Destruction of antimicrobial contaminants in water and waste sludge with chemical oxidation processes

Abstract

Bu çalışmada, gerek suda gerekse atık arıtma çamurunda antimikrobiyal kirletici giderimi araştırılmıştır. Çalışmanın ilk kısmında, üç farklı kimyasal oksidasyon prosesinin ?klorlama, ozonlama, ve heterojen fotokataliz? E. Coli bakteriden izole edilen ve antibiyotik direnci taşıyan plasmid DNA gideriminde etkileri karşılaştırışmış ve ozonla heterojen fotokataliz proseslerinin konvansiyonel klorlamaya oranla daha üstün olduğu gösterilmiştir. Laboratuvarda hazırlanan nano-fiber-TiO2 malzeme, ticari TiO2-P25 malzemeye oranla plasmid DNA gideriminde etkili olmamasına rağmen, arıtılan sudan katalizörün kolay ayrılmasını sağlayabilir. Çalışmanın ikinci kısmında, oksitetrasiklin (OTC) ve ciprofloksasin (CIP) model antibiyotiklerin (i) ozonlama, (ii) mikrodalga ile desteklenen hidrojen peroksit oksidasyonu (MW/H2O2), (iii) mikrodalga ile desteklenen persulfat oksidasyonu (MW/S2O82-), ve (iv) demir-II-konvansiyonel ısıtma ile aktive edilen persulfat oksidasyonu (Fe2+/ısı/S2O82-) prosesleriyle atık arıtma çamurunda giderimleri araştırılmıştır. Tüm proseslerde çamur çözünürleşmesinin yanısıra >%95 antibiyotik giderimi sağlanmasına rağmen, her bir proses çamur arıtımına yönelik farklı yararlar sunmaktadır. Ozonlama, düşük toplam katı miktarı (TK=2.5 g/L) olan çamurun arıtımında daha etkili olurken, yüksek TK (10 g/L) miktarı olan çamurda verimli antibiyotik gideriminin gerçekleştilmesi proses modifikasyonuyla antibiyotiklerin çamurdan dezorpsiyonunu gerektirmiştir. Diğer yandan, MW/H2O2 ve MW/S2O82- proseslerinde MW?nin kirleticileri dezorb edebilme özelliği ve Fe2+/ısı/S2O82- prosesinde de antibiyotiklerin demirle kompleks oluşturması sayesinde, yüksek TK miktarı olan çamurda (10 g/L) antibiyotiklerin aynı anda dezorpsiyonu ve giderimi gerçekleşmiştir. MW/S2O82-, metal çözünürleşmesi ve çamur süzülebilirliğinde önemli iyileşmeyi kısa artıma süresinde sağlamıştır. Fe2+/ısı/S2O82- prosesi, metal çözünürleşmesinin yanısıra çamurda fosforun çökmesini sağlayarak çamurun gübre değerini artırma potansiyeli sunmaktadır.

Destruction of antimicrobial contamination in both water and sewage sludge was investigated in the thesis. In the first part of the study, the effectiveness of three oxidation processes ?chlorination, ozonation, and heterogeneous photocatalysis? on the destruction of a resistance carrier bacterial plasmid DNA isolated from E. Coli were compared and the relative superiority of ozonation or heterogeneous photocatalysis over conventional chlorination was demonstrated. Although the nano-fiber-TiO2 that was prepared in the study did not provide better plasmid DNA destruction compared to commercial TiO2-P25, the material is promising for facilitated catalyst separation from the treated water. In the second part of the study, simultaneous degradation of two model antibiotics, ciprofloxacin (CIP) and oxytetracycline (OTC) in secondary sewage sludge, was investigated by the application of (i) ozonation, (ii) hydrogen peroxide oxidation assisted with microwave irradiation (MW/H2O2), iii) persulfate oxidation assisted with microwave irradiation (MW/S2O82-), and (iv) persulfate oxidation activated with ferrous iron and conventional heating (Fe2+/heat/S2O82-). While under appropriate conditions all of the processes provided >95% antibiotic degradation along with sludge solubilization, they offer different benefits for waste sludge treatment. Ozonation was found to be more effective to treat the sludge with low content of total solid (TS=2.5 g/L), while the desorption of the antibiotics was required to achieve high rate of degradation at high solid content (10 g/L) of the sludge. On the other hand, owing to the desorption ability of MW in the MW/H2O2 andMW/S2O82- processes, and owing to the complexation of the antibiotics with iron in the Fe2+/heat/S2O82- process, concurrent antibiotic desorption and degradation was achieved in sludge with high TS (10 g/L). MW/S2O82- provided exceptional metal solubilization, considerably enhanced sludge filterability within the shortest treatment time. Along with considerable metal solubilization, the Fe2+/heat/S2O82- process resulted in phosphorus precipitation, which can potentially increase the fertilizer value of the sludge.