Endokrin bozucu maddelerin evsel atıksulardan MBR ile arıtımında işletme şartlarının etkisinin araştırılması
Investigation of the effct of operation conditions on the removal of endocrine disrupting compounds from domestic wastewaters by MBR
Yazar: ABDULKADİR ÇAĞLAK
Danışman: PROF. DR. GÜLEDA ENGİN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Aktif karbon = Activated carbon ; Membran reaktör = Membrane reactor

Özet:
Son zamanlarda endokrin bozucu maddelerin (EDC) ve metabolitlerinin sucul ortamlarda sıklıkla tespit edilmeleri ve suda yaşayan organizmalar ile insan sağlığı üzerinde oluşturdukları olumsuz etkiler nedeniyle araştırmacıların yoğun ilgisini çekmektedir. Çeşitli evsel ve endüstriyel faaliyetler sonucunda su ve atıksulara karışan EDC'ler endokrin sisteminin fonksiyonlarını etkileyebilmekte ve organizmalarda bazı hastalıkların görülme sıklığını artırabilmektedir. Yapılan araştırmalar bu bileşiklerin sularda düşük konsantrasyonlarda (ng/L) dahi canlı organizmaları ve endokrin sistemlerini etkileyebildiğini göstermiştir. Bu nedenle arıtma tesislerine ulaşan atıksuların, arıtmadan çıkan arıtılmış atıksuyun ve tekrar kullanılacak atıksuların mikrokirletici içeriği bakımından da analiz edilmesi gerekmektedir. Endokrin bozucu maddelerin çoğu, yaygın olarak kullanılmakta olan konvansiyonel atıksu arıtma sistemleriyle atıksulardan istenen düzeyde giderilememektedir. Membran biyoreaktörler (MBR) klasik aktif çamur proseslerine göre yüksek biyokütle konsantrasyonları içermesi, yüksek süzüntü kalitesi elde edilebilmesi, çamur yaşı ile hidrolik bekletme süresinin birbirinden bağımsız olması, çökelme sınırlamalarının olmamasından dolayı düşük F/M oranlarında çalıştırılabilmeleri ve şok yüklemelere karşı daha dirençli olma gibi avantajlarıyla ön plana çıkmaktadır. MBR'ler geniş aralıktaki mikrokirletici gideriminde çalışmaların çoğunda iyi peformans göstermiştir. Bu çalışmada endokrin bozucu özellik gösteren 12 adet mikrokirleticinin Gaz Kromatoğrafisi/Kütle Spektrometresi (GC/MS) cihazı ile su ve atıksuda tesipiti için optimizasyon çalışması, sermik membraların kullanıldığı membran biyoreaktör (sMBR) ile bu mikrokirleticilerin evsel atıksudan arıtılmasında işletme şartlarının etkisi araştırılmıştır. 
Çalışmanın ilk periyodunda 12 adet EDC'nin üç tanesi (trimethoprim, estriol ve 2,4,6 triklorofenol) GC/MS cihazı ile optimizasyon aşamasında uygun sonuç vermediği için sMBR'de arıtım çalışmasından çıkarılarak çalışmalar diğer 9 adet EDC ile gerçekleştirilmiştir. Arıtım çalışması, ilk aşama olarak sentetik atıksuda HRT 12 saatte üç farklı SRT (SRT 15, 45 ve 90 gün) çalışmasını, ikinci aşamada sentetik atıksu ile optimum SRT ve HRT 6 saat çalışmasını, üçüncü aşama olarak sentetik atıksuda reaktörlere aktif karbon ilavesini ve son olarak dördüncü aşamada da gerçek atıksu çalışmasını içermektedir. Bu süreçte EDC'lerin giderimine SRT ve HRT'nin, reaktöre aktif karbon ilavesinin etkisi ve gerçek atıksu arıtmadaki giderim verimleri araştırılmıştır. Aynı zamanda bu işletme şartlarında sMBR'nin atıksu arıtım performansı, membran tıkanması ve nedenleri değerlendirilmiştir. İşletme şartları değiştiğinde atrazin ve penkanazol gibi bazı mikrokirleticilerin giderim verimleri etkilenmiş, estron ve sipermetrin gibi mikrokirleticilerin giderim verimlerinin ise etkilenmediği görülmüştür. İşletme şartlarının genel olarak membran tıkanmasını etkillediği gözlenmiştir. Aktif karbon ilavesinin EDC giderimini ciddi oranda artırdığı tespit edilmiştir. Gerçek atıksu arıtımında atrazin ve penkanazol gibi mikrokirleticilerin giderim veriminin kısmen düştüğü ancak membran tıkanmasının sentetik atıksu ile yapılan çalışmalarla benzer sonuçlar verdiği belirlenmiştir.

Abstract:
In recent years, endocrine disrupting substances (EDC) and their metabolites have been frequently detected in aquatic environments and have attracted the attention of researchers due to their negative effects on aquatic organisms and human health. EDCs mixed with water and wastewater as a result of various domestic and industrial activities can affect the functions of the endocrine system and increase the incidence of some diseases in organisms. Studies have shown that these compounds can affect living organisms and endocrine systems even at low concentrations (ng/L) in water. For this reason, the wastewater reaching the treatment plants, the treated wastewater discharged from the treatment plant and the wastewater to be reused should all be analyzed in terms of micropollutant content. Most of the endocrine disruptors cannot be removed from wastewater at desired levels with conventional wastewater treatment systems that are widely used. Membrane bioreactors (MBR) stand out with the advantages of containing high biomass concentrations compared to conventional activated sludge processes, obtaining high permeate quality, being independent of sludge age and hydraulic retention time, operating at low F/M ratios due to the absence of settling limitations, and being more resistant to shock loading. MBRs performed well in most of the studies in removing a wide range of micropollutants. In this study, the optimization study for the detection of 12 micropollutants with endocrine disrupting properties in water and wastewater with Gas Chromatography / Mass Spectrometer (GC / MS) instrument, the effect of operating conditions on the treatment of these micropollutants from domestic wastewater with a membrane bioreactor (sMBR) using ceramic membranes was investigated. 
In the first period of the study, three of the 12 EDCs (trimethoprim, estriol and 2,4,6 trichlorophenol) did not give appropriate results in the optimization phase with the GC/MS instrument used, therefore they were excluded from the treatment study in sMBR and the studies were carried out with the remaining 9 EDCs. The treatment study consisted of operating MBRs with synthetic wastewater at three different SRTs (SRT 15, 45 and 90 days) in 12 hours of HRT as the first stage, in the second stage the MBRs were operated at optimum SRT and 6 hours of HRT using synthetic wastewater, as the third stage the addition of activated carbon to the reactors was investigated and finally, at the fourth stage the removal of EDCs in actual wastewater was studied. In this final stage, the effect of SRT and HRT on the removal of EDCs, the addition of activated carbon to the reactor and the removal efficiencies in real wastewater treatment were investigated. At the same time, wastewater treatment performance of sMBR, membrane fouling and its causes were evaluated under these operating conditions. When the operating conditions were changed, the removal efficiency of some micropollutants such as atrazine and penconazole was affected, while the removal efficiency of micropollutants such as estrone and cyprmethrin was not affected. It was observed that operating conditions generally affect membrane fouling. It was also determined that the addition of activated carbon significantly increased the EDC removal rates. It was determined that the removal efficiency of micropollutants such as atrazine and penconazole is partially reduced in real wastewater treatment, however similar results were obtained with real wastewater in terms of membrane fouling.