Entwicklung von prozessnahen Teilstrom-Abwasser- Behandlungsverfahren auf der Basis biologischer und sonochemischer Reaktorstufen mit online-prozessanalytischer Verfahrensoptimierung Inauguraldissertation zur Erlangung des Doktorgrades der Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität zu Köln vorgelegt von Arezou Fakouri aus Mashad (Iran) docupoint rhein-ruhr GmbH, Ratingen Köln 2011 Berichterstatter: Prof. Dr. Axel G. Griesbeck, Universität zu Köln Prof. Dr. Uwe Ruschewitz, Universität zu Köln Prof. Dr. Astrid Rehorek, Fachhochschule Köln Tag der letzten mündlichen Prüfung: 22.10.2010 Dissertation im Rahmen des kooperativen Promotionsverfahrens der Mathematisch- Naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität zu Köln und der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften der Fachhochschule Köln. Die vorliegende Arbeit entstand während meiner Tätigkeit als wissenschaftliche Mitarbeiterin im Zeitraum von Oktober 2006 bis August 2010 im Rahmen des von der Rhein-Energie-Stiftung finanzierten Forschungsprojekts innerhalb der Forschungskompetenzplattform STEPS in der Fakultät für Angewandte Naturwissenschaften der Fachhochschule Köln. Die wissenschaftliche Betreuung erfolgte durch Prof. Dr. A. Rehorek von der Fachhochschule Köln und Prof. Dr. A. G. Griesbeck von der Universität zu Köln. Danksagung Mein besonderer Dank gilt Frau Prof. Dr. A. Rehorek für die Überlassung des Themas und die vielen Diskussionen und Anregungen bei der Durchführung des Projekts, das sie äußerst engagiert geleitet hat. Ich danke ganz herzlich Herrn Prof. Dr. A. G. Griesbeck für seine Bereitschaft zur Übernahme eines kooperativen Promotionsverfahrens sowie die fachliche Unterstützung und die damit verbundenen Arbeitskorrekturen. Ich bedanke mich bei Herrn Dr. Andreas Röhrl für die kollegiale Unterstützung und Mithilfe. Allen Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern des Fachgebietes danke ich ganz herzlich für die Hilfs- und Diskussionsbereitschaft und das angenehme Arbeitsklima. Ebenso bedanke ich mich bei den Mitarbeitern, insbesondere Herrn Gusakov und Herrn Müller, für die schnelle, technische Unterstützung bei notwendigen Umrüstungen an Bioreaktoren. Meinen Eltern und meinen Geschwistern danke ich ganz herzlich für jede erdenkliche Unterstützung. Zu besonderem Dank bin ich meinem Mann verpflichtet für seine Unterstützung, sein großes Verständnis und die viele Geduld. Ohne ihn wäre mein bisheriger Weg nicht möglich gewesen. Ihm sei diese Arbeit gewidmet. Kurzzusammenfassung Kurzzusammenfassung Der Textilindustrie und insbesondere der Textilveredelungsindustrie wird aufgrund des hohen Anfalls von intensiv gefärbtem Abwasser ein hohes Potenzial an Umweltbelastung zugeschrieben. Azofarbstoffe bilden die größte in Chemie- und Textilindustrie eingesetzte Gruppe der Farbstoffe. Sie gehören wegen ihrer potenziellen Bildung von toxischen aromatischen Aminen, ihrer schweren biologischen Abbaubarkeit und ihrem hohen chemischen Sauerstoffbedarf (CSB) zu den wichtigen Schadstoffen in Industrieabwässern. Im Jahre 2000 trat in Deutschland mit Anhang 38 der Abwasserverordnung eine neue gesetzliche Regelung für Abwasser und Konzentrate der Textilveredlungsindustrie in Kraft. Sie verlangt eine Vorbehandlung mit mindestens 95%-iger Reduktion der Farbigkeit sowie 80%-iger Reduktion des chemischen Sauerstoffbedarfs sowohl für Färbebehälter als auch für Konzentrate von Prozesswasser- Rücklaufströmen. Die zur Entfärbung und Behandlung von farbigen Textilabwässern eingesetzten Verfahren gliedern sich in mehrere Gruppen, die sich physikalischen, chemischen und biologischen Bereichen zuordnen lassen. Bezüglich der Entfärbeleistung und wirtschaftlichen Aspekte erbringen biologische Verfahren die effizientesten Resultate. In dem ersten Teil der vorliegenden Arbeit wurde der Einsatz eines aquasonolytischen Behandlungsverfahrens für organische Phosphorverbindungen, die als Antiflammschutzmittel in der Textilindustrie eingesetzt werden, untersucht. Diese Stoffe erwiesen sich als problematisch, da sie bei den biologischen und chemischen Behandlungsverfahren (Fällung-Flockung-Prozess) nicht in gewünschtem Umfang abgebaut werden. Textilien und Kunststoffe sind allgemein aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung brennbar. Um solche Materialien angesichts des Brandrisikos in Bereichen wie der Bekleidungsindustrie, bei Elektronikgeräten und in der Baukonstruktion einsetzen zu können, ist es notwendig, sie mit Flammschutzmitteln auszurüsten. Der Einsatz von Ultraschalltechnik, die zur Erzeugung von OH-Radikalen fähig und daher den AOP-Verfahren zuzuordnen ist, hat den Vorteil, dass bei Generierung der Aquasonolyse keine zusätzlichen Hilfsmittel oder Reagenzien zur Bildung von OH- Radikalen oder zur thermischen Zersetzung von Schadstoffen (Pyrolyse) nötig sind. I Kurzzusammenfassung Diese chemisch und biologisch schwer abbaubaren Verbindungen konnten durch eine sonochemische Behandlung bei einer Frequenz von 575 kHz, einem Leistungseintrag von 30 W und innerhalb von 5,5 Stunden verringert werden. Es wurde für die Abbaureaktionen eine Kinetik höherer Ordnung bestimmt. Durch Einfügen des Radikalfängers tert-Butanol im Abwasser wurde herausgefunden, dass der sonochemische Abbau der Stoffe nach einer Kombination aus Pyrolyse und Radikalbildung erfolgt. Daher ist eine Behandlung mit Ultraschall mit höheren Ausgangskonzentrationen wirtschaftlicher und zu empfehlen. In dem zweiten Teil dieser Dissertation wurde die biologische Entfernung von zwei in großer Menge in der Textil-, Chemie- und Papierindustrie eingesetzten Reaktivazofarbstoffen, CABVBF und NYROF, untersucht. Die beiden Farbstoffe wurden als synthetisches und Realabwasser in einer Versuchskläranlage behandelt, die auf miteinander kombinierten zweistufigen anaerob/aeroben Prozessschritten eines Bio- Membran-Reaktors beruht. Durch eine online-prozessanalytische Methode werden Proben kontinuierlich mit einem mikrofiltrationsbasierten Probenahmesystem über eine 75 m Bypass-Kapillare mit einer Flussrate von 1 mL/min zum Analysegerät geführt. Zur Analyse der biologischen Abbaureaktionen der untersuchten Azofarbstoffe und ihrer Intermediate wurde eine Ionenpaar-flüssigchromatographische (HPLC) Methode mit Gradienten-Elution und einem Dioden-Array-Detektor (200-800 nm) entwickelt. Die HPLC-Trennung ist mit einem Tandem-Massenspektrometer (Triple Quadropol) über eine Ionenspray- Ionisationsquelle als Interface gekoppelt. Zur Erzeugung von Ionen der Farbstoffe und ihrer Intermediate wird die Ionenspray-Ionisationsquelle im negativen Modus eingesetzt. Zur Entfernung der Matrixeffekte und des Ionenpaarreagenzes (Tetrabutylammonium- acetat) ist nach der HPLC-Trennung und vor der MS-Detektion ein ionenchromatographischer Kationen-Suppressionsschritt installiert. Während der biologischen Behandlung wurden mehrere Peaks in den HPLC-DAD und MS-Chromatogrammen der Bioreaktorinhalte beobachtet. Um die Strukturen dieser Stoffe identifizieren zu können, wurde das HPLC-ESI-MS/MS-Analysensystem mit verschiedenem Scan-Modi eingesetzt. In gleichem Zeitabstand wurde die Konzentration der Azofarbstoffe im anaeroben Reaktor gemessen. Es wurde ein vollständiger Abbau von den beiden untersuchten Farbstoffen erreicht. Für die Abbaureaktionen der beiden Azofarbstoffe wurde eine II Kurzzusammenfassung Kinetik 1. Ordnung bestimmt. Zusätzlich wurde herausgefunden, dass unter gleichen Bedingungen (pH = 7, Temperatur = 37-38 °C, Stoffbeladung = 0,5 mmol—L-1) CABVBF schneller als NYROF abgebaut wird. Basierend auf den Ergebnissen der stoffspezifischen Monitoring-Methode i. konnte eine Abhängigkeit der Entfärberate von Prozessparametern wie dem Redoxpotenzial nachgewiesen werden, welches zur Optimierung der biologischen Entfärbeprozesse verwendet werden kann. ii. konnte ein Abbaumechanismus als Basis für ein besseres Verständnis der Abbaureaktionen vorgeschlagen werden. iii. wurden trotz eines erfolgreichen 95%-igen Abbaus und einer 80%-igen CSB- Reduktion farbige, biologisch schwer abbaubare Intermediate der anaeroben Reduktion des CABVBF, CSRF (M = 303 g/mol), Hydroxynaphthalin (M = 144 g/mol) und PANSA (M = 299 g/mol) identifiziert, die zu einer Restfarbigkeit am Ende des Prozesses beitragen. Ihre Strukturen wurden identifiziert. Die Optimierung des biologischen Prozesses zur Behandlung hochkonzentrierter azofarbstoffhaltiger Abwässer kann durch Kontrolle des optimierten Redoxpotenzials mittels Zugabe eines Induktors wie Ethanol erzielt werden. Des Weiteren lässt sich das Behandlungsverfahren durch Installation eines weiteren Schrittes wie einer Ultrafiltrationsanlage zur Rückhaltung von farbigen Intermediaten und Rückverfärbungsprodukten bei unvollständiger anaerober Farbstoffreduktion sowie durch einen zusätzlichen Ultraschall-Reaktor zum Abbau biologisch schwer abbaubarer Intermediate weiter ausbauen. Ein Vorschlag für die Übertragung der mechanistischen und kinetischen Ergebnisse für die Auslegung eines 3 m3 anaeroben Reaktors wurde erarbeitet. Dazu wurden geeignete Prozessparameter wie Redoxpotenzial, pH, Raumbelastung zur Verfügung gestellt. III Abstract Abstract The textile industry in general and the textile finishing industry in particular are known to have a high environmental impact due to the high production volume of colored sewage. Azo dyes form the largest group of colorants used in chemical and textile industries. They belong to the most important wastewater pollutants because of their potenzial to form toxic aromatic amines, their low biodegradability and their high chemical oxygen demand (COD). The German regulation (Regulation on requirements for the discharge of sewage into waters: Annex 38 textile manufacture, textile finishing), which came into force in 2001, requires pre-treatment of both dye bath concentrates and concentrates from process water recycling streams in order to meet the requirement of 95% decolorization and 80% reduction of COD. There are various chemical, physical and biological sewage treatment methods in order to achieve total degradation and mineralization of azo dyes in industrial wastewaters. Due to their high efficiency of decolorization and favorable economic aspects, biological treatment methods are considered to be the most effective routes. In the first part of this work the biological removal of two reactive azo dyes CABVBF and NYROF that have found widespread use in the textile, chemical and paper industry was investigated. Both dyes were treated as synthetic and real wastewater in a pilot-plant comprising two biological steps (anaerobic/aerobic) of a membrane bioreactor. An online process analytical method involves continuous micro filtration based sampling of the reactor content and injection into the analytical system via a 75 m capillary by- pass at a flow rate of 1.0 mL/min. An ion-pair high-performance liquid-chromatography (HPLC) method with gradient elution and diode-array detector (200-800 nm) has been developed for the analysis of the biodegradation process of the azo dyes and their intermediates. The HPLC-separation is coupled with a tandem mass spectrometer (triple quadrupole) interfaced with electrospray ionization (ESI-MS/MS). The electrospray ionization source operates in negative ionization mode to generate dye and intermediate ions. After HPLC separation and before MS detection a cation exchange step is applied in order to eliminate matrix effects and to remove the ion pair reagent (tetra butyl ammonium acetate) used in the experiments. IV Abstract Multiple peaks are observed in HPLC-DAD and MS chromatograms of bioreactor contents during the biological treatment of dyes. Structural information was obtained by the HPLC-ESI-MS/MS analytical system with different scan modes. The concentration of dyes in anaerobic bioreactor was measured in equal time intervals. The two investigated azo dyes were completely degraded. First order kinetics was found for the degradation reactions of the azo dyes. It was also observed that CABVBF is faster degradable than NYROF under similar conditions (pH = 7, temperature = 37- 38°C , concentration = 0.5 mmol—L-1). Based on the compound specific monitoring the following results were obtained: i. The degradation rate depends on sum parameters such as redox potenzial, which can be used for optimizing the biological treatment process. ii. A possible degradation mechanism for treated azo dyes is proposed. It forms the basis for the understanding of the biological treatment process. iii. In spite of a successful degradation of 95 % and 80% reduction of COD some colored intermediates CSRF (Mw = 303 g), hydroxynaphthalene (Mw = 144 g) and PANSA (Mw = 299 g) of anaerobic reduction of CABVBF were observed, which were not completely removed even in the aerobic step and result in a residual chromaticity at the end of process. The molecular structures of these hardly biodegradable intermediates were elucidated. Effective degradation of highly concentrated dye wastewater could be assured by further process optimization such as controlling the process parameter redox potenzial by dosage of an inductor (ethanol). An additional final step such as the installation of an ultrafiltration device for the retention of both re-colorization products from anaerobic reduction and colored critical intermediates or the use of a sonochemical reactor for the decomposition of hardly and incompletely degradable substances is recommended. The mechanistic and kinetic results of the biological process led to the development and design of an anaerobic reactor with 3 m3 volume. For this reason optimal redox potenzial, pH and volume loading were used as process parameters. V