Microsoft Word - European_Journal_of_Chemistry_1_1_2010_12_14_9 European Journal of Chemistry 1 (1) (2010) 12‐14    European Journal of Chemistry  ISSN 2153‐2249 (Print) / ISSN 2153‐2257 (Online)  2010 EURJCHEM  DOI:10.5155/eurjchem.1.1.12‐14.9        European Journal of Chemistry  Journal homepage: www.eurjchem.com          Biotechnological  treatment  of  effluent  from  the  combined  enzymatic‐ ultrasound scouring of raw wool  Dancho Yordanov*, Rositza Betcheva and Lubov Yotova  a Department of Textile Chemistry, University of Chemical Technology and Metallurgy, Sofia, BU­1000, Bulgaria.  *Corresponding author at: Department of Textile Chemistry, University of Chemical Technology and Metallurgy, Sofia, BU­1000, Bulgaria. Tel.: +359.88793709391;  fax: +359.287.22544. E­mail address: danchoyordanov@gmail.com (D. Yordanov).                  ARTICLE INFORMATION    ABSTRACT Received: 15 February 2010  Received in revised form: 12 March 2010  Accepted: 16 March 2010  Online: 31 March 2010  KEYWORDS    New eco‐labels for textile products and demands to wastewater discharges are forcing wool  scouring processes to reuse wastewater and to search for more efficient and environmental  friendly  methods  of  processing.  This  challenge  has  prompted  intensive  research  in  new  advanced treatment technologies. Due to the high level of detergent usage, the most widely  used  treatment  of wool  scouring  effluent  (WSE)  is  anaerobic. As  the pressure  to  use more  environmentally  acceptable  treatment  methods  increases  there  is  the  need  to  study  alternative, biologically efficient treatment systems for WSE. This work aims at studying the  influence  of  the  combined  enzymatic‐ultrasound  scouring  of  raw  wool  fibers  on  the  effectiveness  of  the  anaerobic  treatment  of  effluents  from  this  processing.  Experiments  carried  out  combined  enzyme  and  ultrasound  scouring  of  wool  followed  by  treatment  of  effluents  obtained.  Aerobic  and  anaerobic  treatments  of  these  effluents  were  performed  using a special  laboratory reactor. Chemical oxygen demand (COD) and biochemical oxygen  demand  (BOD)  of  effluents  from  different  scouring  processes were  defined.  The  results  of  this study indicate that the anaerobic biological and chemical treatments of WSE treated by  combined  enzymatic‐ultrasound  scouring  is  a  promising  alternative  technology  from  the  point  of  view  of  reducing  the  wastewater  pollution  and  the  effective  cleaning  of  effluents  coming out from this process.  Wool scouring effluent  Aerobic treatment  Anaerobic treatment  Clean technology  Activated‐sludge  Enzyme    1. Introduction    The classical process of raw wool washing is accompanied  by  high  pollution  of wastewaters  containing  contaminators  of  organic and non‐organic origin (fats, proteins and detergents).  As a result of this the chemical oxygen demand (COD) reaches  100000  mg/L  and  the  biochemical  oxygen  demand  (BOD)  varies  from  20000  to  40000  (mg/L)  [1],  which  seriously  complicates  the  process  of  purification.  It  is  well  known  that  the existing methods  for purification of  effluents  coming  from  washing  of  raw wool  are  not  effective  enough.  There  are  two  alternatives for increasing the level of purification. The first one  is to decrease the level of pollution, through implementation of  new  ecologically  pure  technologies,  which  do  not  apply  detergents and assure partial oxidizing of the pollutants during  the process of washing. The second one is the implementation  of  modified  biotechnological  processing  that  provides  an  opportunity  of  obtaining  a  higher  level  of  purification  of  effluents.  Series  of  modifications  of  anaerobic  processes  for  biological purification of wastewaters with various nature and  composure are widely used. They are performed by means of  bioreactors  that  have  different  hydrodynamic  conditions  to  execute  the  processes  [2].  An  example  of  such  a  successful  modification  is  the  rotating  anaerobic  biocontactor  spinning  disc reactor with fixed biomass (SDR).  Available  information shows that  the research  in  this area  is  focused  on  searching  technological  solutions  for  rotating  anaerobic  biocontactor  with  fixed  biomass  [3‐6]  as  well  as  decreasing or total replacement of washing detergents that are  used  in  the  process  of washing  of  raw wool with  ecologically  clean enzyme compounds [7‐10].  The  study  aims  to  present  the  influence  of  combined  enzymatic  and  ultrasonic  treatments  of  raw  wool  on  the  effectiveness  of  the  anaerobic  treatment  of  this  process  effluent.     2. Experimental       2.1. Materials and treatments    The  enzymes  used  in  this  study  were  the  commercials  proteases  Bioprot  Multi,  Bioprot  Gentle  and  Neoprotease‐L,  supplied by Biocon S.A. Bulgarian Merino raw wool (quality 64  and  fibre  diameter  about  22‐25  μm)  was  used  for  the  experiment.  They  were  treated  at  the  following  conditions:  Quantity  of  wool,  75  g.;  Volume  of  bath,  3000  mL;  pH=  7.5  phosphate  buffer;  0.25  %  (w/v)  enzyme.  The  wool  scouring  was performed in an originally designed laboratory equipment  that combines the scouring bath and ultrasonic generator with  a frequency of emission 45 kHz.     2.2.  Biochemical  Oxygen  Demand  (BOD)  and  Chemical  Oxygen Demand (COD)     The detection of BOD and COD of wool scouring liquor was  performed  in  accordance  with  the  standard  method:  5210  Biochemical  Oxygen  Demand  (BOD)  [12];  5220  Chemical  Oxygen Demand (COD) [13].  Yordanov et al. / European Journal of Chemistry 1 (1) (2010) 12­14  13  2.3. Total suspended solids (TSS)    Portion of the TSS retained on a filter with a specified pore  size was measured after being dried at a  specific  temperature  of  105  oC.  The  filter  used  for  determination  of  TSS  was  the  Whatman  glass  fiber  filter,  with  a  normal  pore  size  of  about  1.58 µm.    2.4. Experimental set­up     The  3D  plan  view  of  the  experimental  setup  is  shown  on  Figure  1.  The  anaerobic  spinning  disc  reactor  (AnSDR)  has  a  capacity of 3 cm3 with a working volume of 1.8 cm3. The AnSDR  technology  uses  a  thermopile  stage.  The  temperature  was  55±0.5  oC.  The  gasholder  and  the  primary  setting  tank  had  a  capacity of 2.7 cm3 and 3.5 cm3, respectively.    Figure 1. 3D visualization of the used laboratory installation.   Several  characteristics of  the anaerobic process as well  as  the  existing  models  for  defining  the  parameters  of  anaerobic  bio‐discs  were  taken  into  account  in  order  to  determine  the  dimensions  of  the  bio‐discs  and  to  build  the  reactor  [11].  Contemporary  mathematical  models  based  on  the  kinetics  of  the  bacterial  growth  and  considering  the  mass‐exchange  processes  occurring  on  the  bio‐discs  have  been  taken  into  consideration  as  well.  After  certain  transformations  of  the  existing model  several mathematical  equations were  adopted  to calculate the diameters of bioreactor discs. It was found out  that  if  the  internal  diameter  of  the  bioreactor  is  d0  60  mm  diameters  of  the  bio‐discs  as  well  as  their  forms  have  to  be  different.  In  our  case  disc  (1)  has  an  even  surface  and  a  diameter  of  d1  50  mm,  while  disc  (2)  has  a  diameter  of  d2  58mm,  representing a  cone‐like  surface with  an  inclination of  (gradient) 33o. Both discs are shown in Figure 2.   The  principle  of  function  of  (SDR)  is  shown  in  Figure  3.  According to the presented scheme the polluted water gets into  the primary settling tank, where the water insoluble pollutants  are deposited into the anaerobic bioreactor. The wastewater on  disc (1)  is  transferred by centrifugal  force to the outer part of  the disc. Due to the difference in the diameters, water falls onto  disc (2) and by gravity  falls  to  the center of  the cone disc and  passes  through specially placed holes on  to disc  (3). Thus  the  treated  water  passes  through  the  surface  of  the  bio‐discs  reaching the pump (5) as shown in Figure 1 where the water is  transferred back  to  the bioreactor  (the  cycle  is  repeated over  and  over  again).  Activated  sludge  (АS)  has  been  taken  from  Sofia  city  purification  station  of  wastewater  (in  Kubratovo  village).  AS was  placed  into  the  bioreactor  for  a  period  of  75  days, and each day it was supplied with biogenic elements and  after  the  30th  day  it  was  fed with  acetate.  Every  72  hours  an  anaerobically  treated  wastewater  sample  has  been  taken  for  characterization  (pH,  COD,  BOD  and  total  suspended  solids  (TSS) was measurements).      Figure 2. 3D visualization of discs 1 and 2.      Figure 3. Principles and operation of SDR.    3. Results and Discussion    Results  reflecting  pH  changes  of  anaerobically  treated  wastewaters can be seen in Table 1. Water, after the combined  enzymatic‐ultrasound  wool  scouring  process  is  neutral,  but  after  completing  the  anaerobic  treatment  it  is  alkaline.  The  alkalinity  of  the  treated  water  has  constant  pH  which  is  between 7.9 and 8.2 for all experiments with different enzymes  for  scouring  and with  different  number  of  purification  cycles.  TSS values show a very high reduction even after only 1 cycle of  purification.  Impurities on the raw wool vary a  lot  in terms of  their  composition  and  quantity.  This  is  a  reason  for  the  differences  in pH and TSS of  input water  (scouring  effluents).  Bearing in mind the relative change of TSS before and after the  anaerobic  treatment  applied  in  the  presented  study,  the  average value of the purification degree is in the range 70‐80%.  This  average  value  remains  the  same  independent  of  the  number of anaerobic treatment cycles applied (from 1 to 4) or  enzymes used for scouring.  Logically it could be supposed that  a single cycle of 72 hours anaerobic treatment could be enough  for an acceptable purification of studied effluents.  Measured values of COD and BOD are illustrated in Figure 4  and  5. It can be seen that the decrease of COD of effluents     14  Yordanov et al. / European Journal of Chemistry 1 (1) (2010) 12­14      Table 1. Total suspended solids (TSS) and pH at input and output after 72 hours treatment in anaerobic environment of wastewater under combined (enzyme‐ ultrasonic) processing of raw wool from: Neoprotease‐L, Bioprot Multi and Bioprot General.  Enzyme  Number of purification cycles   Total Suspended Solids  pH  in mg/L  out mg/L  Purification degree% (w/w)  in  out  Neoprotease L  1  241 48 80.08  7.1 8.1 2  185 60 67.57  6.8 8.2 3  167 41 75.45  7.2 8.1 4  152 35 76.97  7.1 8.0       Bioprot Multi  1  187 42 77.54  6.7 7.9 2  162 38 76.54  6.9 7.9 3  198 52 73.74  7.2 8.2       Bioprot Gentle  1  215 67 68.84  7.1 8.0 2  196 45 77.04  7.0 7.9 3  231 63 72.73  6.9 8.1   containing different enzymes at their output compared to their  input is about 96‐98%. The decrease of BOD is also at the same  high level of 96‐98% after 72 hour treatment. The constructive  solutions,  applied  for building  this  anaerobic  reactor  could be  considered as a possible reason for the measured high change  which could be connected with a highly effective purification. A  possible  explanation  for  this  result  could  be  the  additional  separation of the total water volume to smaller sections by bio‐ discs  that  leads  to  a  better  stabilization  and  control  of  the  anaerobic process in the bioreactor.  Another positive factor for  the  process  acceleration  is  the  possible  action  of  centrifugal  force  generated  by  the  spinning  disc  reactor  (SDR)  which  assists  the  formation  of  more  effective  contact  between  the  pollutant and the microorganisms enhancing their hydrolysis.  Figure 4. Chemical Oxygen Demand (COD), open symbol (□‐Neoproteases‐L,  Δ‐Bioprot Multi, ○‐Bioprot Gentle) – COD‐in, closed symbol (■‐Neoproteases‐ L, ● ‐ Bioprot Multi, ▲‐Bioprot Gentle) – COD‐out after 72 hours treatment.    Experimental results for COD and BOD after the treatment  applied  in  the presented  study are:    COD between 1700‐1800  mg/L  and BOD  750‐900 mg/L.  (e.g.  the  ratio  BOD/COD~0.5).  These values remain almost constant and obviously they do not  depend on the  type of enzyme used. The same  is valid  for  the  number  of  purification  cycles  applied  and  could  be  one more  proof  that  72  hours  anaerobic  treatment  in  our  bioreactor  would  be  enough  for  a  sufficient  purification  of  studied  effluents. There  is data  showing  that COD and BOD values  for  the conventional detergent washing of wool are 100000 mg/L  and between 20000‐40000 mg/L,  respectively.  (e.g. BOD/COD  >>0.5)  [1].  Therefore,  the  logical  conclusion  from  the  ratio  of  COD/BOD>>0.5 is that the effluents containing detergents need  a  combination  of  several  purification  methods  e.g.  physical,  physical–chemical  or  chemical methods, while  an  appropriate  anaerobic  treatment  would  be  enough  for  the  purification  of  effluents from enzymatic‐ultrasound scouring of raw wool [11].  Figure 5. Biochemical Oxygen Demand (BOD), open symbol (□‐Neoproteases‐L,  Δ‐Bioprot Multi, ○‐Bioprot Gentle) – BOD‐in, closed symbol (■‐Neoproteases‐L,   ● ‐ Bioprot Multi, ▲‐Bioprot Gentle) – BOD‐out after 72 hours treatment.    4. Conclusion    Effluents from enzymatic‐ultrasound scouring of raw wool  posses  relatively  low  level  of  COD  and  BOD.  Purification  of  these  effluents  can  be  successfully  performed with  anaerobic  treatment. Laboratory equipment with an original construction  can purify protease‐ultrasound raw wool washing wastewaters  up  to  98%  of  their  COD  and  BOD  values  after  72  hours  of  anaerobic treatment.    References    [1]. Norman, P. I.; Seddon, R. J. Soc. Dyers Colour. 1991, 107, 215‐218.  [2]. Sachs, J.; Meyer, P.; Rkehauer, P. Water Research 2003, 37, 973‐982.  [3]. Oxley, P.; Brechtelsbauer, C.; Ricard, F.; Lewis, N.; Ramshaw, C. Ind. Eng.  Chem. Res.  2000, 39(7), 2175‐2182.  [4]. Brechtelsbauer,  C.;  Lewis,  N.;  Oxley,  P.;  Ricard,  F. Org. Proc. Res. Dev.  2001, 5(1), 65‐68.  [5]. Stankiewicz,  A.; Moulijn,  J.  A.  Ind. Eng. Chem. Res. 2002, 41(8),  1920‐ 1924.  [6]. Vicevic, M.; Boodhoo, K.; Scott, K. Chem. Eng. J. 2007, 133, 43‐57.  [7]. Silvaa,  C.  J.  S.  M.;  Prabaharana,  M.;  Gubitzb,  G.;  Cavaco‐Pauloa,  A.  Enzyme Microb. Tech. 2005, 36, 917‐922.  [8]. Silvaa,  C.  J.  S.  M.;  Prabaharana,  M.;  Gubitzb,  G.;  Cavaco‐Pauloa,  A.  Enzyme Micro. Tech. 2006, 39, 634‐640.  [9]. Silvaa, C.  J. S. M.; Guebitz, G.; Cavaco‐Paulo, A.  J. Chem. Tech. & Biotech.  2006, 81(1), 8‐16.  [10]. Schroeder,  M.;  Schweitzer,  M;  Lenting,  H.  B.  M.;  Guebitz,  G.  M.  Biocatalysis biotransfor. 2004, 22, 299‐305.   [11]. Tchobanoglous,  G.; Burton,  F.  L.;  Stensel, H. D. Metcalf & Eddy Fourth  edition. 2002.  [12]. 5210  B.  5‐Day  BOD  Test.  Approved  by  Standard Methods  Committee,  1997.  http://www.norweco.com/html/lab/test_methods/5210bfp.htm.   [13]. 5220 B. Open Reflux Method. Approved by Standard Methods Committee,  1997.  http://www.norweco.com/html/lab/test_methods/5220bfp.htm.