KİRLİLİK YÜKÜ HESAPLAMALARI Dr. Alpaslan EKDAL İTÜ Çevre Mühendisliği Bölümü ekdala@itu.edu.tr Kıyı Suları, Yer altı Suları ve Yüzeysel Suların Kalitesinin Belirlenmesi ve Yönetimi Hizmet İçi Eğitim Programı (7-10 Ekim 2013 ÇORUM)
KIRLETICI KAYNAKLAR Kirletici kaynaklar başlıca 2, daha detaylı olarak 4 sınıfta toplanmaktadır. Noktasal Kaynaklar Yayılı Kaynaklar Gezici Kaynaklar Doğal Kaynaklar
KIRLETICI KAYNAKLAR Noktasal Kirletici Kaynaklar Evsel atıksu deşarjları Endüstriyel atıksu deşarjları Kentsel drenaj sistemleri deşarjı Yayılı Kirletici Kaynaklar Tarım, orman ve çiftlik alanları yüzeysel akışları Yağış suları drenajları Rekreasyon alanları akışları ve sızıntıları Su ürünleri üretim alanları Katı atık depolama alanları Atmosferden taşınım
Gezici (mobile) Kirletici Kaynaklar Deniz ulaşımı Su sporları KIRLETICI KAYNAKLAR Doğal Kirletici Kaynaklar (Yayılı Kaynaklar) Atmosfer Ormanlık ve çayır alanları akışları ve sızıntıları Heyelan bölgeleri Volkanlar Taşkın alanları Yükselen yeraltı su veya deniz suyu (gel-gitler)
NOKTASAL KAYNAKLAR
ATIKSU DEBİSİNİN BELİRLENMESİ Atıksu miktarını belirleyen faktörler: Proje nüfusu Sızma debisi Yağış şiddeti Yeraltı suyu seviyesi Sanayi debileri ve değişimleri
ATIKSU DEBİSİNİN BELİRLENMESİ Arıtma tesislerinin boyutlandırılmasında atıksu debilerinin bilinmesi gerekmektedir. Bir yerleşimin atıksu arıtma tesisine gelen debi aşağıdakilerin toplamı olarak bulunur: Evsel atıksu debisi Sanayi atıksuyu debisi Sızma debisi
ATIKSU DEBİSİNİN BELİRLENMESİ Kişi başı su tüketiminden hareketle: Sanayi hariç tüm su tüketimlerini evlere dahil ederek hesaplama Türkiye genelinde bu yöntem uygulanır. Servislere bölme yöntemiyle Meskenler Kurum ve kuruluşlar Ticari faaliyetler Turistik tesisler Bu yaklaşım daha çok özel yerlerde uygulanır. Debi ölçüm verilerinin değerlendirilmesi suretiyle Pik faktörleri kabulü ile
BİRİM ATIKSU DEBİSİ Kişi başına su tüketimi: 100-250 L/N-gün (İller Bankası, İSKİ v.b proje şartnameleri) Türkiye de şebekeye verilen su miktarı: 80-225 L/N-gün (İTÜ Çevre Müh. Böl. araştırmaları) Şebekeye verilen suyun tamamı tüketiciye ulaşmaz; kayıplar Türkiye genelinde %20-%60 arasında değişir. Su ihtiyacının %70-90 arasındaki belirli bir kesri kanallara intikal etmektedir. Ev, kurum, ticari faaliyet ve sızma dahil, sanayi hariç oluşan atıksu miktarı: 90-215 L/N-gün aralığında
NÜFUS TAHMİNLERİ Evsel debi hesabı için söz konusu yerleşimin gelecek nüfusu hesaplanmalıdır. Nüfus projeksiyonu için kullanılan hesap yöntemleri: Aritmetik Artış Geometrik Artış İller Bankası Benzer Şehir Lojistik Eğri Azalan Hızlı Artış
ATIKSU DEBİLERİNİN HESABI Q = Q EV + Q SANAYİ + Q SIZMA Evsel debi, kişi başına günlük su sarfiyatının nüfusla çarpımından bulunabilir. Kişi başına günlük su ihtiyacının yıllık ortalaması (ortalama q) ile gösterilirse, yaz aylarındaki su ihtiyacı olan (maksimum q), ortalamanın 1,5 katı olarak kabul edilmektedir. maksimum Q ev =. maks q. N maksimum Q ev maksimum q N : Yazlık evsel su sarfiyatı, m 3 /gün : Kanala intikal yüzdesi : Kişi başına yazlık su ihtiyacı, m 3 /N-gün : Kasabanın gelecekteki nüfusu
ATIKSU DEBİLERİNİN HESABI Q h = maks Q ev /n 1 + Q sanayi /n 2 + Q sızma /24 Q 24 = ( maks Q ev + Q sanayi + Q sızma )/24 Q min = ort Q ev /n 3 + Q sanayi /n 4 + Q sızma /24 Q h Q 24 Q min n : Hesap debisi, m 3 /saat : Ortalama debi, m 3 /saat : Minimum debi, m 3 /saat : Sabitler
ATIKSU DEBİLERİNİN HESABI n 1 gün içindeki salınımları gösterir, 10 ila 20 arasında bir değerdir ve nüfusa bağlı olarak değişir. n 1 =14 için hesap debisi Q 14 işaretiyle de gösterilmektedir. n 2 sabiti sanayi kuruluşunun vardiya sayısı ile alakalıdır. Tek vardiya çalışan tesislerde bu değer 5-6 arasında alınabilir. n 3 sabiti 37 ila 40 arasında bir değerdir. Bir veya iki vardiya çalışan tesislerde minimum debi hesabında sanayi debisi dikkate alınmaz. Üç vardiya çalışan tesislerde n 4 =24 alınabilir.
ATIKSU DEBİLERİNİN HESABI Minimum debi : Q min = (24/37)*Q 24 Ortalama debi : Q 24 Hesap debisi : Q h = (24/14-18)*Q 24 Maksimum debi (kurak) : Q maks,k =(24/12)*Q 24 Maksimum debi (yağışlı) : Q maks,y = 1.5* Qmaks,k
SANAYİ YÜKÜNÜN BULUNMASI Eşdeğer nüfus hesaplanıp, evlerden gelen atıksular içinde düşünülebilir. N eşd =(Q san *C BOİ )/BOİ 5 yükü (g/kişi.g) Üretim türü ve miktarına göre, anketlerle su tüketimi belirlenerek, literatür bilgileri ile her bir sanayi için ayrı ayrı yük hesaplanabilir. Debinin zamanla değişimi ölçüm suretiyle elde edilebilir. Sanayi bölgelerinde hektar başına debi alınmak suretiyle hesaplanabilir. (örn. 0,5-1,0 L/sn-ha)
Sızma Debisinin Tahmini Evlerden gelen debinin belli bir yüzdesi olarak kabul edilebilir. (örn. günlük ortalama debinin %50-100 ü) Kanalların hizmet ettiği alana bağlı olarak (su toplama havzası alanından) bulunabilir. (örn. 0,1-0,2 L/sn-ha) Kanal uzunluğuna göre bulunabilir. (örn. 0,80 L/sn-km) Kanal uzunluğuna ve çapına bağlı olarak tahmin edilebilir. (örn. 0,5-5,0 m 3 /gün-km-cm) Muayene bacalarından atıksu mecrasına giren debi de bu miktara ilave edilmelidir (örn. 0,4 m 3 /gün-baca sayısı)
KİRLİLİK YÜKLERİNİN BELİRLENMESİ Kişi başına kirlilik yükü kabulleri ile Konsantrasyon kabulleri ile Arıtılacak atıksuyun yeterli süre ve sayıda numune alınarak karakterize edilmesi ile
KİRLİLİK YÜKLERİNİN BELİRLENMESİ BOİ 5 : Toplumum beslenme alışkınlıkları vb. bağlı olup 30-80 gboi 5 /Ngün aralığındadır. Türkiye de bu değer 30-45 g/n-gün olup projelerde 54-60 g/ngün aralığında seçilir. Toplam Kjeldahl Azotu (TKN): 10-18 g/n-gün (15 g/n-gün) Toplam Fosfor (Top-P): 3-6 g/n-gün (4 g/n-gün)
KİRLİLİK YÜKLERİNİN BELİRLENMESİ (g/kişi-gün) BOİ 5 AKM TKN NH 3 -N Top-P Türkiye 27-50 41-68 8-14 9-11 0,4-2 Almanya 55-68 82-96 11-16 - 1,2-1,6 ABD 50-120 60-150 9-22 5-12 2,7-4,5 Japonya 40-45 - 1-3 - 0,15-0,4
150 L/N-gün lük su sarfiyatı için atıksudaki katı madde konsantrasyonları, mg/l
PROJE DEBİSİ VE YÜKÜNÜN SEÇİMİ Atıksu miktar ve özellikleri değişkendir. Şehirden şehre değişir. Aynı şehirde zaman içinde değişir: Mevsimsel Günlük Saatlik Arıtma tesisi bu değişimlere, en ekonomik şekilde cevap verebilmelidir.
PROJE DEBİSİ VE YÜKÜNÜN SEÇİMİ Debi ve yük değişiminin etkisi birimden birime değişir. Çeşitli birimler için farklı debi ve yükler göz önüne alınır. Değişim, genel olarak pik faktörleri ile karakterize edilir. Büyük projelerde yerinde ölçüm yapılması faydalıdır. İstatistiki değerlendirme yapılmalıdır. Çevre faktörleri her koşulda dinamiktir. İstatistik, bu dinamik faktör veya etkileri yorumlamak için gereklidir.
BOYUTLANDIRMADA KULLANILAN TİPİK DEBİLER Debi Faktörü Uygulama alanı Saatlik pik Pompalar ve kanallar (borular), ızgara, kum tutucu, çöktürme havuzları, filtreler, klor temas havuzu Maks. günlük >1-gün maks. Maks. haftalık Maks. aylık Min. saatlik Min. günlük Min. aylık Çamur pompaları Izgara atıkları ve kum için depolama ihtiyacı Kayıt ve raporlama Kayıt ve raporlama, kimyasal madde depolama tesisi Pompaların durdurulma süresi, debi ölçerlerin en düşük ölçme aralığının tayini Giriş kanallarında katı madde çökelmesi kontrolü Düşük akım dönemlerinde devrede tutulacak birim sayısı
BOYUTLANDIRMADA KULLANILAN TİPİK DEBİLER Yük faktörü Maksimum günlük 1-gün maksimum Süreli pik Maksimum aylık Minimum günlük Uygulama Alanı Biyolojik proses üniteleri Çamur yoğunlaştırma ve susuzlaştırma sistemleri Çamur arıtma birimleri Çamur depolama tesisi Damlatmalı filtre geri devir oranı
YAYILI KAYNAKLAR
YAYILI KİRLETİCİ YÜKLERİN TAHMİNİ Arazi kullanımına göre ortaya çıkan yayılı kirlilik yükleri topraktan alıcı ortama ulaşıncaya dek çeşitli taşınım prosesleri ile azalmalara uğrayabilir. Detay çalışmalarda havza yük modellerinden yararlanarak alıcı ortama ulaşabilmesi olası yükler çeşitli senaryolarla irdelenebilir. HSPF (ABD) ve MONERIS (Avrupa) modelleri örnek olarak verilebilir. Modellerin girdi verilerinin sağlıklı elde edilmesi veya üretilmesi gereklidir. HSPF dinamik bir modeldir, veri ihtiyacı fazladır.
YAYILI KİRLETİCİ YÜKLERİN TAHMİNİ MONERIS kararlı hal modeli olup, yıllık bazda kabaca bir fikir vermektedir. Özellikle Tuna nehri gibi büyük havzalarda kullanılmaktadır. Tarımsal kirleticilerin sağlıklı saptanması ve hesaplanması gerekli bilgilerin ulaşılabilirliğine bağlıdır. Aksi takdirde seçilecek birim yükler bazında kaba tahminler yapılabilir. Veri eksikliği yayılı kirleticilerin tespitinde önemli bir dezavantajdır.
YAYILI KİRLETİCİ YÜKLERİN TAHMİNİ N ve P (besi maddesi) parametreleri bazında yıllık yük tahminleri yapılmaktadır. Arazi kullanımı dağılımı ve arazi kullanımına ait alansal veriler kullanılmaktadır. Birim kirlilik yükleri literatür bazlı aralık değerler olarak verilmektedir. Aralık değerlerin seçimindeki önemli faktörler Coğrafi Durum Topoğrafya İklim ve Meteoroloji Toprak yapısı ve özellikleri
Coğrafi Durum Topoğrafya Melen Havzası Örneği İklim ve Meteoroloji
ARAZİ KULLANIMI 2006 yılı arazi kullanımı 1987 yılı arazi kullanımı
YAYILI KİRLETİCİ YÜKLERİNİN TAHMİNİ Yayılı Kaynak Yükleri (N & P bazında kg/yıl) Tarım alanlarından kaynaklanan yükler (artık ticari gübre) Hayvancılıktan kaynaklanan yükler Orman alanlarından kaynaklanan yükler Çayır, mera ve otlak alanlarından kaynaklanan yükler Kentsel yüzeysel akış Kırsal yüzeysel akış Atmosferik birikim Katı atık depo alanları sızıntı suları Fosseptik çıkış suları
HAVZA MODELLEME VE YAYILI BESİ MADDESİ YÜKLERİNİN TAHMİNİ Orman Birim yük Hayvancılık Bireysel yük Trafik ve diğer hava kirlenmesi etkileri Birim yük Tarım Ayrıntılı hesaplar ve analizler Yerleşim alanları Birim yük Havzadan Gelen Kirletici Emisyonları Hidrolojik Taşınım ve Zemindeki Reaksiyonlar YAYILI KİRLETİCİ YÜKLERİ
Tarım Alanlarından Gelen Besi Maddesi Emisyonlarının Tahmini Ürün Özellikleri -Sulama Zamanı -Besin Alımı, vb. Alansal gübre kullanımı verileri Diğer gübre kullanımı verileri Arazi Kullanımı Diğer Zemin Özellikleri Tuzluluk, Sıcaklık, ph, vb. Uygulanan Gübre Türleri Birim dönüşümü, hesaplar İlçe Sınırları Alt Havza Sınırları Meteorolojik Veriler Kabuller ve yaklaşımlar Alansal ve ürünlere göre gübre kullanım verileri Alt havzalara ve ürünlere göre gübre kullanımı verileri Alan çakıştırma sorguları (CBS, vb.) Kabuller ve yaklaşımlar Alt havzalardan birim besi maddesi emisyonları
BİRİM YAYILI KİRLETİCİ YÜKLER Yayılı Kaynak Tipi Evsel atıksu g/kişi/gün Aralık Değerler N 2,19-4,38 P 0,37-1,46 Ortalama değerler N 3,28 P 0,92 Yayılı Kaynak Tarım Alanları Orman Alanları Çayır ve Meralar Meskûn Bölge Birim Yükler (kg/ha.yıl) (Istanbul Ömerli-Elmalı Baraj Havzası Çalışmaları) Toplam N 10 2 5 3 Toplam P 0.30 0.05 0.10 0.50 Tarım alanları kg/ha./yıl Orman alanları kg/ha./yıl Kırsal Alanlar kg/ha./yıl Yağış mg/l Hayvancılık Büyükbaş, kg/hayvan/yıl N 0,11-13,45 (*) P 0,56-3,03 (*) N 7,96 (**) P 0,11 (**) N 1,45-3,36 P 0,56-3,03 N 9,50 P,0,90 N 1,00 P,0,10 N 3,80 P 2,50 N - P - N 7,96 P 0,11 N 2,41 P 0,05 N 9,50 P,0,90 N 1,00 P,0,10 N 3,80 P 2,50 Hayvancılık Küçükbaş, kg/hayvan/yıl N 1,10 P 0,20 N 1,10 P 0,20 Kümes Hayvancılığı kg/hayvan/yıl N 0,05 P 0,02 N 0,05 P 0,02
MELEN HAVZASI ARAZİ KULLANIMI (2006 YILI) Arazi Kullanımı (ha) Düzce Merkez Akçakoca Cumayeri Çilimli Gölyaka Gümüşova Kaynaşlı Yığılca Sakarya Bolu Zongul. Toplam Tarım 17.378 968 1.825 3.379 3.715 2.638 2.772 6.433 3.351 371 16 42.823 Orman 31.442 2.687 1.810 2.348 12.436 1.553 13.732 28.315 13.392 18.016 642 126.365 Çayır, Mera, otlak 13.846 3.637 4.859 3.098 5.367 3.373 3.975 11.477 12.044 913 70 62.697 Su 139 13 14 4 102 47 71 339 13 13 0 754 Kentsel Alan Kırsal Alan 2.879 27 110 153 225 400 538 329 100 0 0 4.754 145 3 12 3 28 32 5 62 15 0 0 304 Kum 2.132 55 293 510 717 247 149 1.415 426 44 8 5.991 Toplam 67.961 7.389 8.923 9.494 22.590 8.289 21.242 48.369 29.341 19.356 735 243.689
YAYILI YÜKLERİN TAHMİNİ Tarım Alanları Ticari gübre uygulamaları Düzce Tarım İl Müdürlüğü nden elde edilmiştir. Ancak ürün türü bazında ticari gübre kullanımı verisi temin edilememiştir. Aylık satılan gübreler farklı tür ve çeşitte olduğundan, öncelikle aktif N ve P değerlerine dönüştürülmüştür. Bu dönüşümün sonucu olarak, tarım arazilerine uygulanan toplam N ve P miktarı belirlenmiştir. Farklı türlerdeki gübrelere göre aktif azot ve fosfor değerleri ilçe ve ay bazında hesaplanmıştır.
ORMAN, ÇAYIR, OTLAK VE MERA ALANLARI Orman alanları 2 kg N /ha/yıl ve 0,05 kg P /ha/yıl birim yükleri kullanılmıştır. Çayır, mera ve otlak alanları 5 kg N /ha/yıl ve 0,10 kg P /ha/yıl birim yükleri kullanılmıştır. Kentsel yüzeysel akış 3 kg N /ha/yıl ve 0,50 kg P /ha/yıl birim yükler kullanılmıştır. Kırsal yüzeysel akış 9,5 kg N /ha/yıl ve 0,90 kg P /ha/yıl birim yükler kullanılmıştır.
HAYVANCILIK (ARTIK DOĞAL GÜBRE) Hayvancılık faaliyetlerinden kaynaklanan hayvan dışkılarından tarımsal faaliyetlerde doğal gübre olarak yararlanılmaktadır. Bundan dolayı, hayvan sayılarını ve bunlara karşı gelen dışkıların kalite ve miktarlarını bilmek önemlidir. Doğal ve ticari gübrelerin çevrede davranışları ve akıbetleri neredeyse aynıdır; ikisinin de içerdiği besi maddelerinin bir kısmı su ortamına yüzeysel akış ve sızma vasıtası ile taşınmaktadır. Bundan dolayı, azotun yaklaşık %5-30 unun ve fosforun %0,5-5 inin alıcı ortama girdiği düşünülmektedir. Ticari gübrelerde olduğu gibi aynı kayıp yüzdeleri, %15 N ve %5 P, kabul edilerek, hayvan gübresi birim kayıpları tipik gübre besi maddesi oranı için hesaplanmıştır. Bu hesaplamalarda, çeşitli hayvan türlerinin ağırlıkları manda ve sığır için 500 kg, koyun için 45 kg ve tavuk için 2 kg olarak kabul edilmiş olup, hayvan yetiştiriciliğinden kaynaklanan birim kirletici yükleri buna göre hesaplanmıştır.
TRAFİK EMİSYONLARI DAHİL ATMOSFERİK BİRİKİMLERİNDEN GELEN YÜKLER Trafik emisyonları ve endüstriyel emisyonlardan, ısıtma sistemlerinden, vs. gelen hava kirletici kaynaklar. Trafik emisyonlarından gelen yükler, Cornair Program / Copert III Modeli ile bulunmuştur. 0,004 NH 4+ -N/ ha.yıl olarak bulunmuştur. Toplam trafik emisyonları miktarı 0,155 kg N/ha.yıl olarak tahmin edilmiştir. Atmosferik birikim yolu ile başlıca hava kirletici parametreler NO 3 - ve NH 4 tür. Tahmini azot yükleri ulusal ve uluslararası literatür baz alınarak hesaplanmıştır. Atmosferik birikim açısından başlıca hava kirletici parametreler NO 3 - ve NH 4 dür.
TRAFİK EMİSYONLARI DAHİL ATMOSFERİK BİRİKİMLERİNDEN GELEN YÜKLER Yıllık ortalama yağış miktarı 836 mm/m 2, (8360 m 3 /ha. yıl) kabulü ile her iki formdaki azot birim yükleri: NO 3 - -N = 2,809 kg /ha. yıl ve NH 4 -N = 7,491 kg N/ha. yıl olarak hesaplanmıştır. Böylece, atmosferik birikim yolu ile ortaya çıkacak toplam birim kirlilik yükü 10,300 kg N/ha. yıl olarak bulunmuştur. Toplam atmosferik birikim birim yükü trafik emisyonları da ilave edildikten sonra 10,455 ~ 10,5 kg N/ha. yıl olarak hesaplanmıştır. Bulunan birim yük, toplam havza alanının %5 ine uygulanacaktır. Her bir ilçe ve havzayı paylaşan diğer iller için bu oran sabit kabul edilmiştir. Görüldüğü gibi, trafik emisyonları atmosferik birikime oranla oldukça düşüktür.
KATI ATIK DEPOLAMA ALANLARI SIZINTI SULARI Düzensiz depolama tesislerinden gelecek sızıntı suyu miktarı hesaplanırken kapanma (iyileştirme) öncesinde yıllık yağış yüksekliğinin %70 i, kapanma sonrasında ise %35 ine eşdeğer sızıntı suyu oluşumu kabul edilmiştir. Sızıntı suyu toplama havuzlarında oluşan bu miktarın %50 sinin en yakın atıksu arıtma tesisine yönlendirileceği düşünülmektedir. Toplanamayan sızıntı sularının da yüzeysel ve yeraltı suyu akışıyla yayılı kaynak olarak alıcı ortama ulaşacağı varsayılmaktadır.
FOSSEPTİK ÇIKIŞ SULARI İlçelerin bazıları tam olarak kanalizasyon sistemine bağlı değildir. Bundan dolayı, buralardaki yerleşimler fosseptik kullanmaktadırlar. Fosseptik çıkış suları yayılı kirletici kaynak olarak kabul edilmektedir. Kanalizasyona bağlı olmayan kırsal nüfusun su kullanım hesabında kişi başına su tüketiminin 50 L/kişi/gün olduğu ve bunun %80 inin ise atıksu olarak çıktığı düşünülmüştür. Fosseptik çıkış sularının besi maddesi yükleri tipik konsantrasyonlar alınarak hesaplanmıştır. TKN konsantrasyonu 60 mg/l, toplam P konsantrasyonu ise 10 mg/l alınarak fosseptik çıkış suyu yükleri hesaplanmıştır.
TOPLAM KİRLİLİK YÜKLERİ
YAYILI KİRLİLİK YÜKLERİ Melen Havzası'nda Yayılı Kaynaklardan Gelen Azot Yükleri Tarım 11% 0% 1% 5% 2% 4% 43% Hayvancılık Orman Çayır, mera ve otlak Kentsel yüzeysel akış Melen Havzası'nda Yayılı Kaynaklardan Gelen Fosfor Yükleri 1% Kırsal yüzeysel akış 0% Tarım 9% Atmosferik Birikim 0% Hayvancılık 25% Katı atık depo alanları sızıntı suları Fosseptik çıkış suları 2% 5% 5% 14% 4% Orman Çayır, mera ve otlak Kentsel yüzeysel akış Kırsal yüzeysel akış Atmosferik Birikim 69% Katı atık depo alanları sızıntı suları Fosseptik çıkış suları
NOKTASAL KİRLİLİK YÜKLERİ Düzce İli Noktasal Kaynak Azot Yükleri (%) 57% 43% Evsel Endüstriyel Düzce İli Noktasal Kaynak Fosfor Yükleri (%) 47% 53% Evsel Endüstriyel
TOPLAM BESİ MADDESİ YÜKLERİ
TOPLAM BESİ MADDESİ YÜKLERİ