ÇEV354 SU KALİTESİ YÖNETİMİ

Transkript

1 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 mm yağış kaydedilmektedir. Yaklaşık m 3 /yıl ortalama yağışa karşılık gelen bu suyun sadece m 3 /yıl miktarı akışa geçerek, çeşitli büyüklüklerdeki akarsular vasıtasıyla denizlere ve kapalı havzalardaki göllere boşalmaktadır. Ekonomik ve teknik açıdan kullanılabilir su potansiyeli m 3 /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

2 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

3 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

4 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

5 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

6 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; Q 2 = Q 1 + Q D 6

7 Kirletici korunan bir kirletici ise; ( Q S ) S 2 = ( Q S ) D D 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; ds V + KS = dx 0 kararlı halde ds V = KS dx V S So ds = K S X 0 dx lns S0 = KX V KX V S0 e = S Kt S0 e = 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

8 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

9 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 H 2 S 9

10 ve CH 4 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 cm 2 lik alanda 1 cm aralıkla duran iki platin elektrot arasındaki direncin ölçümü olarak ifade edilir ve 25 0 C 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 ppm arasındadır. Akıntısı olmayan kapalı göllerde buharlasma çözünmüs katı madde miktarını artırır, bazı hallerde ppm e kadar çıkabilir. Böyle, oldukça yüksek yogunluktaki göller ortalama 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 (CO 2 ) 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 C n H 2n O n dir. Karbonhidratlara örnek olarak glikoz (C 6 H 12 O 6 ) 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

11 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 (-NH 2 ) 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 Organik gruplar - COO - - (10-20 tane karbon atomlu hidrokarbon radikalleri) - SO 4 - -SO 3 Suda çözünen kısım Na + Na + Na + 11

12 3. Biyolojik Kirleticiler Bakteri Protozoa -OH - 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

13 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

14 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

15 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 10 o C 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

16 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 Reaksiyon Karbon kaynağı Elektron alıcısı Elektron vericisi Ürünler Aerobik heterotrofik Aerobik oksidasyon Organik madde O 2 Organik madde CO 2 Su Aerobik ototrofik Nitrifikasyon Demir oksidasyonu - NH 3, NO 2 Fe +2 Fakültatif heterotrofik Anaerobik hetereotrofik O 2 O 2 Sülfür oksidasyonu CO 2 CO 2 CO 2 O 2 Denitrifikasyon Organik madde NO - - 2, NO 3 Asit fermentasyonu Demir indirgenmesi Sülfat indirgenmesi Metanogenez Organik madde Organik madde Organik madde Organik madde Organik madde Fe +3 SO 4-2 CO 2 NO 2 -,NO 3 - Fe +3 SO 4-2 H 2 S, S 0-2, S 2 O 3 Organik madde N 2 CO 2 Organik madde Organik madde Organik madde Uçucu yağ asidi Mikroorganizma büyümesi için karbonu ya organik maddeden (heterotrof) ya da inorganik karbondan (CO 2 ) (ototrof) alır. Ototroflar enerjilerini ışıktan sağlarlarsa fotoototrof, kimyasallardan sağlarlarsa kemoototrof olarak adlandırılırlar. Ototrofikler sentezleri için heterotroflardan daha çok enerji harcarlar. Enerjilerini ışıktan sağlayanlar; H 2 Uçucu yağ asidi Fe +2, CO 2, Su H 2S, SO 2, Su CH 4 16

17 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 NO 2 ve NO 3 kullanıyorsa buna anoksik metabolizma denir. Enerjilerini oksijenden yoksun ortamda fermentasyon ile sağlayanlara zorunlu anaerobik, ortamda oksijen olmadığında elektron alıcısı olarak NO ve NO 3 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

18 2. Anoksik Solunum Mekanizması: (Denitrifikasyon) Nitrifikasyon şartlarında ortamda biriken NO 3 - 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 C 10 H 19 O 3 N 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

19 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 (H 2 SO 4, HCl, H 3 PO 4 ) 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

20 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) = BOİ 5 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 BOİ 5 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: L t : t anında ortamda kalan BOİ L 0 : Nihai BOİ 20 k 1 : 1. derece reaksiyon hız sabiti (artılmamış sularda tipik değeri 0,23 gün-1 dir. Bu değer genellikle 0,12-0,46 gün- 1 arasında değişir.)

21 dl dt t = k L 1 t L t dlt = k1 L L0 t t 0 dt L ln = k1 L t 0 t L t = L 0 e k t 1 t anında kullanılan BOİ = L 0 -L t = L 0 - ( L BOİ nin Sıcaklıkla Değişimi k1 t 0 e ) k1 t = L (1 e ) 0 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 (4 o C<T<20 o C) ɵ = 1,056 (20 o C<T<30 o C) 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: 20 o C sıcaklıkta 5 günlük BOİ değeri 200 mg/l olan bir suyun ilk kademe nihai BOİ değerini ve 1 günlük BOİ değerini hesaplayınız. Suyun sıcaklığı 25 o C olsaydı 5 günlük BOİ değeri ne olurdu? (k=0,23 gün -1 ) 21

22 k1 t BOİ 5 = L (1 e ) 0 0, = L (1 e ) 0 L 0 = 293 mg/l (nihai BOİ) 0,23 1 BOİ 1 = 293(1 e ) = 60,1 mg/l 25 o C sıcaklıkta; k T = k 20 θ k 25 1, = 0,23 = 0,29 gün -1 k1 t BOİ 5 = L (1 e ) idi 0 0,29 5 = 293(1 e ) = 224 mg/l BOİ Deneyi 1. Klasik Yöntem 22

23 (Aşılama yapılmamışsa) (Aşılama yapılmışsa) f: aşı seyrelme suyu hacminin toplam hacme oranı B 1 : aşının inkübasyon öncesi ÇO konsantrasyonu B 2 : 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 BOİ 5 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 BOİ 5 i nedir? 23

24 f = = 0, ( 8,8 1,9) ( 9,1 7,9) 0,95 BOİ 5 = = 115,2 mg/l 15mL 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 (NH 3 ) ya da amonyum (NH 4 + ) formunda bulunur. NH K = + + 9,25 4 NH3 + H K = 10 + [ NH ] [ H ] + [ NH4 ] 3 = 10 9,25 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 : + 2NH3 + 3O2 2NO2 + 2H + 2H2O + O2 3 2NO 2 2NO Net denklem: + NH3 + 2O2 NO3 + H + H 2O 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 N ) 4,57 ku ba 24

25 N ku : kullanılabilir azot miktarı N ba : bakteri tarafından alınan ve hücreye dönüştürülen azot miktarı Her 1 gram biyokütle oluşumu için protein ve nükleik asit sentezinde 0,05 gram azot gereklidir. Nba = 0,05 Y Fb KOİ KOİ Y KOİ : gram KOİ giderimi için oluşan gram kuru hücre (yaklaşık olarak 0,4 tür). Öyleyse; Nba = 0,02 Fb KOİ N = NH - N + F Organik N ku 4 ( ) b F b : BOİ 5 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 800 o C 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; C2 H5OH + 3O2 2CO2 + 3H2O CH3 COOH + 2O2 2CO2 + 2H2O Yukarıdaki reaksiyonlarda 1 mol C 2 H 5 OH için gerekli olan KOİ miktarı 96 gram iken, 1 mol C 3 COOH 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

26 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 Konsantrasyon C = 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 birimleri g/l, kg/m 3 mg/l, g/m 3 µg/l, mg/m 3 ng/l, µg/m 3 ppt ppm ppb pptr 26

27 ÖRNEK PROBLEM 6: kg tuz 1 m 3 saf suda çözünüyor. Tuzlu çözeltinin ppb ve ppm cinsinden konsantrasyonu nedir? kg 10 mg C = 3 1m 1kg = 2mg/m 3 = 2 ppb=0,002 ppm 1. Hız: genel olarak zamana bağlı özelliklerle ilişkilidir. Kütle yükleme hızı: m W = t Kanaldaki ve borudaki suyun hacimsel akış hızı ile konsantrasyonu ölçülerek hesaplanır. ÖRNEK PROBLEM 7: Bir havuzun yüzey alanı m 2, 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= 10000m 2 2 m = m 3 ve m giriş = 0,8 g/m m 3 = 1, g m 2 gün sonra = 1,5 g/m m 3 = g 27

28 4 4 W = m t = m2günsonra m , = = 0, g/gün (b) j= W A 4 0,7.10 g/gün = = 0,7g/m m 2 gün 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 dt A = kf ( C,C,...) A B dc A dt a A = k C C B B 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

29 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)kt ifadesiyle gösterilir. n 1 n 1 C C 0 ÖRNEK PROBLEM 8: türetiniz. Tablodaki verileri kullanarak reaksiyon için hız ifadesini t(gün) C (mg/l) ,

30 5 7,1 10 4,6 15 2,5 20 1,8 ÖDEV 2: Aşağıdaki 1. mertebe nitrifikasyon reaksiyonuna göre 12 g/m 3 + NH 4 reaksiyona girerse, (a) Kaç g/m 3 azot reaksiyona girmiş olur? (b) Nitrifikasyon reaksiyonu tam gerçekleşirse kaç g/m 3 oksijen tüketilir? (c) Proses başlangıcında reaksiyon hız sabiti 0,1 gün -1 ise oksijen tüketim hızını hesaplayınız. NH O 2 2H + + H 2 O + NO 3 - 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

31 0 = Q.C Q.C + Q.dC ± r.dv Q.dC = ± r.dv dc 1. dereceden hız reaksiyonu ifadesi; r = = k. C ise Q.dC = -k. C.dV dt dc = C Ct k Q dc = C Co Ct ln Co = dv k Q V 0 k.v Q Ct ln = k. θ Co Ct = Co.e dv 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

32 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) Co Ct = 1+ k. θ Kesikli bir reaktörde sürekli bir akış olmadığından kütle denkliğinde giriş ve çıkış 0 olur. Birikim = ± Reaksiyon dc V = k.c.v dt Ct dc = k C Co t 0 dt Ct = Co.e k.t 32

33 ÖRNEK PROBLEM 9: 1.mertebe reaksiyonla ayrışan 0,3 g/l konsantrasyonunda bir karbonlu madde 20 m 3 /gün lük debide bir piston akımlı reaktöre, 12 saat sonra ise 100 m 3 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 +4 o C 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

34 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

35 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 H 2 S oluşur. Göldeki bu oksijen azalması ve H 2 S 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 CO 2 Dengesi ve Alkalinite Sudaki bikarbonat (HCO 3 - ), karbondioksitin sudaki çözünürlüğünden ve kireçtaşından (CaCO 3 ) 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 CO 2 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

36 ALK = Kuvvetli bazların konsantrasyonu Kuvvetli asitlerin konsantrasyonu göllerde CO 2 varlığında; ALK = [OH - ] + [HCO 3 - ] + 2 [CO 3-2 ] [H + ] Bu durumda sudaki toplam karbon konsantrasyonu (C T ); C T = [H 2 CO 3 ] + [HCO 3 - ] + [CO 3-2 ] Su ortamı aşağıdaki maddeleri içerdiğinde; Kuvvetli asitler: HCl, H 2 SO 4, HNO3 Kuvvetli bazlar: NaOH, KOH, Ca(OH) 2, Mg(OH) 2 ALK = [Na+] + [K+] + 2 [Ca +2 ] + 2[Mg +2 ] [Cl - ] 2[SO 4-2 ] [NO 3 - ] olur. ÖRNEK PROBLEM 12: ph değeri 8 olan bir göl suyunda HPO 4-2 = 7,6 mg/l H 2 PO 4 - = 2,4 mg/l HCO 3 - = 52 mg/l NH 3 = 1,5 mg/l ise göl suyunun alkalinitesini M cinsinden hesaplayınız. [HPO -2 4 ] = 7,6 mg/l = 7, M 96000mg/mol [H 2 PO - 2,4mg/L 5 4 ] = = 2,47 10 M 97000mg/mol [HCO - 3 ] = 52 mg/l = 8, M 61000mg/mol [NH 3 ] = 1,5 mg/l = 8, M 17000mg/mol ALK = 2[HPO 4-2 ] +[H 2 PO 4 - ] + [HCO 3 - ] + [NH 3 ] + [OH - ] - [H + ] = ( ) ( ) ( ) ( ) 2 7, = 1,12 10 M + 2, , ,

37 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, H 2 SO 4, HCl, HNO 3 ve NH 3 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

38 Yukarıdaki şekle göre kütle dengesi; Birikim = Giriş Çıkış Reaksiyon Çökme dc V dt = W( t ) QC kcv νasc kararlı halde; 0 = W + C= ( t ) C( Q+ kv νa s ) W ( t ) Q+ kv+ νas asimilasyon faktörü ( a) ÖRNEK PROBLEM 16: Bir gölün yıllık fosfor yüklemesi 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: m 3 Derinlik: 2 m Debi: 7500 m 3 /gün Sıcaklık: 25 o C 38

39 Bu göle 3 kaynaktan kirletici girişi yapılmaktadır. Bu kaynaklar, 50 kg/gün lük bir fabrika atığı, 0,6 g/m 2 -gün debi ile atmosferden gelen akı ve 10 mg/l konsantrasyonunda bir akıntıdır. Eğer kirletici 20 o C (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 (NH 3 ) dönüşür. Aerobik solunumda NH 3, nitrit (NO 2 - ) ve nitrata (NO 3 - ) çevrilir. Azotlu bir kirletici nehre girdiğinde maruz kaldığı dönüşümler aşağıda gösterilmiştir. 39

40 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

41 L 0 : Organik maddelerin ayrışması için gerekli toplam oksijen konsantrasyonu (mg/l) (başlangıç BOİ) y: Herhangi bir t anına kadar mikroorganizmalarca tüketilmiş oksijen konsantrasyonu (mg/l) k 1 Mikroorganizmaların oksijen kullanım hız sabiti (gün -1 ) ÇON: Herhangi bir t anında çözünmüş oksijen noksanlığı (mg/l) k 2 : oksijen transfer hız sabiti (gün -1 ) ÇON = ÇOD - ÇO ÇOD: Çözünmüş oksijen doygunluk kons. (mg/l) ÇO: Çözünmüş oksijen kons. (mg/l) ÇON 1 : 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 (x kr ) ve Kritik süre (t kr ) k k 1 t kr 2ÇON kr k1l = k1l0e = olur. ÇON kr = Kritik mesafe veya sürede çözünmüş oksijen noksanlığı (mg/l) 41

42 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: 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 m 3 /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) Atıksu debisi kaç m 3 /s dir? b) Atıksu-akarsu karışımının ÇO değeri kaçtır? c) Deşarj noktasından hemen sonra ÇO noksanlığı nedir? d) Mansap tarafında ÇO nin minimum olduğu mesafe kaçtır? e) Deşarjdan sonraki minimum ÇO değeri nedir? ÖRNEK PROBLEM 20: 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

43 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

44 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 Sabit kimyasal içerik Yüksek mineral içerik Düşük türbidite Düşük renk Düşük oksijen /sıfır oksijen Yüksek demir ve mangan Yüzey suları Değişken kimyasal içerik Düşük mineral içerik Yüksek türbidite Renk olabilir Oksijen var 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

45 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 J: Akı dc dx D: Moleküler difüzyon katsayısı (m 2 /s) Yukarıdaki şekilde görüldüğü gibi dolgulu bir ortamda difüzyon ile taşınımda molekülün izleyeceği yol uzayacaktır. 1 dc J = D = 2 υ dx dc τd dx ν: Yol uzatma faktörü τ: Bükümlülük (0< τ<1) 45

46 Adveksiyonla Taşınım J = C v v: su hızı Kütlenin korunumu yasasına göre, J X + J X+Dx = d( CdX) dt Her 2 taraf dx e bölünür ve dx=0 a doğru giderken limit alınırsa; ( X,t) J( X + dx,t) J dc lim = dX dt dx 0 ya da başka bir ifade ile dj dc = dx dt Eğer kirletici hem adveksiyon hem de difüzyonla taşınıyor ise; dc = dt d dx D eff dc + Cv = D dx eff 2 d C v 2 dx dc dx Kararlı sistemler için; 2 d C dc 0 = Deff v 2 dx dx Bu denklemin çözümü ise; C = C + C 1 2 e v D eff X C 1, C 2 : sabit sayı 46

47 Darcy Yasası Gözenekli bir ortamda akış debisi, akış yolu boyunca oluşan yük kaybı ile doğru, akış yolunun uzunluğu ile ters orantılıdır. h KA L Q= her 2 taraf A ya bölünürse V { Darcy hıız = K h { L hidrolik egim = { K J hidrolik 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. V V Darcy Sıızm = ƞ: porozite η 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

48 Ham Evsel Atıksuyun Tipik Özellikleri 48