Investigation of bioelectrochemical treatment efficiency for removal of boron from geothermal waters

Abstract

Mikrobiyal tuzdan arındırma hücresi (MTH), elektrik üretimi, atık su arıtımı ve tuzdan arındırma gibi eş zamanlı özellikleri nedeniyle önemli ölçüde gelecek vaat eden bir teknolojidir. Bu tezde, jeotermal sulardan bor (B) arıtımı ve maya atık suyundan organik madde giderimi ile eş zamanlı enerji üretimi, üç hazneli (anot/tuzsuzlaştırma/katot) laboratuvar ölçekli MTH sistemi kullanılarak kapsamlı bir şekilde çalışılmıştır. Öncelikle, değişen işletme koşulları ile optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Özellikle, elektrot yüzey alanının etkisinin B giderim verimliliği üzerinde önemli bir değişken olduğu kanıtlanmıştır. Sonrasında, geleneksel MTH'nin anot hücresi, üç boyutlu kübik elektrotları içerecek şekilde tasarlanmıştır. Klasik MTH sistemi ile kıyaslandığında, B ve organik madde giderme verimleri ve üretilen güç yoğunluğu sonuçları artış göstermiştir. MTH sisteminin verimliliğini artırmak amacıyla aktif karbon-kitosan içeren üç boyutlu sünger elektrot sentezlenmiş ve optimize edilmiş koşullar altında 970 mW/m2'lik güç yoğunluğu, %75,9'luk B giderim verimi ve >%90'lık KOİ giderim verimi gözlenmiştir. Çalışmanın ilerleyen safhalarında, bir ön arıtma seçeneği olarak Lemna minor L. bitkisi kullanılarak borun sulardan uzaklaştırılması değerlendirilmiştir. 5 mg/L başlangıç B derişimi, pH 8 ve 1.5 cm su derinliği ile yapılan deneysel çalışmada maksimum giderim verimi %96,7 olarak elde edilmiştir. Ters osmoz (TO)-MTH hibrit sistemi kullanılarak TO süzüntüsünden ve konsantresinden B ve ağır metallerin uzaklaştırılması çalışılmıştır ve sistemin etkili olduğu kanıtlanmıştır. Son olarak ise, MTH-Donnan diyalizi (DD) hibrit işleminin jeotermal sulardan B giderme performansı değerlendirilmiştir. Bu çalışmanın en önemli çıktısı, pH'ın DD sistemi tarafından ayarlanıyor olması sayesinde sistemin pH değerinin ayarlanmasındaki sıklığın azalmasıdır. Genel olarak, MTH teknolojisi gelişme seviyesinde olmasına rağmen, jeotermal tuzlu sudan borun giderilmesi, tuzsuzlaştırma ve enerji üretimi açılarından umut verici sonuçlar ortaya koymuştur.

Microbial desalination cell (MDC) is a promising technology due to its simultaneous features of electricity production, wastewater treatment, and desalination. In this thesis, boron (B) removal from geothermal water and organic matter removal from yeast wastewater with energy production was studied using a three chamber (anode/desalination/cathode) lab-scale MDC system. Among operational conditions, electrode surface area was proven to be significant on B removal efficiency. Then, anode chamber of the conventional MDC was modified to include three-dimensional (3D) cubic electrodes as a novel design. B and organic matter removal efficiencies and the produced power density results were promising for 3D-electrodes. Further studies in order to increase the efficiency of MDC system was conducted by synthesizing 3D hybrid sponge electrodes with activated carbon-chitosan (AC-CS). MDC with 3D AC-CS anode provided a higher power density of 970 mW/m2, B removal efficiency of 75.9%, and COD removal efficiency of >90% under optimized conditions. Furthermore, phytoremediation performance of Lemna minor L. on B removal was found to be 96.7 %. Also, removal of B and heavy metals from reverse osmosis (RO) permeate and concentrate streams using RO-MDC hybrid process was studied. The performance of RO-MDC system was proven to be significant on B and heavy metals removal efficiency. Lastly, feasibility of B removal from geothermal water using MDC-Donnan dialysis hybrid process was evaluated. The most important output of this study was decreased frequency for pH adjustment. Overall, MDC, being in its early levels of technology readiness, produced promising desalination and energy production results in removal of boron from geothermal brine.