İleri biyolojik atıksu arıtma tesisi kaynaklı mikroplastiklerin Marmara Denizi'ne ulaşım potansiyelinin değerlendirilmesi
Evaluation of the potential of microplastics from advanced biological wastewater treatment plants to Marmara Sea
Yazar: HANİFE HAZAL TÜRK
Danışman: DOÇ. DR. HANİFE SARI ERKAN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Atık su arıtma sistemleri = Waste water treatment systems ; Mikroparçacıklar = Microparticles

Özet:
Kentsel Atıksu Arıtma Tesisleri (AAT'ler), mikroplastik (MP) giderimi için tasarlanmamış olmalarına ragmen, nispeten yüksek MP giderimi sağlamaktadır. Ancak buna rağmen, AAT'ler denizlere ve su kaynaklarına ulaşan MP'lerin başlıca kaynaklarıdır. Bu tez çalışmasında, Kocaeli iline hizmet veren ve arıtılmış atıksuları Marmara Denizine deşarj edilen Gebze AAT'nin çeşitli arıtma proseslerinde atıksu ve çamur numunelerinde bulunan MP'lerin özelliklerinin ve miktarlarının detaylı bir araştırması yapılmıştır. Bu kapsamda, giriş atıksuyu, kum tutucu çıkışı, havalandırma havuzu ve son çöktürme tankı çıkış sularından atıksu numuneleri alınmıştır. Ayrıca, AAT'lerde atık çamurun MP gideriminde önemli bir rezervuar olduğu göz önünde bulundurularak, çamur yoğunlaştırma tankından da MP örneklemesi yapılmıştır. 
Atıksu ve çamur örneklerinden MP izolasyonları yapuldıktan sonra her bir örnekleme noktasında stereo-mikroskopta partiküllerin miktar, şekil, boyut ve renk dağılımları tespit edilmiştir. Tespit edilen MP'lerin kimyasal karakterizasyonlarının belirlenmesi için ise seçilen alt örneklerde mikro-Raman analizleri gerçekleştirilmiştir. Mikroskopta tespit edilen MP miktarları daha yüksek bulunmuş olmasına rağmen, mikro-Raman analizleriyle doğrulanan MP oranlarına göre (analiz edilen tüm partikülleri %45.4'ü MP olarak tespit edilmiştir) her bir ünitedeki MP konsantrasyonları yeniden hesaplanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, giriş atıksuyunda 70,1±28,6 MP/L'lik ortalama MP konsantrasyonu gözlemlenmiştir. İnce ızgara ve kum tutucu ünitelerinden geçtikten sonra MP konsantrasyonunun önemli ölçüde azaldığı ve 19,7±3,6 MP/L değerine düştüğü gözlemlenmiştir. Bu bulgu, Gebze AAT'de ön arıtma üniteleri ile %71,8'lik yüksek bir giderim veriminin elde edildiğini göstermektedir. İkincil arıtma çıkışında atıksuyun 7,1±1,7 MP/L içerdiği tespit edilmiş olup, tesis boyunca MP giderim veriminin %89,9 ila %91,0 arasında olduğu belirlenmiştir. 
Alınan numunelerde atıksu ve çamur numuneleri partikül boyutlarına göre <100 µm, 100 – 200 µm, 200 – 300 µm, 300 – 400 µm, 400 – 500 µm, 500 – 1000 µm ve >1000 µm olmak üzere altı grupta incelenmiştir ve bu boyutlar her bir ünitede değişkenlik göstermiştir. Atıksu örneklerinde daha çok 500-1000 µm ve >1000 µm boyutundaki partiküller baskın olmakla birlikte, havalandırma havuzu ve çamur yoğunlaştırma tankında <300 µm boyutlu partiküllerin baskın olduğu tespit edilmiştir. Atıksuda bulunan MP'lerin şekil dağılımına bakıldığında ağırlıklı olarak fibrelerin baskın olduğu, ardından fragmentlerin geldiği gözlemlenmiştir. Birinci arıtmada fibreler (%71,8) etkili bir şekilde uzaklaştırılmış, ikincil arıtmada ise fragmentler (%81,1) yüksek miktarda uzaklaştırılmıştır.
Havalandırma havuzu ve çamur yoğunlaştırma tankından alınan çamur numunelerinin analizlerine bakıldığında, MP'ler giriş suyuna kıyasla sırasıyla 14,3 ve 25 kat artışla daha yüksek konsantrasyonlarda tespit edilmiştir ve bu durum çamurda MP birikimini göstermektedir. AAT boyunca atık çamur MP'ler için önemli bir rezervuar olmasına ragmen, ATT çıkışında hala fibre türü MP'lerin 
bolluğu dikkat çekmiştir.
Tespit edilen MP'lerin kimyasal karakterizasyonları için yapılan mikro-Raman analizleri sonuçlarına bakıldığında, %11 oranında polietilen (PE), %7 oranında düşük yoğunluklu PE, %2 oranında yüksek yoğunluklu PE türü MP'ler tespit edilmiştir. Ayarıca %7 polipropilen (PP), %7 PE-co-vinil asetat, %5 PE(vinil oktadesil karbamat), %2 oranlarında PE-co-1-butan, polyester ve polivinil behenate tespit edilmiştir. Analiz edilen partiküllerin %23'ünün mineral, %18'inin organik madde, %9'unun silica/kuartz ve ayrıca %5'inin boya pigmenti (red earth) olduğu tespit edilmiştir. 
Elde edilen bulgulara göre Gebze AAT'de yüksek MP giderim verimleri elde edilmesine rağmen, arıtılmış atıksuların deşarjı yoluyla tahmini olarak günlük 1022,4×106 ± 244,8×106 MP'nin Marmara Denizi'ne ulaştığı belirlenmiştir. MP'lerin deniz organizmaları üzerindeki potansiyel etkisi dikkate alınarak, bu sorunu azaltmak için AAT'lere MP giderim potansiyeli yüksek olan üçüncül arıtma 
proseslerinin eklenmesi gibi çeşitli önlemlerin alınması gerektiği bu tez kapsamında ortaya konulmuştur.

Abstract:
Urban wastewater treatment plants (WWTPs) provide relatively high levels of MP removal, although they are not designed to remove microplastics (MPs). Nevertheless, WWTPs are the main source of MPs entering the oceans and water bodies. In this work, a detailed investigation of the characteristics and quantities of MPs in wastewater and sludge samples from different treatment processes of the 
Gebze Wastewater Treatment Plant, which serves the province of Kocaeli and discharges treated wastewater into the Marmara Sea, was carried out. Wastewater samples were collected from the influent, grit trap effluent, aeration tank and final clarifier effluent. As sludge is an important reservoir for MP removal in WWTPs, MP samples were also collected from the sludge thickening tank.
After isolation of MPs from wastewater and sludge samples, their quantity, shape, size and colour distribution at each sampling point were determined under a stereomicroscope. Micro-Raman analyses were performed on selected subsamples to determine the chemical characterisation of the detected MPs. Although the amount of MPs detected under the microscope was higher, the MP concentrations in each unit were recalculated according to the MP ratios confirmed by microRaman analysis (45.4% of all particles analysed were MPs). According to the results obtained, an average MP concentration of 70.1±28.6 MP/L was observed in the influent wastewater. After passing through the fine screen and grit trap units, the MP concentration decreased significantly to 19.7±3.6 MP/L. This result indicates that a high removal efficiency of 71.8% was achieved with the pretreatment units at Gebze WWTP. In the secondary treatment effluent, the MP concentration was found to be 7.1±1.7 MP/L and the MP removal efficiency was found to be between 89.9% and 91.0% throughout the plant.
In the samples collected, the effluent and sludge samples were analysed in six groups according to particle size as <100 µm, 100 - 200 µm, 200 - 300 µm, 300 - 400 µm, 400 - 500 µm, 500 - 1000 µm and >1000 µm and these sizes varied in each unit. In the effluent samples, 500-1000 µm and >1000 µm particles predominated, whereas in the aeration tank and sludge thickening tank, <300 µm particles 
predominated. An analysis of the shape distribution of MPs in the effluent showed that fibres predominated, followed by fragments. Fibres (71.8%) were effectively removed in the primary reatment and fragments (81.1%) in the secondary treatment.
Analyses of sludge samples from the aeration tank and sludge thickening tank showed that MPs were detected at higher concentrations compared to the influent water, with 14.3 and 25 times higher concentrations, respectively, indicating MP accumulation in the sludge. Although the sludge is an important reservoir for MPs throughout the WWTP, the abundance of fibre-type MPs was still detected in the WWTP effluent.
Examining the results of micro-Raman analysis for chemical characterisation of MPs, 11% polyethylene (PE), 7% low density PE, 2% high density PE type MPs were detected. In addition, 7% polypropylene (PP), 7% PE-co-vinyl acetate, 5% PE (vinyl octadecyl carbamate), 2% PE-co-1-butane, polyester and polyvinyl behenate were detected. It was found that 23% of the particles analysed were mineral, 18% 
organic, 9% silica/quartz and 5% pigment (red earth). 
According to the results, although high MP removal efficiencies were achieved in the Gebze WWTP, it was found that an estimated 1022.4×106 ± 244.8×106 MPs entered the Marmara Sea daily through the discharge of treated wastewater. Considering the potential impact of MPs on marine organisms, this thesis has shown that various measures should be taken to reduce this problem, such as the addition 
of tertiary treatment processes with high MP removal potential to wastewater treatment plants.