Process Optimization of Cosmetic Industry Wastewater Treatment By Electro-Fenton Using Response Surface Methodology

Öz

In this study, response surface methodology (RSM) approach using Central Composite Design (CCD) was applied to develop mathematical model and optimize process parameters for COD removal from cosmetic industry wastewater by electro-Fenton process. Evaluation of the effects and interactions of process variables; pH, current, reaction time and H2O2/COD ratio were studied. Analysis of variance (ANOVA) showed the relative significance of process parameters in removal process. The second-order regression model was developed to predict the removal efficiencies using Statgraphics Centurion XVI.I software programme. The obtained optimum values via model for pH: 4, current: 4 A, reaction time: 27.6 min, H2O2/COD: 2 were determined. Under optimal values of process parameters 86% COD removal efficiency was obtained. The operational cost including both electricity and the electrode consumption at optimum conditions were determined to be 6.18 €/m3. Results of the study showed that RSM is a powerful tool for optimizing the operational conditions of electro-Fenton for COD removal from cosmetic industry wastewater.

Anahtar Kelimeler

• Cosmetic industry wastewater,Electro-fenton,RSM,COD Removal,Cost analysis

Kozmetik Sanayi Atıksularının Elektro-Fenton Yöntemi ile Arıtımında Cevap Yüzey Metodu Kullanılarak Proses Optimizasyonu

Öz

Bu çalışmada, elektro-Fenton prosesi ile kozmetik sanayi atıksularından KOİ gideriminde proses parametrelerinin optimizasyonu ve matematiksel model oluşturulması için cevap yüzey metodlarından biri olan merkezi kompozit dizayn metodu uygulanmıştır. Proses değişkenleri olan pH, akım, reaksiyon süresi ve H2O2/KOİ oranının KOİ giderim verimleri üzerine etkileri değerlendirilmiştir. Giderim veriminin tahmin edilmesi için ikinci dereceden regresyon modelleri, Statgraphics Centurion XVI.I yazılım programı kullanılarak geliştirilmiştir. Optimum şartların belirlenmesi için varyans analizi (ANOVA) uygulanmış ve cevap yüzey grafikleri çizilmiştir. Model yardımıyla optimum şartlar; pH 4, akım 4 A, reaksiyon süresi 27,6 dakika ve H2O2/KOİ oranı 2 olarak belirlenmiş ve optimum şartlar altında KOİ giderim verimi %86 olarak belirlenmiştir. Optimum şartlarda elektrik ve elektrot sarfiyatını içeren işletme maliyeti 6,18 €/m3 olarak belirlenmiştir. Çalışma sonuçları, cevap yüzey yönteminin, kozmetik sanayi atıksuyuna uygulanan elektro-Fenton prosesinin işletme şartlarının optimizasyonu için etkili bir yöntem olduğunu göstermektedir.

Anahtar Kelimeler

• Kozmetik sanayi atıksuyu,Elektro-Fenton,Cevap yüzey metodu,KOİ giderimi,Maliyet analizi

Kaynakça

1. 1. Bautista, P., Mohedano, A.F., Gilarranz, M.A., Casas, J.A., Rodriguez, J.J., 2007. Application of Fenton Oxidation to Cosmetic Wastewaters Treatment. Journal of Hazardous Materials, 143(1-2), 128-134.
2. 2. Loraine, G.A., Pettigrove M.E., 2006. Seasonal Variations in Concentrations of Pharmaceuticals and Personal Care Products in Drinking Water and Reclaimed Wastewater in Southern California. Environ. Sci. Technol, 40, 5811-5816.
3. 3. Aloui, F., Kchaou, S., Sayadi, S., 2009. Physicochemical Treatments of Anionic Surfactants Wastewater: Effect on Aerobic Biodegradability, J. Hazard. Mater., 164, 353–359.
4. 4. Marcinowski, P.P., Bogacki, J.P., Naumczyk, J.H., 2014. Cosmetic Wastewater Treatment Using the Fenton, Photo-Fenton and H2O2/UV Processes. J. Environ. Sci. Heal A Part A, 49, 1531–1541.
5. 5. Guvenc, S.Y., 2017. The Optimization and Modeling of PCP Wastewater Using Response Surface Methodology by Electrocoagulation Process. Desalination and Water Treatment, 63, 34–42.
6. 6. Deliktaş, E., 2011. Kağıt Endüstrisi Atıksularının Elektro-Fenton Prosesi ile Arıtılması, Yüksek Lisans Tezi, Selçuk Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Konya.
7. 7. APHA, 2005. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, APHA, 21. Edition, Washington DC, USA.
8. 8. Ölmez, T., 2009. The Optimization of Cr(VI) Reduction and Removal by Electrocoagulation Using Response Surface Methodology, J.Hazard. Mater., 162, 1371-1378.

9. 9. Oba, Ş., 2012. Ekstraksiyon Koşulları Optimize Edilmiş Bazı Baharat Ekstratlarının Köftenin Depolama Stabilitesi Üzerine Etkilerinin Cevap Yüzey Metodu Kullanılarak Belirlenmesi, Yüksek Lisans Tezi, Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kayseri.
10. 10. Kasap, T., 2017. Kağıt Endüstrisi Atıksularının Peroksit İlaveli Elektrokoagülasyon Yöntemi İle Arıtımında Cevap Yüzey Yöntemi Kullanılarak Proses Optimizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimi Enstitüsü, İstanbul.
11. 11. Lucking, F., Koser, H., Jank, M., Ritter, A., 1998. Iron Powder, Graphite and Activated Carbon as Catalysts Fort the Oxidation of 4chlorophenol with Hydrogen Peroxide in Aqueous Solution, Water Research, 32, 2607-2614.
12. 12. Varank, G., Guvenc, S.Y., Demir, A., 2018. A Comparative Study of Electrocoagulation and Electro-Fenton for Food Industry Wastewater Treatment: Multiple Response Optimization and Cost Analysis. Separation Science and Technology, 53(17), 2727-2740 https://doi. org/10.1080/01496395.2018.1470643 (Baskıda).
13. 13. Kumar, M., Ponselvan, F.I.A., Malviya, J.R., Srivastava, V.C., Mall, I.D., 2009. Treatment of Bio-digester Effluent by Electrocoagulation Using Iron Electrodes, J. Hazard. Mater., 165, 345-352.
14. 14. Amani-Ghadim, A. R., Aber, S., Olad, A., Ashassi-Sorkhabi, H., 2013. Optimization of Electrocoagulation Process for Removal of an Azo Dye Using Response Surface Methodology and Investigation on the Occurrence of Destructive Side Reactions, Chem. Eng. Process., 64, 68-78.
15. 15. Zhang, H., Li, Y., Wu, X., Zhang, Y., Zhang, D., 2010. Application of Response Surface Methodology to the Treatment Landfill Leachate in a Three-dimensional Electrochemical Reactor. Waste Manage., 30, 2096-2102.
16. 16. Mohajeri, S., Aziz, H.A., Isa, M.H., Zahed, M.A., Adlan, M.N., 2010. Statistical Optimization of Process Parameters for Landfill Leachate Treatment Using Electro-Fenton Technique, J. Hazard. Mater. 176, 749–758.
17. 17. Varank, G., Guvenc, S.Y., Gurbuz, G., Engin, G.O., 2016. Statistical Optimization of Process Parameters for Tannery Wastewater Treatment by Electrocoagulation and Electro-Fenton Techniques. Desalination and Water Treatment, 57, 25460–25473.
18. 18. Guvenc, S.Y., Okut, Y., Ozak, M., Haktanir, B., Bilgili, M.S., 2017. Process Optimization Via Response Surface Methodology in the Treatment of Metal Working Industry Wastewater with Electrocoagulation. Water Science & Technology, 75(4), 833-845.
19. 19. Varank, G., Sabuncu, M.E., 2015. Application of Central Composite Design Approach for Dairy Wastewater Treatment by Electrocoagulation Using Iron and Aluminum Electrodes: Modeling and Optimization. Desalin. Water Treat., 56, 33-54.
20. 20. Koç, B., Kaymak Ertekin, F., 2009. Yanıt Yüzey Yöntemi ve Gıda İşleme Uygulamaları. Ege Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Gıda Mühendisliği Bölümü, İzmir.
21. 21. Akan, G., 2013. Biyokütleden Basınçlı Piroliz Yöntemiyle Elde Edilen Ürünlerin Cevap Yüzey Metodu Kullanılarak Optimizasyonu ve Karakterizasyonu. Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Kimya Mühendisliği Anabilim Dalı, Eskişehir.