Removal of microbial pollutants and micropollutants with reverse osmosis membranes from drinking water
Ters osmoz membranlar ile içme suyundan mikrobiyal kirleticilerin ve mikrokirleticilerin giderimi
- Tez No: 558470
- Danışmanlar: PROF. DR. İSMAİL KOYUNCU
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- 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: 117
Özet
Doğal ve sınırlı bir kaynak olan su, canlıların en temel ihtiyaçlarından biridir. Artan nüfus, sanayileşme, tarımsal faaliyetler gibi sebeplerle bu sınırlı kaynağa duyulan ihtiyaç artmakta ve buna bağlı olarak her geçen gün daha fazla miktarda su, atık suya dönüşmektedir. 2016 yılı TÜİK verilerine göre, Türkiye'de kişi başı günlük 183 L/gün atık su üretilmektedir. Bunun sonucunda ise her yıl yaklaşık 4,5 milyar m3 atık su alıcı ortamlara deşarj edilmektedir. Dünya genelinde pek çok bölgede atık su ve içme suyu arıtımı yapılamamaktadır. Bu sebeple, yaklaşık 1,2 milyar insan temiz olmayan suları tüketmektedir. Arıtım yapılan bölgelerde ise genellikle konvansiyonel arıtma yöntemleri uygulanabilmektedir. Ancak pek çok kirletici içme suyu kaynaklarını kontamine etmekte ve halihazırda uygulanan konvansiyonel yöntemlerle sulardan giderilememektedir. Sulara bulaşan mikrobiyal kirleticiler ölümcül hastalıklara sebep olabilmektedir. Buna bağlı olarak, yılda yaklaşık 5 milyon insan su kaynaklı hastalıklar sebebiyle ölmektedir. Uzun vadede ise sularda bulunan organik ve inorganik maddeler endokrin sistem hastalıkları, nörolojik hastalıklar ve kanser gibi pek çok hastalığa yol açabilmektedir. Bu sebeplerle, içme sularının arıtılması hayati önem taşımaktadır. Bu çalışmada, kullanım noktası (point-of-use) ve giriş noktası olarak uygulanan (point-of-entry) ev tipi içme suyu arıtma sistemlerinde yer alan ters osmoz membranlar kullanılarak su arıtma tesislerinde konvansiyonel sistemlerle giderilemeyen mikrokirleticilerin, su tesisatlarından bulaşabilen mikrobiyal ve inorganik kirleticilerin ve arıtılmış suda bulunabilen organik maddelerin standartlara uygun olarak içme sularından giderimi amaçlanmıştır. Çalışma kapsamında, iki adet ince film kompozit ters osmoz filtre ve bir adet biyomimetik bir membran olan aquaporin katkılı ters osmoz filtre olmak üzere üç farklı ticari filtre test edilmiştir. Bu sayede, filtre materyalinin ve aquaporin katkısının, kirletici giderim verimlerine ve akıya etkisinin ortaya konması hedeflenmiştir. Kirletici yükü göz önünde bulundurularak düşük yükten yüksek yüke olacak şekilde test sırası mikrokirleticiler, uçucu organik bileşikler, inorganik ve mikrobiyal kirleticiler olarak belirlenmiştir. Kirleticiler sağlık etkisi, aestetik etki ve kirleticilerin Türkiye sularında görülme sıklığı dikkate alınarak seçilmiştir. Testte kullanılan besleme sularının konsantrasyonları, National Sanitation Foundation (NSF)/American National Standards Institute (ANSI) standartlarında belirtilen giriş suyu konsantrasyonları, literatür bilgileri, iyon dengeleri ve Türkiye sularında bulunma miktarları göz önünde bulundurularak belirlenmiştir. Sentetik olarak hazırlanan giriş suları, analiz yöntemine göre gruplara ayrılmış olup, saf suya kimyasal ve mikrobiyal kaynaklar eklenerek hazırlanmıştır. Ayrıca, giderim mekanizmasında basıncın etkisini belirlemek amacıyla, tüm testler 4,1 ve 5,5 bar olmak üzere iki farklı basınçta yürütülmüştür. Test sonucunda toplanan numuneler uygun yöntemlerle analiz edilmiştir. Mikrokirletici testi için seçilen parasetamol, DEET, estradiol ve linkomisin maddelerinin analizi HPLC ve LC-MS/MS cihazında yürütülmüştür. Benzen ve kloroform analizi GC-MS & PT cihazları ile yapılmıştır. İnorganik kirleticiler ise iki gruba ayrılarak incelenmiştir. Alüminyum, arsenik, bor, baryum, kadmiyum, krom, bakır, demir, kurşun, mangan, nikel ve sodyum Grup-I'de yer alan inorganik kirleticiler olarak belirlenmiştir. Grup-I'deki inorganic kirleticilerin analizi ICP-MS cihazı kullanılarak yapılmıştır. Amonyum, klorür, nitrat, nitrit ve sülfat ise Grup-II'de yer alan inorganikler olarak ayrılmıştır. Grup-II'de yer alan inorganiklerin analizi ise IC cihazında yürütülmüştür. Mikrobiyal testler ise, süzüntü hattından alınan numunelerin hazırlanan seçici besiyerlerine ekildikten sonra E.coli için 1 gün, diğerleri için 2 gün olmak üzere 37 °C inkübatörde bekletilerek sayım yapılması yöntemine dayanmaktadır. Analizler sonucunda, farklı tipteki pek çok kirletici için üç farklı filtrenin iki farklı basınçtaki giderim yüzdeleri karşılaştırılmıştır. Ayrıca, süzüntü suyunda kalan kirletici konsantrasyonlarına göre, filtrelerin standartlarda yer alan maksimum izin verilebilir limit değerleri aşıp aşmadıkları kontrol edilmiştir. Sonuçların değerlendirilmesinde İnsani Tüketim Amaçlı Sular Hakkında Yönetmelik baz alınmıştır. Mikrokirletici analizi sonucunda, Ticari TO Filtre-I ile 4,1 barda yürütülen testte parasetamol, DEET, estradiol ve linkomisin giderimi sırasıyla %88, %100, %83 ve %96 olarak bulunmuştur. Ayrıca 5,5 basınçta yapılan testte ise parasetamol, DEET, estradiol ve linkomisin giderimi sırasıyla %94, %100, %72 ve %96 olarak elde edilmiştir. Ticari TO Filtre-II ile 4,1 barda yürütülen testte parasetamol, DEET, estradiol ve linkomisin giderimi sırasıyla %47, %73, %99 ve %30 olarak bulunmuştur. Ayrıca 5,5 basınçta yapılan testte ise parasetamol, DEET, estradiol ve linkomisin giderimi sırasıyla %41, %92, %88 ve %80 olarak elde edilmiştir. Aquaporin Katkılı TO Filtre'nin 4,1 barda yapılan test sonucunda ise parasetamol, DEET, estradiol ve linkomisin giderimi sırasıyla %29, %51, %89 ve %86 olarak bulunmuştur. Ayrıca 5,5 basınçta yapılan testte ise parasetamol, DEET, estradiol ve linkomisin giderimi sırasıyla %16, %89, %27 ve %78 olarak hesaplanmıştır. GC-MS&PT analizi sonucunda, benzen ve kloroform uçucu organiklerinin gideriminde üç filtre de hem 4,1 hem de 5,5 bar basınçta %100'e yakın giderim elde edilmiştir. ICP-MS analizi sonucuna göre, bor ve sodyum hariç Grup-I'de yer alan inorganik maddelerin, tüm filtrelerde hem 4,1 hem de 5,5 barda %92'den fazlası giderilmiştir. İnce film kompozit (TFC) membranlar ile sodyum giderimi %85'in üzerinde sağlanmıştır. Ancak aquaporin katkılı membranlarla giderimin %65-70 civarında kalması sebebiyle standartlarda belirtilen limit değer sağlanamamıştır. Bor giderimi ise üç filtre için de oldukça düşüktür. Bu sebeple, üç filtrenin süzüntü suyunda bulunan bor konsantrasyonun standartta belirtilen limit değerin üzerinde kaldığı belirlenmiştir. IC analizi sonuna göre ise, hem 4,1 barda hem de 5,5 barda üç filtrenin de amonyum gideriminde zayıf kaldığı ve süzüntü suyunda bulunan amonyum konsantrasyonunun limit değeri aştığı sonucuna ulaşılmıştır. Ayrıca TFC ters osmoz membranlar ile nitrit ve nitrat giderimi etkin şekilde sağlanırken, aquaporin katkılı ters osmoz membran ile yeterli giderim sağlanamadığı sonucuna varılmıştır. Mikrobiyal analiz sonucunda, en yüksek E.coli giderimini Aquaporin Katkılı TO Filtre sağlamasına rağmen üç filtre de E.coli bakterisini tamamen giderememiştir. Benzer şekilde, Enterococci gideriminde en başarılı filtre Aquaporin Katkılı TO Filtre olmasına rağmen, hiçbir filtre ile %100 giderim sağlanamamıştır. Pseudomonas aeruginosa gideriminde ise en yüksek verim Ticari TO Filtre-I ile elde edilmesine rağmen, bu filtre de %100 giderim sağlayamamıştır. Ticari TO Filtre-I ile oldukça yüksek oranda Clostridium perfringens giderilmesine rağmen, %100 giderim yalnızca Aquaporin Katkılı TO Filtre ile sağlanabilmiştir. Koliform bakteri analizi sonucuna göre, Ticari TO Filtre-I ve Aquaporin Katkılı TO Filtre %100 giderim sağlayarak, süzüntü suyundaki mikroorganizma sayısını sıfırlamıştır. Ancak Ticari TO Filtre-II'nin giderim verimi koliform için de düşük kalmıştır. 22 °C toplam canlı sayımında ise, giderim verimlerinin üç filtre için de oldukça düşük kaldığı görülmektedir. 37 °C toplam canlı analizi sonucunda ise, %100 giderim sağlayabilen tek filtre Ticari TO Filtre-I olmuştur. Benzer şekilde, Ticari TO Filtre-I ve Aquaporin Katkılı TO Filtre yüksek oranda Staphylococcus giderimi sağlamasına rağmen, hiçbir filtre %100 giderim sağlayamamıştır. Sonuç olarak, ters osmoz membranlarla mikrokirletici giderimi yüksek verimle sağlanabildiği ve seçilen mikrokirleticiler için ana giderim mekanizmanın molekül boyutu olduğu belirlenmiştir. Benzen ve kloroform uçucu organiklerin ters osmoz membranlarla %100'e yakın verimle giderildiği söylenebilmektedir. İnorganik kirleticilerde ise bor ve amonyum dışında ters osmoz membranlar genellikle yüksek giderim sağlamaktadır. Mikrobiyal gideriminde ise, filtreler yüksek oranda giderim sağlayabilmelerine rağmen, süzüntü suyundaki mikrobiyal kirletici konsantrasyonları İnsani Tüketim Amaçlı Sular Hakkında Yönetmelik'te yer alan limit değerlerin üzerinde kalmaktadır. İnce film kompozit ve aquaporin katkılı membranlar kıyaslandığında Aquaporin katkılı membranın, mikrobiyal giderim dışında test edilen kirleticilerin gideriminde zayıf kaldığı anlaşılmıştır.
Özet (Çeviri)
Water, which is one of the limited resources of the nature, is fundamental for all living creatures. Growing human population, industrial and agricultural developments increase the demand for clean-water and, consequently, wastewater production rate. According to 2016 statistics provided by Turkish Statistical Institute (TÜİK), 183 L of wastewater is produced per person every day. As a result, in 2016, approximately 4.5 billion m3 of wastewater is discharged into receiving media in Turkey. Currently, water treatment processes are poorly conducted throughout the world and 1.2 billion people are not able to reach clean water resources. In regions where water treatment is available, conventional processes are employed which are, unfortunately, unable to eliminate many contaminants in the water. One of them is microbial pollutants, which are the known causes of various lethal diseases. Every year, 5 million people die because of waterborne diseases. Besides, specific organic and inorganic materials found in water can lead to many other diseases such as cancer, endocrine system disruptions and neurological diseases in long term. Therefore, proper water treatment is a crucial and vital process for humankind. In this study, rejection of micropollutants, microbial and inorganic pollutants, and organic compounds, that cannot be completely removed by the conventional methods, by the reverse osmosis membranes utilized in domestic point-of-use and point-of-entry water treatment processes is aimed. Two different thin-film composite (TFC) reverse osmosis filters and a biomimetic membrane, aquaporin, was tested in the scope of this thesis to investigate the effects of membrane material and aquaporin channels on the removal efficiency of pollutants and permeate flux. According to the pollutant classification and pollution load, a test configuration that consist of the sequential supply of micropollutant, volatile organic compounds, inorganic and microbial pollutants, respectively, was developed. Pollutants investigated in this study were chosen according to health and aesthetic effects, and occurrence frequency of pollutants in water sources of Turkey. The concentrations of the influent test water were specified according to the standards of National Sanitation Foundation (NSF) and American National Standards Institute (ANSI), ionic equilibrium of water, and occurrence concentration of pollutants in water sources of Turkey. Influent water that is prepared synthetically by adding chemical or microbial content into distilled water was classified according to analysis methods. Additionally, to specify effect of the pressure on the rejection, all tests were conducted at two different pressure, 4.1 and 5.5 bar. During the study, three different filters were tested at two pressure level for various pollutants. In addition, the performance of the membranes was determined by measuring the pollutant concentrations in permeate samples and checking with the allowable level specified by Turkey Ministry of Health (TMH) – Regulation on Water Intended for Human Consumption. Consequently, results showed that using reverse osmosis membranes for micropollutant rejection is highly effective, also; the main rejection mechanism of RO membranes is for the selected micropollutants is molecule size (molecular weight). Volatile organic compounds, such as benzene and chloroform, can be rejected almost up to 100% with the reverse osmosis membranes. For a lot of inorganic pollutants, except boron and ammonium, RO membranes are able to perform high rejection. Lastly, if the results from the thin-film composite membranes and aquaporin embedded membranes are compared, aquaporin embedded membrane shows worse rejection than the TFC membranes, in tests conducted for micropollutant and inorganic pollutants.
Benzer Tezler
- Kentsel biyolojik atıksu arıtma tesisinde organik mikrokirleticilerin giderim durumunun değerlendirilmesi
Evaluation of the removal status of organic micropollutants in urban biological wastewater treatment plant
DENİZ DEMİRBİLEK
Doktora
Türkçe
2023
Çevre MühendisliğiFırat ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. UBEYDE İPEK
PROF. DR. ÜLKÜ YETİŞ
- Kocaeli ili genelindeki beşeri ilaç kökenli mikrokirleticilerin atıksu arıtma tesislerinde ve arıtma çamurunda tespiti
Determination of human medicine based micropollutants in wastewater treatment plants and treatment sludge in the district of Kocaeli
ECE POLAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Çevre MühendisliğiGebze Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EBUBEKİR YÜKSEL
- 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
- Removal of anti-inflammatory micropollutants in wastewater treatment plants
Anti-enflamatuvar özellikteki mikrokirleticilerin atıksu arıtma tesislerindeki arıtılabilirliği
ESMA DEMİRKAYA
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Biyoteknolojiİstanbul Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. DİDEM OKUTMAN TAŞ
- Yaygın kullanılan endokrin bozucu mikrokirleticilerin anodik oksidasyon prosesiyle sudan gideriminin araştırılması: Estron ve fluoksetin örneği
Investigation of removal of commonly used endocrine disrupting micropollutants from wastewater by anodic oxidation process: The case of Estrone and fluoxetine
DENİZ KASKA
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Çevre MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiÇevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. GÜLEDA ENGİN