Kirlenmiş sediman tabakasının çevresel kirliliğinin izlenme, remediasyon ve arıtım yöntemlerinin araştırılması
Investigation of monitoring, remediation and treatment methods of contaminated sediment layer
Yazar: SEMA ARIMAN
Danışman: PROF. DR. GÜLFEM BAKAN
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Ağır metaller = Heavy metals

Özet:
Sedimanlar ağır metaller için hem taşıyıcı hem de sucul çevrelerde potansiyel kaynak oluşturmaktadır. Ağır metaller, sucul organizmalara önemli toksik etki yapmakta ve daha sonra besin zincirinden geçerek insan sağlığını da etkilemektedir. Bu nedenle, oluşabilecek çevresel riskleri önlemek için, sedimanlarda ağır metallerin; kirlilik seviyeleri, dağılım mekanizmaları ve transformasyonlarının belirlenerek, çeşitli kirlenmiş sedimanlarda iyileştirme ve/veya arıtım çalışmaları yapılarak yöntemlerin geliştirilmesine ihtiyaç duyulmaktadır.Bu amaçla yürütülen çalışma kapsamında Yeşilırmak, Kızılırmak, Mert ırmağı, Abdal ırmağı ve Kurupelit mevki deniz sediman tabakasında çevresel kirliliğinin öncelikle izlenmesi için sedimanının fizikokimyasal karakteristikleri ve mineralojik analizleri yapılarak toplam metal kirlilik seviyeleri de belirlenmeye çalışılmıştır. Yeşilırmak ve Kurupelit deniz sedimanlarında mevsimsel olarak Toplam Karbon (TK) (9714-17698 mg/kg), Toplam İnorganik Karbon (TİK) (6888-15355 mg/kg) ve Toplam Organik Karbon (TOK) (2340-2812 mg/kg) seviyeleri düşük, Mert ırmağı sedimanlarında ise TK (57907 mg/kg), TİK (39564 mg/kg) ve TOK (19823 mg/kg) seviyeleri yüksek olarak bulunmuştur. Yeşilırmak, Kızılırmak, Mert ırmağı, Abdal ırmağı ve Kurupelit mevki deniz sediman örneklerinde mevsimsel olarak ağır metal kirlilik seviyesini belirleme ve oluşabilecek etkileri değerlendirilme çalışmaları da yapılmıştır. Ağır metalle kirlenmiş beş örnekleme istasyonunda yapılan toplam ağır metal miktarları, Abdal ırmağı referans örneği ve yerkabuğu referans değerlerine göre kıyaslanarak, Yeşilırmak>Kızılırmak>Kurupelit>Abdal ırmağı>Mert ırmağı olarak bulunmuştur.Elde edilen ağır metal analiz sonuçları ile Sediman Kalite Kriter Değerleri (SQC), Sediman Zenginleştirme Faktörleri (SEF ve Igeo), Hedef Değerleri ve Ekolojik Risk İndeksleri hesaplanarak sediman kalite izleme ve değerlendirme çalışmaları da yürütülmüştür. Orta Karadeniz kıyı şeridi deniz ve ırmak sedimanları, zenginleştirme faktörlerine göre; Kurupelit> Mert >Yeşilırmak> Abdal> Kızılırmak sedimanları nispeten önemli derecede ?kirlenmiş? (SEF 20-40) olarak bulunmuştur. Diğer örnekleme istasyonlarına göre, özellikle Kurupelit deniz sedimanı, SEF faktörüne göre Cr, Cd, Ni ve Zn metalleri açısından, ?ağır kirlenmiş? sediman olarak bulunmuştur. Jeoakümülasyon indeksine göre ise bu örnekleme noktalarında Cd metali miktarlarına göre ?ağır kirlenmiş (3-4 Igeo)?, Ni, Zn ve Cr'a göre ?ağır kirlilikte orta kirlenmiş (1-3 Igeo)?, Cu seviyelerine göre ise ?orta kirlenmiş (1-2 Igeo)? olarak bulunmuştur.Sediman kalite talimatlarına (PEC ve TEC) göre,Yeşilırmak, Abdal, Mert, Kızılırmak ve Kurupelit deniz sedimanlarında, ortalama toplam metal konsantrasyonları, temiz referans sediman örneği ve yerkabuğundaki referans değerleri ile karşılaştırarak, kirlenmiş sedimanlardaki ağır metallerin potansiyel ekolojik etkileri ve çevresel risklerinin belirlenmesi ve değerlendirilmesi çalışmaları yürütülmüştür. Bunlara göre, Yeşilırmak, Abdal, Mert, Kızılırmak ve Kurupelit deniz sediman örneklerinin tümünde ortalama toplam metal konsantrasyonları yüksek seviyelerde olup, toksik etki yaratmaları nedeniyle bu alanlar muhtemelen çevresel açıdan risk taşımaktadır.Bu çalışmanın ana amacında, ağır metal kirliliğinin giderilmesi (Cu, Pb, Cd, Fe, Al, Cr, Cu, Zn, Mn, Sr) için kesikli olarak ardışık ekstraksiyon, potansiyel özütleme ve katı yıkama yöntemleri kullanılarak farklı iyileştirme ve/veya arıtım alternatifleri araştırmıştır.Ardışık ekstraksiyon metoduyla belirlenen değişebilir faz (F1), karbonat fazı (F2), Fe-Mn fazı (F3), karbonat fazı (F4) ve kalıntı fazında (F5), metallerin hareketliliğine bağlı olarak, toplam içeriğine göre sedimandan ağır metallerin giderimi: Kalıntı> Fe-Mn oksidasyon> organik> karbonat>değişebilir fazlar olduğu belirlenmiştir. Al, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Zn, Mn ve Sr metallerinin herbirinin, toplam metal içeriğine göre, %83-127 Kızılırmak, %92-123 Mert ırmağı, % 83-112 Kurupelit deniz mevki, %84-106 Yeşilırmak ve %91-105 Abdal ırmağı sedimanlarından ağır metal giderimi sağlanmıştırPotansiyel Özütleme Yönteminde ise metallerin hareketliliğine bağlı olarak, toplam içeriğine göre sediman tabakasından ağır metallerin giderimleri; Cu>Ni>Cd>Cr>Zn>Mn>Sr>Al>Fe sırasında olduğu belirlenmiştir.Kirlenmiş sedimanlardan ağır metallerin giderilmesi, katı yıkama/ekstraksiyon yöntemi laboratuarda kesikli ve sürekli sistemde kolon çalışması uygulanarak (0.1M Na2S2O5 ve 0.01 M Na2EDTA karışımı) ağır metal giderim çalışmaları yapılmıştır. Kesikli sistemde katı yıkama/ekstraksiyon yöntemi uygulanarak, ağır metallerin giderim oranları, toplam metal içeriğine ve Na2EDTA ile kompleks oluşturma etkisine göre :Cu> Ni> Zn>Pb >Mn >Fe >Al olarak, sürekli sistemde ise, Mn >Cu> Ni> Zn>Fe >Al olarak bulunmuştur.Sonuç olarak, kirlenmiş sedimanlardan ağır metal kirliliğinin iyileştirilmesi ve/veya giderilmesi için metallerin hareketlililiği ve sedimanın mineralojik yapısına bağlı olarak, toplam metal içeriğine göre, %95-110 oranında ardışık ekstraksiyon yöntemi ile %1-81 potansiyel özütleme yöntemi ve %1-43 katı yıkama/ekstraksiyon yöntemi ile ağır metal giderimi sağlanmıştır.Bu çalışmada, Temel Bileşen Analizi (PCA) ve Hiyerarşik Gruplandırma Analizi (CA) araştırılan kirletici kaynakları (Al, Fe, Cu, Cr, Cd, Zn, Ni, Pb, Mn ve Sr metalleri) için ve/veya örneklerin değişkenler arasındaki gizli ilişkilerini açıklamak için kullanılmıştır. PCA ve CA analizleri ile yapılarak, sedimanın fizikokimyasal parametreleri ve ağır metal konsantrasyonları arasında çift korelasyon analizi gerçekleştirilerek, ağır metallerin farklı kaynakları belirlenmeye çalışılmıştır. Bütün metaller arasında nispeten pozitif ilişki (Al hariç) vardır ve bu metallerin bazısı %95 ve/veya daha yüksek güven aralığında önemlidir. Bu çalışmada ağır metaller, bazı alt gruplara ayrılarak, 3 ana kaynağa ayrılmıştır. Alüminyum, yerkabuğunun doğal bileşeninde, Pb, Zn ve Cr endüstriyel kaynaklı, Ni, Cu ve Cd metalleri ise evsel endüstriyel kaynaklı olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Sediments develop both potential source in aquatic environment and carrier for heavy metals. Heavy metals develop significant toxic effect to aquatic organisms; thereby influencing human health through food chain. For this reason, remediation and or/ treatment studies are required to determine the extent of contamination, spreading mechanisms and transformations of heavy metals in contaminated sediments to prevent environmental risk factors that may occur.In this study, physicochemical and minerological analysis of the samples, collected from Yeşilırmak, Kızılırmak, Mert, Abdal Rivers and Kurupelit sea regions, were carried out to determine the extent of the total metal contamination in sediment layer. Seasonal results showed that Total Carbon (TC) (9714-17698 mg/kg), Total Inorganic Carbon (TIC) (6888-15355 mg/kg) and Total Organic Carbon (TOC) (2340-2812 mg/kg) concentrations were low in Yeşilırmak River and Kurupelit sea region while TC (57907 mg/kg), TIC (39564 mg/kg) and TOC (19823 mg/kg) concentrations were high in Mert Stream. Seasonal studies were also conducted to determine the extent of heavy metal contamination in the samples collected from the Yeşilırmak, Kızılırmak, Mert, Abdal Rivers and Kurupelit sea regions. Findings obtained from 5 stations which were contaminated with heavy metals were compared with the baseline earth crust rock and enrichment factors in Abdal region. The extent of heavy metal contamination was as follow; Yeşilırmak> Kızılırmak> Kurupelit> Abdal> Mert.Sediment quality monitoring and assessment studies carried out using results obtained from heavy metal analysis by calculation of Sediment Quality Criteria Values (SQC), Sediment Enrichment Factors (SEF and Igeo), Target Values and Ecological Risk Indexes. Depending on the sediment enrichment factor used for sediments of sea and rivers in mid-Black Sea coast; Kurupelit>Mert>Yeşilırmak>Abdal> Kızılırmak sediments were found quite polluted (SEF 20-40). Compared to other sampling stations, Kurupelit sea sediment, especialy, was found heavily polluted by Cr, Cd, Ni and Zn metals according to SEF factor.According to the geoaccumulation index, sampling points can be classified as heavily polluted (3-4 Igeo) for Cd, heavily-moderately polluted (1-3 Igeo) for Ni, Zn and Cr, and moderately polluted (1-2 Igeo) for Cu.According to the sediment quality guideline (PEC and TEC), determination and assessment studies for potantial ecological effects and environmental risks of heavy metals in contaminated sediments were carried out by comparing the average total metal concentrations obtained in Yeşilırmak, Abdal, Mert, Kızılırmak and Kurupelit sea sediments with unpolluted reference sediment sample and earth crust reference values. These results show that Yeşilırmak, Abdal, Mert, Kızılırmak ve Kurupelit sea regions can be accepted as environmentaly risky areas because of the higher average total metal concentrations obtained from these regions.In the main goal of this study, different remediation and/or treatment alternatives were investigated for batch methods of sequential extraction, potential leaching and soil washing/extraction methods to remove heavy metals (Cu, Pb, Cd, Fe, Al, Cr, Cu, Zn, Mn, Sr)Seasonal studies were also conducted to determine the extent of heavy metal contamination in the samples collected from the Yeşilırmak, Kızılırmak, Mert, Abdal Rivers and Kurupelit sea regions. Findings obtained from 5 stations which were contaminated with heavy metals were compared with the baseline earth crust rock findings and enrichment factors in Abdal region. The extent of heavy metal contamination was as follows; Yeşilırmak>Kızılırmak>Kurupelit>Abdal>Mert.In exchangeable phase (F1), carbonate phase (F2), Fe-Mn oxidation phase (F3), organic phase (F4) and residue phase (F5) which were determined via sequential extraction method , depending on the metals mobility, the removal of heavy metals from sediments was found as; residue>Fe-Mn oxidation>organic>carbonate>exchangeable phase. According to the total concentrations of each Al, Cd, Cr, Cu, Fe, Ni, Pb, Zn, Mn ve Sr metals, a recovery rate of 83-127%, 92-123%, 83-112%, 84-106%, 91-105% were obtained from Kızılırmak, Mert Rivers and Kurupelit sea region, Yeşilırmak and Abdal river sediments, respectively.In Potential leaching method, with respect to the mobility of metals, heavy metal removals from sediment layer were determined as; Cu>Ni>Cd>Cr>Zn>Mn>Sr Fe depending on the total metal context.Soil washing/extraction method was used in a laboratuary batch and column system to remove heavy metals from the contaminated sediments using 0.1M Na2S2O5 and 0.01 Na2EDTA mixture. Depending on the total metal content and the complexiation with Na2EDTA, heavy metal removal rates by applying batch and continuous soil washing/extraction methods were found as; Cu>Ni Pb>Mn>Fe>Al, and Mn>Cu>Ni>Zn>Fe>Al, respectively.In conclusion, for the remediation and/or treatment of heavy metal contamination from contaminated sediments; the removal of heavy metals from sediments by sequential extraction, potential leaching and soil washing/extraction was found as 95-110%, 1-81%, and 1-43% respectively depending on the metal mobility and minerological structure of sediments.In this study, Principle Component Analysis (PCA) and Cluster Analysis (CA) were used for the contamination sources and/or to explain secret relationship between sample variables. Different sources of heavy metals determined by using PCA and CA analysis and double correlation analysis between physicochemical parameters of sediments and heavy metal concentrations. It was found that there is a positive reletionship between metal concentrations (except Al), and some of these metals were found in 95% and/or upper confidence range. In this study, heavy metals were separated in there main sources by dividing sub-groups. It was determined that aluminium is a metal found earth crust naturaly, Ni, Pb, Zn and Cr have industrial sources and Cu and Cd have municipal and industrial sources.