Sentetik yüzme havuzu sularında dezenfeksiyon yan ürünlerinin oluşumu ve sitotoksisitesinin belirlenmesi
Formation of disinfection by products in synthetic swimming pool water and cytotoxicity evaluation
Yazar: QAHTAN ADNAN ALI ALI
Danışman: PROF. DR. MEHMET KILIÇ ; DR. ÖĞR. ÜYESİ ŞEHNAZ ŞULE KAPLAN BEKAROĞLU
Süleyman Demirel Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering

Özet:
Yüzme eğlence, rehabilitasyon ve fiziksel aktivite için kullanılan dünyanın en popüler aktivitelerinden birisidir. Bundan dolayı, yüzme ortamının kalitesinin sağlıklı olması şarttır. Havuz suları, içme sularına kıyasla belirgin özelliklere sahiptir: (1) organik öncü; içme suları için ana organik öncü doğal organik maddedir (DOM), fakat havuz suları için organik öncüler doldurma sularından gelen DOM'a ilaveten havuz sularının doğasını içme suyundan çok daha karmaşık hale getiren ter, idrar, losyonlar, güneş kremleri, şampuan ve kozmetik madde kalıntıları gibi insan vücut atıkları olabilir; (2) yüzme havuzları yüzücülerden gelen çözünmüş organik karbon, çözünmüş organik azot ve mikroorganizmaları sürekli bir şekilde bünyesine almaktadır, fakat içme suları için bu durum gerçekleşmez; ve (3) yüzme havuz suları genellikle içme sularından daha yüksek sıcaklığa sahiptir, bu da dezenfektanın bozulma oranlarının artmasına neden olur, bundan dolayı yüzme havuzları daha yüksek dozlarda dezenfektan kullanır. Bu nedenle, yüzücüler arasında su kaynaklı hastalıkların yayılmasını önlemek için sürekli ve etkili bir dezenfeksiyon işlemi yapmak önemlidir. Ancak normalde serbest klor olan dezenfektanlar, havuz sularındaki çeşitli organik bileşiklerle reaksiyona girmekte ve farklı dezenfeksiyon yan ürünleri (DYÜ) üretmektedir. Yüzme havuzlarında bugüne kadar 100'den fazla farklı DYÜ tespit edilmiştir. Bu DYÜ'lerin birçoğunun önemli olumsuz halk sağlığı etkileri olduğu ve yüzücüler için potansiyel olarak kanserojen olduğu gösterilmiştir. 

Birçok araştırmacı, yüzme havuzu sularında oluşan DYÜ'ler üzerinde çalışma yapmışlardır. Fakat, organik bileşik türlerinin ve çalışma faktörlerinin, yüzme havuzu sularında adsorplanabilir organik halojen (AOX) olarak toplam DYÜ'lerin oluşumuna nasıl katkıda bulunduğuna dair sistematik bir anlayış hala eksiktir. Bu nedenle bu tezin asıl amacı, bilinen DYÜ türlerinin oluşumu, yüzme havuzu sularında bilinen ve bilinmeyen DYÜ'lerin oluşumunu etkileyen faktörlerin kontrolü ile ilgili bilgi açığını azaltmaktır. Tez çalışmasının spesifik amaçları (1) insan vücut atıklarının kapalı yüzme havuz sularında dezenfeksiyon yan ürünlerin oluşumuna katkısı, (2) insan vücut atıklarının kapalı yüzme sularındaki dezenfeksiyon yan ürünlerin oluşumuna katkısı, (3) doldurma sularının özellikleri ve yüzme havuzlarındaki dezenfeksiyon yan ürünlerinin oluşumuna etkileri, (3) doldurma sularının özelliklerinin havuzlarındaki dezenfeksiyon yan ürünlerinin oluşumuna etkileri ve (5) yüzme havuzlarında farklı işletme koşullarında dezenfeksiyon yan ürünlerin oluşumunu kontrolü.

Deneysel koşulları kontrol etmek için tüm çalışmalar laboratuvar ortamında gerçekleştirilmiştir. Vücut sıvı artıklarının (BFA'ların) kapalı yüzme havuzu sularında dezenfeksiyon yan ürünlerinin oluşumuna katkısı, laboratuvarda hazırlanan insan vücudu sıvılarını (idrar ve ter) simüle etmek için hazırlanan BFA çözeltisini temsil eden üç seviyeli toplam organik karbon (TOK) kullanılarak farklı temas sürelerinde bilinen ve bilinmeyen DYÜ'lerin oluşumu incelenmiştir. Sonuçlar, BFA'ların bilinen DYÜ'lerin artan reaksiyon süresi ve sıcaklığı ile artan oluşum potansiyeli gösterdiğini ve bilinmeyen DYÜ'lerin önemli bir yüzdesini oluşturduğunu göstermiştir. Ayrıca, bilinmeyen AOX (UAOX)'un AOX'a oranı, klorlama sırasında artan reaksiyon süresi ve sıcaklıkla azalmıştır. Aynı zamanda, tahmini sitotoksisite, reaksiyon süresi ve sıcaklığın artmasıyla artmıştır.

İki farklı su kaynağından (yüzeysel ve yeraltı suyu) toplanan sular, laboratuvarda farklı sıcaklıklarda ve temas sürelerinde işleme tabi tutulmuştur. Yüzme havuzu için yer altı suyu doldurma suyu olarak kullanıldığında elde edilen sonuçlar, bilinen ve bilinmeyen DYÜ'lerin oluşumu için daha az oluşum potansiyeline ve aynı koşullarda yüzeysel sulara kıyasla daha az sitotoksisiteye sahip olduğunu göstermiştir.

Havuz suyun pH ve serbest bakiye klor konsantrayonun değiştirimesi DYÜ oluşumunu da etkilemiştir. Sonuç olarak, pH ve serbest bakiye klor artışı hem bilinen hem de bilinmeyen yan ürünlerin artışına sebep olmuştur. Ayrıca, artan ph ve serbest bakiye klor konsantrasyonu ile birlikte tahmin edilen sitotoksisite değerleri de yükselmiştir.

Abstract:
Swimming one of the most popular activities across the world in terms of using for recreational, rehabilitation and physical activity, thus, it is imperative that the swimming environment quality is healthy safe. Swimming pool waters have distinct characteristics compared with drinking waters like as: (1) organic precursor, the main organic precursor for drinking waters is natural organic matter (NOM); but for swimming pools waters, the organic precursors can be NOM from filling tap waters in addition to human body fluids, such as sweat, urine, lotions, sun screams, cosmetics and soap residual, which are complicated the nature of swimming waters more than of drinking waters; (2) swimming pools waters receive continuous loading of dissolved organic carbon, dissolved organic nitrogen and microorganisms from swimmers while drinking waters are not; and (3) swimming pools waters generally have a higher temperature than drinking waters, which leads to higher rates of disinfectant decay, and thus swimming pools use higher doses of disinfectant. Therefore, it is important to have continuous and effective disinfection process to prevent waterborne disease spreading among swimmers. However, disinfectants, normally free chlorine, react with various organic compounds in the pool waters and produce different classes of disinfection byproducts (DBPs). To date, more than 100 different DBPs have been identified in swimming pool waters. Many of these DBPs have important adverse public health effects and have been shown to be potentially carcinogenic for swimmers.

Many researchers have assessed the some of DBPs that can be accounted in swimming pool waters. However, a systematic understanding of how types of organic compounds and operation factors contribute to the formation of total DBPs as AOX in swimming pool waters is still lacking. Therefore, the main objective of this thesis is to reduce the knowledge gap concerning of formation and control of factors affecting known and unknown DBPs formation in swimming pool waters by improving the understanding of the formation of known DBPs classes: trihalomethanes (THMs) [Trichloromethane (TCM), bromodichloromethane (BDCM), dibromochloromethane (DBCM), and tribromomethane (TBM)], haloacetic acids (HAAs) [chloroacetic acid (CAA), bromoacetic acid (BAA), dichloroacetic acid (DCAA), bromochloroacetic acid (BCAA), trichloroacetic acid (TCAA), bromodichloroacetic acid (BDCAA), dibromoacetic acid (DBAA), dibromochloroacetic acid (DBCAA), and tribromoacetic acid (TBAA) and unknown DBPs by measured the adsorbable organic halogens (AOX).  Specifically, the objectives of the research were: (1) the contribution of body fluid analogues to formation of disinfection by-products in indoor swimming pool waters, (2) the contribution of body fluid analogues to formation of disinfection by-products in elevated temperatures waters, (3) source waters characteristics and implications on the formation of disinfection by-products in swimming pool waters, (4) source waters characteristics and implications on the formation of disinfection by-products in elevated temperatures waters, and (5) control on the formation of disinfection by-products under different operational conditions in swimming pool waters.

The investigations were carried out in laboratory setups in order to have controlled experimental conditions. The contribution of body fluid analogues (BFAs) to formation of disinfection by-products in indoor swimming pool waters were investigated using three levels of total organic carbon (TOC) representing BFA solution prepared in the laboratory to simulate human body fluids (mainly major components of urine and sweat) at different contact times to form known and unknown DBPs. The results showed that BFAs exhibited increasing formation potential of known DBPs with increasing reaction time and temperature and considerable percentage of unknown DBPs were formed. Furthermore, UAOX to AOX ratio decreased with increasing reaction time and temperature during chlorination. Also, the estimated cytotoxicity increased with increasing reaction time and temperature.

Two diverse natural waters (surface and underground water) were collected and treated in the laboratory with different temperatures and contact times. The results for underground water when has been used as filling water for swimming pool showed has less formation potential for formation of known and unknown DBPs and less cytotoxicity compared with surface water at same conditions.

Changing the pH and free residual chlorine value of pool water affected the formation of DBPs. As a result, increasing pH and free residual chlorine increased the formation rates of both unknown and known byproducts.  Also, the estimated cytotoxicity increased with increasing pH and free residual chlorine values.