Removal of volatile organic sulfur compounds (VOSCs) emissions from different sources via anoxic bio-scrubber

Abstract

Kullanıma elverişli hava ve su kalitesi, gündelik hayattaki teknolojik gelişmelerden ve artan endüstrileşmeden etkilenmektedir. Gaz, sıvı ve partikül maddelerin atmosfere verdiği emisyon, hava ve su kirliliğine yol açan ve endüstrinin sebep olduğu büyük etki olarak düşünülebilir. Kirlenen akımlar, kriter kirleticileri ve tehlikeli kirleticilerden oluşmaktadırlar (EPA'nın nitelendirdiği şekilde). Kriter kirleticiler arasında kükürt dioksit (SO2), azot dioksit (NO2), karbon monoksit (CO), ozon (O3), askıda partikül madde (SPM), kurşun (Pb) yer alırken, tehlikeli hava kirleticiler arasında ise Uçucu Organik Bileşikler (VOC), amonyak (NH3), hidrojen sülfür (H2S) vb. yer almaktadır. VOC'ler, atmosferi ve temiz su kaynaklarını kirleten ve endüstriler tarafından salınan başlıca kirleticilerdir. VOC'lerden bir tanesi uçucu organik kükürt bileşikleridir (VOSC'ler). Bunların çok düşük konsantrasyonlarda dahi insan sağlığı ve çevre üzerinde olumsuz etkileri bulunmaktadır. Ayrıca VOSC'ler, aralarında metanetiyol MT (CH3SH), dimetil sülfür DMS (CH3SCH3), dimetil disülfür DMDS (CH3SSCH3), etanetiyol ET (CH3CH2SH) yer alan temel çevresel koku kirleticilerdir. VOSC'ler, yüksek toksisiteleri, potansiyel aşındırıcı etkileri ve çok düşük koku eşik değerleri (OTV) ile nitelendirilirler. Koku emisyonları, önemli bir hava kirletici parametresi olarak kabul edilmektedir. Organik ve inorganik kokulu bileşikler, gaz veya partikül fazlarda (sıvı damlaları içerisinde çözünmüş olarak) farklı endüstriyel faaliyetler tarafından atmosfere salınırlar. Bu kirleticiler, özelliklerinden dolayı çok kısa bir sürede çevreye yayılır ve çeşitli sıkıntılara sebep olurlar. Ayrıca, çevre ile ilgili artmakta olan kaygılardan dolayı daha sıkı ulusal ve uluslararası düzenlemeler mevcuttur. Bundan dolayı, insanlara ve çevreye karşı ciddi zararlar verdiklerinden dolayı bu emisyonların giderilmesi gerekliliği doğmuştur. Bu çalışmanın konusu, biyolojik bozunma ve VOSC'lerin atık gazdan arındırılmasına yönelik biyo-gaz yıkama sistemidir. Karbon kaynağı gibi, VOSC'leri tüketen mikroorganizmaların potansiyeli, biyolojik bozunmayı atık gaz akımlarının kirleticilerden arındırılmasına yönelik cazip bir seçenek haline getirmektedir. Biyo-gaz yıkama, kontamine gaz akımlarını önlemeye yönelik biyolojik temelli tekniklerden biridir. Yoğuşma, aktif karbon ile temizlenme veya temiz su yıkayıcılar, yakma, kimyasal gaz yıkayıcılar, termal oksidasyon, katalitik oksidasyon ve ozonlama gibi fiziksel ve kimyasal tekniklerin aksine, biyo-gaz yıkayıcı, operasyon sırasında düşük basınç düşüşleri, ürün birikiminden kaçınma ve büyük miktarda su püskürtme kolonu önlenmesi, ikincil bir kirlenmenin meydana gelmemesi ve reaksiyon koşullarının (pH, besin ögeleri) daha iyi kontrolünün sağlanması açısından suda çözünebilen bileşiklere sahip kokulu atık gazları arındırmaya yönelik diğer fiziksel ve kimyasal yöntemlere göre kayda değer avantajlar sağlamaktadır. Bu çalışmanın odaklandığı konu, ET ve DMS gibi tekli ve karışım VOSC'lerin toplu biyolojik bozunma prosesine ve ET ve/veya DMS giderimine yönelik anoksik biyo-gaz yıkayıcı sistemidir. Laboratuvar ölçeğinde incelenen biyolojik bozunma deneyleri, ET ve DMS gibi kirleticilerin arındırılması için ortama alıştırılmış karışık kültür kullanılarak gerçekleştirilmiştir.Toplu deneyler, hedef gaz konsantrasyonunun (ET ve/veya DMS) ve biyokütle konsantrasyonunun bu bileşiklerin biyolojik bozunma zamanına olan etkisinin araştırılması amacıyla gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, VOSC'lerin biyolojik bozunmalarında yer alan mikroorganizmaların davranışlarının anlaşılması ve Monod modeli kullanılarak kinetik büyüme parametrelerinin bulunması için veri oluşturulması amaçlanmıştır. VOSC'lerin konsantrasyonlarının zamanla azalması, mikroorganizmaların VOSC'leri bir karbon kaynağı olarak kullanmaları anlamına gelmektedir. Maksimum özgül büyüme oranı (µmax), ET ve DMS için tekil bileşikler olarak sırasıyla 0,14 ve 0,21/h, bunun yanı sıra ET ve DMS karışımı için sırasıyla 0,036 ve 0,03; ikili sayı sisteminde ET ve DMS ilk konsantrasyonunda tekil bileşik olarak sırasıyla 840 mg/m3 ve 850 mg/m3, çift bileşikler olarak ise sırasıyla 876 ± 30 mg/m3 ve 860 ± 10 mg/m3 olarak bulunmuştur. Biyo- gaz yıkama teknolojisi, ET ve DMS gibi kirleticilerin giderilmesi için anoksik koşullarda, laboratuvar ölçekli (10 cm çapında ve 50 cm uzunluğunda) bir biyo-gaz yıkayıcıda uygulanmıştır. ET ve DMS'nin ortama alıştırma süresi, çıkış konsantrasyonlarında istikrara erişilene kadar, sırasıyla 36 ve 38 gün olarak elde edilmiştir. ET ve DMS için operasyon süresi 300 ve 315 gündür. Kirletici konsantrasyonları, püskürtme yoğunluğu (SD) ve boş yatak kalma süresi (EBRT) gibi çeşitli operasyonel koşullarla bağlantılı sorunlar, tek ve çift bileşikler için biyo-gaz yıkayıcı performansını etkilemiştir. Anoksik bir laboratuvar ölçekli bir biyo-gaz yıkayıcıda uygulanan ET giderme performansı, 300 gün boyunca farklı operasyon parametreleri ve koşulları altında araştırılmıştır. ET giderim verimi (RE), sulamaya ait giriş konsantrasyonu, EBRT ve SD'nin bir fonksiyonu olarak incelenmiştir. Sonuçlar en iyi operasyon koşullarını göstermiş ve bu çalışma için biyo-gaz yıkayıcının operasyon karakteristikleri, giriş konsantrasyonunda 150 mg/m3, SD'de 0,23 m3/m2 h ve EBRT'de 90 s olarak bulunmuştur. Tüm giriş ET konsantrasyonları için RE ortalaması %91 ve eleme kapasitesi (EC) 24,74 g/m3 h olarak bulunmuştur. SD'deki 0,23 m3/m2 h üzerindeki değişimlerin farklı ET konsantrasyonlarında ET RE üzerinde etkisi olmamıştır. Ayrıca, anoksik laboratuvar ölçekli biyo-gaz yıkayıcı üzerinde 315 gün boyunca çeşitli operasyon koşullarında DMS giderimini incelemek amacıyla çalışılmıştır. Sulamaya ait giriş konsantrasyonu, EBRT ve SD gibi operasyon parametrelerinin kontrol edilmesi ve değiştirilmesi için biyo-gaz yıkayıcı sisteminde DMS giderimi gerçekleştirilmiştir. Sistemden elde edilen en iyi sonuçlar, %92 RE ile 150 mg/m3 giriş gaz konsantrasyonunda 40s EBRT içerisinde SD için 0,18 m3/m2h olarak bulunmuştur. Laboratuvar ölçekli biyo-gaz yıkayıcı sistemi, çift kirletici karışımını (ET ve DMS) giderebilmektedir. 90 s EBRT ve 0.23 m3/m2 h SD'deki karışım için optimum oran 3:1 olarak bulunmuştur. Yukarıda belirtilen sonuçlara göre, anoksik koşullarda biyo-gaz yıkayıcının bileşikleri (ET, DMS) ayrı ayrı ya da karışım olarak kayda değer bir giderim kabiliyeti bulunmaktadır. Ortalama deneysel verim molar oranı değeri, ana ürün element kükürt So olduğunda, stoikiometrik denklemlerden türetilen 0,74 teorik değerine (Ybileşik/ NO3− ) daha yakın çıkmıştır. Bu durum, son ürün olarak sülfat SO42−'den ziyade So ve diğer kükürt formlarının üretildiğini göstermektedir. Bu çalışma ayrıca, moleküler analizi ele almaktadır. Bakteriyel toplulukların profili, ET ve DMS giderimi için biyo-gaz yıkayıcıdaki biyo-tanktan alınan numunede 16S™ NGS (yeni nesil dizi) ile incelenmiştir. 16S™ NGS sonuçlarına dayanarak, baskın mikrobiyal filum Proteobakteriler, Bakteroidetler ve Aktinobakteriler, biyo-gaz yıkayıcı sisteminden alınan biyokütle örneklerinde göreceli bolluğunun 1,33 katı civarında artan göreceli bolluktan ayırt edildiğini göstermiştir. Operasyonun devam etmesiyle, karbonhidratların, merkaptanlar gruplarının ve inorganik sülfitin azaltılmasını sağlamışlardır. Mikrobiyal profil ayrıca biyo-gaz yıkayıcı operasyonu sırasında Antibakteriyel ve Firmicutes adı verilen diğer mikroorganizmaların (aşılanmamış) ortaya çıktığını göstermiştir. Chlorobi ailesine ait Chlorobea sınıfı, azaltılmış kükürt bileşiklerini So'a okside etme kabiliyetine sahiptir. Biyo-gaz yıkayıcı sisteminde direnen karışık biyokütle zorlamaları, ET ve/veya DMS'nin biyolojik bozunması için başarıyla uygulanmıştır.

The air and water quality are affected by a technological development in a daily life and increased industrialization. The emission of pollutants and particulate materials into the atmosphere can be considered as a major impact of industries on the environment, leading to air and water pollution. The polluted streams comprise criteria pollutants and hazardous pollutants (as characterized by EPA). The criteria pollutants include sulfur dioxide (SO2), nitrogen dioxide (NO2), carbon monoxide (CO), ozone (O3), suspended particulate matter (SPM), lead (Pb); while the hazardous air pollutants include Volatile Organic Compounds (VOCs), ammonia (NH3), hydrogen sulfide (H2S), etc. VOCs are the major pollutants released by the industries, contaminating the atmospheric air and the fresh water resources. One of the VOCs are Volatile organic sulfur compounds (VOSCs). They have negative effects on human health and environmental even at very low concentrations. In addition, VOCs are main pollutants that release odour to the environment, which include dimethyl sulfide DMS (CH3SCH3), methanethiol MT (CH3SH), ethanethiol ET (CH3CH2SH), dimethyl disulfide DMDS (CH3SSCH3). VOSCs are described by their potential corrosive influence, odour threshold value (OTV) and high toxicity. The emissions of odor are accepted as an important air contaminating parameter. Organic or inorganic odorous compounds are released into atmosphere from different industrial activities in gas or particle phase (as dissolved in liquid drops) forms. Because of their characteristics, these pollutants diffuse to the environment in a very short time and cause various disturbances. In addition, there is increasing concern about the environment as well as more stringent national and international regulations. Thus, there is a need to remove these emissions since they can cause real harms to humans and environment. The present study deals with the bio-degradation and bio-scrubber system for the removal of VOSCs from waste gas. The potential of microorganisms in consuming the VOSCs as carbon source makes biodegradation an attractive option for the removal of pollutants from the waste gas streams. Bio-scrubber is one of the bio-based techniques to prevent from the contaminated gas streams. Unlike physical and chemical technologies such as (chemical scrubbers, adsorption with activated carbon or clean waterscrubb, incineration, thermal oxidation, condensation, catalytic oxidation and ozonation) bio-scrubber offers considerable advantages over other physical and chemical methods for treating odorous waste gas that have water-soluble compounds as well as its low pressure drops during operation, avoiding the products accumulation, and prevent losing high amount of water spray column, absence of a secondary pollution and providing better control of reaction conditions (pH, nutrients). This study is focused on the batch anoxic bio-degradation process of single and the mixture of VOSCs such as ET and DMS and anoxic bio-scrubber system for the removal of ET or/and DMS. The examined biodegradation experiments in laboratory scale are carried out using acclimated mixed culture for the treatment of pollutants such as ET and DMS.The batch experiments are executed to investigate the effect of target gas concentration (ET or/and DMS) and effect of biomass concentration on bio-degradation time of these compounds. Also, it was aimed to understand the behavior of microorganisms in bio-degradation the VOSCs and generate the data to find growth kinetic parameters using Monod model. The decreasing of VOSCs concentration with time refer to the microorganisms utilize the VOSCs as a carbon source. The maximum value of specific growth rate (µmax) is obtained as 0.14 and 0.2 1/h as sole compound for ET and DMS, respectively, while it is obtained as 0.036 and 0.03 as mixture of ET and DMS, respectively; in binary system, at 840 mg/m3 and 850 mg/m3 for initial concentration of ET and DMS as single compound respectively, and at 876 ± 30 mg/m3 and 860 ± 10 mg/m3 as dual compounds of ET and DMS respectively. The bio-scrubber technology under anoxic condition is carried out for the removal of pollutants such as ET and DMS on a laboratory scale bio-scrubber (of 10 cm diameter and 50 cm long). The acclimation period of ET and DMS is achieved as 36 and 38 days, respectively, until reaching stability in the output concentrations. The operation time for the ET and DMS are 300 and 315 days, respectively. Various operational conditions related problems, such as pollutant concentrations, spraying density (SD) and empty bed residence time (EBRT) affected the bio-scrubber performance for removing single and dual compounds.The performance of ET removal in an anoxic lab-scale bio-scrubber is investigated under various operating parameters and conditions for 300 days. The removal efficiency (RE) of ET is examined as a function of inlet concentration, EBRT and SD of irrigation. The results showed the best operation conditions and operation characteristics of the bio-scrubber for this study are obtained at an inlet concentration of 150 mg/m3, an SD of 0.23 m3/m2 h and an EBRT of 90 s. An average RE of 91% and elimination capacity (EC) of 24.74 g/m3 h is found for all inlet ET concentrations. Variations in SD higher than 0.23 m3/m2 h had no effect on ET RE at different ET concentrations. In addition, the anoxic lab-scale bio scrubber is studied to examine the DMS removal under various operation conditions for 315 days. DMS removal in bio-scrubber system is executed by controlling and changing the operation parameters, such as, inlet concentration, EBRT and SD of irrigation. Best conditions in the system are obtained for SD of 0.18 m3/m2h within EBRT of 40 s at 150 mg/m3 inlet gas concentration with 92% of RE. The lab-scale bio-scrubber system can remove dual pollutant (ET and DMS) mixture. The optimal ratio was 3:1 for mixture at an EBRT of 90 s and a SD of 0.23 m3/m2 h. According to aforementioned results, bio-scrubber has significant ability of remove the compounds (ET, DMS) separately or as mixture under anoxic conditions. The average experimental yield molar ratio value was closer to the theoretical value (Ycompound/NO3−) of 0.74 that is derived from stoichiometric equations when the main product was elemental sulfur So. This indicates that So and other sulfur forms were produced rather than sulfate SO42− as the end product. The study also deals with the molecular analysis. The bacterial communities' profile was examined by the 16S™ NGS (next generation sequence) of sample that taken from bio-tank in the bio-scrubber system for removal ET and DMS. Based on 16S™ NGS results revealed the predominate microbial phylum Proteobacteria, Bacteroidetes and Actinobacteria were distinguished by increased relative abundance around 1.33 times of its relative abundance in the biomass samples taken from the bio-scrubber system. As the operation continued, they were capable of degradation of carbohydrates, mercaptans groups and inorganic sulfide. The microbial profile indicated also that other microorganisms (non-inoculated) namely Antibacterial and Firmicutes were generated during the operation of the bio-scrubber. The class Chlorobea within the chlorobi family, is capable of oxidating the reduced sulfur compounds to So. The strains of mixed biomass resisting in the bio-scrubber system have been successfully applied for bio-degradation of ET or/and DMS.