Haliç dip tarama çamuru ve maden atığının geotekstil tüp ile susuzlaştırılması ve geoteknik mühendisliği açısından değerlendirilmesi
Dewatering of Golden Horn dredged sludge and  mining waste using geotextile tubes and evaluation of these in terms of geotechnical engineering
Yazar: ÜMİT KARADOĞAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ BERRAK TEYMÜR
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Zemin Mekaniği ve Geoteknik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2021
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering ; İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Sanayi ve kentleşmenin artmasıyla beraber birçok sektörde yüksek su muhtevasına sahip tarama çamurları ve endüstriyel atıklar oluşmaktadır. Bu atık malzemelerin su içeriğinin azaltılarak bertaraf edilmesi ve/veya yeniden kullanılması hem ekonomik hem de çevre sağlığı açısından büyük kazanımlar sağlamaktadır. Ülkemizde ve dünyada giderek artan miktarlarda oluşan bu yüksek su içeriğindeki atık malzemelerin susuzlaştırılması birçok araştırmacının dikkatini çekmiştir. Araştırmalar özellikle geotekstil ve poliakrilamid kullanılarak yapılan susuzlaştırma yöntemi üzerine yoğunlaşmaktadır. Bu yöntemde, geotekstil katı ve sıvının ayrılması için filtre görevi görürken poliakrilamid küçük daneleri bir araya getirerek oluşan floklarının daha hızlı çökelmesini sağlamaktadır. Literatürde bu yöntem çoğunlukla uçucu küller olmak üzere aynı zamanda tarama çamurları, mandıra lagünleri ve endüstriyel atıklar için kullanılmıştır. Ülkemizde son yıllarda deniz ve nehirlerin kirliliğinin azaltılması için tarama yapılarak çamur çıkarılmaktadır. Tarama sonucu ortaya çıkan atık malzemeler bertaraf için önceden belirlenen alanlara depolanmaktadır. Aynı zamanda çoğu kez denizlerden çıkarılan tarama malzemeleri tarama alanından uzağa fakat yine denize boşaltılmaktadır. Bu şekilde yapılan bertaraf sonucunda deniz ekosistemi telafisi zor bir zarar görmektedir. Dolayısıyla bu malzemelerin su içeriklerinin azaltılması ve yeniden kullanım alanlarının belirlenmesi ülke ekonomisi ve çevre riskleri açısından büyük önem arz etmektedir. Literatüre bakıldığında poliakrilamid katkılı yapılan geotekstil tüp ile susuzlaştırma çalışmalarında tüp içerisine doldurulan çamurun çok kısa bir süre içerisinde hacminde %80'lere varan azalmalar olmuştur. Dahası geotekstilden sızan suyun tekrar kullanımının veya herhangi bir arıtma yapılmadan doğal ortama doğrudan deşarjının mümkün olduğu görünmektedir. 
Bu çalışmada, İstanbul ilinde bulunan ve doğal liman olan Haliç'ten alınan dip tarama çamuru ve İstanbul Kemerburgaz'da bulunan agrega madeninden alınan maden atığının geotekstil ve poliakrilamid kullanılarak susuzlaştırılması ve yeniden kullanılması incelenmiştir. Bu kapsamda 11 anyonik ve 2 katyonik olmak üzere toplam 13 farklı moleküler ağırlığa sahip poliakrilamid ve susuzlaştırma uygulamalarında kullanılan bir geotekstil kullanılmıştır. Her atık malzemenin flokülasyonu için malzemeye özgü bir poliakrilamid bulunmaktadır. Bu yüzden Haliç tarama çamuru ve maden atığı için uygun poliakrilamid ve optimum dozajın belirlenmesi için Jar deneyi yapılmıştır. İlk olarak iki atık malzemenin de İTÜ Geoteknik Laboratuvarlarında endeks özellikleri bulunmuştur. Burada elek, hidrometre analizi, Atterberg kıvam limitleri deneyi ve piknometre deneyi yapılmıştır. Daha sonra, zeta potansiyel ölçümleri İTÜ MEM-TEK laboratuvarında yapılmıştır. Malzemenin zeta potansiyeli topaklaşma (flokülasyon) işleminin verimini belirleyen bir parametredir. Değer sıfıra ne kadar yakın olursa flokülant yani poliakrilamid verimi o kadar yüksek olmaktadır. Zeta potansiyeli karışımların pH değerine göre değişkenlik gösterebilmektedir. Bu yüzden takip edilmesi ve malzemenin farklı pH değerlerindeki yük dağılımı davranışının ölçülmesi gerekmektedir. Çalışmada kullanılan malzemelerde yapılan ölçüm sonucunda malzemelerin doğal pH değerleri ile flokülasyona uygun oldukları tespit edilmiştir. 13 farklı poliakrilamid aynı dozajda kullanılarak Jar deneyi yapılmıştır. Jar deneyi sonunda numunelerin çökelme hızı ve bulanıklık değerleri kaydedilmiştir. Bu noktada en yüksek çökelme hızı ile en düşük bulanıklık sonucunu veren poliakrilamid seçilmiştir. Seçilen poliakrilamidin optimum dozajının belirlenmesi için ise farklı dozajlarda Jar deneyi tekrarlanmıştır. Yapılan deney sonunda en iyi sonuçları veren poliakrilamid dozajı optimum dozaj olmaktadır. Deney sonunda görünmüştür ki, optimum dozajın üstünde poliakrilamid eklenerek yapılan Jar deneyi sonunda oluşan sıvı kısmın bulanıklık değerinde artış meydana gelmiştir. Poliakrilamid eklendiğinde küçük daneler bir araya gelerek daha büyük fiziksel yapı olan flokları oluşturmaktadır. Flok oluşumunun değişimini görmek için partikül boyut dağılımı analizleri yapılmıştır. 
Her iki atık malzeme için yapılan ölçümlerle görünmüştür ki, poliakrilamid eklendiğinde başlangıçtan optimum dozaja kadar partikül boyutları büyümekte ve topak yapı oluşmaktayken optimum dozajın üstüne çıkıldığında flokülasyon verimi azalmaktadır. Yüksek konsantrasyonlarda yapılan dozlamadan sonra sıvı kısmın bulanıklık değerinin artması da bu sonucu destekler niteliktedir. Seçilen poliakrilamid ve geotekstil malzemenin birlikte çalışma uygunluğunun araştırılması için laboratuvar ölçekte Hızlı Susuzlaştırma Testi (Rapid Dewatering Test, RDT) yapılmıştır. Hali hazırda kullanılan deney seti tez çalışması için mahsus modifiye edilmiştir. Modifiye deney seti bilgisayar yardımıyla düzenli veri alabilecek hale getirilmiş ve böylelikle anlık geotekstilden sızan su miktarı kaydedilmiştir. Aynı zamanda geotekstil malzeme üzerinde oluşan filtre kekinin su muhtevası da ölçülmüştür. Bu veriler ışığında poliakrilamid katkısı yapılarak geotekstil ile susuzlaştırma işleminin performansı incelenmiş ve optimum dozaj belirlenmiştir. Daha sonra üç boyutlu susuzlaştırma deneyi olan yastık tipi geotekstil bohça kullanılarak %10 katı oranında hazırlanan karışımlarda poliakrilamid katkılı ve katkısız olarak hazırlanan karışımlarla Geotekstil Tüp Susuzlaştırma Testi (Geotextile tube Dewatering Test, GDT) yapılmıştır. Geotekstil tüp susuzlaştırma deneyi (GDT) olarak adlandırılan bu deney, saha uygulamalarında kullanılan sistemin düşük hacimli bir modelidir. Poliakrilamid katkılı ve katkısız GDT sonrası oluşan sıvı faz ve filtre kekin bünyesindeki poliakrilamid kalıntısı olup olmadığını analiz etmek amacıyla Fourier-Dönüşüm İnfrared Spektrumu (FTIR) taranmıştır. Daha sonra susuzlaştırma işlemi sonunda geotekstil tüpten sızan sızıntı suyunun çevresel etkisinin incelenmesi için sızıntı suyunun su kalitesi parametreleri analiz edilmiştir. Bunun için, iyon analizlerinde ise Dionex ICS-3000 İyon Kromatografi cihazı, ağır metal ve diğer elementel analizde Perkin Elmer ICP-OES cihazı kullanılmıştır. Analizler doğrultusunda, çıkan suyun kalitesi hem ulusal hem de uluslararası içme suyu standartlarıyla karşılaştırılmıştır. Böylece doğal ortama deşarj edilecek suyun yeraltı suyuna sızma riski taşıması halinde ortaya çıkacak sonuç değerlendirilmiştir. Katkılı ve katkısız yapılan GDT sonunda tüp içerisinde oluşan filtre kekin Taramalı Elektron Mikroskobunda (SEM) farklı büyüklüklerde görüntüsü alınmış ve detaylı elementel analizleri yapılmıştır. 
GDT sonrası geotekstil tüp içerisinde oluşan filtre kekin mühendislik parametrelerini tespit edebilmek için Haliç dip tarama çamurunda üç eksenli basınç deneyi (UU) yapılmışken, maden atığının granüler olmasından dolayı kesme kutusu deneyi yapılmıştır. Haliç dip tarama çamuru için farklı basınç yüklemeleri altında konsolidasyonu ve permeabilite katsayısının araştırılması için permeabilite ölçümünün de yapılabileceği konsolidasyon aleti kullanılmıştır. Maden atığında yapılan GDT deneyinde iki tüplü farklı bir seçenek çalışılmış ve bu kısımda poliakrilamid kullanılmadan ilk dolumun yapılması ve daha sonra ikinci dolumda poliakrilamid eklenmesinin daha etkili ve ekonomik olduğu anlaşılmıştır. Bu sayede ilk dolumda tüp içerisinde poliakrilamidin olmadığı ham malzeme elde edilmiştir. Bu malzemenin karayolunda dolgu malzemesi uygunluğunun araştırılması için Standart Proktor deneyi ve yaş CBR deneyi yapılmıştır. 
Yapılan çalışmada, Haliç dip tarama çamuru ve maden atığı için geotekstil tüp ve poliakrilamid kullanılarak susuzlaştırma işleminin ekonomik ve etkili bir yöntem olduğu ortaya konmuştur. Her iki malzeme içinde yapılan filtre deneylerinde elde edilen sonuçların hem Jar deneyi hem de geotekstil tüp susuzlaştırma deneyi sonuçlarıyla ile benzerlik gösterdiği anlaşılmıştır. Haliç dip tarama çamurunun poliakrilamid kullanılmadan yapılan susuzlaştırma işleminde katı oranı %12 iken uygun poliakrilamid kullanılmasıyla katı oranı %54'e yükselmiştir. Filtrasyon verimliliğinin ise %49'dan %90.5'e kadar yükseldiği görülmüştür. Yapılan mühendislik deneyleri ile susuzlaştırma işlemi sonrası oluşan filtre kekinin mühendislik parametreleri belirlenmiştir. Tüp dışına sızan suyun kimyasal analizi yapılmış ve sızıntı suyu içerisindeki ağır metallerin miktarlarında azalma olduğu bulunmuştur. Böylelikle sızıntı suyunun deniz suyu kriterlerini sağladığı belirlenmiştir. Haliç dip tarama çamurunun geoteknik mühendisliği uygulamalarında kullanılabileceği anlaşılmıştır. Aynı şekilde maden atığı için yapılan deneylerde 1.tip susuzlaştırma işlemi yerine 2. tip susuzlaştırma işleminin yapılmasının daha ekonomik ve verimli olduğu anlaşılmıştır. 1.tip geotekstil tüp dolumuna göre geotekstil tüp miktarında yaklaşık %40 oranında tasarruf sağlanırken poliakrilamid kullanımında ise %93 oranında tasarruf sağlanmıştır. 2. tip susuzlaştırma deneyinde poliakrilamid kullanılmadan yapılan susuzlaştırma deneyinde oluşan ham malzeme üzerinde mühendislik parametrelerini belirlemek için deneyler yapılmıştır. Deney sonuçları Karayolları Teknik şartnamesi ile karşılaştırıldığında malzemenin karayollarında dolgu malzemesi olarak kullanılabileceği anlaşılmıştır.  Poliakrilamid katkısız ve katkılı yapılan geotekstil susuzlaştırma deneyleri sonucunda oluşan filtre keklerinin kayma mukavemet açılarının değerleri sırasıyla 34 ve 36  olarak bulunmuştur.

Abstract:
Waste materials with high water content are formed in many sectors with the increase of industrialization and urbanization. The disposal and/or reuse of these waste materials by reducing the water content provides great benefits in terms of both financal benefits and environmental health. The dewatering of these high water content waste materials increasing in our country and the world has attracted the attention of many researchers. The researches especially focus on the dewatering method using geotextiles and polyacrylamide. In this method, geotextile acts as a filter for separating solid and liquid, while polyacrylamide brings small grains together and allows them to precipitate faster. In the literature, this method has been used mostly for fly ash, but also for dredged sludges, dairy lagoons and industrial waste. In our country, sludge is removed by dredging to reduce sea and river pollution in recent years. The waste materials generated as a result of dredging are stored in predetermined areas for disposal. Simultaneously, dredged materials extracted from the seas are often disposed away from the dredged area, but still into the sea. As a result of this type of disposal, the marine ecosystem is damaged in a way which is difficult to reverse. Therefore, reducing the water content of these materials and determining the reuse areas are of great importance in terms of the country's economy and environmental risks. Reviewing the literature, the volume of the sludge filled into the tube has decreased up to 80% in a very short time in dewatering studies with geotextile tube made with polyacrylamide additives. Moreover, it seems possible that the water leaking from the geotextile can be reused or directly disposed into the natural environment without any purification.
In this study, the dewatering and reuse of the dredged sludge of Golden Horn,  a natural harbor located in Istanbul, and mine waste taken from the aggregate mine in Kemerburgaz, Istanbul, by using geotextiles and polyacrylamide were investigated. As geotextiles have a large number of uses in different fields, their physical and mechanical properties differ depending on their purpose and use. While the hydraulic permittivity is important for geotextiles fabricated in tube form for dewatering applications, tensile strength is also an important attribute and must be adequate, especially when the tube is full or is subjected to additional loading. Within this framework, 11 anionic and 2 cationic polyacrylamide with different molecular weights  and a geotextile used in dewatering applications were used. There is a material specific polyacrylamide for the flocculation of each waste material. Thus, the Jar test was performed to determine the appropriate polyacrylamide and optimum dosage for Golden Horn dredged sludge and mine waste. Firstly, the index properties of both waste materials were determined in the ITÜ Geotechnical Laboratories. Sieve, hydrometer analysis, Atterberg consistency limit test and pycnometer test were performed. Then, the zeta potential measurements were made at the İTÜ MEM-TEK Laboratory. The zeta potential of the material is a parameter that determines the efficiency of the flocculation process. The closer the value is to zero, the higher the flocculant, in other words, polyacrylamide yield is highner. The zeta potential may vary according to the pH value. Therefore, it is necessary to monitor and measure the load distribution behavior of the material at different pH values. As a result of the measurements made on the materials used in this research, it was determined that the materials are suitable for flocculation with their natural pH values. The Jar test, enabling simultaneous analyses in 6 separate beakers, was used during flocculation tests, in which the rotational speed and duration of mixing could be adjusted, was performed by using 13 different polyacrylamides at the same dose. At the end of the Jar test, the precipitation rate and turbidity values of the samples were recorded. At this point, the polyacrylamide that gave the highest precipitation rate and the lowest turbidity result was chosen. The Jar test was repeated at different dosages to determine the optimum dosage of the selected polyacrylamide. As a result, it was observed that the turbidity value increased when the optimum dosage was exceeded. When polyacrylamide is added, small grains come together to form flocs, which are larger physical structures. Particle size distribution analyzes were carried out to see the change in floc formation.
It is understood from the measurements made for each waste material that when polyacrylamide is added, the particle sizes grow from the beginning until the optimum dosage is reached grow during the formation of flocs, flocculation efficiency decreases when the optimum dosage is exceeded. The increase in the turbidity value in the upper phase after dosing at high concentrations also supports this result. The Rapid Dewatering Test (RDT) was performed at laboratory scale to investigate the compatibility of the selected polyacrylamide and geotextile materials. The tests were conducted on unconditioned and conditioned 500 ml suspensions of mine tailings with 10% solid content. Conditioning with the most effective PAM was studied at dosages of 10, 20, 30, 40 and 50ppm.  The experiment set currently used has been modified for this research. The modified experiment set was made to receive regular data with the help of a computer and so the amount of water leaking from the geotextile was instantaneously recorded. Also, the water content of the press cake formed on the geotextile was measured. In the light of these data, the performance of the dewatering process with geotextile was examined by adding polyacrylamide and the optimum dosage was determined. Geotextile tubes perform dewatering by acting as a filter for the material they are filled with. The Geotextile Dewatering Test (GDT) is a model of the system used in field applications. In this study the 3-dimensional dewatering behavior of polymer-free and conditioned suspensions containing 10% solid mineral waste was modeled by GDT. Pillow-shaped geotextile bags (53 cm x 53 cm) were filled with polymer-free suspensions and with suspensions conditioned by the most efficient PAM used at the optimum dosage. The geotextile pillow bag, which is closed with stitches on all four sides, has a capacity of approximately 28,000 cm3, added through an opening left on one side, and allows its filling material to dewater. The GDT setup, consisting of a geotextile pillow connected to a filling pipe on the pedestal and placed in a large container for leachate. After the filling process, the volume of effluent accumulating inside the container was measured at regular time intervals. Fourier-Transform Infrared Spectrum (FTIR) was used to analyze the supernatant phase and the presence of polyacrylamide residue in the press cake after GDT with and without additives. Furthermore, the water quality parameters of the leachate were analyzed. For determine these, Dionex ICS-3000 Ion Chromatography device was used for ion determination and the Perkin Elmer ICP-OES device was used for heavy metal and other elemental analyses. In line with the analyses, the effluent quality has been compared with both national and international drinking water standards. Thus, the result will be used to assess the case, when the water to be disposed into the natural environment has the risk of leaking into groundwater was evaluated. The press cake formed in the tube at the end of GDT, which was made with and without additives, was imaged in different sizes by Scanning Electron Microscope (SEM) and its detailed elemental analyses was performed.
In order to determine the engineering parameters of the press cake formed in the geotextile tube after GDT, a triaxial stress test (UU) was performed on the Golden Horn deep dredged sludge, while a direct shear test was carried out due to the granular nature of the mine waste. For the investigation of the consolidation and permeability coefficient of the Golden Horn deep dredged sludge under different pressure loads, a consolidation instrument that can also measure the permeability was used. In the GDT experiment conducted on the mine waste, a different option with two tubes was studied and it was found that it was more effective and economical to make the first filling without using polyacrylamide in this part and then adding polyacrylamide in the second filling. In this way, the raw material without polyacrylamide was obtained in the tube in the first filling. The Standard Proctor test, and wet CBR test were carried out to investigate the suitability of this material as fill meterial for highways.
In this research, it has been shown that dewatering process can be applied successfully by using geotextile and polyacrylamide for the Golden Horn dredged sludge and mine waste. Flocculation experiments showed that anionic polyacrylamides were more effective than cationic polyacrylamides for both materials. In the experiments made with Golden Horn dredged material with the application of 30ppm dosage of AA4 polyacrylamide, the turbidity value decreased to 121 NTU (99.7% yield). At dosages above the optimum dosage, turbidity value is increased. It was observed that the 10% solid rate at the beginning of the experiment increased up to 54% times the rate with the dewatering of the Golden Horn dredged material. It was determined that the quality of water leaking out of the tube improved compared to the initial situation and met the sea water criteria. Likewise, in the experiments made for mine waste, it was understood that dewatering by filling double geotextile tubes was more economical and effective. Two scenarios were evaluated for dewatering mine tailings in aggregate quarries using geotextile tubes. The first scenario involves dewatering the mine tailings after PAM-conditioning in a geotextile tube, which reduces turbidity. The second scenario involves the use of two geotextile tubes, and accelerates the dewatering process and optimizes the efficiency of the geotextile in use. Similar levels of ISC and turbidity were maintained for the discharged effluent. Moreover, the second option offered a 93% decrease in chemical PAM dependency and 40% more efficient use of geotextile tubes in terms of the dry weight of filled waste material. Consequently, the second option is proposed to provide economic and environmental benefits. The final leachate generated by the use of geotextile tubes in dewatering applications for mine tailings after PAM-conditioning was found to meet national and international standards for potable water. In this regard, discharging the waste water to the surrounding area will not cause environmental issues, and recycling it for use in mining activities will be an appropriate economic action. Additionally, it was found appropriate to use the raw material obtained in the first filling without adding polyacrylamide, as fill material for highways. The shear strength angles of the filter cakes formed as a result of the geotextile dewatering tests with and without polyacrylamide were found as 34 and 36, respectively.