Su Kalitesi Yönetimi ders notları

Doç. Dr. Şeyda KORKUT
ÇEV354
SU KALİTESİ YÖNETİMİ
Sürdürülebilir kalkınma için en önemli yaşamsal kaynaklardan biri sudur. 20. yüzyılda
dünya nüfusu 19.yüzyıla oranla üç kat artmasına rağmen, su kaynaklarının kullanımının
altı kat arttığı belirlenmiştir. Ancak bu hızlı tüketim, kaynaklardan yararlananlara eşit
fırsatlar ve yararlar sağlayacak şekilde sürdürülebilir özelliklere sahip değildir. Bunun
sonucu olarak tüm dünyada su krizi kaçınılmaz olmuştur. Su krizi, bir milyarın üzerindeki
insanın sağlıklı içme suyuna yeterli erişim sağlayamaması ve dünya nüfusunun yarısının
da yeterli su ve atıksu altyapısına sahip olmaması şeklinde tanımlanabilir. Gelecek
onyıllarda, özellikle büyük kentlerde, su ihtiyacının giderek artması beklenmektedir. 20
yıl içerisinde gelişmekte olan ülkelerde gıda ürünlerinin yetiştirilmesi için % 17 oranında
daha fazla suya ihtiyaç duyulacaktır. Bu noktadan hareketle toplam su tüketimindeki
artışın % 40 olacağı tahmin edilmektedir. Diğer taraftan, göller, nehirler, sulak alanlar ve
denizler de balıkçılık ve benzeri su ürünleri istihsaline dayalı ekonominin ana
kaynaklarıdır. İçme ve kullanma suyundan, ekonominin önemli bir kaynağı durumundaki
su kaynaklarına kadar tüm bu ürün ve hizmetler sucul ekosistemlerin entegrasyonuna sıkı
sıkıya bağlılık gösterir. Sel, kuraklık, kirlenme ve benzeri doğal ve/veya antropojenik
etkiler bu kaynakların sürdürülebilirliğini hızla tehdit etmektedir. Bazı tahminler, 2025
yılından itibaren 3 milyardan fazla insanın su kıtlığı ile yüzyüze geleceğini
göstermektedir. Bunun nedeni, dünyadaki su kaynakları miktarının yetersiz olması değil,
yönetiminin iyi yapılamamasından kaynaklanmaktadır. Dolayısıyla dünya su krizi bir
kıtlık değil, yönetim krizidir. Küresel ölçekte herkese yetecek kadar kaynak bulunmasına
rağmen iyi ve sürdürülebilir bir yönetim politikası benimsenmediği için geleceğe ilişkin
tehditler ciddi boyutlara ulaşmıştır. Sürdürülebilir bir yönetim politikası sosyo-ekonomik,
teknik ve kurumsal olguların bir arada düşünülmesini zorunlu kılmaktadır. Bu yaklaşım
ise "bütünleşik su kaynakları yönetimi" kavramının ortaya çıkmasına yol açmıştır.
HAVZA BAZLI YÖNETİM YAKLAŞIMI
Ülkemizde uzun yıllardır yapılan gözlemler dikkate alındığında yıllık ortalama yağışın
643mm olduğu görülmektedir. Bölgelere ve mevsimlere göre büyük farklılıklar
göstermekle birlikte genellikle 250-3000 mm yağış kaydedilmektedir. Yaklaşık 501×109
m3/yıl ortalama yağışa karşılık gelen bu suyun sadece 186×109 m3/yıl miktarı akışa
geçerek, çeşitli büyüklüklerdeki akarsular vasıtasıyla denizlere ve kapalı havzalardaki
göllere boşalmaktadır.
Ekonomik ve teknik açıdan kullanılabilir su potansiyeli 95×109 m3/yıl’dır. Bazı akarsu
havzalarında su gereksinimlerinin potansiyeli aşmış durumda olduğu görülmektedir. Bir
diğer önemli nokta su kaynaklarının Türkiye coğrafyası üzerinde eşit dağılmamış
olmasıdır. Kantitatif dağılımın yanısıra, suyun kalitesinde de ülke genelinde büyük
1
farklılıklar gözlenmektedir. Bunun sonucu olarak sağlıksız ve güvenli olmayan su
kullanımı kaçınılmaz olmaktadır.
TC Anayasası 2872 Sayılı Çevre Kanunu Madde 8’e bağlı olarak 1988 yılında yürürlüğe
giren Su Kirliliği Kontrolu Yönetmeliği (SKKY, 1988) su kalitesi yönetimine ilişkin
kapsamlı düzenlemeler getirmiştir. Bu yönetmelikte, su kaynaklarının ekosistem prensibi
çerçevesinde kalitesinin korunması ve ülke gereksinimleri doğrultusunda su kalitesinin
geliştirilmesi hedeflenmektedir. Bu çerçevede yönetmelikte içme ve kullanma suyu
rezervuarlarının çevresinde oluşturulması gerekli koruma alanları; evsel ve endüstriyel
atıksu deşarjları ve tarım arazilerinin korunmasına ilişkin düzenlemeler getirilmiştir.
Bununla birlikte yüzey suları ve yeraltı suları için kalite sınıflandırması yapılmıştır.
Yüzeysel sular çerçevesinde yüksek kaliteli, az kirlenmiş, kirli ve çok kirlenmiş sular
olmak üzere 4 kalite sınıfı tanımlanmaktadır. Her sınıfa ait kullanım amaçları ayrıca
belirtilmektedir. Aynı yönetmelik yeraltı suları için de 3 kalite sınıfı tanımlamaktadır. I.
Sınıf sular içme suyu amaçlı kullanılabilen sulardır. II. Sınıf sular ancak bir arıtma işlemi
sonrası içme suyu amaçlı kullanılabilirken, endüstriyel ve tarım amaçlı kullanılabilir
olarak tanımlanmaktadır. III. Sınıf yeraltı suları ise, kullanım amacının gerektirdiği
biçimde arıtıldıktan sonra kullanılabilen sulardır.
Ancak, Türkiye’de su kalitesi gerektiği biçimde izlenememekte ve gereksinimi duyulan
veri bankası oluşturulamamaktadır. Su kaynakları akarsular bazında hidrolojik açıdan 26
havzaya bölünmüştür ve idaresi DSİ tarafından yapılmaktadır. DSİ kaynaklardaki su
kalitesi ölçümlerini, sadece baraj göllerinin bulunduğu belli başlı kaynaklarda
gerçekleştirilmektedir. Bu uygulama ülkenin bütün kaynaklarının yönetiminden çok
uzaktır, sadece suyun kullanımı ile ilgili bazı düzenlemeler getirmeye yöneliktir. Su
kaynağının korunması ve yararlı kullanımı doğrultusunda değerlendirilmesi ise ancak
bütünleşik bir yönetim mekanizması ile gerçekleştirilebilir. Bütünleşik havza yönetimi
havzada olan tüm faaliyetleri dikkate alarak su kalitesini korumaya yöneliktir. Türkiye’de
bazı büyük şehirlerin dışında Havza Bazında Yönetim Esasları mevcut değildir. Ancak bu
şehirlerde dahi su kaynakları korunamamaktadır. Ülke genelinde su kaynaklarının
kirlenmeye karşı korunmasında bazı temel aksamalar yaşanmaktadır.
Son on yılda gerçekleşen gelişmeler, dünya su krizinin çözümünde "bütünleşik su
kaynakları yönetimi" ilkelerini ön plana çıkartmıştır. Bu bağlamda, Avrupa Birliği de su
politikalarını biçimlendirmiş ve Aralık 2000 tarihinde yürürlüğe giren "Su Çerçeve
Direktifi (SÇD)" ile havza bazlı yönetim yaklaşımını benimsediğini ilan etmiştir.
Direktif, tüm AB sınırları içerisindeki su kaynaklarının sadece kantitatif olarak değil,
kalitatif olarak da korunmasını ve kontrol edilmesini hedeflemektedir.
SÇD'nin en önemli hükümleri şu şekilde özetlenebilir:
•
•
Gelecekte, sınır ötesi su kaynakları, sahip oldukları su toplama havzaları ile
birlikte, ilgili ülkelerin ortaklığı ile yönetilecek, sadece ulusal veya bölgesel
yönetim yaklaşımından vazgeçilecektir.
Su kaynağının kalitesinin incelenmesinde, geçmişte olduğu gibi sadece kirletici
parametrelere bakılmayacak, aynı zamanda su ortamındaki flora ve fauna, yani su
ekolojisi de mercek altına alınacaktır.
2
•
Hedef, 2015 yılında, tüm su kaynaklarında, su kalite kategorilerine bağlı olarak
iyi bir duruma kavuşmaktır. Bu amaçla tüm AB ülkeleri ulusal ve uluslararası
ölçekte, ölçüm yöntemlerini ve yönetim planlarını oluşturacaklardır.
Bu ana hükümler doğrultusunda, SÇD tüm paydaşların su sorununun çözümüne daha
aktif olarak katılımını sağlayacak ve ekonomik bir değeri olduğu kabul edilen suyun
fiyatlandırılmasında gerçekçi ve doğru bir yaklaşım izlenebilecektir. Suyu kullananın,
bedelini ödemesi ilkesini benimseyen AB, bu sayede su kaynaklarının sürdürülebilirliğini
sağlamayı hedeflemektedir.
KULLANMA AMAÇLI KAYNAK YÖNETİMİ- İÇME SUYU VE HALK
SAĞLIĞI
Su gereksinimi içme suyu ve kullanma suyundan kaynaklanmaktadır. Bu kapsamda
kullanma suyu tarımsal, park, bahçe sulaması, sanayi, beton yapımı, rekreasyon, yangın
söndürme ve cadde, sokak temizliği gereksinimlerini karşılamaya yöneliktir. DİE içme ve
kullanma suyu şebekeleri ile ilgili veri bankasını belediyeler bazında toplamaktadır. Bu
verilere göre içme ve kullanma suyu şebekeleri ile hizmet edilen nüfus %71’dir. Bu
kullanımlar içerisinde en yüksek kalitede suyu gerektiren kullanım türü, içme suyudur.
Diğer kullanımlar için daha düşük kalitedeki sular yeterli olmakla beraber; su bölgeye tek
boru ile getiriliyorsa, suyun tamamen içme suyu kalitesinde olması bir zorunluluk olarak
ortaya çıkmaktadır. Bu ise, kıt kaynaklar kullanılarak pahalıya mal edilen yüksek
kalitedeki bir suyun ziyan edilmesi anlamını taşımaktadır. Aslında su kaynaklarının
kullanımlara bağlı olarak ne şekilde dağıtılması gerektiğinin ana hatları 1958’de
Birleşmiş Milletler Ekonomik ve Sosyal Konseyi tarafından net bir biçimde şu şekilde
tanımlanmıştır: “Fazlası bulunmadıkça yüksek kalitedeki bir su, daha düşük kalitedeki
suların yeterli olacağı maksatlar için kullanılmamalıdır”. Maalesef bu prensip sıkça
vurgulanmasına rağmen nadiren uygulanmaktadır. Günümüzde sınırlı su kaynaklarına
olan talebin sürekli artması nedeniyle, giderek daha uzaktaki ve daha kirlenmiş su
kaynaklarının su temini amacı ile devreye alınmasına çalışılmaktadır. Buna ilave olarak
yeni araştırmalar ve gelişen su analizi teknikleri nedeniyle su kalitesi standartlarına yeni
parametreler eklenmekte ve mevcutlar daha sıkı hale getirilmektedir. Bütün bunların
sonucu olarak tüketiciye ulaştırılan suyun maliyeti sürekli yükselmektedir. Bu probleme
akılcı yaklaşım, su kullanımını sınıflara ayırarak o kullanımın gerektirdiği kalitedeki suyu
ayrı olarak temin etmenin yolları ve uygulanabilirliği araştırılmalıdır. Yani yüksek
kalitede suya sahip kaynaklar (mesela kaynak suları ve yer altı suları gibi) sadece yüksek
kalite gereksinimi olan amaçlar için kullanılmalıdır. Daha düşük kalitedeki su kaynakları
ise, daha düşük kalitenin uygulanabildiği amaçlar (sulama, sanayi, tuvalet temizliği,
cadde temizliği vb.) için ayrılmalıdır. Ancak bu şekilde, en uygun kaynak dağılımı
mümkün olabilmektedir.
Bu esasların pratikteki uygulaması çeşitli şekillerde mümkün olabilmektedir:
Çiftli Dağıtım Şebekesi: İçilir ve içilemez nitelikteki suların ayrı borularda iletilmesi ve
dağıtılması. İçilemez nitelikteki su, şebekesi kirlenmiş bir kaynaktan (belirli ölçüde
3
arıtmadan sonra) beslenebileceği gibi, deniz suyu ve hatta geri kazanılmış atıksudan
olabilmektedir. Bu yöndeki uygulamalar giderek yaygınlaşmakta ve bu yöntem özellikle
yeni yerleşim bölgeleri için önerilmektedir. Florida (St Petersburg şehri), Kaliforniya ve
Arizona gibi eyaletlerdeki bahçe sulamasının, Japonya’daki (Tokyo, Fukuoka şehri)
tuvalet temizliğinin, Paris’teki cadde temizliğinin ve Avustralya’daki bahçe sulamasının
içilemez su hatlarından yapılmış olması bu yönteme örnek olarak verilebilir. Benzer
şekilde Hong Kong şehrinde tuvaletlerin temizliğinde deniz suyu kullanılmaktadır. Suudi
Arabistan’da geri kazanılan atıksular içilemez su şebekesini beslemektedir. Bu sistem
Türkiye’de de uygulama alanı bulmuştur. İstanbul’da ve Anadolu’nun birçok şehrindeki
tatlı su çeşmelerini besleyen şebeke diğer normal şebekeye oranla daha yüksek kalitedeki
suyu taşımaktadır. Yüksek kalitedeki su (tatlı su) ile normal şebeke suyunun
karıştırılmamasına özen gösterilmiştir.
Potansiyel Kullanım Alanına Suyun Ayrı İletilmesi: Bir şehrin tamamına çift dağıtım
şebekesi yapılması ekonomik olmasa bile, bazı yüksek miktarlarda su kullanan bölgelere
daha düşük kalitedeki kaynaklardan ayrı hat ile su sağlanabilir. Su kaynakları tarım,
sanayi (imalat prosesleri ve soğutma suyu), içme ve kullanma gibi amaçlara yönelik
olarak belirli kalite gereksinimleri dikkate alınarak tahsis edilmelidir. Önceden yapılmış
olan tahsisler ise, değişen gereksinimlere göre revize edilmelidir.
Ülkemizde uygulanan içme suyu standartları ile Avrupa Birliği mevzuatının öngördüğü
kalite parametreleri arasında önemli farklılıklar vardır. Henüz yasal zorunluluk
olmamakla beraber bazı su ve kanalizasyon idareleri TS 266’da bulunmayan
parametreleri de zaman zaman ölçmektedirler. Bunlar arasında tat ve kokuyu ifade eden
Geosmin gibi parametreler ile halk sağlığını ilgilendiren THM’ler, bromat, doğal organik
karbon, çözünmüş organik karbon, asimile edilebilir organik karbon, Giordia,
Cryptosporidium gibi parametreler sayılabilir. İçme suyu kaynaklı halk sağlığı riskini
azaltmada suyun temin edildiği kaynak ile uygulanan arıtma kadar, istenilen düzeyde
arıtılan suyun sağlıklı bir şekilde halka ulaştırılması da önemlidir. Bu ise, şebekede
kullanılan malzeme ile su kalitesi etkileşimlerinden işletmeye kadar geniş bir alanı ele
almayı gerektirir. Bu bağlamda sistemde geliştirilmiş matematik modeller, SCADA ve
GIS sistemlerinin kullanılması işletme güvenilirliğinin arttırılarak halk sağlığı riskinin
azaltılması açısından önemlidir.
ATIKSU YÖNETİMİ
Suların Kirlenmesi
Sudaki doğal dengeyi bozacak her madde/parametre kirletici olarak adlandırılır. Su
ortamına girmiş bir kirletici 3 dinamik olaya maruz kalmaktadır:
• Taşınım
• Karışım
• Reaksiyon (korunan bir kirletici değilse)
Su kalitesine etki eden parametreler; alıcı ortamın geometrisi (derinlik ve genişlik), eğim
ve taban pürüzlülüğü, hız, debi, karışım özelliği, sıcaklık, askıda katı madde ve sediment
taşınımı, pH, asidite-alkalinite, çözünmüş oksijen konsantrasyonu ve toplam çözünmüş
4
katı miktarı, zehirli kimyasal içeriği, bakteri, virüs, balık toplulukları, sucul bitkilerin ve
yosunların varlığıdır. Kirleticiler, su ortamına giriş şekillerine, kaynaklarına, fiziksel,
kimyasal ve biyolojik içeriklerine göre sınıflandırılmaktadır.
Kirleticilerin Su Ortamına Giriş Şekillerine Göre Sınıflandırması
1. Noktasal kaynak: Alıcı ortama tek bir noktadan deşarj olan/edilen kirleticidir.
Noktasal kaynağa örnek olarak bir endüstrinin çıkış suyunun tek bir noktadan bir nehre
boşaltılması verilebilir. Su kalite yönetimine göre akarsuda tam karışım noktalarından
numune alınır. Noktasal kaynaklar’dan gelen kirleticiler;
• evsel atıksu deşarjları
• endüstriyel atıksu deşarjları
2. Yayılı kaynak: Alıcı ortama yayılı olarak giren kirleticidir. Yayılı kaynaklardan
gelen kirleticiler;
• yağış suları ve yıkama suları gibi yüzeysel akışı ile taşınanlar;
• tarım ve orman alanlarından gelenler,
• atmosferden su ve toprağa taşınan kirleticiler,
• yerleşim alanlarından gelen kontrolsuz yağış suları,
• katı atık depo ve dökme sahalarından, maden sahalarından ve foseptiklerden
yeraltı sularına karışan sızıntı suları,
• kirlenmiş nehir ve derelerin doğal ortama yayılımı olarak tanımlanır.
Günümüzde gelişmiş ülkelerde söz konusu olmayan katı atık depo ve sahalarından
kaynaklanan sızıntı suları halen ülkemizde önemli yayılı kirletici kaynaklar arasında yer
almaktadır. Vahşi/düzensiz/kontrolsüz katı atık depo sızıntı suları depoların yaşları ve
katı atık özellikleri ile değişmekte, ve mevcut belli başlı depo alanları sızıntı suları çeşitli
zaman aralıklarında ve özellikle yağışa maruz kalınan dönemlerde incelenmektedir.
Önümüzdeki 20 yıl içerisinde mevcut depoların iyileştirilmesi ve sıhhi (düzenli) depolar
ve/veya döküm alanları konusunda hızla yol katedileceği düşünülmekte ve bu tip
kirleticilerin özel drenaj sistemleri ile sızıntı sularının toplanarak atıksu arıtma tesislerine
deşarj edileceği, yani yayılı kaynak özelliklerini yitirip, noktasal kaynak olarak
değerlendirilmesi beklenmektedir.
Türkiye’de özellikle gelişmiş ve endüstriyel alanda öneme sahip Büyükşehir Belediye
Sınırları kapsamındaki 16 ilde kış aylarında yoğun hava kirliliği problemleri
yaşanmaktadır. Atmosferden taşınma yolu ile hava kirliliğine neden olan kirleticiler
özellikle su havzaları ve tarım alanlarına rüzgar, hava akımı ve yağışla ek yayılı kirletici
yükü getirmektedir. Özellikle otoyollardaki yoğun kirliliğin su ortamlarına ulaştığı
bilinmektedir. Su havzaları sınırları içerisindeki otoyollardan önemli oranda Pb taşınımı
söz konusudur. Buna en tipik örnek, İstanbul’da Fatih Sultan Mehmet Köprüsü’nün
Ömerli Su Toplama Havzasının Sınırları içerisinde yer almasıdır. Önümüzdeki 20 yıl
içersinde önemli karayollarının planlamasında bu konuya dikkat edileceği, güzergahların
seçiminde su havzalarının koruma sınırlarının gözönünde tutulacağı beklenmektedir.
5
Atmosferden taşınım ile tarım havzalarına gelecek yükler, uluslararası literatürde birim
yüklerle ifade edilmektedir. Bu yükler 0.2 kg/ha.yıl P ve 20 kg/ha.yıl N olarak kabul
edilmektedir. Benzer şekilde gelişmiş ülkelerde sorun olmayan ve noktasal kirletici
kaynaklar olarak değerlendirilen evsel atıksular, kanalizasyon sistemi mevcut olmayan
kırsal yörelerde fosseptik tanklarında biriktirilmektedir. Sızdırmalı olarak inşaa edilen bu
tip tankların üst suları yine yayılı kaynak olarak değerlendirilmektedir. Fosseptikler ön
arıtma birimleri olarak düşünülebilir ve toplam kirleticilerin %70 oranındaki yükleri
özellikle yeraltı sularını tehdit edebilmektedir. Tarımsal alanlarda kullanılan ticari gübre
kullanımlarından kaynaklanan yükler ile birlikte, orman alanlarında, fundalık çayır ve
meralardan ve yerleşim alanlarının yüzeysel akış sularından gelebilecek azot ve fosfor
yükleri birim yükler olarak bir fikir vermesi açısından önemlidir. Bu yükler Tabloda
verilmektedir.
Eğer nehre başka bir yerden sürekli bir giriş yoksa;
Q2 = Q1 + QD
6
Kirletici korunan bir kirletici ise;
S2 =
(Q
1
)
× S1 + (Q D × SD )
Q2
Q: Debi (L/s)
S: Konsantrasyon (mg/L)
K: Reaksiyon hız sabiti (1/s)
X: Mesafe (m)
V: Akış hızı (m/s)
Kirletici korunmayan bir kirletici ise;
V
dS
+ KS = 0
dx
V
dS
= − KS
dx
S
V∫
So
kararlı
halde
X
dS
= − K ∫ dx
S
0
lnS
KX
=−
S0
V
S0 × e
−
KX
V
=S
S0 × e − Kt = S
ÖRNEK PROBLEM 1: Aşağıdaki nehire yan koldan bir giriş ve bir endüstri deşarjı
yapılmaktadır. Su alma noktasında klorid konsantrasyonunun 250 mg/L’nin üstüne
çıkmaması için
a) Endüstriden gelen kirlilik yükü ne kadar azaltılmalıdır (% olarak)?
b) Yan kol debisi ne kadar artırılmalıdır?
7
ÖRNEK PROBLEM 2: Başlangıçta temiz olan bir nehre yan koldan 2 endüstriden
glikoz deşarjı yapılmaktadır. C noktasına ulaşan kirletici yükünü hesaplayınız. Nehrin
akış hızının her noktada aynı olduğunu kabul edin.
ÖDEV 1: Örnek problem 2’yi korunan kirletici olduğu varsayımıyla çözünüz.
Kirleticilerin Kaynaklarına Göre Sınıflandırılması
•
•
•
•
•
•
Endüstriyel kaynaklı
Evsel kaynaklı
Tarım ve ziraate dayalı
Çöp depolama sahası kaynaklı
İnsan kaynaklı
Doğal olaylara bağlı (sel, fırtına, yağmur)
Kirleticilerin İçeriklerine Göre Sınıflandırılması
8
1. Fiziksel kirleticiler
•
Bulanıklık (Türbidite)
Saf su oldukça berraktır. Berrak suda ışık çok az bir kayıpla su altında oldukça derinlere
inebilir. Doğal su hiçbir zaman saf su kadar berrak değildir; çünkü içinde çözünmüş
maddeler, mikroskobik canlılar, askıda maddeler vb. birçok parçacık bulunur. Berraklığı
çeşitli nedenlerle azalan sulara bulanık su adı verilir. Az bulanık sular canlılar için gerekli
maddeleri daha fazla taşıdığından, yaşama ortamı olarak daha elverişlidir. Türbiditenin
yoğun olmadığı akarsularda plankton gelişerek suyun yeşil görünmesine neden olabilir.
Akarsuların çoğu akış sırasında oldukça fazla alüvyon ve diğer ince parçacıkları
taşıdığından bulanık görünür. Bulanık suda ışık çok çabuk soğrulduğundan fitoplankton
azalır.
•
Renk
Sudaki renk AKM ‘den veya çözünmüş katıdan kaynaklanmaktadır. AKM, çökeltme,
filtrasyon, flotasyon gibi işlemlerle giderilebilir. Çözünmüş katılardan kaynaklanan renk
oluşumu kimyasal bir kirlilik olarak değerlendirilmelidir, bu tarz bir kirlilik yukarıda
sözü geçen arıtım metotlarıyla giderilememektedir.
• Koku ve tat
Özellikle organik maddelerin varlıgı yüzünden ortaya çıkan ve kullanıcılar tarafından
hissedilen bir parametredir. Koku ve tat olarak sularda genellikle beraberce bulunur. Tat
ve koku giderilirken koku ölçümü olan Threshold koku seviyesi esas alınır. Koku ve
tadın sebepleri: evsel atıksuların su kaynagına karısması, su kaynagındaki canlı
organizmaların ölümü sonrası olusan organik maddelerin çürümesi, klor ve fenollü klor
bilesikleri, hidrojen sülfür ve metan gibi çözünmüs gazlar, tarım ilaçlarının su kaynagına
karısmasıdır. Genellikle su kaynaklarında koku ve tat, alglerden, ikinci olarak da
bitkilerin çürüyüp ayrısmasından kaynaklanır. Anaerobik ayrısma neticesinde olusan H2S
9
ve CH4’e çözünmüs oksijenin mevcut oldugu nehir sularında rastlanmaz. Bu gazlar
genellikle göl ve hazne dibinde olusan anaerobik ortamda bitkilerin ayrısması ile olusur.
Arıtma tesisinde koku ve tat giderilmesi için uygulanılan yöntemler; havalandırma,
kimyasal oksidasyon, dezenfeksiyon ve adsorbsiyondur.
• İletkenlik
Suda çözünen tuzlarının toplam konsantrasyonunun ölçüsüdür. Tuzlar suda
çözündügünde elektrigi ileten yüklü iyonlar verir. Sudaki iyon sayısı ne kadar fazlaysa,
suyun elektriksel kondüktivitesi o kadar yüksektir, örnek kirli sular. Elektriksel
konduktivite (iletkenlik) denen bu parametre, çözeltideki atık madde miktarını ve
tuzlulukla iliskisini yaklasık olarak gösterir. İletkenlik 1 cm2’lik alanda 1 cm aralıkla
duran iki platin elektrot arasındaki direncin ölçümü olarak ifade edilir ve 250C’da her cm
için mikroohms veya megaohms olarak belirtilir. Son yıllarda kondüktivite birimi olarak
μS/cm kabul edilmistir. Genellikle dogal sularda iletkenlik yaklasık olarak çözünmüs katı
maddelerin toplamıdır. Dısarıya akıntısı olan göllerde total çözünmüs madde miktarı 100200 ppm arasındadır. Akıntısı olmayan kapalı göllerde buharlasma çözünmüs katı madde
miktarını artırır, bazı hallerde 100000 ppm’e kadar çıkabilir. Böyle, oldukça yüksek
yogunluktaki göller ortalama 35000 ppm yogunluga sahip olan denizlerden daha
tuzludur. Dogal sular organik fosfor ve azot bilesikleri yanında sekerler, asitler ve
vitamin gibi organik bilesikleri de kapsar. Ancak organik maddelerin çogunun olusumu
ve rolü hakkında bilgiler henüz yeterli degildir.
•
Sıcaklık
2. Kimyasal Kirleticiler
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Ağır metaller
Azotlu maddeler: nitrit, nitrat, amonyak, organik azot
Karbonlu maddeler: organik karbon (şekerler, üre..), inorganik karbon (CO2)
Fosforlu maddeler: fosfat iyonları, organik fosfor
Kükürtlü maddeler: sülfat, hidrojensülfür
Klorlu bileşikler: klorlu fenoller, kloraminler
Pestisitler
Yüzey aktif maddeler: deterjanlar, sabunlar
Yağlar
Atıksu içeriğindeki organik maddeler genel olarak %40-60 protein, %25-50 karbonhidrat
ve %8-12 civarında yağlardan oluşmaktadır.
Karbonhidratlar
Karbon, hidrojen ve oksijenin bir araya gelmesiyle oluşan bileşeklere verilen genel addır.
Genel formülleri CnH2nOn ‘dir. Karbonhidratlara örnek olarak glikoz (C6H12O6)
verilebilir. Glikoz bir monosakkariddir. 2 glikoz birleştiğinde disakkariti, daha fazlası
birleştiğinde ise polisakkariti oluşturur. Glikoz en temel olarak mikroorganizmaların
enerji ihtiyaçlarını ve üremelerini sağlamaları için kullandıkları besin kaynağıdır.
Polisakkaritler kolay parçalanamayan bir yapıda olduklarından mikroorganizmalar için
10
fazla tercih edilmez. Karbonhidratlar yağ ve protein sentezi için de kullanılır. Hücrede
polisakkarit olarak depolanırlar.
Proteinler
Karbon, hidrojen, oksijen, azot ve fosfor içeren bileşiklerdir. Aminoasitleri birbirlerine
peptid bağlarıyla bağlanması sonucu protein yapılar oluşmaktadır. Canlıların DNA
zincirindeki 3 aminoasit, 1 protein molekülünü kodlar. Proteinlerin yapılarında mutlaka
amin (-NH2) grubu bulunmaktadır. Canlılığın temelini oluşturan enzimler protein
yapıdaki makromoleküllerdir. Oksijenli ortamda mikroorganizmalar proteinleri önce
aminoasitlere, sonra da amonyağa dönüştürürler.
Yağlar (Fat and Oil)
Fat: oda sıcaklığında katı veya yarı katı olan yağlardır.
Oil: oda sıcaklığında sıvı olan yağlardır.
Yağlar genellikle uzun hidrokarbon zincirlerinden oluşmaktadır ve uçlarında bir iyonik
grup mevcuttur (örneğin karboksil). Su içerisinde karboksil grubunda bulunan hidrojen
iyonize olur ve iyonik grup COO- şeklinde bulunur. Yağların sudaki çözünürlükleri
oldukça sınırlıdır. Hayvansal yağlar genellikle doymuş karbon zincirlerine sahiptir.
Bitkisel yağlar ise, doymamış karbon bağlarını içerir. Sudaki kısıtlı çözünürlüklerinden
dolayı yağlar mikroorganizmalar tarafından indirgenmeleri oldukça zordur. Yağlar ilk
olarak hidrolize uğrar daha sonra gliserin ve serbest yağ asitlere dönüşür.
Yüzey aktif maddeler (sürfektanlar)
Yüzey gerilimli, yüksek molekül ağırlıklı polar maddelerdir. Molekülün bir ucunun
sudaki çözünürlüğü, diğer ucunun ise yağdaki çözünürlüğü fazladır. Sudaki çözünürlük,
karboksil, sülfat, sülfit ve hidroksit gruplarının molekülün bir ucunda bulunmasından
kaynaklanmaktadır. Yağdaki çözünürlük ise, organik bir grubun diğer uçta
bulunmasından kaynaklanmaktadır. Deterjan ve sabunlar bu gruba girerler.
Yağda çözünen kısım
Suda çözünen kısım
Organik gruplar
- COO-
Na+
(10-20 tane karbon atomlu hidrokarbon radikalleri)
- SO4-
Na+
-SO3-
Na+
11
-OH3. Biyolojik Kirleticiler
•
•
Bakteri
Protozoa
Mikroorganizmalarla beslenirler.
•
Alg
Aslında su ortamı için oksijen kaynağıdır. Fotosentetiktirler, ışık katalizörlüğünde karbon
kaynağı olarak karbondioksiti kullanarak oksijen üretirler. Suda fazla miktarda
bulunduklarında yüzeyi kaplarlar, suya gaz girişini (oksijen) engellerler, bunun sonucu
olarak su içerisindeki aerobik mikroorganizmalar için gerekli oksijen temin
edilemediğinden biyolojik faaliyetin durmasına dolayısıyla suyun kirlenmesine neden
olurlar. Su yüzeyinin alglerle kaplanması ayrıca suya ışık girişini engelleyerek diğer
fotosentetik canlıların faaliyetlerinin azalmasına neden olmaktadır.
•
Fungi
ÖNERİLEN SU KALİTESİ YÖNETİM ESASLARI
Türkiye’de mevcut bulunan ve içme, kullanma ve rekrasyon amaçlı kullanılan tüm doğal
su ortamlarının işlevlerini yitirmeden ve ekosistemindeki canlı yaşamı ile beraber
geleceğe taşınabilmeleri için:
•
•
•
•
•
Tarım alanlarında ekolojik tarıma geçilmeli, kontrollü gübre, pestisit ve doğada
parçalanabilir pestisit kullanılmasına ve zehirlilik etkisi nedeniyle yasaklanmış
pestisitlerin kullanılmamasına önem gösterilmelidir.
Rekrasyon alanlarının ve tüm kıyıların korunumunda Hassas Bölge kavramı
benimsenmeli ve bu doğrultuda bir su kalitesi yönetimi uygulanmalıdır. Bu
çerçevede kontrollu ekoturizme de önem verilmelidir.
Endüstriyel atıksuların yönetiminde deşarj noktasında yönetiminden çok proses
kontrolüne önem verilmeli; “temiz üretim teknolojileri” olarak bilinen az atık
üreten teknolojiler proseslerde uygulanmalı, hammadde seçimlerinde doğal
ortamda direnç gösteren hammaddelerden kaçınılmalı, proses içinde yeniden
kullanım ve geri dönüşüm teknikleri uygulanmalıdır. Böylece doğal hammadde
kullanımında tasarruf ve üretilen atıkta azalma sağlanacaktır.
Geri dönüşüm ve yeniden kullanım (suyun çok amaçlı birkaç kez proseste
kullanımı gibi) teknikler daha konsantre atık oluşturabileceği için bu tip atıkların
kaynağında ve oluşan atığın yapısına uygun özel ileri arıtma teknikleri ile
arıtılması uygun olacaktır.
Mikrokirleticiler ve zararlı atıklar gibi doğaya dirençli atık karakterine sahip
olmayan endüstriyel atıksular evsel atıksu ile birlikte ortak arıtmalarda
arıtılmalıdır.
12
Ülke sınırları içinde mevcut kurum ve kuruluşların günümüzdeki uygulamaları,
uygulamalarında esas aldıkları ulusal yasa ve yönetmelikler ile Türkiye’nin uymakla
yükümlü olduğu uluslararası protokollar dikkate alındığında;
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Mevcut yasal yönetmelikler birbiri ile çelişmeyecek şekilde düzenlenmelidir.
Yasa ve yönetmeliklerde yetkiler, yetkililer, kavram ve sorumlu kurum
kargaşasına neden olmayacak şekilde ve net olarak tanımlanmalıdır.
Tüm ölçüm ve analiz giderleri dahil denetim giderlerinin karşılanma sorumluluğu
kirleticiye ait olmalı, denetim ve izleme sorumluluğuve yetkisi akredite olmuş
resmi kurumlardan bağımsız bir merkezde toplanmalıdır.
Yerleşim alanları için hazırlanan İmar Planlarında sanayi bölgeleri ve koruma
bantları, yerleşim bölgeleri, Şehir ve Bölge Planlama uzmanları tarafından havza
koruma alanları, kıyı koruma alanları, tarım ve orman alanları, doğal su ortamları
dikkate alınarak belirlenmelidir.
Hazırlanan imar planına uygunluk; bölgenin hassaslığına göre belirlenen düzenli
aralıklarla (her iki yılda bir veya her dört yılda bir) izlenmeli, böylece planlama
dışı gelişmeler önlenmelidir.
Doğal su ortamlarında gerçekleştirilen tüm izleme ve denetleme sonuçlarının
düzenli kayıtları tutulmalı, envanter raporları anlamlandırılarak o ortam için
mevcut atıksu yönetim modeline ve İmar Planına uygunluğu belirlenmeli, ve ilgili
kurumda arşivlenmelidir.
Ülke bazında mevcut tüm doğal su ortamlarının kirlilik haritaları (profilleri)
çıkarılmalıdır.
Doğal ortamlarının mevcut kirlilik profillerine göre kirlenme değişimleri düzenli
aralıklarla izlenmeli, izleme sonuçlarına göre doğal ortamlarda; ortamın
hassaslaşmasına ve bioçeşitliliğindeki azalmaya bağlı olarak, uygun çevre
yönetim sistemi geliştirilmelidir.
Hazırlanan çevre yönetim modeli belirlenen aralıklarla mevcut envanter bilgileri
ve verileri dikkate alınarak irdelenmeli ve bir sonraki dönemin çevre yönetim
modeli oluşturulmalıdır.
Su, değişik amaçlarla kullanılmaktadır. Her bir kullanım amacına yönelik farklı su kalite
parametreleri olduğundan su kalite yönetimi uygulanmaktadır. Su kalitesi yönetimi ile, su
kalite parametrelerinin suyun kullanım amacına uygun olarak istenen düzeyde tutulması
sağlanmaktadır. Atıksu arıtma sistemlerinin ekonomik olarak ve alıcı ortam standartlarına
yakın bir şekilde atıksuyu arıtması gerekmektedir. Bir tesis, basit bir çöktürme veya daha
pahalı olan fiziksel ve kimyasal arıtma sistemlerinden oluşabilmektedir. Tasarımın amacı,
çevreyi en uygun ve ekonomik yoldan korumak olmalıdır. Uygun bir arıtma seviyesini
tespit etmek için, su kalitesini atık yüklemesinin bir fonksiyonu olarak önceden saptamak
gereklidir. Bunun için aşağıdaki şekildeki gibi W ve S arasında bir ilişki kurulmalıdır.
13
Su kalitesi yönetim planı:
1. Suyun nerede ve ne amaçla kullanılacağı tanımlanır
2. Su kalitesi için gerekli kriterler tanımlanır
3. Sonuçlar ve etkiler belirlenir
4. Sorunlara karşı farklı mühendislik alternatifleri belirlenir
5. Fayda-maliyet analizi yapılır
6. Sosyoekonomik etkiler belirlenir
Ülkemizde çevre konuları ile ilgilenen kurumlar, Çevre ve Orman Bakanlığı, İller
Bankası, Türk Standartları Enstitüsü, Sahil Güvenlik Komutanlığı, Büyükşehir
Belediyeleri-Su ve Kanalizasyon İdareleri, Yerel Yönetimler (İl Özel İdaresi, Belediye
İdaresi, Köy İdaresi)
14
ORGANİZMALARIN SOLUNUM MEKANİZMALARI
Aktif çamurdaki mikroorganizmalar bakteriler, mantarlar, protozoa ve rotiferler ve
alglerdir.
Bakteriler tek hücreli, prokaryotik organizmalardır. Şekillerine göre küresel, silindirik ve
spiraldirler. Çözünebilir formdaki besinleri kullanabilirler. Protein sentezi gibi
biyokimyasal reaksiyonlar hücrenin hayatsal faaliyetleri için gerekli olup, sitoplazma
içinde gerçekleşirler. Hücre zarı, hücre içi-dışı madde akışını kontrol eder. Yarı geçirgen
olan hücre duvarının görevi hücreyi dış etkilerden korumak ve onu belli bir yapıda
tutmaktır. Yapışkan tabaka (kapsül), mikroorganizmayı ıslanmaktan korur ve açlık
durumlarında mikroorganizma için yedek besin maddesi görevi görür. Enzimler, zorunlu
biyokimyasal reaksiyonları hızlandıran protein yapıdaki organik katalizörlerdir.
Enzimlerin bir kısmı hücre içinde sentezlenir ve orada kalır (endohücresel), bir kısmı ise
yine hücre içinde sentezlendikten sonra dışarıya bırakılır (egzohücresel). Dışarıya
salgılanan enzimler, protein ve nişasta gibi büyük molekülleri parçalayarak, bu
moleküllerin hücre zarı ve duvarından geçmelerini sağlarlar. Bakteri hücresinin toplam
ağırlığının %80’i sudur. Bileşim bakımından ise ağırlıkça %90’ı organik maddedir. Hücre
büyümesi dar bir sıcaklık ve pH aralığında gerçekleşir. Optimum sıcaklığa ulaşılıncaya
kadar her 10oC’lik sıcaklık artışında hücre büyüme hızı yaklaşık 2 kat artar. Çoğu bakteri
pH 4,5-9,5 aralığının dışında ortama uyum sağlayamaz. Optimum pH genellikle 6,5-7,5
arasındadır. Evsel atıksuların arıtıldığı aktif çamur içindeki bazı bakteri grupları:
Arthrobacter, Achromabacter, Cytophoga, Flovabacterium, Alkaligenes, Pseudomonas,
Vibris, Aeromonas, Bacillus, Nitrosomonas ve Venitrobacter’dir.
15
Mantarlar düşük pH değerinde ve azotun sınırlayıcı olduğu ortamlarda
yaşayabildiklerinden ve selülozu parçalayabildiklerinden endüstriyel atıksuların
arıtımında ve katı organik atıkların kompostlaştırılmasında oldukça önemli rol oynarlar.
Protozoa ve rotiferlerin büyük bir kısmı aerobik heterotrofiktir. Bakterilerden büyüktürler
ve enerji kaynağı olarak bakterileri kullanırlar. Böylelikle proses çıkış sularının kalitesi
yükselir. Rotiferlere çıkış sularında rastlanması biyolojik arıtım prosesinin çok iyi
çalıştığının kanıtıdır.
Algler, biyolojik arıtım proseslerinde özellikle lagünlerde oksijen üreticisidirler.
Heterotrofik bakterilere oksijen sağladığından aktif çamur sistemlerinde ve fakültatf
oksidasyon havuzlarında verimi artırırlar.
Aşağıdaki tabloda mikroorganizmaların elektron alıcı-verici ve karbon kaynakları
bakımından sınıflandırılması görülmektedir.
Bakteri türü
Aerobik
heterotrofik
Aerobik
ototrofik
Fakültatif
heterotrofik
Anaerobik
hetereotrofik
Reaksiyon
Aerobik oksidasyon
Karbon kaynağı
Organik madde
Elektron alıcısı
O2
Elektron vericisi
Organik madde
Nitrifikasyon
Demir oksidasyonu
Sülfür oksidasyonu
Denitrifikasyon
CO2
CO2
CO2
Organik madde
O2
O2
O2
NO2-, NO3-
NH3, NO2Fe+2
H2S, S0, S2O3-2
Organik madde
Asit fermentasyonu
Demir indirgenmesi
Sülfat indirgenmesi
Metanogenez
Organik madde
Organik madde
Organik madde
Organik madde
Organik madde
Fe+3
SO4-2
CO2
Organik madde
Organik madde
Organik madde
Uçucu yağ asidi
Ürünler
CO2
Su
NO2-,NO3Fe+3
SO4-2
N2
CO2
H2
Uçucu yağ asidi
Fe+2, CO2, Su
H2S, SO2, Su
CH4
Mikroorganizma büyümesi için karbonu ya organik maddeden (heterotrof) ya da
inorganik karbondan (CO2) (ototrof) alır. Ototroflar enerjilerini ışıktan sağlarlarsa
fotoototrof, kimyasallardan sağlarlarsa kemoototrof olarak adlandırılırlar. Ototrofikler
sentezleri için heterotroflardan daha çok enerji harcarlar.
Enerjilerini ışıktan sağlayanlar;
16
Enerjilerini kimyasaldan sağlayanlar;
Organizmalar, enerjiyi dışarıdaki bir elektron alıcısına elektron taşımakla sağlıyorsa buna
“solunum mekanizması”, iç elektron alıcısına taşıyorsa buna “fermantatif metabolizma”
denir. Enerjisini sadece oksijen ile sağlayanlara “zorunlu aerobik”denir. Elektron alıcısı
olarak NO2- ve NO3- kullanıyorsa buna “anoksik metabolizma” denir. Enerjilerini
oksijenden yoksun ortamda fermentasyon ile sağlayanlara “zorunlu anaerobik”, ortamda
oksijen olmadığında elektron alıcısı olarak NO2- ve NO3- kullanıyorsa buna “fakültatif
aerobik” denir.
1. Aerobik Solunum Mekanizması
Aerobik arıtımda mikroorganizmaların faaliyeti sırasıyla:
Aerobik solunumda organik maddenin parçalanarak enerji elde edildiği net denklem:
17
2. Anoksik Solunum Mekanizması: (Denitrifikasyon)
Nitrifikasyon şartlarında ortamda biriken NO3-‘ın azot gazına kadar indirgenmesi
prosesine denitrifikasyon prosesi denir. Oksijen, belli bir seviyeye kadar bu proses için
inhibe edici olmadığından ve son elektron alıcısı olarak bağlı oksijen yani nitrit ve nitrat
tercih edildiğinden bu proses anoksiktir anaerobik değildir. Denitrifikasyon 2 basamakta
gerçekleşmektedir.
Denitrifikasyonda karbon kaynağı genellikle giriş suyunda bulunan organik madde ve
endogenezle oluşan organik maddedir. Denitrifikasyon prosesi için karbon kaynağı
yeterli değilse ortama karbon kaynağı olarak ya metanol ya da asetat eklenir. Karbon
kaynağı proses için elektron vericidir. Atıksularda biyolojik olarak ayrışan organik
maddenin formülü C10H19O3N’dir. Buna göre;
Denitrifikasyon hızını substrat kullanım hızı kontrol eder. Denitrifikasyon işlemini
gerçekleştiren nitrat redüktaz enzimi çözünmüş oksijenden inhibe olduğu için ortamın
oksijen konsantrasyonu 0,2 mg/L’nin üstünde olmamalıdır. Nitrifikasyon ve
denitrifikasyonun eş zamanlı yapıldığı reaktörlerde, aktif çamur sisteminde düşük
çözünmüş oksijen varlığında nitrifikasyon flok dışında, denitrifikasyon ise flok içinde
gerçekleşir. Yani tankta hem aerobik hem de anaerobik zonlar oluşur. Bu şartları
sağlamak için, çamur yaşı ve kalış süresi uzun tutulmalıdır.
3. Anaerobik Solunum Mekanizması:
18
Oksijensiz ortamda organik maddenin parçalandığı solunum mekanizmasıdır. En ufak bir
oksijen varlığı bu mekanizmayı bloke eder. Organik maddeler mikroorganizmalar
tarafından önce organik asitlere sonra da metan yapıcı mikroorganizmalarca metana ve
karbondiokside ve hidrojen sülfüre dönüşür. Anaerobik arıtımın en yaygın kullanıldıı
birimler, çamur çürütme tankları, anaerobik havuz ve lagünlerdir. Sistemde metan
oluşumu ile enerji sağlanır, oysa aerobik mekanizmada enerji kullanılmaktadır. Çamur
stabilizasyonu sayesinde çamurun daha fazla bozunmasına olanak sağlanır. Aerobik
mekanizmaya göre daha az biyokütle ve çamur oluşumu gerçekleşir. Buna rağmen
sistemin uzun alıkonma süresi (10-30 gün), hidrojen sülfür oluşumuna bağlı koku
problemi ve daha fazla kontrollü çalışma gereksinimi anaerobik proseslerin
dezavantajlarıdır.
Anaerobik prosesin aşamaları:
1. Polimerik bileşiklerin hidrolizi: Bu aşamada proteinler aminoasitlere, yağlar yağ
asidi ve gliserine, nişasta ve selüloz glikoza hidroliz (yıkım) olur. Hidroliz
aşaması ya mikroorganizmaların enzimleriyle ya da yüksek sıcaklık ve basınçta
asitle (H2SO4, HCl, H3PO4) gerçekleştirilir. Asitle hidroliz daha hızlı ve
ekonomiktir.
2. Organik asitlere dönüşüm: hidroliz aşamasında oluşan ürünler asit yapıcı
mikroorganizmalar tarafından organik asitlere ve alkole dönüşür.
3. Asetik asit oluşumu: oluşan organik asitlerin bir grup anaeroblarla asetik aside
dönüşümü gerçekleştirilir.
4. Metan oluşumu: 3. aşamada oluşan asetik asit, karbondioksit ve hidrojen, metan
yapıcılar tarafından metan gazına dönüştürülürler.
19
4 aşamalı anaerobik parçalanmada hız belirleyici basamak ya hidroliz ya da metan
oluşumudur. Anaerobik mekanizmada hidrojensülfür, sülfatın desulfovibrio tarafından
indirgenmesiyle gerçekleşir. Böylelikle, atığın bileşimine bağlı olarak metan ve
karbondioksitin yanında hidrojensülfür ve azot gazları çıkışı da gerçekleşebilir.
BİYOKİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI (BOİ)
Organik maddenin biyokimyasal oksidasyonu sırasında mikroorganizmalar tarafından
tüketilen oksijen miktarıdır. BOİ, atık içinde sadece karbon oksidasyonu söz konusu
olduğunda, organik maddelerin okside edilmesi, yeni hücre sentezi ve endogenez
solunum
basamaklarında
mikroorganizmalar
tarafından
kullanılan
oksijen
konsantrasyonudur. BOİ, heterotrofik organizmalardan oluşan karma bir mikroorganizma
topluluğunun tükettiği oksijen miktarını ve organik maddenin karbondioksite dönüşmesi
için gerekli oksijen miktarını ölçer. Oksidasyon için su içindeki çözünmüş oksijen
kullanılır. Su içinde ne kadar çözünmüş oksijen kullanılmışsa o kadar organik madde
parçalanmış demektir. Organik maddenin mikroorganizmalar tarafından parçalanması
sırasında tüketilen oksijen miktarı suyun BOİ’sine eşittir.
ÇO(örneğin ilk değeri) – ÇO(5. gün sonraki değeri) = BOİ5
Ortamdaki bütün karbonlu maddelerin ayrışması teorik olarak sonsuza kadar devam
ederken, pratikte 5. gün sonunda organik maddenin %60-70’i, 20. günün sonunda ise
%95-99’u oksitlenmiş olur. 5. günden sonra karbonlu maddelerin oksidasyonu
tamamlanmış ve azotlu maddelerin oksidasyonu başlamış olur. Bu süre zarfına kadarki
oksijen ihtiyacına BOİ5 yani 1. kademe nihai biyolojik oksijen ihtiyacı denir. Yani BOİ,
“ilk kademeli veya karbon kökenli” ve “ikinci kademeli azot kökenli” olmak üzere 2’ye
ayrılır.
BOİ Eğrisi ve Nihai BOİ
BOİ Modeli:
Lt : t anında ortamda kalan BOİ
L0 : Nihai BOİ
20
k1 : 1. derece reaksiyon hız sabiti (artılmamış sularda tipik
değeri 0,23 gün-1’dir. Bu değer genellikle 0,12-0,46 gün1 arasında değişir.)
dL t
= − k1 × L t
dt
Lt
∫
L0
ln
t
dL t
= − k1 × ∫ dt
Lt
0
Lt
= − k1 × t
L0
L t = L0 × e − k 1 × t
t anında kullanılan BOİ = L0-Lt
= L0- ( L 0 × e − k1 × t )
= L0
BOİ’nin Sıcaklıkla Değişimi
(1 − e− k1 × t )
Mikroorganizma faaliyeti sıcaklıkla arttığından, sıcaklık artışına bağlı olarak oksijen
ihtiyacı da artmaktadır. Herhangi bir t sıcaklığında reaksiyon hız sabitini veren ifade
aşağıdadır:
k T = k 20 × θ T − 20
ɵ = 1,135
(4oC<T<20oC)
ɵ = 1,056
(20oC<T<30oC) fakat bu aralıkta genellikle 1,047 kullanılmış.
Azot kökenli BOİ için, azotlu bileşikleri parçalayan mikroorganizmalar yavaş
ürediğinden BOİ’nin hissedilir seviyelere ulaşması 6-10 gün sürer.
BOİ deneyi 5 günden sonra devam ettirilirse hücreler tamamen parçalanır ve nihai BOİ
ilk KOİ değerine ulaşır.
Biyolojik parçalanabilir KOİ = Nihai BOİ
Genellikle evsel atıksular için KOİ= 500 mg/L ve BOİ=300 mg/L civarındadır.
ÖRNEK PROBLEM 3: 20oC sıcaklıkta 5 günlük BOİ değeri 200 mg/L olan bir suyun
ilk kademe nihai BOİ değerini ve 1 günlük BOİ değerini hesaplayınız. Suyun sıcaklığı
25oC olsaydı 5 günlük BOİ değeri ne olurdu? (k=0,23 gün-1)
21
BOİ5 = L0 (1 − e
200=
− k1 × t
)
L0 (1 − e−0,23× 5 )
L0= 293 mg/L (nihai BOİ)
−0,23×1
) = 60,1 mg/L
BOİ1 = 293(1 − e
25oC sıcaklıkta;
k 25 = k 20 × θ T − 20
k 25 = 0,23×1,047 25− 20 = 0,29 gün-1
−k × t
BOİ5 = L0 (1 − e 1 ) idi
= 293(1 − e
−0,29× 5
) = 224 mg/L
BOİ Deneyi
1. Klasik Yöntem
22
(Aşılama yapılmamışsa)
(Aşılama yapılmışsa)
f: aşı seyrelme suyu hacminin toplam hacme oranı
B1: aşının inkübasyon öncesi ÇO konsantrasyonu
B2: aşının inkübasyon sonrası ÇO konsantrasyonu
ÖRNEK PROBLEM 4:
(a)15 mL’lik bir örnek 300 mL’lik BOİ şişesine konulduğunda ilk ÇO değeri 10 mg/L
olmaktadır. 5. gün sonra 2 mg/L ÇO ölçüldüğüne göre atıksuyun BOİ5’i nedir? (Aşılama
yapılmamıştır)
(b)15 mL’lik bir örnek 300 mL’lik BOİ şişesine konulduğunda ilk ÇO değeri 8,8 mg/L
olmaktadır. 5. gün sonra 1,9 mg/L ÇO ölçülmüştür. Aşılanmış seyreltme suyunun
inkübasyon öncesi ÇO konsantrasyonu 9,1 mg/L, 5 günlük inkübasyon sonrası ÇO
konsantrasyonu 7,9 mg/L olduğuna göre atıksuyun BOİ5’i nedir?
23
f = 300 − 15 = 0,95
300
BOİ 5 =
(8,8 − 1,9) − (9,1 − 7,9) × 0,95 = 115,2 mg/L
15 mL
300 mL
AZOT OKSİJEN İHTİYACI (NOİ)
BOİ deneyi yeterince uzatılırsa azotlu maddelerin oksidasyonu gerçekleşir. Azot ve
fosfor mikroorganizmaların büyümesi için gereklidir ve bunlara besi maddeleri yani
nutrient denir. Azot, prtein sentezi için temel yapı taşı olduğundan atıksuların biyolojik
yollarla arıtılmasında azot konsantrasyonu mutlaka bilinmelidir. Sudaki azot miktarı az
ise arıtım için dışarıdan azot beslemesi yapılmalıdır, bunun tam aksine yüzey sularına
yapılan atıksu deşarjları nedeniyle oluşan alg ve yosunların kontrolü için ise atıksu
deşarjındaki azot miktarı azaltılmalıdır. Atıksularda bulunan azot genellikle proteinlerden
ve üreden kaynaklanmaktadır. Bu maddelerin ayrışması sonucu azot, amonyağa dönüşür.
Atısuyun tazelik derecesi amonyak miktarının tespiti ile belirlenir. Atıksularda azot
suyun pH değerine göre ya amonyak (NH3) ya da amonyum (NH4+) formunda bulunur.
+
NH 4 ⇔ NH 3 + H +
K=
K = 10 −9,25
[NH 3 ]× [H + ] =10 −9,25
[NH ]
+
4
Yukarıdaki denge denklemine göre pH değeri 9,25’den büyük olan sularda azot
genellikle amonyak formunda, düşük olan sularda ise amonyum formunda bulunur. pH
9,25 değerinde amonyum ve amonyak konsantrasyonu eşittir.
Nitrifikasyonda azotun oksidasyon reaksiyonları :
−
2NH 3 + 3O 2 → 2NO 2 + 2H + + 2H 2 O
−
2NO 2 + O 2 → 2NO3
−
−
Net denklem: NH 3 + 2O 2 → NO 3 + H + + H 2 O
Net denkleme bakıldığında 14 gram N’un okside edilmesi için 64 gram oksijene ihtiyaç
duyduğu görülmektedir. 1 gram N’in oksidasyonu için 4,57 gram oksijene ihtiyaç
duyulmaktadır. O halde azot oksijen ihtiyacı (NOİ);
NOİ = (N ku − N ba )× 4,57
24
Nku: kullanılabilir azot miktarı
Nba: bakteri tarafından alınan ve hücreye dönüştürülen azot miktarı
Her 1 gram biyokütle oluşumu için protein ve nükleik asit sentezinde 0,05 gram azot
gereklidir.
N ba = 0,05 × YKOİ × Fb × KOİ
YKOİ: gram KOİ giderimi için oluşan gram kuru hücre (yaklaşık olarak 0,4’tür). Öyleyse;
N ba = 0,02 × Fb × KOİ
N ku = NH 4 - N + ( Fb × Organik − N
)
Fb: BOİ5 deneyinde elde edilen biyolojik parçalanabilir organik azotun oranıdır.
Organik azotun biyolojik parçalanabilir kısmı Kjeldahl Azotu ölçülerek bulunur. Normal
BOİ şişesinde bu azot ancak 40 günden fazla sürede parçalanabilir.
TOPLAM ORGANİK KARBON (TOK)
TOK, organik madde miktarı ölçümünde kullanılan bir diğer parametredir, organik
maddede bulunan karbon miktarıdır. TOK ölçümü organik madde miktarının az olduğu
durumlarda geçerlidir. Ölçüm için özel TOK cihazı gerekir. Ölçüm 1-2 dakikada
tamamlanır. Atıksu, yüksek sıcaklık fırınına 800oC’de enjekte edilir, bu sıcaklıkta
organik maddeler karbondioksite dönüşür. Fırından çıkan karbondioksit miktarı infrared
aletinde okunur. Bu analizin yapılabilmesi için ölçümü yapılacak su numunesinin katı
madde miktarının yoğun olmaması gerekir. TOK parametresi, organik maddenin
oksidasyon durumu hakkında bilgi vermez. Örneğin;
C 2 H 5OH + 3O 2 → 2CO 2 + 3H 2 O
CH 3COOH + 2O 2 → 2CO 2 + 2H 2 O
Yukarıdaki reaksiyonlarda 1 mol C2H5OH için gerekli olan KOİ miktarı 96 gram iken, 1
mol C3COOH için gerekli olan KOİ miktarı 64 gramdır. Oysa her 2 karbonlu maddenin 1
molünün TOK değeri 24 gramdır ve birbirine eşittir.
KİMYASAL OKSİJEN İHTİYACI (KOİ)
Organik maddenin biyokimyasal reaksiyonlarla değil redoks reaksiyonlarıyla
oksitlenmesi esasına dayanır. Biyokimyasal reaksiyonların hızı bazı organik maddeler
25
için çok hızlı gerçekleşmesine karşılık bazıları için oldukça yavaştır. Fakat, kimyasal
oksidasyonda maddenin biyolojik olarak ayrışıp ayrışmadığına ve ayrışma hızına
bakılmaksızın bütün organik maddeler oksitlenir. KOİ ile, atıksu bünyesindeki organik
maddeler, kimyasal oksidasyonlar için gerekli oksijen miktarı cinsinden belirlenir.
Yöntem, tüm organiklerin kuvvetli oksitleyicilerle asit ortamlarda oksitlenmeleri esasına
dayanır. KOİ, redoks reaksiyonuna bağlı olduğundan elektron transferinin olmadığı
reaksiyonlara giren maddelerin KOİ’sinden bahsedilmez.
Evsel atıksularda genellikle KOİ, BOİ’nin 2 katıdır. KOİ’nin BOİ’ye göre büyük olma
nedeni;
1. inorganik maddelerin bazılarının dikromatla okside olması
2. mikroorganizmalara toksik bazı organiklerin oksitleyici ile okside olması
3. biyolojik yoldan ayrışması güç organiklerin oksitleyici ile okside olması
ÖRNEK PROBLEM 5: Mikroorganizma için BOİ/KOİ, BOİ/TOK ve TOK/KOİ oranını
hesaplayınız. (k:0,23 gün-1 ve reaksiyon 1.mertebeden)
TEMEL BÜYÜKLÜKLERİN TANIMLANMASI
Kütle ve Konsantrasyon
Su kalite modellemesinde, sistemdeki kirletici miktarı kütlesiyle tanımlanır. Kütle,
hacim, ısı gibi özellikler “ektensif” (kapasite), sıcaklık, yoğunluk, basınç gibi özellikler
ise “intensif” (şiddet) özelliktir.
m
şeklinde tanımlanır. Konsantrasyon gibi bütün intensif özellikler
V
kirleticinin miktarından ziyade onun gücünü tanımlar. Dolayısıyla çevre üzerindeki etki
indikatörü
olarak
konsantrasyon
birimini
kullanmak
tercih
edilir.
Konsantrasyon C =
Konsantrasyon birimleri
g/L, kg/m3
mg/L, g/m3
µg/L, mg/m3
ng/L, µg/m3
ppt
ppm
ppb
pptr
26
ÖRNEK PROBLEM 6: 2.10-6 kg tuz 1 m3 saf suda çözünüyor. Tuzlu çözeltinin ppb ve
ppm cinsinden konsantrasyonu nedir?
2.10 −6 kg 106 mg
C=
×
= 2mg/m3= 2 ppb=0,002 ppm
3
1m
1kg
1. Hız: genel olarak zamana bağlı özelliklerle ilişkilidir.
Kütle yükleme hızı:
W=
m
t
Kanaldaki ve borudaki suyun hacimsel akış hızı ile konsantrasyonu ölçülerek hesaplanır.
ÖRNEK PROBLEM 7: Bir havuzun yüzey alanı 10000 m2, ortalama derinliği 2 m,
başlangıç kirletici konsantrasyonu 0,8 ppm’dir. 2 gün sonra havuzdaki konsantrasyon 1,5
ppm ölçülmüştür.
(a) Kütle yükleme hızı nedir?
(b) Kirleticinin sadece havadan geldiği düşünülürse akısı ne olur?
(a) havuz hacmi V= 10000m2 × 2 m = 2.104 m3
ve mgiriş = 0,8 g/m3 × 2.104 m3 = 1,6.104 g
m 2 gün sonra = 1,5 g/m3 × 2.104 m3 = 3.104 g
27
W=
m m 2günsonra − m 0 3.10 4 − 1,6.10 4
=
=
= 0,7.10 4 g/gün
t
2
2
(b) j =
W 0,7.10 4 g/gün
=
= 0,7g/m 2 − gün
A
10000m 2
REAKSİYON KİNETİĞİ
Su kalite modellemesinde geri dönüşümsüz reaksiyonlar sıklıkla kullanıldığından bu tip
reaksiyonların modellenmesi üzerinde durulacaktır. Bu tip reaksiyonlar tek yönlü olup,
reaktantlar bitene kadar reaksiyon devam eder.
aA + bB
cC + dD
bu tip reaksiyonların hızı ve kinetiği;
dC A
= − kf (C A , C B ,.....)
dt
dC A
a
B
= − k × C A × CB
dt
Buradaki üstel semboller reaksiyon derecesi olarak bilinir. Reaktan A’ya göre reaksiyon
derecesi a, B’ye göre b’dir. Tüm reaksiyon derecesi (mertebesi) n=a+b şeklinde
tanımlanır. En genel ifade ile bir reaksiyonun hız ifadesi;
dC
= − k ×C
dt
n
Sıfırıncı dereceden bir reaksiyondan bahsedildiğinde hız ifadesi;
28
1. dereceden bir reaksiyondan bahsedildiğinde hız ifadesi;
2. dereceden bir reaksiyondan bahsedildiğinde hız ifadesi;
n. dereceden bir reaksiyondan bahsedildiğinde hız ifadesi;
1
1
= n −1 + (n − 1)kt ifadesiyle gösterilir.
n −1
C
C0
ÖRNEK PROBLEM 8:
türetiniz.
t(gün)
0
1
3
Tablodaki verileri kullanarak reaksiyon için hız ifadesini
C (mg/L)
12
10,7
9
29
5
10
15
20
7,1
4,6
2,5
1,8
ÖDEV 2: Aşağıdaki 1. mertebe nitrifikasyon reaksiyonuna göre 12 g/m3 NH4+
reaksiyona girerse,
(a) Kaç g/m3 azot reaksiyona girmiş olur?
(b) Nitrifikasyon reaksiyonu tam gerçekleşirse kaç g/m3 oksijen tüketilir?
(c) Proses başlangıcında reaksiyon hız sabiti 0,1 gün-1 ise oksijen tüketim hızını
hesaplayınız.
NH4+ + 2O2
2H+ + H2O + NO3-
REAKTÖR TİPLERİ VE KİNETİKLERİ
Çevre mühendisliğinde reaksiyonların çoğu birinci dereceden hız ifadesiyle açıklanır.
Reaktörler akış rejimlerine göre, sürekli akışlı ve kesikli reaktörler olarak
sınıflandırılabilirler. Sürekli akışlı bir reaktörde substrat girişi ve çıkışı sürekli olur.
Kesikli bir reaktör ise sürekli bir akışa sahip değildir, reaktantlar eklenir, reaksiyon
gerçekleşir ve ürünler dışarıya alınır. Sürekli akışlı reaktörler aktif çamur için kullanılan
havalandırma tankları gibi olup, tapa akışlı, disperse tapa akışlı ve tam karışımlı
reaktörler olarak akış rejimine göre sınıflandırılır. Aşağıdaki şekilde gösterilen tapa akışlı
bir reaktörde akışkan elemanları reaktör içine aynı anda ve aynı hızda girer ve aynı anda
ayrılırlar. Akışkan elemanlarının hareket süresi teorik bekleme süresine eşittir.
Uzunlamasına karışım yoktur, tanklar uzun ve dardır. Disperse tapa akışlı reaktörler,
akışkan elemanlarının reaktör içinden geçerken uzunlamasına dağılım özelliğine sahiptir.
Bu tanklar oldukça uzundur.
1. Tapa Akışlı (Piston Akımlı) Reaktörler
dV
Q
Co
QC
Q(C-dC)
Q
Ct
Birikim = Giriş – Çıkış ± Reaksiyon
Kararlı halde iken;
0 = Q.C – Q.(C - dC) ± r.dV
0 = Q.C – Q.(C - dC) ± r.dV
30
0 = Q.C – Q.C + Q.dC ± r.dV
Q.dC = ± r.dV
dC
r
=
−
= k. C ise
1. dereceden hız reaksiyonu ifadesi;
dt
Q.dC = -k. C.dV
dC
k
= − dV
C
Q
Ct
∫
Co
V
dC
k
=−
dV
C
Q
∫
0
ln
Ct
k.V
=−
Co
Q
ln
Ct
= − k.θ
Co
Ct = Co. e − k.θ
2. Tam Karışımlı Reaktörler
Aşağıdaki şekilde gösterilen tam karışımlı bir reaktörde, akışkan elemanları reaktör içine
girer girmez hemen dağılırlar. Reaktör içeriği uniformdur ve çıkış suyuyla aynı
özelliklere sahiptir.
Birikim = Giriş – Çıkış ± Reaksiyon
Kararlı halde iken;
31
0 = Q.Co – Q.Ct – k.Ct.V
0 = Q(Co – Ct) – k. Ct.V
eşitlik Q’ya bölünürse;
0 = Co − Ct − k. Ct. θ
0 = Co − Ct (1 + k. θ)
Ct =
Co
1 + k. θ
Kesikli bir reaktörde sürekli bir akış olmadığından kütle denkliğinde giriş ve çıkış 0 olur.
Birikim = ± Reaksiyon
V
Ct
∫
Co
dC
= −k.C.V
dt
t
dC
= − k dt
C
∫
0
Ct = Co.e − k.t
32
ÖRNEK PROBLEM 9: 1.mertebe reaksiyonla ayrışan 0,3 g/L konsantrasyonunda bir
karbonlu madde 20 m3/gün’lük debide bir piston akımlı reaktöre, 12 saat sonra ise 100
m3’lük tam karışımlı bir reaktöre giriyor. Tam karışımlı reaktör çıkışındaki karbonlu
madde konsantrasyonu nedir? (Birinci mertebe reaksiyon hız sabiti 0,46 gün-1).
ÖRNEK PROBLEM 10: Aşağıdaki şekle göre B noktasında kirletici konsantrasyonu
nedir? (Birinci mertebe reaksiyon hız sabiti 0,4 gün-1).
GÖLLER
Işık ve sıcaklığın göl kirliliğine etkisi, diğer alıcı ortamlara nazaran daha belirgindir. Işık,
fotosentez için enerji kaynağıdır ve göl suyu içinde ışığın nüfuzu azdır. Suyun maksimum
yoğunluğu +4oC’dedir ve su ısıyı iyi iletmez, ısının büyük kısmı su kütlesi içinde
hapsedilir. Göl sularının sıcaklığı mevsimlik değişimlere uğrar. Kış mevsiminde
donmayan göller için sıcaklığın derinlikle değişmediği kabulü yapılır. Sıcak mevsimler
yaklaştıkça üst tabakadaki su kütlesi ısınmaya başlar. Su ısıyı iyi iletemediğinden ve
33
sıcak su hafif olduğundan göllerde bariz bir sıcaklık tabakalaşması görülür. Bu olaya
“termal tabakalaşma” denir. Bu olay oldukça kararlıdır ve yaz mevsimi sonuna kadar
devam eder. Göldeki sıcaklık tabakalaşması aşağıdaki şekilde verilmiştir.
Termal tabakalaşma sırasında suyun sirkülasyonu sadece üst tabakada olduğundan
biyolojik ve kimyasal reaksiyonların çoğu epilimnion tabakasında gerçekleşir. Soğuk
mevsimlerin yaklaşmasıyla üst tabaka soğur, ağırlaşan su kütlesi aşağıya inerek alt
tabakayla yer değiştirir (göllerde çevrim). Göllerde sıcaklık farklılaşması çözünmüş
oksijen konsantrasyonuna etki eder. Göllerdeki çözünmüş oksijen profili aşağıda
verilmiştir.
Göllerde Ötrofikasyon
Fosfor, nitrojen ve diğer besin maddeleri yaşlı su ekosistemlerinde yavaş yavaş artar. Bir
sistemdeki besin maddesine dönüştürülebilen organik maddenin artması, sistemin
üretkenlik düzeyini yükseltir. Su ekosistemi çevresindeki karalardan sürüklenerek gelen
toprak, canlı artıkları içerir. Su yüzeyinde toplanan alg ve mikroskopik organizmalar
güneş ışınlarını engelleyerek su altı yaşamı için hayati öneme haiz olan oksijen emilimini
engeller. Özellikle fosfattan kaynaklanan ötrofikasyon, fosfat kirlenmesi olarak da bilinir.
Göllerin hızlı evrimleşmesinde ötrofikasyonun önemli rolü vardır. Özellikle tarımsal ve
evsel kökenli atıkların karıştığı göllerde nitritli, fosfatlı, azotlu besleyici tuzların suda
34
artması ötrofikasyonu hızlandırır ve ilkbahar aylarında alglerin aşırı çoğalmalarına neden
olur. Aşırı çoğalan bu algler, sıcaklar arttıkça canlılıklarını kaybederek kütleler halinde
dibe çökerler ve çürümeleri sonucu ortamda oksijen azalması ve H2S oluşur. Göldeki bu
oksijen azalması ve H2S artması omurgalı ve omurgasız hayvanların ölümlerine sebep
olur. Olayların bu şekilde devam etmesi sonucunda göl dibi bakterilerin
parçalayabileceğinden daha fazla maddeyle kaplanır ve oksijence fakirleşme hızla devam
eder. Bakterilerin ayrıştırdığı organik maddelerden açığa çıkan mineral maddeler yeni
canlı oluşmasında görev alırlar ve ötrofikasyona yardım ederler. Bu şekilde derinliği
zamanla azalan göl, ötrofik bir göle dönüşür. Ötrofikasyon devam ettikçe bu defa
derinliği daha da azalan ötrofik göl bataklığa dönüşür.
Göllerde CO2 Dengesi ve Alkalinite
Sudaki bikarbonat (HCO3-), karbondioksitin sudaki çözünürlüğünden ve kireçtaşından
(CaCO3) ileri gelir. Göl içerisine sürüklenen topraklar, beraberinde çeşitli mineralleri de
taşıyarak suda kireçtaşı oluşumlarını sağlarlar. Karbondioksit suya girdiğinde;
Kireçtaşı suda çözündüğünde ise;
Ortamda bikarbonat iyonları varsa suya hidrojen ilavesi suda sadece CO2 oluşumunu
sağlayacaktır. Ortama hidrojen ilavesi sonucu pH’nın değişmeme özelliği buffer veya
tampon özelliği olarak tanımlanır. Bu nedenle kireçtaşının çok olduğu göllerde ortamın
asidik olması beklenmez.
Alkalinite, suyun asidi nötral hale getirme kapasitesi olarak tanımlanır. Genel olarak
alkalinite (ALK);
35
ALK = Kuvvetli bazların konsantrasyonu – Kuvvetli asitlerin konsantrasyonu
göllerde CO2 varlığında;
ALK = [OH-] + [HCO3-] + 2 [CO3-2] – [H+]
Bu durumda sudaki toplam karbon konsantrasyonu (CT);
CT = [H2CO3] + [HCO3-] + [CO3-2]
Su ortamı aşağıdaki maddeleri içerdiğinde;
Kuvvetli asitler: HCl, H2SO4, HNO3
Kuvvetli bazlar: NaOH, KOH, Ca(OH)2, Mg(OH)2
ALK = [Na+] + [K+] + 2 [Ca+2] + 2[Mg+2] – [Cl-] – 2[SO4-2] – [NO3-] olur.
ÖRNEK PROBLEM 12: pH değeri 8 olan bir göl suyunda
HPO4-2 = 7,6 mg/L
H2PO4- = 2,4 mg/L
HCO3- = 52 mg/L
NH3 = 1,5 mg/L ise göl suyunun alkalinitesini M cinsinden hesaplayınız.
7,6 mg/L
= 7,92 ×10 −5 M
96000 mg/mol
2,4 mg/L
[H2PO4-] =
= 2,47 ×10 −5 M
97000 mg/mol
52 mg/L
[HCO3-] =
= 8,52 ×10 −4 M
61000 mg/mol
1,5 mg/L
[NH3] =
= 8,82 ×10 −5 M
17000 mg/mol
[HPO4-2] =
ALK = 2[HPO4-2] +[H2PO4-] + [HCO3-] + [NH3] + [OH-] - [H+]
(
) (
) (
) (
)
= 2 7,92 ×10 −5 + 2,47 ×10 −5 + 8,52 ×10 −4 + 8,82 ×10 −5 +10 −6 +10 −8
= 1,12 ×10 −3 M
36
ÖRNEK PROBLEM 13: pH değeri 5 olan temiz bir suyun pH değerini 9’a çıkarmak
için bu suya kaç molar NaOH eklenmelidir? Suyun NaOH eklemeden önce ve
eklendikten sonraki alkalinitesi ne olur?
ÖRNEK PROBLEM 14: pH değeri 7 olan temiz bir suyun akalinitesi kaçtır?
ÖRNEK PROBLEM 15: Bir su ortamı NaOH, H2SO4, HCl, HNO3 ve NH3 içeriyorsa bu
suyun alkalinitesini veren ifadeyi yazınız.
Göl Modellemesi
Göller, tam karıştırmalı bir reaktör mantığıyla modellenir. Bu mantıkla göl içindeki
kirletici konsantrasyonunun gölün her noktasında aynı olduğu kabul edilmektedir. Göl
içinde gerçekleşen olaylar aşağıda gösterilmiştir.
Çökme;
37
Yukarıdaki şekle göre kütle dengesi;
Birikim = Giriş – Çıkış – Reaksiyon – Çökme
V
dC
= W( t ) − QC − kCV − νA s C
dt
kararlı halde;
0 = W( t ) − C(Q + kV + νA s )
C=
W( t )
Q + kV + νA s
142
4 43
4
asimilasyon faktörü
(a )
ÖRNEK PROBLEM 16: Bir gölün yıllık fosfor yüklemesi 10500 tondur. Göldeki fosfor
konsantrasyonu ise 21 µg/L’dir. Bu gölün yıllık kirliliği 8000 tona indirilmiştir.
a) Gölün asimilasyon faktörünü bulunuz
b) Azalma sonucu göldeki fosfor konsantrasyonu kaçtır?
c) Gölün su kalite standartı 10 µg/L ise ne kadar daha kirlilik yükü azaltılmalıdır?
ÖRNEK PROBLEM 17: Bir göl aşağıdaki özelliklere sahiptir.
Hacim: 50000 m3
Derinlik: 2 m
Debi: 7500 m3/gün
Sıcaklık: 25oC
38
Bu göle 3 kaynaktan kirletici girişi yapılmaktadır. Bu kaynaklar, 50 kg/gün’lük bir
fabrika atığı, 0,6 g/m2-gün debi ile atmosferden gelen akı ve 10 mg/L konsantrasyonunda
bir akıntıdır. Eğer kirletici 20oC (ɵ=1,05) sıcaklıkta 0,25 gün-1’lik bir 1. mertebe
reaksiyon hız sabiti ile bozunuyorsa
a) gölün asimilasyon faktörünü
b) kararlı hal konsantrasyonunu bulunuz.
NEHİRLER
Nehir, atık sular için alıcı bir ortamdır. Bir nehirde en fazla kirlilik, atıksu deşarj
noktasında görülmektedir, çünkü nehir suyu sabit veya değişen hızla sürekli akmaktadır.
Karbonlu, azotlu maddeler nehre deşarj edildikten sonra biyokimyasal reaksiyonlar
devreye girer ve organik maddelerin oksidasyonu sonucu nehirdeki çözünmüş oksijen
konsantrasyonu azalır.
Azotlu maddeler, su kirliliğinin göstergesidir. Organik azot, aerobik ve anaerobik
solunumda önce amonyuma (NH3) dönüşür. Aerobik solunumda NH3, nitrit (NO2-) ve
nitrata (NO3-) çevrilir. Azotlu bir kirletici nehre girdiğinde maruz kaldığı dönüşümler
aşağıda gösterilmiştir.
39
Fakat, akmakta olan nehir aynı zamanda havadan oksijen de kazanır. Yani nehirlerde hem
biyolojik oksidasyonla oksijen tüketimi, hem de havadan suya oksijen transferi ile oksijen
kazanımı söz konusudur. Organik madde zamanla bozundukça, miktarı azalacağından
mikroorganizmalar tarafından oksijen kullanım hızı düşer, ortam oksijeni yeterince
azaldığından havadan suya oksijen geçiş hızı artar.
Nehirlerde Oksijen Dengesi (Streeter-Phelps Eşitliği)
40
L0 : Organik maddelerin ayrışması için gerekli toplam oksijen konsantrasyonu (mg/L)
(başlangıç BOİ)
y: Herhangi bir t anına kadar mikroorganizmalarca tüketilmiş oksijen konsantrasyonu
(mg/L)
k1 Mikroorganizmaların oksijen kullanım hız sabiti (gün-1)
ÇON: Herhangi bir t anında çözünmüş oksijen noksanlığı (mg/L)
k2 : oksijen transfer hız sabiti (gün-1)
ÇON = ÇOD - ÇO
ÇOD: Çözünmüş oksijen doygunluk kons. (mg/L)
ÇO: Çözünmüş oksijen kons. (mg/L)
ÇON1 : Deşarj noktasında çözünmüş oksijen noksanlığı (mg/L). Eğer deşarj anında ÇO
değeri tam deşarj noktası üzerinde anlık değişmiyorsa, deşarjdan hemen önce nehrin
ÇON değeri alınır.
Kritik mesafe (xkr) ve Kritik süre (tkr)
k 2 ÇON kr = k 1 L = k 1 L 0 e − k1 t kr olur.
ÇONkr = Kritik mesafe veya sürede çözünmüş oksijen noksanlığı (mg/L)
41
U: Nehrin ortalama hızı
H: Nehrin ortalama derinliği
ÖRNEK PROBLEM 18:
5 km/saat hızla akan bir akarsuda çözünmüş oksijen
konsantrasyonu doygunluk değerinde olup, 10 mg/L’dir. Deşarj noktasından hemen sonra
atıksu-akarsu karışımının organik madde konsantrasyonu (toplam BOİ) 60 mg/L’dir.
Suyun mevcut şartlarda oksijen doygunluk değeri 10 mg/L’dir. Mikroorganizmaların
oksijen kullanım hız sabiti 0,1 gün-1 ve oksijen transfer hız sabiti 0,3 gün-1 olduğuna göre
deşarj noktasının 30 km mansabındaki çözünmüş oksijen konsantrasyonu ne kadardır?
ÖRNEK PROBLEM 19:
20.000 nüfuslu bir yerleşim merkezinde günlük kullanılmış
su miktarı 400L/N’dir. Tasfiye edilen pis suların BOİ değeri 28 mg/L ve çözünmüş
oksijen konsantrasyonu 1,8 mg/L olup, bu sular debisi 7 m3/s ve ortalama su hızı 0,4 m/s
olan bir akarsuya veriliyor. Akarsu, oksijene %90 doygun olup, BOİ değeri 3,6 mg/L’dir.
Suyun mevcut şartlarda oksijen doygunluk değeri 8,5 mg/L, oksijen kullanım hız sabiti
0,5 gün-1 ve oksijen transfer hız sabiti 0,6 gün-1 olduğuna göre;
a)
b)
c)
d)
e)
Atıksu debisi kaç m3/s’dir?
Atıksu-akarsu karışımının ÇO değeri kaçtır?
Deşarj noktasından hemen sonra ÇO noksanlığı nedir?
Mansap tarafında ÇO’nin minimum olduğu mesafe kaçtır?
Deşarjdan sonraki minimum ÇO değeri nedir?
ÖRNEK PROBLEM 20:
200.000 nüfuslu bir yerleşim merkezinin arıtılmış atıksuyu
28 mg/L BOİ ve 1,8 mg/L ÇO içermektedir. Bu sular 37 cfs’lik hızla, ortalama hızı 1,2
ft/s olan 250 cfs’lik bir akarsuya deşarj ediliyor. Akarsuyun deşarjdan önceki BOİ değeri
3,6 mg/L, ÇO değeri ise 7,6 mg/L’dir. Suyun mevcut şartlarda oksijen doygunluk değeri
8,5 mg/L, oksijen kullanım hız sabiti 0,6 gün-1 ve oksijen transfer hız sabiti 0,76 gün-1
ise;
a) Kritik mesafe ve bu mesafedeki ÇO değeri nedir?
b) Deşarjdan mansap tarafına doğru 10 mil sonra ÇO değeri nedir?
ÖRNEK PROBLEM 21: Çözünmüş oksijene doygun bir nehrin ortalama su hızı
0,3048 m/s, ortalama derinliği 1,056 m, oksijen kullanım hız sabiti 0,6 gün-1 ve x=0
noktasında nihai BOİ değeri 10 ppm ise;
a) Havalandırma hız sabitini bulunuz.
42
b) Nehir boyunca oksijen noksanlığı eğrisini çiziniz
c) Oksijen kullanım hızı ile oksijen transfer hızını nehrin uzunluğuna bağlı olarak
çiziniz.
YERALTI SULARI
Yağışlarla yeryüzüne inen suların bir kısmı akışa geçer, bir kısmı buharlaşır, bir kısmı
bitkiler tarafından tutulur ve bir kısmı ise toprağa sızar. Yeraltı sularının oluşabilmesi için
yüzeysel suların yeraltına sızması gerekir. Yeraltına sızan sular geçirimsiz bir tabaka
üzerinde birikir ve yeraltı sularını oluşturur. Yeraltı suyu taşıyan tabakalara “akifer” adı
verilmektedir. Yeraltı sularının kendiliğinden yeryüzüne çıktığı yerlere ise “kaynak” ismi
verilir. Yeraltı suları, yeraltında biriken ve topraktaki boşlukları tamamen doldurarak
akan sulardır. Bunlar içme, kullanma, tarımda sulama, fabrikaların su ihtiyaçlarının
temininde büyük önem taşırlar. Yağmur, kar, dolu olarak yeryüzüne düşen yağışlar,
toprak, geçirimli taş delikleri, çatlak ve yarıklardan sızarak yeraltında toplanarak yeraltı
sularını meydana getirirler. Sızma, geçirimli topraklarda daha fazladır. Sular killi
topraklar gibi sızdırmıyan tabakalara rastlayınca toplanırlar. Genelde yeraltında toplanan
bu sular yerin üstünden dibe inmiş sulardır. Bu sulara “vodos sular” denir. Çok az
olmakla birlikte çok derinlerde gazların ayrışması, oksijenle hidrojenin çeşitli şartlarda
birleşmesiyle meydana gelen sular da vardır. Bunlara ise “juvenil sular” adı verilir. Bol
yağışlı ve zemini geçirimli taşlardan oluşan alanlarda yeraltı suyu fazladır. Az yağış alan,
eğimi fazla ve geçirimsiz zeminlerde ise, yeraltı suyunun oluşumu zordur. Kum, çakıl,
kumtaşı konglomera, kalker, volkanik tüfler, alüvyonlar, geçirimli zeminleri oluşturur.
Bu nedenle alüvyal ovalar ve karstik yöreler yeraltı suyu bakımından zengin alanlardır.
Kil, marn, şist, granit gibi taşlar ise geçirimsizdir. Yeraltı suyu oluşumunu engeller.
Yeraltı suları, yeryüzünden içerlere doğru sızarlarken kimyasal bazı aşındırmalara sebep
olur. Kaya tuzu, jibs, kalker gibi yerlerde bu daha fazla olur. Sarkıt, dikit ve yeraltı
mağaraları bu şekilde meydana gelirler. Ayrıca yeryüzünden sızan sular süzülürken
geçtikleri yerdeki minerallerin durumuna ve kimyasal değişmelere göre tat alırlar.
Yeraltı Sularının Beslenmesinde Etkili Olan Faktörler
1. Yağış miktarı
2. Yağış türü: Kar yağışları ile beslenme fazla olur.
3. Zeminin geçirimliliği: Alüvyal ve karstik alanlarda geçirimlilik fazladır.
4. Arazinin eğimi: Eğimin az olduğu alanlarda beslenme daha fazladır.
5. Bitki örtüsü: Yüzeysel akımı engellediği için.
43
Yeryüzünden sızarak toplanan yeraltı suları akış şekilleri durumları, beslenmeleri ve
hareketleriyle ilgili olarak üç ana bölümde toplanırlar:
1. Serbest yüzeyli yeraltı suları
2. Basınçlı su yüzeyli (artezyen) suları
3. Kaya çatlakları içindeki yeraltı suları
Yeraltı Suyunun Kirlenmesi
Yeraltı suyunun kirlenmesinin en belirgin nedeni kentsel (nitrat ve patojenler) ve
endüstriyel atıkların çevreye verildikten sonra iklim durumuna, toprağın yapısına ve
zamana bağlı olarak yeraltı suyuna taşınmasıdır. Yeraltı sularının kirlenmesinin diğer
önemli nedenlerinden birisi de tarım ilaçları (pestisitler) ve gübrelerin (nitrat) bilinçsiz
kullanımı ile evsel atıkların doğrudan toprağa verilmesidir. Ülkemizde en önemli yeraltı
suyu kirlenme nedenlerinden biri, evsel atıkların doğrudan toprağa verilmesidir. Deterjan
gibi parçalanmaya karşı dayanıklı bileşikler, yeraltı suyuna ulaşarak içme suyu açısından
sorun yaratabilmektedir. Bir diğer önemli kirletici çöp depolama sahalarından gelen
sızıntı suları ve petrol gibi bazı depolama tanklarından sızan sulardır.
Su Kirlilik Kontrol Yönetmeliği’ne göre yeraltı sularının kalite sınıfları aşağıda
verilmiştir.
Sınıf YAS I : Yüksek kaliteli yeraltı suları
Sınıf YAS II : Orta kaliteli yeraltı suları
Sınıf YAS III : Düşük kaliteli yeraltı suları
Yeraltı suları
Yüzey suları
Sabit kimyasal içerik
Değişken kimyasal içerik
Yüksek mineral içerik
Düşük mineral içerik
Düşük türbidite
Yüksek türbidite
Düşük renk
Renk olabilir
Düşük oksijen /sıfır oksijen
Oksijen var
Yüksek demir ve mangan
Düşük sertlikte
Kirleticilerin Yeraltı Suyunda Taşınma Mekanizmaları
1. Difüzyon: Kirleticilerin konsantrasyon farkına göre taşınımı
2. Adveksiyon: Su hızı ile taşınma
3. Mekaniksel dispersiyon: Kirleticilerin gözenekli ortamda taşınımı
44
4. Hidrodinamik dispesiyon: Kirleticilerin hem difüzyon hem de mekaniksel
dispersiyon ile taşınımı
Difüzyonla Taşınım
Kirleticinin derişim farkından dolayı az yoğun olduğu ortama doğru hareketidir. Söz
konusu taşınım Fick Yasası ile ifade edilir.
J=− D×
dC
dX
J: Akı
D: Moleküler difüzyon katsayısı (m2/s)
Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi dolgulu bir ortamda difüzyon ile taşınımda molekülün
izleyeceği yol uzayacaktır.
J=−
1 dC
dC
D
= − τD
2
υ
dX
dX
ν: Yol uzatma faktörü
τ: Bükümlülük (0< τ<1)
45
Adveksiyonla Taşınım
v: su hızı
J =C v
Kütlenin korunumu yasasına göre,
JX + JX+Dx =
d (CdX )
dt
Her 2 taraf dX’e bölünür ve dX=0’a doğru giderken limit alınırsa;
J (X, t ) − J (X + dX, t ) dC
lim
=
ya da başka bir ifade ile
dX
dt
1444424444
3
−
dJ dC
=
dX dt
dX →0
Eğer kirletici hem adveksiyon hem de difüzyonla taşınıyor ise;
dC
d 
dC
d 2C
dC

=−
+ Cv  = D eff
−v
 − D eff
2
dt
dX 
dX
dX
dX

Kararlı sistemler için;
0 = D eff
d 2C
dC
−v
2
dX
dX
Bu denklemin çözümü ise;
C = C1 + C2 e
v
X
D eff
C1, C2: sabit sayı
46
Darcy Yasası
Gözenekli bir ortamda akış debisi, akış yolu boyunca oluşan yük kaybı ile doğru, akış
yolunun uzunluğu ile ters orantılıdır.
Q = KA
h
L
V{ = K
Darcy
hıız
her 2 taraf A’ya bölünürse
h
= {
K J
L
{ hidrolik
hidrolik
egim
iletkenlik
Darcy yasasının uygulanması için akım laminer, ortam homojen ve zemin küçük taneli
malzemelerden oluşmalıdır. Darcy hızı aslında hayali bir hızdır. Su hızının akifer içinde
bütün bir alanı kaplayarak aktığını kabul eder. Aslında akış, topraktaki boşluklarda
gerçekleşmektedir. Bu nedenle toprakta, suyun sızma hızından bahsedilebilir.
VSıızm =
VDarcy
η
ƞ: porozite
ÖRNEK PROBLEM 22:
Porozitesi 0,2 olan bir akiferin hidrolik iletkenliği
50m/gün’dür. Birbirinden 1000 m mesafede açılmış 2 kuyudan ilkinin piyozometrik su
yüksekliği 55m diğerinin 50 m’dir. Akiferin ortalama kalınlığı 30 m, ortalama derinliği 5
km ise suyun akiferdeki akış hızını ve akiferdeki suyun 4 km mesafeye hareketinin ne
kadar zamanda olacağını hesaplayınız.
47
Ham Evsel Atıksuyun Tipik Özellikleri
48
İçme Suyu Standartları...
Türk Standartları
Dünya Sağlık
ABD Çevre Koruma
TSE 266
Örgütü WHO
Ajansı EPA
25
5
5
<1
0
<1
400
100
BERRAKLIK (NTU)
Bulanıklık
MİKROBİYOLOJİK PARAMETRELER
Koliform Bakteri
ORGANİK KİMYASAL
PARAMETRELER (mg/lt.)
Toplam Trihalometanlar
İNORGANİK KİMYASAL MADDELER
(mg/lt.)
Alüminyum,Al
0,2
0,2
1
Arsenik, As
0,05
0,05
0,05
Baryum,Ba
0,3
Kadmiyum,Cd
0,01
0,01
0,01
Krom (Toplam)
0,05
0,05
0,05
Florür,F
1,5
1,5
0,7-2,4
Kurşun,Pb
0,05
0,05
0,05
Civa,Hg
0
0
0
Nitrat,NO3
50
50
45
Selenyum,Se
0,01
0,01
Gümüş,Ag
0,01
0,05
Antimon,Sb
0,01
0,01
1
Berilyum,Be
0
Asbest > 10 mikron
7 milyon lif/lt.
ESTETİK PARAMETRELER (mg/lt.)
Klorür,Cl
600
250
250
Renk (Birim)
20
15
15
49
Bakır,Cu
3
1
Deterjanlar
0,2
0,5
Demir,Fe
0,2
0,3
Mangan,Mn
0,05
0,5
Koku Eşik Değeri (Birim)
0,05
3
pH
6,5-9,2
6,5-8,8
6,5-8,5
Sülfat,SO4
250
250
250
TDS
1500
1000
500
Çinko,Zn
5
5
İLAVE PARAMETRELER (mg/lt.)
Kalsiyum,Ca
200
Sertlik,CaCO3
500
Magnezyum,Mg
50
Potasyum,K
12
Sodyum,Na
175
200
Bakiye Klor
0,1-0,5
5
Amonyum,NH4
0,05-0,5
1,5
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
REFERANSLAR
•
•
•
•
Vizyon 2023: Bilim ve Teknoloji Stratejileri Teknoloji Öngörü Projesi Çevre ve
Sürdürülebilir Kalkınma Paneli, Su Yönetimi ve Sürdürülebilir Kalkınma Ön
Raporu, Prof.Dr.Derin ORHON, Prof.Dr.Seval SÖZEN, Doç.Dr.Beyza ÜSTÜN,
Doç.Dr.Erdem GÖRGÜN, Yük.Müh.Özlem KARAHAN-GÜL, İstanbul,
(20.12.2002).
Bartram, J., Ballance, R., (1996), Water Quality Monitoring, TJ Press Ltd.
London.
Tchobanoglous, G., Burton, F.L., Stensel, D.D. (2002), Wastewater Engineering:
Treatment and Reuse, 4th ed., Published by McGrow-Hill, ISBN: 0070418780.
Çevirmen: Ülker Bakır ÖĞÜTVEREN (2011), Çevre Mühendisliğinde Temel
İşlemler ve Süreçler, 2. baskı, Efil Yayınevi, Ankara.
60