Treatment of textile wastewaters using combinations of biological and physico-chemical methods

Abstract

Considerable amounts of water and chemicals are used in the textile industry, and the presence of dyes in the wastewater is a problem of environmental concern. Synthetic dyes are designed to resist light, water and chemicals to improve the quality of the textiles; however, these properties also contribute to their persistence in the environment. The existence of wastewater treatment plants in connection to the textile industries varies from region to region, and while some treatment plants are quite efficient, others are not even in use. The pollution of dye-containing wastewater has clear visible effects and some dyes are also suspected to be biologically modified into carcinogenic and toxic compounds.



Common techniques used for the treatment of dye wastewater are physical or chemical methods, such as precipitation, membrane filtration or adsorption in combination with aerobic biological treatment. Even though these techniques can be efficient, they can also be quite expensive and are based on transfer of the pollutant from one phase to another, thereby creating secondary waste. Moreover, the majority of synthetic dyes are recalcitrant to conventional aerobic biodegradation. With the purpose of finding a better alternative for the treatment of textile wastewaters, a number of methods were evaluated using azo dyes collected from the Indian and Bolivian textile industries. The studied treatment alternatives were both biological and physico-chemical methods selected on the basis to provide complete dye degradation and not only phase removal. Since textile effluents can be very diverse depending on the concentration of the dyes and additional chemicals, the focus was also to evaluate the robustness of the methods.



To confirm the recalcitrance of the dyes under conventional aerobic conditions, studies using activated sludge collected from a municipal wastewater treatment plant in Lund, Sweden, were conducted. The results showed that the dyes were not degradable under aerobic conditions. The first alternative that was evaluated was degradation by white rot fungi. These fungi grow on trees and degrade lignin through the use of extracellular enzymes. Due to the unspecificity of these enzymes, it has been shown that they also can be used to degrade a wide range of recalcitrant pollutants. The process was evaluated using various fungal species as well as extracted enzymes. Even though high decolourisation efficiencies were obtained, the dyes were not fully degraded. Moreover, it was difficult to run a stable process when using the fungi in non-sterile reactors. Secondly, we evaluated a combined anaerobic-aerobic process using sludge from a municipal wastewater treatment plant, from a textile industry and from a chemical industry. Even though this process was both robust and efficient in decolourising the dyes, all intermediates were not degraded. Thereafter two physico-chemical methods, photocatalysis and photo-Fenton, were evaluated. Both these processes are based on the production of highly reactive hydroxyl radicals, which degrade the pollutant. In the photocatalysis titanium dioxide was used as a catalyst, while hydrogen peroxide and ferrous iron were added in the photo-Fenton treatment. Almost complete dye decolourisation and degradation could be achieved using both methods. The drawbacks with these methods, however, are the high energy use and the cost of the catalyst/reagents. Combining a physico-chemical method with a biological method could take advantage of both the cost efficiency of the biological process and the efficiency of the physico-chemical process. Using combined photocatalytic-biological treatment and combined photo-Fenton-biological treatment, it was shown that complete degradation could be achieved while reducing the chemical requirements of the photo-Fenton process as well as the treatment time of the photocatalysis. Comparing the two physico-chemical methods, the photo-Fenton process appeared to be a faster and more robust alternative, requiring lower catalyst concentrations. The combined biological-photo-Fenton process can thereby be considered as a promising alternative for treatment of textile wastewaters and should be further studied on real textile wastewater using sunlight as radiation source.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

En vän till mig berättade hur hon hade köpt en färgglad t-shirt vid en resa till Indien. Första gången hon hade den på sig började det att ösregna och ett par minuter senare fanns det snopet nog mer färg i de kringliggande vattenpölarna än i tyget. Lyckligtvis har de flesta färger idag bättre kvalitet än så. De färger som används inom textilindustrin är utvecklade för att uppfylla konsumentens krav på färgbeständighet vid tvätt och exponering för solljus. Därtill kommer andra önskemål, framförallt att kläderna ska vara så billiga att man enkelt kan köpa nya i takt med modets växlingar. Men människors önskan att ständigt uppdatera sin garderob har en baksida. Vägen från bomullsodling till färdiga kläder kantas av problem. Moderna textilier har omfattande påverkan på miljön i de områden där de tillverkas, något som konsumenterna oftast inte är medvetna om eftersom tillverkningen är förlagd långt från vår del av världen.



I textilindustrin används stora mängder av färg och vatten. Eftersom färgerna är framställda för att vara beständiga är de även svårnedbrytbara genom traditionell vattenrening. På många ställen kan vattenreningen därmed vara otillräcklig och i värsta fall saknas den helt. Det allvarligaste problemet med obehandlat färgvatten är att det bidrar till svåra föroreningar av grundvatten samt intilliggande vattendrag och åkermark. Detta påverkar såväl djur- och växtliv som de människor som lever i området. Azofärger är de vanligaste textilfärgerna och vissa av dem kan dessutom bilda cancerframkallande ämnen under syrefattiga förhållanden.



Dagens reningsprocesser baseras huvudsakligen på kemisk fällning och därefter ett biologiskt reningssteg. I det kemiska steget tillsätts fällningskemikalier varmed den mesta färgen förflyttas från vattenfasen till en fast fas, slam. Det biologiska steget används därefter för ytterligare rening av vattnet. Tyvärr kan man inte garantera att alla färger bryts ner fullständigt i det biologiska steget. Därtill kommer problemet med hantering av slammet från fällningen. Idag läggs det på hög eller grävs ner. Jag har även hört talas om kreativa metoder såsom att använda slammet för att göra tegel till husbyggen eller som gödsel i trädgårdar. Detta är tyvärr inga lyckade användningsområden eftersom det finns en stor risk att färger och andra farliga kemikalier frigörs och sprids.

Det är, av ovannämnda anledningar, av stor vikt att alternativa reningsmetoder utvecklas. Vi satte upp som mål att den reningsprocess vi skulle ta fram skulle vara billig, robust och sist men inte minst leda till fullständig nedbrytning av färgerna. Alternativen vi utvärderade är många, men kan delas upp i två kategorier: biologiska metoder och kemiska metoder. Biologiska metoder är ofta både miljövänliga och billiga, medan kemiska metoder ofta är effektivare, men kräver kemikalietillsats.



Vi började med att utvärdera om vitrötesvampar kunde användas. Dessa svampar är i naturen ansvariga för att återföra lignin till kolkretsloppet. Lignin är en svårnedbrytbar molekyl som är en del av växters cellväggar. Ligninmolekylen består av ett flertal kolringar och vitrötesvampen är den enda kända organism som kan bryta ner den. För att kunna bryta ner lignin har vitrötesvampen olika enzymer till sin hjälp. Enzymerna som utsöndras är ospecifika, vilket betyder att de inte bara kan bryta ner lignin utan även andra molekyler som har en liknande kemisk struktur. Eftersom textilfärger precis som lignin består av ett flertal sammansatta kolringar har det visat sig att man kan använda svamparna för att bryta ner färger. Även om vi kunde uppnå effektiv avfärgning visade det sig att det var svårt att upprätthålla en stabil process.



Vi undersökte därefter om det skulle kunna vara enklare att inte använda hela svampen utan endast de enzymer som produceras av den. Fördelarna med detta tillvägagångssätt är att det är lättare att kontrollera processen och att enzymerna inte är lika känsliga under de förhållanden som råder i ett avloppsvatten. Även om vi lyckades avfärga vattnet både med hjälp av svamp och isolerade enzym bröts färgerna inte ner fullständigt och vi beslöt oss därför för att utvärdera fler metoder.



I nästa steg gick vi över till att använda bakterier hämtade från ett lokalt avloppsvattenreningsverk. Genom att använda en blandning av bakterier istället för en ren kultur får man en stabil process som inte är känslig för kontaminering. Processen som utvärderades var en tvåstegsprocess där ett anaerobt steg (utan syre) kombinerades med en aerob efterbehandling (med syre). Tanken var att färgerna i det anaeroba steget skulle reduceras till mindre beståndsdelar i form av aromatiska aminer som därefter skulle brytas vidare ner i det aeroba steget. Det visade sig att även om avfärgningen var effektiv lyckades vi inte bryta ner färgerna helt och hållet med den här metoden heller. Slutsatsen från detta var att det med hjälp av enbart biologiska metoder kan vara svårt att garantera processens effektivitet. Därför kom vi på idén att kombinera det biologiska steget med en kemisk oxidationsprocess.



De två oxidationsprocesser som vi utvärderade var fotokatalys och foto-Fenton. I fotokatalysen tillsattes titandioxid som katalysator för färgnedbrytning med hjälp av UV-ljus. Även foto-Fenton baseras på användandet av UV-ljus, men här tillsätts istället väteperoxid och järn för att uppnå nedbrytning. I labbet tillfördes UV-ljuset med hjälp av en lampa, men tanken var att processen skulle kunna drivas med hjälp av solljus för att minska elanvändning och kostnader. I båda dessa processer kunde vi uppnå en effektiv nedbrytning, men för att spara kemikalier kan det vara en fördel att endast använda det kemiska steget för att bryta ner de allra svåraste strukturerna, medan det biologiska steget används för substanser som är biologiskt nedbrytbara. Därför utformade vi slutligen en process där den biologiska behandlingen med hjälp av bakterier kompletterades med kemisk oxidation för att dra nytta av fördelarna i båda processerna. I den kombinerade processen kunde vi åstadkomma både effektiv färgnedbrytning och en minskning av kemikalietillsatsen och ser detta som en lovande metod.

• author: Jonstrup, Maria
• supervisor: Bo Mattiasson
• opponent: Professor Allard, Bert, Örebro University, Örebro
• organization: Biotechnology
• publishing date: 2011
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Industrial Biotechnology
• keywords: azo dyes, anaerobic-aerobic treatment, white rot fungi, laccase, photocatalysis, photo-Fenton
• pages: 157 pages
• defense location: Lecture Hall B, Chemistry and Chemical Engineering, Sölvegatan 39, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2011-09-29 10:30:00
• ISBN: 978-91-89627-741
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 11e21d9d-953e-4b22-9c36-8a3172b8c635 (old id 2154024)
• date added to LUP: 2016-04-04 13:22:40
• date last changed: 2018-11-21 21:13:34