Bazı tarımsal ve endüstriyel katı atıkların atıksu arıtımında kullanım potansiyelinin araştırılması
Investigation of beneficial uses of some agricultural and industrial solid wastes in wastewater treatment
Yazar: MOHAMMED ABDUL-FATTAH SALEH
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUTLU YALVAÇ ; PROF. DR. NADİR DİZGE
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu çalışmada tarımsal ve endüstriyel bazı atıkların farklı atıksularda arıtım amaçlı kullanılması araştırılmıştır. Birinci bölümde tarımsal atık niteliğindeki dört bitkinin atık su arıtımında kullanıldığı beş farklı çalışma yapılmıştır. Xanthium italicum (XI) sulu çözeltilerden remazol brilliant blue-R (RBBR) giderimi için adsorban olarak kullanılmıştır. Adsorpsiyon süreci, yanıt yüzey yöntemleri (RSM) kullanılarak optimize edilmiştir. Çalışma sonunda elde dilen optimum koşullar (R2=0.992): XI = 3 g, pH = 9, temas süresi = 84 dk, RBBR = 50 ppm olarak bulunmuştur. Centaurea solstitialis (CS) ve Verbascum thapsus L (VTL) bitkileri ile sulu çözeltiden sentetik bir boya olan kristal menekşenin (CV) adsorpsiyon işlemi ile giderimi çalışılmıştır. Adsorpsiyon işlemi sonunda adsorban olarak kullanılan bitkilerin ısıl değerleri ölçülerek boyanan bitkilerin yeniden kullanım potansiyeli araştırılmıştır. Yüzey tepki yöntemi (RSM) kullanılarak deneysel tasarım ve modelleme yapılmıştır. Bu çalışmada, CS ve VTL bitkilerinin sulu çözeltiden CV boya adsorpsiyonunda etkili, ucuz ve kolay temin edilebilen adsorbanlar olduğu kanıtlanmıştır. Adsorpsiyon sonunda elde edilen boyalı adsorban materyallerin kalorifik değerleri CS için 4458.059 kcal.kg-1 ve VT için 4120.330 kcal.kg-1 dır. Bu değerlere göre elde edilen boyalı adsorbanların atık türevli yakıt (ATY) kapsamında kullanılma potansiyelleri bulunmaktadır. Kritik altı su ortamında (SWMM) Quercus coccifera bitkisinden yeşil hidrochar sentezlenmiştir. Hazırlanan hidrochar, sulu çözeltiden bazik kırmızı 18 (BR18) boyasını gidermek için kullanılmıştır. Hidrochar üretiminde hiçbir kimyasal kullanılmadığı için bu yöntem yeşil sentezdir. Ayrıca hazırlama sıcaklığının 2400C'yi geçmemesi ve veriminin %72'ye ulaşmasından dolayı ekonomik bir yöntem olarak değerlendirilebilir. Sonuç olarak SWM yöntemi ile Q. Coccifera'dan elde edilen Hidrochar'ın sulu çözeltiden BR18 boyasının adsorpsiyon işlemi ile gideriminde etkili bir adsorban olduğu bulunmuştur. Yeşil sentezlenmiş sıfır değerlikli demir nanopartiküllerin Verbascum thapsus L. (VTL) bitkisi ile birleştirilmesi ile elde edilen yeni ürünün Cr(VI)'nın indirgenmesinde kullanımı araştırılmıştır.  Cr(VI) indirgenmesi, 25mg.L-1 için orijinal pH değerinde (5.2) ve 1g.L-1 dozunda 30 dakika sonra tamamen gerçekleşmiştir. Verbascum thapsus L. (VTL) bitkisinin aktif çamur filtrasyonu için biyomembran olarak kullanılm koşulları araştırılmıştır. KOİ, karbonhidrat ve protin giderimi sırayla %57, %98 ve %90 bulunmuştur.
İkinci bölümde ise bazalt atıklarının atık su arıtımında kullanımı incelenmiştir. Azo boyaların Fenton oksidasyonu için kullanılan bazaltın heterojenik katalizör özellikleri araştırılmıştır. Her iki boya (CV ve MG) için maksimum giderim verimi, B-600, orijinal pH (6.0),   1 g/L bazalt dozu ve 12 mM H2O2'de meydana gelmiştir. Bazalt, gerçek tekstil atıksuyunda da araştırılmıştır. Giderim verimi pH 2, 5 g/L bazalt, 400 mM H2O2 koşulları altında %54 bulunmuştur.  Sulu ortamda methylene blue (MB) ve basic red 18 (BR18) boyalarının fenton ve foto-fenton reaksiyonları ile parçalanmasında katalizör olarak atık bazaltın etkisi araştırılmıştır. Fenton prosesi ile MB ve BR18 için giderim verimleri sırasıyla% 87 ve% 28 bulunmuştur. Foto-Fenton prosesi, MB için% 100 ve BR18 boyası için% 70 ile maksimum giderim verimliliğine sahiptir. Optimum koşullar 70 mg/L boya konsantrasyonu, 5 mM H2O2, 1.0 g/L bazalt ve pH 2.0 olarak tespit edilmiştir. MB, Fenton ve foto-Fenton prosesi için arıtma verimleri, boya yapısı nedeniyle BR18'in giderim verimliliğinden daha yüksek ve daha hızlıy bulunmuştur. Elektrospinning yöntemi ile yeni bir bazalt bazlı fiber membran hazırlanmıştır. Besleme hızı, voltaj, uç-kollektör mesafesi ve bazalt içeriğinin hazırlanan fiberlerde saf su akısı, aktif çamur akısı, KOİ giderimi ve gözenekliliği üzerindeki etkileri yanıt yüzeyi yöntemi kullanılarak incelenmiştir. Sonuçlar, bazalt tozunun akıyı arttırdığını göstermiştir. Bazaltlı fiber membran, hidrofilikliği arttırması ve gözenekliliği azaltması nedeniyle kirlenme dirençi özellikleri göstermiştir. Bazalt atığı katkılı polietersülfon (PES) membranlar, faz inversiyon yöntemi ile hazırlanmıştır. Bazalt ve polimer konsantrasyonu, membran kalınlığı parametreleri ise yanıt yüzey yöntemi kullanılarak optimize edilmiştir. Bazalt membrana %6 oranı olana kadar eklendiğinde saf su akışı artmıştır. Bazalt, membran sıkışmasına karşı direnç sağlamıştır. BSA red deneyleri, bazaltın red verimleri üzerindeki etkilerini onaylamıştır. Daha yüksek bazalt yüzdelerinde, red verimleri saf membranda %78'den, %10 bazalt içeren membranlar için %99'a yükselmiştir.

Abstract:
This thesis investigates the use of some agricultural and industrial wastes in the treatment of different wastewater types. In the first part, five different studies were carried out. Xanthium italicum (XI) was used as an adsorbent for the removal of remazol brilliant blue-R (RBBR) from aqueous solutions. The adsorption process was optimized using response surface methods (RSM). The optimum conditions (R2 = 0.992) were found to be : XI = 3 g, pH = 9, contact time = 84 min, RBBR = 50 ppm. The Crystal Violet (CV) adsorption capabilities for Centaurea solstitialis (CS) and Verbascum thapsus (VT) plants were compared. The experimental design was done using the surface response method (RSM). It was proven that CS and VTL plants are effective, cheap, and easily available adsorbents for CV dye adsorption from the aqueous solutions. The calorific values of the dyed adsorbent materials were 4458.059 kcal.kg-1 for CS, and 4120.330 kcal.kg-1 for VTL. According to these values, the dyed adsorbents have the potential to be used within the scope of waste-derived fuel (ATY). Green hydrochar was synthesized from the Quercus coccifera plant in the sub-critical water medium (SWMM). The prepared hydrochar was used to remove the basic red 18 (BR18) dye from the aqueous solution. This method is green synthesis since no chemicals are used in the production of hydrochar. In addition, it can be considered as an economical method since the preparation temperature does not exceed 2400C and its efficiency reaches 72%. As a result, it has been found that Hydrochar obtained from Q. Coccifera with the SWM method is an effective adsorbent in removing BR18 dye from an aqueous solution by adsorption process. The use of the new product obtained by combining green synthesized zero-valent iron nanoparticles with Verbascum thapsus L. (VTL) plant in reducing Cr (VI) was investigated. The Cr (VI) reduction occurred completely after 30 minutes at the original pH value (5.2) for                     25 mg,L-1 and at the dose of 1g L-1. The conditions of using Verbascum thapsus L. (VTL) as a biomembrane for activated sludge filtration were investigated. COD, carbohydrate, and protein removal were 57%, 98%, and 90%, respectively. In the second part, the use of basalt wastes in wastewater treatment was examined.  
In the second part, the heterogenic catalyst properties of basalt used for Fenton oxidation of azo dyes were investigated.  In this study, basalt was used as a catalyst for the removal of Malachite Green (MG) and Crystal Violet (CV) dyes from the aqueous solution. Maximum removal efficiency for both dyes (CV and MG) occurred at B-600, original pH (6.0), a dose of 1 g / L basalt, and 12 mM H2O2. Basalt was also studied in real textile wastewater. The removal efficiency was found to be 54% at the conditions of pH 2.5 g / L basalt, 400 mM H2O2. The use of basalt powder as a natural heterogeneous catalyst in the Fenton and Photo-Fenton oxidation of cationic dyes was studied. The removal efficiencies for MB and BR18 by the Fenton process were 87% and 28%, respectively. The Photo-Fenton process had maximum removal efficiency with 100% for MB and 70% for BR18 dye. The optimum conditions were 70 mg/L dye concentration,5 mM H2O2, 1.0 g/L basalt, and pH 2.0. The removal efficiencies for MB by Fenton and the photo-Fenton process were higher and faster than the removal efficiencies of BR18 because of dye structure. A new basalt-based fiber membrane was prepared by the electrospinning method. The effects of feed rate, voltage, end-collector distance, and basalt content on pure water flux, activated sludge flux, COD removal, and porosity in prepared fibers were investigated using the response surface method. The results showed that basalt powder increased the flux. Basalt fiber membrane has demonstrated fouling-resistant properties as it increases hydrophilicity and decreases porosity. Basalt waste doped polyether sulphone (PES) membranes were prepared by the phase inversion method. Basalt and polymer concentration and membrane thickness parameters were optimized using the response surface method. Pure water flows increased when it was added to the basalt membrane up to 6%. Basalt provided resistance to membrane compression. BSA rejection experiments confirmed the effects of basalt on rejection efficiencies. At higher percentages of basalt, rejection efficiencies increased from 78% in the pure membrane to 99% for membranes containing 10% basalt.