Hastane atıksularının karakterizasyonu ve arıtım alternatiflerinin incelenmesi
Characterization of hospital wastewater and inverstigation of treatment alternatives
Yazar: SELİN TOP
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET SİNAN BİLGİLİ
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2016
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Bu tez çalışmasının amacı özellikleri çok iyi bilinmeyen hastane atıksularının karakterizasyonunun ayrıntılı olarak geçekleştirilmesi ve farklı arıtım metotları ile bu atıksuların arıtılabilirliliğinin araştırılmasıdır. Bu kapsamda çalışmalar iki ana başlık altında yürütülmüştür. 
Birinci aşamada; kapsamlı bir karakterizasyon çalışması gerçekleştirmek için hastane atıksuyunun fizokimyasal, mikrobiyolojik ve ekotoksikolojik özellikleri incelenmiştir. Ayrıca hastane atıksuyunda bulunan mikrokirleticiler tespit edilerek bu mikrokirleticilerle ilgili toksisite çalışmaları gerçekleştirilmiştir. 
Hastane atıksuyunda fizikokimyasal özelliklerinin belirlenmesi için pH, iletkenlik, klorür, AKM, KOİ, BOİ5, TOK, TKN, NH4-N, ortofosfat, AOX, toplam fenol ve yüzey aktif madde parametrelerinin saatlik, günlük, aylık ve mevsimsel değişimleri 2 yıl süreyle belirli aralıklarla alınan numelerde incelenmiş ve ortalama konsantrasyonları ile standart sapma değerleri tespit edilmiştir. Ayrıca toplam fosfor, toplam azot ve ağır metaller (Cd, Cr, Cu, Pb, Fe, Ni, Zn, Hg) 1 yıl süresince izlenerek ortlama konsantrasyonları ve standart sapma değerleri belirlenmiştir.
Hastane atıksuyunun mikrobiyolojik özelliklerini belirlemek amacıyla yaklaşık 2 yıl boyunca alınan numunelerde; Toplam Koliform, Entroccocci, Staphylococci, Salmonella ve Pseaudomonas aeruginosa analizleri gerçekleştirilerek ortalama değerleri belirlenmiştir. Bunun yanı sıra Toplam Bakteri analizleri yapılarak, hastane atıksuyunda en baskın türün Toplam Koliform bakterileri olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca bakteriyel populasyon değişimi saatlik, günlük, aylık ve mevsimsel bazda yaklaşık 2 yıl boyunca izlenmiştir.
Hastane atıksularının ekotoksikolojik özelliklerinin belirlenmesi için genotoksisite, mutajinite ve 2 farklı akut toksisite (Algal ve Daphnia Magna) testleri gerçekleştirilmiş ve hastane atıksuyunun günlük ve mevsimsel toksisite özelliklerinin değişimi izlenmiştir. Hastanedeki faaliyetlere bağlı olarak atıksuya gelen kirleticiler ve yoğunlukları farklılık gösterdiği için farklı günlerde farklı toksik etkiler gözlenirken alınan her numunenin genotoksik ve/veya mutajenik ve/veya akut toksik özelliği gösterdiği tespit edilmiştir.
Hastane atıksuyunda Paracetamol, Diclofenac, Naproxen, Ciprofloxacin, Ampicilin, Carbamazepine, Siklofosfamid, Warfarin, Carbaryl, Tris(2butoxyethyl)phosphate mikrokirleticilerinin konsantrasyonları 1 yıl süreyle izlenerek ortalama konsantrasyonları tespit edilmiş ve standart sapma değerleri hesaplanmıştır. Bununla birlikte mikrokirleticilerin aylık ve mevsimsel değişimi de incelenmiştir.
Mikrokirleticilerle yapılan Muta toksisite testlerine göre Paracetamol, Ciprofloxacin, Carbamazepine, Ampicilin ve Siklofosfamid parametrelerinin hastane atıksuyunda tespit edilen konsantrasyonlarının mutajeniteye sebep olabileceği belirlenmiştir. Ayrıca Daphina Magna akut toksiste testi sonuçlarına göre Carbamazepine, Ciprofloxacin, Paracetamol, Ampicilin ve Siklofosfamid için EC50 değerleri sırasıyla 56 µg/L, 10 µg/L, 32 µg/L, 32 µg/L ve 18 µg/L olarak belirlenmiştir. 
İkinci aşamada ise; hastane atıksularının arıtılabilirlilik çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Arıtım çalışmalarında, süperkritik su oksidasyonu ve membranbiyoreaktör yöntemleri kullanılmıştır.
Hastane atıksuyunun laboratuar ölçekli süperkritik su oksidasyonu reaktörü ile arıtım çalışmasında farklı reaksiyon sıcaklıkları ve süreleri denenerek optimum işletme şartları 450°C, 60 sn ve % 100 oksidant oranı olarak belirlenmiştir. Özellikle AOX ve mikrokirleticiler gibi biyodegradasyona dirençli parametrelerde yüksek giderimler sağlanmıştır. Ayrıca arıtım sonrasında hiçbir bakteri türü tespit edilmemiştir. İlave bir arıtım adımına gerek kalmadan mikrokirleticiler için yüksek giderim verimleri elde edilmiş ve % 72-99 arasında belirlenmiştir. Ayrıca KOİ, BOİ5, AKM, TKN ve TN parametreleri için %86-92 arasında giderim verimleri tespit edilmiştir. 
Laboratuvar ölçekli MBR sistemi ile yapılan arıtma çalışmaları, 30 gün çamur yaşında sentetik hastane atıksuyu ile gerçekleştirilmiştir. MBR sisteminde hastane atıksuyunda tespit edilen Paracetamol, Ciprofloxacin, Carbamazepine, Ampicilin, Diclofenac, Carbaryl, Siklofosfamid, Naproxen, Warfarin, Tris(2butoxyethyl)phosphate ile AOX , KOİ BOİ5, TKN, NH3-N, fosfor giderimleri izlenmiştir. Ayrıca membran tıkanma özelliklerinin belirlenmesi için TMP değerleri takip edilmiştir ve kritik akı çalışmaları gerçekleştirilmiştir. AOX ve KOİ için ortalama giderim verimleri sırasıyla % 32 ve %95 olarak tespit edilmiştir. Paracetamol için ortalama giderim verimi %90 olarak belirlenmiştir ve diğer mikrokirleticilerin giderim verimleri reaktörlerin işletildiği sürede çok salınım göstermiştir.
Sonuç olarak; hastane atıksuları toksik özellik gösteren ve özel kirleticiler içeren bir atıksu kaynağı olup, arıtılması gerekmektedir. MBR'lerin tek başına hastane atıksuyundaki mikrokirleticilerin giderimi için yeterli olmadığı ve ilave yöntemlere ihtiyaç duyulduğu görülmüştür. SCWO ile elde edilen yüksek giderim verimleri ilave bir arıtımın gerekmediğini göstermiştir. Ancak tam ölçekli uygulamaları için fizibilite çalışmalarının yapılması gerektiği belirlenmiştir.

Abstract:
The objective of this thesis is to conduct a detailed characterization of hospital wastewater whose properties are not so-well known and to investigate the treatability of this wastewater by different treatment methods. In this context, studies were implemented under two main titles.
In the first step, physicochemical, microbiological and ecotoxicological specifications of hospital wastewater were investigated to conduct a detailed characterization. Also, micropollutants in hospital wastewater were identified and toxicity studies of these micropollutants were conducted.
pH, conductivity, chloride, SS, COD, BOD5, TOC, TKN, NH4-N, PO4-P, AOX, surfactants, total phenol analysis were performed in the samples collected for two years to determine physicochemical characteristics of hospital wastewater. The mean values and standard deviation values were determined for this parameters. Additionally, concentration variations of parameters were monitored hourly, daily, monthly and seasonally for two years. Otherwise, TN, TP Cd, Cr, Cu, Pb, Fe, Ni, Zn, Hg analysis were performed in the samples collected for about one year and the mean values were determined for this parameters.
Genotoxicity, mutagenicity, and also two different acute toxicity tests were performed to determine ecotoxicological specifications of hospital wastewater and the daily and seasonally toxicity variations of hospital wastewater were monitored. Different toxic characterizations were observed on different days due to the pollution and concentration depending on hospital activities and every sample represented genotoxic and/or mutagenic and/or acute toxic specifications.
Mean concentrations for micropollutants such as Paracetamol, Diclofenac, Naproxen, Ciprofloxacin, Ampicilin, Carbamazepine, Siklofosfamid, Warfarin, Carbaryl, Tris(2butoxyethyl)phosphate in hospital wastewater were determined and also the 	standard deviation values were calculated for all micropollutants. Additionally, monthly and seasonally variations of micropollutants were monitored for one year.
According to Muta toxicity test conducted with micropollutants, concentrations of Paracetamol, Ciprofloxacin, Carbamazepine, Ampicilin ve Siklofosfamid parameters detected in hospital wastewater may cause mutagenicity. Furthermore, EC50 values for Carbamazepine, Ciprofloxacin, Paracetamol, Ampicilin, and Siklofosfamid were determined as 56 µg/l, 10 µg/l, 32 µg/l, 32 µg/l ve 18 µg/l according to Daphina Magna acute toxicity test.
In the second step, treatability studies of hospital wastewater were performed. In treatment studies, supercritical water oxidation and membrane bioreactor methods were used. In the laboratory scale SCWO treatment studies of hospital wastewater, optimum operational conditions were determined as 450°C, 60 sec and 100% oxidant by studying different reaction temperatures and times. High removal efficiences were achieved for the parameters resistant against biodegradation especially like AOX and micropollutants. Also, none of the bacteria species were detected after the treatment. High removal efficiencies between 72 and 99% for micropollutants were achieved without any necessity to further treatment steps. 86-92% removal efficiencies were obtained for COD, BOD5, SS, TKN, and TN parameters.
Treatment studies conducted with laboratory scale MBR system were performed with 30 days SRT and synthetic hospital wastewater. Removals of Paracetamol, Ciprofloxacin, Carbamazepine, Ampicilin, Diclofenac, Carbaryl, Siklofosfamid, Naproxen, Warfarin, Tris(2butoxyethyl)phosphate and AOX, COD, BOD5, TKN, NH3-N, phosphorus determined in hospital wastewater were monitored in MBR system. TMP values were also monitored to evaluate membrane fouling specifications and critical flux studies were conducted. Average AOX and COD removal efficiencies were 32% and 95%, respectively. Average removal efficiency for Paracetamol were 90% and removal of other micropollutants showed a high variations during the reactor operations.
As a result, hospital wastewater is a special kind of wastewater source showing toxicological properties and providing special pollutants and must be treated. It was observed that MBRs by themselves are not adequate to treat micropollutants in hospital wastewater and further treatment is an obligation. High removal efficiencies obtained from SCWO treatment showed that there is no need for an additional treatment. However, a feasibility study must be performed for full scale applications.