Study of a hybrid system : Moving Bed Biofilm Reactor-Membrane Bioreactor (MBBR-MBR) in the treatment and reuse of textile industrial effluents

Abstract

Textile wastewater often shows high color concentration, containing a large range of organic chemicals, with high chemical oxygen demand as well as hard-degradation materials. Therefore, understanding and developing effective textile industrial wastewater treatment technologies is environmentally important. Different treatments such as biological or physico-chemical processes have been studied to treat textile wastewater. Membrane Bioreactor (MBR) technology has been widely applied in textile wastewater treatment and Moving Bed Biofilm Reactor (MBBR) is a relatively novel technology to treat this type of wastewater. Both of them have some deficiencies and limitations during application. Thus, a MBBR-MBR hybrid system could be an attractive solution to the shortcomings of each treatment process. In this thesis, a hybrid MBBR-MBR system has been designed and applied for the treatment of textile wastewater. Additionally, the feasibility of reusing the treated water in new dyeing processes has been studied. The first step of the thesis work has been the comparative study of the treatment of textile wastewater by three treatment processes, conventional activated sludge (CAS), MBR and MBBR, working under the same operating conditions. The results showed that technically, MBR was the most efficient technology, of which the chemical oxygen demand (COD), total suspended solids (TSS), and color removal efficiency were 91%, 99.4%, and 80%, respectively, with a hydraulic retention time (HRT) of 1.3 days. MBBR, on the other hand, had a similar COD removal performance compared with CAS (82% vs. 83%) with halved HRT (1 day vs. 2 days) and 73% of TSS removed, while CAS had 66%. Economically, MBBR was a more attractive option for an industrial-scale plant since it saved 68.4% of the Capital Expenditures (CAPEX) and had the same Operational Expenditures (OPEX) as MBR. The MBBR system also had lower environmental impacts compared with CAS and MBR processes, since it reduced the consumption of electricity and decolorizing agent with respect to CAS. According to the results, the water treated by the MBBR system was reused to make new dyeings and the quality of new dyed fabrics was within the acceptable limits of the textile industry. Combined with the theory and experimental results, a hybrid MBBR-MBR reactor was designed and applied in textile wastewater treatment. The MBBR-MBR system achieved reducing the HRT to 1 day, which is very promising in textile industry comparing with conventional biological treatment. The removal efficiency of COD reached 93%, which is almost the maximum for a biological process treating this type of wastewater, as well as the color removal performance, which achieved 85%. Additionally, 99% of the TSS were removed due to the filtration. Furthermore, new dyeing processes reusing the treated water were performed. Color differences between new dyed fabrics and reference fabrics were found within the general requirement of textile industry (DECMC(2:1) < 1). Additionally, based on the experimental results in the pilot plant, an economic study and LCA analysis were carried out to evaluate the economic and environmental feasibility of the implementation of the hybrid MBBR-MBR on an industrial scale. Economically, MBBR-MBR had lower CAPEX and OPEX than CAS process due to lower effluent discharge tax and the decolorizing agent saved. The result of Net Present Value (NPV) and the Internal Rate of Return (IRR) of 18% suggested that MBBR-MBR is financially applicable for the implantation into industrial scale. The MBBR-MBR system also had lower environmental impacts compared with CAS process in the LCA study, especially in some categories, such as the Climate change, Human Health, Marine eutrophication, and ecotoxicity categories, thanks to the high quality of the effluent treated by MBBR-MBR and the avoiding of using extra decolorizing agent, a compound based on a quaternary amine.

Como uno de los sectores más antiguos y complejos dentro de las industrias manufactureras, la industria textil consume grandes cantidades de agua y produce grandes volúmenes de aguas residuales durante su producción. Las aguas residuales textiles presentan a menudo una elevada coloración, contienen una amplia gama de productos químicos orgánicos, con una alta demanda química de oxígeno, así como materiales con poco degrabilidad. Por lo tanto, comprender y desarrollar tecnologías de tratamiento de aguas residuales industriales textiles eficaces es muy importante ambientalmente. Se han desarrollado diferentes tratamientos, tanto procesos biológicos como físico-químicos para la depuración de aguas residuales textiles. La tecnología de Bioreactor de membranas (conocida por su acrónimo en inglés como MBR) se ha aplicado ampliamente en el tratamiento de aguas residuales textiles, mientras el Reactor de biofilm de lecho móvil (conocido por sus iniciales en inglés como MBBR) es una tecnología relativamente nueva para tratar este tipo de aguas residuales. Ambos muestran algunas deficiencias y limitaciones durante su aplicación. Por lo cual, un sistema híbrido MBBR-MBR podría ser una solución atractiva a los inconvenientes de cada uno de estos dos procesos individuales. En esta tesis se ha diseñado y aplicado un sistema híbrido MBBR-MBR para el tratamiento de aguas residuales textiles. Adicionalmente, se ha estudiado la viabilidad de reutilizar el agua tratada en nuevos procesos de tintura. El primer paso del trabajo desarrollado en la tesis ha sido el estudio comparativo del tratamiento de aguas residuales textiles mediante tres procesos de tratamiento, fangos activados convencionales (CAS), MBR y MBBR, trabajando en las mismas condiciones de funcionamiento. El rendimiento de cada proceso ha sido investigado y comparado desde una perspectiva técnica, económica y ambiental. Los resultados mostraron que, técnicamente, el MBR era la tecnología más eficiente, con valores de eliminación de demanda química de oxígeno (COD), sólidos en suspendidos totales (TSS) y de color de 91%, 99,4% y 80%, respectivamente, a un tiempo de retención hidráulica (HRT) de 1,3 días. MBBR, por otro lado, tuvo un rendimiento de eliminación de COD similar en comparación con CAS (82% frente a 83%), sin embargo reducía a la mitad el HRT (1 día frente a 2 días) y eliminaba un 73% de TSS , mientras que CAS tenía el 66%. Económicamente, MBBR era una opción más atractiva para una planta a escala industrial, ya que ahorraba 68,4% de los gastos de capital (conocidos por sus iniciales en inglés como CAPEX) y vi tenía los mismos gastos operativos (conocidos por sus iniciales en inglés como OPEX) que MBR. El sistema MBBR también tuvo menores impactos ambientales en comparación con los procesos CAS y MBR, ya que redujo el consumo de agente decolorante con respecto a CAS y de electricidad con respecto a MBR. Según los resultados de los análisis económicos y de Análisis de Ciclo de Vida (conocido por sus iniciales en inglés como LCA), el agua tratada por el sistema MBBR se reutilizó para realizar nuevas tinturas comprobando que la calidad de los nuevos tejidos teñidos se encontraba dentro de los límites aceptables de la industria textil. Combinado con la teoría y los resultados experimentales, se diseñó y operó un reactor híbrido MBBR-MBR para el tratamiento de aguas residuales textiles. El sistema MBBR-MBR logró reducir la HRT a 1 día, lo que es muy prometedor en la industria textil, en comparación con el tratamiento biológico convencional. La eficiencia de remoción de COD alcanzó el 93%, que es cercano al máximo para un proceso biológico de tratamiento de este tipo de aguas residuales. Así como el desempeño de remoción de color, que alcanzó el 85%. Además, se eliminó el 99% de los TSS debido a la filtración. A continuación, se realizaron nuevos procesos de tintura reutilizando el agua tratada. La calidad de los nuevos tejidos teñidos con agua tratada se comparó con los tejidos de referencia. Las diferencias de color entre los tejidos nuevos teñidos y los tejidos de referencia se encontraron dentro del requisito general de la industria textil (DECMC (2: 1) <1). La reutilización del agua tratada en nuevos procesos de tintura es beneficiosa tanto para la industria como para el medio ambiente ya que el sector textil es un consumidor intensivo de agua en sus procesos de tintura y acabado. Adicionalmente, con los resultados experimentales en la planta piloto, se realizó un estudio económico y un análisis de LCA para evaluar la viabilidad económica y ambiental de la implementación del sistema híbrido MBBR-MBR a escala industrial. Económicamente, MBBR-MBR tuvo los gastos de CAPEX y OPEX más bajos que CAS debido a las menores tasas de vertido de aguas residuales industriales y al ahorro de agente decolorante. El resultado del Valor Actual Neto (conocido por sus iniciales en inglés como VPN) y la Tasa Interna de Retorno (conocida por sus iniciales en inglés como TIR) del 18% sugirió que MBBR-MBR es financieramente viable para la implantación a escala industrial. El sistema MBBR-MBR también tuvo menores impactos ambientales en comparación con el proceso CAS en el análisis del ciclo de vida (LCA), especialmente en categorías, como cambio climático, salud humana, eutrofización marina y ecotoxicidad, gracias a la alta calidad del efluente tratado con MBBR-MBR y a evitar el uso de agente decolorante, que es un compuesto sintetizado a base de una amina cuaternaria.

Com un dels sectors més antics i complexos dins de les indústries manufactureres, la indústria tèxtil consumeix grans quantitats d'aigua i produeix grans volums d'aigües residuals durant la seva producció. Les aigües residuals tèxtils presenten sovint una elevada coloració, contenen una àmplia gamma de productes químics orgànics, amb una alta demanda química d'oxigen, així com materials poc degrabilidables. Per tant, comprendre i desenvolupar tecnologies de tractament d'aigües residuals industrials tèxtils eficaces és molt important ambientalment. S'han desenvolupat diferents tractaments, tant processos biològics com físic-químics per al tractament d'aigües residuals tèxtils. La tecnologia de Bioreactor de membrana (coneguda pel seu acrònim en anglès, MBR) s'ha aplicat àmpliament en el tractament d'aigües residuals tèxtils, mentre que el Reactor de biofilm de llit mòbil (conegut amb les seves inicials en anglès com MBBR) és una tecnologia relativament nova per tractar aquest tipus d'aigües residuals. Tots dos mostren certes deficiències i limitacions durant la seva aplicació. Per tant, un sistema híbrid MBBR-MBR podria ser una solució atractiva als inconvcenients de cadascun d’aquests dos processos individuals. En aquesta tesi s'ha dissenyat i operatt un sistema híbrid MBBR-MBR per al tractament d'aigües residuals tèxtils. Addicionalment, s'ha estudiat la viabilitat de reutilitzar l'aigua tractada en nous processos de tintura. El primer pas del treball desenvolupat a la tesi ha estat l'estudi comparatiu del tractament d'aigües residuals tèxtils mitjançant tres processos de tractament, fangs activats convencionals (CAS), MBR i MBBR, treballant en les mateixes condicions de funcionament. El rendiment de cada procés ha estat investigat i comparat des de les perspectives tècnica, econòmica i ambiental. Els resultats van mostrar que, tècnicament, MBR era la tecnologia més eficient, amb valors d’eliminació de la demanda química d'oxigen (COD), de sòlids suspesos totals (TSS) i de color de 91%, 99,4% i 80 %, respectivament, amb un temps de retenció hidràulica (HRT) de 1,3 dies. MBBR, d'altra banda, va tenir un rendiment d'eliminació de COD similar en comparació amb CAS (82% enfront de 83%), per contra aconseguia reduir a la meitat el HRT (1 dia enfront de 2 dies) i eliminava el 73% de TSS , mentre que CAS tenia el 66%. Econòmicament, MBBR era una opció més atractiva per a una planta a escala industrial, ja que estalviava el 68,4% de les despeses de capital (conegut amb les seves inicials en anglès com CAPEX) i tenia les mateixes despeses operatives (conegut amb les seves inicials en anglès com OPEX) que MBR. El sistema MBBR també va tenir menors impactes ambientals en comparació amb els processos CAS i MBR, ja que reduia el consum d’agent decolorant respecte a CAS i el consum d'electricitatrespecte a MBR i. Segons els resultats de les anàlisis econòmiques i de Anàlisi de Cicle de Vida (conegut amb les seves inicials en anglès com LCA), l'aigua tractada pel sistema MBBR es va seleccionar per a reutilitzar en noves tintures, comprovant quela qualitat dels nous teixits tenyits es trobava dins dels límits acceptables de la indústria tèxtil. Combinat amb la teoria i els resultats experimentals, es va dissenyar i operar un reactor híbrid MBBR-MBR per al tractament d'aigües residuals tèxtils. El sistema MBBR-MBR va aconseguir reduir la HRT a 1 dia, el que és molt prometedor en la indústria tèxtil en comparació amb el tractament biològic convencional. L'eficiència de remoció de COD va arribar al 93%, que és gairebé el màxim per a un procés biològic de tractament d'aquest tipus d'aigües residuals, així com el rendiment d’eliminació de color, que va arribar al 85%. A més, es va eliminar el 99% dels TSS gràcies a la filtració. A continuació, es van realitzar nous processos de tintura reutilitzant l'aigua tractada. La qualitat dels nous teixits tenyits amb aigua tractada es va comparar amb els teixits de referència. Les diferències de color entre els teixits nous tenyits i els teixits de referència es van trobar dins del requisit general de la indústria tèxtil (DECMC (2: 1) <1). La reutilització d'aigua tractada en nous processos de tintura és beneficiosa tant per a la indústria com per al medi ambient ja que el sector tèxtil és un consumidor intensiu d'aigua en els seus processos de tintura i acabat. Addicionalment, amb els resultats experimentals a la planta pilot, es va realitzar un estudi econòmic i una anàlisi de LCA per avaluar la viabilitat econòmica i ambiental de la implementació del sistema'híbrid MBBR-MBR a escala industrial. Econòmicament, MBBR-MBR va tenir despeses de CAPEX i OPEX més baixes que CAS degut a les menors taxes d’abocament d’aigües residuals industrialsi a l'estalvi d'agent decolorant. El resultat del valor actual net (conegut amb les seves inicials en anglès com VPN) i la Taxa Interna de Retorn (conegut amb les seves inicials en anglès com TIR) del 18% va suggerir que MBBR-MBR és financerament aplicable per a la implantació a escala industrial. El sistema MBBR-MBR també va tenir menors impactes ambientals en comparació amb el procés CAS en LCA, especialment en categories, com canvi climàtic, salut humana, eutrofització marina i ecotoxicitat, gràcies a l'alta qualitat de l'efluent tractat amb MBBR-MBR i al fet d’evitar l'ús de l’agent decolorant , que és un compost sintetitzat a partir d'una amina quaternària.