Atık su arıtma tesislerinde su ayak izi hesaplama yöntem önerisi ve haddeleme-galvanizleme tesisinde uygulama örneği
A method proposal for water footprint calculations in wastewater treatment plants and application example in rolling-galvanising plant
Yazar: TAMER ÇANKAYA
Danışman: DOÇ. DR. TUĞBA ÖLMEZ HANCI
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Çevre Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Çevre Bilimleri, Mühendisliği ve Yönetimi Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Çevre Mühendisliği = Environmental Engineering
Dizin: Atık su arıtma tesisleri = Waste water treatment plants ; Ekolojik ayak izi = Ecological footprint ; Soğuk haddeleme = Cold rolling

Özet:
Su insanlık için önemli bir kaynaktır. İnsanlık gelişimini, yüzyıllardır başta su olmak üzere doğal kaynakları tüketerek sağlamıştır. Çevre alanında son dönemde yapılan çalışmalar göstermektedir ki doğal kaynaklar sınırsız değildir ve doğanın kendini yenileme kapasitesi vardır. İçinde bulunduğumuz yüzyılda dünya üzerinde hiç olmadığı kadar insan yaşayacaktır. Artan nüfusla birlikte su tüketiminin de artacağını öngörmek zor değildir. Atık su arıtmanın su yönetiminde azımsanamayacak katkısı bulunmaktadır. Su kıtlığı senaryolarına göre atık suyun geri kazanılıp kullanımı dahi otoritelerce tartışılmaya başlanmış ve bunun üzerine çalışmalar yapılmıştır.
Mühendislik bakış açısına göre, ölçülemeyen şey yönetilememektedir. Bundan yola çıkarak sürdürülebilirlik alanında birçok çalışma yapılmıştır. Son dönemde ortaya çıkan su ayak izi kavramı da bu çalışmalardan birinin sonucudur. Su ayak izi alanında çalışmalar başta tarımsal üretim için yapılmış ve daha sonra diğer sektörlere yaygınlaştırılmıştır. Bununla birlikte atık su arıtma tesisleri üzerine yapılmış çalışma sayısı azdır. Bu yüksek lisans tez çalışması sırasında atık su arıtma tesislerinin su ayak izi hesaplaması üzerine yapılmış sadece beş çalışmaya erişilebilmiştir. Bu çalışmalarda farklı yöntem ve veri tabanları kullanılmış, farklı göstergeler üretilmiştir. Bu nedenlerden dolayı bu çalışmalar birbiriyle kıyaslaması zor olan çalışmalardır. 
Bu yüksek lisans tez çalışmasının amacı, atık su arıtma tesislerinde su ayak izi için uygulanabilir bir yöntem önermek, göstergeler üretmek ve uygulama örneğini sunmaktır. Ayrıca çalışma kapsamında örnek bir tesis seçilmiş ve uygulama sonuçlarını değerlendirilmiştir.
Çalışmanın birinci bölümünde çevresel konular hakkında genel giriş yapılmış daha sonra çalışmada incelenecek olan atık su arıtma tesisinin hizmet ettiği sektörün çevresel tüketimleri hakkında bilgi verilmiştir. Ardından çalışmanın amaç, kapsam ve yöntemi tanımlanmıştır. 
İkinci bölümde ise su ayak izinin tarihçesi ve gelişiminden bahsedilmiş, su ayak izi hesaplamalarında kullanılan iki yöntem hakkında genel bilgilendirme yapılmıştır. Bölümün devamında atık su arıtma tesisleri için yapılmış su ayak izi çalışmaları detaylarıyla incelenmiş ve kullanılan yöntemler ve çıktıları irdelenmiştir. 
Üçüncü bölümde atık su arıtma tesisleri için bu çalışma kapsamında önerilen yöntem sunulmuştur. Ardından hesaplama yapılabilmesi için gerekli verilerin temin edilmesi ve hesaplama sırasında kullanılacak kabuller açıklanmıştır.
Dördüncü bölümde ise çalışmanın yapıldığı Borçelik tesisi hakkında bilgi verilmiş, sahip olduğu süreçler Mevcut En İyi Teknikler referans dokümanıyla değerlendirilerek irdelenmiştir. İlerleyen kısımda atık su arıtma tesisi hakkında genel bilgilendirme yapılarak tesis için toplanan veriler sunulmuştur. Dördüncü bölümün son kısmında ise bu çalışma kapsamında önerilen yöntem ve çalışmanın uygulandığı Borçelik tesisinden alınan veriler ile su ayak izi hesaplaması yapılmıştır. 
Beşinci bölümde çıkan sonuçlar ve önerilen yöntem değerlendirilmiş; ileride yapılacak su ayak izi çalışmaları için tavsiyelere yer verilmiştir.
Çalışmada hesaplamalara başlanmadan su ayak izi tipleri sınıflandırılmış ve tanımlanmıştır. Çalışmada 5 farklı kirletici için gri su ayak izi hesaplanmıştır. Çalışma kapsamı yalnızca atık su arıtma tesisiyle sınırlı tutulmuş, tesisin girdi ve çıktıları değerlendirilmiş, atık yağlar kapsam dışı bırakılmıştır. Çalışma 20 m3/saat kapasiteli bir endüstriyel atık su arıtma tesisi için yapılmıştır.
Çalışma sonucunda bazı önemli bulgular elde edilmiştir. Önerilen yöntem atık su arıtma tesislerinde uygulanabilir bir yöntemdir. Bu çalışmada yeşil su ayak izinin toplam su ayak izine yalnızca % 0,35 etkisi olduğu sonucu alınmıştır. Bu sonuç; arıtma tesisleri için yapılan diğer su ayak izi araştırmalarında, yeşil su ayak izinin, kapsam dışı bırakılabileceği kabulünü destekler niteliktedir.
Çalışmanın bu alanda yapılan araştırmalardan en önemli farkı mavi su ayak izi içinde elektrik tüketimi payının daha düşük olmasıdır. Çalışma sonucunda toplam su ayak izinin % 29'u mavi % 71'i ise gri su ayak izi çıkmıştır. Ayrıca tesise giren 1 m3 atık suyun su ayak izi değeri de 0.777 m3 olarak belirlenmiştir. Bu ayak izi atık su arıtma tesisinin suyu arıtmak için kullandığı su miktarıyla karıştırılmamalıdır. Bu tanım için ayrı bir gösterge oluşturulmuş ve değeri de 0,238 m3 olarak belirlenmiştir ayrıca bu değerin % 94'ü mavi su ayak izidir. 
Tesisin en yüksek su ayak izi giderimi demir parametresinden en yüksek bakiye kirletici su ayak izi ise toplam azot parametresinde olduğu tespit edilmiş ve gri su ayak izi hesaplamalarında toplam azot parametresi kullanılmıştır. 
Sonuç olarak su ayak izi sonuçlarının, suyunu yönetmek isteyenler için faydalı bir sayısal gösterge olduğu kanısına varılmış ve arıtma tesislerinde de uygulanabileceği görülmüştür. Bu alanda yapılan araştırmaların şeffaf ve tutarlı olabilmesi için daha fazla çalışma yapılması gerektiği belirtilmiş, özellikle veri kaynaklarının standart hale getirilmesi ve mümkünse ulusal veri tabanları oluşturulması önerilmiştir.

Abstract:
Water is a valuable source for humanity. Mankind developed with water consumption for centuries thinking sources are limitless. Recent studies showed that any source from nature including water is not limitless and nature has a capacity for renewing itself. This century, the human population will reach the highest number in history since mankind arose. With increasing population, water demand is also expected to rise. Wastewater treatment plants have an unquestionable role in water management. With recent water scarcity scenarios nowadays even usage of reclaimed wastewater is being discussed by authorities seriously.
As an engineering point of view what can not be measured can not be managed. Starting from this idea many studies in the sustainability area was made for managing natural sources effectively. Water footprint is one of the sustainability indicators which aims to measure direct or indirect water usage of a product, process or organization, and even nations. First studies made in this area aims especially agricultural activities. Within years studies were extended to different production activities. There was only a few interests in wastewater treatment plants while many made for different processes.
Five studies in wastewater treatment plant's water footprint can be reached during this research. Every study has a different point of view for the water footprint methodology; researchers used several databases, calculated different indicators so naturally their results varied and can not be compared. Within the important role of treatment in water management, this study proposes an application of the water footprint method for wastewater treatment plants. After the proposal of the method an application example will also be applied to an industrial wastewater treatment plant. 
In the first section of this study general information given for environmental concerns about water, then steel industry's natural sources demand is evaluated, finally this study's aim, scope, and method are defined.
The second section is the literature research. In the first part, the emergence and development of water footprint studies are given with a comparison of two different water footprint calculation methodology (Life Cycle Assessment method and Water Footprint Network method).  In the second part of section five water footprint studies made for wastewater treatment plants mentioned before, are evaluated. This evolution also causes a new method while comparing these studies results. As an important criterion, all of the studies evaluated in this part were made with the Water Footprint Network methodology. 
The third section proposes a new method compatible with the Water Footprint Network's methodology for assessing wastewater treatment plant's water footprint. All the calculations in this section are derived from the Water Footprint Network's water footprint calculation method. This section also provides the scope of the water footprint calculation, data collection, and acceptances made for sustaining the study. Grey water footprint of a wastewater treatment plant is divided into different categories. 
In the fourth section's first and second part detailed information given for the target industry and industry's wastewater treatment plant using Best Available Techniques document proposed by the European Commission. In the third part of this section, annual results are presented in details. 
In the last section results presented in section four are evaluated and compared with literature. Advice is also given in the final part for future studies. 
Before calculating total water footprint some parameters are defined and categorized. For green water footprint calculation, only rainwater falls on the open parts of the treatment plant is taken.
Blue water footprint was divided into two groups. These are direct and indirect blue water footprints. Before calculating the total blue footprint, a mass balance for calculating direct blue water footprint water input and output for the wastewater treatment plant was made. Rain, evaporation, freshwater use, sludge and water input, and discharge are taken than losses are calculated and included in blue water footprint calculation. Waste oil caught at the beginning of the treatment plant neither included in this study nor in the calculations. Indirect blue water footprint consists of two contents. First one is blue water footprint coming from electricity use, second is the usage of chemicals and sludge management. For electricity, only hydropower and biogas plants water footprints evaluated as given in the literature.
While calculating grey water footprint, like the blue one's indirect footprints, chemical usage, and sludge handling was taken. New categories were proposed for assessing total grey water footprint. These are total, removal, residual, removal-compulsory, removal-operational, residual-natural, residual-process. All of the calculations for these categories are given in section three.
After proposing the method an application example is given. This application example was made for an actual industrial wastewater treatment plant located in Turkey, Bursa, Gemlik; serving Borçelik factory. It is designed for treating reversed cold milling and galvanizing processes' wastewater in the steel industry with a capacity of 20 m3/h. It has physical, chemical and biological treatment parts. Sludge coming from this treatment process dewatered and disposed. 
Total Nitrogen, Total Phosphorus, Chemical Oxygen Demand, Iron and Zinc parameters are selected for grey water footprint calculations. Pollutants for water footprint evaluation are selected from the information given in the Best Available Techniques Reference Document.
There are important findings in this study. In literature green water footprint of wastewater treatment plants excluded while making the assessment. In this study, green water footprint is also calculated as %0,35 of the total water footprint. The results are supporting the general idea of excluding green water footprint from the total.
It is also interesting that different from other studies blue water footprint has a higher rate of total water footprint (29% blue, 71% grey). In other studies electricity dominated the blue water footprint with nearly 95-97%. In this study, it has only 28% contribution to total blue water footprint. Main contributors to blue water footprint higher than electricity usage are water losses with 34% and freshwater usage in treatment plant with 34%.
Total water footprint of the plant is calculated as 0,777 m3 total water footprint for 1 m3 wastewater passed. It is important that this value is the total water footprint. If the operation of treatment wanted to be calculated than pollutants contribution has to be extracted from the total water footprint. If so the operational value will be 0,238 m3 total water footprint for 1 m3 wastewater treated and nearly 94% of this water footprint is blue. The proposed indicator shows the usage of freshwater for treating the wastewater. Increasing value can show a deficiency of the wastewater treatment plant.
Total Nitrogen's grey water footprint has selected for total footprint calculation since it has the biggest annual value on remaining part in discharge (62.287 m3.grey water footprint). Iron's grey water footprint has the biggest reduction annually with 1.567.627 m3.grey water footprint. Zinc input to the treatment plant was already below the discharge limits so it gave some inconsistent values in removal-compulsory, removal-operational indicators. 
In conclusion, water footprint is a useful quantitative indicator for whom has an interest in assessing water. With this indicator water usage trends can be evaluated and managed. Even there are only a few studies it can be easily adapted to wastewater treatment plants. More studies on this area have to be done for a clear and consistent evaluation of water footprints in treatment plants. For increasing interest in this area, data sources need to be standardized and if possible national datasets need to be built.