ÇD34 TAVUK KESİMHANE ATIKSULARININ ELEKTROKOAGÜLASYON İLE ARITILMASI

Transkript

1 ÇD34 TAVUK KESİMHANE ATIKSULARININ ELEKTROKOAGÜLASYON İLE ARITILMASI Murat Eyvaz 1, Mehmet Kobya 1, Mahmut Bayramoğlu 2, Elif Şentürk 1 1 Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Çevre Mühendisliği Bölümü, Muallimköy Kampusü Gebze-Kocaeli e-posta: meyvaz@gyte.edu.tr, kobya@gyte.edu.tr, e.senturk@gyte.edu.tr 2 Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü, Kimya Mühendisliği Bölümü, Muallimköy Kampusü Gebze-Kocaeli, e-posta: mbayramoglu@gyte.edu.tr ÖZET Bu çalışmada tavuk kesimhane atıksularının elektrokoagülasyon (EC) ile arıtılmasının teknik ve ekonomik analizi, kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) ve yağ-gres giderme verimleri ile toplam işletme gideri temel alınarak incelenmiştir. İşletme gideri hesabında; elektrik-enerji, elektrot tüketimi, işçilik, çamur taşınımı ve bakım-amortisman giderleri dikkate alınmıştır. Elektrot materyali olarak alüminyum (Al) ve demir (Fe), proses değişkenleri olarak ise başlangıç ph sı, akım yoğunluğu ve deney süresi ele alınmıştır. Sonuçlara göre, teknik açıdan %93 lük KOİ giderimi ile (ph 3, 150 A/m 2 ve 25 dakikalık deney süresi şartlarında) Al elektrot, yağ-gres gideriminde ise, % 98 verimle Fe elektrot daha etkindir. Ekonomik açıdan ise, Fe elektrot 0,54 YTL/m 3 veya 0,02 YTL/kg KOİ lük işletme gideri ile Al elektroda (0,04 YTL/kg KOİ) göre daha uygundur. Anahtar Kelimeler: Tavuk kesimhane atıksuları, elektrokoagülasyon, teknik analiz, ekonomik analiz, işletme maliyeti 1. GİRİŞ EC; etkin enerji kullanımı, basit ekipman gereksinimi, otomatik kontrole yatkınlık, işletim kolaylığı, düşük miktarlarda ve kolay ayrılabilen atık çamur üretimi, ortama minimum miktarda iyon salınımı gibi avantajları nedeniyle atıksu arıtımında son yıllarda önem kazanan bir yöntemdir [1-3]. Bu özelliklerinden dolayı EC; tekstil endüstrisi atıksuları, [4 8], kentsel atıksular [9] ve katı atık sızıntı suları [10] gibi pekçok atıksu arıtımında kullanılmaktadır. Türkiye de halen kişi başına yılda 10 kg tavuk eti tüketilmektedir. Tavuk kesimhanelerinde oluşan ve yağ, protein ve selüloz gibi kolloidal madde içeren atıksuların arıtılmasında aerobik ve anaerobik yöntemler kullanılmaktadır [11-15]. Havalandırma için gereksinim duyulan yüksek enerji ve oluşan büyük miktarlarda çamur, aerobik arıtma prosesinin verimliliğini sınırlandırmaktadır. Anaerobik arıtımda ise reaktör içerisinde askıda katı maddelerin birikimi ve yüzen yağlar metanojenik aktiviteyi azaltarak arıtma verimini azaltmaktadır [16-17]. Ayrıca, anaerobik sistemin yüksek organik yüklemelere hassas olması da bir dezavantaj olarak gözükmektedir [18, 19]. Her iki biyolojik proses de uzun hidrolik

2 2 alıkoyma süreleri, büyük reaktör boyutları, yüksek biyokütle konsantrasyonları ve çamur kaybı kontrolü gerektirmektedir. EC prosesi ile çeşitli atıksuların arıtılması üzerinde tekno-ekonomik çalışmalar oldukça kısıtlıdır [20, 21]. Bu çalışmada, tavuk kesimhane atıksularının EC yöntemi ile arıtılmasının teknik ve ekonomik analizi yapılmıştır. Bu amaçla, elektrot materyalinin türünün (Fe ve Al elektrot), atıksu ph sının, akım yoğunluğunun ve EC süresinin arıtım üzerine etkileri araştırılmıştır. Arıtım performans kriterleri olarak KOİ ve yağ-gres giderimleri seçilmiştir. 2. MATERYAL ve METOT Çalışmada kullanılan atıksu, tavuk/gün kesim kapasiteli (480 m 3 atıksu/gün) bir kesimhanenin dengeleme tankından alınmış olup: bileşimi; mg/l KOİ, mg/l BOİ, mg/l yağ-gres, mg/l AKM den oluşmaktadır. Atıksuyun bulanıklığı 600 NTU, iletkenliği 1,99 ms ve ph sı da 6,7 dir. Bu atıksu; kesim, haşlayarak temizleme, tüylerin yolunması, iç temizliği, dondurma, paketleme ve tesisin temizlenmesi gibi çeşitli işlemler sonrasında açığa çıkarak bir elek filtreden geçirilip tüy ve katı maddelerden arındırıldıktan sonra dengeleme tankına gelmektedir. Ham atıksu; yağ-gres, karbonhidrat ve protein gibi organik maddeler içermektedir. Termostatlı elektrokoagülatör 250 cm 3 hacminde Plexiglas malzemeden yapılmış olup, magnetik karıştırıcı ile 200 rpm hızında 25 C sabit sıcaklıkta karıştırma yapılmıştır. EC reaktörü içerisinde monopolar paralel bağlı 4 adet elektrot kullanılmıştır. Fe (%99,5 saflıkta) ve Al (%99,53 saflıkta) elektrotların (anot ve katot) toplam efektif alanı 80 cm 2 ve elektrotlar arasındaki mesafe 11 mm olarak ayarlanmıştır. Elektrotlar, bir dijital güç kaynağına bağlanmıştır ve galvanostatik modda kullanılmıştır (Topward 6306D; 30 V, 6A). EC deneyleri sonunda atıksu filtre edilerek (Whatman 40 filtre kağıdı); KOİ ve yağ-gres analizleri ile birlikte filtre edilen katı maddenin kuru ve yaş tartımları da yapılarak oluşan çamur miktarı maliyet hesabına katılmıştır. Her bir deney sonrası elektrot yüzeyleri temizlenerek, kurutulup yeniden tartılmış ve elektrot tüketimi de hesaplanmıştır. Bu hesaplama da toplam işletme maliyetinin hesabında kullanılmıştır Deneysel İşlem KOİ, BOİ, yağ-gres, iletkenlik, ph ve toplam askıda katı madde analizleri Standard Methods kitabına göre gerçekleştirilmiştir [22]. KOİ ölçümleri spektrofotometrede direkt okuma (DR/2000, HACH, USA) ile yapılmıştır. Yağ-gres analizinde hekzan ekstraksiyonu esas alınmıştır. ph ve iletkenlikte istenilen değerlerin elde edilebilmesi için NaOH veya H 2 SO 4 ile NaCl kullanılmıştır ve ölçümler ise AZ 8601 model ph metre ve Lutron CD-4303 model iletkenlik ölçer ile gerçekleştirilmiştir. 3. TARTIŞMA ve SONUÇLAR Başlangıç ph sının 3, akım yoğunluğunun 150 A/m 2 ve EC süresinin 25 dakika olduğu proses koşulları altında Al elektrotla % 93 lük KOİ giderme verimi elde edilmiştir. Fe elektrot ise yağ ve gres gideriminde % 98 gibi üstün bir performans göstermiştir. Fe elektrotların kullanıldığı sistemde toplam işletme gideri; YTL/m 3 veya 0.02 YTL/kg KOİ olarak hesaplanmıştır. Al elektrot durumunda toplam işletme gideri Fe nin iki katı kadardır. Tavuk kesimhane atıksularının EC ile arıtımından elde edilen tüm veriler ve bunun dışındaki diğer çalışmalar hem teknik hem de ekonomik açıdan değerlendirildiğinde EC ile tavuk kesimhane atıksularının arıtımının daha uygun bir arıtım yöntemi olduğu sonucuna varılmıştır.

3 Teknik Analiz Başlangıç ph sının EC ile arıtıma etkisini belirlemek için, daha önceki bir çalışmadan belirlenen 150 A/m 2 sabit akım yoğunluğu, 25 dakikalık işlem süresi deney şartları kullanılmıştır [23]. Deney sonrası ölçülen ph değeri, her zaman başlangıç ph değerinden yüksek ölçülmüştür. Elektrotlarda oluşan OH /M 3+ oranı 3 e eşittir. Bununla birlikte, oluşan metal hidroksit floklarında bu oran 3 den az olup çözeltide kalan OH - fazlası ortamın ph sını yükseltmektedir. [5 8, 24, 25]. Bu özelliklere göre her iki elektrot materyali de farklı davranışlar sergilemektedirler. EC deneyinde Fe elektrotta, asidik ya da nötral ph ya sahip atıksuda ph değeri 7,5-8 değerlerine ulaşmaktayken, bazik ph ya sahip atıksuda ise ph 10,5 civarında kararlı hale gelmektedir. Al elektrotta ise ph değeri asidik özellikteki atıksuya bağlı olarak değerlerinde seyrederken, başlangıç ph sının artmasıyla son ph değeri de lineer olarak artmaktadır. Başlangıç ph sının KOİ ve yağ-gres giderimi üzerine etkisi Şekil 1(a) da verilmiştir. Her iki elektrot da asidik ph değerlerinde yüksek KOİ giderme verimlerine ulaşmışlardır. ph 2 de Al elektrot %93, Fe elektrot %85 KOİ giderim performansı göstermişlerdir. Nötr ve bazik ph da (atıksuyun ph sı 6,7 de) KOİ giderme verimleri Al için %70, Fe için de %60 olarak gerçekleşmiştir. Yağ-gres gideriminde Al elektrot %64-98 arasında değişen giderme verimleri sergilerken, Fe için giderme veriminin ph dan pek etkilenmediği ve %96-98 olduğu görülmektedir. Yağ-gres kolloidlerinin gideriminde, EC deki elektrik alan içerisinde oluşan metal iyonlarının meydana getirdiği floklardaki adsorbsiyon gibi çeşitli mekanizmalar rol oynamaktadır. Akım yoğunluğunun (25 dakikalık elektroliz süresi ve ph 3 deney şartlarında) KOİ ve yağ-gres giderimi üzerine etkisi Şekil 1(b) de verilmiştir. Her iki elektrot materyali için de, her iki parametrenin gideriminde yüksek akım yoğunluğu etkili olmaktadır. 150 A/m 2 nin üzerindeki A.Y. değerlerinde KOİ gideriminde Al %92 ve Fe %85 giderim verimleri gösterirken, yağ-gres gideriminde ise Al %94 Fe ise %99 verime ulaşmaktadır. Elektroliz süresinin giderme verimlerine etkisini incelemek için EC deneyleri 150 A/m 2 sabit A.Y. ve ph 2deney şartlarında gerçekleştirilmiştir. Şekil 1(c) ye göre her iki elektrot için de KOİ giderme verimleri elektroliz süresinin artmasıyla yükselmektedir. 25 dakikalık süre sonunda Al için bu değer %93 e ve Fe için de %85 e ulaşmıştır. 25 dakikadan büyük değerlerde koagülan floklarının pozitif bir etkisi artık görülmemektedir. Yağ-gres gideriminde 7,5 dakika sonunda Al elektrotlar kararlı bir değere ulaşırken (%90), 15 dakikalık sürede de Fe giderme verimindeki artışla %95 e ulaşmıştır Giderme verimi (%) Giderme verimi (%) 80 Giderme verimi (%) Başlangıç ph (a) Akım Yoğunluğu (A/m 2 ) (b) Elektroliz süresi (dak.) (c) KOİ Al, BOİ Fe, Yağ&gres Al, Yağ&gres Fe Şekil 1. Proses değişkenlerinin KOİ ve yağ gres giderimi üzerine etkisi. (a) Başlangıç ph sının etkisi, (b) A.Y. nin etkisi, (c) Elektroliz süresinin etkisi

4 Ekonomik Analiz Toplam işletme maliyeti 480 m 3 /gün kapasiteli bir tesis için hesaplanmıştır. Bu amaçla elektrik, elektrot materyali ile kimyasallar, çamur taşınım ve kontrolü gibi direkt maliyet unsurları ile işçilik, bakım-amortisman ve güç kaynağı ile elektrokimyasal reaktör gibi sabit unsurları da kapsayan dolaylı maliyet hesaplamaları yapılmıştır. Maliyet hesabındaki maliyetler 2006 yılının ilk çeyreğine ait olup değerlendirmeler buna göre yapılmıştır ve Tablo 1 de de sunulmuştur. Şekil 2(a) da ph nın toplam işletme maliyetine etkisi görülmektedir. Metreküp atıksu başına verilen maliyetlerde Fe nin maliyeti Al ye göre daha düşüktür. Parabolik bir maliyet eğrisi gösteren Fe, ph 3 ve 4 değerlerinde minimum maliyet açığa çıkarmıştır. Fe için YTL/m 3 ve Al için 0,9 YTL/m 3 bulunmuştur. Böylece asidik bir başlangıç ph sının hem teknik hem de ekonomik yönden her iki elektrot materyali için de uygun olduğu görülmektedir. Şekil 2(b) ye göre akım yoğunluğunun artması maliyeti de artırmaktadır. Özellikle 150 A/m 2 değerinin üzerine çıkıldığında gerçekleşen maliyetteki ani artış ve Şekil 1(b) ile 2(b) birlikte değerlendirildiğinde A/m 2 A.Y. aralığının hem teknik hem de ekonomik açıdan optimum olduğu görülmektedir. Şekil 2(c) de elektroliz süresinin toplam işletme maliyetine etkisi görülmektedir. Normal olarak sürenin artması ile maliyet de artmaktadır ancak, etkili bir KOİ ve yağ-gres giderimi için en az 20 dakikalık bir süre gerekmektedir. Bu da 0,54 YTL/m 3 lük bir maliyet açığa çıkarmaktadır (Fe elektrot için). EC prosesi süresince proses değişkenlerine bağlı olarak oluşan çamur miktarlarında da farklılıklar gözlenmiştir. Farklı ph değerlerinde Al için 7 10,24 kg/m 3, Fe için de 2,31 11,43 kg/m 3 çamur oluşurken değişik A.Y. değerlerinde ise ( A/m 2 ) Al için 10,77 12,16 kg/m 3 çamur ve Fe için de 8,02 11,43 kg/m 3 çamur oluştuğu görülmüştür. İşletme maliyeti hesabında çamurun susuzlaştırma işleminden sonra katı atık sahasına taşındığı kabul edilmiştir. Toplam İşletme Maliyeti (YTL/m 3 ) 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 Al Fe 0, Başlangıç ph (a) Toplam İşletme Maliyeti (YTL/m 3 ) 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 Al Fe 0, Akım yoğunluğu (A/m 2 ) (b) Toplam İşletme Maliyeti (YTL/m 3 ) 2,4 2,0 1,6 1,2 0,8 Al Fe 0, Elektroliz süresi (dak.) (c) Şekil 2. Proses değişkenlerinin toplam işletme maliyetine etkisi. (a) Başlangıç ph sının etkisi, (b) A.Y. nin etkisi, (c) Elektroliz süresinin etkisi 4.SONUÇ EC nin tavuk kesimhane atıksuyunun arıtılmasında etkili bir yöntem olduğu görülmüştür. Düşük ph (3 gibi), 150 A/m 2 A.Y. ve 25 dakikalık işlem süresinde Al elektrotun KOİ gideriminde Fe ye göre daha etkili olduğu görülmüştür. Al ile KOİ de %93 giderme verimi elde edilmiştir. Diğer taraftan yağ-gres gideriminde ise aynı deney şartlarında (ph dan da bağımsız olarak) %98 lik verimle Fe elektrot daha etkili olmuştur. Ekonomik analize

5 5 bakıldığında 0,54 maliyeti ile Fe elektrotun 0,81 0,94 YTL/m 3 lük bir maliyet açığa çıkaran Al elektrottan daha tercih edilebilir olduğu görülmektedir. Toplam işletme maliyeti giderilen KOİ ye göre hesaplandığında ise, Al için 0,04 ve Fe için de 0,02 YTL/kg KOİ olarak bulunmuştur. Çizelge 1. Toplam işletme maliyeti hesabında kullanılan unsurlar Öğe Maliyet/Faktör Amortisman Güç kaynağı ve ekipmanlar (yıl) 10 EC tankı (yıl) 20 Bakım ( sabit maliyet) 0,06 Elektrik donanımı (YTL/kWh) 0,08 İşçilik maliyeti (YTL/saat) 3,24 Çamur taşınımı ve uzaklaştırılması (YTL/kg) 0,014 Elektrot materyalleri ve kimyasallar Al elektrot (YTL/kg) 2,43 Fe elektrot (YTL/kg) Kimyasallar (YTL/m 3 ) 0,03 5. KAYNAKLAR [1] Chen, G., Electrochemical technologies in wastewater treatment, Separation and Purification Technology. 38, [2] Mollah, M Y.A., Morkovsky P., Gomes, J. A.G., Kesmez, M., Parga, J. and Cocke D. L., Fundamentals, present and future perspectives of Electrocoagulation,Journal of Hazardous Materials, 114, (1-3), [3] Mollah, M. Y A., Schennach, R., Parga J. R. and Cocke D. L., Electrocoagulation (EC) science and applications, Journal of Hazardous Materials, 84, 1, 1, [4] Daneshvar, N., Sorkhabi, H. A. and Kasiri, M. S., Decolorization of dye solution containing Acid Red 14 by electrocoagulation with a comparative investigation of different electrode connections Journal of Hazardous Materials, 112, 1, [5] Kobya, M., Can, O. T. and Bayramoglu, M., Treatment of textile wastewaters by electrocoagulation using iron and aluminum electrodes Journal of Hazardous Materials, 100, 1-3, [6] Can, O.T., Bayramoglu, M. and Kobya, M., 2003 Decolorization of Reactive Dye Solutions by Electrocoagulation Using Aluminum Electrodes, Industrial and Engineering Chemistry Research, 42, [7] Lin, S. H. and Chen, M. L., Treatment of textile wastewater by chemical methods for reuse, Water Research, 31,

6 6 [8] Lin, S. H. and Peng, C. F., Treatment of textile wastewater by electrochemical method, Water Research, 28, [9] Pouet, M. F. and Grasmick, A., Urban wastewater treatment by electrocoagulation and flotation, Water Science and Technology. 31, [10] Tsai, C. T., Lin, S. T., Shue, Y.C. and Su, P. L., Electrolysis of soluble organic matter in leachate from landfills, Water Research, 31, [11] Al-Mutairi, N. Z., Hamoda, M. F. and Al-Ghusain I., Coagulant selection and sludge conditioning in a slaughterhouse wastewater treatment plant, Bioresource Technology. 95, (2), [12] Aguilar, M. I., Saez, J., Llorens, M., Soler, A. and Ortuno, J. F., Microscopic observation of particle reduction in slaughterhouse wastewater by coagulationflocculation using ferric sulphate as coagulant and different coagulant aids, Water Research. 37, [13] Masse, L., Kennedy, K. J.and Chou, S., The effect of temperature on slaughterhouse wastewater treatment in anaerobic sequencing batch reactors, Bioresource Technology, 77, 145. [14] Johns, M. R., Developments in wastewater treatment in the meat processing industry: a review, Bioresource Technology. 54, [15] Barnes, D., Forster, C. F. and Hrudey, S. E., Survey in Industrial Wastewater Treatment, ISBN: , Vol. 1, Pittman Publication Ltd., London, 1984, pp [16] Caixeta, C. E. T., Cammarota, M. C. and Xavier A. M. F., Slaughterhouse wastewater treatment: evaluation of a new three-phase separation system in a UASB reactor Bioresource Technology, 81, [17] Masse, D. and Masse, L., The effect of temperature on slaughterhouse wastewater treatment in anaerobic sequencing batch reactors, Bioresource Technology, 76, [18] Nunez, L. A. and Martinez, B., Anaerobic treatment of slaughterhouse wastewater in an expanded granular sludge bed (EGSB) reactor, Water Science and Technology. 40, [19] Pozo, R. D., Diez, V. and Beltran, S., Anaerobic pre-treatment of slaughterhouse wastewater using fixed-film reactors, Bioresource. Technology, 71, [20] Bayramoglu, M., Can, O. T., Kobya, M. and Sozbir M., Operating cost analysis of electrocoagulation of textile dye wastewater, Separation and Purification Technology, 37, [21] Donini, J. C. Kan, J., Szynkarczuk, J., Hassan, T. A., Kar, K. L. and Can, J., The operating cost of Electrocoagulation, Chemical Engineering 72, [22] American Public Health Association (APHA), Standard Methods for Examination of Water and Wastewater, 18th ed., ISBN: American Public Health Association, Washington, DC, [23] Kobya, M., Senturk, E. and Bayramoglu, M., Treatment of poultry slaughterhouse wastewaters by Electrocoagulation, Journal of Hazardous Material, 133, 1, [24] Chen, X., Chen, G. and Yue P. L., Separation of pollutants from restaurant wastewater by Electrocoagulation, Separation and Purification Technology, 19, [25] Chen, G., Chen, X. and Yue P. L., Electrocoagulation and Electroflotation of Restaurant Wastewater, Journal of Environmental. Engineering. 126,