Atıksuların bipolar membran elektrodiyaliz prosesi ile arıtılması ve geri kullanım alternatiflerinin değerlendirilmesi
Wastewater treatment by bipolar membrane electrodialysis process and evaluation of reuse alternatives
Yazar: BURAK YÜZER
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN SELÇUK
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Dünya nüfusunun artması, iklim değişikliği, artan sanayileşme kişi başına düşen temiz su miktarının azalmasına neden olurken yakın gelecekte insanlığın büyük alanlarda su kıtlığı yaşayacağı ön görülmektedir. Sürdürülebilir bir su yönetimi için temiz su kaynaklarının kirliliğe karşı korunması ve alternatif su kaynaklarının bulunması gerekmektedir. Bu noktada atıksuların arıtıldıktan sonra yeniden kullanılması büyük önem taşımaktadır. Dünya üzerinde harcanan toplam su miktarının %21'i sanayiler tarafından kullanılmaktadır ve kullanılan çeşitli üretim proseslerinden yoğun kirletici konsantrasyonuna sahip atıksu üretilmektedir. Tekstil sektörü de bu sanayilerin başında gelmektedir. Boyama proseslerinde kullanılan yüksek boya ve tuz konsantrasyonları meydana gelen atıksuların arıtım maliyetini arttırmaktadır. Tekstil atıksularının düşük maliyetli arıtma yöntemleri ile arıtılarak yeniden kullanılması hem atıksuların çevresel etkilerini azaltacak hem de tekstil sanayicileri için alternatif su kaynağı oluşturacaktır.

Belirtilen bu hususlar göz önüne alınarak, bu tez çalışmasında tekstil atıksularının bipolar membran elektrodiyaliz (BPMED) prosesi ile arıtılarak yeniden kullanılması amaçlanmıştır. BPMED prosesi kullanılan bipolar membran (BPM) sayesinde, sisteme verilen elektrik akımı yardımı ile işletme sırasında asit, baz ve arıtılmış su üretmektedir. BPMED prosesinde kullanılan membranların ömrünün uzun olması ve işletme maliyetinin düşürülmesi amacıyla, proses öncesinde tekstil atıksularının ön arıtıma tabi tutulması gerekmektedir. Bu kapsamda BPMED prosesi öncesinde aerobik biyolojik arıtma, ozon gazı ile oksidasyon, polimer bazlı kimyasal renk giderici ile çöktürme ve kuvvetli baz anyon değiştirici reçine ile renk giderimi prosesleri ile tekstil atıksuları arıtılarak BPMED prosesinde tuzsuzlaştırma işlemi yapılmıştır. BPMED prosesi üzerine atıksu başlangıç pH değerinin etkisini belirlemek amacıyla dört farklı pH değerinde (pH 3, pH 5, pH 7 ve pH 8) çalışmalar yürütülmüştür. BPMED prosesi ile en verimli şekilde çalışacak ön arıtma yöntemi belirlenerek BPMED sisteminin enerji ve ekserji verimleri karşılaştırılmıştır.

BPMED prosesinde harcanan yüksek enerjinin geri kazanılmasına yönelik atıksu arıtımı sırasında hidrojen gazı üretim alternatifleri üzerine çalışma yapılmıştır. BPM, anyon değiştirici membran (ADM) ve katyon değiştirici membran (KDM) elektroliz reaktöründe ayrı ayrı eklenerek her bir membranın elektroliz prosesi hidrojen gazı üretim verimi üzerine etkisi araştırılmıştır. Ayrıca elektroliz reaktörü elektrotlar arası mesafe değiştirilerek hidrojen gazı üretimine etkisi değerlendirilmiştir. Sonuç olarak biyolojik arıtma ile %89 oranında toplam organik madde (TOK) giderilirken, renk giderimi %20 seviylerinde kalmıştır. Ozon ile oksidasyon sonrasında %90 üzerinde renk
giderimi elde edilirken bu oran kimyasal çöktürme ve anyon değiştirici reçine proseslerinde %95 seviyesine kadar yükselmiştir. Ön arıtma prosesleri sonrasında çalıştırılan BPMED prosesi atıksu iletkenlik değeri 8 mS/cm'den 0,3 mS/cm seviyesine gelene kadar çalıştırılmıştır. Başlangıç atıksu pH değeri 8 olarak ayarlandığı zaman tüm ön arıtma prossleri sonrasında en kısa sürede iletkenlik giderimi sağlanırken, enerji ve ekserji verimleri en yüksek bu pH değerinde hesaplanmıştır. Polimer bazlı renk giderici kimyasalın iyon değiştirici membranların gözeneklerini tıkayarak sistemin verimini düşürdüğü görülmüştür. Anyon değiştirici reçine ön arıtma olarak kullanıldığında ise üretilen asit'in saflığı en fazla olmuştur. Elde edilen sonuçlara biyolojik arıtma sonrası ozonlama veya anyon değiştirici reçine prosesinin BPMED prosesi için uygun bir ön arıtma olacağı görülmüştür.

Elektroliz prosesinde BPM kullanımı ile 0,66 mol/sa hidrojen üretim hızı elde edilirken enerji verimi %55 seviyesinde kalmıştır. Diğer taraftan ADM ve KDM kullanıldığında sırasıyla 0,47 mol/sa ve 0,46 mol/sa hidrojen üretim hızlarına ulaşılırken %82 ve %81 oranında enerji verimi elde edilmiştir. Ekserji verimleri karşılaştırıldığında ise sırasıyla BPM, ADM ve KDM için %45, %67 ve %68 oranlarında ekserji verimlerine ulaşılmıştır. Çalışmalar elektrotlar arası mesafe azaldıkça enerji ve ekserji verimlerinin %35 oranında arttığını göstermiştir. Sonuç olarak harcanan enerji ve üretilen hidrojen gazı göz önüne alındığında, ADM kullanılarak elektroliz prosesinde yüksek miktarlarda hidrojen gazı üretilirken entegre sistem ile aynı zamanda da atıksu arıtımı yapılması mümkün olmaktadır.

Abstract:
The population growth, climate change and increasing industrialization lead to decrease in the amount of clean water per person, it is foreseen that there will be lack of water in the near future. For sustainable water management, clean water resources must be protected against pollution and alternative water resources must be available. At this point, it has a great importance to reuse the wastewater after purification. 21% of the total amount of water consumed in the world is used by various industrial production processes which produce wastewater with a high concentration of pollutants. Textile industry is the one of the leading industries. High dye and salt concentrations used in dyeing processes increase the cost of treatment of wastewater. Reuse of treated textile wastewater with low cost treatment methods will reduce the environmental impact of wastewater as well as create an alternative source of water for textile manufacturers. In this thesis, it is aimed to reuse textile wastewater by bipolar electrodialysis (BPMED) process. The BPMED process uses bipolar membrane (BPM) to produce acid, base and purified water with the help of electrical current supplied to the system during the operation. In order to increase the lifetime of the membranes used in BMPED process and reduce the operating cost, pre-treatment of textile wastewater is required. In this context, prior to BPMED process, aerobic biological treatment, oxidation with ozone gas, settling by using polymer based chemical decolorant and strong base anion exchange resin and color removal processes were used to treat textile wastewater and desalted in BPMED process. Four different pH values (pH 3, pH 5, pH
7 and pH 8) were carried out to determine the effect of starting pH value of wastewater on BPMED process. The treatment process which operated in most efficient way with BPMED process was determined and energy and exergy efficiencies were compared. Hydrogen gas production alternatives while treating wastewater were studied to recover the high energy consumed in BPMED process. BPM, anion exchange membrane (AEM) and cation exchange membrane (CEM) were added to electrolyze reactor one by one and the effect of each membrane on hydrogen production efficiency of the electrolyzer process was examined.
Furthermore, effect of the distance between electrodes on hydrogen production was evaluated by changing the space between anode and cathode. 

As a result, while 89% removal efficiency for total organic carbon (TOC) was achieved, the color removal efficiency was about 20%. Color removal efficiency of the ozone oxidation process was 90% and this ratio was increased to 95% by using anion exchange resin and chemical settling processes separately. The BPMED process that was running after pretreatment processes until the conductivity level of the wastewater dropped from 8 mS/cm to 0.3 mS/cm. The highest removal efficiency not only for the conductivity of wastewater but also exergy and energy efficiencies were achieved when the initial pH level of the wastewater adjusted to 8 at all pretreatment methods. Polymer based chemical decolorant caused clogging of the membrane pores and decreased the system efficiency. The purity of the produced acid in BPMED was highest when the anion exchange resin was used as a pretreatment method. The obtained results also showed that after biological treatment, the ozonation and anion exchange resin processes are appropiate for the pretreatment method of BPMED process.

The hydrogen production rate was 0.66 mole/h by using BPM in electrolysis process, however the energy efficiency was around 55%. On the other hand, the hydrogen production rates for AEM and CEM were 0.47 mole/h and 0.47 mole/h while the energy efficiencies were 85% and 81% respectively. The exergy efficiencies were 45%, 67%, and 68% for BPM, AEM, and CEM respectively. The energy and exergy effiencies were increased 35% when the distance between anode and cathode decreased from 2.2 cm to 0.8 cm. It can be concluded that considering energy consumption and hydrogen production, it is possible to producing high amounts of hydrogen via electrolysis process with AEM while treating wastewater with integrated system.