Evsel koşullarda kirlenmiş olan suların tekrar kullanılabilirliği için farklı dezenfeksiyon yöntemlerinin incelenmesi
The investigation of different disinfection methods for recovery of household greywater
Yazar: PERVİN SAYGIN
Danışman: PROF. DR. MELEK TÜTER
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Mikrobiyoloji = Microbiology

Özet:
Canlı yaşamı için kritik öneme sahip olan su kaynaklarının, artan şehirleşme, iklim değişikliği, nüfus artışı ile tükenmesi gibi sebeplerle su tasarrufu sağlanması günümüzün önemli konuları arasındadır. Her geçen gün su kalitesinin bozulması ile sağlık problemlerinin hatta ölümlerin gerçekleşmesi gibi etkenler su kalitesinin iyileştirilmesi, atık suların geri kazanımı ve kullanılması üzerine yapılan   çalışmaların önemini daha da artırmaktadır. Plazma, fotokataliz, elektroliz, ultrases (US), ultraviyole (UV), ozon ve mikrodalga uygulamaları çeşitli alanlarda uygulanan dezenfeksiyon yöntemlerindendir. Bu çalışmada, evsel koşulda geri kullanılabilir sularda gelişme gösterebilen Staphylococcus aureus, Esherichia coli, Enterococcus  faecalis, Bacillus cereus ve Aspergillus niger gibi fırsatçı patojen mikroorganizmaların US, ozon ve UV dezenfeksiyon yöntemleri ile evsel koşullardaki banyo ve mutfak yıkama sularının tekrar kullanılabilirliğinin incelenmesi amaçlanmıştır.
İncelenen su dezenfeksiyon yöntemlerinden biri olan US metodunda, sulu ortamlarda belli bir frekans ve güç değerine sahip ses dalgaları ile kavitasyon etkisi oluşturulmakta, böylece çözeltide oluşan hava kabarcıklarının yüzeylere çarpması ile hem yüzeydeki kirlerin uzaklaştırılması hem de mikroorganizmaların hücre duvarına zarar vererek canlı hücrelerin inaktivasyonu sağlanabilmektedir. US uygulamasının sulu çözelti ortamında mikroorganizma inaktivasyonu üzerindeki etkisini belirlemek amacıyla, farklı transduser tipi, farklı frekans ve farklı güç gibi parametre koşulları incelenmiştir.
İncelenen diğer dezenfeksiyon yöntemlerinden olan ozon (O3), oksidasyon gücü çok yüksek olan bir gaz ve bilinen en kuvvetli dezenfektanlardan biridir. Ozon gazı yüksek oksidasyon gücü nedeniyle çok farklı alanlarda temizleme etkisi nedeniyle içme sularında istenmeyen tat, koku ve rengin giderilmesi, suların dezenfeksiyonu ve hava temizleme alanlarında tercih edilmektedir. Ozon ile mikroorganizmaların hücre duvarı parçalanmakta, böylece hücrelerin inaktivasyonu ile sterilizasyon sağlanması mümkün olmaktadır. Su ortamına ozon gazı uygulamasının farklı mikroorganizmalar üzerindeki uzaklaştırma etkisi zamana bağlı olarak incelenmiştir.
Su dezenfeksiyonunda yaygın kullanım alanına sahip olan UV dezenfeksiyon yöntemi, görünür ışın ile X ışını arası dalga boyuna sahip elektromanyetik dalgaların, mikroorganizmaların genetik materyali üzerinde etki gösteren temizleme yöntemlerinden olup, mikroorganizmaların DNA yapısına zarar vererek canlının hücre faaliyetleri engellenmekte ve hücre ölümü gerçekleşmektedir. UV dozu, lamba adedi ve yerleşimi, tasarım ve kapasite seçimi, uygulama süresi, lamba gücü ve ömrü, suyun debisi, mikroorganizma cinsi ve seviyesi gibi özellikler sistemin performansını etkilemektedir. Gerçekleştirilen bu tez çalışmasında, farklı UV güç ve tasarımına sahip lambalar kullanılarak farklı mikroorganizmalar üzerindeki uzaklaştırma etkisi, zamana bağlı olarak incelenmiştir.
US yöntemi ile evsel atık suların mikrobiyolojik kalitesini artırmak için gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda, deterjansız kaynatılarak gazı giderilmiş (degaze) suda farklı transduser tipleri ve farklı frekanslardaki çalışmaların sonuçları incelendiğinde, transduser tipi ve gücünün S. aureus, B.cereus ve E. faecalis bakterileri üzerinde zamana bağlı bir inaktivasyon etkisi ölçülememiştir. Yapılan ön çalışmada temas tipi trasduserlerin kontrollü mikroorganizma konsantrasyonuna sahip çözeltiyi temizleme etkinliğinin diğer tip transduserlerden daha olumlu sonuçlar göstermesi nedeniyle US teknolojisinden faydalanılarak yapılan testler, deterjanlı degaze suda temas tipi transduserler kullanılarak tekrar edilmiştir. Deterjanlı degaze su uygulamasında; E. faecalis ve B. cereus bakterileri üzerinde belirgin bir etki gözlenememiş; ancak S. aureus için ise 30 dakika kavitasyon uygulaması sonunda yaklaşık 3 log (cfu/mL)?lik bir azalma gözlenmiştir.  Sonuç olarak US teknolojiinin gerçekleştirilen deneysel çalışmalarda sulu ortamda mikroorganizma inaktivasyonu için tek başına yeterli olmadığı görülmüştür.	
Ozon gazı kullanımının su dezenfeksiyonu sağlama etkisini incelemek amacıyla oluşturulan test düzeneğinde, kontrollü mikroorganizma çözeltisinin kullanıldığı çalışmalarda, ozon jeneratörünün kapalı tutulduğu ve sadece hava debisi ile zamana bağlı kavitasyon oluşturulduğu durumlarda bile mikroorganizma uzaklaştırmada etkili olduğu; ancak tüm mikroorganizmaların inaktivasyonunda başarı sağlanamadığı gözlemlenmiştir. Ozon jeneratörünün aktif olduğu durumda, 5-15 dakika gibi kısa bir sürede tüm bakteri türleri üzerinde yüksek seviyede inaktivasyon sağlanmış; ancak küf üzerinde ozon gazının belirgin bir temizleme etkinliği ölçülememiştir. Ozon gazının su dezenfeksiyon yöntemleri arasında başarılı bir yöntem olduğu; ancak tüm mikroorganizmaların uzaklaştırılmasında yeterli olmadığı gözlenmiş, ozon gazının kararsız yapı göstermesi ve test süresince  konsantrasyonunun sabit tutulamaması bu yöntemin uygulama zorlukları olarak belirlenmiştir.
UV yöntemi kullanılarak evsel tip atık suların mikrobiyal kalitesini artırmak için yapılan çalışmalarda, 5W ve 11W UV lambalarla tekil mikroorganizma çözeltileri ve karışım halindeki çözeltiler kullanılmış; 1 saat UV dezenfeksiyon ünitesinde su sirkülasyonu yapılmıştır. 5W UV lamba gücü ile tekil mikroorganizma çözeltilerinde S. aureus ve E.coli seviyelerinde 0-1 log (cfu/mL)?ye kadar azalma kaydedilirken, E. faecalis ve A. niger üzerinde  yaklaşık 2.5 log (cfu/mL) inaktivasyon sağlanmıştır. 11W UV lamba sonuçları değerlendirildiğinde, seçilen bakteri ve küf türlerinin inaktivasyonunda yüksek dereceli etki görülmüştür. UV gücünün artmasıyla mikroorganizma inaktivasyon hızının arttığı, UV dezenfeksiyon etkisinin ise mikroorganizma türüne göre farklılık gösterdiği sonucuna ulaşılmıştır. 11W UV lambanın kullanıldığı uygulama koşulunda, 30. dakikada çalışılan mikroorganizmalar üzerinde yüksek oranda inaktivasyon sağlandığı, 40. dakikada ise tüm mikroorganizmaların uzaklaştırıldığı görülmektedir. 5W ve 11W lamba çalışmalarında  A. niger küfü tamamen uzaklaştırılamamıştır.
UV yöntemi ile su dezenfeksiyonundaki etkilerini daha ayrıntılı incelemek amacıyla planlanan testlerde, dört farklı mikroorganizma ile hazırlanan kontrollü 2 litre su ortamında, 11W UV lamba gücünün paslanmaz çelik ve polipropilen UV kılıflarda konumlandırıldığı pilot çalışma yapılmış, farklı kılıf malzemesinin test şartlarında toplam aerobik canlı mikroorganizma inaktivasyonunda belirgin bir etki göstermediği belirlenmiştir. Ayrıca, 11W UV lamba gücü kullanılan deneysel çalışmalarda, toplam aerobik canlı sayımı inaktivasyonunun, bireysel mikroorganizma inaktivasyonundan daha düşük seviyelerde kaldığı gözlemlenmiştir. Bu durumun, karışım mikroorganizmaları ile hazırlanan su çözeltisinin, tekil mikroorganizmalar kullanılarak hazırlanan çözeltiden daha bulanık yapıda olmasından ve UV ışık verimini etkileyen su berraklığının, önemli bir kriter olabileceği düşünülmüştür.
Elde edilen sonuçlara göre, evsel koşullarda kontamine olmuş atık suların dezenfeksiyonu amacıyla üç farklı yöntemden biri olan ozon uygulamalarının ultrases uygulamalarından daha başarılı olduğu; ozon uygulamasının tek başına tüm bakteri ve küfleri uzaklaştırmak için yeterli olmadığı; UV uygulamalarının başarısının ise güce bağlı olduğu ve özellikle incelenen parametrelerden biri olan geri dönüştürülmek istenilen su bulanıklığının UV dezenfeksiyon verimi üzerinde önemli rol oynadığı belirlenmiştir.

Abstract:
Due to global warming, rapid industrialization, urbanization and limitations on natural resources; recycling of water has become a popular title all around the world. As water is one of vital necessities for human life, water scarcity will result in loss of sanitization quality which will cause health problems, diseases and even death cases. Most of the research topics focus on the recovery of larger amounts of waste water as a clean source for different usage purposes. Researches on both academic foundations and industrial applications are being conducted for the advanced waste water treatment systems to obtain a healthy water which can be used for household water from kitchen, washing process and bath water. Plasma, photocatalysis, electrolyse, ultrasound (US), ultraviolet (UV) disinfection, ozone, and microwave technologies are being proposed as alternatives for recycling water in safety. According to such studies, the aim to show the disinfection performance of US, ozone and UV disinfection technologies can be a solution for the recycle of domestic drain water especially from washing processes, bath water and kitchen.
The disinfection method which is searched as a part of thesis study is US technology. Sound wave which has a specific frequency and power creates cavitation effect in the aquatic condition. When the air bubble crashes the surface, dirt is removed and also cell wall of microorganism is damaged and inactivated. The transducers that have different types of frequency and power was used for microorganism inactivation in water solution for this experimental research.
The other disinfection method which is investigated under thesis study is ozone technology. Ozone (O3)  is preferred for cleaning agent for remotion of taste, odor and colour in drinking water, air cleaning because of one of the most powerful oxidation gas and one of the strong disinfectant.  When the cell wall breaks up with ozone, the cell inactivation is occurred. In this study, the effects of ozone gas application on removing of microorganism from water media was examined by time depended behavior.
UV disinfection method which has the common usage area for water cleaning is electromagnetic wave between visible area and X-ray. UV light destroys genetic material of bacteria, blocks cell activity of microorganism and results in cell death. UV dose, number of lamps and settling, design and capacity, exposure time, lamp power and life of lamp,  water flow, species and degrees of microorganism are the parameters which effect the UV disinfection system. In this thesis experimental research, the reduction effect of UV radiation was investigated for different power and design UV sources as a function of time. 
The main aim of this study is to compare the disinfection performance of three methods; US, ozone and UV propose a procedure for the recovery of domestic drain water. In the presented study, the effect of US, ozone and UV disinfection methods on the survival of opportunistic pathogens which are S. aureus, E. coli, E. faecalis, B. cereus, A. niger in the domestic drain water solution was evaluated. 
The performance of disinfection methods was determined by classical microbiology analysis methods where total aerobic and specific agar plates were used. 
The experiments which were investigated to measure greywater disinfection degree with US technology, were planned in degase water without detergent and with different type of transducer and frequency, it wasn?t measured significant reduction of S. aureus, B. cereus and E. faecalis as the function of time. On the other hand, contact type of US equipments were more efficient decreasing capacity from the other types so it was promoted to make tests for only these type transducer and degase water with detergent. For the detergent degase water condition, inadequate inactivation level was recorded for E. faecalis and B. cereus microorganisms. However, cavitation effect of contact type transducer was provided nearly 3 log (cfu/mL) reduction for S. aureus up to 30 minutes. Therefor, it was investigated that US technology is not sufficient effect on microorganism inactivation by stand alone.
Ozone disinfection experiments were showed that, for closed ozone generator condition, the all microoganism did not decrease with air flow cavitation effect. On the other hand active ozone generator condition, the all bacteria inactivated during 5-15 minutes in a high disinfection degree. However the fungal species didn?t removed from water which is required to clean. Because of fast cleaning influence of ozone systems, it was a good technology on bacteria, but inconstant structure of ozone  and non provided steady concentration ozone gas were the difficulties of this treatment.
The efficiency of UV units to improve the microbial quality of household greywater for recycling of water, different volume water were artificially inoculated with approximately 6 log (cfu/mL) of E. coli, S. aureus, E. faecalis, B. cereus, A. niger and inactivation of 5W and 1W UV lamps were determined for individual suspensions and mixtures during 1 hour as a function of time. The performance of disinfection method was evaluated by classical microbiology analysis methods where total aerobic counts and specific agar plates were used. Treatments at 5W UV lamp was reduced the S.aureus and E. coli from ~5 log (cfu/mL) to 0-1 log (cfu/mL). However inactivation of A. niger and E. faecalis obtained with this lamp was nearly 2.5 log (cfu/mL); for the individual inoculations. 11W UV radiation has a significant effect on selected microorganisms including both bacterial and fungal species. On the following tests; effect of stainless steel and polypropylene housing was investigated by mixtures of 4 different microorganisms for 11W UV source. Different housing material did not show to be having significant effect on total aerobic counts in the test conditions. On the other hand inactivation effect found to be lower when mixture of microorganisms were used. This is thought to be resulting from the higher turbidity of the test solution; which was a very important criteria for UV applications. This project shows that UV disinfection treatment has an outstanding inactivation effect on reduction of microorganism in water. 
In summary,  in the thesis which is interested in the success of recovery of household greywater disinfection methods, three different technology were investigated. The main aim of this study is to compare the disinfection performance of three methods; US, ozone and UV and propose a procedure for the recovery of domestic drain water. Ozone disinfection methods showed more significant cleaning degree from US treatment; however ozone didn?t display enough disinfection effect on both bacteria and fungal species. Lastly but not least important water treatment which is UV efficiency is depended on lamp power and especially water turbidity for the aim of obtaining high UV disinfection performance. For the improved water quality, system parameters (higher power, replacement of lamps, water flow rate and application period, turbidity and initial quality of fed water) should be investigated in detail. Alternative technologies should also be taken in to consideration for improved applications.