Tıbbi atık sterilizasyon tesisi atıksuyunun elektrokimyasal metotlarla arıtımı
Treatment of medical waste sterilization plant wastewater by electrochemical methods
Yazar: ÖMÜR GÖKKUŞ
Danışman: PROF. DR. YALÇIN ŞEVKİ YILDIZ
Erciyes Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2014
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Tıbbi atıklar, ünitelerden kaynaklanan patolojik, enfeksiyöz atıklar ile kesici, delici atıklar olarak tanımlanmaktadırlar. Bu atıkların çevre sağlığına zarar vermeden kaynağında toplanması, taşınması, bertaraf edilmesi ve depolanması toplum sağlığı açısından önemlidir. Tıbbi atıkların depolanma öncesi zararsız hale getirilmesi için hem ülkemizde hem de dünya genelinde en yaygın olarak kullanılan yöntem yüksek sıcaklıkta su buharı ile uygulanan sterilizasyon işlemidir. Mikrobiyolojik açıdan oldukça etkin bir yöntem olmasına rağmen sterilizasyon işlemi sonucu ortaya çıkan atıksuların standartları sağlayacak şekilde uzaklaştırılması önemle üzerinde durulması gereken bir husustur. Yüksek kirletici içerikleri nedeniyle klasik arıtım yöntemleri çoğunlukla bu tip atıksular için yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle farklı ve daha etkili arıtma seçeneklerinin araştırılması ve değerlendirilmesi gerekmektedir. 
Bu çalışmada Kayseri Tıbbi Atık Sterilizasyon Tesisi atıksularının yeni bir elektrooksidasyon tekniği olan elektro-Fenton yöntemiyle arıtılabilirliği ve elektro-Fenton prosesi için optimum işletme koşulları araştırılmıştır. Yöntemde Fenton reaksiyonlarının meydana gelebilmesi için ihtiyaç duyulan hidrojen peroksit klasik Fenton çalışmalarından farklı olarak dışarıdan ilave edilmek yerine karbon esaslı bir malzeme olan grafit katot kullanılarak oksijenin indirgenmesi yoluyla elektrokimyasal olarak üretilmektedir. Çalışmada arıtım performansının değerlendirilmesi amacıyla seçilen karşılaştırma alternatifleri ise Fenton oksidasyon prosesi ve alüminyum ya da demir elektrotlarla gerçekleştirilen elektrokoagulasyon prosesleridir. Ayrıca atıksu arıtım çalışmaları öncesinde elektro-Fenton prosesi için hayati önem taşıyan katodik H2O2 üretimlerinin değerlendirilmesi de yapılmıştır.
Çalışma sonuçlarına göre Fenton prosesi ile tıbbi atık sterilizasyon atıksuyunun arıtımı çalışmalarında kullanılan reaktifler için en uygun konsantrasyonların Fe+2 ve H2O2 için sırasıyla 1000 mg/L ve 2250 mg/L olduğu belirlenmiştir. Fenton uygulamaları için en uygun pH değeri olan pH 3'de ve 30 dakikalık reaksiyon süresinde %77 TOK ve %45 TN giderimine ulaşılmıştır.
Tıbbi atık sterilizasyon atıksuları için uygulanan diğer bir arıtım alternatifi ise elektrokoagulasyon prosesidir. Elektrokoagulasyon çalışmaları alüminyum ve demir olmak üzere iki farklı elektrotla yürütülmüştür. Alüminyum elektrotlarla yürütülen elektrokoagulasyon sonuçlarına göre 100 dakikalık elektroliz işlemi sonucunda pH 4'de ve 2,0 A akım şiddeti ile %41 TOK, %46 TN ve %100 TP giderimine ulaşılmıştır. Diğer taraftan demir elektrotlar kullanılarak pH 9'da ve yine 2,0 A akım şiddetinde %45 TOK ve %31 TN giderimine ulaşılmıştır.
Tez çalışması kapsamında araştırılan son yöntem ise elektro-Fenton prosesidir. Bu amaçla öncelikle etkin H2O2 üretimi için optimum koşullar pHi 3, 70 mA akım şiddeti, ve destek elektrolit olarak 50 mM Na2SO4 şeklinde belirlenmiş ve bu koşullarda üretilen H2O2 konsantrasyonu ise yaklaşık 268 mg/L olarak belirlenmiştir. Optimum H2O2 üretim koşulları belirlendikten sonra arıtma çalışmalarına geçilmiştir.
Çalışmaya esas olan elektro-Fenton prosesi için optimum parametrik koşullar pHi 2, akım şiddeti 700 mA, 75 mg/L Fe(II) ve 0,2 L/dk kuru hava akış hızı olarak belirlenmiş ve bu parametrik koşullarda %46 toplam organik karbon, %28 toplam azot ve %63 fosfor giderimine ulaşılmıştır. Elektro-Fenton prosesi için elde edilen sonuçlar klasik Fenton prosesi sonuçlarına göre düşük kalmaktadır ancak arıtma işleminde uygulanan reaktif miktarları, çamur oluşumu ve işletme kolaylığı gibi avantajları dikkate alındığında ise elektro-Fenton prosesi oldukça cazip bir arıtma alternatifi olarak değerlendirilebilir.

Abstract:
Medical wastes could be explained as pathological and infectious wastes from hospital units and stab wastes. It is important that wastes are collected at the source, transported, removed and stored without harming the environmental health. The most common method used to make medical wastes harmless before storage is sterilization at high temperature water vapor both in Turkey and worldwide. Although it is an microbiologically effective method, it should be noted that removal of the wastewater from sterilization process should meet the standards. Conventional treatment methods are insufficient to treat wastewater because of its high contaminant properties. Therefore,  different and more effective treatment options should be explored and evaluated.
In this study, we investigated the treatibility of wastewater from Kayseri Medical Waste Sterilization Plant by electro-Fenton method, a novel electro-oxidation technique and its optimum operating conditions. In this method, unlike classical Fenton's applications, in-situ H2O2 is produced electrochemically via reduction of oxygen at the carbon-based graphite cathode instead of being added externally for Fenton's reactions to take place. In the study, chosen treatment alternatives to evaluate treatment performance are Fenton's oxidation and electrocoagulation proceses which are performed with aluminum and iron electrodes. In addition, before the treatment studies, some experiments were carried out to determine cathodical H2O2 production which has vital importance for electro-Fenton process.
According to the results, optimum concentrations for Fenton process for used reactives in treatment of medical waste sterilization wastewater were determined as 1000 mg/L and 2250 mg/L for Fe2+ and H2O2, respectively. At pH 3 which optimum pH value for Fenton applications, the removal results were reached to 77% TOK and 45% TN in 30 min reaction time. 
Applied another treatment alternative is electrocoagulation process for medical waste sterilization plant wastewater. Electrocoagulation studies were performed with two different electrodes as aluminum and iron. According to results of aluminum electrode, 41% TOC, 46% TN and 100% TP removals were reached at pH 4 and 2.0 A current in 100 min reaction time. On the other hand, 45% TOC and 31%TN were achieved with iron electrode at pH 9 and 2.0 A current.
The last treatment alternative in the study is electro-Fenton process. In this purposes, the first investigated parameter is in-situ H2O2 production capacity. Optimum conditions for in-situ H2O2 production are determined as pHi 3, 70 mA current, 0.3 L/min pure O2 flow rate and 50 mM Na2SO4 supporting electrolyte concentration. At these optimum conditions, H2O2 concentration reached 268 mg/L approximately. After determination of optimum H2O2 production studies, treatability studies of wastewater by electro-Fenton process were investigated.
Optimum parametric conditions for electro-Fenton process were determined as pHi 2, 700 mA current, 75 mg/L Fe(II) and 0.2 L/min air flow rate, and at these optimum conditions 46% total organic carbon, 28% total nitrogen and 63% phosphorus removals were reached. The results obtained for electro-Fenton process are lower than those for classical Fenton process, yet electro-Fenton process provides a suitable alternative when one considers such advantages as the amount of reactive, sludge generation and easy to operate.