Gri suyun ozon, perokson ve kimyasal destekli ön arıtma prosesleri ile arıtılması
Treatment of grey water with ozone, peroxone and chemically enhanced primary treatment
Yazar: BEYZA NUR KARAHAN
Danışman: DOÇ. DR. HALE ÖZGÜN ERŞAHİN
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Günümüzdeki dünya nüfusunun yirminci yüzyıl ortalarındaki nüfusa göre üç kat daha fazla olduğu bilinmektedir. 1950 yılından bugüne kadar artarak büyüyen dünya nüfusu 2023 yılı itibariyle 8 milyara ulaşmıştır. 2059 yılına kadar dünya nüfusunun 10 milyarın üstüne çıkması öngörülmektedir. Hızla artan dünya nüfusu insanların temiz su kaynaklarına ulaşmasını günden güne zorlaştırmaktadır. İklim değişikliği ile yaşanan son kuraklıklar yaşam için ciddi bir tehdit oluşturmuş ve dünya çapında su kıtlığı yaşayan ülkelerin sayısı artmıştır. Bu durum sonucunda alternatif su kaynağı arayışı başlamıştır. Arıtılmış su geri kazanımı bu bağlamda alternatif su kaynağı olarak değerlendirilmektedir. 
Evsel atıksuların tek bir akım halinde toplandığı geleneksel atıksu toplama sistemleri yerine akım ayrımı prensibi ile çalışan güncel uygulamalar gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. Sürdürülebilir su kullanımı, alternatif kaynak arayışında ve doğal kaynakların kontrollü kullanılmasında etkin rol oynayan bir uygulamadır. Ekolojik evsel atıksu yönetimi (ECOSAN), evsel atıksuların farklı bileşenlerinin ayrık akımlar halinde toplanmasını önermektedir. Bu sistemle birlikte atıksuların değerli bir kaynak olarak kullanımı ve bunun neticesinde sürdürülebilir su kullanımı sağlanabilmektedir. 
ECOSAN prensibinde evsel atıksular iki veya üç bileşene ayrılarak toplanabilmektedir. Evsel atıksuyun üç akım halinde ayrı toplanması durumunda atıksu bileşenleri; gri su, sarı su ve kahverengi sudur. Gri su, evsel atıksuların tuvalet suları dışında kalan banyolardan, duşlardan, el yıkama lavabolarından, mutfak lavabolarından, çamaşır ve bulaşık makinelerinden gelen kısmı olarak tanımlanmaktadır. Gri sular evsel atıksuların %75'lik kısmını oluşturmaktadır. 
Gri su, yüksek hacim potansiyeli ve kirlilik yükünün geleneksel evsel atıksulara oranla daha düşük olması sebebiyle değerli bir yenilenebilir su kaynağıdır. Kirlilik yükünün az olması sebebiyle geleneksel evsel atıksulara göre gri suların arıtılması daha kolaydır.
Gri su arıtma süreçleri; arıtılmış su geri kazanımı için düzenleyici standartları sağlamalı ve organik bileşikler ile patojenlerin giderimi açısından etkili olmalıdır. Gri su arıtımı ve geri kazanımı için; doğal arıtma sistemleri, filtrasyon gibi fiziksel arıtma sistemleri, kimyasal ve biyolojik süreçler dahil olmak üzere çeşitli teknolojiler uygulanmaktadır. Bu arıtma prosesleri ile sulama ve tuvalet sifon suyu gibi içilebilir olmayan gri suyun geri kazanımına yönelik düzenleme ve gerekliliklerin yerine getirilmesi amaçlanmaktadır.
Bu çalışma kapsamında, 1000 kişi kapasiteli ve günlük ortalama debisi 40-50 m3/gün aralığında olan bir otelden temin edilen gri suyun arıtımı incelenmiştir. Çalışmanın temel amacı; konvansiyonel parametrelerle birlikte mikrokirleticilerin giderimi açısından ozonlama prosesi için optimum işletme koşullarını belirlemek ve ozonlama prosesini hidrojen peroksit (H2O2) veya kimyasal destekli ön arıtma (KDÖA) ile birleştirerek ozonlama prosesinin arıtma performansını geliştirmektir. Mikrokirletici giderimi ile kovansiyonel parametrelerin giderimi üzerine deneyler yürütülmüş ve arıtılan gri suyun AB (2020) yönetmeliği çerçevesinde tekrar kullanım için uygunluğu değerlendirilmiştir. 
Çalışmanın ilk aşamasında; gri suyun 6 farklı deney koşulunda ozonlama prosesi ile arıtımı incelenmiştir. Bu deneylerde 5 ve 10 mg/L olmak üzere iki farklı ozon (O3) dozu; 5, 10 ve  20 dk olmak üzere üç farklı O3 temas süresi uygulanmıştır. İncelenen 6 deney koşulunun sonucunda, kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) giderim veriminin %20 ile %38 aralığında, 5 günlük biyolojik oksijen ihtiyacı (BOİ5) giderim veriminin %7-%46 aralığında olduğu tespit edilmiştir. En yüksek KOİ ve BOİ5 giderim veriminin 5 mg/L O3 dozunun, 20 dk O3 temas süresinin ve 10 mg/L O3 dozunun, 20 dk O3 temas süresinin olduğu iki deney koşulunda elde edildiği görülmüştür. Çalışma boyunca diğer konvansiyonel parametrelerin giderimi de incelenmiştir. O3 temas süresinin ve O3 dozunun artması ile konvansiyonel parametrelerin giderim verimlerinin de arttığı görülmüştür.
Mikrokirletici giderimi açısından ozonlama deneyleri incelendiğinde ise O3 temas süresinin mikrokirletici giderim verimi üzerinde O3 dozundan daha etkili olduğu görülmüştür. Diklofenak (DCF), Fenofibrat (FNB) ve Naproksen (NPX) konsantrasyonlarının tüm deney koşullarında ölçüm limitinin altında kaldığı görülmüştür. Asetominofen (APAP) giderim veriminin %80-%99 aralığında ve Kafein (CAF) giderim veriminin %29-%99 aralığında olduğu belirlenmiştir.
O3 dozu ve temas süresinin koliform giderimi üzerindeki etkisi de diğer parametrelere benzer şekilde olmuştur. O3 dozu ve temas süresinin artması ile Toplam koliform (TK) bakterilerinin azaldığı görülmüştür. Fekal koliform (FK) ve Escherichia coli (E. Coli) ise tamamen inaktif olmuştur. 
Konvansiyonel parametrelerin ve mikrokirleticilerin giderimi açısından ozonlama deneyleri değerlendirildiğinde; 5 mg/L O3 dozuna ve 20 dk O3 temas süresine sahip işletme modu ile 10 mg/L O3 dozuna ve 20 dk O3 temas süresine sahip işletme modunun benzer arıtma performansına sahip olduğu görülmüştür. Maliyet dikkate alınrak ozon dozunun düşük olduğu işletme koşulu optimum koşul olarak şeçilmiştir.
Avrupa Birliği (AB) yönetmeliğinde geri kazanılmış suların tarımsal sulama suyu amacıyla kullanılması için çeşitli su kalitesi kriterleri yer almaktadır. Ozonlama prosesi ile arıtılmış gri suyun bu yönetmeliğin gerekliliklerini karşılamadığı görülmüştür. Bu sebeple arıtılan suyun kalitesinin iyileştirilmesi için ileri arıtma prosesleri uygulanmıştır. 
İleri arıtma prosesleri kapsamında ilk olarak O3 ve H2O2'nin birlikte kullanıldığı perokson prosesinin arıtma performansı değerlendirilmiştir. Daha sonra ozonlama prosesinden önce demir klorür (FeCl3) ilavesiyle KDÖA prosesinin uygulandığı KDÖA+ozonlama prosesinin arıtma performansı değerlendirilmiştir.
Perokson prosesi sonucunda konvansiyonel parametrelerin giderim verimlerinin ozonlama prosesindeki giderim verimlerine benzer olduğu görülmüştür. Ancak KDÖA+ozonlama prosesi ile giderim verimlerinin arttığı, ; 5 mg/L O3 dozuna ve 20 dk O3 temas süresine sahip işletme modunda %37,00±1,32  olan ortalama KOİ giderim veriminin %71,01±2,26 olduğu ve %27,00±6,48 olan ortalama BOİ5 giderim veriminin %56,7±2,4 olduğu gözlemlenmiştir. KDÖA+ozonlama prosesi ile askıda katı madde (AKM) gideriminde de ciddi bir iyileşme sağlandığı görülmüştür. Mikrokirletici konsantrasyonlarının perokson ve KDÖA+ozonlama prosesi sonucunda ölçüm limitinin altında kaldığı görülmüştür. İleri arıtma prosesleri sonucunda koliformlar tamamen inaktif olmuştur. 
İleri arıtma prosesleri sonucunda perokson prosesi ile arıtılmış gri suyun ozonlama prosesine benzer şekilde gereklilikleri karşılamadığı görülmüştür. Ancak KDÖA'nın ozonlama prosesi ile birleştirilmesi, tek ozonlama ve perokson sürecine göre temel konvansiyonel parametrelerin giderilmesi açısından daha etkili olmuştur. BOİ5 hariç AB yönetmeliğinin gereksinimini karşılayan uygun bir alternatif olduğu da görülmüştür. Bu nedenle, tarımsal sulamada arıtılan gri suyun geri kazanım olasılığını arttırmak için KDÖA'nın optimum ozon dozu ve temas süresi ile birlikte uygulanması önerilmektedir.

Abstract:
It is known that the current world population is three times higher than it was in the mid-20th century. The world population, that has grown since 1950, has reached 8 billion by 2023. It is predicted that the world population will exceed 10 billion by 2059. The rapidly growing world population is making it increasingly difficult for people to access clean water sources. Recent droughts due to climate change have posed a serious threat to life, and the number of countries experiencing water scarcity worldwide has increased. As a result, the search for alternative water sources has begun. The reuse of wastewater is being considered as an alternative water source in this context.
Current applications based on the principle of flow separation are becoming increasingly widespread, rather than conventional wastewater collection systems, that collect all wastewater together. Sustainable water use is an effective practice in the search for alternative sources and the controlled use of natural resources. Ecological sanitation (ECOSAN) proposes the separate collection of different components of domestic wastewater through different systems. With this system, the valuable use of wastewater as a resource and sustainable water use can be achieved.
In the ECOSAN principle, domestic wastewater can be collected by separating it into two or three components: Grey, yellow, and brown water. Grey water refers to the portion of domestic wastewater that does not include toilet water and comes from sources such as baths, showers, hand-washing sinks, kitchen sinks, and washing machines. Grey water constitutes 75% of domestic wastewater.
Grey water is a valuable renewable water resource due to its high volume potential and lower pollution load compared to conventional domestic wastewater. Due to its low pollution load, grey water is easier to treat than conventional domestic wastewater. 
Grey water treatment processes should be effective in reducing organic compounds and pathogens to meet regulatory requirements for reuse. A variety of technologies exist for grey water treatment and reuse, including natural treatment systems, coarse filtration, and chemical and biological processes. With these treatment processes, it is aimed to fulfill the regulations and requirements for the reuse of non-potable grey water such as irrigation and toilet flushing.
This study investigated the treatment of grey water obtained from a hotel with a population of 1000 and a daily average flow rate of 40-50 m3/day. The main objective of the study was initially to determine the optimum operational conditions for the ozonation process in terms of both conventional parameters and the removal of micropollutants and to improve the treatment performance of the ozonation process by combining it with hydrogen peroxide (H2O2) or chemically enhanced primary treatment (CEPT). Experiments were conducted on the removal of micropollutants and conventional parameters, and the suitability of the treated grey water for reuse was investigated within the framework of the EU directive (2020).
In the first stage of this study, treatment of grey water with ozone process was examined under 6 different experimental conditions. Two different ozone (O3) doses of 5 and 10 mg/L and three different O3 contact times of 5, 10, and 20 minutes were applied in these experiments. As a result of these 6 experiments, chemical oxygen demand (COD) removal efficiency was found to be in the range of 20-38%, and biological oxygen demand (BOD5) removal efficiency was found to be in the range of 7-46%. The highest COD and BOD5 removal efficiencies were observed at two experimental conditions with 5 mg/L O3 dosage, 20 min O3 contact time and 10 mg/L O3 dosage, 20 min O3 contact time. The removal efficiencies of other conventional parameters were also investigated during the study. It was observed that the removal efficiencies of conventional parameters also increased with increasing O3 contact time and O3 dosage. 
When the ozone experiments were examined in terms of micropollutant removal, it was seen that O3 contact time was more effective than O3 dosage on micropollutant removal efficiency. The concentrations of Diclofenac (DCF), Fenofibrate (FNB), and Naproxen (NPX) were found to be below the detection limit in each experimental condition. Acetaminophen (APAP) removal efficiency was in the range of 80-99%, and Caffeine (CAF) removal efficiency was in the range of 29-99%.
The effect of O3 dosage and contact time on coliform removal was also similar to that of other parameters. It was observed that increasing O3 dosage and contact time led to a decrease in Total coliform (TC) bacteria. Fecal coliform (FC) and Escherichia coli (E. coli) were completely inactivated. 
When the ozone experiments were evaluated in terms of conventional parameters and micropollutant removal, it was seen that the operation mode with 5 mg/L O3 dose and 20 min O3 contact time and the operation mode with 10 mg/L O3 dose and 20 min O3 contact time had similar treatment performance. However, considering the cost, the operation mode with a lower ozone dose was selected as the optimum condition.
The  European Union (EU) regulation sets water quality requirements for the use of reclaimed water as agricultural irrigation water. It was found that the grey water treated by the ozonation process did not meet the requirements of this regulation. Therefore, advanced treatment processes were applied to improve the water quality of the treated water.
As part of the advanced treatment processes, the peroxone process, that uses O3 and H2O2 together, was evaluated for enhancing treatment performance. Then, the CEPT process, that involves adding ferric chloride (FeCl3) before the ozonation process, was evaluated for enhancing treatment performance as CEPT+ozonation process.
According to the study, the conventional parameter removal efficiencies were found to be similar between the peroxone process and the ozonation process. However, it was observed that the CEPT+ozonation process improved removal efficiencies, the average COD removal efficiency was 71.01±2.26%, while it was 37.00±1.32% in the operating mode with a 5 mg/L O3 dose and 20 min O3 contanct time and the average BOD5 removal efficiency was 56.7±2.4% while it was 27.00±6.48% in the operating mode with a 5 mg/L O3 dose and 20 min O3 contanct time. Significant improvements were also observed in total suspenden solids (TSS) removal with the CEPT+ozonation process. The concentrations of micropollutants were found to be below the detection limit for both the peroxone and CEPT+ozonation processes. Additionally, the coliforms were completely inactivated with both advanced treatment processes.
Although the peroxone process did not meet the requirements of the EU regulations for agricultural irrigation water, the CEPT+ozonation process was found to be an appropriate alternative, meeting the requirements except for BOD5. Therefore, it is recommended to apply the CEPT process with optimal ozone dosage and contact time to increase the possibility of reusing the treated grey water for agricultural irrigation.