Removal of anti-inflammatory micropollutants in wastewater treatment plants
Anti-enflamatuvar özellikteki mikrokirleticilerin atıksu arıtma tesislerindeki arıtılabilirliği
- Tez No: 540244
- Danışmanlar: DOÇ. DR. DİDEM OKUTMAN TAŞ
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Biyoteknoloji, Mühendislik Bilimleri, Çevre Mühendisliği, Biotechnology, Engineering Sciences, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Çevre Biyoteknolojisi Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 158
Özet
Ağrı ve iltihap belirtilerini tedavi etmek için Non-steroidal anti-inflamatuar ilaçlar (NSAID) günümüzde reçetesiz olarak yoğunlukla kullanılmaktadır. Bu çalışma, diklofenak, ibuprofen, naproksen, ketoprofen, mefenamik asit ve indometasin gibi farmasotik ilaçların atıksu arıtma tesislerindeki akıbetini ortaya koymaktadır. Toksisitiye neden olan bu mikrokirleticilerin ekosisteme girdisinde en önemli etken atıksu arıtma tesislerinden kaynaklanmaktadır. Bu çalışma, atıksu arıtma tesislerinde mikrokirleticilerin giderilmesini mevsimsel, yıllık ve günlük olarak incelemeyi hedef almıştır. Marmara Bölgesi'nde bulunan iki İleri Biyolojik Atıksu Arıtma Tesisinin (AAT) giriş (ızgara ve kum tutucu aşamalarından geçmiş atıksu) ve çıkış akımlarından (deşarj edilen atıksu) alınan 24 saatlik kompozit ve 2 saatlik kompozit numuneler incelenmiştir. Her mevsimde en az iki adet olmak üzere 24 sattlik kompozit numuneler yağışın olmadığı kurak havalarda alınmıştır. Alınan bu numunelerde mikrokirleticilerin ölçümünün yanında TKOİ, ÇKOİ, TKN, amonyak, TP, AKM-UAKM ve pH gibi konvansiyonel parametrelerin analizleri de yapılmıştır. Non-steroidal mikrokirleticilerin (ibuprofen, naproksen, diklofenak, ketoprofen, mefenamik asit, indometasin) ölçümü ön işlemler sonrasında LCMS-MS de gerçekleştrilmiştir. Bu kirleticilerin ölçümü yapılırken, diklofenak-d4, ibuprofen-d3 ve naproksen-d3 işaretli izotoplar kullanılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre mikrokirleticilerin tesise giriş verileri ve yanı zamnada tesisteki arıtım verimleri irdelenmiş ve kompozit parametrelerle olan ilişkileri karşılaştırılabilmiştir. Mevsimsel, günlük ve yıllık olarak arıtım verimlerini karşılaştırmak için en az 76 numune değerlendirilmiştir. Araştırma sonucuna göre; AAT-2'de alınan numunelere göre mikrokirleticiden ibuprofen ve naproksen'nin giriş konsantrasyonları sırasıyla 5-9 µg/L ve 8-17 µg/L ölçülmüştür. Dört mevsim boyunca takip edilen bu kirleticilerin yüksek konsantrasyonları sonbahar ve kış aylarında gözlemlenirken, yaz ve ilkbaharda daha düşük konsantrasyonlarda gözlemlenmişlerdir. Konsantrasyonları yüksek olan bu iki kirleticinin arıtımının yaz aylarında daha yüksek olduğu kaydedilmiş. Sonbahar ve ilkbahar mevsimlerinde ise arıtım veriminin düştüğü tespit edilmiştir. Bunun yanında, AAT-2'den alınan numunelere göre, dört mevsimde de çıkış konsantrasyonları 1-2 µg/L aralığında ölçülmüştür. Tesiste naproksen için %81-96 arasında bir arıtım verimi sağlanırken, İbuprofen için arıtım verimi %75-93 seviyesinde sağlanmıştır. AAT-1'i AAT-2'den ayıran belirgin dizayn farkı, bu tesiste atıksu deşarja verilmeden önce UV aşamasından da geçiriliyor olmasıdır. Bu tesisten alınan numunelere göre ibuprofen ve naproksen giriş konsantrasyonları dört mevsimde de incelenen mikrokirleticiler arasında en yüksek kirleticiler olarak belirlenmiştir. İbuprofen konsantrasyonu ilkbaharda 22 µg/L iken yaz mevsiminde 3 µg/L'dir. Sonbahar mevsimini temsil eden numunelerde de kış mevsimindekilere göre daha yüksek konsantrasyonlarda İbuprofen'e rastlanmıştır. İbuprofen'in aksine naproksen giriş konsantrasyonu yapılan bir yıllık incelemeye göre dört mevsim konsatrasyonları birbirine yakın olarak kaydedilmiştir (8-12 µg/L). Bu iki kirleticinin tesis çıkışındaki konsantrasyonları oldukça düşükken, İbuprofen' in ilkbahar mevsiminde arıtım veriminde düşüş görülmüş ve çıkış konsatrasyonu 1.2 µg/L olarak ölçülmüştür. Tesiste naproksen için %96' nın üstünde bir arıtım verimi sağlanırken, İbuprofen için %93' ün üzerinde arıtım verimi ölçülmüştür. Her iki tesis için de incelenen arıtım verimlerine göre ibuprofen ve naproksen arıtımında AAT-1 çıkış kalitesinin daha yüksek olduğu görülmüştür. İncelenen kirletici grubundan diklofenak ve ketoprofen giriş konsantrasyonlarına bakıldığında, her iki tesiste de diklofenak yıllık olarak yakın değerlerde kaydedilirken, ketoprofen değişkenlik göstermektedir. AAT-1'de diklofenak giriş konsantrasyonu 0,4-1 µg/L arasındayken, AAT-2'de 0,2-1 µg/L olarak kaydedilmiştir. Her iki tesiste de giriş konsantrasyonu değişkenlik gösteren mikrokirletici ketoprofen' in değerleri 0,8-2,5 µg/L olarak ölçülürken, yüksek konsantrasyonlara sonbahar mevsiminde rastlanmıştır. Yaz mevsiminde az da olsa arıtılabilen diklofenak, diğer mevsimlerde çok düşük arıtma verimlerine ulaşabilmiş, hatta kış ve ilkbahar mevsimlerinde hiç arıtılamamıştır. Ketoprofen düşük verimlerde de olsa her mevsimde bir miktar arıtılabilmiştir. Diklofenak arıtımı AAT-2'de yaz mevsiminde bir miktar görülmüş ancak diğer mevsimlerde arıtım görülememiştir. Ketoprofen arıtımı ise kış mevsiminde görülmemektedir. Her iki tesiste de diklofenak arıtım verimi %0 - %34 arasında, ketoprofen arıtım verimi %0 - %70 arasında değişiklik göstermektedir. Nanogram mertebesinde konsantrasyonlar olarak ölçülebilen İndometasin ve Mefenamik asit arıtımı her iki tesiste de neredeyse hiç görülmemektedir. İndometasin giriş konsantrasyonları AAT-1'de 30-110 ng/L, AAT-2' de ise 20-120 ng/L olarak ölçülmüştür. Mefenamik asit konsantrasyonu ise AAT-1' de 5-60 ng/L iken, AAT-2' de 12-50 ng/L olarak belirlenmiştir. İndometasin az da olsa AAT-2' de sonbahar ve ilkbahar mevsimlerinde arıtılabilirken, kış mevsiminde hiç arıtılamamaktadır. Mefenamik asit' in ise her iki AAT'de de arıtılamadığı tespit edilmiştir. İndometasin ise yaz mevsiminde diğer mevsimlere göre bir miktar yüksek arıtım verimine ulaşmıştır. Alınan 2 saatlik kompozit numunelerin analizi sonucunda, İbuprofen giriş konsantrasyonun AAT-1' de öğlen saatlerinde arttığı görülmüştür. Bu artış aynı zamanda elde edilen Kimyasal oksijen ihtiyacı (KOİ) profili ile de benzerlik göstermektedir. Naproksen'in sabah saatlerinde kosantrasyonunda artış gözlenirken, diklofenak, ketoprofen, indometasin ve mefenamik asit konsantrasyonun gün içinde çok değişim göstermediği görülmüştür. Konvansiyonel parametreler ile NSAID'ler arasında atıksu arıtma tesisine giriş konsantrasyonları, yükleri ve bu kirleticilerin giderim potansiyelleri açısından herhangi bir ilişkinin bulunup bulunmadığı gerçekleştirilen korelasyon analizleri ile araştırılmıştır. İstatistiksel analizler, SigmaPlot sürüm 12 yazılımı ile gerçekleştirilmiştir. Yapılan çalışma ile mikrokirleticiler ve konvansiyonel parametreler arasındaki korelasyon incelendiğinde diklofenak, indometazin ve naproksen giriş konsantrasonları ile özellikle çözünmüş KOİ (çKOİ) ve KOİ parametrelerinin giriş konsantrasyonları arasında bir korelasyon olduğu tespit edilmiştir. Giriş konsantrasyonlarının yanı sıra, alınan tüm numunelerin giriş yükleri de hesaplanıp, NSAID'ler ile konvansiyonel parametreler arasında yük bazında korelasyon olup olmadığı incelenmiştir. Gerçekleştirilen korelasyon analiz sonuçlarına göre, mefenamik asit, indometasin, diklofenak ve ibuprofen'nin KOİ ve çKOİ ile yüksek oranda korelasyonu görülürken, naproksen ve ketoprofen'in tüm konvansiyonel parametrelerle ilişkilendirilebileceği görülmüştür. Arıtım verimleri incelendiğinde ise naproksen ve ibuprofen arıtım verimi ile azot, çKOİ ve TKOİ arasında doğrusal bir korelasyon görülürken, diklofenak arıtım verimi ile çKOİ arasında da bir korelasyon görülmektedir. Sonuç olarak atıksudaki azot, KOİ ve çKOİ arıtım veriminin bize mikrokirleticilerin arıtımı ile ilgili tahmini bilgileri verebileceği kanısına varılmıştır. Çalışmanın ikinci bölümünde atıksu arıtma tesislerinde yüksek konsantrasyonlarda tespit edilen farmasotik kirleticilerden ibuprofen, naproksen ve toksistesinin yüksek diklofenak'ın bir mikrobiyal kültür üzerinde etkilerinin belirlenmesi için çamur yaşı 20 gün olan bir doldur-boşalt reaktör kurulmuş ve işletilmiştir. Reaktör hergün 200 mg/L KOİ' ye denk gelecek şekilde asetat ile beslendi. Diklofenak, ibuprofen ve naproksen'in bireysel olarak toksik etkilerinin (500 µg/L) yanı sıra sinerjik toksisite etkileri de respirometrik olarak araştırılmıştır. Laboratuvar ölçekli kurulan reaktörden alınan kültür ile farklı besi maddesi/biyokütle (F/M) oranlarında respirometrik analizler gerçekleştirilmiştir. Seçilen NSAID'lerin heterotrofik biyokütle üzerinde olumsuz etkileri tespit edilmiştir. NSAID'lerin de eklendiği respirometrik analizlere göre, oksijen tüketim oranı profilinde düşüş gözlemlenmiştir. NSAID'lerin tekil veya birarada bulunduğu durumlardaki spesifik büyüme oranı üzerindeki etkisi belirlenmiştir. Büyüme üzerinde en fazla olumsuz etki diklofenak ve İbuprofen'nin sisteme birlikte verildiği analizde gözlemlenmiştir. İbuprofen tek olduğu durumda en az etki gözlemlenmiştir.
Özet (Çeviri)
This research focuses on the assessment of removal potential of non-steroidal anti-inflammatory drugs (NSAIDs), frequently used non-prescribed drugs (i.e., diclofenac, ibuprofen, naproxen, ketoprofen, mefenamic acid and indomethacin) to treat the symptoms of pain and inflammation, in wastewater treatment plants (WWTPs). NSAIDs enter into the ecosystem mainly from wastewater treatment plants and they are potential toxic compounds in the receiving environments. This research has preceded with the determination of seasonal change during a year in the influent stream of two wastewater treatment plants. Removal efficiencies of the targeted NSAIDs were assessed in two different wastewater treatment plants and mostly detected anti-inflammatory micropollutants (i.e., ibuprofen, naproxen, diclofenac) were determined. For this purpose, composite samples (24-hour) were taken from two biological wastewater treatment plants located in the Marmara Region to screen NSAIDs' behavior during one year to characterize seasonal changes. NSAIDs' concentration in both influent and effluent of wastewater treatment plant have been measured and their removal efficiencies have been investigated. Apart from the seasonal variations, hourly samples were also taken in the summer (2-hour composite samples) to characterize their hourly variations. In order to evaluate yearly variations of NSAIDs in the sampled wastewater treatment plants, composite samples in the summer season were also repeated and analyzed after one year. Ibuprofen and naproxen concentrations have been observed at higher concentrations than the other micropollutants during four seasons in both of the wastewater treatment plants. Influent concentrations of ibuprofen and naproxen in the WWTP-1, which possess a UV disinfection unit, changed between 3-22 µg/L and 8-12 µg/L respectively. Moreover, their removal rates have been recorded higher than 93% and 96%. Influent concentration of ibuprofen and naproxen in the WWTP-2 have been detected as 5-9 µg/L and 8-17 µg/L, respectively. However, a decrease in the removal rate of ibuprofen and naproxen was observed in autumn and spring season in WWTP-2. Diclofenac concentrations observed in two WWTPs were relatively similar. The concentration of diclofenac in WWTP-1 and WWTP-2 was recorded as 0.4-1 μg/L and 0.2-1 μg/L, respectively. However, removal rate for diclofenac were ranged between 0-34% in both of the WWTPs. The influent concentration of ketoprofen were observed between 0.8-2.5 μg/L in both of WWTPs. High concentrations of ketoprofen were determined in autumn season. Removal rate of ketoprofen calculated between 0-70% in both WWTPs. Indomethacin and mefenamic acid could be measured in the range of nanogram. Influent concentration of indomethacin was measured as 30-110 ng/L in WWTP-1, and 20-120 ng/L in WWTP-2. Mefenamic acid concentration was 5-60 ng/L in WWTP-1 and 12-50 ng/L in WWTP-2. While indomethacin might be slightly removed in the autumn and spring seasons in WWTP-2, removal rate in summer was calculated a bit higher in WWTP-1. Mefenamic acid removal was not observed in both WWTPs. According to the results obtained with 2-hourly composite samples during a day, ibuprofen and chemical oxygen demand (COD) influent concentration profiles were similar. A similarity with the COD concentration profile and diclofenac concentration profile was not observed. A correlation analysis was performed between micropollutants and conventional parameters to determine if there is a correlation between these NSAIDs and conventional parameters in terms of influent concentrations as well as removal efficiencies. It was determined that the influent concentrations of diclofenac, indomethacin and naproxen were correlated with the influent concentrations of total suspended solids (TSS) and volatile suspended solids (VSS) parameters. Correlation evaluations were performed between concentrations of conventional parameters and NSAIDs. Moreover, correlations between the loads of these pollutants were also investigated. According to correlation analyses performed between the NSAIDs and conventional parameters based on influent loads of these parameters, a high correlation with COD and soluble COD (SCOD) parameters and NSAIDs have been determined. Moreover, naproxen and ketoprofen had positive correlation with all of the investigated conventional parameters. In terms of concentrations of NSAIDs and conventional parameters' concentrations, a correlation was observed for the naproxen concentration and TSS content in the influent wastewater. Thus, the amount of solid matter and especially COD and SCOD content of the wastewater may reflect some predictive information about the micropollutants loads. Based on the removal efficiencies, there was a positive correlation between naproxen, ibuprofen removal efficiencies and nitrogen, SCOD, TCOD removal efficiencies. Additionally, there was a correlation between SCOD and diclofenac removal efficiency. In the second part of this study, a fill and draw reactor was operated and fed with acetate with a sludge retention time of 20 days. The individual as well as synergic toxicity effect of diclofenac, ibuprofen and naproxen were investigated respirometrically. According to respirometric analyses, a decrease in the growth rate of heterotrophic biomass was determined as a result of the culture amendment with these selected micropollutants. Results reflected that the presence of these NSAIDs decreased the oxygen uptake rate and specific growth rate on readily biodegradable substrate. Respirometric analyses were carried out with the culture amendment with 500 μg/L of NSAIDs (individually and as a mixture) to investigate potential toxic effects on microbial community. It was observed that exposure to NSAIDs changes metabolic structure of biomass (i.e., specific growth rate). In the presence of 500 µg/L of ibuprofen, naproxen and diclofenac the calculated heterotrophic specific growth rates were 3.489, 2.999, and 3.049 day-1, respectively. Higher decrease in the specific growth rate was observed when the biomass was amended with diclofenac and naproxen. Whereas, biomass amendment with ibuprofen resulted in a decrease from 3.66 to 3.489 day-1 The highest drawback effect was observed when diclofenac and ibuprofen were introduced together. Diclofenac was determined as the most effective and ibuprofen was detected as the least effective NSAID on the microbial culture.
Benzer Tezler
- Hareketli yataklı reaktörlerde antienflamatuvar yapıdaki mikro kirleticilerin gideriminin araştırılması
Investigation of the removal of anti-inflammatory micropollutants in moving bed reactors
BERKAY UÇAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HAYRETTİN GÜÇLÜ İNSEL
- Steroid yapıda olmayan antienflamatuvar özellikteki mikrokirleticilerin düşük çamur yaşında işletilen hibrit sistemlerde arıtılabilirliği
Removal of nonsteroidal anti-inflamatory drugs from wastewaters using hybrid systems operated at low sludge retention time
ŞEYMA YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Bilimleri Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DİDEM OKUTMAN TAŞ
- Farklı çamur yaşlarında antienflamatuvar özellikteki mikrokirleticilerin giderimi ve respirometrik yöntemler ile akut/kronik etkilerin belirlenmesi
Removal of anti-infammatory micropollutants in different sludge ages and determination of their acute/chronic effects with respirometric analyses
DİLŞAD SOYLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Çevre Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMİNE UBAY ÇOKGÖR
- Diklofenak içeren atıksuyun fotokimyasal ileri oksidasyon prosesleri ile arıtılabilirliğinin araştırılması
Investigation the treatability of the diclofenac in wastewater by photochemical advanced oxidation processes
SEVDA HATUN ALTIN
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Çevre MühendisliğiOndokuz Mayıs ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HANİFE BÜYÜKGÜNGÖR
- Relating microbiome profiles to removal of non-steroidal anti-inflammatory drugs in sequencing batch reactors along a sludge retention time
Farklı çamur yaşlarında işletilen ardışık kesikli reaktörlerde steroid yapıda olmayan antienflamatuvar yapıdaki ilaçların giderimi ile mikrobiyom profillerinin ilişkisi
MELİS SERCAN AKKOCA
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Biyomühendislikİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. GÜLSÜM EMEL ZENGİN BALCI