Hastane atıksularının toz aktif karbon ilavesiyle membran biyoreaktörde arıtımı
Treatment of hospital wastewater in membrane bioreactor by powdered activated carbon addition
Yazar: İNCİ KARAKAŞ
Danışman: PROF. DR. GÜLSÜM YILMAZ
İstanbul Üniversitesi-Cerrahpaşa / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Aktif karbon = Activated carbon ; Biyoreaktörler = Bioreactors ; Hastane atıkları =   ; Membranlar =   ; Mikrokirleticiler = Micropollutants

Özet:
Mikrokirleticiler çevrede yaygın olarak bulunabilen ve içme sularında, yüzeysel sularda, yer altı sularında, toprakta ve sedimentlerde ng/L ve µg/L arasında değişen konsantrasyonlarda tespit edilebilen bileşenlerdir. Konvansiyonel biyolojik atıksu arıtma proseslerinde, mikrokirleticiler yüksek verimlilikle giderilemediğinden, bu bileşenlerin giderilebilmesi için ileri arıtma teknolojilerine ihtiyaç duyulmaktadır. Literatürde, membran biyoreaktör (MBR)'de gerçek hastane atıksuyu kullanılarak mikrokirleticilerin giderim verimlerinin incelendiği çalışmalar yetersizdir. Mikrokirletici gideriminde üç farklı çamur yaşında 780 gün gibi uzun periyotlarda çok sayıda ve farklı birçok grupta mikrokirletici giderimlerinin incelendiği çalışma bulunmamaktadır. Aynı zamanda, MBR'de farklı gruplarda ve çok sayıda mikrokirletici giderimi üzerine toz aktif karbon (TAK) etkisinin uzun periyotda incelendiği çalışma mevcut değildir. 
Bu çalışmanın amacı, hastane atıksularından MBR'de mikrokirleticilerin giderimine farklı çamur yaşlarının ve TAK ilavesinin etkisinin incelenmesidir. Bu amaçla çalışma kapsamında, İstanbul Üniversitesi- Cerrahpaşa, Cerrahpaşa Tıp Fakültesi (CTF) Hastanesi'nden alının hastane atıksuyunun kollektif parametrelerinin net olarak ortaya konabilmesi için, AKM, UAKM, KOİ, TKN, NH4-N, TP, PO4-P, NO3-N, NO2-N, adsorblanabilen organik halojenler (AOX) ve uçucu yağ asidi (UYA) parametreleri 2 yıl boyunca 48 numunede analiz edilerek, ortalama konsantrasyonları tespit edilmiştir. Atıksuyun, ilaç aktif maddeleri (8 analjezik ve antiinflamatuar, 24 antibiyotik ve metaboliti ve 5 psikiyatrik ilaç), 4 lipit regülatör, 6 kontrast maddesi, 10 hormon, 7 β bloker, 5 sitostatik madde, 3 benzotriazol ve 6 pestisit içeren mikrokirletici karakterizasyonu 8 adet numunede incelenmiştir. Hastane atıksularının 10, 30 ve 60 gün çamur yaşlarında TAK ilavesiz ve ilaveli olarak işletilen laboratuvar ölçekli MBR sistemleri 780 gün boyunca işletilmiştir. Sistemlerde mikrokirletici giderim verimleri ve mikrobiyal topluluk değişimleri karşılaştırılmış ve çamur yaşının ve TAK ilavesinin mikrokrokirletici giderimi ve mikrobiyal topluluk üzerine etkileri araştırılmıştır.
Tüm çamur yaşlarında ve her iki reaktörde KOİ ve NH4-N giderim verimleri %95-98 arasında; PO4-P giderim verimleri ise TAK ilavesiz MBR'de %62-79, TAK ilaveli MBR'de ise %62-88 bulunmuştur. PO4-P giderim verimlerinin TAK ilavesinden olumlu etkilendiği görülmüştür. Ayrıca, TAK ilavesiz MBR'nin tek başına hastane atıksuyundaki bazı mikrokirleticilerin giderimi için yeterli olamadığı görülmüş; TAK ilaveli reaktörde ise, birçok mikrokirleticinin etkin bir şekilde giderilebildiği tespit edilmiştir. Çamur yaşından bağımsız olarak TAK ilavesiz MBR'de giderilemeyen ya da daha düşük oranda giderilen Siprofloksasin, Karbamazepin, Metoprolol, Diklofenak, Tramadol, Amidotrizoik Asit, Siklofosfamit, Venlafaksin gibi farklı gruplardaki bileşenlerin TAK etkisiyle %83 ve üstü giderim verimiyle giderilebildiği görülmüştür. Ayrıca, hastane atıksuyundaki Norfloksasin, 4N-Asetil-Sülfamerazin, Sefazolin, Sülfadimetoksin, Azitromisin, Kapesitabin, Ampisilin, Metkonazol hariç tüm mikrokirleticilerin 30 gün çamur yaşında TAK ilaveli MBR'de %50-100 oranında giderildiği bulunmuştur. Mikrobiyal topluluk analiz sonuçları değerlendirildiğinde, organik maddelerin gideriminden sorumlu olan birçok tür tespit edilmiştir. En baskın birinci şube Proteobacteria şubesi olmuş; Actinobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes ve Chloroflexi şubelerine de rastlanmıştır. 
Çevre ve insan sağlığını koruyarak iyileştirmek için, hastanelerin ve sağlık kuruluşlarının zararlı etkilerinin azaltılması ve sağlığa olan zararın engellenmesi gerekmektedir. Ülkemizde hastane atıksularıyla ilgili herhangi bir yönetmelik bulunmamakla birlikte, hastane atıksularının yönetimiyle ilgili çalışmalar yapılarak mevzuattaki eksiklikler giderilmelidir.

Abstract:
Micropollutants are compounds that can be widely found in the environment and detected in drinking water, surface water, groundwater, soil and sediments at the concentrations ranging from ng/L to µg/L. Since micropollutants cannot be removed with high efficiency in conventional biological wastewater treatment processes, advanced treatment technologies are needed to remove these compounds. In the literature, the researches examining the removal efficiencies of micropollutants by using real hospital wastewater in membrane bioreactor (MBR) are insufficient. In micropollutant removal, there are no studies examining the removal of micropollutants in many different groups in long periods such as 780 days at three different sludge ages. At the same time, there is no study examining the long-term effect of powdered activated carbon (PAC) on the removal of many micropollutants in different groups in MBR. 
The aim of this study is to examine the effect of different sludge ages and PAC addition on the removal of micropollutants in MBR from hospital wastewater. In this context, within the scope of this study; SS, VSS, COD, TKN, NH4-N, TP, PO4-P, NO3-N, NO2-N, adsorbable organic halogens (AOX) and volatile fatty acid (VFA) parameters were analyzed in 48 samples taken from Istanbul University-Cerrahpaşa, Cerrahpaşa Faculty of Medicine for 2 years, and their average concentrations were determined. Micropollutant characterization of the wastewater containing pharmaceutical active compounds (8 analgesic and anti-inflammatory, 24 antibiotics and their metabolites and 5 psychiatric), 4 lipid regulators, 6 contrast agents, 10 hormones, 7 β-blockers, 5 cytostatic agents, 3 benzotriazoles and 6 pesticides were analyzed in 8 samples. The lab-scale MBR systems operated with and without PAC addition at the sludge ages of 10, 30 and 60 days were operated for 780 days. Micropollutant removal efficiencies and microbial community changes in the systems were compared and the effects of sludge age and PAC addition on micropollutant removal and microbial community were investigated. 
In all sludge ages in both reactors, the COD and NH4-N removal efficiencies were between 95-98%; the PO4-P removal efficiencies were found to be 62-79% in the MBR without PAC addition and 62-88% in the MBR with PAC addition. It was observed that the PO4-P removal efficiencies were positively affected by the addition of PAC. In addition, it was observed that the MBR without PAC addition was not sufficient for the removal of some micropollutants in the hospital wastewater whereas many micropollutants could be effectively removed in the MBR with PAC addition. Regardless of the sludge age some compounds from different groups such as Ciprofloxacin, Carbamazepine, Metoprolol, Diclofenac, Tramadol, Amidotrizoic Acid, Cyclophosphamide, Venlafaxine which could not be removed or removed in low rate in MBR without PAC addition, could be removed by adding PAC with the removal efficiency of 83% and above. In addition, it was found that all micropollutants in hospital wastewater except for Norfloxacin, 4N-Acetyl-Sulphamerazine, Cefazolin, Sulfadimethoxine, Azithromycin, Capecitabine, Ampicillin and Metconazole were removed up to 50-100% at 30 days sludge age in MBR with PAC addition. When the microbial community analysis results were evaluated, many species being responsible for the removal of organic matter were identified. The most dominant phylum was the Proteobacteria phylum; phyla of Actinobacteria, Firmicutes, Bacteroidetes and Chloroflexi were also found. 
In order to protect and improve the environment and human health, the harmful effects of hospitals and health institutions should be reduced. Although there is no regulation on hospital wastewater in our country, studies on the management of hospital wastewater should be carried out and deficiencies in the legislation should be eliminated.