj edilen atıksular; yeraltı suları, nehirler, göller ve denizlerde görülen çevre kirliliğinin en önemli kaynağıdır. Bu kirlilik sadece su kaynakları ile sınırlı kalmıyor aynı zamanda besin zincirine karışarak gıda kirliliğine giriyor. Ve bu endüstriyel atık suların birçoğu sucul ortamda ve canlılarda birikir ve canlı dokusu üzerinde doğrudan toksik etkiler yapar. Ayrıca, endüstriyel atık su kirliliği ekolojik dengenin bozulmasına ve çürümesine yol açar. Ne yazık ki bahsedilen endüstriyel atıksuların yeterli derecede arıtılmadan toksik atıksularını deşarj standartlarına uymadan yeraltı sularına, açık alanlardaki kanallara veya en yakın su depolarına deşarj ettikleri saptanmıştır. Oluşan kirliliğe son vermek için endüstriyel fabrikaların kendi atıksu arıtma tesislerine sahip olmaları ve arıtmada modern arıtma teknolojilerini kullanmaları oldukça önemlidir.İleri oksidasyon proseslerinin daha iyi bir arıtım sağlayarak çevrenin korunması için çok iyi bir alternatif olduğu söylenebilir. Bu çalışmada ileri oksidasyon prosesleri kullanılarak tekstil atıksuyunun renk giderimi ve toksik madde içeriğindeki azalma incelenmiştir. Atıksu arıtım teknolojileri olarak ileri oksidasyon teknikleri ile beraber kimyasal analizlerin de uygulandığı bir çalışma olmuştur.Bu çalışmanın amacı UV/H2O2, Foto-Fenton, sonoliz, ozonlama ve kombinasyonları kullanılarak tekstil endüstrisinin atıksuyunun renk gideriminde ileri oksidasyon proseslerinin verimliliği incelenmiştir. Renksizleştirme çalışmalarının yanında, toplam organik karbon (TOK), Kimyasal Oksijen İhtiyacı (KOİ) ve zehirlilik analizleri de yapılmıştır. Sonuç olarak giderimde uygulanan her oksidasyon tekniği için ekonomik analiz hesaplanmıştır.Farklı konsantrasyonlarda (5 mM, 10 mM, 25 mM, 50 mM, 100 mM) H?O?, 40W UV ışığı varlığında atıksuya beslenmiştir. En yüksek giderim hızı 25 mM H?O? varlığında olmakla beraber, deneyler atıksuyun 7,6 olan doğal pH?ında ve oda sıcaklığında yapılmıştır. 30 dakika içerisinde %93 renk giderimi gözlenmiştir.Foto-Fenton prosesleri optimum H?O? konsantrasyonunda (25 mM), ve çeşitli demir konsantrasyonlarında (0,05 mM, 0,1 mM, 1 mM and 2,5 mM Fe+2 çözeltiler), UV ışıma varlığında pH 3?te gerçekleştirilmiştir. En yüksek renk giderme hızı sabiti ortama 1 mM Fe+2 ilave edildiğinde tespit edilmiştir. Arıtım sonucunda %85 renk giderimi, %87 TOK ve %KOİ giderimi gözlenmiştir.Karanlık Fenton prosesinde 25 mM H?O?, 1 mM Fe?² ile pH `te gerçekleşmiş olup %70 renk giderimi gözlenmiştir. Foto-Fenton prosesinde k değerleri (dk-1) Karanlık Fenton prosesine göre daha büyük çıkmıştır. Karanlıkta yavaş ayrışma oranı nedeniyle, hidroksil radikal oluşumu azaltılmıştır. UV ışını, hidrojen peroksid ile tepkimeye girerek hidroksil iyon ve radikallarini üretip etkili bir biçimde Fenton reaksiyonunu desteklemiştir.Optimum ozon dozunun tespiti amacıyla, farklı ozon konsantrasyonları (5, 15,25 mg/l), atıksuya beslenmiştir. Atıksuyun pH?I 3, 7.6 ve 10? a getirilerek pH?ın renk giderimine etkisini incelenmiştir. Giderim yüksek pH?ta (10) ve atıksuyun orjinal pH?ında (7.6) hemen hemen aynı olduğundan numunenin orjinal pH?ı ile çalışılmıştır. Optimum ozon konsantrasyou 15 mg/l olarak belirlenmiştir.İşletme maliyeti göz önünde bulundurularak 15 mg/l ozon konsantrasyonu yeterli görülmüştür. Sonuç olarak %99 renk, %98 TOK ve %77 KOİ giderimleri görülmüştür. Sadece ozonun kullanıldığı proseslerde sulardaki toksisitenin azaldığı görülmüştür.O?/H?O? prosesinde, 15 mg/l ozon dozu ve 25 mM H?O? konsantrasyonu varlığında %98 renk giderimi gözlenmiştir. O?/UV prosesinde, 40W UV ışığı varlığında 15 mg/l ozon atıksuya beslenmiştir ve %96 renk giderimi görülmüştür. O?/H?O?/UV prosesi ise 15 mg/l ozon dozu, 25 mM H?O? konsantrasyonu ve 40W UV ışığı varlığında %100 renk, %99 TOK ve %83 KOİ giderimi ile en iyi giderim verimlerine sahip olmuştur.Bir saatlik havalandırılmış atıksu 860 khz ses üstü ışıma ile artılmıştır. Sadece ultrason kullanılan proseste 120 dakikalık sonikasyon süresince %20?lik renk giderimi olmuştur. Ultrason prosesine, 40W UV ışığı eklenmesi %15?lik renk giderimi ile sonuçlanmıştır. Ultrason sistemi ozon ile kombin edildiğinde ise %98,6?lık renk giderimi gözlenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre O3 ve sonikasyon kombinasyonunun renk giderimi için etkili bir yol olduğu görülmüştür.İleri oksidasyon proseslerine ait enerji verimlerini karşılaştırabilmek için EE/O (elektrik enerjisi/derece) terimi kullanılmıştır. Bu terim 1 m3 atıksuda bulunan kirletici maddenin konsantrasyonunu onda birine düşürmek için tüketilen elektrik enerjisi olarak tanımlanabilir (Bolton, 1996). İşletim maliyetleri ise elektrik enerjisi ile elektrik tüketim maliyeti kullanılarak hesaplanmıştır. Uygulanan proseslerin elektrik enerji ihtiyaçları artış oranı sırasıyla: O? < UV/H?O?/O? < O?/H?O? < O?/UV < UV/H?O?/Fe+2 < UV/H?O? < US/O?.Uygulanan O?, UV/H?O?/O?, O?/H?O?, O?/UV, UV/H?O?/Fe+2, UV/H?O? ve US/O? prosesleri için 0,070 ?/m3 elektrik tüketim maliyeti ile hesaplanan işletim giderleri sırasıyla: 0.2 ?/m3, 0.47 ?/m3, 0.54 ?/m3, 0.58 ?/m3, 0.88 ?/m3, 1.70 ?/m3 and 1.77 ?/m3 olarak belirlenmiştir.