Geri Dön

The formation and control of selected unregulated disinfection by-products (DBPS) in water treatment

Su arıtmada yonetmelıgı olmayan dezenfeksiyon yan ürünlerinin oluşumu ve kontrolü

PDF İndir

  1. Tez No: 935806
  2. Yazar: MAHMUT SELİM ERŞAN
  3. Danışmanlar: PROF. DR. TANJU KARANFIL
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Çevre Mühendisliği, Environmental Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2017
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Clemson University
  10. Enstitü: Yurtdışı Enstitü
  11. Ana Bilim Dalı: Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Çevre Bilimleri ve Mühendisliği Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 232

Özet

Dezenfeksiyon içme suyundaki patojen mikroorganizmaları ortadan kaldırmak için su arıtımında uygulanan bir yontemdir. Ancak, farklı öncüller (prekürsörler) ile oksidanlar arasındaki reaksiyon sonucu dezenfeksiyon yan ürünleri (DBP'ler) oluşur. Çeşitli sağlık etkileri nedeniyle ABD Çevre Koruma Ajansı (USEPA), Dezenfektanlar/DBP Kuralı (D/DBPR) kapsamında DBP'ler için giderek daha sıkı düzenlemeler getirmiştir. Su arıtma tesisleri, düzenlemeye tabi DBP'lerin (örn. THM'ler, HAA'lar) oluşumunu azaltmak amacıyla alternatif dezenfektanlar (örn. kloramin, klor dioksit ve ozon) kullanmis olsa da, kullanilan dezenfektantlar yonetmeligi olmayan ancak daha yüksek sitotoksik ve genotoksik etkilere sahip DBP'lerin (örn. NDMA [N-nitrozodimetilamin] ve HNM'ler [Halonitrometanlar]) oluşumuna neden olabilir. NDMA, 0.2 ng/L kadar düşük konsantrasyonlarda muhtemel insan kanserojeni olarak sınıflandırılırken, HNM'ler, ortaya çıkan DBP'ler arasında en güçlü sitotoksik ve genotoksik sınıflardandır ve yonetmeligi olan DBP'lere kıyasla kat kat daha toksiktir. Bu nedenle, su arıtımında DBP oluşumunu kontrol etmenin en iyi yolu, oksidan eklenmeden önce bu ürünlerin öncüllerini maksimum düzeyde uzaklaştırmaktır.DBP oluşumu ve kontrolüne ilişkin literatürde çeşitli çalışmalar mevcut olmakla birlikte, bu çalışmalar genellikle kendi deneysel koşulları ile sınırlıdır. Bu nedenle, bu çalışma iki ana odak üzerine tasarlanmıştır: i) Nanofiltrasyon sırasında NDMA ve HNM öncüllerinin kontrolü ve su kimyasının bu kontrol üzerindeki etkisinin araştırılması; ii) Su kalitesinin halojenli DBP'lerin, özellikle bromlu ve iyotlu HAA, I-THM ve HAN türlerinin oluşumuna etkisinin ve kontrolünün incelenmesi.Deneysel sonuçlar, NDMA öncüllerinin yeni (virgin) membranlardan sızdığını göstermiştir. Bu nedenle, araştırmanın birinci ana hedefi iki kisimda incelenmis olup sonuçlar sırasıyla Bölüm V ve VI'da sunulmuştur. İlk kisimda, nanofiltrasyon membranlarından sızan NDMA öncülleri incelenmiştir. Bu kisimdaki calismanin temel amacı, i) farklı nanofiltrasyon membran tiplerinden NDMA öncüllerinin potansiyel sızıntısını araştırmak ve ii) bu sızıntının önlenmesi için farklı arka plan çözeltileri kullanılarak membran temizleme tekniklerini incelemektir. Sonuçlar, üç farklı membran tipinde yüksek seviyelerde NDMA öncülü sızıntısı (~180–450 ng/L) olduğunu göstermiştir. Bu sızıntı, ~3900 L/m² saflaştırılmış su ile yıkamadan sonra bile devam etmiştir. Farklı temizlik teknikleri arasında, membranı 1 mg/L Cl₂ çözeltisi ile yıkamak, NDMA sızıntısını azaltmada en etkili yöntem olmuştur. İlk bölümde belirlenen yöntemle membranlardan sızan NDMA öncüllerinin kontrol altına alınmasıyla, ikinci kisimda, seçilen nanofiltrasyon membranlarının NDMA, HNM ve THM öncüllerinin kontrolü incelenmiştir. Bu kisimda i) yüzey suyu, atıksudan etkilenmiş yüzey suyu, belediye ve endüstriyel atıksu arıtım çıkış suları gibi farklı kaynak sularından NDMA, HNM ve THM öncüllerinin uzaklaştırma verimliliğini araştırilmistir,ii) membran tipinin etkisini incelenmis, ve iii) pH, iyonik kuvvet ve Ca²⁺ gibi su bileşenlerinin etkilerini değerlendirilmistir. Aritim verimliliği NDMA için %57–83, HNM için %48–87, THM için %72–97 olarak bulunmuştur. NDMA öncüllerinin uzaklaştırma verimliliği, membranların ortalama moleküler ağırlık kesme değeri ve negatif yüzey yükü arttıkça azalmıştır. THM öncüllerinin uzaklaştırılması ise bu parametrelerden daha az etkilenmiştir. pH artışı, NDMA öncüllerinin uzaklaştırılmasını artırırken, THM ve HNM öncülleri üzerinde belediye atıksu çıkışlarında etkili olmamıştır. Endüstriyel atık sularda ise pH değişikliklerinin etkisi önemsiz bulunmuştur. Ayrıca, membran tipi ya da su özelliklerinden bağımsız olarak iyonik kuvvetin DBP öncüllerinin uzaklaştırılması üzerinde etkisi gözlemlenmemiştir. Son olarak, Ca²⁺ konsantrasyonunun artması NDMA öncüllerinin uzaklaştırılmasını artırırken, THM için hafif bir azalma, HNM için ise hiçbir etkisi gözlemlenmemiştir. Günümüzde su kaynakları, kırılma (fracking), kömürle çalışan enerji santralleri, tuzdan arındırma, deniz suyu girişimi ve iklim değişikliği gibi insan faaliyetleri nedeniyle artan Br⁻ ve I⁻ seviyeleri riski altındadır. Br⁻ ve I⁻ 'in varlığı, klorlama ve kloraminasyon sırasında bromlu ve iyotlu DBP'lerin oluşmasına yol açabilir. Bu tür DBP'ler, klorlu muadillerine kıyasla daha toksiktir. Bu nedenle araştırmanın ikinci ana hedefi, iki kisma ayrılmış ve sonuçlar Bölüm VII ve VIII'de sunulmuştur. İlk olarak, farklı içme suyu arıtma koşullarında (Br⁻ ve klor konsantrasyonları, pH, temas süresi) farklı çözünmüş organik madde (DOM) türlerinin varlığında THM, HAA ve HAN'ların oluşumu ve türlenmesi incelenmiştir. Sonuçlar, yalnızca klorlu ve bromlu DBP'lerin oluştuğunu, iyotlu türlerin ise iyodürün iyodata oksitlenmesi nedeniyle oluşmadığını göstermiştir. Toplam THM ve HAA oluşumu, suyun aromatikliği arttıkça artarken, HAN oluşumu organik maddenin aromatikliğinden etkilenmemiştir. THM ve HAN oluşumu, bromür konsantrasyonu arttıkça artmıştır. Ancak, toplam HAA oluşumu sabit kalirken, yonetmeligi olan 5 HAA azalmıştır. Klor konsantrasyonu arttıkça THM ve HAA oluşumu artmış, HAN'lar ise 4–8 mg/L arasında artıp 16 mg/L'de azalmıştır. Ayrıca, artan klor konsantrasyonu DOM'da bromlu DBP lerin olusumunu etkilemiş; HAA ve HAN'larda BSF azalmış, THM'lerde sabit kalmıştır. pH'ın 6.0'dan 9.0'a yükselmesi THM oluşumunu artırmış, HAA ve HAN oluşumu ise azalmıştır. Klorlama süresi arttıkça (2–48 saat) DBP oluşumu artmış, ancak debrominasyon nedeniyle bromlu DBP lerin olusumunu azalmıştır. İkinci kisimda, bromür ve iyodür içeren sularda kloraminasyon sırasında DBP oluşumu ve toksisitesi incelenmiştir. Sonuçlar, DOC konsantrasyonunun 0.1'den 0.25 mg/L'ye çıkarılmasıyla I-THM oluşumunun arttığını, 0.25'ten 4 mg/L'ye çıkarılmasıyla ise bu oluşumun azaldığını göstermiştir (düşük I⁻ seviyelerinde). Yüksek I⁻ (400 μg/L) içeren sularda, DOC 0.5'ten 4 mg/L'ye arttıkça I-THM oluşumu artmış, 5.4 mg/L'de azalmıştır. Iyodoform, DOC konsantrasyonundaki değişiklikten en fazla etkilenen tür olmuştur. Ayrıca, I-THM oluşumu, yüksek aromatik içerikli sularda (SUVA254 = 5.1) düşük, düşük aromatik içerikli sularda (SUVA254 = 2.1) yüksek bulunmuştur. I⁻ konsantrasyonu arttıkça iyodoform oluşumu artarken, diğer I-THM türlerinde anlamlı bir değişim olmamıştır. Bromür konsantrasyonunun artırılması ise I-THM oluşumu üzerinde önemli bir etki yapmamıştır. Uygulama açısindan, bu araştırmanın ana bulguları şunlardır: i) Yeni nanofiltrasyon membranları NDMA öncülleri sızdırabilir; ancak düşük dozda klor ile yikanmasi neticesinde bu sızıntı azaltılabilir. Bu nedenle, arıtma tesislerinin membranlarını kullanmadan önce düşük doz klor ile ön yıkama yapması önerilir. ii) Nanofiltrasyon membranlarının performansı, aritilan suyun kimyasal ozelliklerinden etkilenmemiştir, bu da farklı su kaynaklarında kullanılabilirliğini göstermektedir. iii) Oksidatif arıtım sırasında, Br⁻ ve I⁻ varlığı, DBP türlerini klorlu türlerden bromlu ve iyotlu türlere kaydırmıştır. Bu türler daha toksik olduğundan, bu yan urunlerin su kalitesine etkileri göz önünde bulundurarak yeni düzenlemeler yapilmasi gerekir. Aynı zamanda, su arıtma tesislerinin kaynak sularındaki Br⁻ ve I⁻ seviyelerini ölçmesi ve dezenfeksiyon uygulamalarını bu doğrultuda ayarlaması önerilmektedir.

Özet (Çeviri)

Disinfection is an inevitable process in water treatment to eliminate pathogenic microorganisms from drinking water. However, an unintended consequence is the formation of disinfection by products (DBPs) as a result of reaction between different precursors and oxidants. Due to their various health effects, US Environmental Protection Agency (USEPA) has been imposing increasingly stringent regulations for DBPs under the Disinfectants/DBP Rule (D/DBPR). Although water utilities have been changing their use of disinfectants (e.g., chloramine, chlorine dioxide, and ozone) to reduce the formation of regulated DBPs (e.g. THMs, HAAs), these practices may also cause the formation of unregulated DBPs (more cytotoxic and genotoxic than regulated DBPs) such as NDMA (N-nitrosodimethylamine) and HNMs (Halonitromethanes) which are observed during chloramination and ozonation-chlorination, respectively. While NDMA is a probable human carcinogen at concentrations as low as 0.2 ng/L, HNMs are one of the most cytoand genotoxic classes among the emerging DBPs, with orders of magnitude higher cytotoxicity and genotoxicity than any of the regulated organic DBPs. Therefore, the best approach to control the formation of DBPs during water treatment is to maximize the removal of their precursors prior to oxidant addition. Although there are studies out in the literature regarding to the formation and control of DBPs during water treatment, these studies are limited with their own suit of experimental conditions. Therefore, this study was designed in two main foci: i) the control of NDMA and HNM precursors during nanofiltration and the effect of water chemistry on precursor control will be investigated and ii) the formation and control of halogenated DBPs, especially brominated and iodinated iii species of HAAs, I-THMs and HANs, will be examined under different water chemistry composition to gain insights to their formation and control. The initial experimental results have shown that NDMA precursors leach from virgin membranes. Therefore, the first main objective of this research was divided into two subobjectives and the results were presented in Chapter V and VI, respectively. In the first sub-objective, N-nitrosodimethylamine precursors leaching from nanofiltration membranes were examined. The main goal of this sub-objective was to investigate i) the potential leaching of NDMA precursors from different types of nanofiltration membranes and ii) membrane cleaning techniques using different types of background solutions to prevent the leaching. The results showed that for three different types of nanofiltration membranes, leaching of high levels of NDMA precursors (~180-450 ng/L) was observed. Leaching continued even after washing membranes with ~3900 L/m2 distilled deionized water. Among various cleaning techniques, washing the membrane with 1 mg/L Cl2 solution was found to be the most effective for reducing NDMA precursor leaching. Since the NDMA precursors leaching from the membranes were controlled with a method determined in the first section of this objective, therefore, in the second sub-objective of this research, the control of NDMA, HNM, and THM by selected nanofiltration membranes (NF) were examined. The aims of this objective were to investigate (i) the removal efficiencies of N-nitrosodimethylamine (NDMA), halonitromethane (HNM), and trihalomethane (THM) precursors by NF membranes from different source water types (i.e. surface water, wastewater impacted surface water, and municipal and industrial wastewater treatment effluents), (ii) the impact of membrane type, and (iii) the effects of background iv water components (i.e., pH, ionic strength, and Ca2+) on the removal of selected DBP precursors from different source waters. The results showed the overall precursor removal efficiencies were 57-83%, 48-87%, and 72-97% for NDMA, HNM, THM precursors, respectively. The removal of NDMA precursors decreased with the increases in average molecular weight cut off and negative surface charge of NF membranes tested, while the removal of THM precursors was slightly affected. On the other side, pH increase was increased the removal of NDMA precursors, but pH did not affect the removal of THM and HNM precursors in municipal WWTP effluent. On the other hand, pH changes had little or no effect on DBP removal from industrial WWTP effluent. In addition, regardless of the membrane type or background water type/characteristics ionic strength did not show any impact on DBP precursor removals. Lastly, increase in Ca2+ concentration enhanced the removal of NDMA precursors while slight decrease and no affect was observed for THM and HNM precursors in municipal WWTP effluent, respectively. Nowadays water resources have been under the risk of elevated halide levels (especially Br- and I- ) due to anthropogenic activities such as fracking, coal-fired power plants, desalination, seawater intrusion, and climate change. As a result, the presence of these halides may lead to the formation of brominated and iodinated DBPs during chlorination and chloramination of drinking water, which are more cytotoxic and genotoxic than their chlorinated analogues. Due to the fact that, the second main objective of this research consist of two different sub-objectives and the results were given in Chapter VII and VIII. First of all, the formation and speciation of THMs, HAAs, and HANs in the presence of v different types of dissolved organic matter (DOM) under various drinking water treatment conditions (i.e., initial Brand chlorine concentrations, pH, and contact time) were studied. Results showed that only chlorinated and brominated DBPs were formed, while iodinated DBPs were not detected due to the oxidation of iodide to iodate. The formation of total THMs and HAAs increased as the aromaticity of the waters increased whereas the formation of HANs was not affected by aromaticity of DOM. On the other hand, calculated bromine substitution factors (BSF) for all studied waters indicated that BSF was higher in treated water where most of hydrophobic fraction of DOM is removed in conventional water treatment train. The formation of THMs and HANs increased with increasing initial bromide concentration. On the other hand, increasing the initial bromide concentration did not affect the total formation of nine HAAs even though regulated five HAAs decreased. In addition, while increasing initial chlorine concentration enhanced the formation of THMs and HAAs, the formation of HANs initially increased at initial chlorine concentrations ranging from 4 to 8 mg/L, and then decreased at high Cl2 concentration (i.e.,16 mg/L). On the other hand, increasing initial chlorine concentration was also affected the bromine substitution in DOM such that while BSF for HAAs and HANs decreased, BSF for THMs remained constant. When the pH increased from 6.0 to 9.0, the formation of THMs was enhanced while an opposite trend was observed for HAAs and HANs. The formation of DBPs increased with the increasing chlorination time (2 to 48 h) while the bromine substitution decreased due to debromination at longer contact times. Lastly, in the second sub-objective, the formation and toxicity of DBPs during chloramination of bromide and iodide containing waters were studied. The results revealed vi that increasing DOC concentration from 0.1 to 0.25 mg/L increased the total formation of I-THMs while further increase in DOC concentration from 0.25 to 4 mg/L reduced the total formation of I-THMs at low initial iodide concentration (40 µg/L). On the other hand, increasing DOC concentration from 0.5 to 4 mg/L for water with high iodide concentration (400 µg/L) gradually increased the formation of I-THMs in which decreased again at 5.4 mg/L DOC concentration. Among the all species, iodoform is the most influenced species by the change in DOC concentration. In addition, the formation of I-THMs was lower in high aromatic content water (SUVA254=5.1 L/mg/m) while it was higher in low aromatic content water (SUVA254=2.1 L/mg/m). While increasing the initial I- concentration gradually increased the formation of iodoform and no significant change was observed for other I-THM species, increasing bromide concentration from 0 to 400 µg/L did not make any considerable impact on the formation of I-THMs. From the pratical point of view, the key findings of this research are to i) virgin nanofiltration membranes have potential to leach NDMA precursors and their leaching potential can be minimized with low dose of chlorine exposure. Therefore, it is recommended for utilities to pre-wash their virgin membranes with low dose of chlorine before taking them in operation, ii) the performance of nanofiltration membranes did not significantly impacted by background water characteristics while removing DBPs, which shows the succesful applicability of NF membranes for different water sources, iii) during oxidative water treatment, the presence of Br- and I- in source waters have shown to shift DBP speciation from chlorinated to brominated and iodinated species (under chloramination conditions), which are more cyto- and geno-toxic than their chlorinated vii analogues. Therefore, the impact of these anions on water quality needs to be considered by water agencies while establishing new regulations to further protect public health. On the other hand, it is also recommended for utulities to measure Br- and I- levels in their water sources and modify their disinfection practice to lower the formation of harmful disinfection by products.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    808949

    Investigation of NFİB function and regulation of its putative target genes in human neural stem cell and SH-SY5Y neuroblastoma cell lines

    İnsan sinir kök hücre ve SH-SY5Y nöroblastom hücre hatlarında NFIB işlevinin ve potansiyel hedef genlerinin regülasyonunun incelenmesi

    BETÜL ULUCA

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2023

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DR. ÖĞR. ÜYESİ ASLI KUMBASAR

  2. Tez No

    518566

    Investigation of micrornas that interact with the NFIX 3′untranslated region

    NFIX 3'utr bölgesi ile etkileşen mikrornaların araştırılması

    ECE ÇAĞDAŞ

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    Biyoteknolojiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ASLI KUMBASAR

  3. Tez No

    676190

    The relationship between urinary exosomal miRNA levels and renal outcome in type 2 diabetic nephropathy patients

    Tip 2 diyabetik nefropati hastalarında üriner eksozomal miRNA düzeylerinin renal outcome ile ilişkisi

    MEHMET SEYİT ZOR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2021

    Genetikİstanbul Teknik Üniversitesi

    Moleküler Biyoloji-Genetik ve Biyomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EDA TAHİR TURANLI

  4. Tez No

    774325

    Investigation of the effect of methionine-free diet on AMPK/mTOR/autophagy targets in wild-type and MIR-21-/-MDA-MB-231 breast cancer cells

    Doğal tip ve MIR-21-/-MDA-MB-231 meme kanseri hücrelerinde metiyoninsiz diyetin AMPK/mTOR/otofaji hedefleri üzerindeki etkisinin incelenmesi

    BURCU TOPALOĞULLARI

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2022

    BiyoteknolojiGebze Teknik Üniversitesi

    Biyoteknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. ELİF DAMLA ARISAN

  5. Tez No

    767175

    Farklı konsantrasyonlarda kullanılan çeşitli irrigasyon solüsyonlarının ve ışık ile aktivasyonunun E.faecalis biofilmi üzerine etkilerinin incelenmesi

    Investigation of the effects of various irrigation solutions with different concentrations and their activation with LİGHT on E.faecalis biofilm

    TARIK AHMET

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2022

    Diş HekimliğiSelçuk Üniversitesi

    Endodonti Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. SEMA BELLİ

    DR. MUKADDER İNCİ BAŞER KOLCU

Geri Dön