Sızıntı sularının elektrodiyaliz prosesiyle arıtılabilirliğinin ve geri kazanım amaçlı kullanılabilirliğinin araştırılması
Investigation of treatability and recycling of landfill leachate by electrodialysis process
Yazar: FATİH İLHAN
Danışman: PROF. DR. M. TALHA GÖNÜLLÜ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2012
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Elektrodiyaliz = Electrodialysis ; Sızıntı suyu = Leachate

Özet:
Atıksular, arıtımının yanı sıra arıtım esnasında oluşan çıktıların da değerlendirilmesi büyük önem taşımaktadır. Elektrodiyaliz prosesinde ise yüksek kalitede su eldesi sağlanabilir. Eş zamanlı olarak oluşan membran proseslerinde en büyük sorun diye kabul edilen konsantre kısımlarının kullanılabilir biçimde olması önem taşımaktadır. Bu açıdan bakıldığında atık oluşturmayan bir proses olarak detaylı bir biçimde irdelenmesi gerekmektedir.Bu çalışmada elektrodiyaliz prosesinin performansını belirleyebilmek için farklı yaşlardaki (farklı karakterlere sahip) sızıntı suları ayrı ayrı elektrodiyaliz prosesiyle arıtılmaya çalışılmıştır. Elektrodiyaliz prosesi için uygun bir ön arıtım tekniği kullanılarak sızıntı suları elektrodiyaliz prosesine hazır hale getirilmiştir. Akabinde bipolar membranlı elektrodiyaliz prosesi her üç sızıntı suyu tipi içinde çalıştırılmıştır. Farklı işletme şartları altında elektrodiyaliz deiyonizasyon performansı incelenmiş, anolit ve katolit solüsyonlarında da asidik/alkalilik özellikleri belirlenip kullanılabilirlikleri irdelenmiştir.Yapılan çalışmada ön arıtım amacıyla elektrodiyaliz membranlarının tıkanmasını önleyebilmek için bir ultrafiltrasyon ünitesi kurulmuştur. Akabinde membran yüzeylerinde +2 değerlikli başta Ca ve Mg olmak üzere oluşması muhtemel kirliliği önleyebilmek için seri bağlı 5 kademeli katyon değiştirici kullanılmıştır. Ön arıtım ile kalsiyum giderimine bakıldığında sırasıyla genç, orta yaşlı ve yaşlı sızıntı suları için %94,1, %93,6 ve %88,2'lik bir giderim verimi elde edilebilmiştir. Benzer şekilde magnezyum iyonları için de genç orta ve yaşlı sızıntı suları için sırasıyla %97,1, %99,5 ve %88,7'lik giderim verimine ulaşılabilmiştir.Ön arıtım sonrası membran dizilimi ve elektriksel gerilim gibi işletme parametreleri üzerinde optimizasyon çalışması yapılmış ve kirleticilerin deiyonizasyonu sağlanmıştır. Yapılan çalışmalarda en iyi verim genç sızıntı suları için 4 bipolar membran içeren 25V'luk elektriksel gerilim uygulanan çalışmada elde edilmiştir. Bu çalışmada 190 dakikalık süre sonunda sızıntı suyunun 22 mS/cm'den 2mS/cm iletkenlik seviyesine indirgenebilmiştir. Orta yaşlı sızıntı sularında ise en iyi sonuç tek membranlı ve 25 V'lu elektriksel gerilim uygulanan çalışmada elde edilmiştir. Bu çalışmaya göre sızıntı suyu 14,6 mS/cm'den 2mS/cm'nin altına indirgenebilmiştir. Yine bu çalışmada %96,15'lik bir amonyak azotu giderimi, %92,8'lik bir TKN giderimi, %86,7'lik bir KOİ giderimi elde edilebilmiştir. Yaşlı sızıntı sularında ise 4 membranlı ve 25V elektriksel gerilim uygulanan çalışma en verimli çalışma olarak belirlenmiştir. Bu çalışmada ise 300 dakikalık süre sonunda 26.4mS/cm'lik iletkenlik değeri 2mS/cm seviyesinin altına indirgenebilmiştir.Arıtma sonucu elde edilen anolit ve katolit çözeltilerinde sürekli olarak pH ölçümleri yapılmıştır. Bu çalışmalarda genç sızıntı sularında H+ ve OH- iyon konsantrasyonları sırasıyla 0,024M ve 0,042 M mertebelerine ulaşmıştır. Benzer şekilde orta yaşlı sızıntı sularında da H+ ve OH- iyon konsantrasyonları sırasıyla 0,095M ve 0,048M seviyelerine kadar artış göstermiştir. Yaşlı sızıntı suları ile yapılan çalışmada da H+ ve OH- iyon konsantrasyonları sırasıyla 0,022M ve 0,026M seviyelerine ulaşmıştır. Bu çalışmaların tamamı 1L atıksuya karşın 1'er L'lik anolit ve katolit çözeltisinde elde edilmiştir. Bu nedenle anolit ve katolit hacimleri atıksuya oranla daha küçük hacimlerde alınarak anolit ve katolitin daha yoğun bir hal alması sağlanmıştır. Bu amaçla yapılan konsantrasyon artışı çalışmalarında anolit ve katolit hacmi 4 kat azaltıldığında H+ iyon konsantrasyonu 0,019M seviyesinden yaklaşık 3,8 kat artış göstererek 0,076 M seviyelerine kadar katolitte OH- iyon konsantrasyonları da 0,023 M mertebesinden 3,98 kat artış göstererek 0,0933 M seviyelerin yoğunlaştırılabilmiştir. Bu hacimlerin daha da azaltılarak daha yoğun asidik ve alkali çözelti eldesi sağlanabileceği görülmüştür.Yapılan çalışmalarda elektrodiyaliz prosesiyle farklı karaktere sahip atıksuların özellikle iyonik kirleticiler açısından etkin bir giderim verimi ile arıtılabileceği görülmüştür. Aynı zamanda oluşan atıkların asidik ve alkali formda olması nedeniyle karışık asit ve karışık baz şeklinde değerlendirilebilir formda olduğu görülmüştür. Sonuç olarak tek bir prosesle hem arıtımın sağlanabildiği ve hem de arıtma çıktılarının değerlendirilebileceği belirlenmiştir.

Abstract:
Beside the treatment of wastewaters, it is very important to make use of treatment byproducts. Electrodialysis process could produce high quality waters. Simultaneously, it is very beneficial that the byproducts of the process, the concentrate which is considered the origin of problems for membrane processes, could be used. Thus, these processes need to be evaluated in detail as those with no byproducts.This study focuses on the treatment of three leachates of various ages (with differing characteristics) by electrodialysis process to evaluate the process performance. Before applying electrodialysis, a proper pretreatment method was applied to the leachates to prepare them for the electrodialysis process. Three leachates of various ages were then treated by the bipolar-membrane elecrodialysis process under different operational conditions to evaluate the process? deionization performance. Further, the use of anolite and catholide solutions were investigated based on their acidic/alkaline properties.In the study, an ultrafiltration unit was installed as a preliminary treatment unit to prevent fouling of electrodialysis membranes. The ultrafiltration unit was followed by a five-stage cationic exchanger to remove primarily divalent cations such as calcium and magnesium. Calcium removal efficiencies of preliminary treatment were 94.1%, 93.6%, and 88.2% for young, medium-aged, and old leachates, respectively. Magnesium removal efficiencies were 97.1%, 99.5%, and 88.7%, respectively.In the deionization process after the preliminary treatment, an optimization work was done on operational parameters such as membrane order and voltage. Best performances were obtained for young leachate for which four bioplar membranes were used at a voltage of 25 V. The conductivity of leaches after a runtime of 190 minutes were reduced from 22 mS.cm-1 to 2 mS.cm-1. For medium-aged leachate, the best performance was observed in the case of single membrane operated at a voltage of 25 V, with a reduction of leachate conductivity from 14.6 mS.cm-1 to 2 mS.cm-1. For this case, removal efficiencies of 96.15%, 92.8%, and 86.7% were obtained for NH4-N, TKN, and COD, respectively. The best treatment performance for old leachate was obtained in the case of four membranes operated at a voltage of 25 V, with a reduction in leachate conductivity at the end of 300 minutes from 26.4 mS.cm-1 to less than 2 mS.cm-1.Anolite and catholite solutions were continously monitored for pH. For young leachate, the hydrogen and hydroxide ion concentrations were measured as 0.024M and 0.042M, respectively. For medium-aged leachate, the concentrations rised up to 0.095M and 0.048M, respectively. Highest concentrations for old leachate were observed as 0.022M and 0.026M, respectively. All of these results were obtained for 1 L each of anolite and catholite solutions per 1 L of wastewater. Therefore, volumes of anolite and catholite solutions lower than that of wastewater were taken to concentrate the anolite and catholite solutions. At the end of concentration studies in which the volumes were reduced by a factor of four, hydrogen ion concentrations increased, by a factor of 3.8, from 0.019M to 0.076M, while hydroxide ion concentrations increased, by a factor of 3.98, from 0.023M to 0.0933M. It is evident that the concentrations of hydrogen and hydroxide ions may be increased to higher levels by reducing the volumes, through which more concentrated acidic and alkaline solutions may be obtained.This study shows that wastewaters of various characteristics can be treated by electrodialysis process with high removal efficiencies especially in the aspect of ionic pollutants. Besides, the byproducts of the process could be of great value since they can be obtained as concentrated acids and bases. In conclusion, both treatment and use of byproducts can be accomplished in a single process.